CN103779592A

CN103779592A - 用于控制压缩机再循环阀的系统和方法

Info

Publication number: CN103779592A
Application number: CN201310509879.8A
Authority: CN
Inventors: Y.张; J.马斯罗
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: US9029036B2; US20140120444A1; CN103779592B; DE102013221406A1

Abstract

本发明涉及用于控制压缩机再循环阀的系统和方法。控制燃料电池系统中的反应剂的压缩机再循环的系统和方法。基于所接收的阴极流量设置点计算到再循环阀的气体流的再循环阀流量设置点值。生成对应预测的再循环阀位置的值，并且该值可被用作改变再循环阀的位置以减少在燃料电池系统的操作瞬变期间的阀响应时间的控制命令。

Description

用于控制压缩机再循环阀的系统和方法

技术领域

本申请概括地涉及控制交通工具燃料电池系统中的压缩机再循环阀，并且更具体地涉及系统和方法，器用于控制压缩机再循环阀以帮助满足燃料电池堆阴极流量设置点，尤其是在瞬态操作条件期间。

背景技术

汽车技术在寻找对使用汽油作为交通工具推进系统中的主要能量源的替代方式领域中正在快速扩张。近年来的一个所感兴趣的领域已经聚焦在利用气体反应剂作为燃料。气体，例如氢气，因其在自然中大量存在而提供了对汽油的有前景的替代方式。在一些交通工具的系统中，推进可由使用氢气气体作为燃料电池内的化学反应的一部分来实现，该化学反应生成电能，该电能可被用于为电动马达供能。所产生的电能此后可被用于通过马达推进交通工具，单独地或者与基于石油的燃烧发动机联合地。这种燃料系统还通常产生比基于石油的系统更少的污染。

在典型的燃料电池中，氢气或者另一反应剂气体被供应到燃料电池的阳极，其中氢气被分解成电子和带正电的离子。电解质层将阳极和阴极分开，这允许离子穿过到达阴极，同时阻止电子穿过到达阴极。相反，电子被引导绕过电解质层通过负载并回到阴极，这允许电能被利用。在阴极，离子、电子和所供应的氧气或空气通常被组合以产生水和热。单独的燃料电池可被串联或并联布置为燃料电池堆从而产生更高的电压或电流产出。而且，通过组合多于一个的堆可实现更高的产出。

在利用燃料电池技术的交通工具中，这些反应剂气体可在加压气体系统内被输运和使用。例如，所存储的氢气可被提供到燃料电池阳极并被化学反应以生成电流。类似地，空气可由空气进气装置接收并被提供到燃料电池的阴极。这种交通工具燃料电池系统要求使用压缩机来执行这种加压功能，并且可额外地包括辅助装备例如阀、控制器等来调节在压缩机和燃料电池之间的反应剂气体流。

这种压缩机的固有属性（至少在它们与阴极侧操作相关时）是阴极的压力控制和流量控制是耦合在一起的。这种耦合往往使系统的操作不稳定，尤其是在瞬态系统操作周期期间。这些担心在瞬态操作条件期间尤其严重，在这种情况下流量设置点和压力设置点可表现出接近瞬间的改变。甚至更突出地，确保正确的再循环流量的困难在向下瞬变操作期间尤其严峻，因为正被要求放慢的压缩机的惯性效应阻止压缩机速度下降得和所需要的一样快；这进而具有使再循环流量不匹配的趋势。因为在燃料电池堆内的水产生随电流变化，所以向下瞬变事件（在这种情况下堆电流被突然减少）引起水产生的同时快速下降。如果堆阴极空气流没有与这种电流减少一起被减少，那么堆将快速地变干，导致对其造成损害。同样地，这种不匹配也可能是由于没有足够的流量被传递到阴极。在这种情况下，再循环阀的存在可导致过多的再循环可能发生，这导致堆被淹。如此，仅具有再循环阀本身不会确保快速的、精确的控制以避免堆溢流变干和堆欠流被淹。

发明内容

本文公开的发明致力于稳定该系统以最小化上面提及的变干和被淹条件。在一个实施例中，公开了用于控制交通工具燃料电池系统的压缩机再循环阀的方法，其中再循环阀流体地连接压缩机的出口到压缩机的进口。该方法包括接收作为输入的被从压缩机输出供应到燃料电池阴极的气体流量的堆阴极流量设置点。该方法还包括使用来自压缩机和堆阴极流量设置点的操作数据计算再循环阀流量设置点值（也称为预测的或期望的值）。该方法还包括生成再循环阀控制命令，该命令使再循环阀改变位置。通过这种方法，压缩机流量设置点可被用于通过例如在压缩机流量设置点和堆阴极流量设置点之间取差来计算再循环阀流量设置点。这提供了预测再循环阀流量值。

