一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统及自适用故障诊断方法与流程

本发明涉及车载燃料电池技术应用领域，具体涉及一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统及自适用故障诊断方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，燃料电池系统能量转换效率高，是一种理想的能源利用方式，商业化应用存在着广阔的发展前景。但是目前车载燃料电池的寿命依然是限制其商业化应用的主要原因。其中，由于外界环境的变化以及复杂的运行工况，燃料电池电堆在运行过程中经常出现水淹、膜干、欠气以及污染中毒的故障，导致燃料电池电堆的实际寿命远低于设计寿命。解决这一问题的首要目标就是要精确的识别燃料电池运行过程中的故障，然后根据故障检测结果进行精确调控。

2、电化学阻抗谱蕴含了丰富的燃料电池内部电化学信息，能够在频率上分离出不同时间尺度的动力学极化过程，并且可以车载环境下在线获取，属于无损测量，是车载燃料电池故障诊断的重要研究方向。目前基于电化学阻抗的车载诊断方法的故障阈值条件多是基于初始健康电堆的标定参数，但是实际运作过程中由于电堆的性能衰退，原先标定的故障阈值条件难以满足要求，导致故障诊断的精度和准确率下降。

3、另外，大部分的故障都是局部的，目前的基于电化学阻抗的车载诊断系统多是整堆，未考虑局部也就是单体的影响。上述的故障诊断系统和方法可能在燃料电池电堆的初期具有良好的故障诊断率，但是在燃料电池全寿命周期内，尤其是中后期，难以实现准确的故障诊断，更为严重的是，对于大部分的局部故障，上述的方法无法实现准确的故障识别。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统及自适用诊断方法，该系统可以实现的整堆以及单体的多通道阻抗测量，为实现局部的故障诊断提供了必要的条件。

2、该方法通过定期修正基准的活化电阻ract0，传质电阻rconc0以及欧姆电阻rohm0，避免了由于电堆性能衰退，基准参数偏移造成的故障识别准确率下降，从而实现整个寿命周期内的高精度的故障诊断。

3、本发明的技术方案是：一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，包括燃料电池电堆和辅助系统，所述辅助系统包括空气子系统、氢气子系统以及热管理子系统，通过所述空气子系统、氢气子系统以及热管理子系统为燃料电池电堆提供特定流量、压力和温湿度的空气和氢气，并控制燃料电池电堆的温度；还包括dcdc和故障诊断系统，所述故障诊断系统包括采集单元、激励信号单元、阻抗计算单元、阻抗解析单元和故障诊断单元；

4、所述dcdc与所述燃料电池电堆相连，通过输入端恒流或恒压控制燃料电池电堆的输出功率，所述激励信号单元控制叠加在dcdc直流上的交流激励的幅值和频率；

5、所述采集单元用于采集燃料电池电堆的电压和dcdc输入端的总电流；

6、所述阻抗计算单元通过fft或小波变换或s变换计算燃料电池电堆的阻抗；

7、所述阻抗解析单元通过drt计算阻抗的极化过程信息；

8、所述故障诊断单元对燃料电池电堆的故障进行诊断，并定期修正基准的极化过程信息。

9、进一步的，所述燃料电池电堆的电压包括整堆和单体电压。

10、进一步的，所述极化过程信息包括活化电阻、传质电阻以及欧姆电阻。

11、进一步的，所述故障包括水淹、膜干、欠气以及污染中毒。

12、一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，所述自适用故障诊断方法包括：

13、获得燃料电池的整堆以及单体的阻抗谱，通过kk校验来验证数据的有效性，是否满足线性、定常以及因果性的关系；

14、通过对drt特征峰进行积分计算以及拟合获得如下参数：活化电阻ract，传质电阻rconc以及欧姆电阻rohm，并提取最新的基准值参数：活化电阻ract0，传质电阻rconc0以及欧姆电阻rohm0；

15、通过模糊聚类或支持向量机svm方式对故障特征进行提取以及故障识别，并输出故障结果。

16、进一步的，如果数据有效，则通过drt分析方法进行阻抗谱动力学极化过程参数信息的解析；

17、如果数据无效，则重新进行阻抗谱测试，当重新测试的数据超过3次时，则为系统故障。

18、进一步的，通过定期更新基准值的方法来实现全寿命周期内准确的故障识别,以确定最新的基准参数；

19、所述定期更新基准值的方法为判断基准值未更新的时间是否超过50h，如果未超过50h，则通过模糊聚类或支持向量机svm方式对故障特征进行提取以及故障识别，并输出故障结果；

