CN101521288A - 基于燃料电池系统的电压性能的电流限制的增益调度控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于燃料电池系统的电压性能的电流限制的增益调度控制。一种用于当燃料电池堆随时间退化时限制所述燃料电池堆的输出电流的系统和方法。查找表识别用于堆电流密度的预定电压设定点。第一比较器提供了设定点和堆电压之间的电压差信号。所述电压差信号被提供给控制器，例如比例积分控制器，所述控制器提供一个电流限制信号。所述电流限制信号和电流请求信号被提供给第二比较器，第二比较器选择将用哪个信号来限制所述堆的最大输出电流。极化曲线估计器估计随所述堆的寿命变化的所述堆的参数。所述参数被提供给增益调度器，所述增益调度器给控制器提供基于其当前正在所述堆的寿命中的哪个部分运行的增益。

Description

基于燃料电池系统的电压性能的电流限制的增益调度控制
技术领域
本发明通常涉及一种限制燃料电池堆的输出电流的算法，特别地涉及一种基于各种参数(例如堆性能、堆寿命)限制燃料电池堆的输出电流的算法。
背景技术
氢是一种很具有吸引力的燃料，因为它清洁且在燃料电池中能够用来有效地发电。氢燃料电池是一种包括其间具有电解质的阳极和阴极的电化学设备。阳极接收氢气，而阴极接收氧气或空气。在阳极中氢气被离解以产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并且因此在被送到阴极之前被引导通过负荷来做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的通用燃料电池。PEMFC一般包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包含支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的精细分开的催化颗粒，通常为铂(Pt)。催化混合物沉积在该膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和该膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA加工相对较贵并且需要一定的条件才能有效操作。
在燃料电池堆中几个燃料电池通常组合在一起产生希望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，所述阴极输入气体典型地是通过压缩机强制通过该电池堆的空气流。并非所有的氧气都被该电池堆消耗掉并且一部分空气作为阴极废气输出，所述废气可能包含作为堆副产品的水。燃料电池堆也接收流入该电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
堆控制器需要知道燃料电池堆的电流/电压关系(称为极化曲线)，来从该堆提供功率的合适分配。该堆的电压和电流之间的关系一般难以定义因为它是非线性的，且根据包括堆温度、堆分压以及阳极和阴极化学计量的很多变量而变化。此外，堆电流和电压之间的关系随着该堆随时间的退化而变化。特别地，旧堆比新的、没有退化的堆具有较低的电池电压，并且需要提供更多的电流来满足功率需求。
幸运地，许多燃料电池系统，一旦它们高于一定温度，在一给定电流密度时往往有可重复的操作条件。在那些情况下，电压可以近似地被描述为堆电流密度和使用年限(age)的函数。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种当燃料电池堆随时间退化并且其性能随时间衰减时，限制该燃料电池堆的输出电流的系统和方法。所述燃料电池堆提供了电压输出信号和电流密度输出信号，其中所述电流密度输出信号被提供给识别用于特定电流密度的预定电压设定点的查找表。所述电压设定点被发送到第一比较器，该第一比较器比较该电压设定点和来自该堆的电压输出信号从而产生电压差信号。所述电压差信号被提供给诸如比例积分控制器之类的控制器，所述控制器基于所述电压差信号提供电流限制信号。所述电流限制信号和电流请求信号被提供给用来选择这两者中较小者的第二比较器，该较小者被用来限制该堆的最大输出电流。来自该堆的所述输出电压信号和所述输出电流信号也被提供给极化曲线估计器，该极化曲线估计器估计该堆的参数以定义该堆的随着该堆的寿命变化的极化曲线。来自估计器的参数被提供给增益调度器(gainscheduler)，所述增益调度器给控制器提供基于其目前正在所述堆的寿命中的哪个部分操作的增益。
