CN117558942A - 基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统 - Google Patents

基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统，该系统包括测试平台、车载T‑Box、网联平台以及燃料电池系统控制器。通过网联平台向车载T‑Box依次发送各项测试指令，车载T‑Box将测试指令传输到燃料电池系统控制器控制燃料电池电堆运行测试，车载T‑Box记录燃料电池电堆实时报文并上传至网联平台；网联平台解析实时报文内容，计算测试的燃料电池电堆的额定功率、峰值功率、质量功率密度、燃料电池电堆效率等数据，绘制燃料电池电堆的电堆效率表格、极化特性曲线、燃料电堆的功率曲线，判定测试的燃料电池电堆是否合格，出具测试报告。

Description

基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统。
背景技术
燃料电池通常由若干个单电池堆叠组成，形成串联结构，结构中含有阴极、阳极和冷却三个相互独立的流体流动腔体。其中，阴极腔体和阳极腔体由膜电极分开，膜电极是通过电化学反应将化学能转化为电能的场所，膜电极由质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层组成。燃料气体在膜电极的阳极催化层发生还原反应，质子通过质子交换膜从阳极传递至阴极，氧化剂气体在膜电极的阴极催化层发生氧化反应，电子经由外电路传递形成电流。
燃料电池电堆在组装完成后需要进行下线检测，具体包括气密性检测、额定功率试验、稳态特性试验、峰值功率测试等，目前主要是通过将燃料电池电堆放置到测试平台上进行人工调试检测，由于测试项目多，检测时间周期长，测试效率和准确性有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统，以解决目前燃料电池电堆下线检测成本高、检测时间周期长，测试效率和准确性有待提高的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法，包括:
将待检测的内置有车载T-BOX的燃料电池电堆放置于测试平台，连接好氢气管线路和空气管线路准备测试；
网联平台向所述车载T-Box依此发送各项测试指令，所述车载T-Box将测试指令传输到燃料电池系统控制器，所述燃料电池系统控制器控制所述燃料电池电堆运行测试；
所述车载T-Box记录所述燃料电池电堆运行的实时报文，并将实时报文上传至所述网联平台；
根据所述网联平台解析获取的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆各项目测试数据；
根据各项目测试数据出具测试报告，判定测试中的所述燃料电池电堆是否合格。
作为本发明进一步的方案：所述网联平台向所述车载T-Box依次发送各项测试指令，各项测试包括额定功率测试、峰值功率测试以及稳态性测试。
作为本发明进一步的方案：所述车载T-Box记录所述燃料电池电堆运行的实时报文，并将实时报文上传至所述网联平台，包括：
所述车载T-Box通过CAN线采集燃料电池电堆运行的实时报文，所述实时报文至少包括燃料电池系统的电压、电流；氢气的消耗量，以及辅助系统的电压、电流数据；
所述车载T-Box将采集到的实时报文数据上传至所述网联平台。
作为本发明进一步的方案：所述根据所述网联平台解析获取的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆各项目测试数据,包括:
所述网联平台解析接收到的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆的额定功率、峰值功率、质量功率密度、燃料电池电堆效率；
并根据解析数据自行绘制出所述燃料电池电堆的电堆效率表格、电堆极化曲线以及电堆功率曲线。
作为本发明进一步的方案：所述额定功率测试方法包括：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
所述测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后持续稳定运行60min；
燃料电池系统持续稳定运行60min，其单电池平均电压应不低0.60V；额定功率的计算公式为:
PS＝USIS/1000
式中：PS为燃料电池电堆功率，单位为千瓦kW；
US为燃料电池电堆电压，单位为伏特V；
IS燃料电池电堆电流，单位为安培A。
