一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法。


背景技术：

2.在众多新能源应用中，氢能作为一种高效、安全、清洁、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源和人类战略能源的发展方向，是车用清洁能源中最具潜力的优选对象。在各类燃料电池中，由于质子交换膜燃料电池具有高功率密度、高效率、零排放、快速的负载响应和低工作温度等优势，是迄今为止在交通领域中应用最为成熟的，并且随着燃料电池单堆功率的逐步增大，燃料电池在轻轨车辆等大功率轨道交通领域的应用受到越来越广泛的关注。
3.然而，将燃料电池大规模应用于轻轨交通领域仍受到诸多限制，尤其是单体燃料电池功率等级不高、可靠性低，难以满足大功率城轨交通车辆实时功率需求，并且存在其使用寿命难以达到预期效果、研发成本相对较高等问题。所以可以搭建多堆燃料电池系统提高燃料电池运行性能、降低研发成本，并通过离线故障监测设备如电化学阻抗谱分析仪，用以优化系统功率分配控制结果并降低系统故障发生概率。但是由于燃料电池系统集群的扩大使得其功率等级都是兆瓦级以上的，若再使用基于离线停机后做故障检测来调节功率分配的方案明显降低了燃料电池集群系统供电的稳定性。因此根据对燃料电池内部阻抗的离线检测结果用于在线功率分配远远达不到预期的控制效果。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法，降低了燃料电池集群中因寿命衰退带来的运维成本且有效提高了系统运行性能与供电可靠性，同时通过在线故障自诊断还有利于降低系统运行故障概率从而提升系统整体运行寿命。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法，包括步骤：
6.s10,确定燃料电池集群健康状态的在线检测方法的拓扑连接方式，燃料电池集群包括多个燃料电池电堆并联构成且多个燃料电池系统经过各自的主功率单向dc/dc变换器和并联的小功率辅助单向dc/dc变换器接入母线；
7.s20，通过向辅助型小功率单向dc/dc变换器添加扰动微电流信号，并测量相应工作中主功率单向dc/dc变换器的供电回路中每个燃料电池输出端的电压信号和电流信号；
8.s30,对获得的每个燃料电池的电压和电流信号做快速傅里叶分解，并从中提取出燃料电池内阻的特征量，完成对燃料电池永久性故障、可恢复性故障以及辅机故障的自诊断检测；
9.s40,结合主动式容错控制策略实现自主切除故障态燃料电池，并根据燃料电池特
征量定义出各电堆老化程度比值实现燃料电池功率的自适应分配，从而完成对燃料电池集群的健康管理。
10.进一步的是，所述燃料电池集群健康状态的在线检测方法的拓扑连接方式包括燃料电池集群、光耦隔离的信号调理电路、数据处理和系统策略控制中心；
11.所述燃料电池集群由多个燃料电池电堆并联构成，多个燃料电池系统经过各自的主功率单向dc/dc变换器和并联的小功率辅助单向dc/dc变换器接入母线，为负载提供需求功率。其中三个小功率辅助单向dc/dc变换器只用于添加扰动微电流信号便于在线快速电化学阻抗谱的分析；
12.所述光耦隔离的信号调理电路采集燃料电池集群中各燃料电池输出端的实时电压信号与电流信号；
13.所述数据处理和系统策略控制中心将采集的电压信号与电流信号经过a/d转换电路做模数转换后送入控制器中做在线傅里叶分解通过其分解的特征量用以求解各燃料电池阻抗并判断此次测量下燃料电池的性能状态，最后通过各燃料电池阻抗变化和运行性能状态制定多堆协调控制策略经pwm控制电路为各变换器提供相应脉冲信号，控制不同燃料电池功率的输出。
