CN114976144B - 一种燃料电池管理控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池管理控制方法，包括：获取燃料电池系统中所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；判断所述电压离均差检测值是否超过预设的偏差阈值；当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，根据所述燃料电池系统中所有单电池的电压检测值确定所述燃料电池系统的异常状态类型；根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作。本发明的方法通过电压离均差和系统中所有单电池的电压检测值对系统的异常状态类型进行判断，根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作，避免对不同的异常状态类型统一采取降低输出功率或关闭系统的处理方式，最大程度地保证了燃料电池系统的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池系统检测技术领域，尤其是涉及一种燃料电池管理控制方法。
背景技术
随着质子交换膜燃料电池的兴起，燃料电池系统得到了广泛的应用，燃料电池系统包括电堆、空气系统、氢气系统、冷却系统、电气系统以及相应的控制系统。对燃料电池系统的输出功率进行控制，使燃料电池系统能够稳定地输出用电设备所需要的使用功率成为了重要的研究课题。
燃料电池系统一般由较多个电池组成，当系统对外输出功率时，可能由于某些因素造成某个或者多个电池的电压出现异常(一般是电压下降)。现有技术中，当燃料电池系统检测到电压异常时，大多数情况下是采取统一执行降低系统输出功率或者切断输出功率的方法，以此来保护电堆。但这种控制方式大大降低了燃料电池系统的稳定性，也会直接影响其他系统的状态，造成不必要的损失。此外，当燃料电池处于频繁启停的状态，最终会减少燃料电池的使用寿命，降低燃料电池系统的可靠性。
因此，需要提供一种燃料电池管理控制方法，使燃料电池系统在检测到电压异常情况下，能够根据不同的异常状况采取相应的控制措施，避免系统的输出功率发生突变，提高系统运行的稳定性。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种燃料电池管理控制方法，用以解决现有技术中当燃料电池系统出现电压异常时，没有对异常情况进行分析并针对不同的异常情况采取对应的控制措施，仅通过降低或切断系统功率输出的方法对系统进行控制，造成系统稳定性差、燃料电池使用寿命减少的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池管理控制方法，应用于质子交换膜燃料电池系统，包括：
获取燃料电池系统中所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；
判断所述电压离均差检测值是否超过预设的偏差阈值；
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，根据所述燃料电池系统中所有单电池的电压检测值确定所述燃料电池系统的异常状态类型；
根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作。
进一步的，所述异常状态类型包括：单电池异常、相邻电池差异、多电池异常、分散电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中单个电池的电压降低时，确定所述异常状态类型为单电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中相邻电池的电压为一高一低时，确定所述异常状态类型为相邻电池差异；
当检测到所述燃料电池系统中有多个相邻电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为多电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中有多个分散的电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为分散电池异常。
进一步的，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，包括：当所述异常状态类型为单电池异常时，判断所述电压降低的单电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中气体的温湿度进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆中间部位时，对所述燃料电池系统中氢气路的脉冲排气时间和空气路的压力进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆尾端时，对所述燃料电池系统的燃料供给压力进行调节。