作为本发明进一步的方案：所述峰值功率测试方法包括：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后在该功率点至少稳定运行10min，然后按照规定的加载方式加载到设定的峰值功率,在该功率点持续稳定运行1min,到达设定的时间后按照规定的卸载方式进行卸载；
峰值功率计算方式如下：
PF＝UFIF/1000
式中：PF为燃料电池电堆峰值功率，单位为千瓦kW；
UF为燃料电池电堆峰值状态下电压，单位为伏特V；
IF燃料电池电堆峰值状态下电流，单位为安培A。
作为本发明进一步的方案：所述稳态性测试方法包括：
在所述燃料电池电堆工作范围内均匀选择10个工况点：10％Ps，20％Ps，30％Ps，40％Ps，50％Ps，60％Ps，70％Ps，80％Ps，90％Ps，100％Ps；
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
所述测试平台按照规定的加载方法加载到预先确定的工况点，在每个工况点上至少持续稳定运行3min；
所述车载T-Box将工况点上获取的实时报文数据传输到所述网联平台，所述网联平台计算出每个工况点上的燃料电池电堆效率；
燃料电池电堆效率计算方式如下：
式中：ηS为燃料电池电堆效率；
为氢气流量,单位为(g/s)；
为氢气低热值，1.2×105kJ/kg。
一种基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测系统,其特征在于，包括测试平台、车载T-Box、网联平台以及燃料电池系统控制器；
所述测试平台为燃料电池电堆测试提供条件，所述测试平台具有氢气管线路和空气管线路，用于为燃料电池电堆测试提供工作所需的空气和氢气；
所述车载T-Box内置于燃料电池电堆内，用于将所述网联平台发出的测试指令发送到燃料电池系统控制器中，控制所述燃料电池电堆运行，记录所述燃料电池电堆测试中的实时报文数据，并将数据上传至所述网联平台；
所述网联平台，用于发送测试指令至所述车载T-Box，并解析、存储所述燃料电池电堆实时报文，计算所述燃料电池电堆测试数据，绘制特性曲线，判定所述燃料电池电堆是否合格
本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种燃料电池电堆下线检测系统，通过网联平台向车载T-Box依次发送各项测试指令，车载T-Box将测试指令传输到燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制所述燃料电池电堆运行测试，车载T-Box记录燃料电池电堆实时报文并上传至网联平台；网联平台获取燃料电池电堆测试时的实时报文；网联平台解析实时报文内容，计算测试的燃料电池电堆的额定功率、峰值功率、质量功率密度、燃料电池电堆效率等数据，绘制燃料电池电堆的电堆效率表格、极化特性曲线、燃料电堆的功率曲线，判定测试的燃料电池电堆是否合格，出具测试报告。通过该方法检测燃料电池电堆，能够减少人工成本，提供检测效率和准确性，缩短检测时间，从而提高生产线产品合格率、提高产品质量，增加产品竞争力。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法流程示意图；
图2是本发明车载T-BOX实时报文上传流程结构示意图；
图3是本发明网联平台绘制的燃料电池电堆效率表格图；
图4是本发明网联平台绘制的极化特性曲线示意图；
图5是本发明网联平台绘制的功率曲线示意图；
图6是本发明基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5所示，本发明提供了一种基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法和系统，用于燃料电池电堆下线的检测，能够提高燃料电池电堆下线检测效率，减少人工成本，同时能够覆盖所有测试项目。
如图5所示，于一实施例中，本发明提供的一种基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测系统包括测试平台(图中未视出)、车载T-Box、网联平台以及燃料电池系统控制器。
所述测试平台为燃料电池电堆测试提供条件，测试平台具有氢气管线路和空气管线路，用于为燃料电池电堆测试提供工作所需的空气和氢气；测试平台包括燃料电池系统各主体零部件及电子负载，保障燃料电池系统具备测试条件，供电电源为燃料电池系统提供低压供电，燃料电池电堆测试时置于台架之上，连接好氢气管线路和空气管线路，即可起堆测试，测试平台能够为燃料电池电堆提供多种测试模式，满足不同类型燃料电池电堆的测试需要。
所述车载T-Box内置于燃料电池电堆内，用于将网联平台发出的测试指令发送到燃料电池系统控制器中，控制燃料电池电堆运行，记录燃料电池电堆测试中的实时报文数据，并将数据上传至网联平台。
