CN103775306A - 用于燃料电池动力系统的反应性压缩机喘振减轻策略 - Google Patents

用于燃料电池动力系统的反应性压缩机喘振减轻策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池动力系统的反应性压缩机喘振减轻策略，提供了用于减轻车辆燃料电池系统的压缩机中的喘振状态的系统和方法。如果压缩机在等于或大于阈值速度下操作，则第一喘振减轻策略调节阴极背压阀。如果压缩机在低于阈值速度下操作，则第二喘振减轻策略调节再循环阀。在一种形式中，基于反馈的控制可用作更大的基于前馈的控制策略的一部分，使得减轻是反应性控制策略的一部分。该策略可以另外在基于处理器的控制器中实现。

Description

用于燃料电池动力系统的反应性压缩机喘振减轻策略
技术领域
本发明大体上涉及减轻车辆燃料电池动力系统中的压缩机喘振状态，并且更具体的涉及用于基于压缩机的速度减轻压缩机喘振状态的系统和方法。
背景技术
燃料电池是一种对使用汽油或相关的石油基源作为车辆推进系统中的主要能量源的替代方案。特别地，通过混合在燃料电池内的电化学反应的反应物，可生成电流并用该电流来驱动马达或做其它有用功。在一种形式中，由电流提供动力的马达可单独或与石油基燃烧发动机结合推进车辆。在汽车应用中，各个燃料电池可串联或并联布置为燃料电池堆以便产生更高的电压或电流产量。此外，通过结合多于一个堆可获得更高的产量。
在典型的燃料电池中，氢气或另一种反应物气体被提供至燃料电池的阳极，而基于氧的反应物(例如，环境空气)被提供至燃料电池的阴极。氢气被催化地分解成电子和带正电的离子，使得将阳极与阴极分开的电解质层允许离子传送到阴极，同时防止电子这样传送。相反，电子绕过电解质层穿过负载并返回到阴极，以允许利用电能。在阴极处，离子、电子和所提供的氧气或空气通常结合以产生水和热量。各个燃料电池可串联或并联布置为燃料电池堆以便产生更高的电压或电流产量。此外，通过结合多于一个堆可获得更高的产量。
为了改善反应物气体的输送，常常使用加压源。例如，常常借助于压缩机将空气输送至燃料电池系统的阴极侧，其中使用诸如阀门、控制器等的辅助设备来调节压缩机和燃料电池之间的空气流。压缩机辅助的输送系统的固有属性(至少在其涉及阴极侧操作时)是阴极的压力和流量控制被结合在一起；这种结合意味着常常可以通过基于前馈的控制策略来利用已知的或可确定的数学关系，以便最佳地实现稳定的操作。这样，可将基于压缩机的已知操作特性的命令信号发送至压缩机，以便以将确保可预测、可重复的响应的方式影响压缩机中的变化。
尽管有用于压缩机的基于前馈的控制策略的优点，但某些操作条件可能危害系统的可操作性和部件耐久性。这样，使用基于此类策略的车辆燃料电池系统内的压缩机仍然是一项挑战，特别是在它涉及会导致喘振或相关的不期望的压缩机现象的操作条件时。当存在喘振时，来自压缩机出口的背压足够高，从而阻止压缩机按设计方式泵送。这造成压缩机中的气体流颠倒方向，有可能导致推力轴承、叶片和其它上游压缩机部件受损。
发明内容
一种基于反应性算法的使用的压缩机喘振减轻系统可在检测到喘振状态的情况下减小喘振的影响。该系统可引发阴极背压阀和压缩机再循环阀中的至少一个内的操作变化，以减小这样的条件对系统操作的影响。如上所述，压缩机在燃料电池系统内的使用为汽车工业提出了额外的挑战，其中不能向燃料电池提供反应物气体的精确量和温度会显著影响燃料电池性能，继而影响车辆续航能力、运行成本等。利用考虑压缩机的操作状态的本发明的不同喘振减轻策略减小了喘振状态的影响，同时最小化此类减轻策略对燃料电池性能的影响。值得注意的是，本发明的喘振避免得以快速地实现，从而避免不期望的操作条件(例如，压缩机过热)，同时也有助于燃料电池系统的高效操作。
根据本发明的一个方面，公开了一种避免车辆燃料电池系统中的喘振的方法。该方法包括将对应于燃料电池系统中使用的压缩机的操作特性的压缩机图保持在存储器内。该方法也包括使用默认策略控制压缩机，使得其操作接近在压缩机图的非喘振区域内的设定点。该方法还包括检测压缩机内的喘振状态的存在和在检测到喘振状态并且压缩机以高于阈值的速度操作的情况下利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略。在检测到喘振状态并且压缩机以低于阈值的速度操作的情况下，该方法采用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。在一种形式中，检测可通过基于处理器的协议进行。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于车辆燃料电池系统的控制器。该控制器包括一个或多个处理器和与该一个或多个处理器通信的非易失性存储器。存储器存储机器指令，在由一个或多个处理器执行时，该指令造成处理器保持对应于燃料电池系统中使用的压缩机的操作的压缩机图并且使用默认策略控制压缩机，使得其操作接近压缩机图非喘振区域内的设定点。在一种形式中，这样的默认策略可以(虽然未必)对应于基于前馈的设计。指令进一步造成一个或多个处理器检测压缩机内的喘振状态的存在并利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略。指令附加地造成一个或多个处理器利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。更具体地讲，如果检测到喘振状态并且压缩机在高于阈值的速度下操作，控制器指示阴极背压阀调整，而再循环阀可以在检测到喘振并且压缩机在低于阈值的速度下操作时的情况中被调整。