进一步的，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为相邻电池差异时，计算所述电压出现一高一低的相邻电池的相邻电池平均电压值；
计算燃料电池系统中所有电池的整体平均电压值；
判断所述相邻电池平均电压值与所述整体平均电压值的电压差值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压差值小于所述预设的偏差阈值时，发送检测异常警告信息。
进一步的，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为多电池异常时，判断多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作；
当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作。
进一步的，当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作，包括：
将所述燃料电池系统中氢气路的排水阀开通时间设置到上限值；
当所述燃料电池系统的排水次数超过预设的排水数量时，检测所述燃料电池系统的电压离均差，得到电压离均差重测值，并判断所述电压离均差重测值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压离均差重测值大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
进一步的，当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作，包括：
降低所述燃料电池系统的输出功率；
检测所述燃料电池系统的电池电压离均差，得到降功率电压离均差；
判断所述降功率电压离均差是否大于预设的偏差阈值，当所述降功率电压离均差大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
进一步的，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为分散电池异常时，切断所述燃料电池系统的对外输出。
进一步的，所述方法还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否达到预设的限制功率条件；
当所述燃料电池系统达到预设的限制功率条件时，按照预设的功率减小速率减小所述燃料电池系统的对外输出功率。
进一步的，所述方法还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否检测到负电压；
当所述燃料电池系统检测到负电压时，立即中断所述燃料电池系统的对外输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，获取所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；其次，判断电压离均差检测值是否超过了预设的偏差阈值；当电压离均差检测值超过偏差阈值时，根据单电池的电压检测值确定燃料电池系统的异常状态类型；最后，根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作。本发明的方法通过电压离均差和系统中所有单电池的电压检测值对系统的异常状态类型进行判断，并根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作，避免对不同的异常状态类型统一采取降低输出功率或关闭系统的处理方式，最大程度地保证了燃料电池系统的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池系统的电压检测原理一实施例的示意图；
图2为本发明提供的水冷型燃料电池系统一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的燃料电池管理控制方法一实施例的流程示意图；
图4为本发明提供的系统异常状态判断一实施例的流程示意图；
图5为本发明提供的单电池异常情况一实施例的控制流程示意图；
图6为本发明提供的单电池位于气体流入侧时的控制方法一实施例的流程示意图；
图7为本发明提供的单电池位于电堆中间部位时的控制方法一实施例的流程示意图；
图8为本发明提供的单电池位于电堆尾部时的控制方法一实施例的流程示意图；
图9为本发明提供的多电池异常的控制方法一实施例的流程示意图；
图10为本发明提供的分散电池异常的控制方法一实施例的流程示意图；
图11为本发明提供的限功率模式的控制方法一实施例的流程示意图；
