CN103863136A - 优化系统效率和性能的可变pem燃料电池系统启动时间 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及优化系统效率和性能的可变PEM燃料电池系统启动时间。具体地，提供了基于各种车辆参数控制燃料电池系统的启动时间的系统和方法。所述方法包括：提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入；使用混合控制策略和所述多个输入确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间。所述方法然后确定最大压缩机速度和斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的最佳允许启动时间，从而最小化能耗和噪声。

Description

优化系统效率和性能的可变PEM燃料电池系统启动时间
技术领域
本发明一般涉及用于优化燃料电池系统的启动时间的系统和方法，更具体地，涉及用于优化车辆上的燃料电池系统的启动时间的系统和方法，以便降低压缩机寄生损失和压缩机噪声，其中，所述方法考虑了各种系统数据，诸如制动器踏板位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度等。
背景技术
因为氢是清洁的，并且能够用于在燃料电池中高效地产生电，所以氢是非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于二者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。氢气在阳极中解离，从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应，从而产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此被引导穿过负载，从而在传送到阴极之前进行工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化颗粒，通常为支撑在碳颗粒上并与离聚物混合的铂（Pt）。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件（MEA）。MEA在制造方面相对昂贵，并需要用于有效操作的特定条件。
若干个燃料电池通常组合在燃料电池堆中，以产生期望的功率。例如，用于车辆的典型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的反应气体，通常为通过压缩机强迫通过堆的空气流。并非全部氧都被堆消耗，一些空气作为阴极废气输出，阴极废气可包括作为堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧中的阳极氢反应气体。
燃料电池堆包括位于堆中的若干个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。双极板包括用于堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，从而允许阳极反应气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，从而允许阴极反应气体流到相应的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。双极板和端板由诸如不锈钢或导电复合物的导电材料制成。端板将由燃料电池产生的电传导离开燃料电池堆。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。
在燃料电池系统的正常操作期间，各种寄生损失降低了系统效率。这些损失包括：氢从阳极腔室到阴极腔室的扩散，电学短路和例如来自泵、压缩机等的辅助功率消耗。例如，当燃料电池系统处于空闲模式时（例如，当燃料电池车辆在停止灯停止时），这时，燃料电池堆不产生功率来操作系统装置，但阴极空气和氢气仍被提供给燃料电池堆，并且燃料电池堆仍在产生输出功率。操作处于空闲模式时的燃料电池系统通常是没有效率的，这是因为在不需要或者几乎不需要能量用于车辆牵引功率时仍然存在前述损失。
当不需要来自燃料电池系统的电功率时，可以通过降低反应物流动到燃料电池系统来降低寄生损失。更具体地，在特定的燃料电池系统操作状况下，可能需要使系统置于备用模式，在此模式中，系统消耗很少功率或不消耗任何功率，使用的燃料的量是最小的，并且系统能够快速地从备用模式重新启动，以便提供提高的功率需求，从而提高系统效率，降低系统退化。
当燃料电池车辆从钥匙关闭模式或备用模式启动时，系统控制通常会用氢来填充燃料电池堆的阳极侧，同时将阴极压缩机加速旋转到期望速度，从而向堆的阴极侧提供空气。在反应物的流动已经恢复之后，正常系统操作能够继续，燃料电池系统能够供应车辆功率负载。时间延迟，直到堆能够根据传输延迟提供所需功率，从而向堆的阴极侧供应空气。因此，从燃料电池车能够被驱动的时间到其被启动时间之间的时间取决于压缩机能多快作出响应。然而，具有快速的压缩机速度斜坡变化率和/或高目标压缩机速度以便具有更短的系统启动时间需要更多的压缩机寄生功率和更大的压缩机及气流噪声。