在一种任选的形式中，该方法在燃料电池系统的操作瞬变期间进行。在甚至更加特定的任选形式中，操作瞬变是向下瞬变，在这种情况下由燃料电池产生的能量从高向低变，对被传递到燃料电池堆的氧气或相关的阴极反应剂的需求也同样变化。因此，如果发生向下瞬变，该方法可被用于预测满足新的堆阴极流量设置点所需要的未来再循环阀位置，以及发送命令到再循环阀以满足这种新的设置点。如此，根据本公开执行的计算优选地被使用以实现决定未来阀位置的预测能力。前馈项，例如堆阴极流量设置点和压缩机出口压力设置点，可被使用，但是其它的操作参数（尤其是，反馈参数，例如通常改变相对较慢的压缩机速度）也可被使用。重要地，对压缩机再循环阀的前馈控制有助于稳定化和控制这个固有地耦合的系统。在一个形式中，本文描述的控制可与前馈压缩机速度控制联合地使用，该前馈压缩机速度控制在与本申请同一日提交的、名称为“PREDICtive CATHODE compressor SPEED CONTROL IN A FUEL CELL POWER SYSTEM”（律师案卷号为P013453-FCA-CHE）的姊妹申请中被公开，该申请通过引用并全文并入。在本文的语境中，部件（例如压缩机）变化的相对速度并不暗示慢过渡，相反，这种过渡发生在一定时间长度上——如果没有被修正——该时间长度可导致堆内的有害的湿度失衡。例如，物理压缩机速度从最大值向最小值的向下瞬变可以是约4秒；这对于要遭受更大空气流的干燥效果的堆的阴极膜来说是相当长的时间。如本文讨论的再循环阀的迅速操作改善了在这个过渡时长期间的过大的空气流的影响。压缩机操作数据可从压缩机图得到；这种数据可以传统的机器可读形式存放，例如通过使用由压缩机制造商提供的已知压缩机特征的查询表等。在特定形式中，压缩机进口气体流设置点可以是可从压缩机图确定的类型的操作数据。以同样的方式，再循环阀流量设置点值可使用在压缩机进口气体流量设置点和堆阴极流量设置点之间的差来计算。同样地，堆阴极流量设置点可在其它的地方生成，例如在可被存储在计算机或相关的控制器上的另一算法中。在另一任选形式中，再循环阀流量设置点值被用于计算新的再循环阀位置，这将被作为阀位置设置点的前馈项。而且，比例-积分-微分（PID）控制器被用于生成新阀位置的补偿项，这被作为新阀位置的反馈项，因为其基于堆阴极流量反馈值并且其试图消除在堆阴极流量设置点和堆阴极流量反馈值之间的误差（或差别）。如此，新的阀位置是前馈（即，开环）项和反馈（即，闭环）项的和，并且控制器将以再循环阀控制命令来命令该阀以改变位置到新的设置点。本领域技术人员应该意识到，新的阀位置，既便它可能利用了反馈信息（例如压缩机速度或压力或温度），但不可以使用流量反馈信息，因为那是目标控制项。

在另一实施例中，交通工具燃料电池系统的控制器被公开。控制器包括至少一个处理器和非瞬态存储器，其中后者存储可由前者执行以使控制器确定由压缩机的出口供应到一个或多个燃料电池的阴极的气体流的阴极流量设置点的指令，该一个或多个燃料电池被用于形成燃料电池系统中的燃料电池堆。包括对应于压缩机的操作的数据的压缩机图（其可被存储在该存储器的RAM或ROM中）可由处理器访问以帮助其执行与再循环阀设置有关的一个或多个计算。所述指令还使处理器计算再循环阀的流量值，使得从压缩机的出口到达再循环阀的气体流量考虑了堆阴极流量设置点和压缩机图数据。

任选地，对应压缩机图的操作数据被包含在非瞬态存储器内。压缩机图数据可由控制器访问以确定压缩机进口的气体流量设置点。所述指令还可被用于使处理器计算在压缩机进口气体流量设置点和阴极流量设置点之间的差，作为确定设置再循环阀所需的值的方式。如上所述，除了设置点和相关的前馈信息之外，用于控制阀位置的算法还采用了反馈项。优选地，由控制器生成的控制信号可被发送到致动器以将阀重新定位到与交通工具燃料电池系统的需求相称的更加打开或关闭的构造。