图12为本发明提供的故障停机的控制方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在实施例描述之前，先结合图1对现有技术中目前大部分燃料电池系统的电压检测原理进行说明。
如图1所示，燃料电池电堆(FC)一般是由多个单电池(cell)在电路上进行串联组装而成，每一个电池的正极与下一个电池的负极直接相连。燃料电池的电压检测模块(简称CVM)一般是对单个电池或者多个电池进行电压检测，检测的基准均是以前一个电池的高电位电压为此电池的低电位电压基准(以单电池检测为例，比如C1～Cn的电压均为0.8V，那么V1检测的电压即为0.8V，C1与C2之间的电势相对于电势零点为0.8V，V2检测的电压也为0.8V，C2与C3之间的电势相对于电势零点为1.6V，后面的依次增加)。
从上述的检测原理可以看出，当燃料电池系统和CVM因为电堆和CVM测量芯片中的某一个接触点的异常(比如接触不良、松动、采样电阻失效等)时，会出现电压一高一低的情况。例如：当V2或V3与电堆连接的部位出现接触不良的现象时，会导致V1测量值为0.8V，V2测量值为0.6V，V3测量值为1.0V，但实际上电堆本身的电压都是正常的0.8V。中间V2缺少的0.2V通过某个接触不良形成的接触电阻R，增加到V3测量的电压范围内，导致V3上升了0.2V。
除了上述影响测量结果的情况之外，在燃料电池系统正常运行过程中，还可能因为系统控制或者其他原因导致CVM检测到电堆电压出现异常，一般均表现为电压降低。现有的燃料电池系统当出现了电池电压下降时的处理方法通常是直接减小系统输出功率，或者达到某个预设的阈值后就直接关闭系统，但这样的控制方法存在一定的盲目性，没有根据不同的电压异常状态采取不同的处理机制，使得燃料电池系统运行的稳定性难以保证。
为了提高系统的稳定性，避免在出现电压异常情况下统一采取减小输出功率或关闭系统的控制方法，本发明针对不同的电池异常状态进行了区分，对于不同的电池异常状态采取相应的控制措施，最大程度地保证燃料电池系统的可靠性和稳定性。
为了更好地对控制方法进行描述，首先对相关术语进行解释：
电压离均差：假设电堆由N个电池组成，检测到总电压加起来是V_all，那么电堆平均每个电池的电压V_agv＝V_all/N。那么电压离均差就是电堆每个电池的电压与平均值的差距，即V_e＝|V_电池-V_agv|。电压离均差能够体现电堆整体性能的变化，对诊断电堆性能有重要意义。
在本发明的控制方法中，根据电压离均差和每个单电池的电压检测值，对燃料电池系统的异常情况进行了分类，针对不同的异常情况采取对应的控制措施。
为了更直观地展示本发明实施例的控制方法，可参见图2，图2是一水冷型燃料电池系统的结构示意图，包含但不限于以下零部件：
氢气路：进气截止阀、调压器(或者喷射器)、泄压阀、进口温度检测、进口压力检测、氢气循环泵(或者引射器)、分水器、排水阀、排气阀、出口温度检测、出口压力检测以及相连的管路与接头；
空气路：空气过滤器、流量计、空压机、中冷器、进气截止阀、旁路阀、加湿器、背压阀、消音器、单向阀、进口温度检测、进口压力检测、出口温度检测、出口压力检测以及相连的管路和接头；
电压检测模块CVM、电堆以及其舱体和紧固件。
需要说明的是，除了图2所示的水冷型燃料电池系统之外，本发明的方法适用于任意质子交换膜燃料电池系统，包括任何能受控制的燃料电池热管理系统、任何能受控制的水冷型燃料电池系统等。
本发明实施例提供了一种燃料电池管理控制方法，应用于质子交换膜燃料电池系统，图3为本发明提供的燃料电池管理控制方法一实施例的流程示意图，包括：
步骤S101：获取燃料电池系统中所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；
步骤S102：判断所述电压离均差检测值是否超过预设的偏差阈值；
步骤S103：当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，根据所述燃料电池系统中所有单电池的电压检测值确定所述燃料电池系统的异常状态类型；
步骤S104：根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作。
本实施例提供的燃料电池管理控制方法，首先，获取所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；其次，判断电压离均差检测值是否超过了预设的偏差阈值；当电压离均差检测值超过偏差阈值时，根据单电池的电压检测值确定燃料电池系统的异常状态类型；最后，根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作。本发明的方法通过电压离均差和系统中所有单电池的电压检测值对系统的异常状态类型进行判断，并根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作，避免对不同的异常状态类型统一采取降低输出功率或关闭系统的处理方式，最大程度地保证了燃料电池系统的可靠性和稳定性。
