一种燃料电池系统健康状态检测方法及装置与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统健康状态检测方法及装置，属于燃料电池系统技术领域。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池因其清洁、能量效率高等优点被广泛应用于燃料电池汽车领域。燃料电池系统随运行环境及运行时长增加，燃料电池系统健康状态会逐渐发生变化。一方面，绝大多数燃料电池系统故障触发并非突发的，而是因为不断偏离理想状态而导致的，另一方面，燃料电池系统发生故障时，必然会对燃料电池系统寿命造成一定影响，因此实时监控燃料电池健康度状态可以提前识别燃料电池系统存在的风险并及时处理，有效提升燃料电池系统可靠性及耐久性。
3.目前行业内虽然有监控燃料电池运行状态的方法，但都是单独对燃料电池某个部件的运行状态进行监控，例如监控燃料电池含水量是否正常，无法实现燃料电池系统整体健康度的计算，无法评估燃料电池系统整体的健康状态，不能对燃料电池系统健康状态及时预警，无法提前对存在风险的部件进行维护。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种燃料电池系统健康状态检测方法及装置，能够通过计算燃料电池系统健康度实现燃料电池系统健康状态的判断。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统健康状态检测方法，该方法包括以下步骤：
6.在燃料电池系统运行过程中，至少实时获取燃料电池中每个电芯的单体电压值、燃料电池的实际总电压值、燃料电池系统的氢气泄漏值h1和燃料电池系统的绝缘阻值ω2；
7.利用燃料电池中所有电芯的单体电压值和燃料电池的实际总电压值，计算得到燃料电池单体电压一致性健康度α1、燃料电池单体电压压差健康度α2、燃料电池最低单体电压健康度α3和燃料电池性能健康度α4；
8.利用α1判断燃料电池是否出现单体电压不一致故障，利用α2判断燃料电池是否出现单体电压压差过大故障，利用α3判断燃料电池是否出现单体电压过低故障，利用α4判断燃料电池是否出现输出功率过低故障，利用h1判断燃料电池系统是否出现氢气泄漏故障，利用ω2判断燃料电池系统是否出现绝缘阻值过低故障；
9.当上述故障均未出现时，将α1、α2、α3和α4的加权和作为燃料电池电堆健康度β1，并计算燃料电池系统氢气泄露健康度β2和燃料电池系统绝缘健康度β3，h2为允许的氢气泄露最大值，ω1为允许的绝缘阻值最低值，e2为第二修正系数；
10.将β1、β2和β3的加权和作为燃料电池系统健康度γ，根据γ值的大小确定燃料电池系统的健康状态，γ值越大，燃料电池系统越健康。
11.本发明还提供了一种燃料电池系统健康状态检测装置，该装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的燃料电池系统健康状态检测方法。
12.本发明的有益效果是：从多个维度计算燃料电池系统健康度，根据燃料电池系统健康度的大小确定燃料电池系统的健康状态，能实时掌握燃料电池健康状态，提前识别风险，提升燃料电池系统可靠性及耐久性，有效降低燃料电池系统故障率以及因故障造成的损失。
13.进一步地，在上述方法及装置中，该方法在计算燃料电池系统健康度γ时还包括燃料电池系统环境适应性健康度β4，将β1、β2、β3和β4的加权和作为燃料电池系统健康度γ；其中，通过获取燃料电池系统运行参数与燃料电池系统所处的环境参数相匹配时的燃料电池电流和该燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压，利用所述燃料电池实际平均电压判断燃料电池系统是否出现环境适应性故障，在燃料电池系统未出现环境适应性故障时，计算燃料电池系统环境适应性健康度β4，δv5为所述燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压与平均电压参考值的偏差值，δv6为对应电流下允许的燃料电池实际平均电压与平均电压参考值的最大偏差值。
14.进一步地，在上述方法及装置中，v1为燃料电池中所有电芯的单体电压值的方差，v2为允许的方差最大值；δv1为最高单体电压值与最低单体电压值的差值，δv2为允许的单体电压压差最大值；e1为第一修正系数，v4为最低单体电压值，v3为允许的单体电压最低值；δv3为燃料电池的实际总电压值与燃料电池初始总电压值的偏差值，δv4为允许的燃料电池的实际总电压值与燃料电池初始总电压值的最大偏差值。
15.进一步地，在上述方法及装置中，所述根据γ值的大小确定燃料电池系统的健康状态的过程包括：
16.当γ＞γ0时，判断燃料电池系统状态正常，γ0为设定的健康度下限值；
17.当γ＜γ0且γ
0-γ＞γ1时，判断燃料电池系统故障，γ1为设定的健康度偏差值；
18.当γ＜γ0但γ
