CN102401720B - 贮氢系统中的压力传感器的校准 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及贮氢系统中的压力传感器的校准。具体地，提供了一种用于对燃料电池车辆贮氢系统中的压力传感器进行自动校准的方法和系统。燃料电池系统中的低量程压力传感器(在低压力读数下具有高得多的精确度)用于对贮氢系统中的高量程压力传感器进行校准。只有当位于这两个传感器之间的压力调节器处于完全打开的位置时才能进行此校准。在这种状况下，可以将高量程传感器校准至低量程传感器的值，因而提高高量程传感器读数的精确度。校准可以是在静态条件下将高量程传感器简单地设定为低量程传感器的值，或者可以在气体从贮氢系统流到燃料电池时通过考虑这两个传感器之间的压力降而进行校准。

Description

贮氢系统中的压力传感器的校准
技术领域
本发明总体上涉及贮氢系统的压力传感器的校准，更具体地，本发明涉及一种对燃料电池车辆贮氢系统中使用的压力传感器进行校准的方法和系统；本发明的方法和系统利用来自在贮氢系统外部的低量程压力传感器的压力读数对贮氢系统中的高量程压力传感器进行校准，以减小在高量程传感器量程下端的公差带。
背景技术
人们期待在不久的将来燃料电池车辆在汽车市场中的普及率会迅速增加。燃料电池车辆提供若干期望的特征，例如实际上为无污染的排放以及避免车辆使用石油燃料。燃料电池车辆的关键部件是贮氢系统，该贮氢系统贮存被大部分燃料电池车辆用作燃料的氢气。贮氢系统通常是由一个或多个相互连接的用于贮存气态氢的压力容器所组成，并且具有许多对贮氢系统运行所必需的阀、测量仪表和配件。使车辆续驶里程最大化同时适合封装限制并且满足管理机构的要求，是燃料电池车辆贮氢系统设计中的关键考虑因素。
燃料电池需要处于规定压力下的可靠氢气源。利用压力调节器将氢气从其在容器中贮存时的高压减小至燃料电池所必需的较低规定压力。然而，贮氢系统中使用的压力容器不能耐受从过分低的氢气压力开始的快速再填充，因此如果贮氢系统中的压力达到最低容许压力值则必须关闭车辆中的燃料电池。不幸的是，通常在容器中看见的能够测量高氢气压力的压力传感器在低压量程中并不十分准确。因此，在当前的贮氢系统中，不能准确地确定何时贮氢系统中的压力已达到最低容许压力。结果，必须将公差带应用到压力读数，并且当压力读数减去公差值后达到最低容许压力时必须关闭燃料电池。
需要一种用于贮氢系统中压力传感器的校准方法，该校准方法能提高在传感器量程下端的压力读数的精确度。这种方法能够在贮存容器将近排空时提供氢气压力的更准确读数，因此消除在压力读数附近的大的公差带，从而避免燃料电池的提前关闭，并且允许明显更多的氢燃料用于给车辆提供动力。结果，车辆将具有更大的在加油站之间的续驶里程，这对于驾驶员来说是真正的益处。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种对燃料电池车辆贮氢系统中的压力传感器进行自动校准的方法和系统。燃料电池系统中的低量程压力传感器(在低压力读数下具有高得多的精确度)用于对贮氢系统中的高量程压力传感器进行校准。只有当位于这两个传感器之间的压力调节器处于完全打开位置时才能进行此校准。在这种状况下，可以将高量程传感器校准为低量程传感器的值，因而大大提高高量程传感器在其量程下端的读数的精确度。该校准可以是在静态(无流动)条件下简单地将高量程传感器设定为低量程传感器的值，或者可以当氢气从贮氢系统流到燃料电池时通过考虑（account for）这两个传感器之间的压力降而进行校准。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种对气体贮存系统中的压力传感器进行校准的方法，所述气体贮存系统包括一个或多个用于贮存气体的压力容器，其中所述气体贮存系统将所述气体提供给下游装置，所述方法包括：
运行所述气体贮存系统和所述下游装置；
监测在所述气体贮存系统内的第一压力传感器和在所述下游装置内的第二压力传感器处的气体压力；
允许所述第一压力传感器处的气体压力下降至压力调节器的调节压力，所述压力调节器位于所述第一压力传感器下游；
