一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台技术方案

技术编号：40424697 阅读：7 留言：0更新日期：2024-02-20 22:44

本发明专利技术公开了一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，包括燃料电池多维度在线监测系统、燃料电池系统动态模型、燃料电池故障诊断系统、人机交互系统，兼具燃料电池系统故障诊断及故障诊断实训教学工作模式；所述燃料电池系统故障诊断实训平台具有两种工作模式，当燃料电池系统正常工作时，可通过所述的人机交互系统进行人为主动设障；当燃料电池系统发生故障时，可自主进行系统故障的检测、判断、定位和修复，或保持故障状态等待人工进行排查与解决，实现在线实训及现场教学的功能。本发明专利技术提出的燃料电池系统故障诊断实训平台具有动态模型响应速度快、故障特征信号提取和辨识能力强、人机交互智能化等优点。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池，涉及一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台。

技术介绍

0、技术背景

1、氢能承载着实现“双碳”目标的重要使命，燃料电池是氢能利用的重要载体。在燃料电池系统可靠性、耐久性方面，目前仍面临可靠性不高、动态响应性能不足、性能衰减快、寿命低等问题。目前大多数燃料电池故障诊断系统在功能上仅限于参数和状态的显示以及简单报警，缺乏故障特征信号的提取和辨识能力，缺少针对故障检测、判断、定位、恢复的功能。故障诊断系统在出现故障报警时，通常只能采取自关机或降载命令操作以避免故障对燃料电池系统造成损坏，这样的处理方式难以保证燃料电池系统的可靠性、动态响应性能和使用寿命，无法达到真正的故障诊断和预测的目的。且现有的燃料电池故障诊断系统均不具备实训教学功能。

2、种燃料电池实训系统(cn202020431450.7)所提出的实训系统由燃料电池、氢气瓶、监控模块及控制器组成，实训功能仅限于信号显示，无法对所示信号进行智能化的设置和处理。

3、一种燃料电池故障诊断方法、装置和存储介质(cn109830714a)通过燃料电池质子交换膜欧姆阻抗与其水含量的关系曲线，确定燃料电池所处的状态区域，采取不同的方式精确估算燃料电池的水含量。该专利技术只针对一种故障类型提出诊断方法且方法复杂速度慢，且无法对故障进行准确定位，难以实现在线动态故障诊断。

技术实现思路

1、为了克服上述技术缺点，本专利技术提出了一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台。</p>

2、本专利技术至少通过如下技术方案之一实现：

3、一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，包括燃料电池多维度在线监测系统、燃料电池系统动态模型、燃料电池故障诊断系统、人机交互系统；

4、所述燃料电池多维度在线监测系统将监测和采集的运行状态数据输入燃料电池系统动态模型，从而对燃料电池的运行状态和系统各组成部分的动态响应特性进行准确模拟，并由燃料电池故障诊断系统实时判断燃料电池系统运行是否正常，当系统出现故障、实训教学场景下需要主动设置故障、人工修复故障时，通过人机交互系统执行修复操作，操作结果由燃料电池多维度在线检测系统实时监测反馈。

5、进一步地，所述燃料电池系统动态模型包括电堆模型、氢气系统模型、空气系统模型、尾气处理系统模型、水热管理系统模型；

6、所述的电堆模型包括流场模型、膜水合模型、电压模型、产热模型；

7、所述的氢气系统模型包括依次连接的高压储氢罐、过滤器、减压阀、氢气进气阀、第一流量计、氢气入堆电磁阀、用于检测氢气入堆温度和压力的氢气传感器；所述的氢气传感器与燃料电池电堆的阳极入口相连；

8、所述的空气系统模型包括依次连接的空气过滤器、空气止回阀、空气压缩机、第二流量计、空气加湿器、空气入堆电磁阀、用于检测空气入堆温度和压力的空气传感器；所述的空气传感器与燃料电池电堆阴极入口相连；

9、所述的尾气处理系统模型包括氢气循环泵、第一气液分离器、尾排处理电磁阀、第二气液分离器、背压阀、阴极出口电磁阀、尾气混合室；所述第二气液分离器一支路通过背压阀与阴极出口电磁阀、尾气混合室依次连接，另一支路通过尾排处理电磁阀返回空气入堆电磁阀与空气传感器之间，尾气混合室上设有氢气浓度传感器；第一气液分离器一支路通过阳极出口电磁阀与尾气混合室连接，另一支路通过用于尾排氢气循环的氢气循环泵返回氢气入堆电磁阀和氢气传感器之间；

10、所述的水热管理系统模型包括节温器、冷却液换热器、冷却液循环泵、用于检测冷却液入堆温度和压力的传感器、散热器；所述节温器输入端、冷却液换热器、冷却液循环泵、用于检测冷却液入堆温度和压力的传感器、燃料电池电堆依次连接；所述散热器与冷却液换热器并联设置。

