一种基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法与流程

本发明涉及燃料电池故障诊断，特别是一种基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法。

背景技术：

1、燃料电池电堆是燃料电池系统的核心能量转换部件，其运行状态受气体供给、膜电极水热状态、端部集流连接、密封绝缘状态和冷却条件等因素共同影响。在车辆动力系统和固定式发电系统中，常规故障诊断方法通常采集单电池电压、电堆电流、阻抗、气体压力、温度、绝缘电阻等运行参数，并结合控制器报警、运行工况和维护记录，对电堆异常进行识别和分类，以支持运维检修和安全控制。

2、然而，现有方法仍存在两方面的局限性：一是端部电池组与中部电池组的差异关系利用不足，端部集流、密封和供气排水异常容易在相似电压或阻抗表现下相互混淆；二是诊断动作前后参数变化、动作后残留状态和维护复核结果之间的承接不足，难以区分可恢复运行状态异常与持续性端部结构异常。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法解决端部区域故障来源分类不准确、诊断结果难以回写更新的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、本发明提供了一种基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法，其包括，获取燃料电池电堆的电堆基础诊断数据，根据电堆基础诊断数据将燃料电池电堆按照单电池排列顺序划分，按照运行工况区间形成端部差异判断阈值、动作响应判断阈值、端部残留及密封判断阈值和接触电阻变化斜率阈值；采集燃料电池电堆运行过程中的电堆运行特征数据，按照运行观察窗口、诊断动作窗口和动作后观察窗口对电堆运行特征数据进行时间划分和有效性校验，生成分区电堆特征参数序列；根据分区电堆特征参数序列，计算端部差异计算结果，根据诊断动作前后的参数变化计算动作前后参数变化计算结果和动作后偏离残留率，根据端部差异计算结果、绝缘电阻和连续采样窗口内的集流端接触电阻计算端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率；根据动作前后参数变化计算结果、动作后偏离残留率、端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率执行故障来源分类判断处理，将故障来源分类为运行状态异常候选、运行状态异常与端部残留并存候选、端部集流异常候选或者端部密封或接口匹配候选，生成故障来源判断记录；根据故障来源判断记录生成燃料电池电堆故障诊断结论，获取维护复核结果并与燃料电池电堆故障诊断结论进行比较，将比较结果写入确认故障样本集合、候选修正样本集合或者误判修正样本集合，根据确认故障样本集合和误判修正样本集合更新对应运行工况区间、端部方向和参数来源标记下的判断阈值或者故障来源判断条件。

5、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述获取燃料电池电堆的电堆基础诊断数据，根据电堆基础诊断数据将燃料电池电堆按照单电池排列顺序划分包括：获取电堆基础诊断数据后，读取单电池总数、单电池排列顺序、端部集流板位置、端部密封接口位置和电压采样通道映射关系；从电堆第一端连续选取单电池形成第一端部电池组，从电堆第二端连续选取单电池形成第二端部电池组，从电堆中间位置连续选取单电池形成中部电池组，将第一端部电池组与中部电池组之间的单电池、第二端部电池组与中部电池组之间的单电池分别写入第一过渡电池组和第二过渡电池组，生成带有端部方向、单电池编号和采样通道编号的分区标记记录。

6、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述按照运行工况区间形成端部差异判断阈值、动作响应判断阈值、端部残留及密封判断阈值和接触电阻变化斜率阈值包括：形成判断阈值时，按照电流密度、冷却液入口温度、氢气计量比和空气计量比确定运行工况区间，在同一运行工况区间内筛选无通信中断、无量程越限、无停机切换、无保护降额且无未完成维护记录的历史稳定样本；将历史稳定样本按照参数值排列后，结合出厂标定数据、台架测试数据、传感器采集精度补偿值和维护复核允许偏差，生成端部差异判断阈值、动作响应判断阈值、端部残留及密封判断阈值和接触电阻变化斜率阈值。

7、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述采集燃料电池电堆运行过程中的电堆运行特征数据，按照运行观察窗口、诊断动作窗口和动作后观察窗口对电堆运行特征数据进行时间划分和有效性校验包括：对电堆运行特征数据进行时间划分时，读取电流加载变化记录、吹扫动作记录、排水动作记录、气体计量比调整记录、入口湿度调整记录、冷却液流量调整记录和对应动作反馈记录；未发生诊断动作的连续采样段标记为运行观察窗口，诊断动作开始时间至诊断动作结束时间之间的采样段标记为诊断动作窗口，诊断动作结束后且反馈状态达到稳定条件的采样段标记为动作后观察窗口；缺少动作类型、动作开始时间、动作结束时间或者动作反馈状态的采样段，写入动作记录不完整记录，并停止采样段的动作前后参数变化计算。

8、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述按照运行观察窗口、诊断动作窗口和动作后观察窗口对电堆运行特征数据进行时间划分和有效性校验，生成分区电堆特征参数序列包括：对电堆运行特征数据进行有效性校验时，按照采样时间戳、采样通道编号、传感器量程、运行工况区间编号和动作记录编号，对电压类数据、阻抗类数据、气体压力类数据、冷却类数据、温度类数据、绝缘检测数据和集流端接触电阻数据进行时间一致性校验、量程校验、采样完整性校验、工况一致性校验和动作记录完整性校验；通过校验的数据按照单电池分区标记写入分区电堆特征参数序列，未通过校验的数据写入待复核参数记录，待复核参数记录不进入端部差异计算结果、动作前后参数变化计算结果、端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率的计算。