根据本发明的又一方面，公开了一种车辆燃料电池系统。该系统包括构造成提供车辆内的原动力的至少一部分的燃料电池堆。该系统也包括用于向系统内的一个或多个燃料电池提供反应物(例如，空气或另一种含氧流体)的压缩机。该系统也包括可操作地连接到压缩机的入口和出口的再循环阀。该系统还包括可操作地连接到燃料电池堆的出口的背压阀。燃料电池系统的操作由与再循环阀、压缩机和背压阀通信的控制器调控。控制器具有一个或多个处理器和与该一个或多个处理器通信的非易失性存储器。存储器存储指令，在由一个或多个处理器执行时，该指令造成一个或多个处理器保持对应于压缩机的操作的压缩机图并且使用默认策略控制压缩机，使得压缩机的操作接近压缩机图非喘振区域内的设定点。指令进一步造成一个或多个处理器检测压缩机内的喘振状态的存在并在检测到喘振状态并且压缩机在高于阈值的速度下操作时利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略。指令还造成一个或多个处理器在检测到喘振状态并且压缩机在低于阈值的速度下操作时利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1. 一种用于避免车辆燃料电池系统压缩机中的喘振的方法，所述方法包括：
在存储器内保持对应于所述压缩机的操作的压缩机图；
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点；以及
在检测到所述压缩机内的喘振状态时，在所述压缩机在高于阈值的速度下操作时利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略，或者在所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中通过生成造成所述阴极背压阀打开的阴极背压阀控制命令来调节所述阴极背压阀。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，还包括在所述存储器内保持喘振距离设定点，所述喘振距离设定点指示所述设定点和所述压缩机图的喘振线之间的距离。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，其中通过将喘振减轻距离值增加到所述喘振距离设定点以调整所述设定点来调节所述再循环阀。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，还包括生成造成所述再循环阀打开的再循环阀控制命令。
技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，还包括：
检测所述喘振状态的结束；以及
使所述压缩机的控制恢复至所述默认策略。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其中在所述喘振状态超出时间限制时所述阴极背压阀和所述再循环阀中的至少一个被调节以保持在打开位置，还包括提供警报至接口装置。
技术方案8. 一种用于车辆燃料电池系统的控制器，包括：
至少一个处理器；以及
非易失性存储器，其与所述至少一个处理器通信，其中所述存储器存储机器指令，所述机器指令在由所述至少一个处理器执行时造成所述至少一个处理器执行下列步骤：
保持对应于所述车辆燃料电池系统的压缩机的操作的压缩机图，
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点，
检测所述压缩机内的喘振状态的存在，
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在高于阈值的速度下操作时利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略，以及
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。
技术方案9. 根据技术方案8所述的控制器，其中作为所述第一喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器生成打开所述阴极背压阀的阴极背压阀控制命令。
技术方案10. 根据技术方案8所述的控制器，其中所述指令进一步造成所述至少一个处理器保持喘振距离设定点，所述喘振距离设定点指示在所述设定点和所述压缩机图的喘振线之间的距离。
技术方案11. 根据技术方案10所述的控制器，其中作为所述第二喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器通过将喘振减轻距离值增加到所述喘振距离设定点而调整所述设定点。
技术方案12. 根据技术方案11所述的控制器，其中作为所述第二喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器生成打开所述再循环阀的再循环阀控制命令。
