一种基于DRT分析的燃料电池吹扫控制方法和装置与流程

一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法和装置
技术领域
1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法和装置。


背景技术：

2.燃料电池系统停机后，运转期间生成水及加湿的水可能会残留在系统内部，不利于下次的启动，尤其是当停机期间环境温度降低到零度以下时，内部的水可能会结冰，导致零部件、流道和扩散层等冻结，导致启动失败和部件损坏，所以通常在停机时执行吹扫操作。
3.现有技术中的吹扫方式大多只是进行简单的吹扫，一些吹扫策略仅考虑了燃料电池的高频阻抗实现闭环吹扫，且没有对冷存储阶段电堆内部阻抗情况进行监测，造成吹扫不彻底，增大了电堆在低温存储状态结冰的风险，进而影响了燃料电池的寿命。
4.因此，如何进一步改善燃料电池系统停机时的吹扫效果，提高燃料电池系统的耐久性，是目前有待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法，用以解决现有技术中燃料电池系统停机时的吹扫效果不佳的技术问题。该方法包括：在接收到用户发送的关机命令时，对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗；对燃料电池系统进行吹扫并在所述第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且所述第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫；将燃料电池系统关机，并对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗；根据所述低频阻抗、所述第二中频阻抗和所述第二高频阻抗对所述第一阻抗目标值和所述第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值；保存所述新的第一阻抗目标值和所述新的第二阻抗目标值，以在下一次关机前按照所述新的第一阻抗目标值和所述新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫。
6.在本技术一些实施例中，在将燃料电池系统关机之后，所述方法还包括：通过备用动力电池向燃料电池系统供电，并基于dc/dc变换器向燃料电池系统施加交流扰动信号；根据燃料电池系统反馈的交流电压信号获取燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱；其中，所述备用动力电池的正极和负极分别连接所述dc/dc变换器的第一端和第二端，所述dc/dc变换器的第三端和第四端分别连接燃料电池系统的阳极和阴极。
7.在本技术一些实施例中，在对燃料电池系统进行吹扫之后，所述方法还包括：
若吹扫时长达到预设最大时长，结束吹扫。
8.在本技术一些实施例中，所述方法还包括：若因所述吹扫时长达到所述预设最大时长而结束吹扫，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时增大吹扫流量和/或所述预设最大时长。
9.在本技术一些实施例中，在获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗之后，所述方法还包括：若所述低频阻抗小于第一最低阻抗且所述第二中频阻抗小于第二最低阻抗且所述第二高频阻抗小于第三最低阻抗，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时减小吹扫流量和/或所述预设最大时长。
10.相应的，本发明还提出了一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制装置，所述装置包括：电化学阻抗谱获取模块，用于获取燃料电池系统的电化学阻抗谱；drt分析模块，用于对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析；吹扫模块，用于对燃料电池系统进行吹扫；存储模块，用于存储drt分析结果；控制器，用于：在接收到用户发送的关机命令时，基于所述drt分析模块对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗；基于所述吹扫模块对燃料电池系统进行吹扫并在所述第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且所述第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫；将燃料电池系统关机，并基于所述drt分析模块对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗；根据所述低频阻抗、所述第二中频阻抗和所述第二高频阻抗对所述第一阻抗目标值和所述第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值；将所述新的第一阻抗目标值和所述新的第二阻抗目标值保存到所述存储模块，以在下一次关机前按照所述新的第一阻抗目标值和所述新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫。
11.在本技术一些实施例中，所述电化学阻抗谱获取模块包括dc/dc变换器和备用动力电池，所述控制器还用于：在将燃料电池系统关机之后，通过所述备用动力电池向燃料电池系统供电，并基于所述dc/dc变换器向燃料电池系统施加交流扰动信号；根据燃料电池系统反馈的交流电压信号获取燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱；其中，所述备用动力电池的正极和负极分别连接所述dc/dc变换器的第一端和第二端，所述dc/dc变换器的第三端和第四端分别连接燃料电池系统的正极和负极。
12.在本技术一些实施例中，所述控制器还用于：在对燃料电池系统进行吹扫之后，若吹扫时长达到预设最大时长，结束吹扫。
13.在本技术一些实施例中，所述控制器还用于：
若因所述吹扫时长达到所述预设最大时长而结束吹扫，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时增大吹扫流量和/或所述预设最大时长。
14.在本技术一些实施例中，所述控制器还用于：若所述低频阻抗小于第一最低阻抗且所述第二中频阻抗小于第二最低阻抗且所述第二高频阻抗小于第三最低阻抗，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时减小吹扫流量和/或所述预设最大时长。
