本发明涉及车载质子交换膜燃料电池系统，尤其涉及一种融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统及方法。
背景技术：
随着新能源技术的不断发展，相比于以动力电池为动力源纯电动汽车，燃料电池电动汽车以其零污染，能够适用于低温环境，加氢方便等优点，被认为是最具发展潜力的新能源汽车，目前燃料电池汽车以及在一些国家进行预售。
车载燃料电池系统作为燃料电池汽车的动力源，由于其结构复杂，服役条件恶劣以及运行条件经常发生变化等原因，在燃料电池使用过程中出现各种难免出现各种故障，若无法及时检测出现的内部故障，会导致系统无法正常工作，对燃料电池系统造成不可逆的损害，乃至发生重大的氢电安全事故，第三届)燃料电池汽车产业论坛中提到车载燃料电池系统及氢气储运装置将实行信息化管理，届时车载燃料电池系统将处于云数据的管理之下，车载燃料电池系统的使用寿命和安全将的到进一步保障，但是针对燃料电池的可靠性和耐久性方面及燃料电池内部状态和预警的研究较少。
燃料电池故障诊断大部分是以离线检测为主，当燃料电池发生可见的故障后，将燃料电池停机对其进行逐一排查问题，这种方法往往会依赖维修人员的经验并且具有较大的盲目性，甚至出现对于故障的误判或者漏判，在线监测的方法目前的研究主要基于燃料电池的单片极化电压是燃料电池系统性能好坏的直接体现，通过测量电池整体的极化电压来确定燃料电池的内部状态及故障分析，即燃料电池的内部状态通过其外部输出确定，无法确切的对燃料电池内部的电流密度分度和温度分布，这种基于燃料电池输出特性的燃料电池故障诊断是有一定局限性的。在固体氧化物燃料电池的状态监测方面，在基于一些安装在燃料电池内部的测量装置来反映燃料电池的状态方面有了一定研究，在申请号为201710354426.0的专利“一种固体氧化物燃料电池堆故障诊断方法和系统”中，通过模拟燃料电池正常工作状态来得到燃料电池内部温度和电流参数，对燃料电池堆内部状态实时监测，同时建立相应的诊断模型来判断所采集到的固体氧化物燃料电池堆内部温度和电流参数是否处于正常状态；在质子交换膜燃料电池方面，这种基于内部状态参数监测从而实现对燃料电池工作状态监测的手段在质子交换膜燃料电池中应用较少，为了提高对质子交换膜燃料电池状态监测方面的精度，应该建立基于质子交换膜燃料电池堆内部参数测量的燃料电池状态监测与异常信号预警系统。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术在车载燃料电池状态监测与故障诊断方面存在的缺陷，提供一种融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统及方法。
本发明的目的可通过以下技术方案实现：
1.融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统及方法，该系统包括内嵌有限区域电流及温度检测片的燃料电池堆、包含温度和湿度以及气体压力传感器的燃料电池辅助设备、智能通讯系统、基于共享信息的云计算系统、燃料电池状态监测与异常状态预警系统，还包括信号放大与处理模块和数据的接收与储存模块；
所述的内嵌有限区域电流及温度检测片的燃料电池堆，包含有限区域电流及温度检测片，用于获取燃料电池堆阴阳极板电流密度分布和温度分布信息，有限区域电流及温度检测片分别固定在阴阳极板与质子交换膜之间；在燃料电池辅助设备中安装有进气管路温度、湿度及气体压力传感器，用以获取燃料电池辅助设备的工作状态，即压缩机的转速状态，增湿器和温度调节器的功率；燃料电池堆和燃料电池辅助设备构成燃料电池系统；
所述的燃料电池堆阴阳极板电流密度分布和温度分布信息的获取，有限区域电流及温度检测片由若干个有限区域电流及温度检测单元构成，每个有限区域电流和温度检测单元包含一个电流传感电阻和一个温度传感电阻，电流传感电阻和温度传感电阻的电势差信号可以反映燃料电池阴阳极板每个区域的电流密度分布和温度分布状态；信号放大与处理模块将电流传感电阻和温度传感电阻的电势差信号放大，并将其转化为燃料电池堆各个区域的电流密度值和温度值，将其储存在数据接收与储存模块；
所述的燃料电池辅助设备的工作状态信息的获取，在燃料电池系统的进气管路分别设置温度传感器、湿度及压力传感器，通过检测进气管路的阴阳极气体温度、湿度及气体压力从而获得燃料电池辅助设备中的压缩机的转速状态，增湿器和温度调节器的功率，并将温度调节器、湿度调节器及压缩机的状态信息储存入数据接收与储存模块；
所述的智能通讯系统包括燃料电池堆与辅助设备通讯模块、燃料电池系统与整车通讯模块和车-车燃料电池系统状态与整车工况通讯模块；燃料电池堆与辅助设备通讯模块位于燃料电池控制器中，负责建立燃料电池堆-燃料电池辅助设备二维多尺度数据库；燃料电池系统与整车通讯模块位于整车控制器中，负责建立整车工况信息-燃料电池系统需求功率-燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度数据库；车-车燃料电池系统状态与整车工况通讯模块位于基于共享信息的燃料电池云计算系统中，独立于燃料电池整车，负责接收所有共享信息车辆的燃料电池堆-燃料电池辅助设备工作状态二维多尺度数据库，将其储存到基于共享信息的燃料电池云计算系统，并建立整车工况信息-燃料电池系统需求功率-燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度数据库，将其储存于基于共享信息的燃料电池云计算系统；
