CN102201584A - 用于阀控制的冷却剂旁通路径的诊断原理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于阀控制的冷却剂旁通路径的诊断原理。一种确定与发动机有关的热力子系统的舱室加热旁通线路中的截止阀是否已经失效的系统和方法，其使用将冷却流体泵送通过旁通线路的泵的泵电流。所述方法包括设定泵的预定常量速度以及然后提供打开旁通阀的阀指令。所述方法然后确定在旁通阀被指令打开时泵电流是增加还是保持大致相同，以及如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。

Description

用于阀控制的冷却剂旁通路径的诊断原理
技术领域
本发明总体上涉及用于确定截止阀是否正常操作的系统和方法，且更具体地涉及通过确定泵送冷却流体的泵的泵电流是否表示阀闭合来确定截止阀是否正常操作的系统和方法，其中，截止阀引导燃料电池系统中流动的冷却流体。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。所述功可以用于操作车辆。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。对于上述机动车燃料电池堆，燃料电池堆可以具有两百或更多单独电池。燃料电池堆接收阴极反应物气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的液体水和/或水蒸汽。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应物气体。
燃料电池堆需要在最佳相对湿度和温度下操作以提供有效的燃料电池堆操作和耐用性。机动车应用的典型燃料电池堆操作温度是大约80℃。对于具体燃料电池堆压力而言，燃料电池堆温度在燃料电池堆中的燃料电池内提供相对湿度。高于最佳温度的过高燃料电池堆温度可能损害燃料电池部件且减少燃料电池的寿命时间。同样，低于最佳温度的燃料电池堆温度降低燃料电池堆性能。因而，燃料电池系统采用热力子系统，其控制燃料电池堆内的温度以保持热力平衡。
用于机动车燃料电池系统的典型热力子系统包括散热器、风扇和泵。所述泵将冷却流体（例如水和乙二醇混合物）泵送通过燃料电池堆内的冷却流体通道，其中，冷却流体收集燃料电池堆废热。冷却流体通过管或软管从燃料电池堆引导到散热器，在散热器处，其被由于车辆运动而强制通过散热器的环境空气或者通过风扇操作而冷却。由于排出大量废热以提供相对低的操作温度的散热器空气流的高需求，风扇通常是大功率的且散热器是相对大的。与类似额定功率的内燃机相比，由于燃料电池系统的较低操作温度以及仅相对少量的热通过燃料电池系统中的阴极排气排出的事实，散热器的物理尺寸和风扇的功率必须较高。
泵送通过燃料电池堆的冷却流体通常也用于给车辆的客舱提供舱室加热。为了提供这种加热，设置离开主冷却剂回路的辅助回路，其将冷却流体引导到舱室加热器芯，舱室加热器芯使用来自于冷却流体的热量以将已加热空气分配到车辆舱室。舱室加热器芯设置在车辆舱室中的气候控制模块内。电加热器通常设置在辅助回路中以将冷却流体的温度升高至适合于提供舱室加热的温度。加热器芯操作为热交换器，其接收已加热冷却流体且使得从中流过的空气被加热。截止阀设置在辅助回路中，且可以根据是否期望舱室加热而打开或闭合。当阀打开时，冷却流体提供给舱室加热器芯以提供加热，当阀闭合时，冷却流体对于舱室加热器芯不可用。
截止阀通常是可能易于失效的便宜阀。如果阀卡住在闭合位置且给出打开阀的指令，那么由于冷却流体不可用于去除热量，因而电加热器或其它部件会被损坏。由于截止阀通常便宜，因而从阀没有提供表示是否响应于指令实际打开或闭合的反馈。
传感器和开关可以设置在舱室加热器芯中和周围以检测温度，且在温度过高的情况下（可能由于阀失效）切断电加热器。然而，这些部件和装置增加了系统的成本和重量，其中，期望消除所述部件。此外，联接到传感器所需的布线和连接器也增加了系统的成本和复杂性。通常，传感器将需要直接联接到电加热器以确定是否已经发生过热。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种确定与发动机有关的热力子系统的舱室加热旁通线路中的截止阀是否已经失效的系统和方法，其使用将冷却流体泵送通过旁通线路的泵的泵电流。所述方法包括设定泵的预定常量速度以及然后提供打开旁通阀的阀指令。所述方法然后确定在旁通阀被指令打开时泵电流是增加还是保持大致不变，以及如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。
