燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法、装置、系统及燃料电池与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法、装置、系统及燃料电池。


背景技术：

2.目前的车用燃料电池系统，氢瓶中氢气经过减压阀降压后，由喷射器喷射进入电堆。反应后的剩余氢气及生成物水，经过气水分离器分离后，一部分由氢循环泵重新引入电堆，一部分则直接由排氢阀排出。
3.尽管汽水分离器能截留大部分液态水，但在排氢阀处，仍不可避免会存在少量液态水或水蒸气。在低温(≤0℃)情形下，这部分水便会结冰，导致排氢阀启动受阻，进而影响燃料电池系统的低温启动性能。
4.由于排氢阀多为简单的阀门执行机构，缺少故障传感器，一旦发生冰堵则难以检测。针对排氢阀冰堵问题，专利cn203800126u、cn211829049u提供了不同的融冰方案，在低温情形下主动进行融冰。但这两个方案均没有涉及冰堵检测方法，这一方面，造成每次低温启动均执行排氢阀融冰，额外增加功耗；另一方面，融冰时间较长，也增加了燃料电池系统低温启动时间。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法、装置、系统及燃料电池，能够快速、准确检测排氢阀是否存在冰堵故障。
6.为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法，所述方法包括：
8.步骤s101：控制排氢阀开启；
9.步骤s102：获取电堆氢压力值，在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值，则判定排氢阀无冰堵故障，退出检测，否则，执行步骤s103，其中，所述第一时间段两端电堆氢压力差为所述任一一个时刻的电堆氢压力值与之前间隔第一时间段的时刻的电堆氢压力值的差值绝对值；
10.步骤s103：控制给电堆补氢，然后返回所述步骤s101；
11.所述方法还包括一个步骤s104：计算所述方法运行的总时间，如果所述总时间大于第二时间段，判定排氢阀出现冰堵故障，退出检测，其中，所述第二时间段为所述第一时间段的三十到四十倍。
12.进一步地，所述方法启动时，在所述步骤s101前，还包括:
13.步骤s100：控制排氢阀开启，获取并比较所述大气压力值和电堆氢压力值，若所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量，执行步骤s101，否则，给电堆补氢，继续执行步骤s100。
14.进一步地，所述第一时间段和阈值是通过预先试验获得的数值，获取方法如下：
15.第一步骤：在保证排氢阀无冰堵故障的情况下，给电堆补氢，所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量；
16.第二步骤：控制排氢阀开启，采集所述电堆氢压力值；
17.第三步骤：根据所述电堆氢压力值，获取电堆氢压力值波动范围以及波动持续时间，其中，电堆氢压力值波动范围为最大电堆氢压力值和最小电堆氢压力值的差值，所述电堆氢压力波动持续时间为所述最大电堆氢压力值和最小电堆氢压力值对应的时间间隔。
18.第四步骤：将所述电堆氢压力值波动范围乘以第一容差值获取所述阈值，所述电堆氢压力波动持续时间乘以第二容差值获取所述第一时间段。
19.进一步地，所述电堆氢压力值为电堆氢气入口管路氢压力值或电堆氢气出口管路氢压力值。
20.第二方面，本发明还提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测装置，包括：
21.排气模块：用于控制排氢阀开启；
22.第一判定模块：用于获取电堆氢压力值，在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，当所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值时，则判定排氢阀无冰堵故障，退出检测，否则，运行所述补氢模块，其中，所述第一时间段两端电堆氢压力差为所述任一一个时刻的电堆氢压力值与之前间隔第一时间段的时刻的电堆氢压力值的差值绝对值；
23.补氢模块：用于控制给电堆补氢，然后运行所述排气模块；
24.计时模块，用于计算所述装置运行的总时间，当所述总时间大于第二时间段，判定排氢阀出现冰堵故障，退出检测，其中，所述第二时间段为所述第一时间段的三十到四十倍。
25.进一步地，所述装置启动时，在运行所述排气模块前，还运行：
26.第二判定模块：用于控制排氢阀开启，获取并比较所述大气压力值和电堆氢压力值，当所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量时，运行所述排气模块，否则，给电堆补氢，继续执行第二判定模块。
