CN103579649A - 以可变时间间隔来检测阳极压力传感器卡住故障的算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的系统和方法。该系统和方法包括控制器，该控制器设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值。控制器确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及确定由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量。控制器还将初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较，如果初始或测量的最小阳极压力与初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值，则设定压力传感器故障。

Description

以可变时间间隔来检测阳极压力传感器卡住故障的算法
技术领域
本发明总体涉及用于检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的过程，更具体地涉及一种过程，用于确定一段时间内的最大和最小阳极压力传感器读数，以确定是否达到了最小和最大压力之间的阈值压力，以确定是否发生了阳极压力传感器卡住故障。 
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的，并且能够用于在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及它们之间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极分离产生自由的氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极的氧和电子反应产生水。来自阳极的电子不能够通过电解质，因此在被送到阴极之前被引导通过负载来做功。 
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种流行的车辆燃料电池。PEMFC大致包括固态聚合物电解质质子导电膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化颗粒，通常是铂（Pt），担载在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化性混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化性混合物、阴极催化性混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA制造起来比较昂贵，并且需要特定的条件以便有效操作。 
通常在燃料电池堆中组合若干燃料电池以产生所需的功率。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可能具有两百或更多的堆置的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是在压缩机作用下强制通过堆的空气流。并不是所有的氧都由堆消耗，一些空气被输出为可能包括作为堆副产物的水的阴极排气。燃料电池堆还接收阳极氢输入气体，其流入堆的阳极侧。 
燃料电池堆包括位于堆中的若干MEA之间的一系列双极板，双极板和MEA位于两端板之间。对于堆中的相邻的燃料电池，双极板包括阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧提供有阳极气流通道，其允许阳极反应气体流到相应的MEA。在双极板的阴极侧提供有阴极气流通道，其允许阴极反应气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电导出堆。双极板还包括冷却流体流过的流通道。 
通常，压力传感器是汽车工业中用于发动机控制的重要硬件。存在诊断，其覆盖内燃发动机的映射传感器和燃料压力传感器，其中，燃料压力传感器读数与估计的/模型值比较，当模型和传感器相差达到校准的值时触发器被设定。在燃料电池系统中，压力传感器被用于压力控制、排放控制、阀控制等。如果燃料电池系统中的压力传感器故障之一是由于压力传感器卡在压力读数处，传感器在一段时间内将提供平的压力读数值。造成压力传感器被卡在压力读数处可能由于很多原因，诸如硬件损坏、在传感器周围结冰等等。因此，具有稳定的诊断算法来检测何时燃料电池系统中的传感器故障是由于传感器被卡住了是很重要的。 
如上所述，当压力传感器被卡住时，在一定的时间段内压力反馈是平的。在燃料电池系统中，来自阳极压力传感器的阳极压力反馈被用在阳极压力控制、阳极阀控制、燃料电池系统排气排放控制等。由压力传感器卡住故障造成的平压力传感器读数不反映燃料电池系统的真实行为，其造成其它算法不能正常工作。例如，在燃料电池系统的起动期间，如果阳极压力设定点被设定为200kPa并且阳极压力传感器被卡在100kPa的恒定压力读数处，则燃料电池系统的控制器将保持发送最大负荷命令给阳极燃料喷射器以试图满足200kPa的压力设定点。这将造成阳极压力上升，可能高于700kPa。由于压力读数仍是100kPa，该系统不反映真实的阳极压力。最后，停机诊断可能检测到有问题，并且关停燃料电池系统。然而，在本领域中需要一种算法，其确定阳极压力传感器何时被卡住，使得在触发停机诊断之前可以采取补救措施。 