20、如果超过50h，则进行自更新基准值处理，通过自更新基准值处理后，输出最新的基准值。

21、进一步的，所述自更新基准值处理方法包括：

22、系统降载到小电密条件下运行，同时判断降载完成后电堆是否稳定，当电堆不稳定时，系统继续降载；当电堆稳定时，进行三次阻抗谱测试并取平均值；

23、通过对drt特征峰进行积分计算以及拟合获得最新的基准值参数：活化电阻ract0，传质电阻rconc0以及欧姆电阻rohm0；

24、对基准值参数进行归一化处理，分别给出活化电阻ract0，传质电阻rconc0以及欧姆电阻rohm0的增长因子，并输出基准值的增长因子。

25、进一步的，所述电堆稳定的条件为：30s内电堆的平均单体电压小于5mv。

26、进一步的，所述故障类别包括膜干故障、水淹故障、氧气饥饿、氢气饥饿以及正常状态。

27、本发明的有益技术效果是：

28、1、通过dcdc激励结合多通道采集单元实现整堆以及单体的阻抗测量：通过故障诊断系统的激励信号单元向dcdc发送阻抗测量所需的交流信号的频率和幅值信息，通过dcdc30实现交流激励的叠加。故障诊断系统的采集单元采集整堆电压以及单体电压并同步采集dcdc30的输入端总电流，将采集到的信号发送到故障诊断系统阻抗计算单元，通过fft或小波变换s变换实现阻抗的计算。该系统可以实现的整堆以及单体的多通道阻抗测量，为实现局部的故障诊断提供了必要的条件。

29、2、采用多通道阻抗测量结合drt定量解析获取电堆全方面的动力学极化过程信息参数：采用多通道阻抗测量结合drt定量解析方法为故障诊断提供具有物理意义的极化过程参数，为精确的故障诊断提供必要的数据基础。该方法可以避免机理模型的复杂性以及基于机器学习对于数据的依赖性。

30、3、通过定期更新基准极化过程参数实现全寿命周期内的准确的故障识别，本发明通过定期修正基准的活化电阻ract，传质电阻rconc以及欧姆电阻rohm，避免了由于电堆性能衰退，基准参数偏移造成的故障识别准确率下降，从而实现整个寿命周期内的高精度的故障诊断。

31、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

技术特征：

1.一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，包括燃料电池电堆和辅助系统，所述辅助系统包括空气子系统、氢气子系统以及热管理子系统，通过所述空气子系统、氢气子系统以及热管理子系统为燃料电池电堆提供特定流量、压力和温湿度的空气和氢气，并控制燃料电池电堆的温度；其特征在于，还包括dcdc和故障诊断系统，所述故障诊断系统包括采集单元、激励信号单元、阻抗计算单元、阻抗解析单元和故障诊断单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，其特征在于，所述燃料电池电堆的电压包括整堆和单体电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，其特征在于，所述极化过程信息包括活化电阻、传质电阻以及欧姆电阻。

4.根据权利要求1所述的一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，其特征在于，所述故障包括水淹、膜干、欠气以及污染中毒。

5.一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，所述自适用故障诊断方法包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，如果数据有效，则通过drt分析方法进行阻抗谱动力学极化过程参数信息的解析；

7.根据权利要求5所述的一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，通过定期更新基准值的方法来实现全寿命周期内准确的故障识别,以确定最新的基准参数；

8.根据权利要求7所述的一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，所述自更新基准值处理方法包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，所述电堆稳定的条件为：30s内电堆的平均单体电压小于5mv。

10.根据权利要求5所述的一种基于阻抗的车载燃料电池自适用故障诊断方法，其特征在于，所述故障类别包括膜干故障、水淹故障、氧气饥饿、氢气饥饿以及正常状态。

技术总结本发明公开了一种基于阻抗的车载燃料电池故障诊断系统，包括燃料电池电堆和辅助系统；还包括DCDC和故障诊断系统，故障诊断系统包括采集单元、激励信号单元、阻抗计算单元、阻抗解析单元和故障诊断单元；DCDC与燃料电池电堆相连，通过输入端恒流或恒压控制燃料电池电堆的输出功率，激励信号单元控制叠加在DCDC直流上的交流激励的幅值和频率；采集单元用于采集燃料电池电堆的电压和DCDC输入端的总电流；阻抗计算单元通过FFT或小波变换或S变换计算燃料电池电堆的阻抗；阻抗解析单元通过DRT计算阻抗的极化过程信息；故障诊断单元对燃料电池电堆的故障进行诊断，并定期修正基准的极化过程信息，从而实现整个寿命周期内的高精度的故障诊断。技术研发人员：程晓东受保护的技术使用者：昆山同孚新能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4