CN105375045B - 用于在燃料电池车辆操作期间测试阳极完整性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在车辆操作期间测试阳极完整性的系统和方法。在一个特定示例中，该系统和方法通过暂时减小燃料电池电力同时以电池电力增补燃料电池电力减小以满足操作需求而在车辆操作期间允许阳极泄漏测试。以此方式，即便在高速公路驱动期间，当操作需求可能特别高时，也能够执行阳极泄漏测试。

Description

用于在燃料电池车辆操作期间测试阳极完整性的方法
技术领域
本发明涉及用于在氢燃料电池(hydrogen fuel cells)车辆中执行阳极泄漏测试的系统和方法。
背景技术
氢可以用作将燃料电池连接在一起以形成燃料电池堆的燃料源。在燃料电池堆中，氢存在于阳极侧上，而空气存在于阴极侧上。响应于氢和氧电化学转换为水，燃料电池堆产生电流，其中水除了驱动车辆本身之外还可以用于驱动车辆上的各种设备。
一种检测燃料电池堆的阳极侧上的氢泄漏的方法基于减少车辆电力要求而不用向车辆增补(supplementing)电力以执行阳极泄漏测试(ALT)。例如，US 8524405公开了在当车辆要求的电力已经经历电力减小时在车辆停车过程期间进行阳极泄漏测试。作为另一个示例，DE 102009008654或US 7942035仅在满足空载要求时才在燃料电池车辆中进行泄漏测试。在又一个示例中，US 8349509公开了在车辆启动时和在操作期间间歇地执行阳极泄漏测试，但不能在测试性能期间增补电力。
发明内容
本发明人在此已经认识到上述问题以及缺少替代能量源的问题，阳极泄漏测试可以限于在低燃料电池电力下的性能并且在车辆怠速条件期间执行。因此，可以在燃料电池堆的阳极中发生氢泄漏的不常见的检查。
在一个示例中，提供了一种用于在车辆操作期间例如当车辆被驱动时执行阳极泄漏测试的方法。在一个特定示例中，该方法包含：暂时将燃料电池电力减小到低于要求的燃料电池电力；以电池电力增补燃料电池电力减小；以及在暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试。此外，通过使用替代能量源以增补燃料电池电力，泄漏检测方法能够基于一种或多种工况(例如驱动廓线、系统控制状态、温度和/或发动机负荷(例如，车辆速度))而被触发。以此方式，可以实现以下技术效果，即阳极泄漏测试的传导可以被更频繁地执行，并且在车辆操作期间例如当车辆在路上运动行驶时执行。
在另一个示例中，一种方法包含：将燃料电池电力降低至燃料电池怠速，同时从替代电源提供车辆电力并在车辆行进操作期间确定氢燃料电池的阳极完整性。
在另一个示例中，替代电源是电池，该电池经配置为在确定阳极完整性时为车辆供应电力，且其中车辆行进操作包括车辆加速。
在另一个示例中，该方法进一步包含：执行阳极泄漏测试以确定阳极完整性，当车辆被驱动时，执行阳极泄漏测试。
在另一个示例中，阳极泄漏测试的性能基于用于确定电池的荷电状态是否超过电力需求的驱动廓线。
在另一个示例中，基于驱动廓线而计算电力需求。
在另一个示例中，提供了一种用于在驱动氢燃料电池车辆时检测其中的泄漏的方法，该方法包含：将要求的燃料电池电力减小至燃料电池怠速，同时从混合动力电池提供电力，并执行阳极泄漏测试以确认泄漏。
在另一个示例中，该方法进一步包含：将混合动力电池的荷电状态与荷电阈值比较，其中荷电状态超过荷电阈值指示存在足够的电池电力以执行阳极泄漏测试。
在另一个示例中，提供的电池电力在阳极泄漏测试期间增补减小的燃料电池电力。
在另一个示例中，该方法进一步包含：将阳极泄漏测试的持续时间与时间阈值比较以确认泄漏存在。
在另一个示例中，该方法进一步包含：基于驱动廓线计算电力需求，将驱动廓线与混合动力电池的荷电状态比较，并且仅当电力需求降到低于混合动力电池的荷电状态时才执行阳极泄漏测试。
在另一个示例中，该方法进一步包含：当车辆电力由燃料电池电力提供时，增加混合动力电池的荷电状态。
当单独或与附图结合时，根据下面的具体实施方式，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。应当理解，上述发明内容被提供以简化的形式介绍选择的概念，这些概念被进一步描述在具体实施方式中。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征。要求保护的主题的范围被所附权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面和本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
通过当单独或参考附图阅读在本文中被称为具体实施方式的示例实施例，将会更充分地理解本文中所描述的优点，其中：
图1说明了根据本发明的一个实施例的示例性燃料电池堆系统。
图2示出了说明根据该方法的第一实施例的用于暂时减小燃料电池电力并以电池电力增补燃料电池电力的程序的示例流程图。
图3描述了示例性车辆操作顺序，以说明阳极泄漏测试在燃料电池怠速条件下发生的方法，用于参考。
图4示出了根据该方法的第一实施例的示例性车辆操作顺序。
图5示出了说明根据该方法的第二实施例的程序的示例流程图。
图6说明了根据第一和第二水平阳极泄漏测试建立使用的第一和第二预定脉冲宽度调制值的框图。
图7说明了用于执行第一水平阳极泄漏测试的框图。
图8说明了用于执行第二水平阳极泄漏测试的框图；以及
图9是描述了当图1的燃料电池堆系统经历一次或更多次泄漏时的控制信号的状态的曲线图。
具体实施方式
