氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置和方法与流程

1.本发明实施例涉及燃料电池发动机系统电导率检测技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置和方法。


背景技术：

2.在氢燃料电池发动机中，氢燃料电池电化学氧化还原反应是电解水反应的逆反应，也是动力电流产生来源。由于氢燃料电池是复杂的气、液、固多材料应用场景，针对氢燃料电池电化学氧化还原过程中产生的电位、电流，必须做好相应的绝缘处理，方可保证氢燃料电池应用过程中的电安全。因此，对氢燃料电池发动机工作过程中的诊断预警尤为重要。
3.现有技术中，如专利号cn201510317124.7的专利《一种学习型的盐酸浓度铁离子浓度在线检测系统和方法》提供了一种学习型的盐酸浓度铁离子浓度在线监测系统，仅能够对在线离子导电率进行测试，无法实现氢燃料电池的诊断预警。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置和方法，以实现对即时离子电导率数据提供系统绝缘故障报警策略。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置，包括：电导率电极、信号采集器和处理器；
6.所述电导率电极与所述信号采集器通过通讯导线相连，用于实时的采集电导率数据并将所述电导率数据发送至所述信号采集器；
7.所述信号采集器与所述处理器通讯连接，用于将接收到的电导率数据发送至所述处理器；
8.所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警。
9.可选的，所述电导率电极包括：内电极、外电极、电极罩、顶盖和接线柱。
10.可选的，该装置包括三个电导率电极；
11.其中，第一电导率电极布置在电堆阴极出口，与背压阀之间的距离≥100mm；
12.第二电导率电极布置在氢燃料电池发动机散热系统进水口位置，与氢燃料电池电堆出水口温度传感器的距离≥100mm；
13.第三电导率电极布置在氢燃料电池发动机散热系统出水口位置，与散热系统出水口温度传感器的距离≥100mm，若未安装散热系统出水口温度传感器，则将第三电导率电极布置在距离电堆冷却进口≤200mm的位置。
14.可选的，所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警，包括：
15.若δ
3-δ2≤0，则氢燃料电池发动机冷却系统处于工作正常状态；
16.其中，δ3为第三电导率电极所测的即时电导率数据，δ2为第二电导率电极所测的即时电导率数据。
17.可选的，所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警，包括：
18.若δ
3-δ2＞0，则做如下判断：
19.1)则判定为假故障；
20.2)则判定为真故障，且导电率升高速率高于去离子罐吸附能力，需要更换去离子罐或者重新设计；
21.3)则判定为真故障，但去离子罐易燃有效，需要跟踪测试以评估去离子效力；
22.其中，δ3为第三电导率电极所测的即时电导率数据，δ2为第二电导率电极所测的即时电导率数据，为氢燃料电池发动机冷却系统在
△
t时间内平均离子释放速率，i
0-tms
为冷却系统离子释放速率设计值，i
0-di
为去离子罐离子吸收速率设计值。
23.可选的，所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警，包括：
24.若则氢燃料电池发动机电堆导电率正常；
25.其中，为氢燃料电池发动机电堆在
△
t时间内平均离子释放速率，i
0-stack
为燃料电池发动机系统离子释放速率设计值。
26.可选的，所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警，包括：
27.若则氢燃料电池发动机电堆离子导电率释放超标；
28.为氢燃料电池发动机电堆在
△
t时间内平均离子释放速率，i
0-stack
为氢燃料电池发动机系统离子释放速率设计值。
29.第二方面，本发明实施例还提供了氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警方法，其特征在于，包括：
30.通过电导率电极实时采集电导率数据并将所述电导率数据发送至所述信号采集器；
31.接收所述数据采集器发送的电导率数据，并根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警。
32.本发明通过利用电导率电极实现了电导率及时测试，通过处理器实现了数据的处理和故障判断等功能，从而降低了冷却及尾排离子电导率超标而产生绝缘问题的风险，并提供了一种即时预警机制。
附图说明
33.图1为本发明实施例一提供的一种氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置的结构示意图；
34.图2是本发明实施例一和实施例二提供的氢燃料电池发动机结构图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
36.实施例一
37.图1为本发明实施例一提供的一种氢燃料电池发动机系统电导率的诊断预警装置的结构示意图。该装置包括：电导率电极、信号采集器、处理器、通讯导线及与整车或氢燃料电池发动机控制器通讯线路组成等。本实施例中的处理器为整车控制器。