在另一实施例中，交通工具燃料电池系统被公开。该系统包括了燃料电池，该燃料电池包括阴极和具有进口和出口的压缩机。出口被操作地连接到燃料电池的阴极并提供气体给燃料电池的阴极。该系统还包括再循环阀，其操作地连接到压缩机的进口和出口。该系统还包括控制器，其具有至少一个处理器和与该处理器信号通信的非瞬态存储器。该存储器存储有指令，该指令在由处理器执行时使该处理器确定到达阴极的气体流的阴极流量设置点。该指令还使处理器使用可以压缩机图的形式被存储的与压缩机有关的操作数据。该指令还使处理器使用压缩机图和阴极流量设置点计算到达再循环阀的气体流的再循环阀流量值；这进而可被用于生成使阀改变位置的再循环阀控制命令。

任选地，压缩机图被用于确定到达压缩机进口的气体流量设置点。指令可还使处理器计算在压缩机进口气体流量设置点和阴极流量设置点之间的差来作为确定再循环阀值的方式，这甚至在更加特定的形式中可构成控制器的前馈值。如上所述，再循环阀的位置可通过前馈值来确定，并且还可基于基于反馈的积分值和微分值中的一个或多个。数据通信装备（例如，信号传输电线、连接器等）也可形成燃料电池系统的一部分；这种装备可被用于至少在控制器和再循环阀之前传递再循环阀控制命令。

本发明还提供了如下方案：

方案1. 一种用于控制燃料电池系统的压缩机再循环阀的方法，该方法包括：

接收由压缩机的出口供应到燃料电池的阴极的气体流的堆阴极流量设置点；

使用压缩机操作数据和所述堆阴极流量设置点计算所述被供应的气体流的再循环阀流量设置点值；

通过使用所述再循环阀流量设置点值计算对应新的再循环阀位置的前馈项；

通过PID控制策略生成对应所述新的再循环阀位置的反馈项，所述生成基于在所述堆阴极流量设置点和所述反馈项之间的误差；以及

基于所述前馈项和所述反馈项生成引起所述再循环阀的致动的再循环阀控制命令。

方案2. 如方案1所述的方法，其中，所述接收、计算和生成中的至少一个在所述燃料电池系统的操作瞬变期间发生。

方案3. 如方案2所述的方法，其中，所述操作瞬变是操作向下瞬变。

方案4. 如方案3所述的方法，其中，压缩机进口气体流量设置点是根据压缩机图确定的。

方案5. 如方案4所述的方法，其中，所述再循环阀流量值是使用在所述压缩机进口气体流量设置点和所述阴极流量设置点之间的差计算的。

方案6. 如方案1所述的方法，还包括使用控制器以进行所述接收、计算和生成中的至少一个。

方案7. 如方案1所述的方法，还包括使用控制器以实现所述生成所述反馈项。

方案8. 如方案1所述的方法，还包括响应于所述生成的再循环阀控制命令打开或关闭所述再循环阀。

方案9. 一种用于交通工具燃料电池系统的控制器，包括：

至少一个处理器；以及

非瞬态存储器，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，该指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：

使用压缩机图和所述堆阴极流量设置点计算从所述压缩机的所述出口到达再循环阀的气体流的再循环阀流量设置点值，其中所述再循环阀流体地将所述压缩机的所述出口连接到所述压缩机的进口；

方案10. 如方案9所述的控制器，其中，对应所述压缩机图的压缩机操作数据被包含在所述存储器内并且被构造成使得所述压缩机进口的气体流量设置点由所述控制器确定。

方案11. 如方案10所述的控制器，其中，所述指令还使所述至少一个处理器计算在所述压缩机进口气体流量设置点和所述堆阴极流量设置点之间的差以确定所述再循环阀流量设置点值。

方案12. 如方案10所述的控制器，其中，所述再循环阀的所述改变的位置是由前馈值以及积分值和微分值中的至少一个在所述控制器内确定的。

方案13. 如方案9所述的控制器，其中，由所述控制器生成的所述再循环阀控制命令与所述再循环阀信号通信以有利于其重新定位。

方案14. 一种交通工具燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，其包括多个燃料电池，其中每一个燃料电池都包括阴极；

压缩机，其具有进口和出口，其中所述出口被流体地连接到所述堆以提供反应剂气体给所述阴极；

再循环阀，其被操作地连接到所述压缩机的所述进口和所述出口；以及

控制器，其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瞬态存储器，其中所述存储器存储指令，该指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器：

