燃料电池堆电压传感器诊断的制作方法

本公开涉及一种用于监测氢燃料电池堆电压的系统和方法。

在现有的车用氢燃料电池与燃料电池堆中，堆中每隔一个燃料电池便使用至少一个电压传感器，或者提供专用电压传感器，用于测定燃料电池堆中每一燃料电池的电压电势。电压传感器的数量较多，所以使得成本很高。目前人们认为，减少电压传感器的数量使得用于识别是否正在发生传感器漂移或已发生传感器故障的采样点的数量减少，从而降低了采样点的质量。

目前，错误的传感器读数可能被解释为电化学现象，且这一传感器读数可能不会被立刻识别为错误。由于燃料电池堆内的电化学过程，当前也没有已知的方法来识别故障传感器，该故障传感器的输出处于可行读数范围之内。当燃料电池实际上正出现问题时，因为故障电池传感器的读数可显示为正常状态，所以燃料电池堆内的故障电池未被识别出来。

因此，尽管现有的燃料电池堆电压传感器系统达到了预期目的，但是仍然需要一种新型改进的使用燃料电池堆电压传感器系统来测定燃料电池堆状态的系统和方法。

技术实现要素：

根据几个方面，一种使用燃料电池堆电压传感器诊断系统来评估电压传感器输出的方法包括：在第一级合理性测试中，确定燃料电池堆的燃料电池电压传感器信号的最大值是否小于传感器限值，以及传感器信号的最小值是否大于传感器限值；执行第二级合理性测试，以识别传感器信号的最大值是否大于传感器信号的平均值，以及传感器信号的平均值是否大于传感器信号的最小值；并进行第三级合理性测试，以识别传感器信号的最小值是否小于第一预定阈值。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果传感器信号的最小值小于第一预定阈值时，观测系统的功率，以识别燃料电池堆是否在低功率模式下运行。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果对低功率观测生成否定响应时，进行时间请求，其中将在低功率下运行确定的时间与预定的最短时间进行比较。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果对低功率观测生成否定响应且已达到预定的时间限值，表明燃料电池堆在高功率下运行的时间已超过预定的最短时间，则向车辆系统控制器发送低功率请求。

在本公开的另一方面，该方法包括向车辆系统控制器发送执行增加反应物浓度测试的请求；当车辆系统控制器允许时，执行增加反应物浓度测试，包括增加系统压力、系统温度和系统流量中的至少一个，以去除燃料电池堆中的液态水。

在本公开的另一方面，该方法包括在第一比较测试中，进行燃料电池电压传感器信号的再分析，以识别传感器信号的最小值是否小于第二预定阈值，第二预定阈值至少等于或高于第一预定阈值。

在本公开的另一方面，该方法包括向车辆系统控制器提交开路电压请求。

在本公开的另一方面，该方法包括：在开路电压请求得到准许之后，进行燃料电池电压传感器信号的再分析，并且在第二比较测试中，将传感器信号的最小值与第三预定阈值进行比较，第三预定阈值至少等于或高于第二预定阈值；并评估是否还存在任何其它诊断故障。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果传感器信号的最大值大于传感器限值或者传感器信号的最小值小于传感器限值，生成电池测定失败警告。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果传感器信号的最大值大于传感器信号的平均值或者传感器信号的平均值小于传感器信号的最小值，生成电池测量失败警告。

根据几个方面，一种使用燃料电池堆电压传感器诊断系统来评估电压传感器输出的方法包括：使用燃料电池堆电压传感器测定燃料电池堆的总电压；在第一级合理性测试中，确定燃料电池堆的总电压的最大值是否小于传感器限值，以及燃料电池堆的总电压的最小值是否大于传感器限值；执行第二级合理性测试，以识别最大值是否大于传感器信号的平均值，以及传感器信号的平均值是否大于最小值；进行第三级合理性测试，以识别最小值是否小于第一预定阈值。