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的方法。系统和方法包括控制器，该控制器设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值。控制器确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及确定由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量。控制器还将初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较，如果初始或测量的最小阳极压力与初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值，则设定压力传感器故障。 
此外，本发明还涉及以下技术方案。 
1. 一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的方法，包括： 
使用控制器执行以下步骤：
设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值；
确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量；
如果测量的最小阳极压力小于初始最小阳极压力，则利用测量的最小阳极压力值替代初始最小阳极压力传感器值；
如果测量的最大阳极压力大于初始最大阳极压力，则利用测量的最大阳极压力值替代初始最大阳极压力传感器值；
将初始或替代的最小阳极压力值与初始或替代的最大阳极压力值之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较；以及
如果初始或替代的最小阳极压力和初始或替代的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值达到预先确定的数量的压力样本，则设定压力传感器故障。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，基于可校准的表来确定对阳极压力测量进行采样的期望的时间间隔。 
3. 如技术方案2所述的方法，其中，所述可校准的表基于燃料电池系统因素，这些因素包括燃料电池堆电流密度。 
4. 如技术方案3所述的方法，其中，当电流密度增加时，期望的时间间隔减小。 
5. 如技术方案4所述的方法，其中，对于高的燃料电池堆电流密度来说，期望的时间间隔是大约3秒。 
6. 如技术方案4所述的方法，其中，对于低的燃料电池堆电流密度来说，期望的时间间隔是大约6秒。 
7. 如技术方案1所述的方法，其中，预先确定的压力差阈值取决于阳极压力传感器精度。 
8. 如技术方案1所述的方法，还包括如果发生压力传感器故障则采取补救措施。 
9. 如技术方案8所述的方法，其中，采取补救措施包括使用开环控制将阳极压力设定点设定为高于阴极侧压力设定点预先确定的值。 
10. 一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的方法，包括： 
使用控制器执行以下步骤：
设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值；
确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及确定由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量；
将初始或测量的最小阳极压力与初始或测量的最大阳极压力之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较；以及
如果初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值达到预先确定的数量的样本，则设定压力传感器故障。
11. 如技术方案10所述的方法，其中，基于可校准的表来确定对阳极压力测量进行采样的期望的时间间隔。 
12. 如技术方案11所述的方法，其中，所述可校准的表基于燃料电池系统因素，这些因素包括燃料电池堆电流密度。 
13. 如技术方案12所述的方法，其中，当电流密度增加时，期望的时间间隔减小。 
14. 如技术方案10所述的方法，其中，预先确定的压力差阈值取决于阳极压力传感器精度。 
15. 如技术方案10所述的方法，还包括如果发生压力传感器故障则采取补救措施。 
16. 一种检测燃料电池中的阳极压力传感器故障的系统，包括： 
带有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆；
将阳极气体引入燃料电池堆的阳极入口管线；
使阳极排气再循环到阳极入口管线中的阳极再循环管线；
所述阳极入口管线中的阳极压力传感器；以及
控制器，该控制器被编程为检测阳极压力传感器的故障，所述控制器被编程为设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值，其中，所述控制器还被编程为确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量，所述控制器还被编程为将初始或测量的最小阳极压力值与初始或测量的最大阳极压力值之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较，以及如果初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值则设定压力传感器故障。
17. 如技术方案16所述的系统，其中，基于可校准的表来确定对阳极压力测量进行采样的期望的时间间隔，所述可校准的表基于燃料电池系统因素，这些因素包括燃料电池堆电流密度。 
18. 如技术方案17所述的系统，其中，当电流密度增加时，期望的时间间隔减小。 
19. 如技术方案16所述的系统，其中，所述控制器被编程为如果发生压力传感器故障则采取补救措施。 
20. 如技术方案19所述的系统，其中，所述控制器通过使用开环控制将阳极压力设定点设定为高于阴极侧压力设定点预先确定的值而采取补救措施。 
本发明的其它特征将从结合附图的以下描述和权利要求变得清楚。 
附图说明
图1是燃料电池系统的示意框图； 