14.进一步的是，由于实际运行条件变化，各燃料电池内部特征量在长时间运行过程中会发生变化，并由于各燃料电池不同的出力还会造成燃料电池老化不一致。为避免运行中某个燃料电池寿命先达到服役时间而影响燃料电池集群供电稳定性，控制器通过光耦隔离调理电路采集到各燃料电池输出端电压信号与电流信号，做快速傅里叶分解，并从中提取出燃料电池内阻的特征量，最后根据不同燃料电池阻抗变化来表征燃料电池的老化程度以此为依据分配各电堆功率，以保证不同电堆在长期运行后性能退化最终趋于一致。
15.进一步的是，为保证燃料电池在线阻抗测量的准确性，需要一定计算时间同时燃料电池启动要充分，在向辅助型小功率单向dc/dc变换器添加扰动微电流信号前，先对各燃料电池电堆按照平均分配原则分配负载需求功率；然后，再由控制器通过辅助单向dc/dc变换器按照额定电流输出的10％添加扰动微交流小信号并测量相应工作中主功率单向dc/dc变换器的供电回路中每个燃料电池输出端的电压信号和电流信号；执行做快速傅里叶分解并从中提取出燃料电池内阻的特征量，通过分析燃料电池内部特征量计算各燃料电池欧姆阻抗值并判断此次检测下各燃料电池电堆运行状态的好坏。
16.进一步的是，判断此次检测下各燃料电池电堆运行状态的好坏，包括步骤：
17.计及燃料电池阻抗剩余残差为r
res
，且有下式：
[0018][0019]
其中，r
ref
为燃料电池参考欧姆内阻值，r
real
为燃料电池实际测试计算得到的欧姆内阻值；
[0020]
根据燃料电池阻抗剩余残差判断各燃料电池电堆运行状态：
[0021]
若剩余残差r
res
超过设定阈值时确定为永久性故障或辅机系统故障，立即切除该故障电堆，然后再执行下一步；
[0022]
若剩余残差r
res
在设定阈值内时判断为可恢复性故障，则采用与之对应的恢复性策略，在该燃料电池恢复正常过后再执行下一步。
[0023]
进一步的是，在步骤s40中，结合主动式容错控制策略实现自主切除故障态燃料电池，即通过对在线检测结果的判断经由控制器实现对燃料电池级联的主功率单向dc/dc变换器输出功率的控制从而完成对出现故障态电堆自主切除。
[0024]
进一步的是，在步骤s40中，根据燃料电池特征量定义出各电堆老化程度比值实现燃料电池功率的自适应分配，从而完成对燃料电池集群的健康管理，包括步骤：
[0025]
s41，计及燃料电池老化程度的量化指标为λ
r
‑
dec
，且有下式：
[0026][0027]
依据燃料电池特征量和计算得到燃料电池实测欧姆内阻值确定各燃料电池老化程度并为其出力进行顺序标号；
[0028]
s42，结合每次采样下负载需求功率变化增量δpload，根据燃料电池间老化程度比值实时求解各燃料电池对应的功率输出增量δp
fci
，并随时间逐渐累加；即燃料电池参考输出功率就是根据燃料电池老化程度的比值自适应分配相应输出功率；
[0029]
s43，根据各个功率增量占比求解分配系数：
[0030][0031]
s44，根据分配系数调节相应主功率变换器的输入pwm。
[0032]
采用本技术方案的有益效果：
[0033]
本发明的燃料电池集群健康状态的协调控制方法可以实现在线故障诊断，主动容错控制，保证集群系统性能衰退的一致性。本发明通过采集主功率dc/dc变换器的输入电压、电流实时监测电堆状态，通过并联辅助dc/dc变换器添加交流扰动信号，采集特定频率范围内不同扰动电流的响应来获得阻抗谱，并从中提取出定量特征来诊断不同电堆的性能状态，之后，根据诊断结果，结合多堆协调控制策略合理分配可运行电堆的输出功率，从而显著提升燃料电池集群的供电可靠性，延长系统整体服务时长。通过在线故障检测技术确定燃料电池内部特征参量从而进一步确定燃料电池的故障状态，并结合相应控制策略，约束燃料电池的运行有利于降低系统故障率，提高平均无故障运行时间，从而提高系统的整体使用寿命，降低系统成本，提高系统稳定性。
[0034]
本发明采用了增加并联辅助单向dc/dc变换器的方案实现了对运行中的燃料电池内部特征量的提出以及燃料电池运行中出现的故障态类别的实时判断。此外，通过本专利所提方法添加扰动交流小信号可以在完全不影响主功率单向dc/dc变换器供给负载功率的情况下实现上述功能，保证了燃料电池集群供电的稳定性和可靠性。