技术方案13. 根据技术方案8所述的控制器，其中所述指令进一步造成所述至少一个处理器检测所述喘振状态的结束并在检测到所述喘振状态的情况中使用所述默认策略来控制所述压缩机。
技术方案14. 根据技术方案8所述的控制器，其中所述指令进一步造成所述至少一个处理器控制所述阴极背压阀和所述再循环阀中的至少一个以保持打开并且在所述喘振状态超出时间限制时将警报提供至接口装置。
技术方案15. 一种车辆燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
压缩机，其可操作地连接到所述燃料电池堆以将压缩气体提供至所述燃料电池堆；
再循环阀，其可操作地连接到所述压缩机的入口和出口；
背压阀，其可操作地连接到所述燃料电池堆的出口；以及
控制器，其与所述再循环阀、所述压缩机和所述背压阀通信，所述控制器包括至少一个处理器和与所述至少一个处理器信号通信的非易失性存储器，使得存储在所述存储器中的指令造成所述至少一个处理器执行下列步骤：
保持对应于所述压缩机的操作的压缩机图，
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点，
检测所述压缩机内的喘振状态的存在，
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在高于阈值的速度下操作时，利用调节所述阴极背压阀的第一喘振减轻策略，以及
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时，利用调节所述再循环阀的第二喘振减轻策略。
技术方案16. 根据技术方案15所述的控制器，其中作为所述第一喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器生成打开所述阴极背压阀的阴极背压阀控制命令。
技术方案17. 根据技术方案15所述的控制器，其中所述指令进一步造成所述至少一个处理器保持喘振距离设定点，所述喘振距离设定点指示在所述设定点和所述压缩机图的喘振线之间的距离。
技术方案18. 根据技术方案17所述的控制器，其中作为所述第二喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器通过将喘振减轻距离值增加到所述喘振距离设定点而调整所述设定点。
技术方案19. 根据技术方案18所述的控制器，其中作为所述第二喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器生成打开所述再循环阀的再循环阀控制命令。
技术方案20. 根据技术方案15所述的控制器，其中所述指令进一步造成所述至少一个处理器检测所述喘振状态的结束并且使用所述默认策略控制所述压缩机。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最好地理解以下的具体实施例的详细描述，其中类似的结构用类似的附图标记表示，并且在附图中：
图1是具有燃料电池系统的车辆的示意图；
图2是图1所示燃料电池系统的示意图；
图3是构成图2的系统的一部分的压缩机图的图示；
图4是用于减轻图2的燃料电池系统的喘振状态的方法的流程图；以及
图5是构成图2的燃料电池系统的一部分的控制器的示意图。
附图中所示出的实施例本质上是示例性的而并非意图限制由权利要求限定的实施例。此外，根据以下的详细描述，将更加全面地清楚和理解附图和实施例的各个方面。
具体实施方式
首先参看图1，根据本文所示出和描述的实施例示出车辆10。车辆10(例如，轿车、公共汽车、卡车或摩托车)包括发动机100，发动机100可以是全电动或混合动力发动机(例如，使用电力和石油基燃烧两者用于推进目的的发动机)。包括单独的燃料电池的至少一个堆204的燃料电池系统200可用于提供发动机100的电能需求的至少一部分。在优选的形式中，燃料电池系统200是氢基系统，该氢基系统可包括一个或多个燃料储罐（未示出）、以及任意数量的阀门、压缩机、配管、温度调节器、电储存装置（例如，电池、超电容器等）和提供对其操作的控制的控制器。
可使用任何数量的不同类型的燃料电池来构成燃料电池系统200的堆204；这些电池可以是金属氢化物电池、碱性电池、电化学电池或其它变型。在一个优选（但非必要）的形式中，燃料电池是聚合物电解质膜（也称为质子交换膜，在这两种情况中均为PEM）燃料电池。堆204包括多个串联和/或并联组合的这样的燃料电池，以便产生更高的电压和/或电流产量。然后可以将由燃料电池系统200产生的电能直接提供至发动机100或存储在电储存装置(未示出)，以供车辆10以后使用。
接下来参看图2，示出了燃料电池系统200的示意图，其中压缩机202在入口202A处接收空气，对空气加压，并将其经由出口202B提供至堆204的入口204A，在入口204A处，空气随后通过联箱、歧管或相关的流动路径(均未示出)被传送至阴极206，在阴极206处，气体被用来与引入到燃料电池堆204的阳极(未示出)的氢气催化地反应以产生用于车辆10的电能。然后从堆204的出口204B去除排气和/或排液。