方案1. 一种确定旁通阀是否已经失效的方法，所述方法包括：
提供功率源；
使用电动泵将冷却流体泵送通过功率源和在功率源外部的冷却剂回路；
在冷却剂回路中提供旁通线路，所述旁通线路包括旁通阀；
控制旁通阀的位置以允许冷却流体流经旁通线路或者不流经旁通线路；
设定泵的预定常量速度；
在已经设定泵速度之后，提供打开旁通阀的阀指令；
在旁通阀被指令打开之后，确定泵电流是增加还是保持大致不变；以及
如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，旁通线路将冷却流体引导到加热器。
方案3. 根据方案2所述的方法，其中，加热器加热冷却流体以加热车辆舱室。
方案4. 根据方案2所述的方法，其中，加热器是电阻加热器。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，设定泵的预定常量速度包括将泵速度增加至常量速度。
方案6. 根据方案1所述的方法，其中，确定泵电流是增加还是保持大致不变包括将旁通阀被指令打开之后的泵电流与旁通阀被指令打开之前的存储泵电流进行比较且确定所述泵电流之间的差是否超过预定阈值。
方案7. 根据方案1所述的方法，其中，功率源是燃料电池堆。
方案8. 根据方案1所述的方法，其中，功率源是内燃机。
方案9. 一种确定阀是否已经失效的方法，所述阀将冷却流体流选择性地提供给车辆中的舱室电加热器，所述方法包括：
提供打开阀的阀指令；以及
如果在阀被指令打开时泵的泵电流保持大致不变，那么确定阀未响应于阀指令打开，所述泵将冷却流体泵送通过阀。
方案10. 根据方案9所述的方法，其中，所述阀处于与冷却剂回路有关的旁通线路中，所述冷却剂回路将冷却流体引导到车辆中的功率源。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，功率源是燃料电池堆。
方案12. 根据方案10所述的方法，其中，功率源是内燃机。
方案13. 根据方案9所述的方法，还包括：在阀被指令打开之前，通过增加泵速度，设定泵的预定常量速度。
方案14. 根据方案9所述的方法，还包括：存储阀被指令打开之前的泵电流，其中，确定阀未打开包括将存储泵电流与阀被指令打开之后的泵电流进行比较。
方案15. 根据方案9所述的方法，其中，加热器是电阻加热器。
方案16. 一种确定旁通线路中的旁通阀是否已经失效的方法，所述旁通线路是冷却剂回路的一部分，所述冷却剂回路将冷却流体引导通过燃料电池堆和燃料电池堆外部的线路，所述冷却流体由电动泵泵送，所述旁通线路在旁通阀打开时将冷却流体流引导到舱室加热器，所述方法包括：
设定泵的预定常量速度；
存储已经设定泵速度之后的泵电流值；
在已经设定泵速度且已经存储泵电流值之后，提供打开旁通阀的阀指令；
通过将泵电流与存储泵电流值进行比较，确定在旁通阀被指令打开之后泵电流是增加还是保持大致不变；以及
如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中，设定泵的预定常量速度包括将泵速度增加至常量速度。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中，加热器是电阻加热器。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是燃料电池系统的热力子系统的示意性框图；
图2是示出了在旁通阀闭合时和在旁通阀打开时的系统特性和泵映射线的曲线图，水平轴为体积流量，竖直轴为压力；
图3是示出了在旁通阀闭合时和在旁通阀打开时图2中的曲线图的泵电流和系统特性之间的关系的曲线图，水平轴为体积流量，竖直轴为电流；和
图4示出了泵速度、泵电流和阀指令之间的关系的曲线图，水平轴为时间，竖直轴为大小。
具体实施方式