验证所述压力调节器是完全打开的；以及
将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器。
方案2. 如方案1所述的方法，其中，允许所述第一压力传感器处的气体压力下降至压力调节器的调节压力包括：关闭位于所述一个或多个压力容器中的各压力容器的下游的容器切断阀，以使在所述第一压力传感器处的气体压力下降。
方案3. 如方案1所述的方法，其中，验证所述压力调节器是完全打开的包括：对所述第二压力传感器处的压力降进行检测。
方案4. 如方案1所述的方法，其中，验证所述压力调节器是完全打开的包括：从所述压力调节器接收表示所述压力调节器是完全打开的信号。
方案5. 如方案1所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
方案6. 如方案1所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：使所述第一压力传感器与所述第二压力传感器处的气体压力达到静态平衡。
方案7. 如方案6所述的方法，其中，使所述第一压力传感器与所述第二压力传感器处的氢气压力达到静态平衡包括：关闭在所述下游装置中的所述第二压力传感器下游的系统切断阀，以防止气体流过所述压力调节器。
方案8. 如方案1所述的方法，其中，所述气体是氢气，所述下游装置是燃料电池系统。
方案9. 如方案8所述的方法，其中，所述燃料电池系统用于给车辆提供动力。
方案10. 一种对车辆燃料电池的贮氢系统中的压力传感器进行校准的方法，所述贮氢系统包括一个或多个用于贮存氢气的压力容器，其中所述贮氢系统将氢气提供给燃料电池，所述方法包括：
运行所述贮氢系统和所述燃料电池；
对所述贮氢系统内的第一压力传感器和所述燃料电池内的第二压力传感器处的氢气压力进行监测；
使所述第一压力传感器处的氢气压力下降至压力调节器的调节压力，所述压力调节器位于所述第一压力传感器下游；
验证所述压力调节器是完全打开的；以及
将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器。
方案11. 如方案10所述的方法，其中，使所述第一压力传感器处的氢气压力下降至压力调节器的调节压力包括：关闭位于所述一个或多个压力容器中的各压力容器下游的容器切断阀，以使在所述第一压力传感器处的氢气压力下降。
方案12. 如方案10所述的方法，其中，验证所述压力调节器是完全打开的包括：对所述第二压力传感器处的压力降进行检测。
方案13. 如方案10所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
方案14. 一种用于燃料电池的自我压力校准贮氢系统，所述贮氢系统包括：
一个或多个压力容器，其用于贮存氢气；
各压力容器的容器切断阀；
第一压力传感器，其用于测量所述压力容器中的氢气压力；
压力调节器，其用于将来自所述压力容器的氢气压力降低至调节压力；
第二压力传感器，其用于测量在所述燃料电池进口处的氢气压力；以及
控制器，其与所述压力传感器、所述切断阀和所述压力调节器通信，所述控制器被配置成接收来自所述压力传感器、所述切断阀和所述压力调节器的信号，控制所述切断阀的打开和关闭并对所述第一压力传感器进行校准。
方案15. 如方案14所述的贮氢系统，其中，所述控制器被配置成当所述压力调节器处在完全打开的位置时将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器。
方案16. 如方案15所述的贮氢系统，其中，所述控制器通过检测所述第二压力传感器处的压力降来确定所述压力调节器是否处于完全打开的位置。
方案17. 如方案14所述的贮氢系统，其中，当对所述第一压力传感器进行校准时，所述控制器考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
方案18. 如方案14所述的贮氢系统，其中，所述控制器在对所述第一压力传感器进行校准之前等待氢气压力在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间达到静态平衡。