以下说明涉及用于在车辆操作期间检测氢燃料电池系统中阳极泄漏的方法。在一个特定实施例中，所公开的系统可以用于具有发电机/电动马达的混合动力燃料电池车辆推进系统和氢燃料电池堆系统中。因此，图1说明了根据本发明的一个实施例的示例性燃料电池堆系统。然后，图2-5说明了经配置为暂时将燃料电池电力降低到低于要求的燃料电池电力、以电池电力增补燃料电池电力减小并在暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试的示例程序和操作顺序。图6-9说明了可以在燃料电池电力被暂时减小的操作状态期间执行的示例性阳极泄漏测试。
图1说明了根据本发明的一个实施例的示例性燃料电池再循环系统100。系统100可以在基于混合动力燃料电池的电动车辆或使用由氢燃料电池产生的电流以驱动各种设备同时还具有替代能量源以在泄漏检测测试期间燃料电池电力减小时增补车辆电力的任何其它此类装置中实施。
由空气组成的第一流体流(或阴极流)被供给到质量空气流量(MAF)传感器102。穿过MAF传感器102的空气是大气空气。MAF传感器102测量流体流中空气的流量。空气压缩机104压缩空气流并将空气流传送至燃料电池堆106。燃料电池堆106包括用于接收空气流的第一入口107。加湿器(未示出)可以被添加到系统100以将水蒸汽添加到空气流中。如果空气包含高水含量，则湿度传感器(未示出)可以被包括以测量湿空气。水可以用于确保燃料电池堆106中的隔膜(未示出)保持湿润以提供燃料电池堆106的优化操作。
箱(或供应室)108提供具有氢形式的供应燃料流(或阳极流)。供应阳极流包含压缩的氢。当压缩的氢可以用于系统100中时，任何氢燃料源可以在系统100中实施。例如，液态氢、存储在各种化学制品(诸如，硼氢化钠、铝氢化物)中的氢或存储在金属氢化物中的氢可以用于替代压缩的气体。
箱阀110控制供应氢的流量。压力调节器设备112调节供应氢的流量。压力调节器设备112可以包括用于控制流体的压力或流率的任何类型的设备。例如，压力调节器设备112可以被实施为压力调节器或实施为可变或多级喷射器。压力调节器设备112经配置以使供应阳极流(例如，从箱108接收的氢)与未使用的阳极流(例如，从燃料电池堆106再循环的烃)结合以产生输入阳极流(或堆氢)。加湿器(未示出)可以被提供以将水蒸汽添加到输入阳极流。输入阳极流中可以包括湿润的水蒸汽以确保燃料电池堆106中的隔膜保持湿润，从而提供燃料电池堆106的优化操作。
压力调节器设备112控制到燃料电池堆106的输入阳极流的流量。燃料电池堆106包括适于接收来自压力调节器设备112的输入阳极流的第二入口109。响应于电化学转换来自输入阳极流的氢和来自第一流体流中空气的氧，燃料电池堆106产生堆电流。
各种电气设备120耦接至燃料电池堆106以消耗此类电力以运转。如果系统100连同车辆一起使用，则设备120可以包括马达或多个车辆电气组件，其中每个车辆电气组件消耗电力以为了特定目的运转。例如，此类设备120可以关联但不限于车辆动力系统、使用者加热和冷却、内部/外部照明、娱乐设备和电力锁定窗口。在车辆中实施的特定类型的设备120可以基于车辆内容量、使用的马达类型和实施的特定类型的燃料电池堆而改变。电流传感器122测量由燃料电池堆106产生的堆电流。电流传感器122将测量的电流读数传输到控制器124。控制器124将控制值传输至压力调节器设备112以控制到燃料电池堆106的输入阳极流的流量。压力传感器125耦合在压力调节器设备112和燃料电池堆106之间以在氢被传送到燃料电池堆106之前测量氢的压力。压力传感器125传输反馈信号，该反馈信号(例如，压力)是输入阳极流中氢的压力的指示。
过量空气和氢被传送到燃料电池堆106以增加燃料电池堆106的操作鲁棒性。燃料电池堆可以排出未使用的阳极流中未使用的氢。燃料电池堆106的出口111适于排出未使用的阳极流。未使用的阳极流可以包括各种杂质，诸如，除了氢之外还包括具有液态和气态形式的氮和水。
燃料电池堆106包括经配置以排出过量空气的出口115。燃料电池堆106包括出口116，该出口116适于响应于由于氢和(例如，来自空气流的)氧的化学处理而产生的热，而提供具有去离子水乙二醇(DIWEG)形式的冷却剂或其它合适的冷却剂。冷却剂接口138可以接收来自燃料电池堆106的DIWEG。冷却剂接口138还可以将堆冷却剂提供到燃料电池堆106的入口113。
压力调节器设备112适于响应于由控制器124传输的控制值来增加或减小到堆106的输入阳极流的压力。压力调节器设备112适于以恒定压力接收来自箱阀110的供应阳极流。压力调节器设备112可以以变化流率接收来自燃料电池堆106(或未示出的抽取装置)的未使用的阳极流。
如上所述，压力调节器设备112可以被实施为本领域中众所周知的任何压力调节设备。一般来讲，此类压力调节设备响应于具有各种基于电的特性的控制值(或信号)来调整流体的压力。根据实施的压力调节设备的特定类型，此类特性可以包括脉冲宽度调制(PWM)值、模拟值或数字值。在一个示例中，压力调节器设备112可以被实施为脉冲阀。控制器124可以将控制值作为基于PWM的值传输，用于控制压力调节器以增加或减小到燃料电池堆106的输入阳极流的流率。在另一个示例中，压力调节器设备112可以被实施为喷射器。喷射器可以实施为螺线管控制的针致动器(未示出)。布赖顿(Brighton)等人的美国专利申请系列号No.11/830898的名为“用于在燃料电池应用中再循环未使用的燃料的系统和方法(System and Method for Recirculating Unused Fuel in Fuel Cell Application)”的美国专利申请公开了此类螺线管控制的针致动器，其全部内容作为参考引入本文。响应于控制值为模拟的，螺线管可以移动喷射器中的针，从而允许提供到燃料电池堆106的输入阳极流的压力的增加或减小。针的运动实际上是可变的，以允许不同流率的未使用的阳极流与来自箱108的供应阳极流结合。此类可变特性允许喷射器调整提供到燃料电池堆106的输入阳极流的总流量和压力。