9、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据分区电堆特征参数序列，计算端部差异计算结果，根据诊断动作前后的参数变化计算动作前后参数变化计算结果和动作后偏离残留率，根据端部差异计算结果、绝缘电阻和连续采样窗口内的集流端接触电阻计算端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率包括：计算端部差异计算结果时，将第一端部电池组与中部电池组进行比较生成第一端部差异计算结果，将第二端部电池组与中部电池组进行比较生成第二端部差异计算结果；将第一端部电池组、第一过渡电池组和中部电池组依次进行差异比较，生成第一过渡差异校验结果；将第二端部电池组、第二过渡电池组和中部电池组依次进行差异比较，生成第二过渡差异校验结果；根据第一过渡差异校验结果和第二过渡差异校验结果，将端部差异计算结果标记为端部局部差异或者端部扩展差异。

10、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据分区电堆特征参数序列，计算端部差异计算结果，根据诊断动作前后的参数变化计算动作前后参数变化计算结果和动作后偏离残留率，根据端部差异计算结果、绝缘电阻和连续采样窗口内的集流端接触电阻计算端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率包括：计算动作前后参数变化计算结果时，将吹扫动作和排水动作对应的参数变化记录为吹扫排水动作响应值，将气体计量比调整对应的参数变化记录为气体调整动作响应值，将入口湿度调整对应的参数变化记录为湿度调整动作响应值；动作前参数取自诊断动作开始时间之前距离最近且参数有效的运行观察窗口，动作后参数取自诊断动作结束后第一个参数有效的动作后观察窗口；动作后偏离残留率根据动作后端部电压偏离率与动作前端部电压偏离率的比例生成；同一诊断动作窗口内存在两个以上动作类型且控制记录无法拆分动作时间段时，将诊断动作窗口标记为复合动作窗口，并停止单一动作响应值计算。

11、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据分区电堆特征参数序列，计算端部差异计算结果，根据诊断动作前后的参数变化计算动作前后参数变化计算结果和动作后偏离残留率，根据端部差异计算结果、绝缘电阻和连续采样窗口内的集流端接触电阻计算端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率包括：计算端部残留计算结果、绝缘电阻下降率和集流端接触电阻变化斜率时，将动作后偏离残留率、集流端接触电阻偏离率和端部温度偏离率写入同一端部残留计算记录；将当前采样窗口内的绝缘电阻与同一运行工况区间内的绝缘电阻基准值进行比较，生成绝缘电阻下降率；将连续采样窗口内参数来源标记一致的集流端接触电阻按照采样时间顺序排列，根据首个采样窗口和末个采样窗口的集流端接触电阻变化量以及时间间隔生成集流端接触电阻变化斜率。

12、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述将故障来源分类为运行状态异常候选、运行状态异常与端部残留并存候选、端部集流异常候选或者端部密封或接口匹配候选，生成故障来源判断记录包括：执行故障来源分类判断处理时，根据诊断动作类型确定当前动作响应值；当诊断动作类型为吹扫动作或者排水动作时，将吹扫排水动作响应值与吹扫排水动作响应阈值进行比较；当诊断动作类型为气体计量比调整动作时，将气体调整动作响应值与气体调整动作响应阈值进行比较；当诊断动作类型为入口湿度调整动作时，将湿度调整动作响应值与湿度调整动作响应阈值进行比较；当前动作响应值达到与诊断动作类型对应的动作响应阈值，且动作后偏离残留率未达到动作后偏离残留率阈值时，生成运行状态异常候选；当前动作响应值达到与诊断动作类型对应的动作响应阈值，且动作后偏离残留率达到动作后偏离残留率阈值时，生成运行状态异常与端部残留并存候选；吹扫排水动作响应值未达到吹扫排水动作响应阈值、气体调整动作响应值未达到气体调整动作响应阈值、湿度调整动作响应值未达到湿度调整动作响应阈值，且动作后偏离残留率达到动作后偏离残留率阈值时，将端部残留计算结果与端部残留判定阈值进行比较，将绝缘电阻下降率与绝缘电阻下降率阈值进行比较，将集流端接触电阻变化斜率与接触电阻变化斜率阈值进行比较，根据比较结果生成端部集流异常候选或者端部密封或接口匹配候选。

13、作为本发明所述基于电堆特征参数的燃料电池故障诊断方法的一种优选方案，其中：所述根据故障来源判断记录生成燃料电池电堆故障诊断结论，获取维护复核结果并与燃料电池电堆故障诊断结论进行比较，将比较结果写入确认故障样本集合、候选修正样本集合或者误判修正样本集合，根据确认故障样本集合和误判修正样本集合更新对应运行工况区间、端部方向和参数来源标记下的判断阈值或者故障来源判断条件包括：获取维护复核结果后，将维护复核结果中的实际故障类型、实际故障位置、端部方向和维护后复测参数与燃料电池电堆故障诊断结论进行比较；比较结果为诊断一致时，将采样窗口、端部参数计算记录、故障来源判断记录和维护复核结果写入确认故障样本集合；比较结果为部分一致时，将对应记录写入候选修正样本集合；比较结果为误判修正时，将对应记录写入误判修正样本集合；更新判断阈值或者故障来源判断条件时，按照运行工况区间、端部方向和参数来源标记筛选确认故障样本集合和误判修正样本集合，匹配条件不一致的样本不合并生成同一阈值版本或者同一故障来源判断条件。

14、本发明有益效果为：通过计算端部差异计算结果、动作前后参数变化计算结果和动作后偏离残留率，使端部运行变化与端部残留状态共同进入故障来源分类判断处理，形成运行状态异常候选、端部集流异常候选或者端部密封或接口匹配候选；通过将维护复核结果写入对应样本集合，并更新判断阈值或者故障来源判断条件，使燃料电池电堆故障诊断结论形成可回写记录，提高端部区域故障来源分类准确性和诊断记录修正能力。