在本公开的另一个方面，该方法包括：如果最小值小于第一预定阈值，向车辆系统控制器发起功率请求，以识别燃料电池堆是否在低功率模式下运行；如果对功率请求生成肯定响应，表明燃料电池堆在低功率下运行的时间已经超过预定的最短时间，则向车辆系统控制器发送低功率请求。

在本公开的另一方面，该方法包括在确认燃料电池堆在低功率下运行的时间已经超过预定的最短时间之后，向车辆系统控制器发送执行增加反应物浓度测试的请求。

在本公开的另一方面，该方法包括：当车辆系统控制器允许时，执行增加反应物浓度测试，包括增加系统压力、系统温度和系统流量中的至少一个，以去除燃料电池堆中的液态水；重复测定和识别步骤。

在本公开的另一方面，该方法包括在第一比较测试中，进行燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压的再分析。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果最小值小于第二预定阈值(第二预定阈值至少等于或高于第一预定阈值)，向车辆系统控制器提交开路电压请求；在开路电压请求得到准许之后，进行燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压的再分析，并在第二比较测试中，将最小值与第三预定阈值进行比较，第三预定阈值至少等于或高于第二预定阈值。

在本公开的另一方面，该方法包括：如果最小值小于第三预定阈值，进行燃料电池堆短路分析。

根据几个方面，一种使用燃料电池堆电压传感器诊断系统来评估电压传感器输出的方法包括：使用燃料电池堆电压传感器测量燃料电池堆的总电压；使用第一端电池电压传感器识别燃料电池堆的第一端电池中每一个的燃料电池电压，使用第二端电池电压传感器识别燃料电池堆的第二端电池中每一个的燃料电池电压；在第一级合理性测试中，确定燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压中的最大值是否小于传感器限值，以及燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压中的最小值是否大于传感器限值；执行第二级合理性测试，以识别最大值是否大于传感器信号的平均值，以及传感器信号的平均值是否大于最小值；进行第三级合理性测试，以识别最小值是否小于第一预定阈值；如果最小值小于第一预定阈值，向车辆系统控制器发起功率请求，以识别燃料电池堆是否在低功率模式下运行；在确认燃料电池堆在低功率状态下运行的时间超过预定的最短时间之后，向车辆系统控制器发送执行增加反应物浓度测试的请求。

在本公开的另一方面，该方法包括确定在-1.5电势伏特直流电至+1.5电势伏特直流电范围之间变化的用于燃料电池堆的多个特性的燃料电池电压值，所述电池电压值包括表明阴极-析氧、阴极碳腐蚀、阴极ecsa损失、正常运行范围、阴极饥饿、阳极-铂-氧化物生长、阳极碳腐蚀和阳极析氧的电压范围。

在本公开的另一方面，该方法包括：进行燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压的再分析；如果最小值小于第二预定阈值(第二预定阈值至少等于或高于第一预定阈值)，向车辆系统控制器提交开路电压请求；请求开路电压状态；进行燃料电池堆的总电压、第一端电池的燃料电池电压或第二端电池的燃料电池电压的再分析，并且在第二比较测试中将最小值与第三预定阈值进行比较，第三预定阈值至少等于或高于第二预定阈值。

根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体实例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据示例性实施例的燃料电池堆的正面透视图；

图2是根据示例性实施例的燃料电池堆电压传感器诊断系统的图示；

图3是图2所示系统的一部分的图示；以及

图4是本公开的燃料电池堆电压传感器诊断系统中电压电势相对于电流的曲线图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参照图1，燃料电池堆电压传感器诊断系统10提供示例性燃料电池堆12的诊断信息，燃料电池堆12可包括多个单独的燃料电池14。根据几个方面，燃料电池堆电压传感器诊断系统10包括至少一个电池堆总电压传感器16，电池堆总电压传感器16可用于获得电池堆总电压。根据另外的方面，除了电池堆总电压传感器16之外，燃料电池堆电压传感器诊断系统10还可以包括专用于获得燃料电池堆12的相对端电池中每一个的电池电压的电压传感器。使用专用第一端电池传感器20可获得第一端电池18的电压。类似地，使用专用第二端电池传感器24可获得第二端电池22的电压。因为端电池通常在燃料电池堆的最高温度极限下运行，且还可以识别是否可能发生诸如电池液泛、氢饥饿或其它类似运行状况，所以端电池数据是有用的。