系统100进一步包括经配置以利用或消耗不同于燃料电池堆106的能量源的能量存储设备140。例如，在下面的描述中，能量存储设备140可以是在车辆操作期间增补基本所有的燃料电池电力的电池。然而，在一些情况下，能量存储设备140还可以在车辆操作期间增补一部分燃料电池电力。因此，具有推进系统(诸如，图1中示出的推进系统)的车辆可以被称为混合动力燃料电池车辆，其可以被称为混合动力电动车辆。作为另一个示例，系统100可以被操作以驱动能量存储设备140，能量存储设备140可以转而提供发电机功能，以将输出转换为电能，其中电能可以存储在系统100中，用于稍后使用。例如，进一步的实施例可以包括一个或更多个可充电电池、燃料电池和/或电容器。在这些示例中，电能可以被暂时转换为用于存储的化学能或势能。车辆推进系统可以经配置以响应于工况在上面描述的操作模式中的两个或更多个之间转变。能量存储设备140还可以周期性地接收来自存在于车辆外部(例如，不是车辆的一部分)的电源的电能。作为非限制性示例，系统100的推进系统可以被配置为插电式混合动力车辆，由此电能可以经由电能传输电缆从电源被供应到能量存储设备。控制器124可以确认和/或控制存储在能量存储设备140处的电能的量，该电能的量可以被称为荷电状态(SOC)。因此，应当认识到，任何合适的方法均可以用于从未构成车辆的一部分的电源给能量存储设备再充电(例如，经由有线连接、无线连接充电，其中能量存储设备可以经由电磁感应、无线电波和/或电磁谐振中的一个或更多个接收来自电源的电能)。经由能量存储设备140包含的替代能量源允许车辆通过利用除了燃料电池堆106之外的能量源来推进车辆。以此方式，如参考车辆系统100的推进系统所描述的，混合动力电动车辆可以经配置以利用第二形式的能量(例如，电能)以提供用于车辆的持续操作的电力。
关于方法的描述，图2-5被包括以说明示例程序和操作顺序，该示例程序和操作顺序用于暂时将燃料电池电力降低到低于要求的燃料电池电力、以电池电力增补燃料电池电力减小并在暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试。如在下面更详细描述的，此类方法的一个优点是能够供应电力需求以确保在车辆操作期间(例如，当车辆在基本高发动机负荷下操作时)检测潜在泄漏。
为简单起见，图2示出了说明用于根据第一实施例暂时减小燃料电池电力并以电池电力增补燃料电池电力的程序200的示例流程图。如上所述，控制器124可以经配置以在暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试。利用这种布置，该方法可以确定氢燃料电池车辆在车辆操作期间的阳极完整性。此外，因为该方法灵活地允许在车辆操作期间的测试性能，控制器124可以进一步经配置以响应于当前驱动条件、燃料电池的荷电状态、温度和/或车辆速度中的一个或更多个而暂时减小燃料电池电力。为此，程序200被配置为具有计时器，该计时器用于确定窗口是否存在于发动机驱动循环中以用于执行阳极泄漏测试，特别地因为当自然发生瞬变条件时，该方法允许在车辆操作期间执行测试。在210处，程序200包括将窗口计时器与测试计时器比较，该测试计时器被称为指示测试的持续时间或时间长度的ALT计时器。因此，系统100可以经配置以估计足够的窗口是否存在于发动机驱动循环中以用于执行测试。此外，如在下面更详细描述的，可以基于当前工况做出窗口大小确定，例如，基于用于计算在操作期间的电力需求的驱动廓线。可替代地，如果未确认足够的窗口，则控制器124可以继续监测一个或更多个参数以确认窗口足够长以允许执行泄漏检测测试。为简单起见，在这些时间中可以通过燃料电池堆106提供电力需求。
继续描述，在确认存在足够大小或长度的窗口以用于在车辆操作期间执行阳极泄漏测试的情况下，在320处，控制器124可以进一步确定能量存储设备140(本文描述为电池)是否包括用于增补车辆电力同时执行泄漏检测测试的足够的存储的能量。作为一个示例，程序200可以经配置以将电池荷电状态(SOC)与在执行泄漏测试以及提供车辆电力时使用的能量的量相比较。因此，程序200可以进一步经配置以基于当前驱动条件，估计满足车辆的操作需求所需要的车辆电力。如果电池具有足够的能量以用于执行阳极泄漏测试，则控制器124可以做出一个或更多个调整以将电力需求分配至车辆上存在的替代能量源。否则，如果由电池设备存储的能量的量不足以执行测试同时提供车辆电力，则程序200可以延迟阳极泄漏测试，直到窗口被确认，其中电池荷电状态允许执行测试。以此方式，程序200进一步包括将车辆电力与电池荷电状态阈值比较，车辆电力降低至低于电池荷电状态阈值指示存在足够的电池电力以用于增补燃料电池电力减小。即，对于确认的窗口，当存储的电池SOC超过车辆的电力需求时，可以执行阳极泄漏测试。
在322处，当燃料电池电力减小到低于要求量时，开始阳极泄漏测试。为简单起见，本文关于燃料电池怠速描述程序200，根据第一实施例的方法包括将燃料电池电力减小至燃料电池怠速，同时从替代电源提供车辆电力(例如，电池经配置向车辆供应电力，同时确定阳极完整性)。然而，本发明人在测试期间还考虑到其它布置和分布廓线。以此方式，该方法还可以被实施，其中燃料电池电力被减小到低于要求量，但未降低至燃料电池怠速。例如，程序200可以可替代地配置为在系统100内做出调整，从而建立在操作期间供应的能量的量。控制器124然后可以被配置使用在操作期间供应的设置量的燃料电池能量，例如，通过采用模型以估计由发动机采用的能量分布，且使用估计的分布廓线进一步估计泄漏是否存在于燃料电池堆的阳极中。在此，为简单起见，燃料电池电力被减小至燃料电池怠速。