如提到的，为了快速地启动燃料电池系统，比方说例如从备用模式离开停止灯，空气必须以高的流动速率从压缩机供应到阴极腔室。启动所需的压缩机的电功率与重新启动时间成反比。对于快速启动，需要大的功率，车辆燃料效率由于压缩机在高功率时的低效率受到影响。对于高效率的操作而言，要求慢启动，这在一些驾驶情况下可能影响顾客满意度。当前的操作策略要求在启动时间和车辆效率之间折衷，其中，目标压缩机速度、速度斜坡变化率和启动时间是通过校准来限定的。
发明内容
根据本发明的教导，公开了基于各种车辆参数来控制燃料电池系统的启动时间的系统和方法。所述方法包括：提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入；以及，使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间。所述方法然后确定最大压缩机速度和斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的最佳启动时间，最小化能耗和噪声。
本发明还包括以下方案：
1. 一种用于控制燃料电池系统的启动时间的方法，所述系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极侧和向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气的压缩机，所述方法包括：
提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入；
使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间；以及
使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
2. 根据方案1所述的方法，其中，所述燃料电池系统是车辆燃料电池系统。
3. 根据方案2所述的方法，其中，所述多个输入包括制动器踏板开关位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度和可用的电池电力。
4. 根据方案1所述的方法，其中，所述确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间包括：在确定所述最大压缩机速度和流量时，考虑压缩机噪声和压缩机寄生功率消耗。
5. 根据方案1所述的方法，进一步包括使用所述能量消耗和噪音优化策略来确定压缩机速度/流量斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
6. 根据方案1所述的方法，其中，所述方法控制从备用模式的所述启动时间。
7. 根据方案1所述的方法，其中，所述方法控制从车辆钥匙接通启动的所述启动时间。
8. 根据方案1所述的方法，其中，所述方法控制从自动启动或远程遥控钥匙启动的所述启动时间。
9. 根据方案1所述的方法，其中，使用混合控制策略来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间包括使用从包括下述各项的组中选择的函数，所述各项为：多变量表达式、逻辑树和多维校准表。
10. 一种用于控制车辆上的燃料电池系统的启动时间的方法，所述系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极侧和压缩机，所述压缩机向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气，所述方法包括：
提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入，其中，所述多个输入包括制动器踏板开关位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度和可用的电池电力；
使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间；以及
使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间，其中，确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间包括：在确定所述最大压缩机速度和流量时，考虑压缩机噪声和压缩机寄生功率消耗。
11. 根据方案10所述的方法，进一步包括使用所述能量消耗和噪音优化策略来确定压缩机速度/流量斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
12. 根据方案10所述的方法，其中，所述方法控制从车辆钥匙接通启动、备用模式、自动启动或远程遥控钥匙启动的所述启动时间。
13. 根据方案10所述的方法，其中，使用混合控制策略来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间包括使用从包括下述各项的组中选择的函数，所述各项为：多变量表达式、逻辑树和多维校准表。
14. 一种用于控制车辆上的燃料电池系统的启动时间的控制系统，所述燃料电池系统包括具有阴极侧和压缩机的燃料电池堆，所述压缩机向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气，所述控制系统包括：
