CN102956902A - 用于具有脉冲干扰的电子压力调节器系统的先进控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于具有脉冲干扰的电子压力调节器系统的先进控制算法。具体地，用于在压力调节器和注射器之间的空间内调节压力的系统和方法，所述注射器把氢气注入燃料电池堆的阳极侧。所述方法包括延迟脉冲信号的复制，所述脉冲信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭并且从查找表提供偏移信号，其由到燃料电池堆的氢气流的预期平均质量流量和在来自压力调节器的氢气流上游位置处的压力确定。当延迟脉冲注射器信号是高的时候，所述方法选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号，当延迟脉冲注射器是低的时候，所述方法选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号。

Description

用于具有脉冲干扰的电子压力调节器系统的先进控制算法

技术领域

本发明总体涉及用于调节来自高压气体罐系统的气流的系统和方法，更具体地，涉及用于调节来自高压气体罐系统的气流的系统和方法，其中该方法提供了电子压力调节器和注射器之间的同步控制，该注射器把气体注入燃料电池堆的阳极侧。

背景技术

氢气是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可用于高效地在燃料电池中产生电。汽车工业在作为车辆的动力源的氢燃料电池系统的发展中投入了显著的资源。这样的车辆比今天的采用内燃机的车辆会是更有效的并产生较少排放。燃料电池车辆预计在不久的将来在汽车市场中的普及程度将会快速增加。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种普遍用于汽车的燃料电池。PEMFC总体上包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地但不总是包括精细分开的催化剂粒子（通常是高活性催化剂，例如铂（Pt）），该催化剂粒子被支撑在碳粒子上并与离聚物相混合。该催化剂混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物与膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造比较昂贵并且需要一定的条件进行有效运行。

多个燃料电池典型地在燃料电池堆中组合来产生所需电力。例如，用于车辆的一种典型的燃料电池堆可以具有两百个或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为由压缩机推动通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，一些空气作为阴极排气输出，该排气可能含有作为电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。在一个已知类型的燃料电池系统中，氢气燃料被一个或多个注射器注入燃料电池堆的阳极侧。注射器基于脉宽调制(PWM)控制信号控制用于特定电池堆电流密度的注射燃料量，该控制信号控制注射器的打开和关闭。

燃料电池堆包括位于电池堆的多个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流向相应的MEA。阴极气体流场设在双极极的阴极侧上，其允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板把燃料电池产生的电传导出电池堆。双极板还包括流动通道，冷却流体流过这些通道。

通常，用于燃料电池系统的氢气在罐系统中以高压储存，该罐系统包括在车辆上的一个或多个互连的压力容器，以提供燃料电池堆所需的氢气。容器内的压力可以为700 bar或更大。在一个已知设计中，压力容器包括内部塑料内衬，其提供用于氢气的气密密封，和外部炭纤维复合层，其提供容器的结构的整体性。

储氢系统典型地包括至少一个压力调节器，其作为用于储氢系统运行所需的各种大量阀、仪表和配件的部件，该系统将氢气的压力从容器中的高压减小到适用于燃料电池堆的常压。各种压力调节器在本领域中已知地提供此功能，包括机械压力调节器和电子压力调节器。

大多数燃料电池系统采用一个或多个注射器以用于注射减压氢气进入燃料电池堆的阳极侧。注射器典型地被脉宽调制(PWM)信号控制，该信号具有一定的占空比和频率，其提供用于命令电池堆电流密度的氢气的预期质量流量。不过，响应于PWM信号的注射器的打开和关闭引起在注射器和压力调节器之间的阳极气体容积中的振荡或干扰，这降低了压力调节器的性能。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于在压力调节器和注射器之间的空间内调节压力的系统和方法，所述注射器把氢气注入燃料电池堆的阳极侧。所述方法包括延迟脉冲信号的复制，所述脉冲信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭并且从查找表提供偏移信号，其由到燃料电池堆的氢气流的预期平均质量流量和在来自压力调节器的氢气流上游位置处的压力确定。当延迟脉冲注射器信号是高的时候，所述方法选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号，当延迟脉冲注射器是低的时候，所述方法选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号。压力调节器控制信号可以被速率限制以减少顶峰振荡。比例积分控制器基于空间中的预期压力和空间内的实际压力之间的差产生压力误差信号，并且将压力误差信号加到压力调节器控制信号以进行压力修正。