27.第三方面，本发明还提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测系统，所述燃料电池包括电堆、喷射器和排氢阀，所述喷射器通过管路连通所述电堆氢气入口、用于向所述电堆提供氢气并调节入堆氢气压力，所述排氢阀通过管路连通所述电堆氢气出口、用于排出杂质气体，所述检测系统包括大气压力传感器、氢气压力传感器和燃料电池控制器，其中：
28.所述大气压力传感器设置于所述电堆外部，用于检测大气压力值并发送至所述燃料电池控制器；
29.所述氢气压力传感器设置于所述电堆、电堆氢气入口管路或电堆氢气出口管路上，用于检测电堆氢压力值并发送至所述燃料电池控制器；
30.所述燃料电池控制器分别与所述喷射器、排氢阀、大气压力传感器和氢气压力传感器电连接，用于根据第一方面所提供的方法对所述排氢阀进行冰堵故障检测。
31.第四方面，本发明还提供了一种燃料电池，包括第三方面所述的燃料电池排氢阀冰堵故障检测系统。
32.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
33.1、本发明提供的燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法，通过在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，当所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值时，则判定排氢阀无冰堵故障；同时，为避免误判，在第二时间段内，进行多次补氢检测，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差均小于等于阈值，才判定排氢阀出现冰堵故障，本发明提供的方法能够快速、准确检测排氢阀是否存在冰堵故障。
附图说明
34.图1为本发明实施例一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法流程图。
35.图2为本发明实施例燃料电池结构示意图。
36.图3为排氢阀冰堵故障检测不同情形示意图。
37.图4为本发明实施例一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法另一流程图。
38.图5为本发明实施例第一时间段和阈值获取方法流程图。
39.图6为本发明实施例一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测装置结构框图。
40.图7为本发明实施例一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测装置另一结构框图。
41.图中，1-电堆，2-喷射器，3-循环泵，4-气水分离器，5-排氢阀，6-大气压力传感器， 7-氢气压力传感器，8-燃料电池控制器，9-氢瓶，10-减压阀。
具体实施方式
42.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图予以说明。
43.实施例一
44.如图1所示，一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测方法，所述方法包括：
45.步骤s101：控制排氢阀开启；
46.图2为燃料电池结构示意图，如图所示，燃料电池控制器8控制排氢阀5开启。
47.步骤s102：获取电堆氢压力值，在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值，则判定排氢阀无冰堵故障，退出检测，否则，执行步骤s103，其中，所述第一时间段两端电堆氢压力差为所述任一一个时刻的电堆氢压力值与之前间隔第一时间段的时刻的电堆氢压力值的差值绝对值；
48.电堆氢压力值可以是电堆1氢腔、电堆1氢气入口管路或电堆1氢气出口管路上相应的氢压力值，电堆1氢腔、电堆1氢气入口管路和电堆1氢气出口管路是连通的，进行排氢阀冰堵故障检测时，这三个地方的氢压力值非常接近，从电堆1氢气入口管路或电堆1氢气出口管路上获取氢压力值，不会对电堆1的结构有影响，所以使用电堆氢气入口管路氢压力值或电堆氢气出口管路氢压力值比较方便，本实施例，利用电堆1氢气入口管路氢压力值，氢气压力传感器7设置于电堆1氢气入口管路上(在其它实施例中，如果利用电堆1氢气出口管路氢压力值，将氢气压力传感器7设置于电堆1氢气出口管路上即可)，燃料电池控制器8 实时通过氢气压力传感器7获取所述电堆氢压力值，在排氢阀5开启第一时间段(本实施例为1500ms)后的任一一个时刻，燃料电池控制器8比较第一时间段两端电堆氢压力差，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值(本实施例为5kpa)，则判定排氢阀5无冰堵故