用于提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入的装置；
用于使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间的装置；以及
用于使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间的装置。
15. 根据方案14所述的控制系统，其中，所述多个输入包括制动器踏板开关位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度和可用的电池电力。
16. 根据方案14所述的控制系统，其中，所述用于确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间的装置在确定所述最大压缩机速度和流动时考虑压缩机噪声和压缩机寄生功率消耗。
17. 根据方案14所述的控制系统，进一步包括这样的装置，所述装置用于使用所述能量消耗和噪音优化策略确定压缩机速度/流量斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
18. 根据方案14所述的控制系统，其中，所述方法控制从备用模式的所述启动时间。
19. 根据方案14所述的控制系统，其中，所述控制系统控制从车辆钥匙接通启动的所述启动时间。
20. 根据方案14所述的控制系统，其中，所述用于使用混合控制策略确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间的装置使用从包括下述各项的组中选择的函数，所述下述各项为：多变量表达式、逻辑树和多维校准表。
通过结合附图进行的下文的描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得明显。
附图说明
图1是燃料电池系统的简化框图；以及
图2是显示了用于选择压缩机速度和斜坡变化率的过程的流程图。
具体实施方式
下文针对基于各种系统输入参数优化燃料电池系统的启动时间的系统和方法的本发明实施例的讨论在本质上只是示例性的，决不想要限制本发明或其应用或用途。例如，本发明具体应用于车辆上的燃料电池系统。然而，本领域技术人员会认识到本发明的系统和方法也可以应用于其它燃料电池系统。
图1是包括例如车辆52上的燃料电池堆12的燃料电池系统10的简化框图。压缩机14将从空气流量计36接收的空气流通过水汽传输单元34经由阴极输入管线16提供到燃料电池堆12的阴极侧，所述空气流量计36测量空气流量，所述水汽传输单元34湿润阴极输入的空气。阴极废气经由阴极废气管线18从堆12输出，阴极废气管线18将阴极废气引导到WVT单元34，以提供湿气从而使阴极输入的空气湿润。在阴极输入管线36中提供RH传感器38，以便在阴极输入的空气流已经由WVT单元34加湿之后提供对所述阴极输入的空气流的RH测量。提供了温度传感器42，作为可在系统10中采用的一个或多个温度传感器的总的代表，所述温度传感器可操作以获得燃料电池堆12的温度和/或系统10中各种流体流动区域的温度。
燃料电池系统10还包括通常为高压箱的氢燃料或氢气源20，源20将氢气提供给喷射器22，喷射器22经由阳极输入管线24将受控量的氢气喷射到燃料电池堆12的阳极侧。尽管没有具体示出，但本领域技术人员会理解可以提供各种压力调节器、控制阀、截止阀等，以便由源20以适于喷射器22的压力供应高压氢气。喷射器22可以是适于本文中讨论目的的任何喷射器。一个例子是如在2008年1月22日公告的标题为“Combination of Injector/Ejector for Fuel Cell Systems”的美国专利7,320,840中描述的喷射器/喷射泵，该专利转让给本申请的受让人，并通过引用被并入本文。
阳极排放输出气体经由阳极输出管线26从燃料电池堆12的阳极侧输出，并且提供给排出阀28。正如本领域技术人员会理解的那样，来自燃料电池堆12的阴极侧的氮穿越稀释了堆12的阳极侧中的氢气，从而影响了燃料电池堆的性能。因此，需要周期性地将阳极排放气体从阳极子系统排出，以降低其中的氮的量。当系统10操作于正常的非排出模式时，排出阀28处于这样的位置，在此位置，阳极排放气体被提供给再循环管线30，再循环管线30将阳极气体再循环到喷射器22，以将其作为喷射泵操作，并将再循环的氢气送回堆12的阳极输入处。当命令进行排放以降低堆12的阳极侧中的氮时，排出阀28位于将阳极排放气体引导到旁通线路32的位置，旁通线路32将阳极排放气体与经由管线18的阴极废气混合，由此，氢气被稀释为适合环境。尽管系统10是阳极再循环系统，但本发明可应用于包括阳极流动切换系统之类的其它类型的燃料电池系统，正如本领域技术人员会很清楚地理解的那样。
燃料电池系统10还包括HFR电路40，HFR电路40以本领域技术人员熟知的方式确定堆12中膜的堆膜湿度。HFR电路40确定燃料电池堆12的高频电阻，所述高频电阻然后用来确定燃料电池堆12内电池膜的含水量。HFR电路40通过确定燃料电池堆12的欧姆电阻或膜的质子阻抗（membrane protonic resistance）来操作。膜的质子阻抗是燃料电池堆12的膜加湿度的函数。