所述的燃料电池状态监测与异常状态预警系统，分布式位于整车控制器和基于共享信息的燃料电池云计算系统中；包括基于燃料电池堆与辅助设备通讯信息的燃料电池系统状态监测模块和基于燃料电池系统与整车通讯信息的整车工况监测模块，这两个模块位于整车控制器中，实现对燃料电池系统的状态观测；还包括基于燃料电池状态信息并融合通讯信息的故障预警与响应模块，位于燃料电池控制器内，负责储存燃料电池堆的温度分布和电流密度分布状态模型并发出异常状态预警信号，同时向燃料电池辅助设备发出控制指令；还包括基于车-车工况与燃料电池状态通讯信息的共享车辆燃料电池状态与整车工况信息整合模块，位于基于共享信息的燃料电池云计算系统中，负责整合所有共享信息，基于大数据信息为燃料电池堆的温度分布和电流密度分布状态模型提供动态参数；
所述的融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统实现状态监测与预警的方法如下：
燃料电池堆与辅助设备通讯模块负责接收有限区域电流及温度检测单元对应的各个区域的电流密度值和温度值，并生成各个区域的电流密度与温度分布数表，同时获取当前时刻压缩机转速，温度调节器和湿度调节器的功率，形成燃料电池堆-燃料电池辅助设备状态信息的二维多尺度数据库，作为燃料电池系统状态监测与运行状态预警的参考条件；
燃料电池系统与整车通讯模块通过访问整车控制器中的整车工况信息和质子交换膜燃料电池系统需求功率，同时调用数据接收与储存模块中的温度调节器、湿度调节器及压缩机的工作状态，建立整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度数据库，作为质子交换膜燃料电池系统状态监测与运行状态预警的参考条件；
车-车燃料电池系统状态通讯模块负责将燃料电池堆-燃料电池辅助设备状态信息的二维多尺度数据库上传到基于共享信息的燃料电池云计算系统，作为燃料电池状态云管理的共享信息，同时燃料电池状态系统监测与预警系统可以调用以上共享信息，用以实现随着燃料电池堆状态的变化及时调整燃料电池辅助设备控制的策略；
车-车整车工况通讯模块负责将整车工况信息-燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态的三维多尺度数据库上传到基于共享信息的燃料电池云计算系统，，作为燃料电池状态云管理的共享信息，同时燃料电池状态系统监测与预警系统可以调用以上共享信息，以实现随着汽车的运行工况变化及时调整整车的能量管理策略；
基于燃料电池堆与辅助设备通讯信息的质子交换膜燃料电池系统状态监测模块，通过访问燃料电池堆-燃料电池辅助设备二维多尺度数据库，实现对燃料电池堆电流密度分布和温度分布的观测，还可以对燃料电池辅助设备工作状态进行观测；基于燃料电池系统与整车通讯信息的整车工况监测模块通过访问整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度数据库实现对整车工况与质子交换膜燃料电池需求功率的观测；
基于燃料电池状态信息并融合通讯信息的故障预警与响应模块通过观测所有共享信息的汽车在特定工况下的燃料电池堆电流密度分布和温度分布状态，基于共享信息的云计算系统可以得到该特定工况下燃料电池堆电流密度分布和温度分布的合理状态；通过观测特定车辆的燃料电池电流分布和温度分布状态，并与燃料电池堆电流密度分布和温度分布合理状态进行对比分析，可以检测异常信号，并向燃料电池控制器发布预警信号，燃料电池控制器发出指令调整温度调节器、湿度调节器和压缩机的工作状态，使燃料电池的温度分布和电流密度分布趋向合理状态，同时将使燃料电池电流密度和温度状态发生异常的辅助设备工作状态上传至基于共享信息的燃料电池云计算系统，作为其他车辆燃料电池辅助系统的工作警戒参数。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1.本发明提出了一种融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统及方法，能够对异常信号做出响应，不会让燃料电池系统在出现异常信号的情况下长时间工作，避免了对燃料电池系统在非正常状态下长时间工作；
2.燃料电池系统中包含用有限区域电流及温度检测片，能够获取燃料电池堆电流密度分布和温度分布信息，还包含获取温度调节器、湿度调节器和压缩机工作状态的进气管路温度、湿度及气体压力传感器。燃料电池堆和其辅助设备的状态参数均是由传感器测得，而不是通过模拟燃料电池工作状态来获得的，因此参数真实度高，能够真实反映燃料电池堆及其辅助设备的状态信息；