方案19. 如方案14所述的贮氢系统，其中，所述第二压力传感器的压力测量公差低于所述第一压力传感器的压力测量公差。
方案20. 如方案14所述的贮氢系统，其中，所述燃料电池用于给车辆提供动力。
根据下面的描述和所附权利要求并结合附图，本发明的其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是燃料电池的贮氢系统的示意图。
图2是显示如何能够通过压力传感器的校准来提高燃料电池车辆续驶里程的柱状图。
图3是显示如何能够计算出在各种流率和压力条件下高量程压力传感器与低量程压力传感器之间的压力降的图。
图4是能够被用于对图1的贮氢系统中的高量程压力传感器进行校准的方法的流程图。
具体实施方式
以下对涉及贮氢系统中压力传感器校准的本发明实施例的论述，在性质上仅仅是示例性的，而绝不是意图限制本发明或者其应用或用途。例如，本发明所公开的方法和系统具体应用于燃料电池车辆的贮氢系统，但是也可以适用于任何气体贮存系统或气体处理系统中的压力传感器的校准。
燃料电池可以设计成使用多种燃料，但是正在被开发用于大部分汽车用途的燃料电池是使用氢气作为燃料。这种燃料电池需要通常由贮氢系统提供的可靠氢气源。
图1是燃料电池12的贮氢系统10的示意图。贮氢系统10包括压力容器14，用从外部供给源(未图示)经由注入管路16所提供的氢气来填装压力容器14。图中显示贮氢系统10具有两个压力容器14，然而也可以使用多于两个或少于两个的容器14。切断阀18位于各容器14的下游。在全部本公开内容中，使用的术语“上游”和“下游”是相对于气流从压力容器14到燃料电池12的方向而言。压力传感器20提供恰在切断阀22和压力调节器24上游的压力测量能力。压力调节器24将氢气压力从容器14的较高可变压力值降低至适合于燃料电池12的较低恒定压力值。燃料供给管路26将贮氢系统10连接到燃料电池12。
压力传感器28测量在燃料电池12进口处的压力。过滤器30在氢气经过管路32到达燃料电池阳极(未图示)供消耗之前对氢气进行过滤。与切断阀18、压力传感器20、切断阀22、压力调节器24、压力传感器28和燃料电池12通信的控制器34可以用于监测贮氢系统10和燃料电池12中的状况并且控制校准程序，如下所述。为简单起见，燃料电池12的剩余部件未图示，而且各种过滤器、止回阀、减压阀、和贮氢系统10的其它部件也未图示。
由压力传感器20测量的压力容器14中所容纳氢气的压力可以高达700巴甚至更高。结果，必须将高量程变送器或传感器用于压力传感器20，高量程传感器固有地在它们的压力读数附近具有高公差带，这对于在其量程下端的压力读数来说是特别成问题的。典型压力变送器或压力传感器(如压力传感器20)由膜以及可能的若干电子部件组成，其被配置成产生与由膜所经历的压力差成比例的输出电压信号。传感器20的各部件具有可以表示成正或负的压力变化的基础公差。此外，传感器20的各部件还经历长期漂移，这进一步影响传感器20的精确度。当把各部件的所有公差相加起来时，典型的高量程压力变送器或传感器(如压力传感器20)可以具有+/-30巴或更高的公差。
高公差带导致贮氢系统10的问题，因为压力传感器20处的压力读数的高公差带导致难以准确确定实际上有多少氢留在容器14中。出于可靠性的原因，将压力容器14设计成一次加压到某一水平并且从此以后不应当允许容器14中的压力降低至低于某个最低容许压力。例如，容器14可具有20巴的最低容许压力。如果压力传感器20具有+/-30巴的公差，那么当压力传感器20的读数为50巴(20巴的实际压力加上30巴的公差)时可能达到20巴的最低容许压力。因此，由于在传感器20读数附近存在+/-30巴的公差，因而贮氢系统10必须设计成当传感器20处的压力读数达到50巴时就关闭，从而保护容器14。然而，由于传感器20中压力读数的不确定性，因此在这种情况下留在容器14中的实际压力可能高达80巴(50巴的读数加上30巴的公差)。所有这个的结果是贮氢系统10和燃料电池12必须设计成在(在大多数情况下)可观的可用量的氢气仍然留在容器14中时关闭。