参照图2并再次参照图1，燃料电池堆电压传感器诊断系统10将来自曲线图26的数据加入到算法28中，并且使用算法28来将参照图1示出与描述的燃料电池堆12的感测电压状况或者燃料电池堆12的单个燃料电池14与传感器错误区分开，单个燃料电池14表示与燃料电池堆12物理特性对准的物理现象。传感器错误的实例可包括传感器漂移和可处于燃料电池预期状况内的感测状况，但该感测状况可能是错误或燃料电池问题。

在曲线图26中，纵坐标29为在-1.5电势伏特直流电到+1.5电势伏特直流电之间变化的典型燃料电池电压值，横坐标30为燃料电池堆12的多个已测定或可测定的特性。这些特性可包括阴极-析氧反应值32、阴极碳腐蚀值34、阴极-ecsa损失值36、正常操作值38、阴极饥饿值40、阳极-铂-氧化物值42、阳极-碳腐蚀值44和阳极-析氧反应值46的范围。

描绘的传感器正常测定范围曲线48覆盖在大约-1.0vdc和+1.0vdc之间的传感器测定范围50的值。通常在大约+1.4至+1.5vdc的范围内变化的特征值，如阴极-析氧反应值32，在感测时被认为处于正常的传感器测定范围50之外，因而被视为是明显的传感器故障。通常在大约-0.5vdc至-1.5vdc之间变化的特征值，如阳极-碳腐蚀值44，与传感器测定范围50重叠，因此指示阳极-碳腐蚀值44的信号不会轻易地被识别为堆故障或正常的测定范围。诸如阴极饥饿值40之类的特征值通常完全在电压传感器的正常的传感器测定范围50内，因此如果发生传感器漂移或类似的传感器故障，识别阴极饥饿值40的传感器值通常将不识别是否存在燃料电池问题或燃料电池堆问题。所以显然需要不同的方法来区分堆故障和正常的测定范围问题。算法28被提供用于区分堆故障问题和正常的测定范围问题。

在第一步骤52中，算法28接收传感器信号，并且在第二步骤54中，通过最初进行传感器信号的三(3)级合理性测试来开始诊断分析。在第一级或i级合理性测试56中，确定传感器信号的最大值是否小于传感器限值，以及传感器信号的最小值是否大于传感器限值。如果传感器信号的最大值大于传感器限值，或者传感器信号的最小值小于传感器限值，则认为传感器不存在故障，但是生成电池测定失败警告58，对此可以采取预定的补救措施。

如果传感器信号的最大值小于传感器限值，或者传感器信号的最小值大于传感器限值，则进行第二级或ii级合理性测试60。在ii级合理性测试60中，确定传感器信号的最大值是否大于传感器信号的平均值，以及传感器信号的平均值是否大于传感器信号的最小值。如果传感器信号的最大值大于传感器信号的平均值，或者传感器信号的平均值小于传感器信号的最小值，则认为传感器不存在故障，但是生成电池测定失败警告58，对此可以采取预定的补救措施。

i级合理性测试56或ii级合理性测试60无法指示传感器故障或失效可由例如单个电池短路或电池堆短路引起。使用本公开范围之外的单独测试可识别单个电池短路或电池堆短路。

如果i级合理性测试56和ii级合理性测试60的结果都指示电压传感器值处于电压传感器的范围或电压传感器的平均输出信号范围内，则进行iii级合理性测试62，对此，参照图3中进行了更详细的说明。iii级合理性测试62可用于指示传感器故障。如果在使用算法28进行的分析结束时指示出传感器故障，则说明存在诊断故障64。