燃料电池系统200也包括有助于调节穿过整个系统的气体的流量的许多阀门。例如，燃料电池系统200可包括允许气体燃料中的一些或全部绕过燃料电池堆204的旁路阀214。同样，阴极背压阀216用来调节来自堆204的出口204B的排气的流量。燃料电池系统200也包括选择性地连接压缩机202的出口202B和入口202A的再循环阀218。
燃料电池系统200还包括测量该系统内的气体的特性的许多传感器。例如，燃料电池系统200可包括测量来自燃料储罐的空气质量流量的流量计220。燃料电池系统200中的传感器(未示出)的其它非限制性示例包括测量燃料电池系统200中使用的一种或多种气体的压力、温度、密度或相关性质的传感器。另外的示例包括测量阀门214、216、218的阀门位置和压缩机202的速度的传感器(未示出)。在尤其对成本敏感的配置中，可去掉压力传感器，并且在其中不使用压力传感器的这样的情况中，将需要在算法中包括压降模型以解决系统200操作条件中的变化。
如果在出口202B处背压过高，在压缩机202会逐步形成喘振状态，从而阻止压缩机202进行泵送。在这种情况下，通过压缩机202的气体流颠倒，有可能对压缩机的叶片、推力轴承或其它部件造成损坏。可以采用若干种措施来减轻压缩机202中的喘振状态。在一种情况下，可以打开再循环阀218以帮助减小压缩机202的出口202B处的背压。校准过的速率限制器可用来快速打开再循环阀218，然后在喘振状态已结束时将再循环阀218平稳地关回到其初始位置。值得注意的是，可存在其中操纵再循环阀218以减轻喘振状态对系统200不利的操作条件。例如，将压缩空气(伴随着其温度的同时升高)再循环回压缩机入口202A内会将不期望的热负载施加到压缩机202上。因此，调节再循环阀218应在压缩机202在低于对应的阈值的速度下操作时进行，以减小再引入已压缩的空气的影响。
减轻压缩机202中的喘振状态的另一种可能的方式是打开阴极背压阀216以便减小在压缩机202的出口202B处的压力。校准过的速率限制器(未示出)也可用来快速打开阴极背压阀216，然后在喘振状态已结束时将阴极背压阀216平稳地关回到其初始位置。然而，由于阴极背压阀216也用来调节在燃料电池堆204处的压力，并且由于由燃料电池堆204产生的功率取决于湿度和氧气的分压，因此调节阴极背压阀216以减轻喘振状态可能导致燃料电池系统200的减少的能量产生，而不是将堆压力控制到设定点。因此，减轻喘振状态需要考虑对系统的可操作性的这些和其它影响。
在本发明的一个实施例中，如果压缩机202的速度低于阈值，则在检测到喘振状态时打开再循环阀218(其比背压阀216更容易操纵，因为背压阀还影响堆204的压力并且可能会造成堆204不期望地移动离开其压力设定点)。然而，如果压缩机202的速度高于阈值，则在检测到喘振状态时优选地打开阴极背压阀216，因为再循环阀218的操纵会把受热的压缩空气引回到压缩机入口202A中，该压缩空气(如果以非常大的量存在)可能将压缩机入口温度升高至不期望地高的水平。此外，如果喘振状态在规定量的时间之后不减轻，阴极背压阀216可保持打开，并且警报车辆100的驾驶员需要维护。
现在参看图3，示出了压缩机图500。压缩机图500(该图表示基于有关压缩机202在基准操作条件下的速度和压力比的知识的压缩机202的操作特性)提供了用来通过允许基于压缩机202的操作状态预测喘振状态而预测压缩机202的行为的有用工具。通常，压缩机图500将压力比502与通过压缩机202的气体的流量504相关联。压缩机图500中的喘振线506还划定导致喘振状态的压缩机202操作状态与不导致喘振状态的压缩机202操作状态之间的界限。更具体地讲，图500表明当压缩机202的背压高到足以阻止来自压缩机出口202B的排放物被泵送时可能发生喘振；如上所述，这样的状态(以及与其相伴的流量的剧烈波动)会损坏压缩机202。
如图所示，压缩机图500将压缩机的压力比用作y轴线502，但本领域的技术人员应当理解，也可以使用另一参数沿y轴线。例如，出口温度与入口温度的比率可代替压力比用于y轴线502。图2中的压缩机202的压力比可通过获取出口202B处的压力与入口202A处的压力的比率来计算。图500还将压缩机的质量流量用作x轴线504。虽然结合压缩机图500示出压力比和质量流量，但应当理解，压缩机图500也可使用其它值构造。值“n”表示压缩机的速度，并且图500示出为包括对应于不同的压缩机速度“n”的多个速度线505。
压缩机图500的喘振线506表示压缩机的操作的两个区域。如图所示，喘振线506左侧的操作点导致压缩机内的喘振状态，而喘振线506右侧的操作点落在压缩机的正常操作区域内，即，压缩机能够将压缩气体泵送通过其出口。压缩机的操作点和喘振线506之间的距离(也被称为喘振裕度)提供了对压缩机离喘振状态多近的量度。
点508(点A)、510(点B)、514(点C)和515(点D)示出了可由压缩机经历的各种操作条件。在一种形式中，温度极限线509可能与喘振线506相交；该状态限定了可用来确定喘振减轻策略的使用可能是有利的位置的速度阈值。在第一种情况下，压缩机在点508(点A)处，表明存在喘振状态。这里，点508(点A)在温度极限线509的右侧，这意味着压缩机202在高速度和高压力比下运行。因此，应打开阴极背压阀216而不是再循环阀218，以免压缩机202过热。打开阴极背压阀216由此将压缩机202的操作状态从点508经喘振线506移动至点510(点B)，表明压缩机202不再处于喘振状态。