通过下面的描述和所附权利要求，结合附图将明显看出本发明的更多特征。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种用于控制压力调节器的方法，所述压力调节器调节气流，所述方法包括：

提供气体源；

使用至少一个注射器将气体流从所述源注射进入装置；以及

通过使所述压力调节器的打开和关闭与所述注射器的打开和关闭同步，使用所述压力调节器控制所述压力调节器和所述注射器之间的空间内的气体压力。

2. 根据方案1所述的方法，其特征在于，控制所述空间内的压力包括基于气体的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号。

3. 根据方案2所述的方法，其特征在于，提供所述偏移信号包括从二维查找表选择偏移信号。

4. 根据方案2所述的方法，其特征在于，控制所述空间内的压力包括延迟脉冲注射器信号，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭，还包括在延迟脉冲注射器信号为高的时候选择偏移信号作为调节器控制信号，所述调节器控制信号控制所述压力调节器。

5. 根据方案4所述的方法，其特征在于，其还包括当延迟脉冲注射器信号是低的时候，选择为0或接近0的任意值作为调节器控制信号。

6. 根据方案4所述的方法，其特征在于，其还包括当偏移信号被选择以减小所述偏移信号的上升和下降时间的时候，速率限制所述控制信号。

7. 根据方案4所述的方法，其特征在于，其还包括添加压力误差信号到所选择的偏移信号，所述压力误差信号限定所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

8. 根据方案7所述的方法，其特征在于，误差控制信号由比例积分控制器提供。

9. 根据方案1所述的方法，其特征在于，所述装置是燃料电池堆并且所述气体是氢气，并且其中至少一个注射器注射氢气进入所述燃料电池堆的阳极侧。

10. 根据方案1所述的方法，其特征在于，所述气体源是高压源。

11. 根据方案1所述的方法，其特征在于，至少一个注射器是仅一个注射器。

12. 根据方案1所述的方法，其特征在于，所述压力调节器是比例电子压力调节器。

13. 一种用于控制比例电子压力调节器的方法，所述比例电子压力调节器调节到燃料电池堆的阳极侧的氢气流，其中注射器把氢气注入所述燃料电池堆，所述方法包括：

延迟脉冲注射器信号，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭；

基于氢气的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号；

当延迟脉冲注射器信号是高的时候，选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号；

当延迟脉冲注射器信号是低的时候，选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号；以及

添加压力误差信号到控制信号，其中压力误差信号是所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

14. 根据方案13所述的方法，其特征在于，其还包括当偏移信号被选择以减小所述偏移信号的上升和下降时间的时候，速率限制所述控制信号。

15. 根据方案13所述的方法，其特征在于，提供所述偏移信号包括从二维查找表选择偏移信号。

16. 根据方案13所述的方法，其特征在于，添加误差信号包括添加由比例积分控制器提供的误差信号。

17. 一种用于控制比例电子压力调节器的系统，所述比例电子压力调节器调节到燃料电池堆的阳极侧的氢气流，其中注射器把氢气注入所述燃料电池堆，所述系统包括：

用于延迟脉冲注射器信号的装置，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭；

用于基于氢气的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号的装置；

用于当延迟脉冲注射器信号是高的时候选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号的装置；

用于当延迟脉冲注射器信号是低的时候选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号的装置；以及

用于添加压力误差信号到控制信号的装置，其中压力误差信号是所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