15.通过应用以上技术方案，在接收到用户发送的关机命令时，对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗；对燃料电池系统进行吹扫并在第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫；将燃料电池系统关机，并对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗；根据低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗对第一阻抗目标值和第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值；保存新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值，以在下一次关机前按照新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫，基于优化吹扫判据，实现了燃料电池冷吹扫动态闭环，降低了冷存储结冰风险，同时提升了电堆冷启动性能，提高了燃料电池耐久性及寿命。
16.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
17.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
18.图1示出了示出了本技术实施例中一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法的流程示意图；图2示出了本技术实施例中一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制装置的结构示意图；图3示出了本技术实施例中电化学阻抗谱获取模块的原理示意图。
19.图2和图3中，100、电化学阻抗谱获取模块；200、drt分析模块；300、吹扫模块；400、存储模块；500、控制器；600、燃料电池系统；610、阳极；620、阴极；630、气体扩散层；640、催化层；650、质子交换膜；110、dc/dc变换器；120、备用动力电池。
具体实施方式
20.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
21.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非
特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
22.本技术实施例提供一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制方法，在停机后冷存储阶段基于低、中高频、高频阻抗辨识结果，对电堆内部结冰状态进行动态评估，修正吹扫判据，降低了电堆低温存储状态结冰风险，同时提升电堆冷启动性能，提高燃料电池耐久性及寿命。如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤s101，在接收到用户发送的关机命令时，对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗。
23.本实施例中，燃料电池系统是一种电化学反应装置，氢气和氧气在电堆内部的质子交换膜两侧反应，并在空气侧生成水，将化学能转化为电能，燃料电池系统主要由燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统和冷却子系统组成。
24.电化学阻抗谱（eis，electrochemical impedance spectroscopy）为一种电化学诊断分析工具，进行高效的原位/非原位电化学表征。电化学阻抗谱可通过电化学阻抗测量技术获取，具体是给燃料电池系统施加微小的电流或者电压扰动信号，实现阻抗的测量。
25.drt（distribution of relaxation time，弛豫时间分布）是一种不依赖于研究对象先验知识的eis解析技术，可用于分离和解析eis中高度重叠的物理化学过程。drt分析可获取燃料电池系统的低频阻抗、中频阻抗和高频阻抗，高频阻抗可等效为质子传递过程，常用来表征质子交换膜中的含水量；中频阻抗等效为氧化还原过程，可用来表征催化层（cl）水含量；低频阻抗等效为气体扩散过程，主要表征气体扩散层（gdl）内水含量，低中高三种频率的阻抗测量需要时间依次缩短。在本技术具体的应用场景中，如图3所示，燃料电池系统600的阳极610和阴极620之间包括气体扩散层630，催化层640和质子交换膜650。
26.在接收到用户发送的关机命令时，对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析，由于低频阻抗的获取时间较长，为提高效率，这里不获取低频阻抗，而是实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗。
27.步骤s102，对燃料电池系统进行吹扫并在所述第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且所述第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫。
28.本实施例中，对燃料电池系统进行吹扫，在吹扫过程中将第一阻抗目标值和第二阻抗目标值作为吹扫闭环判据，在第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫。
29.为了保证可靠性，在本技术一些实施例中，在对燃料电池系统进行吹扫之后，所述方法还包括：若吹扫时长达到预设最大时长，结束吹扫。
30.本实施例中，若吹扫时长达到预设最大时长，说明吹扫时间过长，即使第一中频阻抗未达到第一阻抗目标值或第一高频阻抗未达到第二阻抗目标值，也结束吹扫。
31.步骤s103，将燃料电池系统关机，并对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗。
32.本实施例中，吹扫完成后，将燃料电池系统关机，燃料电池系统进入冷存储状态，
由于燃料电池系统在冷存储状态下可能结冰，造成内部阻抗的变化，此时对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱再次进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗。
33.可以理解的是，本领域技术人员可根据实际需要灵活调整三种阻抗的获取顺序，这并不影响本技术的保护范围。
34.为了可靠的获取燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱，在本技术一些实施例中，在将燃料电池系统关机之后，所述方法还包括：通过备用动力电池向燃料电池系统供电，并基于dc/dc变换器向燃料电池系统施加交流扰动信号；根据燃料电池系统反馈的交流电压信号获取燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱；其中，所述备用动力电池的正极和负极分别连接所述dc/dc变换器的第一端和第二端，所述dc/dc变换器的第三端和第四端分别连接燃料电池系统的阳极和阴极。
