一种燃料电池电堆故障诊断方法及系统与流程

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池电堆故障诊断方法及系统。

背景技术：

随着新能源技术的发展，燃料电池逐渐表现出越来越多的优势。氢燃料电池在新能源研究中是一种高效、清洁的动力能源供给装置。氢能是一种可再生的能源，通过电解水、天然气以及其他方式可以制备，因此氢燃料电动自行车从排放、能源消耗以及燃料的制备等各方面来看均比较环保。

在氢燃料电动自行车控制系统中，控制系统负责接收整车的控制指令，燃料电池电堆给氢燃料电动自行车提供动力输出，氢燃料电池释放出的电能经过稳压处理后即可为车辆提供动力，没有任何机械损耗，相比于其他的机械设备的效率会更高。

但是燃料电池电堆在工作状态下会释放大量热量，长期如此下，会直接影响燃料电池的性能和寿命，而当燃料电池系统释放的自身发出的部分热量不满足工作要求时将会影响氢气的充放速度，现有状态下出现故障后无法维持氢燃料电动自行车系统的动力输出，需要对燃料电池电堆停机处理并排除故障，费时费力。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆故障诊断方法及系统，用于解决现有燃料电池电堆在工作过程中出现故障后无法维持氢燃料电动自行车系统的动力输出，需要排除故障，无法维持燃料电池系统的可靠性、安全性和耐久性的问题。

本发明公开了一种燃料电池电堆故障诊断方法，所述燃料电池电堆与一储氢器连接，包括以下：

步骤一：对储氢器进行实时温度采集，当所述储氢器实时温度低于预设第一阈值，执行加热流程；当所述储氢器实时温度超出预设第一阈值，执行开机流程，执行步骤二；

步骤二：对燃料电池电堆温度检测，，判断所述燃料电池电堆工作状态下的温度是否超出预设第二阈值；若是，置位温度故障标识，执行关机保护后执行冷却流程；若否，执行步骤三；

步骤三：对储氢器输出部进行压力监测，判断所述储氢器输出的氢气压力是否低于预设第三阈值；若是，置位第一压力故障标识，执行关机保护后执行加热流程；若否，执行步骤四；

步骤四：对燃料电池电堆进行压力监测，判断所述燃料电池电堆的电压是否低于预设第四阈值；若是，置位电压故障标识，执行关机保护；若否，执行步骤五；

步骤五：对所述燃料电池系统控制重启，若重启失败大于预设上限值，置位极限重启失败故障标识，执行关机保护流程继续等待；若重启成功，执行步骤二。

优选地，所述步骤二执行冷却流程，包括：采用冷却装置对所述燃料电池电堆进行冷却处理，并实时监测燃料电池电堆在冷却过程中的温度；

当燃料电池电堆的实时温度低于预设第二阈值时，复位所述温度故障标识，执行开机流程后执行步骤三。

优选地，在所述步骤三执行加热过程，包括以下：

采用加热装置对储氢器进行加热处理，当所述加热装置工作时间达到预设第五阈值，复位所述第一压力故障标识，执行开机流程后执行步骤四。

优选地，在所述步骤四执行关机保护后，还包括：

执行延时重启，若重启失败，继续关机等待；若重启成功，复位所述电压故障标识，执行开机流程后执行步骤五。

优选地，在所述步骤五重启失败，执行关机保护流程继续等待后，还包括以下：

监测所述温度故障标识、所述第一压力故障标识以及所述第二压力故障标对应的故障位故障处理状态；

当所述触发温度故障标识、所述第一压力故障标识以及所述第二压力故障标对应的故障位故障处理完毕，手动复位所述极限重启失败故障标识。

优选地，控制电磁阀执行所述开机流程或所述关机保护。

本发明还公开了一种燃料电池电堆故障诊断系统，其特征在于，包括：燃料电池电堆、用于给所述燃料电池电堆提供氢气的储氢器、传感单元、处理单元、加热装置以及冷却装置；

所述传感单元包括作用于储氢器的第一温度传感器和第一压力传感器，以及作用于燃料电池电堆的第二温度传感器；

所述第一温度传感器和所述第一压力传感器均与所述处理单元电连接，以向所述处理单元反馈储氢器温度和输出气压；

所述第二温度传感器与所述处理单元电连接，以向所述处理单元反馈燃料电池电堆温度；

还包括用于对燃料电池电堆的输出电压进行采样的电压监测电路，所述电压监测电路与所述处理单元电连接以向所述处理单元反馈燃料电池电堆的输出电压；

所述处理单元根据故障标识控制加热装置或冷却装置工作；

所述处理单元通过电磁阀执行开机流程或关机保护。

优选地，还包括存储单元，所述存储单元与所述处理单元电连接，用于存储故障数据；

优选地，所述加热装置包括安装在储氢器上的加热组件，以及处于产生废热状态下燃料电池电堆；

优选地，所述冷却装置包括用于给燃料电池电堆降温的散热风扇。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本方案中通过温度故障标识监测电池电堆在工作状态下热量释放情况，通过第一压力故障标识和电压故障标识监测电池电堆输出电压，确保其满足工作需求，故障状态下，通过加热装置和冷却装置快速解决故障，维持氢燃料电动自行车系统的动力输出，以确保车用环境下，燃料电池系统的可靠性、安全性和耐久性；