接收到达所述阴极的气体流的堆阴极流量设置点；

使用与所述压缩机相关的操作数据和所述堆阴极流量设置点计算到达所述再循环阀的气体流的再循环阀流量设置点值；以及

生成使所述再循环阀改变位置的再循环阀控制命令。

方案15. 如方案14所述的系统，其中，与所述压缩机相关的所述操作数据是基于压缩机图。

方案16. 如方案15所述的系统，其中，来自所述压缩机图的所述操作数据被用于确定到所述压缩机进口的气体流量设置点。

方案17. 如方案14所述的系统，其中，使所述至少一个处理器计算再循环阀流量设置点值的所述指令还包括使所述至少一个处理器进行如下操作的指令：

通过使用所述再循环阀流量设置点值计算对应新的再循环阀位置的前馈项；以及

通过PID控制策略生成对应所述新的再循环阀位置的反馈项，所述生成基于在所述堆阴极流量设置点和所述反馈项之间的误差。

方案18. 如方案14所述的系统，还包括数据通信装备，其被构造成在所述控制器和所述再循环阀之间传递所述再循环阀控制命令。

附图说明

在结合下面附图阅读时，可最佳地理解具体实施例的如下具体描述，其中同样的结构由同样的附图标记指示，附图中：

图1示出了具有燃料电池系统的交通工具；

图2是图1中示出的交通工具燃料电池系统中的空气供应系统的示意图示；

图3是压缩机图的图示；

图4是用于图1的交通工具燃料电池系统的控制器的示意说明；

图5A示出了根据现有技术的对向下瞬变的流量控制；

图5B示出了根据本公开的对向下瞬变的流量控制；

图6A示出了根据现有技术的对向上瞬变的流量控制；以及

图6B示出了根据本公开的对向上瞬变的流量控制。

附图中公开的实施例本质上是说明性的并且不是为了限制由权利要求定义的实施例。而且，参照下面的具体描述能更全面地明白和理解附图和实施例的各个方面。

具体实施方式

如上所述，在交通工具燃料电池系统中使用压缩机对汽车工业提出了新的挑战，在这种情况下流率，以及相关的燃料电池阴极化学当量比，都成为了这种系统的重要参数。阴极化学当量比被定义为反应剂的进口摩尔流率与该反应剂的消耗率的比，并且因此与到达阴极的气体流量直接成正比。当燃料电池的输出工高功率变向低功率（例如，在怠速状态期间）时，会有更少的反应剂消耗，这进而显著地增加了阴极化学当量比。但是，化学当量比的这种增加会使堆干燥并因此影响堆性能或者设置引起对堆的损害。无论如何，根据本发明的各方面的提供再循环阀的快速打开和关闭将改善该系统快速地满足流量设置点并避免堆过化学当量比条件的几率；这些更精确的指令在向下瞬变条件期间尤其有益，在这种情况下与压缩机速度下降相关联的潜伏期不然会阻碍维持正确的堆化学当量比。

现在参照图1，根据本文中示出和描述的实施例，示出了交通工具100。交通工具100（例如，轿车、公共汽车、卡车或摩托车）由一个或多个燃料电池提供动力，该燃料电池构成了燃料电池系统102，该燃料电池系统102将所存储的气体燃料转换成电能以供发动机104使用。在优选的实施例中，燃料电池系统102是基于氢气的燃料电池系统，其将在氢气和氧气之间的催化反应转换为电流。燃料电池系统102可包括一个或多个车载氢气存储罐或者相关的存储罐（未示出其中一个），后者使得可发生氢气前体的车载重整。在这种情况下，燃料电池系统102也可包括任意数量的阀、压缩机、管道、温度调节器、电存储设备（例如，蓄电池、超级电容器等，未示出其中一个）和控制器以帮助确保燃料电池系统102的正确操作。发动机104可以是全电动的或混合动力电动发动机（例如，使用电能和基于石油的燃烧以推进交通工具100的发动机）。在任一构造中，发动机104利用来自燃料电池系统102的能量来满足交通工具100的推进需求的至少一部分。

任意数量的不同类型的燃料电池可被用在燃料电池系统102中（例如，金属氢化物燃料电池、碱性燃料电池、直流燃料电池或任意其它类型的已知燃料电池）。多个燃料电池也可被串联或并联地组合在燃料电池系统102中作为燃料电池堆以产生燃料电池系统102的更高的电压或电流产出。所产生的电能此时可被直接供应到发动机104或存储在电存储设备内以供交通工具100之后使用。

现在参照图2，根据本文中示出和描述的实施例，示出了燃料电池系统102的示意图示。压缩机202在进口202A接收空气，将其压缩，并通过出口202B将所供应的气体提供到燃料电池堆204的阴极进口204A，在这种情况下该气体被用于为交通工具100产生电能。废气或液体此后通过排出端222被从阴极出口204B移除。除了压缩机202以外，燃料电池系统102还包括多个阀，这些阀有助于调节在整个系统中的气体的流动。例如，燃料电池系统102可包括旁通阀214，其允许气体燃料的一些或全部绕过燃料电池堆204。燃料电池系统102也可包括阴极反压阀216，其调节从阴极出口204B的废气流量。阴极反压阀216可被用于例如控制通过阴极的气体的压力和流量。再循环阀218可实现在压缩机出口202B和进口202A之间的选择性流体连接。再循环阀218的尤其有价值的使用是在燃料电池堆204内的操作瞬变期间，在这种情况下其可根据燃料电池堆204的瞬变需求增加或降低在进口206处存在的空气量。