35.本实施例中，dc/dc变换器连接了备用动力电池，在燃料电池系统停机后，需要先使用备用动力电池向燃料电池系统供电，然后基于dc/dc变换器向燃料电池系统施加交流扰动信号，再根据燃料电池系统反馈的交流电压信号可获取相应的电化学阻抗谱。
36.可以理解的是，在燃料电池系统处于运行状态时，备用动力电池不向燃料电池系统供电。
37.可以理解的是，在燃料电池系统关机前，由于燃料电池在运行状态，可直接通过dc/dc变换器对燃料电池系统施加交流扰动信号，根据燃料电池系统反馈的交流电压信号获取电化学阻抗谱。
38.步骤s104，根据所述低频阻抗、所述第二中频阻抗和所述第二高频阻抗对所述第一阻抗目标值和所述第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值。
39.本实施例中，低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗可准确的表征燃料电池系统在冷存储状态下的水含量，根据三者对吹扫闭环判据进行修正，即对第一阻抗目标值和第二阻抗目标值进行修正，从而确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值。
40.可选的，可预先建立不同低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗与第一阻抗目标值和第二阻抗目标值的映射关系，根据该映射关系可对第一阻抗目标值和第二阻抗目标值进行修正。
41.步骤s105，保存所述新的第一阻抗目标值和所述新的第二阻抗目标值。
42.本实施例中，通过保存新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值，在下一次关机前吹扫时重新执行步骤s102-步骤s105，可按照新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫。
43.为了进一步改善吹扫效果，在本技术一些实施例中，所述方法还包括：若因所述吹扫时长达到所述预设最大时长而结束吹扫，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时增大吹扫流量和/或所述预设最大时长。
44.本实施例中，若因所述吹扫时长达到所述预设最大时长而结束吹扫，说明此时的第一中频阻抗未达到第一阻抗目标值或第一高频阻抗未达到第二阻抗目标值，燃料电池系
统的水含量较大，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时增大吹扫流量和/或所述预设最大时长，以改善吹扫效果。
45.通过应用以上技术方案，在接收到用户发送的关机命令时，对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗；对燃料电池系统进行吹扫并在第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫；将燃料电池系统关机，并对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗；根据低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗对第一阻抗目标值和第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值；保存新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值，以在下一次关机前按照新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫，基于优化吹扫判据，实现了燃料电池冷吹扫动态闭环，降低了冷存储结冰风险，同时提升了电堆冷启动性能，提高了燃料电池耐久性及寿命。
46.本技术实施例还提出了一种基于drt分析的燃料电池吹扫控制装置，如图2 所示，装置包括：电化学阻抗谱获取模块100，用于获取燃料电池系统的电化学阻抗谱；drt分析模块200，用于对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析；吹扫模块300，用于对燃料电池系统进行吹扫；存储模块400，用于存储drt分析结果；控制器500，用于：在接收到用户发送的关机命令时，基于drt分析模块200对燃料电池系统的电化学阻抗谱进行drt分析并实时获取燃料电池系统的第一中频阻抗和第一高频阻抗；基于吹扫模块300对燃料电池系统进行吹扫并在第一中频阻抗达到第一阻抗目标值且第一高频阻抗达到第二阻抗目标值时结束吹扫；将燃料电池系统关机，并基于drt分析模块200对燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱进行drt分析并获取燃料电池系统的低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗；根据低频阻抗、第二中频阻抗和第二高频阻抗对第一阻抗目标值和第二阻抗目标值进行修正并确定新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值；将新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值保存到存储模块400，以在下一次关机前按照新的第一阻抗目标值和新的第二阻抗目标值对燃料电池系统进行吹扫。
47.在本技术具体的应用场景中，如图3所示，电化学阻抗谱获取模块100包括dc/dc变换器110和备用动力电池120，控制器500还用于：在将燃料电池系统关机之后，通过备用动力电池120向燃料电池系统供电，并基于dc/dc变换器110向燃料电池系统施加交流扰动信号；根据燃料电池系统反馈的交流电压信号获取燃料电池系统处于冷存储状态时的电化学阻抗谱；其中，备用动力电池120的正极和负极分别连接dc/dc变换器110的第一端和第二端，dc/dc变换器110的第三端和第四端分别连接燃料电池系统600的阳极610和阴极620。dc/dc变换器110为双向dc/dc变换器。
48.在本技术具体的应用场景中，控制器500还用于：在对燃料电池系统进行吹扫之后，若吹扫时长达到预设最大时长，结束吹扫。
49.在本技术具体的应用场景中，控制器500还用于：若因吹扫时长达到预设最大时长而结束吹扫，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时增大吹扫流量和/或预设最大时长。
50.在本技术具体的应用场景中，控制器500还用于：若低频阻抗小于第一最低阻抗且第二中频阻抗小于第二最低阻抗且第二高频阻抗小于第三最低阻抗，在下一次关机前对燃料电池系统进行吹扫时减小吹扫流量和/或预设最大时长。
51.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。