在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法和装置

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法和装置。

背景技术

车载燃料电池的操作条件十分复杂。其内部的水来源于燃料电池工作时自己产生的水和外部增湿带来的水分。燃料电池内部的湿度控制十分重要，湿度过高会导致水淹，湿度过低会导致过干，两者都会导致燃料电池性能的下降和寿命的减少。因此对燃料电池内湿度的检测非常重要。目前关于燃料电池电堆内湿度的相关检测或估算手段主要为使用植入传感器和使用电压对电堆湿度状态进行估测。

例如，专利号为CN201811125975的专利公布了一种燃料电池内部温湿度监测装置，通过采用一体式温湿度传感器嵌入板体中，实现对燃料电池内部任意位置的温湿度同时检测，通过该专利的方法，可以监测单个燃料电池上各个位置上的湿度情况。然而，该方法采用一体式温湿度传感器实现对燃料电池内部任意位置的温湿度同时检测，该方法要求向双极板中嵌入传感器，通常车载的燃料电池电堆中的金属双极板厚度约为1mm，嵌入传感器会大幅增加双极板的厚度，厚度增加后，会大幅增加同功率下的电堆尺寸，降低电堆的功率密度。另外，由于需要监测整个电堆的湿度状况，湿度传感器需要被嵌入到每一个单燃料电池中。一个车载燃料电池电堆通常由数百个单燃料电池组装而成，嵌入传感器将导致燃料电池电堆成本的大幅增加，不适合量产。

再如，专利号为CN200780002930的专利公布了一种燃料电池系统，如图1 所示，该专利提出了一种可测量燃料电池湿度状态的系统。该系统具有：调节燃料电池堆(1)的氧化剂气体的流量的氧化剂气体流量调节器(5)以及确定燃料电池堆(1)的湿度状态的控制器(10)。所述控制器(10)具有：计算平均电池电压的平均电池电压计算器(13)，计算最小电池值的最小电池电压计算器(14)，计算平均电池电压与最小电池电压之间的电压差的电压差计算器 (15)，以及比较绝对电压差与预设值的电压比较器(16)。基于绝对电压差与预设值之间的比较，改变氧化剂气体的流量，然后基于绝对电压差的改变，确定燃料电池堆(1)中的湿度状态。图2展示了该专利的一个实施例。首先，由于燃料电池湿度状态会对燃料电池电堆平均电压与最小电池电压差有影响，燃料电池电堆的湿度状态可以通过电池电压状态和温度等参数来进行表征。该专利通过计算实验标定来设定电堆中最小电池电压和平均电池电压的绝对电压差的第一、二、三、四预设值和预设温度。通过车载燃料电池电堆通常搭载的电压检测装置，可以得到电堆中最小电池电压和平均电池电压的绝对电压差 (s201-s203)。如果绝对电压差小于第一预设值，则认为湿度正常，保持氧化剂气体的流量并继续运行(s204-s205)。如果绝对电压差大于第一预设值，则判断燃料电池温度是否大于等于预设温度；若大于，则降低氧化剂气体的流量，并进入是过湿还是不够湿的判断；若绝对电压差小于第三预设值，则为不够湿 (s209-s210)；如果绝对电压大于等于第三预设值时，小于第四预设值则认为为过湿，大于等于第四预设值则认为为缺氧(s209-s213)。如果燃料电池温度小于预设温度，则首先增加氧化剂气体的流量，然后判断绝对电压差是否大于等于第二预设值，如果是，则判断燃料电池电堆不够湿，如果小于，则确定燃料电池电堆过湿或有缺氧现象。

该方案使用燃料电池电堆最小单节电压与平均电压的差值来对比预设值，从而进行电堆湿度的估计。因为非常依赖燃料电池电堆本身各片电压具有很好的一致性，这种方法有较大的局限性：1)当燃料电池使用时长增加后，燃料电池电堆本身电压一致性降低，这会导致该方法原有的预设值失效，从而导致无法使用。2)当燃料电池电堆本身电压一致性较差时，该方法无法适用。3)由于缺氧和过湿都可能导致电压下降，该方法不能完全区分电堆是处于过湿和还是缺氧状态。4)忽略了除湿度外影响电压的情况，适用有限场景的应用。

