CN103682399A - 用于控制燃料电池***的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于控制燃料电池***的***和方法。更具体地，基于根据驾驶者需求转矩计算出的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流。然后基于燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速-1。然后使用目标SR补偿目标流速-1，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的RPM命令值。随后，基于计算出的RPM命令值，控制鼓风机的操作。

Description

用于控制燃料电池***的***和方法
技术领域
本发明涉及用于控制燃料电池***的***和方法。更具体地，本申请涉及用于控制燃料电池***的***和方法，其使非预期且不必要的过量空气供应最小化，并由此减少用于鼓风机操作的不必要的能量消耗，结果提高燃料电池车辆的燃料效率。
背景技术
应用于氢燃料电池车辆的燃料电池***通常包括：通过反应气体之间的电化学反应产生电的燃料电池组；向燃料电池组供应氢作为燃料的燃料处理***(FPS)；用于供应含氧空气作为燃料电池组中电化学反应所需的氧化剂的空气处理***(APS)；以及用于将反应热从燃料电池组去除到燃料电池***外部、控制燃料电池组的工作温度并进行水管理的热管理***(TMS)。
在空气处理***中，通过鼓风机把外部干空气强制吹入膜加湿器中，并且同时，把从燃料电池组的阴极出口排出的过饱和湿空气供入膜加湿器中。此时，通过干空气与湿空气之间的水交换而使干空气湿化，并且将湿化的空气供应至燃料电池组的阴极入口。
目前，供应至燃料电池组阴极的空气是化学计量比(SR)的约两倍。供应至阴极的空气量影响燃料电池组的输出、燃料电池***的效率、空气的相对湿度、水平衡等。具体地，根据空气量，当例如在燃料电池***的起动或暖机预热期间工作温度较低时，可能发生溢流(过度冷凝)。而且，当例如在高功率操作期间工作温度增加时，在燃料电池组中聚合物电解质膜可能变干。因此，为提高燃料电池的性能，最佳地控制供应至阴极的空气量非常重要。
作为用于控制空气供应量的常规方法，使用空气化学计量比基于与燃料电池组的电流相关的信息而计算目标流速的方法已被使用。为控制供应至燃料电池组的空气量，控制器计算目标流速，计算鼓风机的RPM命令值以使空气以计算目标流速供应至燃料电池组，并控制鼓风机的RPM以遵循计算出的RPM命令值。然而，在这种控制方法中仍然可能使过量的空气供应至阴极。
具体地，如图1所示，在车辆实际工作条件下计算出的SR与目标SR之间存在差值。当实际工作条件下计算出的SR高于目标SR时，比最佳量更多的空气被供应至燃料电池组(即，过量空气供应)。这表明鼓风机***作得比达到目标值所需的多，这消耗比鼓风机操作所需的能量多得多的能量，由此降低燃料电池车辆的燃料效率。
而且，在鼓风机的操作期间，产生显著的噪音，并且因不必要的过量空气供应，燃料电池组内的水平衡受到影响，这可能使聚合物电解质膜变干，由此降低燃料电池的性能。
上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供用于控制燃料电池***的***和方法，其向燃料电池组供应精确量的空气，并因此可以防止由于过量空气被供应至阴极而可能在燃料电池组内发生的溢流或变干。更具体地，本发明提供用于控制燃料电池***的方法，其可以使非预期且不必要的过量空气供应最小化，并因此可以减少用于鼓风机操作的不必要的能量消耗，并且提高燃料电池车辆的燃料效率。
而且，本发明的示例性的实施方式提供用于控制燃料电池***的***和方法，其通过控制基于空气流速的燃料电池电流，可以提高燃料电池***的功率性能，并在燃料电池电流迅速改变的过渡期间防止从鼓风机产生噪声。
一方面，本发明提供用于控制燃料电池***的方法，该方法包括：通过处理器，基于根据驾驶者需求电流计算的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流；通过处理器，基于燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待供应至燃料电池组的空气的目标流速-1；通过处理器，使用目标SR补偿目标流速-1；通过处理器，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的RPM命令值；以及通过处理器，基于计算出的RPM命令值，控制鼓风机的操作。