涉及用于基于电动泵电流来确定舱室加热旁通阀是打开还是闭合的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本文的说明涉及燃料电池系统的热力子系统。然而，本领域技术人员将理解，本发明的系统和方法可以应用于其它类型的系统，包括车辆（包括内燃机车辆）的其它系统。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意图。虽然该说明针对燃料电池系统，但是下文针对确定舱室加热器旁通阀是否失效详细描述的技术并不限于燃料电池系统，而可应用于采用舱室加热的其它类型车辆，例如内燃机车辆。燃料电池系统10包括具有冷却剂回路14的热力子系统，冷却流体通过冷却剂回路14在燃料电池堆12外部流动。冷却流体可以是适合于本文所述目的的任何冷却流体，其中许多是本领域技术人员熟知的。泵16将冷却流体泵送通过冷却剂回路14且通过燃料电池堆12内的冷却流体流动通道。泵16是由DC马达18驱动的电动泵，且可以具体地为电动/比例冷却流体泵，但是其它类型的电动泵是可应用的。
泵16将冷却流体泵送通过冷却剂回路14且通过散热器20，散热器在冷却流体返回燃料电池堆12之前降低冷却流体的温度以吸取更多的废热。散热器20可以是适合于本文所述目的的任何散热器，例如接收由风扇（未示出）强制通过散热器的冷却空气的散热器。风扇可以选择性地控制由散热器20提供多少冷却给冷却流体。此外，旁通线路22在散热器20周围设置，其中，流经旁通线路22和/或散热器20的冷却流体由比例旁通阀22控制。对于低温操作，阀24可以使得冷却流体流完全旁通散热器20，从而冷却流体被更快地加热到燃料电池堆12的操作温度，且在燃料电池系统10的操作期间可以选择性地控制流经散热器以及在旁通线路22上绕过散热器20的冷却流体量，以有助于与泵16的速度和散热器20提供的冷却结合来控制冷却流体的温度。
冷却流体还可以用于给热交换器提供热量，热交换器加热车辆的舱室或客舱。具体地，冷却流体可以被选择性地输送通过舱室加热器旁通线路26，舱室加热器旁通线路26由截止阀28控制。截止阀28是打开/闭合阀，其中，冷却流体要么提供通过旁通线路26，要么不是如此。旁通线路中的电加热器30（如，电阻加热器）加热旁通线路26中的冷却流体以将其温度增加高于燃料电池堆12的操作温度，以便提供增加的舱室加热。旁通线路26中的已加热冷却流体然后输送到舱室加热器芯32，舱室加热器芯32操作为热交换器，其以本领域技术人员熟知的方式使用已加热冷却流体来加热被吹到客舱中的空气。如果不期望舱室加热，那么阀28闭合，从而舱室加热不可用且电加热器30关闭。
如上所述，阀28可能失效且卡住在闭合位置，尽管给出打开阀28的指令。对于用于这些类型的热力子系统中的阀的类型，没有告知阀28是否发生故障，因而，电加热器30可能在没有到加热器30的冷却流体流的情况下接通，这会引起各个部件的损坏。传感器可以与电加热器30一起设置，但是这些传感器和与其有关的电线给系统增加了显著的成本。本发明提出一种通过考虑马达18中的泵电流来确定阀28是否卡住在闭合位置的技术。具体地，在阀28打开时，通过冷却剂回路14和旁通线路26的流体流阻力将较低，对于相同泵速度，这将引起泵电流增加。
图2和3是示出了在本发明中使用以确定阀28是打开还是闭合的系统关系的曲线图。图2包括水平轴上的冷却流体的标准化体积流量和竖直轴上的冷却流回路14内的标准化压力。曲线40表示泵映射线，表示对于常量泵速度的泵操作而言冷却剂回路14中的压力和通过泵16的体积流量之间的关系。曲线42表示在旁通阀28闭合时热力子系统压力和冷却流体体积流量之间的热力子系统特性曲线。子系统特性考虑在冷却流体不流经旁通线路26时冷却流体流经的所有流动路径和部件，如上文在系统10中所述。曲线42和40之间的交点表示在旁通阀28闭合时泵16操作的泵映射图上的位置。
当旁通阀28打开时，由于通过冷却剂回路14和此时通过旁通线路26的冷却流体流的阻力较小，因而热力子系统和冷却剂回路14中的总压力下降。由于在旁通阀28处于打开位置时热力子系统中的冷却流体流的阻力较小，因而系统特性曲线移动至线46，其中，特性曲线46和泵映射曲线40之间的交点在点48处。因而，在较低压力时冷却流体的体积流量增加。
图3示出了水平轴上的标准化体积流量和竖直轴上的标准化泵电流，其中，曲线50表示对于这些值之间的关系而言在常量泵速度时的泵特性。在旁通阀28闭合时，对于该系统压力，泵电流将处于点52处。在旁通阀28打开时，由于较低压力和较低阻力，于是泵电流在点54处操作。