3.融合智能通讯信息，对燃料电池的状态进行观测并对异常信号进行预警。通过对燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助系统二维多尺度数据库对访问，实现对质子交换膜燃料电池堆内部电流密度分布和温度的观测，还可以对质子交换膜燃料电池辅助系统工作状态的观测；基于膜燃料电池系统与整车通讯信息的整车工况监测模块可以实现对整车工况与燃料电池需求功率的观测；基于共享信息的云计算系统可以得到特定工况下燃料电池堆电流密度分布和温度分布的合理状态，通过观测特定车辆的燃料电池堆电流分布和温度分布，将其与燃料电池内部电流密度分布和温度分布合理状态进行对比分析，可以检测异常信号。
附图说明
图1为融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统及方法组成框图；
图2为融合通讯信息的燃料电池状态监测与预警系统监测燃料电池状态和预警流程框图；
图3为基于共享信息的云计算系统得到预警及响应信号的流程图。
具体实施方式
本发明的目的是为了克服现有技术在车载燃料电池状态监测与故障诊断方面存在的缺陷，提供一种基于融合通讯信息的燃料电池内部状态变量监测与燃料电池故障诊断系统。
图1为本专利提出的融合通讯信息的质子交换膜燃料电池状态监测与预警系统组成示意图，一种融合通讯信息的质子交换膜燃料电池内部状态监测与预警系统，其特征在于，包括车载质子交换膜燃料电池系统、智能通讯系统、基于共享信息的云计算系统、质子交换膜燃料电池状态监测与异常状态预警系统，还包括信号放大与处理模块和数据的接收与储存模块；
质子交换膜燃料电池系统中包含用于获取质子交换膜燃料电池堆内部阴阳极板电流密度和温度信息的获取的有限区域电流及温度检测片，有限区域电流及温度检测片分别固定在阴极板与质子交换膜和阳极板与质子交换膜之间；在质子交换膜燃料电池的辅助系统中分别安装有进气管路温度、湿度及气体压力传感器，用以获取质子交换膜燃料电池辅助系统即温度调节器、湿度调节器和压缩机工作状态；
在质子交换膜燃料电池堆的阳极电极与质子交换膜之间和阴极电极和质子交换膜之间分别装有一片有限区域电流及温度检测片，该有限区域电流及温度检测片由若干个有限区域电流及温度检测单元构成，每个有限区域电流和温度检测单元包含一个电流传感电阻和一个温度传感电阻，每个有限区域电流和温度检测单元的电流传感电阻和温度传感电阻的电势差信号可以反映质子交换膜燃料电池阴阳极板每个区域的电流密度状态和温度状态，信号放大与处理模块将有限区域电流及温度检测片上所有有限区域电流和温度检测单元的电流传感电阻和温度传感电阻的电势差信号放大并转化为质子交换膜燃料电池堆内部与有限区域检测片的各个有限区域检测单元对应的各个区域的电流密度值和温度值，将其储存在数据接收与储存模块；
在质子交换膜燃料电池的进气管路分别设置温度传感器、湿度传感器和压力传感器通过检测进气管路的阴阳极气体温度、湿度及气体压力从而获得质子交换膜燃料电池辅助系统中的温度调节器、湿度调节器和压缩机等重要部件的工作状态，并将温度调节器、湿度调节器及压缩机的状态信息储存入数据接收与储存模块；
智能通讯系统包括质子交换膜燃料电池堆与辅助设备通讯模块、质子交换膜燃料电池系统与整车通讯模块和车-车质子交换膜燃料电池状态与整车工况通讯模块；质子交换膜燃料电池与辅助设备通讯模块，位于质子交换膜燃料电池控制器中，负责建立质子交换膜燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助系统二维多尺度数据库；质子交换膜燃料电池系统与整车通讯模块，位于整车控制器中，负责建立整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度动态数据库；车-车质子交换膜燃料电池系统状态通讯模块，位于基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统中，独立于燃料电池整车，负责将质子交换膜燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助设备的质子交换膜燃料电池系统二维多尺度数据库储存到基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统；车-车整车工况通讯模块，位于基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统中，独立于燃料电池汽车整车，负责建立整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度动态数据库的储存于基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统；