燃料电池系统102还包括数个传感器，它们测量在该系统内的气体的特征。例如，燃料电池系统102可包括流量计220，其测量来自空气进气系统的空气质量流量。燃料电池系统102中的传感器的其它非限定性示例（未示出）包括测量在燃料电池系统102中使用的一个或多个气体的空气质量流量、压力、温度、密度等的传感器。其它的示例包括测量阀214、216、218的位置和压缩机202的速度的传感器。

在燃料电池系统102可能发生向下瞬变，这意味着燃料电池堆204的输出基于来自交通工具100的操作者的请求而变向更低的功率设置。在一个示例中，更低的功率设置可对应于交通工具100的怠速状态。为了维持燃料电池堆204的稳定性，阴极化学当量比必须被增加，但是要以不会不利地影响燃料电池堆204的其它操作参数的方式。根据本公开，再循环阀218可在压缩机202的出口202B处被打开。应该注意到，对燃料电池系统102内的一个设备的控制可被集成到对另一设备的控制中。例如，设置点可被用来控制燃料电池系统102的若干阀。在更加具体的形式中，被用作本公开的一部分的算法可有助于确定压缩机202的流量设置点，该流量设置点将被用于计算再循环流量设置点，该再循环流量设置点会等于压缩机202和燃料电池堆204的流量设置点之间的差。本发明的控制再循环阀218的逻辑在与燃料电池系统102中的功率向下瞬变联合被使用时尤其有益。在一种形式中，压缩机流量设置点信息可从压缩机图500得到。

现在参照图 3和4，示出了与压缩机图500相关联的更多细节和控制器400的各种特征。具体参照图3，包含在压缩机图500内的数据是对应压缩机202的操作的数据；这种信息可包括在各种不同的速度线505处的对于给定流量条件（包括，例如，可能额外地考虑了大气温度和压力变化的与质量流量有关的因素）的压力比。压缩机图500提供了有用的工具来通过允许基于压缩机202的操作状态预测流量设置点来预测压缩机202的行为。通常，压缩机图500将压力比502与通过压缩机202的气体流504相关联。喘振线506将导致停转、倒流和气体不可取的喘振条件的压缩机202操作状态与不会如此的操作状态划分开来，在这种情况下在喘振线506左侧的点是有问题的，而在喘振线506右侧的操作点对应于基本上正常的压缩机202操作。在压缩机202的操作点508、510或514（下面将更具体地讨论）和喘振线506之间的距离被称为喘振余量，并且提供了压缩机202如何接近喘振条件的测量。在一种形式中，对应在压缩机图500上的各种操作条件的数据可被存储在查询表或相关的数据结构中，查询表或相关的数据结构可进而被嵌入或以其它方式被包含在任何合适的机器可访问介质中，例如编程芯片或存储器设备、闪存、硬盘驱动器、CD、DVD、软盘或者相关的非瞬态结构。因此，这种机器可访问介质可以是形成控制器400的一部分的存储器404的形式。在压缩机图500内的数据可使用由例如压缩机202的制造商提供的信息被预加载到控制器400中。在另一形式中，可使用变化压缩机202的操作并检测各种不同的条件的诊断例程来建立该数据；任一种形式都是可接受的。除了上述的前馈设置点参数外，压缩机202还可由一个或多个反馈回路控制以调节其速度、压差、气体流率或相关的参数以试图维持该一个或多个设置点。

如上所述，点508、510和514说明了可由压缩机202经历的各种不同的操作条件（或点）。例如，压缩机202正在点508以反馈速度运行。如果燃料电池系统的输出去往低功率，那么就会存在向下瞬变条件。压缩机202速度此时可被控制到点510以节约资源，此时x轴流率504和y轴压力比502都经历了对应的下降。同样，压缩机202速度可被沿着等速线505的其中之一被控制到点514，此时压缩机202的旋转速度在瞬变条件期间慢慢地降低。在这种情况下，在点514处的压缩机进口202A的气体流量设置点由压力比设置点502和点508处的反馈速度确定。再循环阀218流量设置点值可从在压缩机进口202A的气体流量设置点和在点510处示出的阴极流量设置点之间的差计算。再循环阀218此时可被打开以重新引导任何多余空气流而不是使这些空气经过燃料电池堆204的阴极，在这种情况下，如前所述，其会导致燃料电池堆204的不匹配的化学当量比。如本领域技术人员能理解的，压缩机202的优选最大操作点“A”在与点508相交的速度线505中的最高者的顶部。压缩机202内的惯性使其在向下瞬变期间在一小段时间上保持其之前的速度；这使压缩机流量有向着在压缩机图500上的点514处的操作点“C”的趋势。