38.所述电导率电极与所述信号采集器通过通讯导线相连，用于实时的采集电导率数据并将所述电导率数据发送至所述信号采集器；所述信号采集器与所述处理器通讯连接，用于将接收到的电导率数据发送至所述处理器；所述处理器用于根据所述电导率数据对车辆进行诊断预警。
39.其中，所述电导率电极包括：内电极、外电极、电极罩、顶盖和接线柱，该结构可有效降低电导率电极对流阻的贡献，提高冷却系统的工作效率。
40.本实施例中在检测回路中设置三个电导率电极，分别设置在三个检测点上。
41.具体的，第一电导率电极布置在电堆的阴极出口，与背压阀((远电堆端))之间的距离≥100mm；
42.第二电导率电极布置在氢燃料电池发动机散热系统进水口位置，与氢燃料电池电堆出水口温度传感器((远电堆端))的距离≥100mm；
43.第三电导率电极布置在氢燃料电池发动机散热系统出水口位置，与散热系统出水口温度传感器(远电堆端)的距离≥100mm，若散热系统出水口未安装散热系统出水口温度传感器，则将第三电导率电极布置在距离电堆冷却进口≤200mm的位置。
44.电导率电极所测即时电导率数据通过通讯硬线汇集到具备数据采集、转化和发出功能的数采仪，由其数据信息转化为报文信号通过can线传递给整车控制器(vcu)。由vcu对数据进行计算、比较和逻辑判断，得出以下结论的一种或几种：
45.(1)电导率正常；
46.(2)电导率超标，去离子器正常工作；
47.(3)电导率超标，去离子器工作，但效率下降；
48.(4)电导率超标，须更换去离子器。
49.得到上述故障信息之后，将故障信息通过整车控制器反馈给整车报警系统及远程数据采集系统，对驾驶员、运营机构和整车厂进行相关警示提醒。
50.进一步的，上述故障提示的具体判断逻辑如下：
51.(a)若δ
3-δ2≤0，则燃料电池发动机冷却系统工作正常
52.(b)若δ
3-δ2＞0，则做如下判断：
53.1)则判定为假故障；
54.2)则判定为真故障，且导电率升高速率高于去离子罐吸附能力，需要更换去离子罐或者重新设计；
55.3)则判定为真故障，但去离子罐易燃有效，需要跟踪测试以评估去离子效力。
56.(c)若则燃料电池发动机电堆导电率正常；
57.(d)若则燃料电池发动机电堆离子导电率释放超标。
58.其中，δ
0-整车设计最高导电率值(s
·
cm-1)；t-时间(s)；δ
1-1号电导率电极所测即时电导率数据(s
·
cm-1)；δ
2-2号电导率电极所测即时电导率数据(s
·
cm-1)；δ
3-3号电导率
电极所测即时电导率数据(s
·
cm-1)；i
0-tms-冷却系统离子释放速率设计值(mol/l
·
min)；i
0-stack-燃料电池发动机系统离子释放速率设计值(mol/l
·
min)；i
0-di-去离子罐离子吸收速率设计值(mol/l@nlpm)；-氢燃料电池发动机冷却系统在
△
t时间内平均离子释放速率(mol/l
·
min)；-氢燃料电池发动机电堆在
△
t时间内平均离子释放速率(mol/l
·
min)；w
tms-冷却系统中冷却液流速(nlps)；w
tms-燃料电池发动机电堆阴极出口水流速(nlps)；
59.其中：
[0060][0061][0062]
说明：t时间间隔建议≥5s。需要说明的是，情况ab和cd可能出现叠加。
[0063]
本实施例提供了一种针对于氢燃料电池发动机系统(包括氢燃料电池电堆、燃料供给系统、冷却系统及尾排系统)的离子电导率布置设计和测试方案，可较准确完成电导率即时测试、数据处理和故障判断等功能。降低冷却及尾排离子电导率超标而产生绝缘问题的风险，并提供了一种即时预警机制，保证了氢燃料电池工作过程中的安全。
[0064]
实施例二
[0065]
氢燃料电池发动机简单结构图见图2(含冷却系统进出水温度传感器和背压阀)，将电导率电极(1号-3号)分别布置在距离燃料电池发动机电堆背压阀(距离电堆远端)100mm处，燃料电池发动机冷却系统进水口距离温度传感器(距离电堆远端)100mm处，氢燃料电池发动机冷却系统出水口距离温度传感器(冷却系统散热器远端)100mm处。
[0066]
设置冷却系统和电堆离子浓度均不高于10μm
·
s-1，即i
0-tms
＝i
0-stack
＝10μm
·
s-1，i
0-di
＝3μm
·
s-1。
[0067]
根据即时检测数据，发现某一时刻，1号电导率电极数据报警超过设计值上限，对报警值出现前5s数据进行求计算，发现离子电导率平均值未超过设计值上限，则忽略此次电导率超标报警。
[0068]
实施例三
[0069]
氢燃料电池发动机简单结构图见图2，电导率电极(1号-3号)分别布置在距离燃料电池发动机电堆背压阀(距离电堆远端)100mm处，燃料电池发动机冷却系统进水口距离温度传感器(距离电堆远端)100mm处，氢燃料电池发动机冷却系统出水口距离温度传感器(冷却系统散热器远端)100mm处。
[0070]
设置冷却系统和电堆离子浓度均不高于10μm
·
s-1，即i
0-tms
＝i
0-stack
＝10μm
·
s-1，i
0-di
＝3μm
·
s-1。
[0071]
根据即时检测数据，发现某一时刻，1号电导率电极数据报警超过设计值上限，同时2和3号电导率电极数据也超过设计值上限。报警值出现前10s数据进行求计算，发现1号离子电导率平均值未超过设计值上限，2号和3号在10s数据内增量平均值大于冷却系统离子释放减去去离子罐吸附离子量导致的离子电导率增量。则可以得出结论：冷却系统离子释放速率超过设计值，需要确认离子罐吸附效率，进行离子浓度超标报警提示。
[0072]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。