图2是用于确定阳极压力传感器是否正常运行的算法的流程图；
图3a是图表，横轴是时间，纵轴是单位为kPa的阳极压力；以及
图3b是图表，横轴是时间，纵轴是单位为kPa的阳极压力。
具体实施方式
本发明的实施例的以下论述涉及一种确定燃料电池系统中的阳极压力传感器是否正常工作的过程，其在本质上仅是示例性的，并且不以任何方式限制本发明或其应用或用途。 
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。燃料电池系统10用于总体表示任何类型的燃料电池系统，诸如将阳极排气再循环回到阳极入口的燃料电池系统以及采用带有阳极流改变的分堆设计的燃料电池系统。氢源14使用喷射器16（诸如喷射器/射出器）在阳极输入管线18上将新鲜氢提供给燃料电池堆12的阳极侧，如让渡给本申请的受让人的美国专利No.7320840的“Combination of Injector-Ejector for Fuel Cell Systems”中所述，该申请通过引用而结合在本文中。在阳极再循环管线20上从堆12输出阳极排气，此处使用喷射器16可以将其再次引入燃料电池堆12中。压力传感器24在阳极再循环管线20的下游的位置测量阳极入口管线18中的压力，诸如在喷射器16和燃料电池堆12之间的位置。阳极泄放阀26泄放来自阳极再循环管线的阳极排气，如以下更详细论述的。 
系统10还包括压缩机32，该压缩机32在阴极输入管线34上将阴极入口空气流提供给堆12。在阴极排气管线36上输出阴极排气。阳极泄放阀26通过泄放管线28和混合接头38将阳极排气泄放到阴极输出管线36中，从而为阳极排气离开燃料电池系统10提供了路径，如同本领域技术人员所熟知的。 
为了提供燃料电池堆12的电流密度测量，提供了电流密度测量装置22。控制器40用于操作燃料电池系统10并且还检测来自电流密度测量装置22的电流密度测量信号，以确定对来自压力传感器24的阳极压力测量信号采样的时间间隔，如以下更详细论述。 
如上所述，如果燃料电池系统中的压力传感器失效或变得卡住，则在一时间段内压力反馈值可能是平的。来自压力传感器24的阳极压力反馈被用在若干燃料电池系统控制算法中，例如阳极压力控制、阳极阀控制、排气排放控制等。不精确地反映阳极压力传感器的真实压力的平的读数也将造成其它算法不能正常工作。因此，以下所述的算法被设计成提供稳定的诊断算法，以检测诸如阳极压力传感器24的阳极压力传感器何时不正常工作。 
图2是检测诸如阳极压力传感器24的阳极压力传感器何时不正常工作的算法的流程图50。在框52，设定初始最小阳极压力和初始最大阳极压力，并且在框54，设定来自压力传感器24的阳极压力传感器测量的样本的时间间隔和期望的总数量。在框54选择的时间间隔基于可校准的表，其使用燃料电池系统因素（诸如来自电流密度测量装置22的电流密度）来确定适当的时间间隔。使用的样本的总数量可以依赖于堆的操作情况和使用可校准的表确定的时间间隔。电流密度被用于确定算法监测阳极压力的时间间隔的原因是因为在高电流密度条件期间，阳极压力会较快地变化，因此当燃料电池堆12操作在高电流密度时，对于执行流程图50的算法来说，样本之间的较短的时间间隔更为合适。什么构成燃料电池堆12的高电流密度取决于堆的特性。例如，在车辆加速期间燃料电池堆12的电流密度可能处于高电流密度。在低电流密度情况下，诸如当燃料电池堆12处于怠速模式时，阳极压力较慢地变化。因此，需要较大的时间间隔来检测压力卡住故障并且避免错误的传感器卡住检测。 
一旦在框52设定了初始最小和最大阳极压力，并且在框54基于电流密度确定了样本的时间间隔和数量，则算法开始取得来自压力传感器24的阳极压力测量的样本，以获得测量的最小和最大压力值。初始最小阳极压力和初始最大阳极压力可以取决于堆操作条件，诸如例如当前操作条件下的期望阳极压力。 
在判决框56处，以在框54设定的时间间隔对阳极压力采样，并且计数样本的数量，如以下更详细论述。在判决框58处，如果确定来自阳极压力传感器24的压力读数小于在框54设定的初始最小压力值，则在框60，算法将以来自判决框58的测量的最小压力读数替代来自框54的初始最小压力值。如果在判决框58处来自压力传感器24的压力读数不降低至在框54设定的初始最小压力值以下，则来自框54的初始最小压力值被保留，算法前进到判决框62，在此处，算法确定来自压力传感器24的测量的最大压力读数是否大于在框54设定的初始最大压力值。在判决框62，如果最大测量的阳极压力大于在框54设定的初始最大压力，则在框64，使用来自判决框62的测量的最大压力值替代在框54设定的初始最大压力。在判决框62，如果从阳极压力传感器24测量的最大压力不大于在框54设定的初始最大压力，则算法前进到框66，以确定样本的阳极压力测量是完整的，如果期望的样本总数还没有达到，则返回到判决框56以继续确定下一样本周期的最小和最大阳极压力测量。 
一旦在判决框56确定对于确定的时间间隔已经测量了期望数量的样本，则在判决框68处，算法确定设定的最小和最大压力值之间的差是否大于可变的预先确定的阈值。最小和最大阳极压力之间的预先确定的压力差阈值的值取决于各种堆操作参数，诸如电流密度和传感器精度。压力差阈值应该至少大于传感器精度，否则诊断将不被触发。 
如果设定的最小和最大压力值之间的差大于预先确定的阈值，则流程图50的算法确定阳极压力传感器24正常工作，并且该算法返回框54以重复以上所述的过程。在判决框68，如果算法确定最小和最大压力设定点之间的差小于预先确定的压力差阈值，则在框70触发传感器卡住诊断，并且在框72采取一个或多个补救措施。 
在框70的传感器卡住诊断包括如果最小和最大压力设定点之间的差小于预先确定的压力阈值达到多于预先确定的数量的压力样本，则触发诊断，其中，该阈值是使诊断成熟的阈值，用于计数预先确定的总样本数量。在框72采取的补救措施可以包括命令阳极压力设定点至预先确定的值，其不包括使用来自阳极压力传感器24的测量。例如，可以使用开环控制将阳极压力设定点设定为高于燃料电池堆12的阴极侧压力设定点50kPa，如本领域技术人员已知的。在评估了流程图50的算法的诊断之后，算法重新设定最小和最大压力值，并且开始根据以上流程图50的新的数据捕获循环。 
