一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法及其控制系统与流程

本发明涉及燃料电池的，尤其涉及一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法及其控制系统。

背景技术：

1、燃料电池在交通运输领域具有广阔的应用前景。燃料电池汽车可以使用氢气作为燃料，通过与氧气的反应产生电能驱动电动机。其中，对于燃料电池的水管理是影响燃料电池性能，稳定性和耐久性的重要因素之一。在燃料电池的变载过程中，其内部的单电池无论是处于过干或者过湿都会对燃料电池造成不可逆的损伤，因此，燃料电池的水管理就显得尤为重要。其中燃料电池内部的含水量可以通过电化学阻抗反应，现有技术中对于燃料电池内部的含水量的检测大多是通过监测单电池电压以及高低频阻抗来反映电池含税量，但是该检测需要检测的频率点比较多，同时低频阻抗的测量时间较长，导致整个测量的效率较低，在实际使用中不理想。导致燃料电池在处于过湿或者过湿的状态下时，燃料电池仍然保持着较大的拉载速率，使燃料电池的膜极片易发生老化，影响燃料电池的性能以及稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法及其控制系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，具体步骤包括：

3、s1，燃料电池系统处于正常运行，对所述燃料电池系统施加高频扰动与中频扰动；

4、s2，判断采集的高频欧姆阻抗数值是否处于第一预设范围值内；

5、s3,在所述高频欧姆阻抗数值处于所述第一预设范围值时，判断采集的中频阻抗数值中对应的中频相位角是否处于第二预设范围值内；

6、s4,在所述中频相位角处于第二预设范围值内时，以标准拉载至目标功率；

7、s5，拉载至目标功率后，返回继续执行步骤s2-步骤s3后执行步骤s6；

8、s6,若同时满足所述高频欧姆阻抗数值处于所述第一预设范围且所述中频阻抗相位角数值处于所述第一预设范围时，执行步骤s7；

9、s7,按照正常参数运行。

10、作为上述技术方案的进一步描述，在s1中，高频扰动的频率范围为300-1000hz，中频频率的范围为20-90hz。

11、作为上述技术方案的进一步描述，在s2中，若判断采集的高频欧姆阻抗数值不处于第一预设范围值即[hfrnor_l，hfrnor_h]内并且hfr＞hfrnor_h，则进入s21；

12、s21，在判断采集的高频欧姆阻抗数值hfr＞hfrnor_h，则进一步判断采集的高频欧姆阻抗数值是否偏离正常状态，正常状态的范围为hfrnor_h≤hfr≤hfr_h1，若不满足则进入s211，若满足则进入s212；

13、s211，暂停拉载，并降低5℃冷却液的温度，持续运行至高频欧姆阻抗满足hfrnor_h≤hfr≤hfr_h1后进入s212；

14、s212，持续监测所述高频欧姆阻抗hfr是否满足hfrnor_h≤hfr≤hfr_h1，根据实时检测到的阻抗值控制不同的拉载速率，进入s5。

15、作为上述技术方案的进一步描述，hfr_h1代表在燃料电池为膜过干的状态，即含水量低，其中hfr_h1＞hfrnor_h。

16、作为上述技术方案的进一步描述，在s212中，每个hfr值存在对应的拉载速率。

17、作为上述技术方案的进一步描述，在s3中，若判断采集的中频阻抗数值中对应的中频相位角不处于第二预设范围值即[θnor_l,θnor_h]内且θ≥θnor_h，则进入s31；

18、s31,暂停拉载，增加10g/s的空气流量以及阳极排气阀周期减半，持续监测所述中频相位角，直至满足[θnor_l,θnor_h]，则进入s4。

19、作为上述技术方案的进一步描述，在s32中，若θ≥θnor_h，则表示燃料电池内部为堵水状态。

20、作为上述技术方案的进一步描述，在s6中，若判断采集的高频欧姆阻抗数值，hfr＞hfr_h1，则进入s62；若判断采集的中频相位角θ≥θnor_h，则进入s63；

21、s62，控制水温降低3℃，持续检测所述高频欧姆阻抗以及所述中频相位角，直至两者满足预设范围值，进入s7；

22、s63，控制空气流量增加5g/s，且阳极排气阀周期减半，持续检测所述高频欧姆阻抗以及所述中频相位角，直至两者满足预设范围值，进入s7。

23、作为上述技术方案的进一步描述，所述中频阻抗z与所述中频相位角θ的计算公式为：

24、θ＝arctan(x/r)；

25、其中z＝r+jx,其中r是所述中频阻抗的实部，x是所述中频阻抗的虚部；

26、arctan为反正切函数。

27、一种燃料电池控制系统，所述燃料电池控制系统用以执行上述任一所述的燃料电池系统变载方法。

28、本发明具有如下有益效果：

29、1、本发明可通过高频欧姆阻抗监测膜干状态，通过中频相位角可监测堵水状态，通过中高频相配合大大缩短了现有采集高频-低频全频段阻抗时需要耗费10min的时间，在实际应用于车内时，采集数据更迅速，可使系统的变载也更为迅速，减少滞后性。

30、2、本发明主要包括变载前以及变载后两个阶段，在变载前可聚高频欧姆阻抗与中频相位角快速判断燃料电池内部的含水量状态，并可对拉载策略进行实时的调整，在变载后可有效避免燃料电池内部在膜干或者堵水状态下的破坏性拉载，有利于延长燃料电池的耐久性以及使用稳定性。

技术特征：

1.一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s1中，高频扰动的频率范围为300-1000hz，中频频率的范围为20-90hz。

3.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s2中，若判断采集的高频欧姆阻抗数值不处于第一预设范围值即[hfrnor_l，hfrnor_h]内并且hfr＞hfrnor_h，则进入s21；

4.根据权利要求3所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，hfr_h1代表在燃料电池为膜过干的状态，即含水量低，其中hfr_h1＞hfrnor_h。

5.根据权利要求3所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s212中，每个hfr值存在对应的拉载速率。

6.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s3中，若判断采集的中频阻抗数值中对应的中频相位角不处于第二预设范围值即[θnor_l,θnor_h]内且θ≥θnor_h，则进入s31；

7.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s32中，若θ≥θnor_h，则表示燃料电池内部为堵水状态。

8.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，在s6中，若判断采集的高频欧姆阻抗数值，hfr＞hfr_h1，则进入s62；若判断采集的中频相位角θ≥θnor_h，则进入s63；

9.根据权利要求1所述的基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法，其特征在于，中频阻抗z与所述中频相位角θ的计算公式为：

10.一种燃料电池控制系统，其特征在于，所述燃料电池控制系统用以执行权利要求1-9中任一所述的燃料电池系统变载方法。

技术总结
本发明公开了一种基于电化学阻抗的燃料电池系统变载方法及其控制系统，包括对燃料电池系统施加高频扰动与中频扰动；判断采集的高频欧姆阻抗数值是否处于第一预设范围值内；在高频欧姆阻抗数值处于第一预设范围值时，判断采集的中频阻抗数值中对应的中频相位角是否处于第二预设范围值内；在中频相位角处于第二预设范围值内时，以标准拉载速率至目标功率若同时满足高频欧姆阻抗数值处于第一预设范围且中频阻抗相位角处于第二预设范围时，按照正常参数运行。本发明可极大程度上缩短阻抗监测时间，可对拉载策略进行实时的调整，在变载后可有效避免燃料电池内部在膜干或者堵水状态下的破坏性拉载，有利于延长燃料电池的耐久性以及使用稳定性。

技术研发人员：郭德新,孙成,苗佩宇,张潇丹,方川,李飞强
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29