在第二种情况下，压缩机在点514(点C)处，也表明存在喘振状态。然而，在这里，点514(点C)在温度极限线509的左侧并且表明压缩机202在低速度和低压力比下运行，从而允许使用再循环阀218来减轻喘振状态。因此，可以增加喘振裕度以迫使再循环阀218打开并将压缩机的操作状态移动至点515(点D)，在该点处，喘振状态已减轻并且压缩机202返回到其正常操作范围内。与压缩机图500相关联的各种操作条件的另外的细节在由本发明的受让人在与本申请同一天提交的名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING A COMPRESSOR RECIRCULATION VALVE”(用于控制压缩机再循环阀的系统和方法)(代理人案卷号P015974-FCA-CHE)的共同申请中阐述，该申请全文以引用方式并入本文中。
现在结合图3参看图4，根据本文所示出和描述的实施例示出了对应于用于减轻图2的燃料电池系统200中的喘振状态的方法的一些步骤的流程图。该方法可由例如燃料电池系统的一个或多个控制器400实现。步骤402表示具有对应于燃料电池系统200的压缩机202的操作的操作参数的压缩机图(例如图3的图500)；在优选的形式中，图500保持在控制器400的存储器内。例如，压缩机图500可在控制器400的存储器404(在图5中示出并在下文中更详细讨论)中存储为查找表、数据结构或允许控制器400确定压缩机202的操作状态与喘振线505有关的位置的任何其它存储机制。压缩机图500可使用由例如压缩机202的制造商提供的信息预加载到控制器400中或使用改变压缩机202的操作并检测喘振状态的诊断例程来构建。
在步骤404处，压缩机图500用来使用默认控制策略控制压缩机202。在一种形式中，对应于压缩机图500内的期望操作点的设定点用作压缩机202的目标操作状态。
在一个实施例中，默认控制策略可调节再循环阀218以尝试防止压缩机202进入压缩机图500的喘振区域中。例如，压缩机202的压力比                                                
Figure 682583DEST_PATH_IMAGE001
可计算为：
Figure 599723DEST_PATH_IMAGE002
其中，PCmprOut为压缩机出口202B处的压力，PCmprIn为压缩机入口202A处的压力。图500可接着用来以如下方式确定用于在不跨过喘振线进入喘振区域的情况下保持该压力比的通过压缩机202的最小流量：
Figure 441778DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 836987DEST_PATH_IMAGE004
为基于压力比和喘振线的将压缩机202保持在压缩机图500的喘振区域以外的最小流量。
期望的喘振裕度距离可用来解决在正常条件下压缩机202的操作中的不确定性问题。此外，喘振裕度必须足够大，以释放检测到的喘振。在一个示例中，结合喘振距离的最小流量为：
Figure 651359DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 536138DEST_PATH_IMAGE006
为期望的喘振裕度距离，
Figure 803172DEST_PATH_IMAGE007
为结合喘振距离的压缩机202的修正最小流量。修正流量可接着在当前操作条件下被转换如下：
Figure 64389DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 733267DEST_PATH_IMAGE009
为此前计算的修正流量，为基准温度，
Figure 543278DEST_PATH_IMAGE011
为在压缩机202的入口处的温度，
Figure 280289DEST_PATH_IMAGE012
为在压缩机入口202A处的压力，并且
Figure 803675DEST_PATH_IMAGE013
为基准压力。
由再循环阀218旁通的流量可接着被计算为最小流量减去压缩机202的排放流量的反馈和设定点中的最小值：
Figure 295836DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 599778DEST_PATH_IMAGE015
为压缩机202的排放流量的设定点，
Figure 874902DEST_PATH_IMAGE016
为排放流量的反馈，并且
Figure 580690DEST_PATH_IMAGE017
为此前计算的最小流量。
再循环阀218的请求阀门位置kVlv基于阀门模型而计算。对于亚临界气体流来说，请求阀门位置可计算为：
Figure 915856DEST_PATH_IMAGE018
并且对于临界气体流来说计算如下：
Figure 644778DEST_PATH_IMAGE019