参照图3并再次参照图1和图2，算法28使用的操作步骤如下。如果i级合理性测试56失败，则传送失败信号66，以生成电池测定失败警告58。如果i级合理性测试56通过，则传送通过信号68，以启动ii级合理性测试60。如果ii级合理性测试60失败，则传送失败信号70，以生成电池测定失败警告58。如果ii级合理性测试60通过，则传送通过信号72，以启动iii级合理性测试62。

在iii级合理性测试62期间，确定传感器信号的最小值是否小于第一预定阈值74。第一预定阈值74基于系统定义的标准，例如平均多个测定的燃料电池堆的特性，并且在持续的堆叠和电池健康监测的基础上可以是自适应的。选择第一预定阈值74是为了最小化误报。如果传感器信号的最小值不小于第一预定阈值74，则生成重启信号76，以使算法28返回到第二步骤54，重新开始诊断分析。如果传感器信号的最小值小于第一预定阈值74，启动信号78发起功率请求80，通过功率请求80确定燃料电池堆12是否在低功率模式下运行，比如在约5kw或低于约5kw的功率下运行。

如果对功率请求80生成否定响应82，则进行时间请求步骤84。在时间请求步骤84时，将低功率运行的时间与预定的最短时间进行比较。如果低功率运行的时间不大于预定的最短时间，则进行循环返回86，重启功率请求80。之所以执行循环返回86，是因为在算法28的后续部分中，仅在燃料电池堆低功率运行下进行进一步的信号测试是非常有利的，并且重复时间请求步骤84允许燃料电池堆12在低功率下归一化。

如果对功率请求80生成肯定响应88，并且燃料电池堆12因此在低功率下运行已经超过预定的最短时间，则向车辆系统控制器91发送低功率请求90，以识别当允许和可行时，例如当车辆操作者未要求高功率或高速操作时，请求在燃料电池堆12的电极处进行增加反应物浓度测试92。当车辆系统控制器91允许时，增加反应物浓度测试92将确认是否存在低电池状况，这一评估必须在低功率下运行。增加反应物浓度测试92将通过去除可能在燃料电池14中积聚的过量水或通过增加反应物浓度(增加氢和氧供应)来临时确保暂时最小化质量传输或寄生电流相关效应，以临时确保存在已知的反应物浓度。例如，可以通过增加电池压力、增加电池流速、和/或增加电池温度至预定的一段时间，将水从燃料电池中去除。

当燃料电池堆12可能需要输送高于低功率水平的功率时，不能设定这些条件，并且优选地在燃料电池组功率需求基本为零时建立这些条件。因此，车辆系统控制器91将接收低功率请求90，并根据系统性能需求准许请求，或者在系统达到所需功率水平之前将请求置于保持状态。还应注意，如果来自功率请求80的响应是燃料电池堆12在低功率模式下运行，则绕过时间请求步骤84，并且可以立即执行增加反应物浓度测试92。

燃料电池堆12最好处于低功率，以使其在功率曲线的动力学区域中运行，在该区域中，燃料电池堆12的实际性能或测量性能最接近于理想状态。在低功率状态下还允许进行不影响驾驶员预期变化或需求的待执行测试。在低功率下的电化学势的物理特性不会受到动能损失、电阻损耗、离子损失或燃料反应损耗的影响。在低功率下执行增加反应物浓度测试92时，操作者感应不到。

在执行增加反应物浓度测试92之后，再次分析来自燃料电池堆电压传感器(如电池堆总电压传感器16、专用第一端电池传感器20和专用第二端电池传感器24)的输出信号，以确定诸如液泛之类的燃料电池堆状况是否已经被清除或者这些燃料电池堆状况是否未影响传感器读数。压力传感器读数还用于确认电池通道有无液泛。在第一比较测试96中，将传感器的最小输出值与第二预定阈值98进行比较。第二预定阈值98至少等于或大于第一预定阈值74，因为燃料电池堆12中的电池液泛预计已被清除且已经将更高的燃料浓度供给燃料电池，因此预计会测量更高的电池电压。基于当前功率范围从数据表中的预定数据来确定压力和电压基线，用于预测预期输出电压以与从电压传感器接收的新电压输出进行比较。