[0035]
本发明采用主动式容错控制策略，实现了对运行中燃料电池集群健康状态的提前估计和预判，规避了燃料电池集群系统可能出现的供电风险，节约了系统氢气的消耗和人工检测以及维护成本。
[0036]
本发明采用的功率分配方法是结合了对各运行中的燃料电池内部特征量提出和分析获得的燃料电池阻抗实时变化情况，并以此为根据定义出了燃料电池性能衰退比从而提出的一种自适应燃料电池出力顺序和出力大小的控制方法，不仅减缓了燃料电池性能退化时间还维持了燃料电池集群中各电堆老化的一致性趋势延长了发电系统的使用时长以
及提升了系统经济性。
[0037]
本发明专利计及燃料电池性能变化的协调控制，考虑实际系统中燃料电池故障在线判别与主动容错问题。本专利所提出的燃料电池发电系统集群健康状态的多堆系统协调控制方法可应用于重载货车、轨道交通机车、客/货轮等大功率应用场景。相较于其他方法，本专利所提方法更适用于工程领域，计算量少，分配及控制结果可靠，还能基于在线故障诊断分析开展运用维护以形成燃料电池运用维护标准化流程，极大的提升了多堆燃料电池发电系统的供电可靠性，改善燃料电池电堆的运行环境。
附图说明
[0038]
图1为本发明的一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法流程示意图；
[0039]
图2为本发明实施例中燃料电池集群健康状态的在线检测方法的拓扑连接方式的结构示意图；
[0040]
图3为本发明实施例中一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法中自适应分配的流程示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0042]
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池集群健康状态的协调控制方法，包括步骤：
[0043]
s10,确定燃料电池集群健康状态的在线检测方法的拓扑连接方式，燃料电池集群包括多个燃料电池电堆并联构成且多个燃料电池系统经过各自的主功率单向dc/dc变换器和并联的小功率辅助单向dc/dc变换器接入母线；
[0044]
s20，通过向辅助型小功率单向dc/dc变换器添加扰动微电流信号，并测量相应工作中主功率单向dc/dc变换器的供电回路中每个燃料电池输出端的电压信号和电流信号；
[0045]
s30,对获得的每个燃料电池的电压和电流信号做快速傅里叶分解，并从中提取出燃料电池内阻的特征量，完成对燃料电池永久性故障、可恢复性故障以及辅机故障的自诊断检测；
[0046]
s40,结合主动式容错控制策略实现自主切除故障态燃料电池，并根据燃料电池特征量定义出各电堆老化程度比值实现燃料电池功率的自适应分配，从而完成对燃料电池集群的健康管理。
[0047]
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述燃料电池集群健康状态的在线检测方法的拓扑连接方式包括燃料电池集群、光耦隔离的信号调理电路、数据处理和系统策略控制中心；
[0048]
所述燃料电池集群由多个燃料电池电堆并联构成，多个燃料电池系统经过各自的主功率单向dc/dc变换器和并联的小功率辅助单向dc/dc变换器接入母线，为负载提供需求功率。其中三个小功率辅助单向dc/dc变换器只用于添加扰动微电流信号便于在线快速电化学阻抗谱的分析；
[0049]
所述光耦隔离的信号调理电路采集燃料电池集群中各燃料电池输出端的实时电
压信号与电流信号；
[0050]
所述数据处理和系统策略控制中心将采集的电压信号与电流信号经过a/d转换电路做模数转换后送入控制器中做在线傅里叶分解通过其分解的特征量用以求解各燃料电池阻抗并判断此次测量下燃料电池的性能状态，最后通过各燃料电池阻抗变化和运行性能状态制定多堆协调控制策略经pwm控制电路为各变换器提供相应脉冲信号，控制不同燃料电池功率的输出。
