一种燃料电池单体低电压的预测方法、处理方法及系统与流程

本发明涉及燃料电池，具体地说是一种燃料电池单体低电压的预测方法、处理方法及系统。

背景技术：

1、氢燃料电池技术是氢能应用方面的核心技术，由于其具有比能量高、比功率高、低温快速启动、清洁无污染等优势，被全球各大研究机构与企业所关注。目前燃料电池系统主要应用在交通运输领域，根据不同的车型与功率需求，燃料电池系统的额定功率从30kw~200kw不等，通常来讲，燃料电池电堆需要300~500节的单电池串联而成。其串联的特性决定了如果某一节发生故障，就会导致整个燃料电池电堆的失效，进而造成系统的停车。因此燃料电池电堆的一致性对于系统运行的稳定性与可靠性有着重要的影响。

2、对于质子交换膜燃料电池，研究人员通常通过检测燃料电池电堆的单片电压来评估其一致性，如果发生某一节电压过低的情况，就会触发故障诊断或紧急停机的操作。例如公布号cn 117219820 a公开的一种氢燃料电池单体故障原因在线诊断和处理方法及系统中，通过判断最低单体电压<520mv且最低单体电压与平均电压差值>150mv时判断出现单低故障。公布号cn118156550a公开的燃料电池单低故障诊断方法及设备中，通过识别最低单体电压是否小于450mv，并进一步确定离均差，即平均单体电压减去最低单体电压是否大于80mv来识别是否发生单低故障。公布号cn115113056 a公开的一种燃料电池系统健康状态检测方法及装置中，通过判断电堆中的电压方差与离均差是否高于设定值来确定是否存在单低故障。但在实际运行过程中，燃料电池单低的现象会存在着一定的非线性，在现象发生的初期故障节会缓慢降低，但是后期会快速降低，会在几秒内触发紧急停机，因此通过绝对值来判断故障的判据存在一定的风险，若限值过高则容易出现故障误报，若限制过低则会存在滞后性，难以通过诊断与恢复的手段避免单低急停的结果。

3、因此，需要一种能够提前预测燃料电池单体电压低的系统与方法，在紧急停机发生前进行识别，并通过诊断与干预措施避免故障升级，进而提高燃料电池系统运行的稳定性与可靠性。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术的不足，提供一种燃料电池单体低电压的预测方法、处理方法及系统。

2、为实现上述目的，提供一种燃料电池单体低电压的预测方法，包括：

3、s1，电堆开机运行；

4、s2，电流拉载同时进行交流激励；

5、s3，获取单体电压数据，计算当前的单体电压平均值vavg与最低单体电压vmin，以及当前单体电压的标准差σ；

6、s4，判断|vavg-vmin|≤3σ，若等式成立，则认为电堆健康度良好，不存在单体低电压故障，若等式不成立，则认为电堆存在单体低电压故障。

7、所述电堆为两节或多节单体一检，步骤s3的单体电压平均值vavg、最低单体电压vmin、单体电压的标准差σ的计算方法包括：

8、s3.1，获取n节一组串联后的电压数据，最低分组电压为vi，其最低电压分组的序号为第i个，计算分组电压平均值vavgn，vavg=vavgn/n，计算分组电压的标准差σn，单体电压的标准差σ=σn/n；

9、s3.2，根据最低电压分组的序号获取与其最近的两个分组的电压信号vi-1，vi+1；

10、s3.3，对临近电压信号进行判断|vi-1-vavgn|≤3σn or |vi+1-vavgn|≤3σn，若等式成立，则vmin=vi-(n-1)×vavgn/n；若等式不成立，则vmin=vi/n。

11、本发明还提供一种燃料电池单体低电压的处理方法，包括上述的燃料电池单体低电压的预测方法，还包括：

12、s5，判断单体低电压的原因；

13、s6，根据判断结果进行处理；

14、s7，判断vmin是否持续降低，若未下降，则回到步骤s4进行持续检测；

15、s8，若vmin持续降低，发出单体低电压预紧，限制功率运行；

16、s9，判断vmin是否降至vlimit以下，若未降至vlimit以下，回到步骤s7；

17、s10，若vmin降至vlimit以下，执行停机操作。

18、所述步骤s5具体包括：获取故障单体的高频阻抗与低频阻抗信息，若高频阻抗超过55mω cm2则判断出现膜干现象，若低频阻抗超过450mω cm2则判断出现水淹现象。