0-γ＜γ1时，根据燃料电池系统各部件的状态对燃料电池系统进行相应修正，若修正后γ＞γ0，则判断燃料电池系统状态恢复正常；若修正后γ＜γ0且γ
0-γ＞γ1，则判断燃料电池系统故障；若修正后γ＜γ0但γ
0-γ＜γ1，则对燃料电池系统进行预警。
19.进一步地，在上述方法及装置中，所述预警为分级预警。
20.进一步地，在上述方法及装置中，当v1＞v2时，判断燃料电池出现单体电压不一致故障；当δv1＞δv2时，判断燃料电池出现单体电压压差过大故障；当v4＜v3时，判断燃料电池出现单体电压过低故障；当δv3＞δv4时，判断燃料电池出现输出功率过低故障。
21.进一步地，在上述方法及装置中，当h1＞h2时，判断燃料电池系统出现氢气泄漏故障。
22.进一步地，在上述方法及装置中，当ω2＜ω1时，判断燃料电池系统出现绝缘阻值过低故障。
23.进一步地，在上述方法及装置中，当δv5＞δv6时，判断燃料电池系统出现环境适应性故障。
附图说明
24.图1是本发明方法实施例中的燃料电池系统健康状态检测方法流程图；
25.图2是本发明方法实施例中的燃料电池电堆健康度计算流程图；
26.图3是本发明方法实施例中的燃料电池环境适应性健康度计算流程图；
27.图4是本发明方法实施例中的燃料电池系统分级预警流程图；
28.图5是本发明装置实施例中的燃料电池系统健康状态检测装置结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
30.方法实施例：
31.如图1所示，本实施例的燃料电池系统健康状态检测方法包括以下步骤：
32.步骤1、在燃料电池系统运行过程中，实时获取燃料电池中每个电芯的单体电压值、燃料电池的实际总电压值、燃料电池系统的氢气泄漏值h1、燃料电池系统的绝缘阻值ω2，以及燃料电池系统运行参数与燃料电池系统所处的环境参数相匹配时的燃料电池电流和该燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压；
33.其中，若燃料电池系统当前的运行参数与燃料电池系统当前所处的环境参数相匹配，就直接获取匹配时的燃料电池电流和该燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压；若燃料电池系统当前的运行参数与燃料电池系统当前所处的环境参数不匹配，就先将燃料电池的运行参数调整为与燃料电池系统当前所处的环境参数相匹配，再获取匹配时的燃料电池电流和该燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压。
34.步骤2、对燃料电池电堆是否故障、燃料电池系统是否出现氢气泄漏故障、燃料电池系统是否出现绝缘阻值过低故障和燃料电池系统是否出现环境适应性故障进行判断；
35.其中，燃料电池电堆是否故障的判断步骤如下：
36.(1)当v1＞v2时，判断燃料电池出现单体电压不一致故障；v1为燃料电池中所有电芯的单体电压值的方差，vi为燃料电池中第i片电芯的单体电压，vo为燃料电池中所有电芯的单体电压的平均值，m为燃料电池中电芯的总数，v2为允许的方差最大值；
37.(2)当δv1＞δv2时，判断燃料电池出现单体电压压差过大故障；δv1为最高单体电压值与最低单体电压值的差值，δv2为允许的单体电压压差最大值；
38.(3)当v4＜v3时，判断燃料电池出现单体电压过低故障；v4为最低单体电压值，v3为允许的单体电压最低值；
39.(4)当δv3＞δv4时，判断燃料电池出现输出功率过低故障；δv3为燃料电池的实
际总电压值与燃料电池初始总电压值的偏差值，δv4为允许的燃料电池的实际总电压值与燃料电池初始总电压值的最大偏差值。
40.燃料电池系统是否出现氢气泄漏故障的判断步骤如下：当h1＞h2时，判断燃料电池系统出现氢气泄漏故障，h2为允许的氢气泄露最大值。
41.燃料电池系统是否出现绝缘阻值过低故障的判断步骤如下：当ω2＜ω1时，判断燃料电池系统出现绝缘阻值过低故障，ω1为允许的绝缘阻值最低值。
42.燃料电池系统是否出现环境适应性故障的判断步骤如下：当δv5＞δv6时，判断燃料电池系统出现环境适应性故障，δv5为燃料电池系统运行参数与燃料电池系统所处的环境参数相匹配时的燃料电池电流对应的燃料电池实际平均电压与平均电压参考值的偏差值，δv6为对应电流下允许的燃料电池实际平均电压与平均电压参考值的最大偏差值。其中，平均电压参考值为对应环境参数和燃料电池电流下燃料电池的理想平均电压(例如通过在对应环境参数和燃料电池电流下进行实际场景测试，将测试得到的平均电压值作为平均电压参考值)，可事先制定环境参数、燃料电池电流和平均电压参考值的对应关系表，通过查表获得相应环境参数和燃料电池电流对应的平均电压参考值。
43.步骤3、当上述步骤2中的故障均未出现时，计算燃料电池系统健康度γ，根据γ值的大小确定燃料电池系统的健康状态，γ值越大，燃料电池系统越健康。