质子交换膜燃料电池状态监测与异常状态预警系统，分布式的位于整车控制器和基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统中，包括基于质子交换膜燃料电池堆与辅助设备通讯信息的质子交换膜燃料电池系统状态监测模块和基于质子交换膜燃料电池系统与整车通讯信息的整车工况监测模块，这两个模块位于整车控制器中，负责对对质子交换膜燃料电池系统的状态观测，还包括基于质子交换膜燃料电池状态信息并融合通讯信息的故障预警与响应模块，位于燃料电池控制器内，负责储存质子交换膜燃料电池堆的温度和电流密度分布状态模型并发出异常状态预警信号同时发出质子交换膜燃料电池辅助系统发出控制指令；还包括基于车-车工况与燃料电池状态通讯信息的共享车辆燃料电池状态与整车工况信息整合模块，位于基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统中，负责整合所有共享信息，基于大数据信息为质子交换膜燃料电池堆的温度和电流密度分布状态模型提供动态参数；
图2为本专利融合通讯信息的质子交换膜燃料电池状态监测与预警系统监测燃料电池状态和预警流程框图，图3为基于共享信息的云计算系统得到预警及响应信号的的流程图。
融合通讯信息的质子交换膜燃料电池内部状态监测与预警系统对质子交换膜燃料电池内部状态监测与预警的方法如下：
质子交换膜燃料电池与辅助设备通讯模块负责数据接收与储存模块接收有限区域电流及温度检测片的检测单元对应的各个区域的电流密度值和温度值，并生成各个区域的电流密度与温度分布数表，同时获取与当前质子交换膜燃料电池内部阴阳极板的电流密度分布状态和温度分布状态对应的辅助设备状态信息，具体包括压缩机转速，温度调节器和湿度调节器的功率，形成质子交换膜燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助系统二维多尺度数据库，作为质子交换膜燃料电池系统状态监测与运行状态预警的参考条件；
质子交换膜燃料电池系统与整车通讯模块负责建立整车能量管理策略的响应接口，访问能量管理策略中的整车工况信息和质子交换膜燃料电池系统需求功率，通过调用数据接收与储存模块中质子交换膜燃料电池辅助设备中温度调节器、湿度调节器及压缩机的工作状态，建立整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度动态数据库，作为质子交换膜燃料电池系统状态监测与运行状态预警的参考条件；
车-车质子交换膜燃料电池系统状态通讯模块负责将基于质子交换膜燃料电池与辅助设备通讯信息建立的质子交换膜燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助设备的质子交换膜燃料电池系统二维多尺度数据库上传到基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统，作为质子交换膜燃料电池状态云管理的共享信息，同时质子交换膜燃料电池状态系统监测与预警系统可以调用以上共享信息，用以实现随着质子交换膜燃料电池堆得状态的变化及时调整质子交换膜燃料电池辅助设备控制的策略；
车-车整车工况通讯模块：建立整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率-质子交换膜燃料电池辅助设备工作状态三维多尺度动态数据库的上传到基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统，作为质子交换膜燃料电池状态云管理的共享信息，同时备质子交换膜燃料电池状态系统监测与预警系统可以调用以上共享信息，以实现随着汽车的运行工况变化及时调整整车的能量管理策略；
基于质子交换膜燃料电池堆与辅助设备通讯信息的质子交换膜燃料电池系统状态监测模块通过对质子交换膜燃料电池堆-质子交换膜燃料电池辅助系统二维多尺度数据库对访问实现对质子交换膜燃料电池堆内部电流密度分布和温度的观测，还可以对质子交换膜燃料电池辅助系统工作状态的观测；
基于质子交换膜燃料电池系统与整车通讯信息的整车工况监测模块通过访问整车工况信息-质子交换膜燃料电池系统需求功率二维多尺度动态数据库实现对整车工况与质子交换膜燃料电池需求功率的观测；
基于质子交换膜燃料电池状态信息并融合通讯信息的故障预警与响应模块，通过观测所有共享信息的汽车在特定工况下的质子交换膜燃料电池内部总体电流密度分布和温度分布状态，基于共享信息的云计算系统可以得到该特定工况下质子交换膜燃料电池内部电流密度分布和温度分布的合理状态，观测特定车辆的质子交换膜燃料电池内部电流分布和温度分布于质子交换膜燃料电池内部电流密度分布和温度分布合理状态进行对比分析，可以检测异常信号，并向质子交换膜燃料电池控制器发布预警信号，质子交换膜燃料电池控制器发出指令调整温度调节器、湿度调节器和压缩机的工作状态，使得质子交换膜燃料电池内部的温度分布和电流密度分布趋向合理状态，同时将使质子交换膜燃料电池内部电流密度和温度状态发生异常的阴阳极空气流量、压力以及温度湿度信息上传至基于共享信息的质子交换膜燃料电池云计算系统，作为下次异常信号调整，作为其他共享信息的质子交换膜燃料电池汽车异常信号检测与调整的依据。