在324处，控制器124可以通过将电池电力设置为要求的车辆电力来增补燃料电池电力，同时做出调整以操作车辆。以此方式，车辆电力基本完全由电池电力供应，同时阳极泄漏测试在车辆操作期间执行。此后，阳极泄漏测试被执行，如在326处所指示的。在330处，控制器124可以监测测试进程，以确定是否已经完成阳极泄漏测试。在完成阳极泄漏测试的情况下，在332处，可以通过将燃料电池电力设置为要求的电力做出调整以使车辆操作恢复到燃料电池堆。电池电力随后可以在混合动力车辆操作期间用于增补燃料电池电力。当正执行阳极泄漏测试时，控制器124还可以监测电池的荷电状态以确保车辆操作继续同时进行该测试。作为一个示例，为安全起见，车辆可以期望车辆的满电力，例如，以快速加速同时避免潜在的交通事故，车辆的满电力可以增加由车辆使用的能量的量。作为响应，可以中断阳极泄漏测试且(例如，通过将电力再分配回至燃料电池)做出调整以满足车辆的增加的电力需求。此后，可以在由系统100确认的下一个可用的机会下执行测试。
作为参考，图3描述了说明阳极泄漏测试在燃料电池怠速条件下发生的方法的示例性车辆操作顺序。顶部图示意性示出了与沿X轴线示出的时间为函数的沿Y轴线的给车辆提供电力的燃料电池电流。时间从左侧到右侧增加，同时燃料电池从底部到顶部增加。底部图示出了在燃料电池电流下降至低于指示低怠速燃料电池负荷的阈值时的时间周期。
在车辆操作期间，示出的FC电流廓线302说明了具有瞬变轨迹的示例驱动廓线，其中用于给车辆提供电力的燃料电池电流与车辆操作者要求的电力需求成比例地增加和减小。当要求的电力下降至低于燃料电池阈值310时，可以执行阳极泄漏测试。为此，在底部图中示出的ALT状态320说明了当已经开启ALT状态时低怠速负荷的区域。现有实施的方法的一个缺点是它们缺少替代能量源。因此，如上所述，缺少替代能量源限制了阳极泄漏测试的性能，因为窗口往往短且因而不支持执行可以包括减小燃料电池的电力的阳极泄漏测试。为此，往往仅在像当车辆已经停在交通信号灯处时的车辆怠速条件期间执行阳极泄漏测试，这可以导致不常见的检查燃料电池堆的阳极中的氢泄漏。
相反地，图4示出了根据该方法的第一实施例的示例性车辆操作顺序，其中替代电源被包括以用于在操作期间增补车辆电力。因为车辆上存在两个能量源，所以顶部图示出了总电流廓线，而第二个图示意性示出了用于在操作期间给车辆提供电力的燃料电池电流。然后，第三个图说明了替代能量源的廓线，同时底部图描述了ALT状态以说明测量窗口可以如何被引进和/或增加以实现附加可能的测试时间，其中能够根据描述的方法进行泄漏检测测试。时间从左侧到右侧增加，同时电流从底部到顶部增加。
比较图3，在顶部图中示出的总电流廓线402遵循了类似的瞬变轨迹，但是是对于总车辆电流而不是燃料电池电流。然后，燃料电池阈值310被包括以指示低燃料电池怠速负荷。稳定区域404被进一步确认以确认控制器214可以做出调整以执行阳极泄漏测试的区域。由于该区域中的工况是稳定的，并由于车辆由FC电流分布410指示的燃料电池堆106提供电力，所以控制器124可以做出一个或更多个调整以在车辆操作期间执行泄漏检测测试。
例如，如上面关于图2的程序200所述，控制器124可以将燃料电池电力设置为如在区域412处所示的怠速。即，示出的廓线说明了当电池供应具有存储的足够的能量荷电以在该时间周期期间提供用于车辆操作和测试程序时，车辆电力如何能够从燃料电池再分布至第三个图中的电池。到电池的电力分布然后允许从在414处指示的相同区域中的电池供应电力。为简单起见，图4示出了电池电流以说明在阳极泄漏测试期间来自电池的电力。虽然未示出在图中，但电池使用可以降低在能量存储设备内存储的荷电量。底部图说明了ALT状态420和特别地经配置以执行该方法的车辆如何产生用于确认阳极完整性的额外测试机会。这样，在422处，ALT状态被设置为开启以适应额外测试周期。虽然ALT状态已经被设置为开启，但控制器124可以确定阳极泄漏测试是否在该额外测试周期期间被执行。换言之，ALT状态420指示其中可以执行泄漏检测测试的窗口，但不必须指示泄漏测试被实际执行。以此方式，泄漏检测测试可以在一些窗口中执行，但不可以在其它窗口中执行，或可以在示出的驱动廓线的早期且然后安排其用于将来的时间周期的窗口期间执行，从而允许更频繁的泄漏检测测试。
图5示出了说明为根据该方法的第二实施例的程序的方法500的示例流程图。在第二实施例中，控制器124可以经配置以监测车辆条件，以确定是否执行泄漏测试。例如，系统100可以经配置以监测用于(例如，基于驱动廓线计算电力需求)计算在车辆操作期间的电力需求的驱动廓线。然后，响应于附加测试机会，该方法进一步包括：在车辆操作期间，将阳极泄漏测试传达至车辆操作者。如上面更详细描述的，阳极泄漏测试被执行以确定阳极完整性，当车辆被驱动时，执行阳极泄漏测试。该方法进一步包括：例如通过给能量存储设备再充电而在车辆操作期间增加电池的荷电状态。
在502处，方法500包括：在车辆操作期间监测发动机工况。然后，在操作期间，在504处，该方法包括：基于当前驱动条件，产生驱动廓线。例如，控制器124可以经配置以在操作期间产生图4中示出的廓线中的一个或更多个。然后，基于产生的驱动廓线，控制器124可以进一步经配置以基于产生的驱动廓线和确认的发动机条件而计算车辆电力需求，如在框506处所示。如果要求的电力需求降低到低于由SOC阈值指示的电池的荷电状态，则在510处，方法500包括确定当前工况是否支持执行除了操作车辆之外的阳极泄漏测试。换言之，基于用于确定电池的荷电状态是否超过电力需求或要求的车辆电力的驱动廓线，执行阳极泄漏测试的性能。如果阳极泄漏测试被执行，则该方法继续，同时做出调整以支持进行测试。否则，车辆操作继续，同时在操作期间监测一种或更多种发动机条件。