44.其中，燃料电池系统健康度qi为βi的权重系数，且β1为燃料电池电堆健康度(见图2)，ki为αi的权重系数，且α1为燃料电池单体电压一致性健康度，α2为燃料电池单体电压压差健康度，α3为燃料电池最低单体电压健康度，e1为第一修正系数，α4为燃料电池性能健康度，β2＝为燃料电池系统氢气泄露健康度，β3为燃料电池系统绝缘健康度，e2为第二修正系数；β4为燃料电池系统环境适应性健康度(见图3)，其中，在不同电流点下第一修正系数e1和第二修正系数e2的取值不同，一般e1、e2的取值范围为1～1.2，电流点越大e1、e2的取值越大。
45.其中，根据燃料电池系统健康度确定燃料电池系统的健康状态的判断逻辑如下：
46.当γ＞γ0时，判断燃料电池系统状态正常，γ0为设定的健康度下限值；
47.当γ＜γ0且γ
0-γ＞γ1时，判断燃料电池系统故障，γ1为设定的健康度偏差值；
48.当γ＜γ0但γ
0-γ＜γ1时，根据燃料电池系统各部件的状态对燃料电池系统进行相应修正，若修正后γ＞γ0，则判断燃料电池系统状态恢复正常；若修正后γ＜γ0且γ
0-γ＞γ1，则判断燃料电池系统故障；若修正后γ＜γ0但γ
0-γ＜γ1，则对燃料电池系统进行预警。
49.一般情况下，γ0为通过大量数据获取的燃料电池系统不会发生故障的健康度最小值，γ1为通过大量数据获取的燃料电池系统出现故障概率超过30％时(γ
0-γ)的差值。对于采用不同零部件及不同结构的燃料电池系统来说γ0和γ1会不同，γ0和γ1的具体取值需根据实际情况设定。
50.其中，当γ＜γ0但γ
0-γ＜γ1时，通过查找燃料电池系统中各部件的状态，找到
出现异常的部件，通过对该部件进行调整实现对燃料电池系统的修正，例如若查找到是氢阀异常，就对氢阀进行调整。
51.本实施例中对燃料电池系统进行预警时，根据γ
0-γ的大小将预警分为三个等级(见图4)，例如当(γ
0-γ)＜40％γ1时一级预警，此时对比大数据分析出导致健康度较差的燃料电池系统组件并提醒其存在风险；当40％γ1＜(γ
0-γ)＜60％γ1时二级预警，此时检查燃料电池系统中健康度最差的三个组成部分相关零件并进行保养；当(γ
0-γ)＞60％γ1时三级预警，此时对燃料电池系统全面维保。
52.本实施例中，燃料电池系统健康度γ为燃料电池电堆健康度β1、燃料电池系统氢气泄露健康度β2、燃料电池系统绝缘健康度β3和燃料电池系统环境适应性健康度β4的加权和，其中，权重的设置以安全性为原则，能影响燃料电池安全的指标权重相对较大，例如令燃料电池系统氢气泄露健康度β2和燃料电池系统绝缘健康度β3的权重较大，令燃料电池电堆健康度β1和燃料电池系统环境适应性健康度β4的权重较小。作为其他实施方式，还可以仅将β1、β2和β3的加权和作为燃料电池系统健康度γ，此时可以省略与燃料电池系统环境适应性健康度有关的步骤；或者，还可以通过考虑更多影响燃料电池系统健康度的因素，将这些因素的健康度也作为燃料电池系统健康度的一部分，例如将尾排氢气浓度健康度β5作为燃料电池系统健康度的一部分，此时，需实时获取燃料电池系统的尾排氢气浓度c1，当c1＞允许的尾排氢气浓度最大值c2时，判断燃料电池系统出现尾排氢气浓度过大故障，在燃料电池系统未出现尾排氢气浓度过大故障及上述步骤2中的故障时，计算尾排氢气浓度健康度β5＝c1/c2，将β1、β2、β3、β4和β5的加权和作为燃料电池系统健康度γ。
53.本实施例中，燃料电池电堆健康度包含：燃料电池单体电压一致性健康度、燃料电池单体电压压差健康度、燃料电池单体最低电压健康度和燃料电池性能健康度，其中，权重的设置只要保证燃料电池单体最低电压健康度的权重最大即可；作为其他实施方式，还可以通过考虑更多影响燃料电池电堆健康度的因素，将这些因素的健康度也作为燃料电池电堆健康度的一部分。
54.装置实施例：
55.本实施例的燃料电池系统健康状态检测装置，如图5所示，该装置包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述方法实施例中的方法。
56.也就是说，以上方法实施例中的方法应理解为可由计算机程序指令实现燃料电池系统健康状态检测方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
57.本实施例所指的处理器是指微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置。
58.本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，ram、rom等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，cd或dvd。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
59.通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、
android、ios、ros系统等。