在一个示例性的实施方式中，计算驾驶者需求电流的步骤可包括：基于与加速踏板的驾驶者操作相应的加速踏板信号和车辆行驶速度，计算驾驶者需求转矩；基于驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率，计算驾驶者需求电流；以及基于驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流。
在另一示例性的实施方式中，基于驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流的步骤可包括：基于驾驶者需求电流、车辆辅助需求电流、燃料电池***配套设施(balance of plant，BOP)需求电流、和电池协助电流，计算燃料电池需求电流-1；以及通过燃料电池补偿电流来补偿燃料电池需求电流-1，该燃料电池补偿电流包括燃料电池异常状态用补偿电流和燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流中的至少一个。
在又一示例性的实施方式中，使用目标SR来补偿目标流速-1的步骤包括：基于测量的燃料电池电流和空气流速，计算空气的SR；计算空气的计算SR与目标SR的SR比率；确定计算出的SR比率是否为预定最小值与预定最大值之间的值；以及当SR比率不是最小值与最大值之间的值时，将目标流速-1设置为目标流速-2而无需补偿，并且当SR比率是最小值与最大值之间的值时，通过利用如下式(E1)补偿目标流速-1来计算目标流速-2：
E1：目标流速-2＝目标流速-1/(SR比率×补偿系数)。
在又一示例性的实施方式中，可以将补偿系数设置成基于SR比率的值。
在又一示例性的实施方式中，本发明的***和方法还可包括：基于目标SR和当前测量的空气流速，计算基于空气流速的燃料电池电流限制值；将基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池电流限制值之间的最小值确定为最终燃料电池电流限制值；以及基于最终燃料电池电流限制值来限制燃料电池的电流输出。
在又一示例性的实施方式中，由空气流速除以电流限制参考SR所得的值，可以计算基于空气流速的燃料电池电流限制值，该电流限制参考被确定为目标SR与预定偏移值之间的差值，并且该偏移值被设置成与目标SR的增加成比例地增加并根据目标SR而计算的值。
在又一示例性的实施方式中，目标SR可被设置成与燃料电池组中的估计相对湿度(RH)值的增加成比例地增加并根据燃料电池组中的估计RH值而计算的值。
下面讨论本发明上述和其它特征。
附图说明
现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是示出与现有技术相关的问题的图；
图2是示出根据本发明示例性实施方式的用于控制空气供应和燃料电池电流的方法的图；
图3是示出根据本发明示例性实施方式的计算目标SR的图；
图4是示出根据本发明示例性实施方式的计算目标流速-2的方法的图；
图5A-C是示出根据本发明示例性实施方式的计算SR补偿系数(SR_Ratio_Cal)的图；
图6是示出根据本发明示例性实施方式的计算用于计算基于空气流速的燃料电池电流限制值的偏移值的图；并且
图7是示出在应用根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池***的方法时防止不必要的过量空气供应的图。
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an)”和“该(the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、***式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
而且，本发明的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机***中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。
另外，应理解下述方法由至少一个控制器执行。术语控制器指代包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置成储存模块，并且处理器具体配置成执行所述模块以实施以下进一步描述的一个或多个操作。
在本文中，本发明提供用于控制燃料电池***的***和方法，该方法包括：通过特别配置的控制器上的处理器，根据加速踏板信号和车辆速度计算燃料电池需求电流；通过处理器，根据燃料电池需求电流计算空气的目标流速；通过处理器，使用目标SR补偿空气的目标流速以遵循空气的目标SR；控制鼓风机的RPM以遵循补偿的目标流速；计算基于空气流速的燃料电池电流限制值；以及通过处理器，基于计算出的电流限制值，限制电流。