根据第二实施例，通过设置将ALT测试传达至车辆操作者的指示器灯而开始泄漏测试，如在522处所示。然后，在524处，燃料电池电力被减小到低于计算的电力需求，该计算的电力需求是由车辆操作者要求的电力量。在526处，以电池电力增补减小的燃料电池电力，以满足计算的电力需求，从而允许阳极泄漏测试被执行，如在528处所指示的。如上面关于第一实施例所描述的，在530处，控制器124可以经配置以监测测试进程，以确定是否已经完成了阳极泄漏测试。在完成了阳极泄漏测试的情况下，在532处，可以通过将燃料电池电力设置为车辆要求的电力而作出调整以将车辆操作恢复到燃料电池堆。以此方式，增加要求的燃料电池电力以满足阳极泄漏测试后的操作需求，燃料电池电力提供至少一部分车辆电力。此后，随着车辆操作继续，可以关闭将阳极泄漏测试传达至车辆操作者的指示器灯，如在534处所示。虽然关于与传递进行的测试的灯描述了第二实施例，但该方法可以可替代地或额外地经由另一种通信工具传达泄漏检测测试和/或测试结果。例如，控制器124可以经配置以将探测泄漏检测的测试结果无线地发送到与车辆或车辆操作者关联的账户。这可以使燃料电池再循环系统的性能廓线能够被产生和/或监测以确定是否已经发生阳极劣化。虽然电池电力随后可以用于在混合动力车辆操作期间增补燃料电池电力，但在536处，系统100可以经配置以在操作期间再充电或增加电池的存储的能量。换言之，方法500进一步包含：增加混合动力电池的荷电状态，同时通过燃料电池电力提供车辆电力，例如，使用车辆上的发电机(未示出)。利用这种布置。所描述的系统被持续准备以在车辆操作期间执行泄漏检测测试。
如上所述，该方法允许在驱动车辆时检测氢燃料电池车辆中的泄漏。该方法可以包含：将要求的燃料电池电力减小至燃料电池怠速，同时从混合动力电池提供电力，并执行阳极泄漏测试以确认泄漏。该方法进一步包含：将混合动力电池的能量荷电状态与荷电阈值比较，其中能量荷电状态超过荷电阈值指示存在足够的电池电力以执行阳极泄漏测试，电池电力将增补电力提供至减小的燃料电池电力，并且混合动力电池为车辆驱动提供电力，同时执行阳极泄漏检测。如下面更详细描述的，该方法可以进一步包含：将阳极泄漏测试的持续时间与时间阈值比较以确认泄漏存在。即，在增补电力由替代能量源供应以给车辆提供电力期间的时间可以基于在系统内加压而足够长。当这发生且在泄漏检测测试期间达到压力设置值的时间基本足够长到电池不能在整个周期供应电力至车辆时，该系统可以改为触发报警指示器，该报警指示器传达测试持续时间已经被超过并且由经过培训的技术人员评估车辆以确认系统内存在的泄漏或劣化。该系统可以替代地经配置以监测混合动力电池的荷电状态，并当荷电状态降低到低于用于指示电池电力不足以继续测试程序的阈值时，触发报警。因为，该方法进一步包含：基于在一些情况下的驱动廓线而计算电力需求，将驱动廓线可以与混合动力电池的能量荷电状态比较，以便仅当电力需求降到低于混合动力电池的能量荷电状态时才执行阳极泄漏测试，因为电池电力可以包含在测试期间被供应以操作车辆的基本所有电力。
转至根据该方法执行的阳极泄漏测试的描述，题为“阳极泄漏测试实施方式(ANODE LEAK TEST IMPLEMENTATION)”的美国专利US7942035通过参考在此被并入，该专利被进一步包括以说明可以被执行以确定阳极完整性的示例性泄漏检测方法。如该专利所描述和本文所复述的，系统100利用通常当燃料电池堆106上的负荷稳定时执行的一系列阳极泄漏测试。然而，因为所描述的方法包括增补燃料电池电力的替代能量源，所以测试可以在车辆操作期间在系统100上执行，而不是在低燃料电池怠速负荷下执行，与当驾驶员需求低时进行测试的现有阳极泄漏检测系统相比，这扩展了实用性。
在第一水平阳极泄漏测试中，控制器124确定燃料电池堆106是否已经降低到低于要求的电力，在一个示例中，该要求的电力是基于由燃料电池堆106产生的电流量的燃料电池怠速状态。响应于确定燃料电池堆106处于怠速状态，控制器124控制压力调节器设备112以响应于各个控制值，控制输入阳极流的压力处于第一预选压力水平。如上所述，一个或多个此类控制值可以是基于PWM的、模拟的或数字的。压力传感器125将信号压力上的实际压力量传送回控制器124以确定实际压力量是否等于第一预选压力水平。控制器124测量和记录与驱动压力调节器设备112关联的值以确定此类值是否等于一个或多个预定的控制值。在控制值不等于第一预定控制值的情况中，控制器124可以响应于燃料电池堆106处于怠速状态而进行第二水平阳极测试。
第二水平阳极测试可以类似于第一水平阳极测试，除了使用的第二预选压力水平被用来替代第一预选压力水平以外。此外，建立对应于第二预选压力水平的一个或多个第二预定值。第二预选压力水平可以对应于比第一预选压力水平更高的压力水平。关于图6和图7更详细讨论了第一和第二水平阳极泄漏测试。在执行第一和第二水平阳极泄漏测试之前，系统100被校准以分别限定第一和第二预选压力水平的预定的控制范围。当车辆被生产或制造时，可以在行末(EOL)测试下执行此类校准。
图6说明了用于建立分别根据第一和第二水平阳极泄漏测试使用的一个或多个第一和第二预定控制值的框图600。
在框602中，压力调节器设备112(通过控制值经由控制器124)被控制以将氢(例如，在输入阳极流中)分布为第一预选压力水平。第一预选压力水平通常对应于低压力水平。第一预选压力水平可以对应于阳极和阴极之间的压力差。
在框604中，电流传感器122测量由燃料电池堆106产生的电流量以确定堆电流是否等于通常对应于燃料电池堆106处于怠速状态的预定量的电流。在一个示例中，3A的堆电流可以对应于燃料电池堆106处于怠速状态。用于指示燃料电池堆106是否处于怠速状态的特定量的堆电流可以基于实施的燃料电池堆的类型、各种车辆负荷和其它系统到系统的变化而变化。如果测量的堆电流不等于预定量的电流，则图表600保持在框604中，直到获得预定量的电流。如果测量的堆电流等于预定量的电流，则图表600移至框606。
