一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，包括：步骤1)将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；步骤2)使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术提出了一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱测量的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。使用低频阻抗对质子交换膜燃料电池进行状态监测，使用模糊逻辑对电化学阻抗谱进行状态分类，实现了基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线故障诊断，大大拓展了电化学阻抗谱的实际应用场景。

An on-line fault diagnosis method for PEMFC based on low frequency impedance and electrochemical impedance spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法
本专利技术涉及燃料电池故障诊断领域，尤其包括一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。
技术介绍
由于环境污染，资源短缺愈发严重。因为具有较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染的优点，质子交换膜燃料电池正在得到越来越多国家以及企业的重视。质子交换膜燃料电池在新能源汽车以及分布式发电等领域正在得到越来越广泛的运用。然而导致质子交换膜燃料电池迈向商业化应用缓慢的原因是质子交换膜燃料电池控制的寿命与健康问题。由于外界条件以及运行工况的变化，质子交换膜燃料电池容易出现水淹、膜干、空气饥饿等故障，由此导致电堆性能与寿命的严重衰减。解决该问题的有效方案是实时监测质子交换膜燃料电池内部状态，并根据检测结果调节控制手段。电化学阻抗谱是一种可以有效检测质子交换膜燃料电池内部状况的手段，广泛运用于电池检测行业。但电化学阻抗谱测量时间较长，难以在线实施以反映质子交换膜燃料电池实时状态，具有一定的局限性。因此，采取相关措施将电化学阻抗谱运用于实时条件下，对于提升质子交换膜燃料电池的寿命具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。这种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，具体包括如下步骤：步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z可以分为实部zr以及虚部jzi两部分，其中：z＝zr+jzi；步骤2.3.使用模糊逻辑分析提取的低频与高频特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障：其中分析的依据为提取的低频与高频特征点的大小区间，低频特征点阻抗实部zr可由小到大分为正常、水淹、膜干和空气饥饿四个区间，其中水淹区间与膜干区间大致重合；高频特征点阻抗虚部jzi可以由小到大分为正常和膜干两个区间。作为优选，所述模糊逻辑为双输入单输出结构；输入为低频特征点阻抗实部和高频特征点阻抗虚部，输出为质子交换膜燃料电池实时状态。作为优选，所述模糊逻辑还包含如下八条模糊规则：1)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为正常；2)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；3)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为空气饥饿；4)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为正常时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为水淹；5)当输入的低频特征点阻抗实部为正常且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；6)当输入的低频特征点阻抗实部为水淹且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；7)当输入的低频特征点阻抗实部为空气饥饿且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为无效；8)当输入的低频特征点阻抗实部为膜干且高频特征点阻抗虚部为膜干时，则输出的质子交换膜燃料电池实时状态为膜干。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱测量的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法。使用低频阻抗对质子交换膜燃料电池进行状态监测，使用模糊逻辑对电化学阻抗谱进行状态分类，实现了基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线故障诊断，大大拓展了电化学阻抗谱的实际应用场景。附图说明图1为本专利技术的故障诊断流程图；图2为故障分类的模糊曲面图；图3为故障实验低频阻抗诊断结果图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本专利技术。应当指出，对于本
的普通人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以对本专利技术进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本专利技术权利要求的保护范围内。本专利技术采用的技术方案是：首先根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较。在超过低频阻抗故障阈值后，测量质子交换膜的电化学阻抗谱，并使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类，对质子交换膜燃料电池内部容易发生的膜干、水淹、空气饥饿等故障进行诊断。这种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，具体包括如下步骤：步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z可以分为实部zr以及虚部jzi两部分，其中：z＝zr+jzi；步骤2.3.使用模糊逻辑分析提取的低频与高频特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障：其中分析的依据为提取的低频与高频特征点的大小区间，低频特征点阻抗实部zr可由小到大分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；/n步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；/n步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；/n步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z分为实部z...

【技术特征摘要】
1.一种基于低频阻抗与电化学阻抗谱的在线质子交换膜燃料电池故障诊断方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1.根据实验建立质子交换膜燃料电池的低频阻抗故障阈值，实时采集质子交换膜燃料电池的低频阻抗，将测量得到的低频阻抗与低频阻抗故障阈值进行在线比较；所述实验在膜干、水淹和空气饥饿以及正常状态下分别测量1-500Hz下质子交换膜燃料电池的阻抗；所述质子交换膜燃料电池在正常状态下的低频阻抗低于膜干、水淹和空气饥饿故障下的低频阻抗故障阈值；
步骤2.使用基于模糊逻辑的故障诊断算法对电化学阻抗谱进行分类和故障诊断；所述基于模糊逻辑的故障诊断算为：若低频阻抗超过低频阻抗故障阈值，则对质子交换膜燃料电池进行电化学阻抗谱测量；对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；使用模糊逻辑分析提取的特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障；
步骤2.1.在低频阻抗超过低频阻抗故障阈值后，认定质子交换膜燃料电池发生故障；所述故障包括水淹，膜干和空气饥饿；
步骤2.2.测量质子交换膜的电化学阻抗谱：对于每一次测量得到的阻抗谱，提取低频与高频特征点；所述特征点为质子交换膜燃料电池在特定低频与高频下的阻抗z，该阻抗z分为实部zr以及虚部jzi两部分，其中：z＝zr+jzi；
步骤2.3.使用模糊逻辑分析提取的低频与高频特征点，判断质子交换膜燃料电池发生何种故障：其中分析的依据为提取的低频与高频特征点的大小区间，低频特征点阻抗实部zr由小到大分为正常、水淹、膜干和空气饥饿四个区间，其中水淹区间与膜干区间大致重合；高频特征点阻抗虚部jzr由小到...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，严驰洲，寿春晖，郑渭建，邬荣敏，洪凌，李晓洁，
申请(专利权)人：浙江浙能技术研究院有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33