也规定了20巴的最低容许压力，以保持体积流率在合理的极限以下同时获得燃料电池12在满功率下运行所需的质量流率。在没有最低容许压力极限的情况下，在低容器压力条件下经历的高体积流率使得在整个贮氢系统10中需要更大的管道和配件。
可以通过减小在传感器20压力读数附近的公差带来解决在前面段落中所述的问题。这可以通过在其量程的下端对压力传感器20进行校准而完成，因而大大降低了公差，通常公差从+/-30巴的值降至大约+/-5 巴的值。在公差为+/-30巴的情况下，当由于最低容许压力燃料电池12需要关闭时，容器14中的实际压力可以是20巴与80巴之间的任何值。相反，在公差为+/-5巴的情况下，当需要关闭时容器14中的实际压力可以在20巴与30巴之间的任意处。额外50巴的可用氢气压力(80巴减去30巴)表示正在由燃料电池12提供动力的车辆的显著额外里程。
图2是显示如何能够利用压力传感器校准来提高燃料电池车辆的续驶里程的柱状图40。竖直轴42代表续驶里程。柱44显示在未进行压力传感器校准的典型燃料电池车辆中由于压力读数的高公差所经历的量程损失。柱46显示相同的典型燃料电池车辆的总续驶里程。柱48显示由如上所述完成了压力传感器校准的燃料电池车辆所经历的量程损失。柱50显示完成了压力传感器校准的燃料电池车辆的总续驶里程。可以看出在柱44与柱48之间续驶里程的损失被显著减小，同时从柱46至柱50总续驶里程增加了相同量。虽然所提供的柱状图40中没有里程刻度，但是注意到在标称续驶里程为350～400英里的车辆中利用压力传感器校准实现50英里的续驶里程增加是可能的。
可以按如下所述方式完成压力传感器20的校准。如图1中所示及如上所述，压力传感器28可以仅经历燃料电池12所必需的相对较低压力氢气。传感器28处的压力通常低于10巴。因此，压力传感器28可以是低量程设计，约20巴的最大量程就足够了。这与压力传感器20的700巴或更高的量程相反。因此，压力传感器28由于其低量程而具有固有的较小公差。于是，在某些情况下可利用传感器28对传感器20进行校准。
如果传感器20处的压力降低到足够低的值，那么压力调节器24将完全打开，传感器20和28处的压力将基本上相等，并且可以将传感器20校准至传感器28。因为调节器24的调节压力通常低于容器14中的最低容许压力，所以本段落中所描述的校准情况将不能仅仅通过驾驶车辆直至容器14几乎排空而实现。反之，需要特殊的维护程序或关闭程序来提供校准所必需的条件。这可以利用控制器34通过在燃料电池12运行时关闭切断阀18并且允许使传感器20处的压力下降通过调节器24的调节压力而容易地完成。如果在压力调节器24完全打开后的任何时间将在燃料电池12中的传感器28下游的切断阀(未图示)关闭因而终止氢气流经调节器24，那么压力传感器20和压力传感器28将经历相同的静态压力，并且可以将传感器20校准至传感器28。静态压力平衡也可以通过在关闭切断阀18之后允许传感器20和传感器28处的压力降低至零而达到。
正如本领域技术人员可理解的，“将第一压力传感器校准至第二压力传感器或相对于第二压力传感器校准第一压力传感器”是指调节第一压力传感器的读数使其与第二压力传感器的读数一致。换句话说，第二压力传感器被认为更加准确，因而对第一压力传感器进行调节从而与第二压力传感器相一致。
即使不关闭燃料电池12并且氢气正在流过调节器24，通过考虑（account for）这两个压力传感器之间的压力降也可以将压力传感器20校准至压力传感器28。图3是显示如何能够计算在各种流率和压力条件下压力传感器20与压力传感器28之间的压力降的曲线图60。水平轴62代表经过调节器24的氢气的质量流率。竖直轴64代表传感器20与传感器28之间的压力降。曲线66显示当传感器28处的压力为3巴时作为质量流率的函数的压力降。曲线68显示当传感器28处的压力为5巴时作为质量流率的函数的压力降。曲线图60中包含的数据可以在压力传感器28处的预计质量流率和压力量程中进行测量，因而允许在氢气正在流向燃料电池12时对压力传感器20进行校准。