18. 根据方案17所述的系统，其特征在于，其还包括用于当偏移信号被选择以减小所述偏移信号的上升和下降时间的时候速率限制所述控制信号的装置。

19. 根据方案17所述的系统，其特征在于，用于提供所述偏移信号的装置从二维查找表选择偏移信号。

20. 根据方案17所述的系统，其特征在于，用于添加误差信号的装置添加由比例积分控制器提供的误差信号。

附图说明

图1是用于燃料电池堆的高压气体罐系统的示意性框图；

图2是框图，其显示了用于控制图1所示系统的氢气的算法运行；以及

图3是时间为横轴、大小为纵轴的曲线图，其显示了用于控制阳极注射器的PWM信号、延迟PWM信号和用于控制压力调节器的速率限制偏移信号之间的定时关系。

具体实施方式

本发明的实施例的下面的讨论涉及用于控制压力调节器的系统和方法，该压力调节器减少提供到燃料电池堆的阳极侧的氢气的压力，这实际上仅仅是示例的，并且决不限制本发明或其应用或使用。例如，如同提到的一样，本发明具有应用，其用于为燃料电池堆提供氢气。不过，如同将被本领域的技术人员认识到的，本发明的系统与方法可以具有应用，其用于控制与为了其他应用注射气体的注射器相关联的压力调节器。

图1是高压气体罐系统10的简化示意性框图，其用于为燃料电池堆12提供氢气。罐系统10包括第一高压罐14和第二高压罐16，其中将理解的是罐系统10可包括任何合适数量的高压罐。罐14和16可包含处于700 bar以上压力的氢气，并且可以为适于在此讨论目的的任何高压罐，例如前面讨论的高压容器，其具有内部塑料内衬和外部结构复合层。高压罐14包括在来自罐14的输出管线18中提供的罐截流阀20，高压罐16包括在来自罐16的输出管线22中提供的罐截流阀24。截流阀20和24通常分别提供用于罐14和16中的高压的安全控制。罐输出管线18和22联接到阳极侧输入管线26，其提供在罐14和16中储存的氢气到燃料电池堆12。当阀20和24为了系统控制目的打开的时候，压力传感器36在管线26中提供以提供罐14和16内的压力的高压读数。

电子压力调节器28在从压力传感器36下游的输入管线26中提供，其有选择地以本领域技术人员很好理解的方式减少并提供从罐14和16的高压到适用于燃料电池堆12的压力的气体的常压。在一个实施例中，压力调节器28是比例阀，其具有可调孔。如同本领域的技术人员很好地理解的一样，调节器28中的孔的尺寸和阳极管线26中的上游压力控制压力调节器28下游提供的气体的流量和量。

压力调节器28下游的输入管线26中的减压氢气被注射器30注入燃料电池堆12的阳极侧。压力调节器28中的孔的位置由控制器34有选择地控制以控制空间32中的气体的压力。空间32代表并限定调节器28下游的系统10内的各种管道和管路的尺寸或压力调节器28和注射器30之间的阳极气体容积。注射器30被PWM信号控制以为了特定电池堆电流密度提供正确量的氢气给燃料电池堆12，其中PWM信号基于空间32内的压力具有限定的占空比和频率。虽然单个喷嘴在此非限制性实施例中显示以把氢气注入电池堆12，本领域的技术人员将理解燃料电池系统可以包括一排的多个注射器，其把氢气注入电池堆12。两个多余的压力传感器38和40在压力调节器28下游的管线26中提供，其测量空间32内的压力。控制器34从压力传感器36、38和40接收压力测量值和PWM信号，其控制注射器30的打开和关闭，控制压力调节器28的位置，以便在正常系统运行期间空间32中的压力保持基本上不变。

在系统10运行期间的时间的任何点，特殊气体容积在压力调节器28和注射器30之间的空间32内被限制。当注射器30被打开的时候，流入燃料电池堆12的空间32内的气体和空间32内的压力减小。由压力传感器38和40测量这种压力减小，其导致控制器34打开或增加压力调节器28中的孔的尺寸以允许更多气体流入空间32中以增加其中的压力。因为注射器30是分立阀，其取决于PWM信号中的脉冲打开或关闭，注射器30以非常高的速率打开和关闭，空间32中的压力响应于注射器30的运行而振荡，其导致干扰。空间32内的这种压力振荡减小了压力调节器38能够调节空间32内的压力的效率。