具体来说，车载T-Box向网联平台发起通信连接请求，当通信链路连接建立后，车载T-Box应自动向网联平台发送登入信息进行身份识别，远程服务与管理平台应对接收到的数据进行校验；校验正确时，网联平台应返回成功应答；校验错误时，网联平台应忽略所接收数据；若车载T-Box未收到应答，则应在3min后重新发送登入信息进行身份识别。车载T-Box在接收到网联平台的应答指令后完成本次登入传输；车载T-Box在规定时间内未收到应答指令,应在1min重新进登；若续复3次登入无应答，应间隔30min后继续新链接，并把链接成功前存储在车载T-Box里的数据重新上报。如图2所示，车载T-Box登入成功后,按一定时间周期T向网联平台上报燃料电池电堆的实时报文信息，T-Box向网联平台上报信息的时间周期T可调整。
所述网联平台用于发送测试指令至所述车载T-Box，并解析、存储燃料电池电堆实时报文，计算燃料电池电堆测试数据，数据包括燃料电池电堆的额定功率、峰值功率、质量功率密度、燃料电池电堆效率，并根据数据自行绘制燃料电池电堆的电堆效率表格、电堆极化曲线以及电堆功率曲线，并出具检测报告，判定燃料电池电堆是否合格。
如图1所示，于一实施例中，本发明提供的一种基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法包括：
一，将待检测的燃料电池电堆放置于测试平台，连接好氢气管线路和空气管线路准备测试；
二，网联平台向燃料电池电堆内部的车载T-Box依此发送各项测试指令，车载T-Box将测试指令传输到燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器控制燃料电池电堆按测试指令运行；各项测试包括额定功率测试、峰值功率测试以及稳态性测试。
额定功率测试：试验前燃料电池发动机的状态为热机状态，试验过程应自动进行，不能有人工干预。
额定功率测试方法：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后持续稳定运行60min。
燃料电池系统持续稳定运行60min内，其单电池平均电压应不低0.60V,计算方式为60min燃料电池电堆的平均电压除单电池节数。
试验中车载T-Box上传的实时报文数据包括：燃料电池系统的电压、电流，氢气流量，氢气的消耗量，辅助系统的电压、电流。
额定功率计算方式如下：
PS＝USIS/1000
式中PS为燃料电池电堆功率，单位为千瓦kW；
US为燃料电池电堆电压，单位为伏特V；
IS燃料电池电堆电流，单位为安培A；
根据车载T-Box上传的实时报文，网联平台解析后计算燃料电池电堆额定功率，与燃料电池电堆出厂标称功率对比，判定测试的燃料电池电堆是否符合出厂要求。
质量功率密度计算：
MSPS＝1000×PS/M
M为燃料电池电堆质量，单位为kg；
质量功率密度单位为瓦/千克，单位为W/kg；
通过测试计算燃料电池电堆质量功率密度，与出厂标准对比，判定测试的燃料电池电堆是否符合出厂要求。
峰值功率测试：试验前燃料电池发动机的状态为热机状态，试验过程应自动进行，不能有人工干预。
峰值功率测试方法：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后在该功率点至少稳定运行10min，然后按照规定的加载方式加载到设定的峰值功率,在该功率点持续稳定运行1min,到达设定的时间后按照规定的卸载方式进行卸载。
峰值功率计算方式如下：
PF＝UFIF/1000
式中PF为燃料电池电堆峰值功率，单位为千瓦kW；
UF为燃料电池电堆峰值状态下电压，单位为伏特V；
IF燃料电池电堆峰值状态下电流，单位为安培A；
根据T-Box上传的实时报文，网联平台解析后计算燃料电池电堆峰值功率，与出厂标准对比，判定测试的燃料电池电堆峰值功率是否符合出厂要求。
稳态性测试：燃料电池电堆处于热机状态，试验过程自动进行，不能有人为干预。
稳态性测试方法：
怠速状态：在燃料电池电堆工作范围内均匀选择10个工况点：10％Ps，20％Ps，30％Ps，40％Ps，50％Ps，60％Ps，70％Ps，80％Ps，90％Ps，100％Ps；
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
测试平台按照规定的加载方法加载到预先确定的工况点，在每个工况点上至少持续稳定运行3min；
所述车载T-Box将工况点上获取的实时报文数据传输到所述网联平台，所述网联平台计算出每个工况点上的燃料电池电堆效率；
燃料电池电堆效率计算方式如下：
式中：ηS为燃料电池电堆效率；
为氢气流量,单位为(g/s)；
为氢气低热值，1.2×105kJ/kg。