11、进一步地，所述燃料电池多维度在线监测系统包括下位管理系统，所述的下位管理系统包括燃料电池主控板、电堆巡检模块；

12、所述的燃料电池主控板包括数据处理模块、启停逻辑与状态切换模块、系统性能分析模块、空气系统控制模块、氢气系统控制模块、水热管理系统控制模块、数据打包模块；

13、启停逻辑与状态切换模块通过电堆巡检模块信息、传感器信息、状态码完成相关继电器执行流程实现启停、吹扫、怠速、正常工作逻辑切换；

14、系统性能分析模块通过传感器采集的实时数据计算出输出功率、氢耗量、效率，并与理论数据对比进行健康状态估计；

15、空气系统控制模块负责控制空气系统，根据空气传感器信息、空气系统的故障信息以及系统目标功率、空气压缩机目标转速、目标流量、目标压力对空气压缩机、节气门进行协同控制；

16、氢气系统控制模块负责控制氢气系统，根据氢气传感器信息、氢气系统的故障信息以及系统目标功率对调节阀、循环泵、减压阀进行协同控制；

17、水热管理系统控制模块负责系统热量控制，根据水热管理传感信息、热管理故障信息以及电堆巡检模块数据对散热器、冷却液循环泵、冷却液换热器进行协同控制；

18、数据打包模块通过通信协议将传感器信息、继电器信息、电堆巡检模块信息、性能信息向labview上位机发送。

19、进一步地，所述的燃料电池故障诊断系统的架构包括下位管理系统、故障诊断模块、labview上位机；

20、所述的下位管理系统的应用层软件将故障诊断策略依据故障所在子系统划分为电堆故障、氢气系统故障、空气系统故障、水热管理系统故障、控制系统故障、电磁兼容故障；

21、故障诊断模块通过传感器信息、电堆巡检模块数据、状态码分析判断故障是否发生以及对应的故障位置，将故障位置、故障等级和对应操作信号发送给应用各个模块上传至labview上位机。

22、进一步地，所述燃料电池故障诊断系统通过对与燃料电池运行状态相关的传感器或执行器的信号进行监测与分析，对单电池、电堆和辅助系统的运行状态进行量化分析，诊断燃料电池系统发生故障的位置及严重程度。

23、进一步地，所述燃料电池故障诊断系统包括每一个子系统故障的状态码，每一个部件出现的故障在状态码中体现出来，同时判断故障的等级，对于相应的故障进行停机检查，故障等级较低的故障在具体的执行器控制策略中进行处理和修复；故障修复模式有自动修复和人工修复两种模式可供选择。

24、进一步地，所述的人机交互系统包括人机交互模块、多通道交互技术模块、移动界面模块。

25、进一步地，人机交互模块通过可视化的人机交互界面动态展示燃料电池系统性能参数曲线变化；所述的人机交互界面能够实时显示系统故障对燃料电池工作状态的影响。

26、进一步地，多通道交互技术模块基于多通道交互技术通过用户的语音、手势、眼神、表情的交互方式与燃料电池系统进行通信和故障排查、诊断与修复。

27、进一步地，用户通过移动界面模块随时访问系统数据掌握重要信息，并进行燃料电池系统的故障诊断与修复。

28、与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：包括燃料电池多维度在线监测系统、燃料电池系统动态模型、燃料电池故障诊断系统、人机交互系统；

2.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池系统动态模型包括电堆模型、氢气系统模型、空气系统模型、尾气处理系统模型、水热管理系统模型；

3.根据权利要求2所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池多维度在线监测系统包括下位管理系统，所述的下位管理系统包括燃料电池主控板、电堆巡检模块；

4.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池故障诊断系统的架构包括下位管理系统、故障诊断模块、LabVIEW上位机；

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池故障诊断系统通过对与燃料电池运行状态相关的传感器或执行器的信号进行监测与分析，对单电池、电堆和辅助系统的运行状态进行量化分析，诊断燃料电池系

6.根据权利要求5所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池故障诊断系统包括每一个子系统故障的状态码，每一个部件出现的故障在状态码中体现出来，同时判断故障的等级，对于相应的故障进行停机检查，故障等级较低的故障在具体的执行器控制策略中进行处理和修复；故障修复模式有自动修复和人工修复两种模式可供选择。

7.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述人机交互系统包括人机交互模块、多通道交互技术模块、移动界面模块。

8.根据权利要求7所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：人机交互模块通过可视化的人机交互界面动态展示燃料电池系统性能参数曲线变化；所述的人机交互界面能够实时显示系统故障对燃料电池工作状态的影响。

9.根据权利要求7所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：多通道交互技术模块基于多通道交互技术通过用户的语音、手势、眼神、表情的交互方式与燃料电池系统进行通信和故障排查、诊断与修复。

10.根据权利要求7所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：用户通过移动界面模块随时访问系统数据掌握重要信息，并进行燃料电池系统的故障诊断与修复。

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【技术特征摘要】

4.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池故障诊断系统的架构包括下位管理系统、故障诊断模块、labview上位机；

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于人机交互的燃料电池系统故障诊断实训平台，其特征在于：所述燃料电池故障诊断系统通过对与燃料电池运行状态相关的传感器或执行器的信号进行监测与分析，对单电池、电堆和辅助系统的运行状态进行量化分析，诊断燃料电池系统发生故障的位置及严重程度。

6.根据权利要求5所述的一种基于人机交互的燃料电池系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，张宝彤，凌康强，柯育智，张明龙，
申请(专利权)人：广东氢机智创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

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