图4是能够用于实施上述压力传感器20的校准的方法的流程图80。在方块82，让贮氢系统10在阀18和阀22打开的情况下运行，因而向燃料电池12提供氢燃料。在方块84，利用控制器34监测传感器20和传感器28处的压力。在方块86，关闭切断阀18，因而阻止氢气从压力容器14向下游的流动。在方块88，使传感器20和传感器28处的压力下降至调节器24的调节压力，当关闭阀18时这种情况将迅速发生。在方块90，控制器34验证调节器24是完全打开的。这可以通过检测传感器28中在以前恒定值基础上的压力降而进行。一些压力调节器(如调节器24)也能够发送信号给控制器34以表明已达到完全打开的位置。在方块92，通过将压力传感器20的输出值设定为等于压力传感器28的压力读数，而对压力传感器20进行校准。如上所述，在方块92中的校准步骤，可以在静态(无气流)的环境中实施或者通过考虑传感器20与传感器28之间的压力降而在氢气流动时实施。
通过利用上述方法将高量程压力传感器20校准至低量程压力传感器28的值，能够大大提高贮氢系统10内压力读数的精确度，因而能够更完全地消耗压力容器14中的可用氢气。
在对流程图80中所示校准过程的整个论述中，应该理解的是，压力传感器20属于可以用非人工方式进行校准的类型，例如由控制器34进行校准。例如，控制器34 将获知压力传感器28的读数。在方块92，控制器34可以发送信号给压力传感器20而将其输出压力读数值设定为等于来自传感器28的已知压力读数。具有此类型校准能力的数字或模拟/数字压力变送器装置是普遍可以获得的。
其它校准情况也是可以的，包括在加燃料或维护操作期间相对于已知的外部参考值来对压力传感器20进行校准。这些其它情况达到了压力传感器校准的目的，但是它们不能自主地由车载车辆系统完成。在贮氢系统10的压力传感器校准的一种情况下，外部高压氢气供给源(附图中未图示)将会附接到注入管路16，使得可以用氢气填充容器14至高压。在填充容器14之前或之后，如果外部供给系统装备有经准确校准的压力传感器(未图示)，那么外部供给系统的传感器可以用于压力传感器20的校准。
在另一种涉及贮氢系统10的情况下，可以实施维护步骤，其中将经准确校准的外部压力传感器(附图中未示出)附接到注入管路16，并且相对于外部传感器的值对压力传感器20进行校准。维护步骤可以包括在校准之前将贮氢系统10中的压力降低至最低容许压力，因而提供在压力传感器20的量程下端的最大精确度。
利用任何上述校准方法，均可以大大提高燃料电池车辆贮氢系统中所使用压力传感器的精确度。特别地，本发明公开的完全自主的方法和系统，使得能够在无外部介入的情况下按需求对车载压力传感器进行校准。压力传感器精确度的提高允许更大百分比的车载氢燃料供给被利用，因而增加了车辆续驶里程和客户满意度。
前面的论述仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。根据这种论述以及附图和权利要求，本领域技术人员将容易地认识到，在不脱离如所附权利要求中所限定本发明精神和范围的前提下可以做出各种变更、修改和变型。

Claims (16)

1.一种对气体贮存系统中的压力传感器进行校准的方法，所述气体贮存系统包括一个或多个用于贮存气体的压力容器，其中所述气体贮存系统将所述气体提供给下游装置，所述方法包括：
运行所述气体贮存系统和所述下游装置；
监测在所述气体贮存系统内的第一压力传感器和在所述下游装置内的第二压力传感器处的气体压力；
允许所述第一压力传感器处的气体压力下降至压力调节器的调节压力，所述压力调节器位于所述第一压力传感器下游；
通过检测在所述第二压力传感器处的压力降来验证所述压力调节器是完全打开的；以及
将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器，以便提高第一压力传感器在其量程下端的读数的精确度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，允许所述第一压力传感器处的气体压力下降至压力调节器的调节压力包括：关闭位于所述一个或多个压力容器中的各压力容器的下游的容器切断阀，以使在所述第一压力传感器处的气体压力下降。
3.如权利要求1所述的方法，其中，验证所述压力调节器是完全打开的包括：从所述压力调节器接收表示所述压力调节器是完全打开的信号。