燃料电池系统10还包括冷却流体流动泵48，冷却流体流动泵48将冷却流体泵送通过堆12内的流动通道和堆12外部的冷却流体回路50。散热器46以本领域技术人员理解的方式降低流过回路50的冷却流体的温度。燃料电池系统10还包括控制器44，控制器44控制系统10的操作。
本发明提出了这样的策略，其用于确定例如从钥匙关闭模式或备用模式启动燃料电池系统10时的最大允许启动时间和燃料电池系统的功率请求。所述策略考虑若干车辆操作参数，诸如车辆速度、转矩请求、转矩请求历史、系统温度等等，以确定考虑了系统效率、功率请求和压缩机噪声的最佳启动时间。期望的启动时间可以用来计算在系统启动期间来自压缩机14的期望阴极空气流动速率。当慢速系统启动不会影响车辆52的驾驶性能时，在启动期间可以使用更低的阴极流动速率和压缩机斜坡变化率，以便提高效率和降低噪声。当需要快速启动时，则以效率为代价来使用更高的阴极流动速率。确定期望的启动时间的计算可以使用多变量表达式、逻辑树、多维校准表等。
图2是图示了上文讨论类型的优化或混合策略的控制过程流程框图60，它可以是控制器44的一部分。框62代表混合策略控制算法，框62接收比方说例如来自制动器踏板位置开关64、加速器踏板位置传感器66、档位选择器位置传感器68、点火钥匙位置传感器70、车辆速度传感器72和电池电荷状态计算74的各种输入。这些非限制性输入提供了可能直接影响系统10需要多快来启动的许多种状况，诸如车辆52的制动器是否工作，加速器踏板是否被按压，车辆52是在驾驶中还是在驻车中，启动是否是钥匙接通或者系统是否已经工作，车辆52是否当前正在移动，并且是否有电池电力来帮助满足高的功率需求。策略控制算法62考虑了驾驶员请求的车辆启动事件（诸如点火钥匙转动、远程启动、智能钥匙（proximity key）等）和非驾驶员相关的启动事件（诸如备用模式、重新启动、自动启动等）。
这些输入和参数中的每一个提供给混合策略控制算法62，混合策略控制算法62确定是可以使用慢速系统启动时间还是要求快速系统启动时间。对于不同车辆操作状况（诸如，从关闭状态启动、从备用模式启动，由系统控制启动，诸如自动启动或冷启动、远程遥控钥匙（remote key fob）启动等）的不同车辆控制策略，每个输入参数可以被混合策略控制算法62处理，并针对该策略相应地加权。本领域技术人员会认识到可以用来优化针对特定的燃料电池系统的启动时间的各种测试操作。
例如，如果策略控制算法62确定加速器踏板位置请求100%的转矩，则算法62会认识到需要尽可能快地提供燃料电池系统的功率，以满足车辆加速请求，此时寄生损失和压缩机噪声不是被关心的问题。相反，如果混合策略控制算法62确定车辆档位选择器处于驻车，则较慢的燃料电池系统启动时间可能是可以接受的，这将降低寄生损失，并且提供更安静的启动。
混合策略控制算法62考虑所有可用的数据，并根据它们执行预定函数（诸如，多变量表达式、多项式函数、逻辑树、多维校准表、逻辑真值表等），以确定系统10的最大允许启动时间以及所请求的在紧接着启动之后的系统功率，所述最大允许启动时间通过线路78来提供，所述所请求的在紧接着启动之后的系统功率通过线路80来提供。最大允许启动时间和所请求的堆功率被提供给由框82代表的能量消耗和噪声优化算法，所述能量消耗和噪声优化算法通过已知压缩机14的性能、阴极的容积、环境气温等等基于最大启动时间来计算最大压缩机速度和流量，这通过线路84来提供。
能量消耗和噪声优化算法82还可以同样基于最大允许压缩机启动时间和功率请求来计算启动时的压缩机速度斜坡变化率，即压缩机14在速度上以多快来增加，这通过线路86来提供。例如，压缩机斜坡变化率可以被选择性控制，使得压缩机速度中不存在可能由于压缩机14变成启动流量传送状态而发生的突然变化，而是在启动模式后当系统10进入运行状态时接着立刻需要较少的空气。功率请求信号对在功率请求低时压缩机斜坡变化率应当为多大有特别的影响。目的是对提供了明显的可听事件的快速压缩机速度变化进行限制。
混合策略控制算法62可以降低其中要求快速动力系响应的那些状况的启动时间。如果车辆52处于备用模式，则压缩机14在接收重新启动请求之前可能旋转也可能不旋转。这些启动时间的例子包括：当压缩机14停止时从备用模式启动为1.4秒；以及，当压缩机14旋转时为0.9秒。当车辆52从关闭状态启动时，对于从该状态的钥匙接通启动来说，通常需要大约6秒。根据基于上文讨论的输入的所需的启动时间，那些最小时间可以被相应增加，以便满足驾驶性能需求，但尽可能地解决效率和压缩机噪声。
基于上文的讨论，可以认识到许多种实现方式。例如，不需要快速启动时的低速、安静、高效的备用-运行转变，例如，当下述情况时的非驾驶员发起的从备用模式的重新启动：当燃料电池系统被重新启动以维持操作温度时，当高压电池需要充电时，当用于寒冷情况的预热的自动启动时，等等。同样地，在不需要快速启动时间的情况下的情况下即使由驾驶员发起时（例如，远程启动发起的启动，系统加热时从关闭状态进行的启动，等等），慢速、安静、高效的启动也是可能的。在这些情况下，车辆外部的噪声水平是重要的。当利用上文讨论的控制策略时，在从关闭状态和备用模式启动期间使用较低的阴极流动速率时，可以测量到燃料经济性效益。