根据T-Box上传的实时报文，网联平台解析后计算得到燃料电池电堆的极化特性曲线、燃料电池电堆的功率曲线，燃料电池电堆的功率曲线用于描述测试时间段燃料电池电堆的功率情况，其横轴为时间，纵轴为电堆功率，通过功率曲线图，可直观看出燃料电池电堆最大功率，电堆在测试时电堆功率能否保持稳态，电堆拉载到最大功率响应时间等数据，可用于评估电堆性能。
三，所述车载T-Box记录各测试所述燃料电池电堆运行的实时报文数据，具体地，车载T-Box通过CAN线采集燃料电池系统实时报文，实时报文包括燃料电池系统的电压、电流；氢气的消耗量，辅助系统的电压、电流等数据；所述T-Box将采集的实时报文上传至所述网联平台；
四，网联平台解析实时报文内容，判定测试的燃料电池电堆是否合格；具体的，网联平台解析报文实时数据，并计算确定测试的燃料电池电堆额定功率、峰值功率等数据，绘制燃料电池电堆的电堆效率表格(如图3)、极化特性曲线(如图4)、燃料电堆的功率曲线(如图5)，从多维度判定燃料电池电堆是否符合下线标准，根据测试数据给出测试报告，判定燃料电池电堆是否合格。
若测试电堆额定功率，峰值功率，燃料电池电堆极化特性曲线、燃料电堆的功率曲线均符合出厂要求，则网联平台判定测试电堆合格，出具合格报告，燃料电池电堆顺利下线；若测试燃料电池电堆不符合出厂要求，则网联平台出具不合格报告，评估燃料电池电堆性能，标注出测试燃料电池电堆不合格项，燃料电池电堆返厂检修，直至所有测试项符合标准。
同时，网联平台通过测试数据，计算出测试燃料电池电堆的质量功率密度和燃料电池电堆效率等参数，对同批次产品进行对比，用于提高生产线产品合格率、提高产品质量，增加产品竞争力。
网联平台对燃料电池电堆的极化特性曲线的分析及应用：
燃料电池电堆的极化特性曲线用于描述燃料电池电堆工作过程，如图4所示，其横轴为电堆电流密度，纵轴为电堆电压，用于反映燃料电池电堆在不同工况下的性能表现。比如：网联平台通过上传实时报文，解析燃料电池电堆数据，分别取电流密度(单位mA/cm2)为100，200,300,400,500,600,700,800,900,1000时对应的电堆电压值并绘制极化特性曲线。
网联平台通过极化特性曲线，为所测燃料电池电堆评分，最终为了得到统一指标。为了更充分的利用实时报文数据的信息，采用客观权重计算方法来得到所测燃料电池电堆的总得分。
燃料电池电堆的内阻:网联平台通过计算极化特性曲线的斜率，可以计算出燃料电池电堆的内阻，内阻越低，燃料电池电堆得分越高，若燃料电池电堆内阻超过标准30％，则记0分。
燃料电池电堆的稳定性:通过极化特性曲线的形状，网联平台评判燃料电池电堆在不同电流负载下的稳定性，稳定性越好，燃料电池电堆的输出电压波动越小，得分越高。
燃料电池电堆性能：网联平台根据各电流密度下的电压值，为燃料电池电堆评分；在不同电流密度下设定电压标准值，实际电压值与标准电压值对比评分，按照出现的不良电压值次数扣分，扣完为止，单次扣除分数可配置。
总得分：根据所给权重，对三项指标进行加权计算，得到总得分。最终的燃料电池电堆评价模型将得到的权重与对应指标的乘积求和作为电堆的最终得分指标。
通过计算燃料电池电堆评价的数据，针对平均得分低于60分的异常燃料电池电堆判定不合格，实现对异常燃料电池电堆质量把控。
电堆性能评估:通过分析极化特性曲线，可以评估燃料电池电堆的性能，并与其他燃料电池电堆进行比较。优化燃料电池电堆运行条件:通过网联平台调整燃料电池电堆的工作温度、氢气和氧气的流量等参数，可以优化燃料电池电堆的性能，提高燃料电池电堆的效率和稳定性。
故障诊断:通过比较不同时间点的极化特性曲线，可以判断燃料电池电堆是否存在故障，并进行相应的维修和保养。
网联平台通过对极化特性曲线的分析及应用，不仅仅能够用于判定燃料电池电堆是否符合出厂标准，还能够提高组装工艺，优化设计方案。
以上对本发明的较佳实施例进行了详细说明，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法，其特征在于，包括:
将待检测的内置有车载T-BOX的燃料电池电堆放置于测试平台，连接好氢气管线路和空气管线路准备测试；
网联平台向所述车载T-Box依此发送各项测试指令，所述车载T-Box将测试指令传输到燃料电池系统控制器，所述燃料电池系统控制器控制所述燃料电池电堆运行测试；
所述车载T-Box记录所述燃料电池电堆运行的实时报文，并将实时报文上传至所述网联平台；
根据所述网联平台解析获取的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆各项目测试数据；
根据各项目测试数据出具测试报告，判定测试中的所述燃料电池电堆是否合格。
2.根据权利要求1所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于：所述网联平台向所述车载T-Box依此发送各项测试指令，各项测试包括额定功率测试、峰值功率测试以及稳态性测试。