在框606中，计数器变量(例如，i)被初始化。
在框608中，控制器124获得用于驱动压力调节器设备112的对应控制值，以便获得框602中实现的第一预选压力水平。控制器124将控制值存储在易失存储器中。
在框610中，响应于存储控制值，增加计数器变量i。
在框612中，图表600确定计数器值i是否等于预定样本大小(例如，N1)。一般来讲，系统100经历噪声，当实现第一预选压力水平时，噪声可以引起若干控制值被测量。由于此类条件，N1被选择以获得确保高置信度的样本大小。在一个示例中，N1可以对应于用于获得第一预选压力水平的控制值的120个测量值的样本大小。样本大小可以基于特定实施方式的期望标准而变化。如果i等于N1，则图表600移至框614。如果i不等于N1，则图表600移回至框608以获得额外测量值。
在框614中，做出是否经由控制器124以另一组控制值控制压力调节器设备112以在第二预选压力水平下分布输入阳极流中的氢的决定。第二预选压力水平被设置为大于第一预选压力水平的压力。如果未建立第二预选压力水平，则图表600移回至框602。如果已经建立了第二预选压力水平，则方法600移至框616。
在框616中，控制器124确定第一预定值并将第一预定值存储在非易失性存储器(例如，EEPROM)中。在一个示例中，第一预定值可以对应于某范围的测量的控制值以获得第一预选压力水平。这种范围可以包括样本大小N1。如上所述，在一个示例中，样本大小可以包括120个控制值的测量值。在这种情况下，某范围的120个控制值可以存储在非易失性存储器中。在另一个示例中，控制器124可以计算包含样本大小N1的测量值的平均值和标准差。在此类示例中，平均值和/或标准差可以被限定为一个或多个第一预定值。
框602被重新执行以建立第二预选压力水平。在框602中，压力调节器设备112(通过控制值经由控制器124)被控制以在第二预选压力水平下分布氢。
框604被重新执行以确定堆电流是否等于通常对应于燃料电池堆106处于怠速状态的预定量的电流。如果测量的堆电流不等于预定量的电流，则图表600保持在框604中，直到获得预定量的电流。如果测量的堆电流等于预定量的电流，则图表600移至框606。
框606被重新执行以再次初始化i。
框608被重新执行，使得控制器124获得对应控制值，该对应控制值用于驱动压力调节器设备112以获得在重新执行的框602中实现的第二预选压力水平。控制器124将对应控制值存储在易失性存储器中。
框610被重新执行以响应于存储控制值而增加i。
框612被重新执行以确定计数器值i是否等于N1。如上所述，系统100经历噪声，当实现第二预选压力水平时，噪声可以需要若干控制值被测量。由于此类条件，N1被选择以获得足以建立高置信度的样本大小。如果i不等于N1，则图表600移回至框608以获得额外的测量值。
框614被重新执行以确定是否已经建立第二预选压力水平控制值。图表移至框616。
在框616中，控制器124确定第二预定值并将第二预定值存储在非易失性存储器中。在一个示例中，第二预定控制值可以对应于某范围的测量的控制值以获得第二预选压力水平。这种范围可以包括样本大小N1。如上所述，在一个示例中，样本大小可以包括120个控制值的测量值。在这种情况下，某范围的120个控制值可以存储在非易失性存储器中。在另一个示例中，控制器124可以计算包含样本大小N1的测量值的平均值和标准差。在这种情况下，平均值和/或标准差可以被限定为一个或多个第一预定值。
图7说明了用于执行第一水平阳极泄漏测试的框图700。在框702中，电流传感器122测量由燃料电池堆106产生的电流量以确定堆电流是否等于预定量的电流。此类条件指示燃料电池堆106是否已经减小到怠速或稳态。如果测量的堆电流不等于预定量的电流，则可以不执行第一阳极泄漏测试。如果测量的堆电流等于预定量的电流，则图表700移至框704。
在框704中，计数器变量(例如，j)被初始化。
在框706中，控制器124读取并存储特定的操作控制值，该特定的操作控制值用于驱动压力调节器设备112以将输入阳极流的压力调整为达到第一预选压力水平。
在框708中，控制器124确定燃料电池堆106是否退出了怠速状态。例如，控制器124可以评定由电流传感器传输的电流读数或读取在多路复用总线协议(例如，控制器局域网(CAN))上的消息活动，以确定驾驶员需要什么(例如，节气门位置、制动器位置等)。在燃料电池堆106退出怠速状态的情况下，图表600停止以执行第一阳极泄漏测试并暂停测试性能。
在框710中，j被增大。
在框712中，图表700确定计数器变量j是否等于预定的样本大小(例如，N2)。如上所述，针对噪声考虑，控制器124基于期望的置信水平获得多个控制值的读数可能是必要的。如果计数器变量j等于N2，则图表700移至框714。如果计数器变量j不等于N2，则图表700移回至框706。总之，执行框706、708、710和712可能需要数秒(例如，5秒可以对应于获得PWM值的测量值所需要的时间量)。执行框706、708、710和712的特定的时间量可以根据控制器设计、软件和期望量的测试置信度而变化。
在框714中，控制器124将在块706中存储或自块706测量的操作控制值与在图表600中所建立的第一预定控制值相比较。例如，控制器124可以将框706的操作控制值与第一预定控制值相比较(例如，如在框616中获得的第一预定控制值的整组120个测量值)。在此类示例中，可以执行两个样本t测试以将框706的整组操作控制值与整组第一预定控制值相比较。总之，可以采用两个样本t测试以确定两组数据是否彼此相等。两个样本t测试被阐明在由W.Mendenhall和T.Sincich所著的“统计工程与科学(STATISTICS FOR ENGINEERINGAND SCIENCE)”第四版第422-494页中，其在此通过参考被并入。在这种情况中，第一预定控制值由如关于图6所述的样本大小N1的平均值和/或标准差表示，控制器124可以执行一个样本t测试。一个样本t测试也被阐明在由W.Mendenhall和T.Sincich所著的“统计工程与科学(STATISTICS FOR ENGINEERING AND SCIENCE)”中，如上所述。控制器124通过将包含样本大小N2的所有测量值与平均值和标准差比较来执行一个样本t测试。