对于仅使用单个注射器的那些系统，由注射器30的打开和关闭导致的空间32中的压力振荡比使用多个注射器的系统10更显著。另外，空间32的尺寸增加以便其中具有的更多气体将减少来自注射器30的打开和关闭的振荡和干扰。不过，希望的是空间32为了安全目的像实际的那么小，因为对能够安全地排放到环境的氢气量有限制。此外，为了成本原因等，还希望的是空间32尽可能小。还需要的是在压力调节器28和注射器30之间承载氢气的管路和软管具有直径和/或面积导致气流是亚音速的或不是超音速的。因此，令人感兴趣的是优化空间32的尺寸，其中空间32的最终尺寸使得来自注射器30的打开和关闭的振荡和干扰不利地影响由压力调节器28提供压力调节的能力。

如同将在下面详细地讨论的，本发明提出了一种控制方案，其用于控制压力调节器28以控制压力调节器28和注射器30之间的空间32中的压力，其减小或消除由注射器30的打开和关闭引起的空间32中的压力的振荡和干扰。特别地，如果当控制器34知道何时注射器30将被打开，可以同时打开压力调节器28以平衡流出注射器30的气体和流出压力调节器28的气体。换句话说，当注射器30被命令打开的时候，控制器34命令压力调节器28打开成比例的量，受到系统10中延迟的影响，使得离开空间32的气体流几乎与进入空间32的气体流相同，并且使得空间32中的压力保持基本上不变并且不具有压力振荡。

图2是系统50的示意性框图，其显示了用于控制压力调节器28的位置的控制器34中运行的算法的运行，使得其与注射器30的运行同步，如上所述。系统50包括比例积分(PI)控制器52，其提供DC压力误差控制信号，其限定空间32内的预期压力和由压力传感器38和40中的一个或两个测量的空间32内的实际压力之间的差。特别地，压力请求信号在管线54上提供，实际压力测量信号在来自压力传感器38或40的管线56上提供，其被发送到减法器58，该减法器58在两个信号之间产生压力误差信号，其中误差信号被提供到PI控制器52。压力请求信号是用于空间32的校准的压力，其将提供预期量的氢气经过注射器30的控制器。控制器52作为标准PI控制器运行，其尝试通过控制压力设定点和空间32中的实际压力之间的偏差来减小误差信号。

如上所述，压力调节器28的控制同步于注射器30的打开和关闭。控制注射器30的PWM信号用于在系统50中提供此同步。因为在提供到注射器30的PWM信号和注射器30的实际运行之间具有电和机械延迟，用于提供同步的PWM信号需要为了压力调节器28的正确控制而延迟。为了这样做，控制注射器30的PWM信号在管线62上提供到延迟块64，其中PWM信号中的特定脉冲的上升边被延迟块64延迟一定时间，如框66处预定延迟所限定的。PWM信号中的特定脉冲的延迟上升被提供到延迟块68，其延迟脉冲的下降边预定延迟，如由框70提供的。由延迟框66和70提供的延迟将会是同样的，将会由用于特定系统的校准和测试技术确定，并且对于不同系统可能是不同的。

图3是时间为横轴、大小为纵轴的曲线图。管线62上的PWM信号由曲线60显示并且来自延迟框68的延迟PWM信号由曲线72显示。

系统50提供前馈偏移信号，其确定何时压力调节器28被打开，其中偏移信号由到燃料电池堆12的氢气的请求的质量流量和在压力调节器28的上游位置处的压力确定。特别地，平均氢气质量流量请求信号，例如由车辆中的节气门的位置确定，在管线78上提供，并且罐14和16中的测量的高压，如由传感器36提供的，在管线80上提供，其中压力测量信号由过滤器82过滤。质量流量信号和压力信号被设置到二维查找表84，其选择正确的偏移信号用于为了到注射器30的预期氢气流而打开压力调节器28正确的量。压力测量信号需要被过滤，因为由压力调节器28的打开和关闭引起的干扰会影响由查找表84提供的偏移信号。如果平均氢气质量流量请求和/或高压测量值变化足以选择查找表84中的不同值，来自查找表84的偏移信号是直流（DC）信号，它的大小在步骤增量中变化。

