CN113169356B - 用于调整燃料电池系统喷射器的喷射策略的方法和电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助PWM信号来调整喷射器(1)的喷射策略以在燃料电池系统(2)中喷入燃料的方法，该方法具有以下步骤：借助于设定单元(3)按照在PWM信号中可预设的脉冲持续时间在可预设数值范围内将喷射频率设定至可预设的第一值；并且借助于调整单元(4)将该喷射频率调整至在该可预设数值范围内的与第一值不同的可预设的第二值，其中，该PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变该喷射策略的PWM信号的占空率。本发明还涉及一种相应的电路装置(8)、一种燃料电池系统(2)和一种计算机程序(9)。

Description

用于调整燃料电池系统喷射器的喷射策略的方法和电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于借助PWM信号来调整喷射器的喷射策略以在燃料电池系统中喷入燃料的方法和电路装置。本发明还涉及一种相应配置的计算机程序。

背景技术

在现有技术中，具有喷射器的喷射系统尤其以在内燃机中的喷油嘴的形式被公开。在那里，通常依据内燃机曲轴的运动变化过程来控制喷射器。即，在内燃机中根据曲轴位置利用基于时间的脉宽调制(PWM)控制信号来调整喷射器的喷射策略。

在燃料电池系统中，喷射器也被用于燃料喷射。在燃料电池系统中的燃料喷射的优点是无需考虑活动件如曲轴。但是，与内燃机中的调整系统相比，有关燃料电池系统中喷射策略调整的技术领域尚不成熟。相应地，目前仍在针对在燃料电池系统喷射器的喷射策略调整时的各种问题寻找解决方案。特别是，总是致力于改进系统用以根据燃料电池系统的燃料电池堆中的压差来以自适应的方式控制燃料喷射器。

发明内容

本发明的任务是至少部分解决上述问题。本发明的任务尤其是提供一种改进的方法和一种相应改进的电路装置，用于调整燃料电池系统喷射器的喷射策略以在燃料电池系统中喷入燃料。

此外，任务是提供一种燃料电池系统和一种计算机程序产品，它们用于有利地借助PWM信号来调整喷射器的喷射策略以便在燃料电池系统中喷入燃料。

上述任务通过权利要求书来完成。上述任务尤其通过根据权利要求1的方法、根据权利要求5的电路装置、根据权利要求10的燃料电池系统以及根据权利要求11的计算机程序来完成。本发明的其它优点来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于该方法所描述的特征和细节自然也与本发明的电路装置、本发明的燃料电池系统、本发明的计算机程序相关地是适用的，反之亦然，因此关于对本发明各个方面的公开内容总是互相参考或可互相参考。

根据本发明的第一方面，提供一种用于借助PWM信号来调整喷射器的喷射策略以便在燃料电池系统中喷射燃料的方法。该方法包括以下步骤：

-借助于设定单元按照在PWM信号中可预设的脉冲持续时间将喷射频率设定至可预设数值范围内的可预设的第一值，

-借助于调整单元将喷射频率调整到在可预设数值范围内的与第一值不同的可预设的第二值，

-其中，PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变喷射策略的PWM信号的占空率。

在本发明的上下文中，“将喷射频率设定至第一值并将喷射频率调整到第二值”应该是指有目的地改变占空率。在PWM中，周期持续时间分为有脉冲的第一时间段和无脉冲的第二时间段。在此，占空率是指脉冲持续时间与总周期持续时间(即有脉冲和无脉冲的时间段之和)之比。因此，如果占空率例如为0.5，则有脉冲的持续时间和无脉冲的持续时间是等长的。

根据本发明，喷射频率和进而PWM控制信号的占空率应被调整。对此，条件是脉冲持续时间保持恒定。因此，通过上述关系，在脉冲持续时间恒定的情况下通过改变周期持续时间来改变占空率。与已知的解决方案相比，可以通过这种方式更容易且更经济地并且尤其明显更快速地进行所述调整步骤，这是因为脉冲持续时间和进而用于启动喷射器的时间段被保持恒定。针对所有喷射频率，喷射器的机械载荷也保持相等，因为喷射持续时间不变，而是仅在喷射之间的间歇期改变。

根据本发明，仅在喷射之间的间歇期被改变，从而在脉冲持续时间恒定的情况下得到彼此不同的周期持续时间，进而通过这种方式得到彼此不同的占空率。所得到的PWM信号占空率在其对喷射器的作用方面产生所期望的调整后的喷射频率。根据本发明，PWM信号尤其是二进制信号或基本二进制的信号、呈方波信号形式。