在框716中，控制器124确定框706存储的操作控制值是否等于第一预定控制值。如果框706存储的操作控制值不等于第二预定控制值，则图表700移至框718。如果框706存储的操作控制值等于第一预定控制值，则图表700移至框702。应当认识到，控制器124采用多个基于统计的方法以确定值是彼此相等或不相等。例如，值可以在统计学上彼此相等，从而被认为相等。同样地，在值不在某些预定义的统计范围内的情况中，值可以被认为不相等。
在框718中，控制器124设置标记以指示将要执行第二阳极泄漏测试。
总之，如果框706存储的操作控制值不同于第一预定控制值，则此类条件可以指示系统100中的阳极泄漏。例如，泄漏可以被推知，因为控制器124可能要在与用于建立第一预定控制值以便获得第一预选压力水平的控制值不同的操作控制值下驱动压力调节器设备112。在此类控制值不等于第一预定控制值的情况下，维持氢的压力处于第一预选压力水平所需要的操作控制值变为可区分的错误状态或指示符。
图8说明了用于执行第二水平阳极泄漏测试的框图800。当控制器124设置标记以指示操作控制值未落入如在图表700中指出的第一预定值范围内时，通常执行第二水平阳极泄漏测试。
在框802中，控制器124控制压力调节器设备112以将输入阳极流中氢的压力调整为第二预选压力水平。
在框804中，电流传感器122测量由燃料电池堆106产生的电流量以确定堆电流是否已经被减小到预定的电流量。如果测量的堆电流未被减小到预定的电流量，则图表800等待燃料电池堆106进入怠速状态。如果测量的堆电流已经被减小到预定的电流量，则图表800移至框806。
在框806中，计数器变量(例如，k)被初始化。
在框808中，控制器124读取并存储用于驱动压力调节器设备112以将输入阳极流的压力调整为达到第二预选压力水平的特定操作控制值。
在框810中，控制器124确定燃料电池堆106是否退出了怠速状态。在燃料电池堆106退出怠速状态的情况下，图表800移至框804。在燃料电池堆106保持处于怠速状态的情况下，图表800移至框812。
在框812中，计数器变量k增加。
在框814中，图表800确定计数器变量k是否等于预定的样本大小(例如，N3)。如果k等于N3，则图表800移至框816。如果k不等于N3，则图表800移回至框808。
在框816中，控制器124将在框808中存储或测量的操作控制值与在图表600中建立的第二预定控制值相比较。控制器124以如在框714中公开的类似方式将框808的操作控制值与第二预定控制值相比较。
在框818中，控制器124确定框818存储的操作控制值是否等于第二预定控制值。如果框808存储的操作控制值不等于第二预定控制值，则图表800移至框820。如果框808存储的操作控制值等于第二预定控制值，则图表800移至框824。如上所述，控制器124可以采用任意数量的基于统计的方法以确定值是彼此相等或不相等。例如，值可以在统计学上彼此相等，而被认为相等。同样地，在值不在一些预定义的统计范围内的情况中，值可以被认为不相等。
在框820中，控制器124计算最坏情况的泄漏大小。例如，控制器124可以基于f(压力、控制输入和操作系统参数)而计算最坏情况的泄漏大小，函数f取决于系统和控制器设计。在一个示例中，函数f可以描述为：
Figure BDA0000775911520000171
其中：P出表示在泄漏(阴极或环境)的出口处的压力，PH2供应表示输入压力，且P阳极表示信号PRESSURE上的压力，μ对应于在框808中获得的操作控制值中的一个或更多个，且参数a、b和c是取决于系统架构和/或与燃料电池堆106关联的其它此类设计标准的变量。在未实施图表800的情况中，图表700预计到框820还可以代替框718执行。
在框822中，控制器124设置可以通过维修工具检索的诊断故障码(DTC)。
在框824中，图表800退出第二阳极泄漏测试。
所公开的第一和第二阳极泄漏测试在被执行时增加了时间上的灵活性，因为此类测试对驾驶员或使用者是非打扰性的和显而易见的。此外，第一和第二阳极泄漏测试未对燃料电池堆系统100的性能产生消极影响，因为电池电力在阳极泄漏测试期间增补减小的燃料电池电力。系统100通常考虑到可以执行第一阳极泄漏测试以检测阳极泄漏的存在，而不执行第二阳极泄漏测试。第二阳极泄漏测试在高于第一预选测试的第二预选压力水平下(例如，在高分辨率下)执行以确认第一阳极泄漏测试的发现物。第一和/或第二阳极泄漏测试可以被施加到燃料电池装置，该燃料电池装置通常适于响应于电化学转换来自阳极侧的氢和来自阴极侧的氧而产生电力。
图9是描述了随着燃料电池堆系统100经历一次或更多次泄漏，控制信号的状态的曲线图。进行实验设计(DOE)以说明在系统100中的氢泄漏的情况中控制值可以用作错误状态指示符的方式。第一阀V1和第二阀V2被安装在系统100中以模拟氢泄漏。第一阀V1使氢加压的阳极之间能够发生泄漏，并且第二阀V2实现从阳极到环境的受控泄漏。在曲线图的零参考点处，第一阀V1和第二阀V2两者闭合。进一步地，在X轴线下方，第一阀V1打开，同时第二阀V2保持闭合。如图所示，响应于第一阀V1打开，控制值增加。该曲线图说明了随着阀V1和V2两者打开，控制值增加超过仅第一阀V1打开的先前状态。DOE建立监测控制值的状态可以作为有益指示符，以用于检测泄漏的压力，而不管泄漏的严重性，并且如上所述的系统100以及第一和第二阳极泄漏测试通常经配置以检测在到空气加压的阴极或大气(或环境)中的氢泄漏的情况下检测氢泄漏。