2.本方案中可设置外置的冷却装置和加热装置对燃料电池电堆执行加热流程或冷却流程，使燃料电池电堆处于加热流程或冷却流程下。

附图说明

图1为本发明所述一种燃料电池电堆故障诊断方法实施例一的流程图；

图2为本发明所述一种燃料电池电堆故障诊断系统实施例二的结构示意图；

图3为本发明所述一种燃料电池电堆故障诊断系统实施例二中用于体现减压阀设置在储氢器上的结构示意图。

附图标记：1-燃料电池电堆；2-储氢器；21-射频识别模块；31-第一温度传感器；32-第一压力传感器；33-第二温度传感器；34-电压监测电路；4-处理单元；5-加热装置；6-冷却装置；61-减压阀；7-存储单元；8-电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

实施例一：本实施例公开了一种燃料电池电堆故障诊断方法，参阅图1-图3，所述燃料电池电堆1与一储氢器2连接，以便于在燃料电池电堆1工作状态下出现故障时及时诊断出故障位，并采取对应处理措施，以在故障状态下，维持氢燃料电动自行车系统的动力输出，保证车用环境下，燃料电池系统的可靠性、安全性和耐久性。具体的故障诊断方法包括以下步骤：

s10：对储氢器进2行实时温度采集，当所述储氢器2实时温度低于预设第一阈值，执行加热流程；当所述储氢器2实时温度超出预设第一阈值，执行开机流程，执行s20；

在上述步骤中，通过安装在储氢器2上的第一温度传感器31实现对储氢器2的实时温度采集，监测储氢器2的温度，确保氢气在使用时的出气状态正常，减由于储氢器2在使用初期自身温度较低而影响氢气排放的情况。需要补充说明的是，本实施方式中设置处理单元4，用于监控温度、压力以置位故障标识并控制加热流程和冷却流程；当储氢器2温度较低时，通过加热流程对储氢器2进行温度补偿，需要说明的是，本实施方式中所有加热流程作用均一致，具体的实现方式可相同或不同，包括但不限于采用外置的加热组件或采集电池电推的废热。上述步骤为执行该故障诊断方法的故障诊断系统未开始前，以达到预加热的目的，以确保后续步骤s20-s50的可执行。

s20：对燃料电池电堆温度检测，判断燃料电池电堆1工作状态下的温度是否超出预设第二阈值；若是，置位温度故障标识，执行关机保护后执行冷却流程；若否，执行s30；

在上述步骤中，通过设置在燃料电池电堆1处的第二温度传感器32来监测燃料电池电堆1的温度，由于电池电堆温度1过高会直接影响燃料电池的性能和寿命，因此当处理单元4接收到反馈的温度超出预设第二阈值时，会执行关机保护同时对燃料电池电堆1冷却处理，具体的，上述s20执行冷却流程，包括：

s21：采用冷却装置6对所述燃料电池电堆1进行冷却处理，并实时监测燃料电池电堆1在冷却过程中的温度；

在上述步骤中，冷却装置6包括但不限于设置在电池电堆1外的散热风扇，其他用于冷却的外置组件也可适用于此。

s22：当燃料电池电堆1的实时温度低于预设第二阈值时，复位所述温度故障标识，执行开机流程后执行步骤s30。

当冷却流程执行一段时间，燃料电池电堆1的实时温度降低，则说明温度故障被处理，此时可分为温度故障标识，此时可恢复工作流程，需要说明是，还可根据实际使用场景预设下限温度阈值，在实时温度降低至下限温度阈值以下时才可将温度故障标识复位，在此过程中无需一直保持关机状态直至人工处理障碍，同时采用冷却装置6加速冷却过程，缩短关机时间，在冷却过程中可由余热维持动力供给。

s30：对储氢器2输出部进行压力监测，判断所述储氢器2输出的氢气压力是否低于预设第三阈值；若是，置位第一压力故障标识，执行关机保护后执行加热流程；若否，执行s40；

在上述步骤中，储氢器2输出的氢气压力会影响到氢气的排放量，进而导致燃料电池电堆由于氢气量不足释放的热量不足以满足工作要求，因此当输出的氢气压力低于第三阈值时，需要通过加热流程对储氢器2加热以增加氢气输出的压力，储氢器2输出的氢气压力可由设置在储氢器2上的第一压力传感器32获得，具体的在上述步骤s30执行加热过程，包括以下：

s31：采用加热装置5对储氢器2进行加热处理，当所述加热装置5工作时间达到预设第五阈值，复位所述第一压力故障标识，执行开机流程后执行s40。

在上述步骤中，处理单元4接收到第一压力传感器32反馈的压力值超出预设第三阈值时，说明储氢器处存在压力故障，此时打开加热装置5并在预设时间对储氢器2加热，设置预设时间是防止加热时间过程而产生的安全隐患，在此过程中通过判断加热装置5对储氢器温度补偿时间是否超时来判断是否解决储氢器2处的压力故障，在温度补偿一定时间后则该障碍已被处理，以缩短关机保护时间，进而维持氢燃料电动自行车系统的动力输出。