根据燃料电池系统中常见的故障类型，本发明的实施例将系统出现电压异常的情况分为四种类型。
在本实施例中，预设的偏差阈值是基于电压而定，一般可以根据经验而定，或者采用线性分析、神经网络训练学习而得，在具体的实施例中，单个电池的电压一般为0.6-1.0V，预设的偏差阈值范围一般为10mV-30mV。
作为优选的实施例，在步骤S103中，所述异常状态类型包括：单电池异常、相邻电池差异、多电池异常、分散电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中单个电池的电压降低时，确定所述异常状态类型为单电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中相邻电池的电压为一高一低时，确定所述异常状态类型为相邻电池差异；
当检测到所述燃料电池系统中有多个相邻电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为多电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中有多个分散的电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为分散电池异常。
除了上述的四种异常状态类型之外，不排除在某些极为特殊的情况，如：系统的电压离均差突然大幅增加，或电堆电压为负数。例如：在步骤S102中预设的偏差阈值为20mV，但系统的电压离均差检测值达到了200mV甚至更高，或某个电池的电压低于正常电压的一半，这些情况都说明此时燃料电池系统可能存在较大的故障，需要立即对系统的输出功率进行限制。
作为优选的实施例，所述方法还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否达到预设的限制功率条件；
当所述燃料电池系统达到预设的限制功率条件时，按照预设的功率减小速率减小所述燃料电池系统的对外输出功率。
作为优选的实施例，所述方法还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否检测到负电压；
当所述燃料电池系统检测到负电压时，立即中断所述燃料电池系统的对外输出。
为了对上述流程进行说明，如图4所示，图4为系统异常状态判断过程的流程图。其中，作为优选的实施例，单个电池的电压为0.8V，预设的偏差阈值为20mV。
作为一个具体的实施例，所述预设的限制功率条件包括：系统的电压离均差检测值远大于预设的偏差阈值，或单个电池的电压远小于其工作电压等等。
下面对上述的四种异常状态类型对应的处理方式进行详细介绍。
作为优选的实施例，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，包括：当所述异常状态类型为单电池异常时，判断所述电压降低的单电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中气体的温湿度进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆中间部位时，对所述燃料电池系统中氢气路的脉冲排气时间和空气路的压力进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆尾端时，对所述燃料电池系统的燃料供给压力进行调节。
结合图5-图8对上述的技术方案进行说明。如图5所示，当所述异常状态类型为单电池异常时，首先对所述电压降低的单电池在所述燃料电池系统中的位置进行鉴别。单电池在燃料电池系统中的位置分为三种情况：气体流入侧、电堆中间部位和电堆尾端。
(1)当单点电池位于气体流入侧时，电池电压降低的原因多为由于该位置的环境温度降低，电池中催化剂的催化性能下降而导致。这是由于进入燃料电池系统的氢气和空气(或氧气)在气体流入测的温度是最低的(燃料电池反应是放热反应，从电堆内部出去的气体是经过了加温和增湿的，温度较高)；同时，电堆的首尾两端是与外界接触面最大的部分，环境带来的散热效果也是最好的，会进一步降低气体流入侧电池中催化剂的温度。
对于气体流入侧单电池电压降低情况的调节措施主要是通过调节进入电堆内的气体的温湿度，来提高催化剂的环境温度，具体的调节步骤如图6所示，包括：
步骤S601：按照(1％开度/10S)的增量增加加湿回路截止阀开度，同时按照(1％开度/10S)的增量减小旁通阀的开度；
步骤S602：按照(1％额定转速/10S)的增量增加循环泵转速；
步骤S603：检测截止阀&旁路阀以及循环泵的开度或者转速上限，基于图2的系统，截止阀&旁路阀开度上限设置为20％，循环泵转速增加上限设置为10％(不同的燃料电池系统，零部件调节上限需要标定后确认)；如果达到上限则进入步骤S606；如果没有到达上限，进入步骤S604；