以此方式，该方法有利地允许在车辆操作期间(例如，当车辆被驱动行驶在高速公路上时)执行阳极泄漏测试。因为替代能量源被包括以提供增补电力，所以该方法包含：将燃料电池电力暂时降低至低于要求的燃料电池电力；以电池电力增补燃料电池电力减小；以及在暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试。此外，因为该方法包括使用替代能量源以增补燃料电池电力，所以能够基于一个或多个工况(像驱动廓线、系统控制状态、温度和/或发动机负荷(例如，车辆速度))而有利地触发泄漏检测方法。为此，除了经配置以做出一个或多个调整以执行阳极泄漏测试之外，描述的示例车辆内的控制器还可以经配置以基于例如当前驱动廓线而计算电力需求。利用这种布置，能够在操作期间无缝地执行泄漏检测，从而允许氢燃料电池车辆中更频繁的泄漏检查。
注意，包括在本文中的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统构造一起使用。本文公开的控制方法和程序可以存储为非临时性存储器中的可执行指令。本文描述的具体程序可以表示任何数量的处理策略中的一个或更多个，诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。因此，所示的各种行为、操作和/或功能可以按所示的顺序执行、并行地执行或在某些情况下省略。同样，处理的顺序不是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供。根据使用的特定策略，所示的行为、操作和/或功能中的一个或更多个可以被重复地执行。此外，所示的行为、操作和/或功能可以图形化地表示被编程到发动机控制系统的计算机可读存储介质的非临时性存储器中的代码。
应当认识到，本文所公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被认为具有限制意义，因为许多变体是可能的。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置和其它特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
下面的权利要求具体指出被认为是新颖的和非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。这样的权利要求应当被理解为包括一个或多个这样的元件的组合，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以通过本权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出的新权利要求而被要求保护。这样的权利要求，无论是比原权利要求范围更宽、更窄、等同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。

Claims (10)

1.一种方法，其包含：
响应于确定的驱动廓线，
暂时减小燃料电池电力到低于要求的燃料电池电力；
以电池电力增补所述燃料电池电力的减小；以及
在所述暂时减小燃料电池电力期间执行阳极泄漏测试。
2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于当前驱动条件、燃料电池的控制状态、温度和车辆速度中的一个或多个而暂时减小所述燃料电池电力，并且其中所述暂时减小在以电池电力增补所述燃料电池电力并执行所述阳极泄漏测试时发生。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包含：基于所述当前驱动条件而估计满足操作需求所需要的车辆电力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中车辆电力降低至低于电池荷电状态阈值指示足够的电池电力用于增补所述暂时减小的燃料电池电力。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述燃料电池电力在所述暂时减小燃料电池电力期间被减小至燃料电池怠速。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述以电池电力增补所述燃料电池电力包括以电池电力供应基本所有车辆电力，在车辆操作期间执行所述阳极泄漏测试。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：在车辆操作期间，将所述阳极泄漏测试传达至车辆操作者。
8.根据权利要求7所述的方法，其中满足操作需求所要求的燃料电池电力在所述阳极泄漏测试后增加，所述燃料电池电力提供至少一部分车辆电力。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包含：在车辆操作期间，增加所述电池荷电状态。
10.一种方法，其包含：
降低燃料电池电力至燃料电池怠速，同时从替代电源提供车辆电力并在车辆行进操作期间确定氢燃料电池的阳极完整性，其中确定阳极完整性包括在第一压力和不同于所述第一压力的第二压力下操作所述阳极。
CN201510477179.4A 2014-08-06 2015-08-06 用于在燃料电池车辆操作期间测试阳极完整性的方法 Active CN105375045B (zh)

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