结合附图，根据下面的描述和随附的权利要求书，本发明的附加特征将变得显而易见。
附图说明
附图1是示出当燃料电池堆随时间退化时，来自所述燃料电池对的最大输出功率的曲线图，其中横轴为时间，纵轴为功率；以及
附图2是根据本发明实施例的采用基于堆性能限制堆输出功率的过程的燃料电池系统的方框图。
具体实施方式
本发明实施例的以下讨论针对一种当燃料电池堆随时间退化时限制所述堆的输出电流的系统和方法，该讨论本质上仅是示范性的，并且决不打算限制本发明或其应用或用途。
本发明提出了一种基于堆性能(例如电压退化)、或其它外部因素(例如阳极入口压力太低)限制来自燃料电池堆的输出电流的算法。该限制算法的一个目的是，即使所述堆不能提供全部性能时，也能维持所述燃料电池系统运转并且能够从所述堆中汲取足够电流来驱动车辆或给电池充电。如下面详细讨论的，所述算法被设计为基于堆电压性能来限制来自所述堆的电流输出。
图1是示出燃料电池堆的输出功率一般如何随时间退化的曲线图，其中横轴为时间，纵轴为功率。所述曲线图被分成三个区段(section)，具体地为在所述燃料电池堆的寿命上的堆寿命开始区段10，堆寿命中间区段12和堆寿命结束区段14。图线16示出作为堆退化的结果，所述堆的输出功率如何随时间减小。尽管图线16是直线，用曲线可能更好地表示所述燃料电池堆的实际退化。
图2是根据本发明实施例的使用基于堆随时间的性能来限制燃料电池堆22的输出电流的算法的燃料电池系统20的方框图。在线24上提供来自堆22的堆输出电压信号V并且在线26上提供来自堆22的堆输出电流密度信号j。所述堆输出电流j被提供给识别用于所述堆22的电流密度的电压设定点Vsp的查找表28。存储在查找表28中的电压设定点Vsp值是为这里讨论的堆性能要求选择的预定值。在一个实施例中，所述电压设定点Vsp为了增加灵活性和改善响应，在较低的电流密度处较高和在较高的电流密度处较低。来自查找表28的电压设定点Vsp和来自所述堆22的电压输出信号V一起被发送到比较器30以产生电压差信号作为其间的差异。
所述电压差信号被发送到控制器32，控制器32控制堆22的电流输出，以随着堆22的老化限制输出功率。在一个非限制性实施例中，控制器32是比例积分(PI)控制器。然而，如本领域技术人员将理解的，在本发明的范围内也能使用其它类型的控制器，例如PID、PD、LQR等控制器。当来自堆22的电压输出信号V小于电压设定点Vsp时，通过控制器32进行的堆电流控制被激活。在这种情况下，控制器32通过减小所述堆22提供的电流来尽力将堆电压V保持在所述设定点Vsp。因此，只有当电压V低于所述设定点Vsp，所述控制器32才尽力保持堆电压V在所述设定点Vsp。如果电压V高于所述设定点Vsp则控制器32不需要行动。
设计控制器32的比例部分，使得仅当所述电压差信号为负时它才是活动的(active)。基于电压设定点Vsp和堆22的寿命来安排(schedule)PI控制器32的比例增益。设计PI控制器32的积分部分，使得用积分器上的停止(stall)和复位控制来启用/禁用控制器32。只有当所述电压差信号低于一定阈值(例如10伏)时，才启用停止控制。如果所述电压差信号低于另一个阈值(例如70伏)，通过复位控制来复位控制器输出。选择停止阈值和复位阈值的值，使得复位阈值高于停止阈值以允许所述积分器具有所述堆22的性能的某些记忆，从而使得如果速发瞬态(immediate transient)导致堆电压V降至电压设定点Vsp之下，控制器32能够更快地响应。基于所述电压设定点Vsp和所述堆22的寿命来安排积分器增益。