其中，为通过再循环阀218的气体的分子量，为此前计算的由再循环阀218旁通的流量，为在压缩机202的出口处的温度，为在压缩机出口202B处的压力，
Figure 950994DEST_PATH_IMAGE024
为在压缩机入口202A处的压力，并且a和b为分别来自用于亚临界和临界气体流的单位换算的系数。在一些实施例中，a和b分别等于4.633和5.375。亚临界和临界气体流量值的最大值可接着被用作请求阀门位置：
Figure 365795DEST_PATH_IMAGE025
。
压缩机202内的喘振状态的存在被检测并在接口406处输入到控制器400中。在接口408处，如果检测到喘振状态并且压缩机202以等于或大于阈值的速度操作，则使用调节阴极背压阀216的第一喘振减轻策略。在一些实施例中，用来将阴极背压阀216控制到某个位置的命令被增加以迫使背压阀216打开。校准过的速率限制器(未示出)可用来在检测到压缩机202喘振时使阀门216快速打开并且在喘振状态减轻时将阀门216平稳地且缓慢地关回到其初始位置。当喘振状态减轻时，对燃料电池系统200的控制也可恢复至默认控制策略；这样的默认控制策略可包括或结合到喘振保护策略，以便有助于防止另一个喘振状态发生。这样的保护策略可包括以足够的裕度操作。
如果检测到喘振状态并且压缩机202在低于阈值的速度下操作，则使用通过阀门和接口408之间的连接410调节再循环阀218的第二喘振减轻策略。在一些实施例中，第二喘振减轻策略与默认控制策略的区别在于喘振距离设定点被增加以迫使再循环阀218打开地更多。例如，可将喘振减轻距离值增加到默认控制策略的喘振距离设定点(例如，以上所述
Figure 308343DEST_PATH_IMAGE026
)。通过增大喘振距离设定点，再循环阀218被迫进一步打开，从而将压缩机202的操作点移回到压缩机图500的正常区域内。校准过的速率限制器可用来在检测到压缩机202喘振时使阀门快速打开并且在喘振状态减轻时将阀门平稳地且缓慢地关回到其初始位置。当喘振状态减轻时，对燃料电池系统200的控制也可以上文讨论的方式恢复到默认控制策略。
现在结合图2参看图5，控制器400包括处理器402，其可以是可通信地联接到存储器404和接口406及408的一个或多个处理器(例如，微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列、中央处理器(CPU)等)。存储器404可以是能够存储在被处理器402执行时实现本文公开的一个或多个功能的机器可执行指令的任何形式的存储器。例如，存储器404可以是RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器、EEPROM、CD-ROM、DVD或其它形式的非易失性装置、或不同存储器装置的任意组合。此外，控制器400可被构造为计算机，其中，在冯诺依曼意义上，它包括CPU、输入、输出和存储器(工作(即，包含数据的)存储器和永久(即，包含指令的)存储器两者)。同样，控制器可被构造成与计算机配合(但为不同于计算机的机器)。
控制器400与燃料电池系统200中的各种装置通信并且在一些情况下提供对这些装置的控制。在一些实施例中，控制器500提供对再循环阀218、压缩机202、阴极背压阀216和/或其它装置418(例如，旁路阀214等)的直接或间接控制。控制器400也从燃料电池系统200直接地或间接地接收传感器测量值以监测系统的操作。例如，控制器400可从与压缩机202、再循环阀218和/或阴极背压阀216相关联的传感器接收温度、压力、流量、密度、阀门位置、速度或其它测量值。此外，控制器400也可从其它装置418(例如，流量计220、与旁路阀214相关联的传感器等)接收传感器读数。应当理解，在不脱离本公开的原理或教导的情况下，可使用传感器和传感器配置的许多不同组合。
连接410、412、414和416可以是在控制器400与压缩机202、再循环阀218、阴极背压阀216和其它装置434之间提供连接的硬连线连接或无线连接的任意组合。例如，连接410可以是硬连线连接，而连接412可以是无线连接。在一些实施例中，连接410、412、414和416是共用的数据线的一部分，该数据线将测量数据传送到控制器400并将控制命令传送到连接到控制器400的燃料电池系统200的装置。在另外的其它实施例中，连接410、412、414和416可包括一个或多个中间电路(例如，其它微控制器、信号滤波器等)并在控制器400、压缩机202、再循环阀218、阴极背压阀216和其它装置434之间提供间接连接。
接口408被构造成接收测量数据并将控制命令传输到再循环阀218、阴极背压阀216和其它装置434。例如，如果连接410、412、414和416中的任一个为无线连接，接口408可包括一个或多个无线收发机。如果连接410、412、414和416中的任一个为有线连接，接口408也可包括一个或多个有线端口。接口408也可包括构造成对接收的测量数据进行数字采样或过滤的电路。例如，接口408可对经由连接412在离散的时间(例如，k、k+1、k+2等)接收自压缩机202的温度传感器的温度数据采样，以产生离散的温度值(例如，T(k)、T(k+1)、T(k+2)等)。