因此与已知解决方案相比，PWM信号的宽度仅通过在脉冲持续时间恒定情况下周期持续时间的改变而被调制。在此，无脉冲的时间段被用作周期持续时间的调制变量，而脉冲持续时间、即有脉冲的时间段的调制得以避免。

根据本发明的控制方法，可以快速简单地使燃料电池系统中的燃料喷射适应于燃料电池系统中的给定工作参数。由此可以防止过高的燃料消耗和燃料不足运行。尤其通过快速简单地使燃料喷射适应于例如燃料电池系统的燃料电池堆的电极区域中的不同压力，可以防止在燃料电池系统中的不期望的机械应力或相应的力。

本发明尤其涉及PEM燃料电池系统。即，优选提供一种用于借助PWM信号来调整喷射器的喷射策略以便在PEM燃料电池系统中喷射燃料的方法。PWM信号应被理解为脉宽调制信号。

喷射策略应被理解为：在燃料电池系统中随时间推移而借助喷射器将燃料喷入燃料电池系统的至少一个功能部件或至少一个功能部分的方式。这样的功能部分可以是用于将含燃料的阳极气体供应至燃料电池系统的燃料电池堆阳极部的阳极气体供应部。

在燃料电池系统中，在燃料电池堆的阳极部之中或之处的压力应跟随在燃料电池堆的阴极部之中或之处的压力。这还应该尽快达成，以防止在燃料电池膜之处或之中的机械应力。借助所提出的方法，能够提供一种完成该任务的快速有效的控制策略。

该喷射器可以设计成喷射泵、喷射喷嘴或用于将液体和/或气体特别是燃料引入和/或混入到燃料电池系统的功能部分中的相应装置。

通过在脉冲持续时间保持不变的情况下改变喷射频率，占空率相应变化。就是说，优选在脉冲持续时间或接通时间保持不变的同时改变喷射频率，由此得到变化的占空率。

优选地，借助于设定单元最好按照在PWM信号中可预设的脉冲持续时间和/或可预设的占空率而将喷射频率设定至可预设数值范围内的可预设的第一值。

可能有利的是，在本发明的喷射频率调整方法中确定燃料电池系统的至少一个工作参数，该工作参数在所述喷射频率的调整中以定性和/或定量的方式被予以考虑。这样的参数例如可以如后所述地是燃料电池系统的管路部分中的压力值。在此例如可以是阳极部。换句话说，这种工作参数可以预先规定调整方向和/或调整程度，或者可以在调整中被相应予以考虑。

根据本发明的另一方面可行的是，在方法中将喷射频率设定或调整至在0.2Hz至30Hz之间的值。在本发明范围内的各种尝试中、即在采用所提出方法时已发现所述喷射频率是特别有利的。在例如30Hz的喷射频率下，占空率可以是50％或可以被相应设定。这导致约17ms的脉冲持续时间或接通时间。如果现在例如依据PWM信号将喷射频率降低到0.2Hz，则脉冲持续时间尽量保持恒定且占空率被相应缩小到0.34％。但原则上可能有利的是，在方法中将喷射频率设定或调整到任何预设值。

此外可能的是，在根据本发明的方法中，燃料电池系统包括至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆，并且该方法具有以下步骤：

-借助于确定单元来确定在阳极部处的当前压力值，

-借助于创建单元来创建在当前压力值和额定值之间的差值，

-借助于调整单元并依据所创建的差值来调整该喷射频率。

即，在该方法的范围内，控制误差或调整误差是作为在期望阳极压力与当前实际阳极压力之间的差值而被确定的。借此可以快速、容易且可靠地确定或计算期望的喷射频率或相应的PWM信号。

另外，在根据本发明的方法中可行的是，在设定至具有第一值的喷射频率时，借助于选择单元依据查找表来给PWM信号选择可预设的占空率。所述设定尤其自动进行。借助查找表来尤其与所确定的喷射频率相关地选择占空率、或者说是脉冲持续时间与周期持续时间之比。借助查找表，在当前情况下可以与喷射频率相关地很快速且容易地确定占空率。

根据本发明的另一方面，提出一种电路装置，其用于借助PWM信号来设定喷射器的喷射策略以便在燃料电池系统中喷射燃料。该电路装置具有：

-设定单元，其用于按照在PWM信号中可预设的脉冲持续时间将喷射频率设定至可预设数值范围内的可预设的第一值；以及

-调整单元，其用于在该可预设数值范围内将喷射频率调整为不同于第一值的可预设的第二值，其中，该PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变喷射策略的PWM信号的占空率。