控制器32的输出是限制所述堆22的电流密度输出的电流极限值Ilim。当在线36上向堆电流控制器34做出功率请求Preq时，控制器34将功率请求信号Preq转换为电流请求信号Ireq。电流请求Ireq被发送到比较器38，比较器38比较电流请求信号Ireq与电流极限值Ilim，并且输出这两者中的较小者到所述堆22，使得基于电压设定点Vsp或者基于电流请求信号Ireq限制所述堆22的电流密度输出。
PI控制器32的增益Kp和Ki由自适应增益调度器40设置。基于由极化曲线估计器42提供的极化曲线预估算法来调整增益Kp和Ki。估计器42接收来自所述堆22的电压输出信号V和电流密度输出信号j并且产生堆参数的估计值。当所述堆22随寿命退化时，所述参数发生变化，这减少了从所述堆22可得到的最大功率。在这个非限制性例子中，图1中示出的曲线图中的每一个区段10、12和14具有与之相关联的特定增益Kp和Ki。因此，当自适应增益调度器40确定所述堆22随着其老化已经进入新的区段时，极化曲线参数用来改变所述特定区段的增益。
燃料电池系统的许多控制参数需要所述燃料电池堆的极化曲线的知识，例如知道从所述燃料电池堆可得到的最大电压电势和电流汲取(current draw)。如上面提到的，随着所述堆老化，作为堆退化的结果所述堆极化曲线也发生改变。2007年1月31日提交的、题为Algorithm for Online Adaptive Polarization CurveEstimation of a Fuel Cell Stack的美国专利申请序列号11/669,898公共了一种当燃料电池系统运行时在线计算燃料电池堆的极化曲线的算法，该专利申请被转让给本申请的受让人并且在此引入以供参考。所述“898申请的算法根据该堆运行时收集的数据估计两个或更多个堆参数，并且使用所述参数计算极化曲线。当燃料电池堆正在运转并且已经满足一定的数据有效性准则，所述算法进入良好的收集模式，在该模式下其收集堆数据，例如堆电流密度，平均电池电压和最小电池电压。当所述堆被关闭(shut down)时，所述算法使用电池电压模型来求解估计定义极化曲线的预定参数的非线性最小二乘问题。如果估计参数满足一定的终止准则，则存储估计的参数以由系统控制器用来计算所述堆的极化曲线，以便用于将来的堆运转。极化曲线估计器42能够使用“898申请中的极化曲线估计过程或者任何其它合适的算法。
在一个非限制性实施例中，修改控制器增益，使得它们在寿命结束区段14比在寿命开始区段10响应地更快速并且更严厉，以便避免由于低的堆电压而导致系统关闭，代价是发生振荡。在堆22的寿命开始期间，衰减(relax)控制器增益以允许所述堆22在瞬态期间正常恢复并且避免任何不必要的限制和振荡。
前述的讨论仅公开和描述了本发明的示范性实施例。本领域技术人员根据这些讨论和附图以及权利要求书中可以容易地认识到，在不脱离如随附的权利要求书定义的本发明的精神和范围的前提下可以做出各种改变，修改和变化。

Claims (22)

1、一种燃料电池系统，包括：
提供输出电压信号和输出电流信号的燃料电池堆；
将来自所述堆的所述输出电流信号转换为电压设定点信号的转换表；
第一比较器，其响应于所述电压设定点信号和来自所述燃料电池堆的所述电压输出信号，并且提供它们之间的电压差信号；
响应于所述电压差信号和控制信号的电流限制控制器，所述电流限制控制器提供电流限制信号；以及
响应于所述电流限制信号和电流请求信号的第二比较器，所述第二比较器选择所述电流限制信号和所述电流请求信号中较小的一个并且提供所述较小的电流信号给所述燃料电池堆作为定义从所述堆可得到的最大电流的最大电流信号。
2、如权利要求1所述的系统，进一步包括响应于来自所述燃料电池堆的所述输出电压信号和所述输出电流信号的极化曲线估计器，所述极化曲线估计器提供设定用于所述控制器的所述控制信号的系统参数。