在一些实施例中，控制器400也可经由连接436与接口装置440(例如，显示器、扬声器、打印机或向使用者提供数据和/或从使用者接收数据的任何其它电子装置)通信。控制器400也可经由可以是有线或无线的连接438(与连接436一起)与其它计算系统442(例如，另一个控制器、便携式电子装置、服务器等)通信。例如，其它计算系统442可包括相比车辆10远程定位的服务器，并且连接438可以是无线连接。例如，服务器可经由蜂窝网、WiFi、无线电、卫星连接等传送状态条件信息。接口406也可包括构造成发送和接收车辆100的位置信息的一个或多个收发机。例如，接口406可包括利用三角测量来确定车辆100的位置的GPS接收器或蜂窝接收器。在其它实施例中，接口406和408可以是用于控制器400的单个接口。
存储器404示出为包括对应于压缩机202的操作的此前描述的压缩机图500(图2)。在一些实施例中，存储器404也包括压缩机控制器424，其接收关于压缩机202的测量数据并使用该测量数据来提供对压缩机202的控制。例如，压缩机控制器424可接收在压缩机202的入口和出口处获取的压力和/或温度测量值。压缩机控制器424也可从压缩机202接收流量测量值并将所接收的测量值与压缩机图500一起用来控制压缩机。例如，压缩机控制器424可使用压缩机图500来确定作为用来防止压缩机202喘振的默认控制策略一部分的压力比、流量和/或喘振裕度的一个或多个设定点。压缩机控制器424充当主控制器400内部的控制逻辑以生成用于压缩机202的操作命令，并且可以与压缩机202分开或不分开。
阀门控制器426使用由压缩机控制器424确定的压力比、流量和/或喘振裕度的设定点以调节再循环阀218和/或阴极背压阀216。例如，阀门控制器426可确定再循环阀218的请求阀门位置，该位置将压缩机202的操作状态从压缩机图500的喘振线移开。阀门控制器426接着生成造成再循环阀218相应地打开或关闭的控制命令。在一些实施例中，阀门控制器426生成再循环阀控制命令和/或阴极背压阀控制命令，这些命令造成阀门调整其位置。控制命令可提供直接控制或在一些情况下经由本地控制器提供间接控制。例如，再循环阀218和/或阴极背压阀216可包括实际上控制阀门的位置的本地控制器。在这种情况下，阀门控制命令可造成本地控制器将阀门调整至由阀门控制命令指定的位置。
喘振检测器430用来感测喘振是否发生。喘振减轻器428从喘振检测器430接收对检测到的喘振状态的指示并利用喘振减轻策略将压缩机202的操作移出压缩机图500的喘振区域。在一个实施例中，喘振减轻器428确定压缩机202的速度和/或入口温度是否等于或大于阈值(例如，作为参数432的一部分)。如果是，则喘振减轻器428利用第一喘振减轻策略。例如，第一喘振减轻策略可包括确定阴极背压阀216的调整后的阀门位置的喘振减轻器428和生成造成阴极背压阀216打开的阴极背压阀控制命令的阀门控制器426。阀门控制器426被构造成提供阀门控制逻辑，该控制逻辑将生成用于智能阀门的位置命令或用于没有所谓的“智能”特征的更传统的阀门的电压命令。因此，如果正操纵的阀门被构造为智能阀门，该阀门将具有在其自己的控制器中的自己的控制逻辑，以将来自阀门控制器426的位置命令转换为用于控制其移动的电压命令。如果正操纵的阀门不包括其自己的控制逻辑，阀门控制器426将把电压命令直接发送到该阀门。
如果压缩机202的速度和/或入口温度低于阈值，则喘振减轻器428利用调节再循环阀218的第二喘振减轻策略。例如，喘振减轻器428可确定可增加到喘振裕度设定点上的喘振减轻距离值。响应于增加喘振裕度，阀门控制器426可生成造成再循环阀218进一步打开的再循环阀控制命令。如果喘振检测器430确定由喘振减轻器428利用的第一或第二喘振减轻策略是成功的(例如，压缩机202不再喘振)，则喘振减轻器428可将控制恢复到由压缩机控制器424采用的默认策略。在一些实施例中，喘振检测器430也可将喘振事件日志存储在存储器404中并可将喘振事件日志提供至接口装置440或其它计算系统442。
在一些实施例中，喘振检测器430还可确定喘振状态是否已超出时间限制(例如，存储在参数432中的时间值)。喘振减轻器428可从喘振检测器430接收该状态的指示并开始利用调节阴极背压阀的维护模式。在维护模式下，阀门控制器426发出造成阴极背压阀216保持打开的阴极背压阀命令。在维护模式下，喘振减轻器428也可生成警报并将其提供至接口装置440(例如，以警报车辆100的驾驶者需要维护)和/或其它计算系统442。维护模式接替喘振减轻策略的操作，直到控制器400收到结束维护模式的命令(例如，作为参数432的一部分)。例如，在机械师已解决燃料电池系统200中潜在的问题之后，机械师可利用接口装置440或其它计算系统442结束维护模式。
参数432包括改变控制器400的功能的任何值。例如，参数432可包括用于压缩机202的速度、温度阈值和/或喘振状态时间限制的一个或多个阈值。参数432也可包括启用或禁用控制器400的功能的值。例如，参数432可包括确定喘振减轻器428是否工作(例如，控制器400是否要使用第一和第二喘振减轻策略)的参数。参数432还可包括确定如何将关于燃料电池系统200的信息传送到接口装置440和/或其它计算系统442的值(例如，多频繁、以什么格式等)。