障，退出检测，否则，执行步骤s103，其中，所述第一时间段两端电堆氢压力差为所述任一一个时刻的电堆氢压力值与之前间隔第一时间段的时刻的电堆氢压力值的差值绝对值(例如：在排氢阀5开启1501ms时，比较第1501ms时和第1ms时的电堆氢压力差；在排氢阀5开启 1502ms时，比较第1502ms时和第2ms时的电堆氢压力差等)。压力差小于等于所述阈值，有两种可能，一是排氢阀5发生冰堵故障无法开启；二是电堆1氢腔中氢压压力与大气压相近，即使排氢阀5开启正常，也无法产生大的压力波动。因此，步骤s103是必不可少的，可以避免排氢阀冰堵故障误判。
49.步骤s103：控制给电堆补氢，然后返回所述步骤s101；
50.燃料电池控制器8控制喷射器2给电堆1补氢，补氢时间与补氢目标压力成正比，设置的补氢压力比较小，本实施例为大气压基础上增加10kpa，很快就完成，从而为进行冰堵故障检测提供足够的氢气压力，然后返回所述步骤s101。
51.所述方法还包括一个步骤s104，计算所述方法运行的总时间，如果所述总时间大于第二时间段，判定排氢阀出现冰堵故障，退出检测，其中，所述第二时间段为所述第一时间段的三十到四十倍。
52.所述方法开始运行就启动计时，本实施例，所述第二时间段为60000ms，在60000ms内，如果检测到所述第一时间段两端电堆氢压力差大于所述阈值，则判定排氢阀5无冰堵故障，中止计时，退出检测；如果所述方法运行时间超过60000ms，判定排氢阀出现冰堵故障，也中止计时，退出检测。
53.本发明原理如下：
54.如图3所示，对不同情形下的排氢阀5的冰堵故障检测过程进行描述如下。其中：
55.横坐标表示时间t，纵坐标表示电堆氢压p。
56.△
p为排氢阀5开启第一时间段(本实施例为1500ms)后的任一一个时刻，第一时间段两端电堆氢压力差，有三种情况，分别如下：
57.1、排氢阀5无冰堵故障情形。在排氢阀5开启之后，由于排氢阀5无冰堵故障，电堆氢压会以较大的斜率下降，1500ms后，
△
p1＞阈值，则可判断排氢阀5为正常开启；
58.2、排氢阀5冰堵卡滞一段时间后正常开启。排氢阀5接收到燃料电池控制器8的开启指令后，由于冰堵故障，卡滞一段时间后正常开启。在此情形下，仍然可以检测到
△
p2＞阈值，判断排氢阀5正常开启，但判断时间要稍晚于情形1；
59.3、排氢阀冰堵故障。此时，排氢阀5无法开启或只能部分开启，则氢压下降斜率平缓，虽重复进行补氢再次检测(避免因电堆1氢腔中氢压压力与大气压相近，即使排氢阀5开启正常，也无法产生大的压力波动而引起误判)，在任一1500ms间隔内，
△
p3均≤阈值。最终由于检测时间超时(即检测总时间大于第二时间段60000ms)，判断为排氢阀5冰堵故障。
60.综上所述，本发明通过在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，当所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值时，则判定排氢阀无冰堵故障；同时，为避免误判，在第二时间段内，进行多次补氢检测，如果所述第一时间段两端电堆氢压力差均小于等于阈值，才判定排氢阀出现冰堵故障，本发明提供的方法能够快速而且准确检测排氢阀是否存在冰堵故障。
61.进一步地，如图4所示，所述方法启动时，在所述步骤s101前，还包括：
62.步骤s100：控制排氢阀开启，获取并比较所述大气压力值和电堆氢压力值，若所述
大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量，执行步骤s101，否则，给电堆补氢，继续执行步骤s100。
63.大气压力传感器6设置于电堆1外部，燃料电池控制器8分别通过大气压力传感器6和氢气压力传感器7，获取并比较所述大气压力值和电堆氢压力值，若所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量(本实施例为10kpa)，执行步骤s101，否则，控制喷射器2给电堆1补氢，继续执行步骤s100；
64.步骤100目的在于启动检测流程时，检查电堆1氢腔内压力与大气压的差值，电堆1氢腔、电堆1氢气入口管路和电堆1氢气出口管路是连通的，进行排氢阀冰堵故障检测时，这三个地方的氢压力值非常接近。当燃料电池系统停机时，通常会进行氢腔吹扫，吹扫结束后，维持氢腔压力高于大气压力的状态。所以在下一次启动的时候，若所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值小于等于预设偏移量，氢腔压力与大气压较为接近，则说明
①
停机时间较长，燃料电池系统氢腔内部泄露使得氢腔压力下降；
②
燃料电池系统氢腔密封良好，但空气腔有氧气残留或渗透，与氢腔氢气缓慢反应，消耗氢气，使得氢腔压力下降。在这种情况下氢腔内压力不足以进行冰堵故障检测，需要给电堆1补氢。
65.进一步地，不同的燃料电池系统管路结构差异，流阻不同，为提高检测地准确性，所述第一时间段和阈值是通过预先试验获得的数值，如图5所示，获取方法如下：