图2是示出根据本发明的用于控制空气供应和燃料电池电流的***和方法的图，并且将参考图2说明基于目标SR的控制空气供应过程。
首先，控制器通过典型的转矩计算方法来计算驾驶者需求转矩。例如，控制器可基于加速踏板信号(即，基于加速踏板的驾驶者操作的信号)和车辆速度信号来计算驾驶者需求转矩，其中加速踏板信号指示在车辆行驶过程中驾驶者的意图，并且车辆速度信号指示当前车辆速度(F1)。这里，可基于电动机性能曲线计算与当前车辆速度相应、与加速踏板信号成比例的驾驶者需求转矩。然后，可基于驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率计算驾驶者需求电流。可由下式1计算驾驶者需求电流(F2)：
[式1]
驾驶者需求电流＝驾驶者需求转矩×车辆速度/母线电压/电动机或逆变器的效率
这里，可根据基于电动机转矩、速度等预先确定效率的效率图计算电动机的效率，并且可根据基于电流、电压等预先确定效率的效率图计算逆变器的效率。然后，基于计算出的驾驶者需求电流、电池协助电流、电子部件例如空气调节器等的车辆辅助需求电流、例如鼓风机、泵、加热器等的燃料电池配套设施(BOP)需求电流来计算燃料电池需求电流-1(F3)。
这里，可由下式2计算燃料电池需求电流-1：
[式2]
燃料电池需求电流-1＝驾驶者需求电流+车辆辅助需求电流+燃料电池BOP需求电流-电池协助电流
然后，基于计算出的燃料电池需求电流-1和燃料电池补偿电流，计算最终燃料电池需求电流-2。使用燃料电池补偿电流来补偿除基于驾驶者需求电流、车辆辅助需求电流、燃料电池BOP需求电流等计算的燃料电池需求电流-1之外还需要的电流量。燃料电池补偿电流可包括燃料电池电压异常状态用补偿电流和/或反应性控制用补偿电流中的至少一个，其中燃料电池电压异常状态用补偿电流预先设置成补偿由控制器监测的电池遗漏(omission)的发生，反应性控制用补偿电流预先设置成在燃料电池重新起动期间另外需要的电流量(F4)。
相应地，可由下式3计算最终燃料电池需求电流-2：
[式3]
燃料电池需求电流-2＝燃料电池需求电流-1+燃料电池电压异常状态用补偿电流+燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流
同时，可基于燃料电池需求电流-2和空气的目标SR计算空气的目标流速-1(F6)。这里，根据基于传感器检测值估计的燃料电池组中相对湿度(RH)值来计算目标SR，并且可将其预先设置成如图3所示的与燃料电池组中的估计RH值的增加成比例地增加的值。
可由下式4计算目标流速-1：
[式4]
目标流速＝燃料电池需求电流-2×目标SR×k1
其中k1为预先确定的常数。
然后，使用目标SR补偿计算出的目标流速-1，以遵循空气的目标SR(F8)。下面将参考图4和5来描述补偿的目标流速-2的计算。
首先，控制器基于燃料电池电流和空气流速计算空气SR(F7)，并且根据计算SR和目标SR计算SR比率(SR_Ratio)。这里，计算SR可由下式5计算，并且SR比率(SR_Ratio)可限定为下式6：
[式5]
计算SR＝空气流速/燃料电池电流×k2
其中k2为预先确定的常数。
[式6]
SR比率＝计算SR/目标SR
然后，确定SR比率是否为预定的最小值(SR_Ratio_Min)与预定的最大值(SR_Ratio_Max)之间的值。当SR比率(SR_Ratio)不是最小值与最大值之间的值时，使用目标流速-1自身，并当SR比率(SR_Ratio)是最小值与最大值之间的值时，由下式7计算补偿的目标流速-2：
[式7]
目标流速-2＝目标流速-1/(SR比率×补偿系数)
这里，遵循目标SR的最小值和最大值的有效范围可设置如下：
0.5＜SR_Ratio_Min＜1.0
1.0＜SR_Ratio_Max＜2.0
而且，补偿系数(SR_Ratio_Cal)可以是基于如图6所示的最小值(SR_Ratio_Min)与最大值(SR_Ratio_Max)之间的SR比率(SR_Ratio)而确定的值。如此，基于计算SR与目标SR的比率以及补偿系数来计算目标流速-2，即补偿的流速(F8)。
当以上述方式计算补偿的目标流速-2时，基于目标流速-2和测量的空气流速，计算鼓风机的RPM命令值，使得实际由鼓风机供应的空气流速遵循目标流速-2(F9)而不是目标流速-1，并且基于RPM命令值，通过控制鼓风机的操作，来控制供应至燃料电池组的空气量。这里，可基于目标流速-2与空气流速之间的差值(“目标流速-2”-空气流速)来计算用于PI控制的鼓风机的RPM命令值，并且可基于RPM命令值来控制鼓风机的RPM。