关于图3中示出的特定示例，在图500上的从点508（高功率）到510（低功率）的瞬变条件意味着堆阴极流量设置点对应地改变；同样地，压缩机出口202B压力设置点在从点508移动到点510时被如所示地改变。因为流量设置点被改变，所以再循环阀218的满足在点510处的新的流量要求的位置需要被预测并此后被迅速地调节。因为通过遵循某些特征压缩机202运行特征已经是已知的（并且－如上所述—通常是慢慢变化的，尤其是在向下瞬变的过程期间），压缩机图500可被用于利用简化假设——压缩机202的速度在单个时间步长过程内未改变——来预测再循环阀218位置。也可依赖额外的操作知识。例如，知道了如果再循环阀218被打开那么在压缩机出口202B处的压力将下降就允许打开再循环阀218到预测位置，使得压缩机可在点514运行。通过再循环阀218被旁通以满足新的堆阴极流量设置点514的空气流等于在其和点510之间的差。

由此，新的再循环阀218位置的前馈项此后由通用阀模型通过使用穿过该阀的流量（即，在点514和510处的x轴点之间的差）、流温度、在再循环阀218进口和出口处的压力、以及其它必要的输入来确定。与由PID控制器确定的反馈项一起，再循环阀218的新位置被最终确定，此后再循环阀218将被指令以移动到新位置并且压缩机202将在点514运行，而其在出口202B的压力将被降低到在设置点514的压力。在这种示例性移动下，压缩机202流量被指示在点514，而燃料电池堆204流量处于点510。因此，被旁通（即，通过再循环阀218）的流量是在点514和510之间的差，示出为

。由此，压缩机202的旋转速度的降低导致了其操作条件从点514移动到点510。在这个过程期间，堆204流量和压力都持续满足新的设置点510。新的阀位置的前馈项确保了在向下瞬变期间快速地打开阀218并在向上瞬变期间快速地关闭，而该新的阀位置的来自PID控制器400的反馈项能在瞬变条件期间消除任何补偿误差或者减轻任何过火。本公开的方法将使瞬变发生得更快并由此避免将燃料电池堆204干燥。再循环阀218的一个重要的附带益处是其有助于防止压缩机202进入到前述的喘振条件，对其的处理在与本申请同日提交的、名称为“reactive compressor surge MITIGATION STRATEGY FOR A FUEL CELL POWER SYSTEM”（案卷号P016534）的姊妹申请中公开。如果系统102处于稳态，那么再循环阀218将基于喘振控制移动到一个位置从而防止压缩机202移到喘振线506之上。再循环阀218将再循环最小的流率同时压缩机202处于实现期望流量的最低必要速度。

参照图4，用于调节压缩机再循环阀218的操作的控制器400包括处理器402，其可以是至少一个处理器（例如，微处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列等），该处理器被通信地联接到存储器404和接口406和408（其可分别对应输入和输出步骤）。处理器402可（尤其地）确定由压缩机202供应到燃料电池堆204的气体流量的阴极流量设置点，其中阴极流量设置点对应堆204的期望操作条件，并且期望操作条件可在不同的模式下被计算。期望操作条件可被通信到存储器404以存储该条件。在一种形式中，期望操作条件可被存储在存储器404内作为查询表、数据结构活相关的构造。存储器404可以是任何形式的存储器，其能够存储机器可执行指令，该指令当由处理器402执行时实施本文公开的功能中的一个或多个。例如，存储器404可以是RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器、EEPROM、CD-ROM、DVD、其它形式的非瞬态存储设备、或这些存储设备的任意组合。控制器400也可包括数字信号处理能力、专用集成电路、可编程逻辑设备以及离散门或晶体管硬件部件中的一个或多个。以这种方式，控制器400可生成和存储非瞬态信号，该信号可被用于通过上述的前馈值中的一个或多个、以及根据反馈（即，积分/微分）项控制再循环阀218定位。通过阀218响应于来自控制器400的阀控制命令的打开或关闭可影响系统操作。

在优选的形式中，控制器400的至少一部分被构造成起基于前馈的设备的作用，因为该系统中的图2中所示出的阀（包括再循环阀218）中的一个或多个的操作是基于燃料电池系统102的数学模型或相关表征，在这种情况下对应这种模型的程序元素可被载入到存储器404内。以这种方式，通过组合燃料电池系统102的一部分或全部的操作的数学模型到控制器400的算法中，控制器400可基于已知的系统参数（例如被感测、测量或以其它方式馈送到算法内的那些）采取适当的控制动作。如上所述，燃料电池系统102的操作的优化可通过组合前馈元素和一些基于反馈的元素来提高，因为前馈控制是优选的以实现过渡中的快速，而反馈是需要的以减少小稳态误差。