在一些情况下，参数432中的一些或全部可被预加载到存储器404中(例如，由控制器400的制造商、车辆100的制造商等)。在其它情况下，参数432中的一些或全部可经由接口装置440和/或其它计算系统442提供至控制器400。此外，参数432中的一些或全部可经由接口装置440和/或其它计算系统442上传或删除。
虽然控制器400在图2和图5中示出为单个装置，但应当理解，这仅仅是示例性的而并非意图限制。例如，处理器402可包括执行存储在存储器404中的指令的任意数量的计算装置的任意数量的处理器。同样，存储器404可包括任意数量的存储器装置，并且不限于与处理器402位于相同外壳内的存储器装置。在一些情况下，处理器402和/或存储器404甚至可位于车辆100的外部。
根据上面的描述，本发明的实施例的许多修改和变型是可能的。在不脱离本发明的范围的情况下，各种系统和方法的上述实施例可以单独或以它们的任何组合使用。虽然描述和附图可能示出步骤的特定次序，但应当理解，在本公开中还可想到步骤的不同次序。同样，可以同时地或部分同时地执行一个或多个步骤。

Claims (10)

1.一种用于避免车辆燃料电池系统压缩机中的喘振的方法，所述方法包括：
在存储器内保持对应于所述压缩机的操作的压缩机图；
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点；以及
在检测到所述压缩机内的喘振状态时，在所述压缩机在高于阈值的速度下操作时利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略，或者在所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过生成造成所述阴极背压阀打开的阴极背压阀控制命令来调节所述阴极背压阀。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述存储器内保持喘振距离设定点，所述喘振距离设定点指示所述设定点和所述压缩机图的喘振线之间的距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过将喘振减轻距离值增加到所述喘振距离设定点以调整所述设定点来调节所述再循环阀。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括生成造成所述再循环阀打开的再循环阀控制命令。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
检测所述喘振状态的结束；以及
使所述压缩机的控制恢复至所述默认策略。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述喘振状态超出时间限制时所述阴极背压阀和所述再循环阀中的至少一个被调节以保持在打开位置，还包括提供警报至接口装置。
8.一种用于车辆燃料电池系统的控制器，包括：
至少一个处理器；以及
非易失性存储器，其与所述至少一个处理器通信，其中所述存储器存储机器指令，所述机器指令在由所述至少一个处理器执行时造成所述至少一个处理器执行下列步骤：
保持对应于所述车辆燃料电池系统的压缩机的操作的压缩机图，
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点，
检测所述压缩机内的喘振状态的存在，
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在高于阈值的速度下操作时利用调节阴极背压阀的第一喘振减轻策略，以及
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时利用调节再循环阀的第二喘振减轻策略。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中作为所述第一喘振减轻策略的一部分，所述指令进一步造成所述至少一个处理器生成打开所述阴极背压阀的阴极背压阀控制命令。
10.一种车辆燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
压缩机，其可操作地连接到所述燃料电池堆以将压缩气体提供至所述燃料电池堆；
再循环阀，其可操作地连接到所述压缩机的入口和出口；
背压阀，其可操作地连接到所述燃料电池堆的出口；以及
控制器，其与所述再循环阀、所述压缩机和所述背压阀通信，所述控制器包括至少一个处理器和与所述至少一个处理器信号通信的非易失性存储器，使得存储在所述存储器中的指令造成所述至少一个处理器执行下列步骤：
保持对应于所述压缩机的操作的压缩机图，
使用默认策略控制所述压缩机，使得所述压缩机的操作接近所述压缩机图内的设定点，
检测所述压缩机内的喘振状态的存在，
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在高于阈值的速度下操作时，利用调节所述阴极背压阀的第一喘振减轻策略，以及
在检测到所述喘振状态并且所述压缩机在低于所述阈值的速度下操作时，利用调节所述再循环阀的第二喘振减轻策略。
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