[0051]
由于实际运行条件变化，各燃料电池内部特征量在长时间运行过程中会发生变化，并由于各燃料电池不同的出力还会造成燃料电池老化不一致。为避免运行中某个燃料电池寿命先达到服役时间而影响燃料电池集群供电稳定性，控制器通过光耦隔离调理电路采集到各燃料电池输出端电压信号与电流信号，做快速傅里叶分解，并从中提取出燃料电池内阻的特征量，最后根据不同燃料电池阻抗变化来表征燃料电池的老化程度以此为依据分配各电堆功率，以保证不同电堆在长期运行后性能退化最终趋于一致。
[0052]
作为上述实施例的优化方案，为保证燃料电池在线阻抗测量的准确性，需要一定计算时间同时燃料电池启动要充分，在向辅助型小功率单向dc/dc变换器添加扰动微电流信号前，先对各燃料电池电堆按照平均分配原则分配负载需求功率；例如：前3min钟内，各燃料电池按照平均分配原则分配负载需求功率，即然后，3min钟后，再由控制器通过辅助单向dc/dc变换器按照额定电流输出的10％添加扰动微交流小信号并测量相应工作中主功率单向dc/dc变换器的供电回路中每个燃料电池输出端的电压信号和电流信号；执行做快速傅里叶分解并从中提取出燃料电池内阻的特征量，通过分析燃料电池内部特征量计算各燃料电池欧姆阻抗值并判断此次检测下各燃料电池电堆运行状态的好坏。
[0053]
其中，判断此次检测下各燃料电池电堆运行状态的好坏，包括步骤：
[0054]
计及燃料电池阻抗剩余残差为r
res
，且有下式：
[0055][0056]
其中，r
ref
为燃料电池参考欧姆内阻值，r
real
为燃料电池实际测试计算得到的欧姆内阻值；
[0057]
根据燃料电池阻抗剩余残差判断各燃料电池电堆运行状态：
[0058]
若剩余残差r
res
超过设定阈值时确定为永久性故障或辅机系统故障，立即切除该故障电堆，然后再执行下一步；
[0059]
若剩余残差r
res
在设定阈值内时判断为可恢复性故障，则采用与之对应的恢复性策略，在该燃料电池恢复正常过后再执行下一步。
[0060]
作为上述实施例的优化方案，在步骤s40中，结合主动式容错控制策略实现自主切除故障态燃料电池，即通过对在线检测结果的判断经由控制器实现对燃料电池级联的主功率单向dc/dc变换器输出功率的控制从而完成对出现故障态电堆自主切除。
[0061]
在步骤s40中，如图3所述，根据燃料电池特征量定义出各电堆老化程度比值实现燃料电池功率的自适应分配，从而完成对燃料电池集群的健康管理，包括步骤：
[0062]
s41，计及燃料电池老化程度的量化指标为λ
r
‑
dec
，且有下式：
[0063][0064]
依据燃料电池特征量和计算得到燃料电池实测欧姆内阻值确定各燃料电池老化程度并为其出力进行顺序标号；
[0065]
假设，其中开始一号燃料电池电堆性能良好，二号和三号燃料电池电堆性能依次下降根据实验经验可知燃料电池由于老化加重内阻一定是逐渐增加有：λ
fc1
＜λ
fc2
＜λ
fc3
。
[0066]
s42，结合每次采样下负载需求功率变化增量δpload，根据燃料电池间老化程度比值实时求解各燃料电池对应的功率输出增量δp
fci
，并随时间逐渐累加；即燃料电池参考输出功率就是根据燃料电池老化程度的比值自适应分配相应输出功率。
[0067]
具体有：
[0068]
一号燃料电池电堆根据其电堆间老化程度比值计算相应输出功率为：
[0069][0070]
二号燃料电池电堆根据其电堆间老化程度比值计算得相应输出功率为：
[0071][0072]
三号燃料电池电堆根据其电堆间老化程度比值计算得相应输出功率为：
[0073][0074]
s43，根据各个功率增量占比求解分配系数：
[0075][0076]
s44，根据分配系数调节相应主功率变换器的输入pwm值。
[0077]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。