同时，可基于目标SR和测量的空气流速计算基于空气流速的燃料电池电流限制值(F10)，其中目标SR得自燃料电池组中的估计RH值，并且可由下式8计算基于流速的燃料电池电流限制值：
[式8]
基于空气流速的燃料电池电流限制值＝空气流速/电流限制参考SR×k3
其中k3为预先确定的常数。
在式8中，电流限制参考SR可以是“目标SR-偏移值”，并且偏移可设置成如图6所示的与燃料电池组中目标SR的增加成比例地增加的值。
然后，当得到基于空气流速的燃料电池电流限制值时，根据通过将基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池限制值进行比较而得的最小值，可计算最终燃料电池电流限制值(F11)，并且基于最终燃料电池电流限制值，控制器限制燃料电池的电流输出。
如上所述，根据本发明的用于控制燃料电池***的方法提供如下优点。
使用目标SR来补偿空气的目标流速以遵循空气的目标SR，基于补偿的目标流速来控制鼓风机的操作，因此可以将精确量的空气供应至燃料电池组。结果，可以防止溢流或变干的发生，燃料电池组中的溢流或变干可能发生在过量空气的情况下。
而且，可以使非预期且不必要的过量空气供应最小化，因此可减少操作鼓风机的不必要的能量消耗并提高燃料电池车辆的燃料效率。
而且，通过控制基于空气流速的燃料电池电流，可以提高燃料电池***的功率性能，并在燃料电池电流迅速变化的过渡期间防止鼓风机中产生的噪音。
本发明参考其示例性实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。

Claims (16)

1.一种用于控制燃料电池***的方法，所述方法包括：
通过处理器，基于根据驾驶者需求转矩计算的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流；
通过所述处理器，基于所述燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速-1；
通过所述处理器，使用所述目标SR补偿所述目标流速-1；以及
通过所述处理器，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的每分钟转速(RPM)命令值，并且基于计算出的RPM命令值，控制所述鼓风机的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述驾驶者需求电流的步骤包括：
基于与加速踏板的驾驶者操作相应的加速踏板信号和车辆行驶速度，计算驾驶者需求转矩；
基于所述驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率，计算驾驶者需求电流；以及
基于所述驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述驾驶者需求电流计算所述最终燃料电池需求电流的步骤包括：
基于所述驾驶者需求电流、车辆辅助需求电流、燃料电池***配套设施(BOP)需求电流和电池协助电流，计算燃料电池需求电流-1；以及
通过燃料电池补偿电流来补偿所述燃料电池需求电流-1，所述燃料电池补偿电流包括燃料电池异常状态用补偿电流和燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述目标SR补偿所述目标流速-1的步骤包括：
基于测量的燃料电池电流和空气流速，计算空气的SR；
计算空气的计算SR与所述目标SR的SR比率；
确定计算出的SR比率是否为预定最小值与预定最大值之间的值；以及
如果所述SR比率不是所述最小值与所述最大值之间的值时，将所述目标流速-1设置成目标流速-2而无需补偿，并且如果所述SR比率是所述最小值与所述最大值之间的值时，通过利用下式(E1)补偿所述目标流速-1来计算所述目标流速-2：
E1：目标流速-2＝目标流速-1/(SR比率×补偿系数)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述补偿系数设置成基于所述SR比率的值。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过所述处理器，基于所述目标SR和当前测量的空气流速，计算基于空气流速的燃料电池电流限制值；
通过所述处理器，将所述基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池电流限制值之间的最小值确定为最终燃料电池限制值；以及
通过所述处理器，基于所述最终燃料电池限制值，限制燃料电池的电流输出。