如果最小电压大于第二预定阈值98，则生成否定响应100，以将系统返回到第二步骤54，在第二步骤54重新开始诊断分析。否定响应100表示燃料电池不再处于因诸如液泛或不适当的燃料浓度之类的故障条件而造成的低电势，因此，可校正的电池问题得到校正，传感器不存在故障，且诊断可以重新开始。

在燃料电池堆12仍然以低功率运行的情况下，如果最小电压小于第二预定阈值98，则生成肯定响应102，由此生成开路电压请求104，并将开路电压请求104传送到车辆系统控制器91。车辆系统控制器91接收开路电压请求104，并且在车辆操作条件允许的情况下准许该请求，或者将该请求置于保留状态。开路电压请求104命令系统升压转换器从燃料电池堆12拉出零功率，同时反应物仍然被馈送到燃料电池堆12中。因而燃料电池堆最大电势应当出现，接近燃料电池堆12的理论电池电压限值。

在准许开路电压请求104之后，重新测量并重新分析传感器电压。在第二比较测试106中，将传感器的最小输出值与第三预定阈值108进行比较。因为燃料电池堆12预计正在产生其最大电池电压，所以第三预定阈值108至少等于或大于第二预定阈值98。如果最小传感器电压大于第三预定阈值108，则生成否定响应110，以将系统返回到第二步骤54，在第二步骤54重新开始诊断分析。否定响应110表示燃料电池正在按预期运行，因此传感器不存在故障，并且诊断可以重新开始。

在燃料电池堆12仍然按照开路电压请求104运行的情况下，如果最小电压小于第三预定阈值108，则生成肯定响应112，并且进行其他活动诊断请求114以确定是否某些其他诊断测试指示不同的燃料电池堆问题，例如电池堆短路或电池短路。如果对其它活动诊断请求114的响应是否定的116，则生成电池测量失败警告58，对此可以采取预定的补救措施。如果对其它活动诊断请求114的响应是肯定的118，则指示诊断故障64。

参照图4并再次参照图3，电流-电势图120在氢燃料电池堆12的电池电流124的范围内呈现不同范围的电池电势122。电池电势损失由活化过电势引起，在非常低的电池电流下产生电池电势电压范围126。在中间电池电流范围内产生由于欧姆损耗引起的下降电池电势电压128。质量传输损耗导致电池电势电压130在1.0安培的最大电池电流下基本上达到零。如前所述，为了在确定电压传感器是否正常运行时消除质量传输损耗、欧姆损耗、动能损失的影响，可以进行开路电压请求104。当开路电压请求104命令系统升压转换器在反应物仍被馈入到燃料电池堆12中的同时从燃料电池堆12牵引零功率时，在高电池电势电压134下达到燃料电池堆12的最大电势电压132。然后，可以将电池电势电压134用作基准电压，将其同电压传感器的实际输出进行比较。

本公开的燃料电池堆电压传感器诊断系统10具有几个优点。燃料电池堆电压传感器诊断系统10提供一种多步骤的方法，以相继消除可导致电压传感器输出差异的各种燃料电池问题。使用不同的预定阈值对电压传感器输出进行多步重新测试提高了在确定系统传感器故障之前没有发生传感器故障的保证级别。由此，应用算法28的燃料电池堆电压传感器诊断系统10提高了数量减少的系统电压传感器将准确地提供燃料电池堆电压电势的可信度。

本公开的描述本质上仅是示例性的，不脱离本发明要点的变化应在本发明的范围内。不应将这些变化视为脱离本公开的实质和范围。