步骤S604：检测电堆出口氢气和空气(氧气)的温度是否达到上限，基于图2的系统，温度上限设定为85℃(不同的燃料电池系统，温度上限也不一定相同)；如果达到上限，则进入步骤S610；如果没有达到上限则进入步骤S605；
步骤S605：等待5min后，再进行检测；
步骤S606：检测电堆的电压离均差值是否小于20mV(设定的偏差阈值)，如果减小则进入步骤S607；如果没有减小进入步骤S609；
步骤S607：将截止阀、旁路阀、循环泵转速调整至稳定运行状态时的参数，使系统正常运行；
步骤S608：将零部件参数恢复到系统正常运行时状态后，再次检测电压离均差，判断此时的离均差是否小于20mV(设定的偏差阈值)；若离均差小于20mV，则结束此次调节；若离均检测离均差不小于20mV时，则代表参数调节失效，重新进入步骤S601，开始新一轮参数调节；
步骤S609：系统进入限功率模式，减小输出功率，结束流程；
步骤S610：触发故障保护，立即关闭系统。此时，电堆出口氢气和空气(氧气)的温度达到上限温度，并保持上升趋势，将触发故障保护机制，结束流程。
(2)当单点电池位于电堆中间部位时，电压降低原因一般是由于电堆内部该电池的气体流道出现局部水淹，导致氢气或者空气(或氧气)供给不足，造成电压下降。
此时，通过调节氢气路的脉冲排气时间以及空气路的压力，将水淹部位的液态水慢慢带出到电堆的出口，使电压恢复正常，如图7所示，具体操作步骤如下：
步骤S701：增加排水阀开通时间(100ms/10S)，减小排水阀关闭时间(1S/10S)，
步骤S702：增加排气阀开通时间(100ms/10S)，减小排气阀关闭时间(1S/10S)；
步骤S703：调节背压阀开度，增加空气路压力(增量为1kPa/10S)，持续一段时间(1min)后，调节背压阀开度，使空气压力恢复到正常值,一段时间(1min)后，再次增加空气路压力，如此循环；
步骤S704：检测排气阀是否调节达到上限，基于图2的系统，排气的上限是300mS(开启)/12S(关闭)；若未达到上限，进入步骤S705；若达到上限，进入步骤S706；
步骤S705：检测排水阀是否调节达到上限(排气和排水的调节上限根据系统功率会有所区别，基于图2的系统，给出的额定工况条件下的排水上限时间是500mS(开启)/8(关闭))；若未达到上限，进入步骤S707；若达到上限，进入步骤S706；
步骤S706：检测氢气路波动是否达到上限(基于图2的系统，允许的氢气波动范围是±20kPa)，如果未达到，进入步骤S708；如果达到，进入步骤S712；
步骤S707：延时5min后，检测电堆的离均差；
步骤S708：检测电堆的电压离均差，判断离均差检测值是否<20mV(设定的偏差阈值)；如果果满足，则认为系统已经将水淹部分的液态水排出，此时需要将系统恢复到正常运行的状态，进入步骤S709；如果没有减小进入步骤S710；
步骤S709：将系通的排水阀&排水阀和背压阀调整至稳定运行时的状态，系统恢复到正常状态；
步骤S710：减小输出功率，进入限功率输出模式，结束流程；
步骤S711：系统正常运行后，再次检测电压离均差值，当离均差小于20mV，则认为系统的此次调节成功，结束流程；如果离均差再次变大，超过20mV，则说明系统需要再次进行调节，返回步骤S701；
步骤S712：说明氢气波动较大，系统直接进入故障保护，结束流程。
(3)当单点电池位于电堆尾部时，电压降低的原因一般是由于燃料(氢气和空气)供给不足。由于燃料电池电堆内部流场错综复杂，为了使燃料与催化剂充分接触，流道的流阻会有一定程度的增加，但这样也就造成了在电堆远离燃料进口的电池，有可能出现因为燃料无法充分达到催化剂上，引起电池电压降低。
当出现以上现象时，通过增加燃料供给的压力，保证燃料与催化剂和充足接触，达到恢复电堆性能的目的，如图8所示，具体操作步骤如下：
步骤S801：调节空气路背压阀开度，目标控制量为空气路出口压力，空气路出口的压力值按照(1kPa/10S)递增；
步骤S802：根据空气路进口压力的变化，同步提升氢气路进口压力，使两路的压力差维持在设定值附近(基于已有系统，需要保持氢气路压力高于空气路压力20kPa左右，当然不同的燃料电池系统，压力差值是不同)；
步骤S803：检测空气路出口的压力增量，若压力增量小于10kPa，则进入步骤S804；若空气路出口的压力增量不小于10kPa，则进入步骤S806；
步骤S804：检测电堆的电压离均差是否减小；如果减小，进入步骤S805，如果没有减小，则进入步骤S801；
步骤S805：系统延时5min后再对电压离均差进行检测；
步骤S806：判断电堆的电压离均差是否小于20mV(设定的偏差阈值)，如果满足，则进入步骤S808；如果不满足，则进入步骤S807；
步骤S807：说明此次调节失败，系统进入限功率模式，结束流程；
步骤S808：维持此时的氢气进口压力和空气出口压力，此次调节完成。