因此，有必要提供一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法和装置，可不改装电堆的条件下实现在线湿度监测，减少了成本，提升了稳定性，提高了性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法，所述在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法包括：预标定，标定正常湿度下燃料电池电堆的电阻上限R

进一步地，“标定正常湿度下燃料电池电堆的电阻上限R

进一步地，“监测电堆湿度与电堆电阻，每一个湿度P均对应一个电阻范围 R

进一步地，“通过电流中断法测得各湿度下燃料电池电堆的电阻”的方法为：使用DCDC控制燃料电池电堆对外输出的通断，测量并采集燃料电池电堆的输出电压和输出电流，测得电流中断前输出电流为I

进一步地，在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法还包括步骤“与燃料电池系统进行匹配”：燃料电池电堆对外输出中断的时间与电池电压监测CVM的信号发送时间相错开。

进一步地，与燃料电池系统进行匹配的步骤具体包括：燃料电池电堆对外输出中断的周期、相位和频率均与电池电压监测CVM的信号发送的周期、相位和频率进行匹配，燃料电池电堆对外输出中断的时间为电池电压监测CVM的信号发送的空闲时间，燃料电池电堆对外输出中断的相位A与电池电压监测CVM 的信号发送的相位B错开，燃料电池电堆对外输出中断的周期T

进一步地，燃料电池电堆对外输出的通断通过断开-连接一继电器实现。

本发明还提供一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的装置，所述在线监测车载燃料电池电堆湿度的装置包括：控制单元，所述控制单元具有一存储单元，所述存储单元存储有“正常湿度下燃料电池电堆的电阻上限R

进一步地，“正常湿度下燃料电池电堆的电阻上限R

进一步地，“每一个湿度P对应的电阻范围R

与现有技术相比，本发明可以在以下几个方面带来好处：1)本发明可以在燃料电池工作时进行监测，即在线监测。2)本发明可以在不对车载燃料电池系统添加任何部件或对电堆进行改装的情况下进行燃料电池的湿度监测，大大减少了成本。3)配合本方法对燃料电池电堆湿度的监测，能够避免燃料电池工作在过干或过湿的状态，缓解因各种外界条件改变而带来的燃料电池湿度的波动，大大提升燃料电池工作时的稳定性和燃料电池的性能。

附图说明

图1为现有技术的可测量燃料电池湿度状态的系统的结构示意图。

图2为现有技术的可测量燃料电池湿度状态的系统的流程示意图。

图3为本发明由燃料电池电堆电阻表征电堆湿度状态的原理示意图。

图4为本发明使用第一种方法预标定的示意图。

图5为本发明使用第二种方法预标定的示意图。

图6为本发明电流中断法的原理示意图。

图7为本发明燃料电池系统的结构示意图。

图8为本发明燃料电池系统与CVM信号发送周期、相位和频率匹配的示意图。

图9为本发明使用第一种方法预标定的流程图。

图10为本发明使用第一种方法监测燃料电池电堆湿度的流程图。

图11为本发明使用第二种方法预标定的流程图。

图12为本发明使用第二种方法监测燃料电池电堆湿度的流程图。

具体实施方式

本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4 和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。

在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，但是优选是顺序进行的。

本发明提供一种在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法，可不改装燃料电池电堆的条件下实现在线湿度监测，减少了成本，提升了稳定性，提高了性能。

由燃料电池电堆电阻表征电堆湿度状态的原理：燃料电池电堆的内阻主要由金属板的接触电阻、金属板的电阻和质子交换膜(PEM)的电阻组成。燃料电池运行时的电阻变化主要来源于质子交换膜的水含量变化，质子交换膜的水含量变化即能够体现燃料电池的湿度状态。而膜的电阻主要由其含水量影响，如图3所示，如果膜的电阻高于正常范围，则意味着燃料电池内部湿度过低；如果膜的电阻低于正常范围，则意味着燃料电池内部湿度过高，有可能发生了水淹。因此用电阻表征燃料电池电堆湿度的方案非常稳定可靠。