3、如权利要求2所述的系统，其中所述电流限制控制器是比例积分控制器并且所述控制信号包括比例增益和积分增益。
4、如权利要求3所述的系统，其中所述比例增益和积分增益是基于所述堆当前正在运行的寿命区来设定的。
5、如权利要求3所述的系统，其中所述比例积分控制器的比例部分仅当所述电压差信号为负时才是活动的。
6、如权利要求3所述的系统，其中用停止和复位控制启用以及禁用所述比例积分控制器的积分部分，其中所述停止控制只有当所述电压差信号小于预定阈值时才被启用并且如果所述电压差信号小于第二阈值，则所述复位控制使所述控制器复位。
7、如权利要求6所述的系统，其中所述第一阈值小于所述第二阈值。
8、如权利要求1所述的系统，进一步包括响应于堆功率请求信号的堆电流控制器，所述堆电流控制器提供所述电流请求信号。
9、如权利要求1所述的系统，其中所述电压设定点信号随着所述电流密度输出信号的增加而减小。
10、一种燃料电池系统，包括：
提供输出电压信号和输出电流信号的燃料电池堆；
将来自所述堆的所述输出电流信号转换为电压设定点信号的转换表；
第一比较器，其响应于所述电压设定点信号和来自所述燃料电池堆的所述电压输出信号，并且提供它们之间的电压差信号；
响应于所述电压差信号以及比例和积分自适应增益的比例积分控制器，所述比例积分控制器提供电流限制信号；
响应于来自所述燃料电池堆的所述输出电压信号和所述输出电流信号的极化曲线估计器，所述极化曲线估计器提供定义所述比例增益和所述积分增益的系统参数；
响应于堆功率请求信号的堆电流控制器，所述堆电流控制器提供电流请求信号；以及
响应于所述电流限制信号和电流请求信号的第二比较器，所述第二比较器选择所述电流限制信号和所述电流请求信号中较小的一个并且提供所述较小的电流信号给所述燃料电池堆作为定义从所述堆可得到的最大电流的最大电流信号。
11、如权利要求10所述的系统，其中所述比例增益和积分增益是基于所述堆当前正在运行的寿命区来设定的。
12、如权利要求10所述的系统，其中所述比例积分控制器的比例部分仅当所述电压差信号为负时才是活动的。
13、如权利要求10所述的系统，其中用停止和复位控制启用以及禁用所述比例积分控制器的积分部分，其中所述停止控制只有当所述电压差信号小于预定阈值时才被启用并且如果所述电压差信号小于第二阈值，则所述复位控制使所述控制器复位。
14、如权利要求13所述的系统，其中所述第一阈值小于所述第二阈值。
15、如权利要求10所述的系统，其中所述电压设定点信号随着所述电流密度输出信号的增加而减小。
16、一种限制来自燃料电池堆的输出电流的方法，所述方法包括：
将来自所述燃料电池堆的输出电流信号转换为电压设定点信号；
提供所述电压设定点信号和来自所述燃料电池堆的输出电压信号之间的电压差信号；
基于所述电压差信号和控制信号提供电流限制信号；
选择所述电流限制信号和电流请求信号中较小的一个；以及
提供所述较小的电流信号给所述燃料电池堆作为定义从所述堆可得到的最大电流的最大电流信号。
17、如权利要求16所述的方法，进一步包括基于根据所述堆输出电压信号和所述堆输出电流信号计算的极化曲线估计系统参数，所述系统参数设定用于所述控制器的所述控制信号。
18、如权利要求17所述的方法，其中提供电流限制信号包括使用比例积分控制器，并且其中所述控制信号包括比例增益和积分增益。
19、如权利要求18所述的方法，其中所述比例增益和积分增益是基于所述堆当前正在运行的寿命区设定的。
20、如权利要求18所述的方法，其中所述比例积分控制器的比例部分仅当所述电压差信号为负时才是活动的。
21、如权利要求18所述的方法，其中用停止和复位控制启用以及禁用所述比例积分控制器的积分部分，其中所述停止控制只有当所述电压差信号小于预定阈值时才被启用并且如果所述电压差信号小于第二阈值，则所述复位控制使所述控制器复位。
22、如权利要求16所述的方法，其中所述电压设定点信号随着所述电流密度输出信号的增加而减小。
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