以上对单电池异常的状态类型进行了说明，下面对相邻电池差异的异常状态类型的控制方法进行说明。
作为优选的实施例，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为相邻电池差异时，计算所述电压出现一高一低的相邻电池的相邻电池平均电压值；
计算燃料电池系统中所有电池的整体平均电压值；
判断所述相邻电池平均电压值与所述整体平均电压值的电压差值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压差值小于所述预设的偏差阈值时，发送检测异常警告信息。
作为一个具体的实施例，当系统检测到相邻电池的电压出现一高一低的现象时，首先需要先确认系统所使用的电堆电压检测原理是否是串联式的电压检测方法。
若CVM采取的并非串联式电压检测，则直接记录电压较低的电池，并转入到单电池异常状态的控制方法。
若CVM采取的串联式电压检测原理(即第一个电池的正极作为第二个电池的负极进行电压检测)，则需要计算相邻的异常电池电压总和与电堆每个电池平均电压的差值；具体为：
如果计算出来的差值不小于20mV，直接记录电压较低的电池，并转入到单电池异常状态的控制方法；
如果计算出来的差值小于20mV，则说明此次电压异常有可能是CVM检测部分异常引起；当确定此次电压异常是CVM检测部分异常引起时，系统不需要调整特定参数，只需要触发CVM检测异常的警告即可。
接下来对第三种异常状态类型，即：多电池异常的情况进行说明。
作为优选的实施例，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为多电池异常时，判断多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作；
当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作。
作为优选的实施例，当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作，包括：
将所述燃料电池系统中氢气路的排水阀开通时间设置到上限值；
当所述燃料电池系统的排水次数超过预设的排水数量时，检测所述燃料电池系统的电压离均差，得到电压离均差重测值，并判断所述电压离均差重测值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压离均差重测值大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
作为优选的实施例，当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作，包括：
降低所述燃料电池系统的输出功率；
检测所述燃料电池系统的电池电压离均差，得到降功率电压离均差；
判断所述降功率电压离均差是否大于预设的偏差阈值，当所述降功率电压离均差大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
下面结合图9对多电池异常的控制方法进行详细说明。如图9所示，当出现多电池异常的状况时，首先要判定出现电压低的多个相邻电池所在的位置，对气体流入侧和非气体流入侧两种情况分别进行分析。
(1)当在气体流入测出现多个电池电压下降，这种现象一般是因为分水器突然之间接受大量液态水(比如电堆内部的残留液态水在某个合适的压力和温度以及车辆振动条件下发生聚集)，无法及时排出，从而在循环泵作用下进入到电堆氢气入口侧，导致气体流入测多个电池水淹，造成电压下降。这种情况下，处理方式如下：
第一步：设定排水阀开通时间到排水上限(基于现有系统，给出的额定工况条件下的排水上限时间是500mS(开启)/8(关闭))，将电堆内部氢气路的液态水大量排出系统；
第二步：检测排水次数(基于现有系统，给出的排水次数是3次)，若小于设定次数，则继续排水。若大于设定次数则开始检测电堆离均差；
第三步：若排完水后离均差不小于20mV(设定的偏差阈值)，则系统直接进入故障保护模式。若排完水后离均差小于20mV，则将排水时间调整到正常运行工况。
(2)当电堆出现非气体流入测的多个电池电压下降，一般都意味着电堆可能出现故障。此时，需要一个初步的排除方法，具体如下：
第一步：减小系统输出功率至需求功率的一半；
第二步：检测电堆的离均差，若离均差不小于20mV，系统直接进入故障保护模式。若离均差小于20mV，则说明当前功率下系统的状态出现异常，系统进入限功率模式。
最后，对于分散电池异常状况的控制方法进行介绍。
作为优选的实施例，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为分散电池异常时，切断所述燃料电池系统的对外输出。
作为一个具体的实施例，当系统检测到电堆有多个分散的电池电压下降时，一般是由于电堆的性能出现下降所导致，此时需要对电堆进行性能恢复，如图10所示，具体操作如下：