本发明的在线监测车载燃料电池电堆湿度的方法包括：

S1预标定，预标定的方法有两种。

第一种方法：标定正常湿度下燃料电池电堆的电阻上限R

正常湿度范围下，燃料电池电堆对应的电阻范围可以通过实验的方法进行标定。如图4所示，由于燃料电池电堆在过湿和过干的情况下都会发生电压下降，因此可以通过监测在何电阻范围内燃料电池能够稳定电压不发生电压下降来确定湿度正常时对应的燃料电池电堆的电阻范围。

第二种方法：监测电堆湿度与电堆电阻，每一个湿度P均对应一个电阻范围R

嵌入湿度传感器进行预标定，将各湿度下燃料电池电堆对应的电阻范围测出，具体地，如图5所示，配合湿度传感器，使燃料电池电堆在固定湿度(含水量)的状态下运行一段时间后，其电阻会有一定波动。取测试中的电阻最大值与最小值分别为湿度(含水量)P对应的电阻范围最大值R

“通过电流中断法测得各湿度下燃料电池电堆的电阻”的方法为：使用DCDC 控制燃料电池电堆对外输出的通断，测量并采集燃料电池电堆的输出电压和输出电流，测得电流中断前输出电流为I

S2与燃料电池系统进行匹配：燃料电池电堆对外输出中断(电流中断)的时间与电池电压监测CVM的信号发送时间相错开。图7展示了燃料电池系统的结构示意图，车载燃料电池系统通常具备一个CVM进行燃料电池电堆的单片电池电压监测，DCDC用以控制燃料电池电堆的对外输出。由于燃料电池系统的控制中通常具备规避高电位的措施，且电流中断会造成燃料电池电堆电压波动，故为了避免这种波动影响车辆对电堆电压的监控，需要将电流中断的周期和频率需要与CVM的采样和信号发送的周期、相位和频率进行匹配。如图8，电流中断的时刻应设置在CVM信号发送外的空闲时间，保证CVM正常运行，具体地，如图所示，电流中断的周期T

S3实时检测燃料电池电堆电阻。具体地，使用DCDC控制燃料电池电堆对外输出的通断(电流中断)，测量并采集燃料电池电堆的输出电压和输出电流，测得电流中断前输出电流为I

S4根据实时电阻监测结果输出实时湿度状态，同样的，也具有两种方法。

第一种方法：根据测得的R

第二种方法：根据测得的R

实施例1

预标定：如图9所示，(1)匹配CVM采样与燃料电池电堆对外输出中断(电流中断)的频率、周期和相位，使电流中断的时刻发生在CVM信号发送以外的空闲时间；燃料电池电堆对外输出中断通过断开-连接继电器实现；并根据燃料电池电堆的特性设置一个可接受压降△V

对燃料电池电堆湿度状态进行监测：如图10所示，(1)记录燃料电池电流大小I

实施例2

预标定：如图11所示，(1)匹配CVM采样与燃料电池电堆对外输出中断 (电流中断)的频率、周期和相位，使电流中断的时刻发生在CVM信号发送以外的空闲时间；燃料电池电堆对外输出中断通过断开-连接继电器实现；(2)记录燃料电池电流大小I

对燃料电池电堆湿度状态进行监测：如图12所示，(1)记录燃料电池电流大小I

与现有技术相比，本发明可以在以下几个方面带来好处：1)本发明可以在燃料电池工作时进行监测，即在线监测，解决了车载燃料电池难以在运行时实时监测湿度的问题。2)本发明可以在不对车载燃料电池系统添加任何部件或对电堆进行改装的情况下进行燃料电池的湿度监测，仅需进行提前实验标定即可在燃料电池系统中在线监测燃料电池电堆湿度状态，解决了车载燃料电池湿度监控技术成本高昂的问题，大大减少了成本。3)配合本方法对燃料电池电堆湿度的监测，能够避免燃料电池工作在过干或过湿的状态，缓解因各种外界条件改变而带来的燃料电池湿度的波动，大大提升燃料电池工作时的稳定性和燃料电池的性能。4)本发明方法仅需要使用燃料电池系统中的DCDC来进行燃料电池电堆的电流控制与数据采集，电阻计算和数据分析也可以在FCU中实现，不需要添加额外的部件，不添加额外成本。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。