控制器400与燃料电池系统102内的各种不同的设备通信，并且在一些情况下，提供了对诸如再循环阀218、压缩机202和其它部件的设备的直接或间接的控制。控制器400还接收，直接地或间接地，来自燃料电池系统102的传感器测量结果以监视该系统的运行。例如，控制器400可接收来自与压缩机202、再循环阀218等相关联的传感器的温度、压力、流量、密度、阀位置、速度或其它测量结果。而且，控制器400也可从其它设备接收传感器读数（例如，流量计220，与其它阀214、216等相关联的传感器）。应该意识到，可使用传感器和传感器构造的任意数量的不同组合，这不脱离本公开的原理或教导。

连接410、412和414可以是有线或无线连接的任意组合，这些连接提供了在控制器400和再循环阀218、压缩机202、旁通阀214、阴极反压阀216和其它设备之间的连接。在一些实施例中，连接410、412和414是共享的数据线的一部分，该数据线传送测量数据到控制器400并将控制命令传送到燃料电池系统102的连接到控制器400的设备。在又一实施例中，连接410、412和414可包括一个或多个中间电路（例如，其它的微控制器、信号滤波器等）并提供在控制器400、压缩机202、再循环阀218和其它设备434之间的间接连接。

接口408被构造成接收测量结果数据并传输控制命令到再循环阀218、压缩机202和其它设备。例如，接口408可包括一个或多个无线收发器，如果连接410、412和414中的任一个是无线连接的话。接口408还可包括一个或多个有线端口，如果连接410、412和414中的任一个是有线连接的话。接口408还可包括构造成数字地采样或对所接收的测量数据进行滤波的电路。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）从压缩机202的温度传感器接收的温度数据进行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还可经由连接436与接口设备440（例如，显示器、扬声器、打印机、或向和从用户提供或接收数据的任何其它电子设备）通信。控制器400还可经由连接438与其它计算系统442（例如，另一控制器、便携电子设备、服务器等）通信。连接436和438可以是有线或无线连接。例如，其它的计算系统442可包括相距交通工具100远程地定位的服务器并且连接422可以是无线连接。例如，控制器400可经由蜂窝、WiFi、无线电、卫星连接等将状态条件信息通信给服务器。接口406也可包括一个或多个收发器，其构造成发送和接收交通工具100的位置信息。例如，接口406可包括GPS接收器或者蜂窝接收器，该接收器利用三角测量确定交通工具100的位置。在其它的实施例中，接口406和408可以是控制器400的单个接口。

控制器400使用压力比的设置点、喘振余量或流率来调节再循环阀218，以及其它的阀。例如，控制器400可确定再循环阀218的将压缩机202的操作状态从压缩机图50的喘振线移远的所要求的阀位置。控制器400此后生成再循环阀控制命令，该命令使再循环阀218相应地打开或关闭。

可改变控制器400的功能的参数432可包括压缩机202的速度的一个或多个阈值、温度阈值、或喘振条件时限。这些参数432也可包括启用或禁用控制器400的功能的值。例如，这些参数432可包括确定喘振减轻器是否工作的参数。同样地，参数432还可包括确定关于燃料电池系统102的信息如何被传送到接口设备440或其它计算系统442（例如，频率、什么格式等）的值。

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内（例如，通过控制器400的制造商、交通工具100的制造商等）。在其它情况下，参数432中的一些或全部可被通过接口设备440或其它计算系统442提供到控制器400。参数432中另外的一些或全部可通过接口设备440或其它计算系统442更新或删除。

尽管控制器400被示出为单个设备，但是应该理解这仅仅是示例性的且不是用作限定性。例如，处理器402可包括任意数量的计算设备的任意数量的处理器，这些计算设备执行存储在存储器404内的指令。同样的，存储器404可包括任意数量的存储设备并且不限于和处理器402定位在同一壳体内的存储设备。在一些实施例中，处理器402或存储器404甚至可被定位在交通工具100外部。

再循环阀218流量设置点值是使用压缩机图500和阴极流量设置点计算的。如上所述，这个流量设置点值对应预测流量，并且所有这种计算都是用于该预测。通过作为预测参数，这个流量值具有减少与操作瞬变相关联的时间和不确定性的能力。压缩机进口202A气体流量设置点是由压缩机图500在跨过压缩机500的速度和压力比下确定的。例如，压缩机压力比设置点