第一步：系统停止对外输出，并告知用电设备，燃料电池系统需要进入性能恢复模式；
第二步：确定用电设备是否允许燃料电池系统进行状态恢复，若不允许，则系统进入限功率模式。若允许，则燃料电池系统开始电堆性能恢复；
第三步：燃料电池系统输出电流按照以下方式循环加载：电流降至0A，等待12S，电流加载至额定电流值(比如400A)持续5S，然后电流将至0A，如此循环，总计运行1h后，再按照系统需求功率对外输出；
第四步：当性能恢复结束后，燃料电池系统按照系统需求对外输出，同时检测电堆的离均差；
第五步：若离均差小于20mV，则此次调节完成。若离均差不小于20mV，则进行电压异常模式的判定；若判定进入前述的三种异常状况，则根据异常状况进行对应的控制操作。若判定仍为分散电池异常的状态，则系统直接触发故障，进入故障保护。
作为一个具体的实施例，当燃料电池系统因为各种原因导致调节失败时，系统进入限功率模式。如图11所示，限功率模式的具体处理流程如下：
第一步：系统按照1kW/10s的增量，逐渐减小对外输出；
第二步：检测电堆离均差，若离均差不小于20mV，继续执行步骤1；
第三步：若离均差小于20mV，判定系统此时的输出功率是否大于怠速工况的输出功率；
第四步：若系统此时的输出功率不大于怠速工况，则系统直接触发故障，进入故障保护；
第五步：若系统此时的输出功率是不大于怠速工况的输出功率，则系统按照当前功率进行对外输出，并触发限功率报警。
作为一个具体的实施例，当系统因为各种原因导致故障保护时，系统进入故障停机模式。故障停机的具体执行步骤如图12所示，根据故障原因的不同进行分类，对不同类别的故障原因进行对应的控制操作，具体分为以下三种情况：
(1)系统检测到负电压：
当系统检测到负电压时，说明燃料电池电堆已出现损坏，此时应该立即中断电堆输出，并快速进行停机，其具体步骤如下：
第一步：立即断开负载，停止对外输出；
第二步：停止空气路气体供给，同时氢气路压力保持比空气路高25kPa左右，热管理系统按照停机时设定的温度，控制其相关部件给系统进行散热；
第三步：等到空气流量降到零，关闭空气路所有阀门；
第四步：氢气路进行快速排气吹扫；
第五步：关闭氢气路，当热管理系统完成降温后，等待系统下电。
(2)过温故障&压力波动&过压故障&离均差较大，参数调节失败：
当系统因为过温故障&压力波动&过压故障&离均差较大，参数调节失败造成故障保护时，应循序渐进的进行停机工作，具体流程如下：
第一步：逐渐减小系统对外输出至怠速功率；
第二步：空气路按照设定流量对加湿流道进行吹扫；
第三步：氢气路按照设定压力对流道进行定期排气和排水；
第四步：吹扫完毕后，关闭空压机，然后依次关闭进气截止阀、旁路阀和背压阀，同时保证氢气路通入氢气，此时对电堆进行放电操作；
第五步：当电堆平均单电池的电压下降到0.2V(正常电压为0.8V)以下时，氢气路按照设定压力对流道再次进行定期排气和排水，热管理系统按照停机时设定的温度，控制其相关部件给系统进行散热；
第六步：关闭氢气路，当热管理系统完成降温后，等待系统下电。
(3)限功率至怠速工况：
当系统因为限功率至怠速工况引起故障保护时，其故障处理流程参照过温故障&压力波动&过压故障&离均差较大，参数调节失败的第二-六步即可。
本实施例所述的对燃料电池电压异常的分析是根据实际测试和实际验证手段得到的，对燃料电池系统的管理和控制具有很好的指导作用，具有较强的实用性。
本发明提供的一种燃料电池管理控制方法，首先，获取所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；其次，判断电压离均差检测值是否超过了预设的偏差阈值；当电压离均差检测值超过偏差阈值时，根据单电池的电压检测值确定燃料电池系统的异常状态类型；最后，根据不同的异常状态类型执行相应的电池管理控制操作。
本发明的方法详细介绍了燃料电池系统运行过程中出现电池电压异常时的处理机制，对不同的电池电压异常状态进行了区分，使用不同的控制措施抑制电池电压的异常，以保证系统的稳定运行。本发明具有较好的通用性，适用于燃料电池运行时的各个工况，包含但不限于其怠速工况、额定工况、极限工况、加减载过程等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池管理控制方法，应用于质子交换膜燃料电池系统，其特征在于，包括：
获取燃料电池系统中所有单电池的电压检测值和电压离均差检测值；
判断所述电压离均差检测值是否超过预设的偏差阈值；
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，根据所述燃料电池系统中所有单电池的电压检测值确定所述燃料电池系统的异常状态类型；