来自延迟块68的延迟PWM信号，来自查找表84的偏移信号和由框86提供的预定值68被发送到逻辑块76。如果来自块68的延迟PWM信号是高的，意味着注射器30已经被命令打开，受到延迟影响，然后逻辑块76从查找表84选择偏移信号作为从逻辑块76输出的调节器控制信号。如果块68的输出是低的，意味着注射器30已经被命令关闭，受到延迟影响，然后逻辑块76从框86选择值作为从逻辑块76输出的调节器控制信号。典型地，来自块86的值将是0或几乎是0。因此，来自逻辑块76的控制信号是占空比信号，其具有脉冲，该脉冲具有脉冲宽度，该脉冲宽度匹配用于注射器30的PWM信号中的延迟脉冲，但是其中在控制信号中的脉冲的大小由来自查找表84的偏移信号设置。

来自逻辑块76的控制信号被提供到速率限制器块88，其限制控制信号中的脉冲将多快从0到高以及从高落到0，从而进一步避免压力峰值。速率限制控制信号由图3中的曲线90代表。来自PI控制器52的速率限制控制信号和压力误差控制信号由加法器92添加以提供实际控制信号，其确定压力调节器28的孔的位置，其同步于注射器30的打开和关闭。因此，由偏移信号提供的前馈控制提供大部分用于压力调节器28的位置的控制并且来自PI控制器52的误差控制信号稍微修改加法器92中的偏移信号以修正空间32中预期压力和实际压力之间的偏差。因为PI控制器52仅需要修正压力之间的偏差，需要执行比正常的更少的控制工作，其提供更稳定的控制。

如同将被本领域的技术人员很好地理解的一样，此处讨论来描述本发明的多个各种步骤和过程可以涉及由计算机，处理器，或使用电现象操纵和/或变换数据的其他电子计算装置执行的运行。那些计算机和电子装置可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括非瞬时计算机可读介质，其带有在其上存储的可执行程序，其包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可以包括所有形式和类型的存储器和其他计算机可读介质。

上面的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将很容易从这些讨论和附图以及权利要求认识到能够在不脱离由下述权利要求限定的本发明精神和范围的情况下做出各种改变、改型和变化。

Claims (10)

1.一种用于控制压力调节器的方法，所述压力调节器调节气流，所述方法包括：

提供气体源；

使用至少一个注射器将气体流从所述源注射进入装置；以及

通过使所述压力调节器的打开和关闭与所述注射器的打开和关闭同步，使用所述压力调节器控制所述压力调节器和所述注射器之间的空间内的气体压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述空间内的压力包括基于气体的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供所述偏移信号包括从二维查找表选择偏移信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述空间内的压力包括延迟脉冲注射器信号，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭，还包括在延迟脉冲注射器信号为高的时候选择偏移信号作为调节器控制信号，所述调节器控制信号控制所述压力调节器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其还包括当延迟脉冲注射器信号是低的时候，选择为0或接近0的任意值作为调节器控制信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其还包括当偏移信号被选择以减小所述偏移信号的上升和下降时间的时候，速率限制所述控制信号。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其还包括添加压力误差信号到所选择的偏移信号，所述压力误差信号限定所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，误差控制信号由比例积分控制器提供。

9.一种用于控制比例电子压力调节器的方法，所述比例电子压力调节器调节到燃料电池堆的阳极侧的氢气流，其中注射器把氢气注入所述燃料电池堆，所述方法包括：

延迟脉冲注射器信号，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭；

基于氢气的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号；

当延迟脉冲注射器信号是高的时候，选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号；

当延迟脉冲注射器信号是低的时候，选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号；以及

添加压力误差信号到控制信号，其中压力误差信号是所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

10.一种用于控制比例电子压力调节器的系统，所述比例电子压力调节器调节到燃料电池堆的阳极侧的氢气流，其中注射器把氢气注入所述燃料电池堆，所述系统包括：

用于延迟脉冲注射器信号的装置，所述脉冲注射器信号控制注射器的预定时间周期的打开和关闭；

用于基于氢气的预期平均质量流量和来自所述压力调节器的氢气流的上游位置处的压力提供偏移信号的装置；

用于当延迟脉冲注射器信号是高的时候选择偏移信号作为控制压力调节器的压力调节器控制信号的装置；

用于当延迟脉冲注射器信号是低的时候选择为0或接近0的任意值作为压力调节器控制信号的装置；以及

用于添加压力误差信号到控制信号的装置，其中压力误差信号是所述空间内的预期压力和所述空间内的实际压力之间的误差。

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