可如下计算：

其中是在压缩机202的出口202B处的压力设置点而是在压缩机202的进口202A处的压力设置点。压缩机进口202A的修正气体流量设置点通过压缩机图500被如下确定：

其中

是根据跨过压缩机202的速度和压力比确定的修正压缩机进口气体流量设置点。最终的压缩机进口202A气体流量设置点是从修正值转换的：

其中

是来自再循环阀218的在压缩机进口202A处的温度设置点。再循环阀218流量值是使用在最终的压缩机进口202A气体流量设置点和堆阴极流量设置点

之间的差计算的。

如果最终压缩机进口202A气体流量设置点

小于堆阴极流量设置点

，则再循环阀218流量设置点值（）被截断到零。

再循环阀218位置的前馈项的所请求的阀kVlv值是基于亚临界气体流量的阀模型计算的：

并且对于临界气体流量被计算如下：

其中

是通过再循环阀218的气体的摩尔量，

是前面计算的由再循环阀218旁通的流量，

是压缩机202的出口202B处的温度，

是压缩机202的出口202B处的压力设置点，

是压缩机202的进口202A处的压力设置点，并且

和

分别是亚临界和临界气体流量的单位转换系数。在一些实施例中，

和分别等于4.633和5.375。亚临界和临界气体流量值的最大值此时可被用作再循环阀218的所请求的位置：

.

再循环阀218的最终kVlv值是根据上面计算的前馈kVlv值和来自PID控制器400的反馈kVlv计算的并且它通过查询表和基于阀特征的其它方法被转换成新的阀位置。再循环阀命令此时被生成并且通过接口406被发送，其使再循环阀218改变位置。该命令由基于反馈（即，积分－微分）的值和非常适合于快速瞬变流量响应的基于前馈（即，设置点）的值中的一者或两者生成。

通过上面的阀方程，作为PID控制器400的前馈项的再循环阀218的预测位置是基于输入预测流量、温度、压力和其它输入的阀模型计算的。在特定的形式中，本发明使用了存储在压缩机图500内的信息以计算再循环阀218的位置的前馈项，这在来自控制器400的指令时可使再循环阀218与纯基于反馈的控制策略相比在向下或向上瞬变期间快速移动。本领域技术人员将意识到，上面的方程是示例性的，并且其它的方程可被用于产生再循环阀218的预测位置；这种其它的方程，在它们被用来帮助预测满足燃料电池堆204的流量设置点的未来再循环阀218位置的程度上，是在本公开的范围内的。

接着参照图5A、5B、6A和6B，示出了根据现有技术的再循环阀流量控制结果（图5A和6A）和根据本发明（图5B和6B）的结果。具体参照图5A，在堆流设置点610和堆流反馈620之间的差示出为误差630，而在堆流设置点610和堆流反馈620之间的干燥区域640在大量时间（如所示的约4秒）上是大的；这可导致图2的堆204的各种不同的阴极的干燥。具体按照图5B，在堆流设置点710和堆流反馈720中的差被迅速解决；这进而意味着干燥区域740被最小化，这等于减少了阴极干燥，并改善了堆性能和耐久性。具体参照图6A，阴极堆流设置点610短暂地增加，接着快速降低。这是与阳极氢气泄放事件一起进行的，在该事件中阳极水和氮气被从系统短暂地“排出”。类似于图5A，图6A示出了阴极的干燥区域640，在这种情况下堆流设置点610和反馈620被分开，相比而言，在图6B中，所公开的方面通过使设置点710和堆流设置点720相关得更好由此减少了干燥区域740来纠正这种情况。

虽然已经参照具体实施例示出和描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，可对本公开进行形式和细节中的各种变化，而不脱离本公开的精神和范围，范围由所附的权利要求限定。

Claims

1.一种用于控制燃料电池系统的压缩机再循环阀的方法，该方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述接收、计算和生成中的至少一个在所述燃料电池系统的操作瞬变期间发生。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述操作瞬变是操作向下瞬变。

4.如权利要求3所述的方法，其中，压缩机进口气体流量设置点是根据压缩机图确定的。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述再循环阀流量值是使用在所述压缩机进口气体流量设置点和所述阴极流量设置点之间的差计算的。

6.如权利要求1所述的方法，还包括使用控制器以进行所述接收、计算和生成中的至少一个。

7.如权利要求1所述的方法，还包括使用控制器以实现所述生成所述反馈项。

8.如权利要求1所述的方法，还包括响应于所述生成的再循环阀控制命令打开或关闭所述再循环阀。

9.一种用于交通工具燃料电池系统的控制器，包括：

至少一个处理器；以及

10.一种交通工具燃料电池系统，包括：

接收到达所述阴极的气体流的堆阴极流量设置点；

生成使所述再循环阀改变位置的再循环阀控制命令。