7.根根据权利要求6所述的方法，其中由所述空气流速除以电流限制参考SR所得的值，计算所述基于空气流速的燃料电池电流限制值，所述电流限制参考确定为所述目标SR与预定偏移值之间的差值，并且所述偏移值设置成与所述目标SR的增加成比例地增加并根据所述目标SR而计算的值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标SR设置成与所述燃料电池组中的估计相对湿度(RH)值的增加成比例地增加并且根据所述燃料电池组中的估计RH值而计算的值。
9.一种非暂时性计算机可读介质，含有由处理器执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
基于燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速-1的程序指令；
使用所述目标SR补偿所述目标流速-1的程序指令；以及
基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的每分钟转速(RPM)命令值，并且基于计算出的RPM命令值，控制所述鼓风机的操作的程序指令。
10.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中计算驾驶者需求电流的程序指令包括：
基于与加速踏板的驾驶者操作相应的加速踏板信号和车辆行驶速度，计算驾驶者需求转矩的程序指令；
基于所述驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率，计算驾驶者需求电流的程序指令；以及
基于所述驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流的程序指令。
11.根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质，其中基于所述驾驶者需求电流计算所述最终燃料电池需求电流的程序指令包括：
基于所述驾驶者需求电流、车辆附加需求电流、燃料电池***配套设施(BOP)需求电流和电池协助电流，计算燃料电池需求电流-1的程序指令；以及
通过燃料电池补偿电流来补偿所述燃料电池需求电流-1的程序指令，所述燃料电池补偿电流包括燃料电池异常状态用补偿电流和燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流中的至少一个。
12.根据权利9要求所述的非暂时性计算机可读介质，其中使用所述目标SR补偿所述目标流速-1的程序指令包括：
基于测量的燃料电池电流和空气流速，计算空气的SR的程序指令；
计算空气的计算SR与所述目标SR的SR比率的程序指令；
确定计算出的SR比率是否为预定最小值与预定最大值之间的值的程序指令；以及
如果所述SR比率不是所述最小值与所述最大值之间的值时，将所述目标流速-1设置成目标流速-2而无需补偿，并且当所述SR比率是所述最小值与所述最大值之间的值时，通过利用下式(E1)补偿所述目标流速-1来计算所述目标流速-2的程序指令：
E1：目标流速-2＝目标流速-1/(SR比率×补偿系数)。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中将所述补偿系数设置成基于所述SR比率的值。
14.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：
基于所述目标SR和当前测量的空气流速，计算基于空气流速的燃料电池电流限制值的程序指令；
将所述基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池电流限制值之间的最小值确定为最终燃料电池限制值的程序指令；以及
基于所述最终燃料电池限制值，限制燃料电池的电流输出的程序指令。
15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中由所述空气流速除以电流限制参考SR所得的值，计算所述基于空气流速的燃料电池电流限制值，所述电流限制参考确定为所述目标SR与预定偏移值之间的差值，并且所述偏移值设置成与所述目标SR的增加成比例地增加并根据所述目标SR而计算的值。
16.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述目标SR设置成与所述燃料电池组中的估计相对湿度(RH)值的增加成比例地增加并且根据所述燃料电池组中的估计RH值而计算的值。
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