3.根据权利要求2所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于，所述车载T-Box记录所述燃料电池电堆运行的实时报文，并将实时报文上传至所述网联平台，包括：
所述车载T-Box通过CAN线采集燃料电池电堆运行的实时报文，所述实时报文至少包括燃料电池系统的电压、电流；氢气的消耗量，以及辅助系统的电压、电流数据；
所述车载T-Box将采集到的实时报文数据上传至所述网联平台。
4.根据权利要求3所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于，所述根据所述网联平台解析获取的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆各项目测试数据,包括:
所述网联平台解析接收到的实时报文数据，计算确定测试中的所述燃料电池电堆的额定功率、峰值功率、质量功率密度、燃料电池电堆效率；
并根据解析数据自行绘制出所述燃料电池电堆的电堆效率表格、电堆极化曲线以及电堆功率曲线。
5.根据权利要求2-4所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于，所述额定功率测试方法包括：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
所述测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后持续稳定运行60min；
燃料电池系统持续稳定运行60min，其单电池平均电压应不低0.60V；额定功率的计算公式为:
P S＝U SIS/1000
式中：PS为燃料电池电堆功率，单位为千瓦kW；
US为燃料电池电堆电压，单位为伏特V；
IS燃料电池电堆电流，单位为安培A。
6.根据权利要求2-4所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于，所述峰值功率测试方法包括：
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
测试平台按照规定的加载方法进行加载，加载到额定功率后在该功率点至少稳定运行10min，然后按照规定的加载方式加载到设定的峰值功率,在该功率点持续稳定运行1min,到达设定的时间后按照规定的卸载方式进行卸载；
峰值功率计算方式如下：
PF＝UFIF/1000
式中：PF为燃料电池电堆峰值功率，单位为千瓦kW；
UF为燃料电池电堆峰值状态下电压，单位为伏特V；
IF燃料电池电堆峰值状态下电流，单位为安培A。
7.根据权利要求2-4所述的基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测方法,其特征在于，所述稳态性测试方法包括：
在所述燃料电池电堆工作范围内均匀选择10个工况点：10％Ps，20％Ps，30％Ps，40％Ps，50％Ps，60％Ps，70％Ps，80％Ps，90％Ps，100％Ps；
热机过程结束后，回到怠速状态运行10s；
所述测试平台按照规定的加载方法加载到预先确定的工况点，在每个工况点上至少持续稳定运行3min；
所述车载T-Box将工况点上获取的实时报文数据传输到所述网联平台，所述网联平台计算出每个工况点上的燃料电池电堆效率；
燃料电池电堆效率计算方式如下：
式中：ηS为燃料电池电堆效率；
为氢气流量,单位为(g/s)；
为氢气低热值，1.2×105kJ/kg。
8.基于智能网联的燃料电池电堆下线的检测系统,其特征在于，包括测试平台、车载T-Box、网联平台以及燃料电池系统控制器；
所述测试平台为燃料电池电堆测试提供条件，所述测试平台具有氢气管线路和空气管线路，用于为燃料电池电堆测试提供工作所需的空气和氢气；
所述车载T-Box内置于燃料电池电堆内，用于将所述网联平台发出的测试指令发送到燃料电池系统控制器中，控制所述燃料电池电堆运行，记录所述燃料电池电堆测试中的实时报文数据，并将数据上传至所述网联平台；
所述网联平台，用于发送测试指令至所述车载T-Box，并解析、存储所述燃料电池电堆实时报文，计算所述燃料电池电堆测试数据，绘制特性曲线，判定所述燃料电池电堆是否合格。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117747885A (zh) * 2024-02-21 2024-03-22 苏州氢洁电源科技有限公司 甲醇重整高温燃料电池系统性能测评装置与评价方法

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