图3a显示了图表，横轴是时间，纵轴是单位为kPa的阳极压力。在该示例中，每隔3秒从采样的数据取得最小和最大阳极压力，6kPa压力差阈值以触发诊断。通过循环和如果-则的逻辑来取得最小和最大阳极压力：在每个样本循环期间，如果压力值小于先前样本中捕获的最小压力值，该新的压力值将替代最小压力值。如果压力值不小于在先前的样本中捕获的最小压力值，则算法将保留最小压力值。如果压力值大于在先前的样本中捕获的最大压力值，则该新的压力值将替代最大压力值，否则该算法将保留最大压力值。如图3a所示，在参考标号80所示的最大压力和在参考标号82所示的最小压力超过了6kPa的压力差阈值，因此在图3a所示的整个时间框期间不触发传感器卡住诊断。 
图3b显示了图表，横轴是时间，纵轴是单位为kPa的阳极压力。如同图3a，每隔3秒从样本数据取得最小和最大阳极压力，使用6kPa压力差阈值来触发诊断。图3b的图表比图3a的图表平得多，因此举例而言，在参考标号84所示的最大压力和在参考标号86所示的最小压力不超过6kPa的压力差阈值。因为样本中的至少一个不具有超过6kPa阈值的压力差，因此在图3b中触发传感器卡住诊断。尽管在图3b中触发传感器卡住诊断，但其可以由错误读数引起，因为所选的时间间隔太短或者压力差阈值太大。在精确地检测燃料电池堆12中的阳极中的压力传感器故障时，压力差阈值和时间间隔的选择是关键的。因此，使压力差阈值和所选的时间间隔是可调节的参数将帮助流程图50的算法更为稳定并且适应于不同的燃料电池系统操作条件，从而使错误检测的可能性更小。 
前述论述仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本发明技术人员将从该论述以及附图和权利要求容易地懂得，在不偏离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，变换和变形。 

Claims (10)

1.一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的方法，包括：
使用控制器执行以下步骤：
设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值；
确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量；
如果测量的最小阳极压力小于初始最小阳极压力，则利用测量的最小阳极压力值替代初始最小阳极压力传感器值；
如果测量的最大阳极压力大于初始最大阳极压力，则利用测量的最大阳极压力值替代初始最大阳极压力传感器值；
将初始或替代的最小阳极压力值与初始或替代的最大阳极压力值之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较；以及
如果初始或替代的最小阳极压力和初始或替代的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值达到预先确定的数量的压力样本，则设定压力传感器故障。
2.如权利要求1所述的方法，其中，基于可校准的表来确定对阳极压力测量进行采样的期望的时间间隔。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述可校准的表基于燃料电池系统因素，这些因素包括燃料电池堆电流密度。
4.如权利要求3所述的方法，其中，当电流密度增加时，期望的时间间隔减小。
5.如权利要求4所述的方法，其中，对于高的燃料电池堆电流密度来说，期望的时间间隔是大约3秒。
6.如权利要求4所述的方法，其中，对于低的燃料电池堆电流密度来说，期望的时间间隔是大约6秒。
7.如权利要求1所述的方法，其中，预先确定的压力差阈值取决于阳极压力传感器精度。
8.如权利要求1所述的方法，还包括如果发生压力传感器故障则采取补救措施。
9.一种检测燃料电池系统中的阳极压力传感器故障的方法，包括：
使用控制器执行以下步骤：
设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值；
确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及确定由控制器从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量；
将初始或测量的最小阳极压力与初始或测量的最大阳极压力之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较；以及
如果初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值达到预先确定的数量的样本，则设定压力传感器故障。
10.一种检测燃料电池中的阳极压力传感器故障的系统，包括：
带有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆；
将阳极气体引入燃料电池堆的阳极入口管线；
使阳极排气再循环到阳极入口管线中的阳极再循环管线；
所述阳极入口管线中的阳极压力传感器；以及
控制器，该控制器被编程为检测阳极压力传感器的故障，所述控制器被编程为设定初始最小阳极压力传感器值和初始最大阳极压力传感器值，其中，所述控制器还被编程为确定对阳极压力测量进行采样的期望时间间隔以及从阳极压力传感器收集阳极压力测量样本的总数量，所述控制器还被编程为将初始或测量的最小阳极压力值与初始或测量的最大阳极压力值之间的压力差与预先确定的压力差阈值进行比较，以及如果初始或测量的最小阳极压力和初始或测量的最大阳极压力之间的压力差小于预先确定的压力差阈值则设定压力传感器故障。
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