19、所述步骤s6具体包括：

20、s6.1，若判断出现膜干现象，进行电堆增湿干预，并持续判断s4中的等式是否成立，持续10~30s，若等式成立则按现有程序继续运行；

21、s6.2，若判断出现水淹现象，进行电堆排水干预，并持续判断s4中的等式是否成立，持续10~30s，若等式成立则按现有程序继续运行。

22、所述步骤s6.1中的电堆增湿干预方法包括增加空气湿度、降低电堆温度中的至少一种。

23、所述步骤s6.2中的电堆排水干预方法包括增加排氢频率、降低空气湿度、提高电堆温度中的至少一种。

24、本发明还提供一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

25、电堆，所述电堆包含多个串联的燃料电池单体，用于产生电能；

26、dc/dc转换器，所述dc/dc转换器用于将电堆产生的电能进行电压转换，同时对电堆提供交流信号激励；

27、cvm电压监控模块，所述cvm电压监控模块通过低压线束与电堆电气连接，用于检测燃料电池单体或多节的电压信息；

28、空气子系统，所述空气子系统通过管路与电堆连接，用于为电堆提供所需的压力、温度、流量、湿度的空气；

29、氢气子系统，所述氢气子系统通过管路与电堆连接，用于为电堆提供所需的压力、温度、流量、湿度的氢气；

30、冷却子系统，所述冷却子系统通过管路与电堆连接，用于为电堆提供散热所需的冷却剂；

31、控制模块，所述控制模块通过can与dc/dc转换器、cvm电压监控模块、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统连接，用于控制系统执行上述的燃料电池单体低电压的预测方法或上述的燃料电池单体低电压的处理方法。

32、本发明同现有技术相比，采用了cvm电压监控模块与dc/dc转换器联合检测的方式获取单体电压信息，通过临近信息更精准预测了实际最低单体电压，通过正态分布理论在单低尚未低于停机限值时提前识别可能发生单低的节数，并进行干预恢复措施，大幅度降低了故障发生率，使得燃料电池系统的稳定性与可靠性得以提升。

技术特征：

1.一种燃料电池单体低电压的预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池单体低电压的预测方法，其特征在于：所述电堆为两节或多节单体一检，步骤s3的单体电压平均值vavg、最低单体电压vmin、单体电压的标准差σ的计算方法包括：

3.一种燃料电池单体低电压的处理方法，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的燃料电池单体低电压的预测方法，还包括：

4.根据权利要求3所述的燃料电池单体低电压的处理方法，其特征在于：所述步骤s5具体包括：获取故障单体的高频阻抗与低频阻抗信息，若高频阻抗超过55mω cm2则判断出现膜干现象，若低频阻抗超过450mω cm2则判断出现水淹现象。

5.根据权利要求4所述的燃料电池单体低电压的处理方法，其特征在于：所述步骤s6具体包括：

6.根据权利要求5所述的燃料电池单体低电压的处理方法，其特征在于：所述步骤s6.1中的电堆增湿干预方法包括增加空气湿度、降低电堆温度中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的燃料电池单体低电压的处理方法，其特征在于：所述步骤s6.2中的电堆排水干预方法包括增加排氢频率、降低空气湿度、提高电堆温度中的至少一种。

8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，具体地说是一种燃料电池单体低电压的预测方法、处理方法及系统，预测方法包括：S1，电堆开机运行；S2，电流拉载同时进行交流激励；S3，获取单体电压数据，计算当前的单片电压平均值V<subgt;avg</subgt;与最低单片电压V<subgt;min</subgt;，以及当前单片电压的标准差σ；S4，判断|V<subgt;avg</subgt;‑V<subgt;min</subgt;|≤3σ，若等式成立，则认为电堆健康度良好，不存在单体低电压故障，若等式不成立，则认为电堆存在单体低电压故障。本发明还提供一种燃料电池单体低电压的处理方法和燃料电池系统。同现有技术相比，通过正态分布理论在单低尚未低于停机限值时提前识别可能发生单低的节数，并进行干预恢复措施，大幅度降低了故障发生率，使得燃料电池系统的稳定性与可靠性得以提升。

技术研发人员：王志强,关晓雨,张小磊,梁铁强
受保护的技术使用者：上海安池科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26