4.如权利要求1所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
5.如权利要求1所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：使所述第一压力传感器与所述第二压力传感器处的气体压力达到静态平衡。
6.如权利要求5所述的方法，其中，使所述第一压力传感器与所述第二压力传感器处的氢气压力达到静态平衡包括：关闭在所述下游装置中的所述第二压力传感器下游的系统切断阀，以防止气体流过所述压力调节器。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述气体是氢气，所述下游装置是燃料电池系统。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述燃料电池系统用于给车辆提供动力。
9.一种对车辆燃料电池的贮氢系统中的压力传感器进行校准的方法，所述贮氢系统包括一个或多个用于贮存氢气的压力容器，其中所述贮氢系统将氢气提供给燃料电池，所述方法包括：
运行所述贮氢系统和所述燃料电池；
对所述贮氢系统内的第一压力传感器和所述燃料电池内的第二压力传感器处的氢气压力进行监测；
使所述第一压力传感器处的氢气压力下降至压力调节器的调节压力，所述压力调节器位于所述第一压力传感器下游；
通过检测在所述第二压力传感器处的压力降来验证所述压力调节器是完全打开的；以及
将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器，以便提高第一压力传感器在其量程下端的读数的精确度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，使所述第一压力传感器处的氢气压力下降至压力调节器的调节压力包括：关闭位于所述一个或多个压力容器中的各压力容器下游的容器切断阀，以使在所述第一压力传感器处的氢气压力下降。
11.如权利要求9所述的方法，其中，将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器包括：考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
12.一种用于燃料电池的自我压力校准贮氢系统，所述贮氢系统包括：
一个或多个压力容器，其用于贮存氢气；
各压力容器的容器切断阀；
第一压力传感器，其用于测量所述压力容器中的氢气压力；
压力调节器，其用于将来自所述压力容器的氢气压力降低至调节压力；
第二压力传感器，其用于测量在所述燃料电池进口处的氢气压力；以及
控制器，其与所述压力传感器、所述切断阀和所述压力调节器通信，所述控制器被配置成接收来自所述第一和第二压力传感器、所述切断阀和所述压力调节器的信号，控制所述切断阀的打开和关闭并对所述第一压力传感器进行校准，
其中，所述控制器被配置成通过检测所述第二压力传感器处的压力降来确定所述压力调节器是否处于完全打开的位置；以及被配置成当所述压力调节器处在完全打开的位置时将所述第一压力传感器校准至所述第二压力传感器，以便提高第一压力传感器在其量程下端的读数的精确度。
13.如权利要求12所述的贮氢系统，其中，当对所述第一压力传感器进行校准时，所述控制器考虑所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力降。
14.如权利要求12所述的贮氢系统，其中，所述控制器在对所述第一压力传感器进行校准之前等待氢气压力在所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间达到静态平衡。
15.如权利要求12所述的贮氢系统，其中，所述第二压力传感器的压力测量公差低于所述第一压力传感器的压力测量公差。
16.如权利要求12所述的贮氢系统，其中，所述燃料电池用于给车辆提供动力。
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