如讨论过的，本发明提供了驾驶性能和效率之间的折衷，从而以不增加成本的方式来总体上提高系统效率。对于实施本发明而言，有几个噪声益处。例如，当车辆52处于静止时执行启动事件将不涉及到任何掩蔽噪声，诸如轮胎和空气的噪声，所以动力系产生的噪声是更加明显的。对于静止启动事件，减少与启动相关的噪声会改善客户体验。而且，本发明提供了实现重新启动噪声水平相对于驾驶员输入预期之间的良好平衡的机制。非驾驶员事件应当尽可能安静，即驾驶员不转动钥匙来启动，换出驻车档、踩加速器踏板等。
本领域技术人员会理解，本文为描述本发明而讨论的多个和各种步骤以及过程可以指的是由计算机、处理器或者使用电气现象操纵和/或转换数据的其它电子计算装置来执行的操作。这些计算机和电子装置可以使用各种易失性和/或非易失性存储器，包括非暂态计算机可读介质，该介质上存储了可执行程序，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，这里存储器和/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它计算机可读介质。
公开的前述讨论只描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员会从这些讨论和附图及权利要求中很容易地认识到，在不偏离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围下，可以对其进行各种变化、改进和变形。

Claims (10)

1.一种用于控制燃料电池系统的启动时间的方法，所述系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极侧和向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气的压缩机，所述方法包括：
提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入；
使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间；以及
使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池系统是车辆燃料电池系统。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多个输入包括制动器踏板开关位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度和可用的电池电力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间包括：在确定所述最大压缩机速度和流量时，考虑压缩机噪声和压缩机寄生功率消耗。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述能量消耗和噪音优化策略来确定压缩机速度/流量斜坡变化率，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法控制从备用模式的所述启动时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法控制从车辆钥匙接通启动的所述启动时间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法控制从自动启动或远程遥控钥匙启动的所述启动时间。
9.一种用于控制车辆上的燃料电池系统的启动时间的方法，所述系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有阴极侧和压缩机，所述压缩机向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气，所述方法包括：
提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入，其中，所述多个输入包括制动器踏板开关位置、加速器踏板位置、档位选择器位置、点火钥匙位置、车辆速度和可用的电池电力；
使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间；以及
使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量，以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间，其中，确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间包括：在确定所述最大压缩机速度和流量时，考虑压缩机噪声和压缩机寄生功率消耗。
10.一种用于控制车辆上的燃料电池系统的启动时间的控制系统，所述燃料电池系统包括具有阴极侧和压缩机的燃料电池堆，所述压缩机向所述燃料电池堆的所述阴极侧提供空气，所述控制系统包括：
用于提供识别所述燃料电池系统的操作状况的多个输入的装置；
用于使用混合控制策略和所述多个输入来确定所述燃料电池系统的最大允许启动时间的装置；以及
用于使用能量消耗和噪音优化策略来确定最大压缩机速度和空气流量以提供所述燃料电池系统的所述最大允许启动时间的装置。
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