当旁通阀28打开或闭合且流动阻力变化时，由马达18提供的泵电流被调节，使得泵16的速度和从而冷却流体的体积流量保持不变。因而，如果给出打开旁通阀28的指令，这将响应于总压力的下降而降低流动阻力，那么施加到泵16的电流应当响应于此增加。因而，如果对于具体泵速度而言给出打开旁通阀28的指令且泵电流不增加，那么系统知道阀28未响应于该指令而打开。
上述关系可以用作确定旁通阀28是否正常操作的诊断工具，如图4的曲线图所示，其中，水平轴为时间，竖直轴为大小。在线60和62表示的时间之间的诊断循环期间提供旁通阀28是否正常操作的确定。在时间60，诊断指令使得泵速度增加至线64所示的某常量值。此时，旁通阀28闭合，如阀指令线66所示。当泵速度增加时，泵电流也增加，如泵电流线68所示。在由线70表示的某一时间，旁通阀28被指令打开，如阀指令线66所示。如果旁通阀28正常操作，那么由于包括旁通线路26引起的热力子系统的较低阻力将使得泵电流增加以保持不变的泵速度和体积流量。因而，如果在时间70泵电流不增加（由线72表示），那么诊断工具知道旁通阀28未打开，尽管已经给出了打开指令。在阀28在时间70指令打开之前，存储具体泵速度的泵电流值，从而可以与时间70之后的泵电流进行比较。如果在时间70之前和之后的泵电流之间的差不超过预定阈值，那么系统将设定表示旁通阀20已经失效的诊断标记，且将不接通加热器30。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种确定旁通阀是否已经失效的方法，所述方法包括：
提供功率源；
使用电动泵将冷却流体泵送通过功率源和在功率源外部的冷却剂回路；
在冷却剂回路中提供旁通线路，所述旁通线路包括旁通阀；
控制旁通阀的位置以允许冷却流体流经旁通线路或者不流经旁通线路；
设定泵的预定常量速度；
在已经设定泵速度之后，提供打开旁通阀的阀指令；
在旁通阀被指令打开之后，确定泵电流是增加还是保持大致不变；以及
如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，旁通线路将冷却流体引导到加热器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，加热器加热冷却流体以加热车辆舱室。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，加热器是电阻加热器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，设定泵的预定常量速度包括将泵速度增加至常量速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定泵电流是增加还是保持大致不变包括将旁通阀被指令打开之后的泵电流与旁通阀被指令打开之前的存储泵电流进行比较且确定所述泵电流之间的差是否超过预定阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，功率源是燃料电池堆。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，功率源是内燃机。
9.一种确定阀是否已经失效的方法，所述阀将冷却流体流选择性地提供给车辆中的舱室电加热器，所述方法包括：
提供打开阀的阀指令；以及
如果在阀被指令打开时泵的泵电流保持大致不变，那么确定阀未响应于阀指令打开，所述泵将冷却流体泵送通过阀。
10.一种确定旁通线路中的旁通阀是否已经失效的方法，所述旁通线路是冷却剂回路的一部分，所述冷却剂回路将冷却流体引导通过燃料电池堆和燃料电池堆外部的线路，所述冷却流体由电动泵泵送，所述旁通线路在旁通阀打开时将冷却流体流引导到舱室加热器，所述方法包括：
设定泵的预定常量速度；
存储已经设定泵速度之后的泵电流值；
在已经设定泵速度且已经存储泵电流值之后，提供打开旁通阀的阀指令；
通过将泵电流与存储泵电流值进行比较，确定在旁通阀被指令打开之后泵电流是增加还是保持大致不变；以及
如果在旁通阀被指令打开时泵电流保持大致不变，那么确定旁通阀未打开。
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