66.第一步骤s201：在保证排氢阀无冰堵故障的情况下，给电堆补氢，所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量；
67.第二步骤s202：控制排氢阀开启，采集所述电堆氢压力值；
68.第三步骤s203：根据所述电堆氢压力值，获取电堆氢压力值波动范围以及波动持续时间，其中，电堆氢压力值波动范围为最大电堆氢压力值和最小电堆氢压力值的差值，所述电堆氢压力波动持续时间为所述最大电堆氢压力值和最小电堆氢压力值对应的时间间隔。
69.第四步骤s204：将所述电堆氢压力值波动范围乘以第一容差值获取所述阈值，所述电堆氢压力波动持续时间乘以第二容差值获取所述第一时间段。
70.为了缩短冰堵故障判断时间，对压力差阈值和第一时间段时间间隔做容差处理，本实施例，所述第一容差值为0.6，第二容差值为0.8。
71.实施例二
72.基于实施例一，本发明还提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测装置，如图6所示，包括：
73.排气模块：用于控制排氢阀开启；
74.第一判定模块：用于获取电堆氢压力值，在排氢阀开启第一时间段后的任一一个时刻，比较第一时间段两端电堆氢压力差，当所述第一时间段两端电堆氢压力差大于阈值时，则判定排氢阀无冰堵故障，退出检测，否则，运行补氢模块，其中，所述第一时间段两端电堆氢压力差为所述任一一个时刻的电堆氢压力值与之前间隔第一时间段的时刻的电堆氢压力值的差值绝对值；
75.补氢模块：用于控制给电堆补氢，然后运行所述排气模块；
76.计时模块，用于计算所述装置运行的总时间，当所述总时间大于第二时间段，判定排氢阀出现冰堵故障，退出检测，其中，所述第二时间段为所述第一时间段的三十到四十
倍。
77.所述装置实现原理和技术效果可以进一步参考方法实施例一中的相关描述，在此不再赘述。
78.进一步地，如图7所示，所述装置启动时，在运行所述排气模块前，还运行：
79.第二判定模块：用于控制排氢阀开启，获取并比较所述大气压力值和电堆氢压力值，当所述大气压力值与电堆氢压力值的差值绝对值大于预设偏移量时，运行所述排气模块，否则，给电堆补氢，继续运行第二判定模块；
80.其实现原理和技术效果可以进一步参考方法实施例一中的相关描述，在此不再赘述。
81.实施例三
82.基于实施例一，本发明还提供了一种燃料电池排氢阀冰堵故障检测系统，所述燃料电池包括电堆1、喷射器2和排氢阀5，所述喷射器2通过管路连通所述电堆1氢气入口、用于向所述电堆1提供氢气并调节入堆氢气压力，所述排氢阀5通过管路连通所述电堆1氢气出口、用于排出杂质气体，
83.所述检测系统包括大气压力传感器6、氢气压力传感器7和燃料电池控制器8，其中：
84.所述大气压力传感器6设置于所述电堆1外部，用于检测大气压力值并发送至所述燃料电池控制器8；
85.所述氢气压力传感器7设置于所述电堆1氢腔、电堆1氢气入口管路或电堆1氢气出口管路上，用于检测电堆氢压力值并发送至所述燃料电池控制器8；
86.所述燃料电池控制器8分别与所述喷射器2、排氢阀5、大气压力传感器6和氢气压力传感器7电连接，用于执行施例一中所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果可以进一步参考方法实施例一中的相关描述，在此不再赘述。
87.实施例四
88.基于实施例三，本发明提供了一种燃料电池，包括如实施例三的燃料电池排氢阀冰堵故障检测系统。
89.如图2所示，还包括循环泵3、气水分离器4、氢瓶9和减压阀10。
90.减压阀10通过管路分别与所述氢瓶9和喷射器2连通，喷射器2通过管路连通电堆1氢气入口，氢气压力传感器7设置于所述电堆1氢气入口管路上。
91.所述气水分离器4的入口通过管路连通电堆1氢气出口，其第一出口与循环泵3入口连通，第二出口与排氢阀5连通，循环泵3出口连通于所述喷射器2与电堆1氢气入口的连接管路上。
92.所述电堆1，氢气与氧气反应场所，并产生电能。
93.所述喷射器2，向电堆1提供氢气并调节入堆氢气压力。
94.所述循环泵3，将反应未完全的氢气重新泵入电堆1。
95.所述气水分离器4，分离电堆1氢气出口的氢气及液态水，防止过多的水蒸气重新进入电堆1。
96.排氢阀5，排出杂质气体。
97.氢瓶9，储存及提供氢气。
98.减压阀10，对氢瓶9内的高压氢气进行一级减压。
99.所述燃料电池控制器8除分别与所述大气压力传感器6和氢气压力传感器7电连接、接收传感器信号外，还分别与电堆1、喷射器2、循环泵3、气水分离器4、排氢阀5、氢瓶9 和减压阀10等执行器电连接，控制相应执行器动作。
100.其检测实现原理和技术效果可以进一步参考方法实施例一中的相关描述，在此不再赘述。
101.虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。