s40：对燃料电池电堆1进行压力监测，判断所述燃料电池电堆1的输出电压是否低于预设第四阈值；若是，置位电压故障标识，执行关机保护；若否，执行步骤五；

在上述步骤中，通过设置在电池电堆1输出端的电压监测电路34来监测燃料电池电堆1的实施输出电压，在所述步骤四执行关机保护后，还包括：

s41：执行延时重启，若重启失败，继续关机等待；若重启成功，复位所述电压故障标识，执行开机流程后执行步骤s50。

当燃料电池电堆1的输出电压低于预设第四阈值，则输出的电压无法满足车用环境需求，此时执行延时重启，使该处工作步骤重置，关机过程中等待维护消除故障，通过处理单元判断故障是否已经消除完毕，等故障全部消除完毕后复位所述电压故障标识。

s50：对所述燃料电池系统控制重启，若重启失败大于预设上限值，置位极限重启失败故障标识，执行关机保护流程继续等待；若重启成功，执行s20。

在执行上述步骤后，由于上述步骤s10-s40中可能产生故障，在故障后执行加热过程或冷却过程，因此控制燃料电池系统重启，以监测各个故障是否被消除，确保整个工作流程的安全性和耐久性。具体的，在上述步骤s50重启失败，执行关机保护流程继续等待后，还包括以下：

s51：监测所述温度故障标识、所述第一压力故障标识以及所述第二压力故障标对应的故障位故障处理状态；

s52：当所述触发温度故障标识、所述第一压力故障标识以及所述第二压力故障标对应的故障位故障处理完毕，手动复位所述极限重启失败故障标识。

在上述步骤中，各个故障位故障处理状态可以由故障处于置位还是复位获得，当所有故障位的故障处于复位状态下，则各处故障被处理，整个工作流程可以持续执行。

在本实施方式中，通过控制设置在燃料电池电堆1与储氢器2之间电路上的电磁阀8执行所述开机流程或所述关机保护，在任一故障标识被置位时，执行关机保护，同时通过处理单元控制加热装置5或冷却装置6的工作，对储氢器或电池电堆进行加热或冷却，通过温度故障标识监测燃料电池电堆1在工作状态下热量释放情况，通过第一压力故障标识和电压故障标识监测电池电堆1输出电压，确保其满足工作需求，故障状态下，通过加热装置5和冷却装置6快速解决故障，维持氢燃料电动自行车系统的动力输出，以确保车用环境下，燃料电池系统的可靠性、安全性和耐久性。

实施例二：本实施例提供了一种燃料电池电堆故障诊断系统，参阅图1-图3，包括：燃料电池电堆1、用于给所述燃料电池电堆1提供氢气的储氢器2、传感单元、处理单元4、加热装置5以及冷却装置6；上述传感单元包括作用于储氢器2的第一温度传感器31和第一压力传感器32，以及作用于燃料电池电堆1的第二温度传感器33；还包括用于对燃料电池电堆1的输出电压进行采样的电压监测电路34，电压监测电路34与处理单元4电连接以向处理单元4反馈燃料电池电堆1的输出电压，处理单元4分别与储氢器2和燃料电池电堆1电连接，且接收传感单元反馈的数据，控制开机及关机。

更具体的，上述第一温度传感器31和第一压力传感器32均与处理单元电连接，以向处理单元4反馈储氢器2温度和输出气压；以执行上述实施例一中的步骤s10、s30；第二温度传感器32与处理单元4电连接，以向处理单元4反馈燃料电池电堆1温度，处理单元读取故障标识执行上述实施例一种的步骤s20、s40以及s50，并根据故障标识控制加热装置5或冷却装置6工作；具体的，处理单元4通过电磁阀8执行开机流程或关机保护。

在上述实施方式中，储氢器2还设置有用于识别储氢器21信息的射频识别模块21(参阅图2)，包括但不限于氢气容量、输出气压等信息，便于将后台数据的存储，进一步的，还可以通过在储氢器2上设置减压阀61(参阅图3)来控制储氢器2内的气压，进而控制储氢器2的氢气输出气压，以调整进入燃料电池电堆1内的氢气气压，以提高使用过程中的安全性。

在一个优选的实施方式中，该故障诊断系统还包括存储单元7，所述存储单元7与所述处理单元4电连接，用于存储故障数据，以便后续对故障数据进行分析，以对故障诊断系统进行优化；进一步优选的，上述加热装置5包括安装在储氢器2上的加热组件，以及处于产生废热状态下燃料电池电堆1；上述冷却装置6为用于给燃料电池电堆降温的散热风扇(图中未标出)可以通过将加热组件和散热风扇设置在储氢器处或燃料电池电堆处以实现对储氢器或燃料电池电堆的温度控制和压力控制。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。