根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，所述异常状态类型包括：单电池异常、相邻电池差异、多电池异常、分散电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中单个电池的电压降低时，确定所述异常状态类型为单电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中相邻电池的电压为一高一低时，确定所述异常状态类型为相邻电池差异；
当检测到所述燃料电池系统中有多个相邻电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为多电池异常；
当检测到所述燃料电池系统中有多个分散的电池的电压下降时，确定所述异常状态类型为分散电池异常，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，包括：
当所述异常状态类型为单电池异常时，判断所述电压降低的单电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中气体的温湿度进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆中间部位时，对所述燃料电池系统中氢气路的脉冲排气时间和空气路的压力进行调节；
当所述电压降低的单电池位于所述燃料电池系统的电堆尾端时，对所述燃料电池系统的燃料供给压力进行调节。
2.根据权利要求1所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为相邻电池差异时，计算所述电压出现一高一低的相邻电池的相邻电池平均电压值；
计算燃料电池系统中所有电池的整体平均电压值；
判断所述相邻电池平均电压值与所述整体平均电压值的电压差值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压差值小于所述预设的偏差阈值时，发送检测异常警告信息。
3.根据权利要求1所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为多电池异常时，判断多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的位置；
当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作；
当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作。
4.根据权利要求3所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，当所述多个所述电压下降的相邻电池在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统中的氢气路进行排水调节操作，包括：
将所述燃料电池系统中氢气路的排水阀开通时间设置到上限值；
当所述燃料电池系统的排水次数超过预设的排水数量时，检测所述燃料电池系统的电压离均差，得到电压离均差重测值，并判断所述电压离均差重测值是否大于预设的偏差阈值；
当所述电压离均差重测值大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
5.根据权利要求3所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，当所述多个所述电压下降的相邻电池不在所述燃料电池系统中的气体流入侧时，对所述燃料电池系统进行功率调节操作，包括：
降低所述燃料电池系统的输出功率；
检测所述燃料电池系统的电池电压离均差，得到降功率电压离均差；
判断所述降功率电压离均差是否大于预设的偏差阈值，当所述降功率电压离均差大于预设的偏差阈值时，将所述燃料电池系统设置为故障保护模式。
6.根据权利要求1所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，根据所述异常状态类型，执行与所述异常状态类型对应的电池管理控制操作，还包括：
当所述异常状态类型为分散电池异常时，切断所述燃料电池系统的对外输出。
7.根据权利要求1所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否达到预设的限制功率条件；
当所述燃料电池系统达到预设的限制功率条件时，按照预设的功率减小速率减小所述燃料电池系统的对外输出功率。
8.根据权利要求1所述的燃料电池管理控制方法，其特征在于，还包括：
当所述电压离均差检测值超过预设的偏差阈值时，判断所述燃料电池系统是否检测到负电压；
当所述燃料电池系统检测到负电压时，立即中断所述燃料电池系统的对外输出。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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