因此，根据本发明的电路装置带来了与关于本发明方法所详细描述的相同的优点。所述设定单元和调整单元优选以在合适的控制装置和/或计算单元中的软件组成部分和/或硬件组成部分的形式来设计。

如以上已关于该方法所描述的那样，设定单元和调整单元被配置用于将喷射频率设定或调整到在0.2Hz至30Hz之间的值(确切说是在最小值与最大值之间的值)或其它值之间的值。即，设定单元可被配置用于将喷射频率或相关的PWM信号设定至最大值30Hz，并且调整单元可被配置用于将喷射频率或相关的PWM信号从30Hz调整到最小值例如0.2Hz。该方法可被相应地执行。

此外，在根据本发明的电路装置中可行的是，该燃料电池系统包括至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆，并且该电路装置还具有：

-用于确定当前压力值的确定单元，和

-用于创建在当前压力值与额定值之间差值的创建单元，

-其中，该调整单元配置用于依据所创建的差值来调整喷射频率。

为了将PWM信号设定至具有第一值的喷射频率，可以提供选择单元，用于用查找表来选择或设定可预设的占空率。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池系统特别是PEM燃料电池系统，其具有如上所述的用于借助PWM信号来调整喷射器的喷射策略以便在燃料电池系统中喷射燃料的电路装置。为此，根据本发明，提出一种计算机程序，其包括指令，当计算机程序由计算机执行时，所述指令促使计算机执行如上所详细解释的方法。因此，本发明的燃料电池系统和计算机程序也带来了上述优点。

该计算机程序能以按照任何合适的编程语言例如像Matlab/Simulink、JAVA、C++和/或C#的计算机可读指令代码的形式实现。该计算机程序可被存储在诸如数据盘、可移动驱动器、易失性或非易失性存储器或内置存储器/处理器之类的计算机可读存储介质上。指令代码能以执行所需功能的方式对计算机或其它可编程设备如控制器进行编程。此外，计算机程序可以在网络如互联网中提供或存在于网络中，用户可根据需要从网络下载。该计算机程序既可以通过软件来实现，也可以借助一个或多个专用电子电路来实现，即以硬件形式或以任何混合形式(即借助软件组成部分和硬件组成部分二者)来实现。

附图说明

在以下对如图示意所示的本发明各不同实施例的说明中得到改进本发明的其它措施。来自权利要求书、说明书或附图的所有特征和/或优点包括结构细节和空间布置在内不仅单独地、也在各种不同组合中对本发明而言是重要的，分别示意性示出：

图1示出用于说明根据一个本发明实施方式的方法的流程图；

图2示出用于展示图1所示的方法的曲线图；

图3示出用于说明具有电路装置和安装在其中的计算机程序的本发明燃料电池系统的框图。

具有相同的功能和工作方式的零部件在图1-3中分别有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性示出流程图，用于说明用于借助PWM信号来调整喷射器1的喷射策略以便在燃料电池系统2中喷入燃料的方法。图3示出用于执行该方法的功能部件。根据第一步骤S1，首先借助于设定单元3按照在PWM信号中的约17ms脉冲持续时间或50％占空率将喷射频率设定至约30赫兹的值。所述值、特别是占空率或脉冲持续时间是借助于选择单元7依据查找表与喷射频率相关地来选择并被相应设定的。

在第二步骤S2中，借助于调整单元4将喷射频率调整到大约0.2Hz的第二值，其中，PWM信号的脉冲持续时间保持恒定并且PWM信号的占空率相应降低至约0.34％。在此情况下，借助于确定单元来确定在阳极部处的当前压力值。随后，由创建单元6创建在所确定的当前压力值与额定值之间的差值。然后，依据所创建的差值借助于调整单元4来相应调整该喷射频率。

图2示出与燃料电池系统2的燃料电池堆中的压力损失相关的示例性PWM信号的信号曲线。准确地说，图2的上部示出了在燃料电池堆的阳极部处的压力损失，而在下方示出了将高喷射频率调整到相应较低的喷射频率或相应的PWM信号的相应过程。在此，在图2的上方曲线图中，关于X轴以秒为单位表示时间，关于Y轴以毫巴为单位表示控制误差。在图2的下方曲线图中，关于X轴也绘制以秒为单位的时间，关于Y轴绘制PWM信号(无量纲)。

图3示出呈PEM燃料电池系统形式的燃料电池系统2，其具有用于借助PWM信号来调整燃料电池系统喷射器1的喷射策略以便在燃料电池系统2中喷入燃料的电路装置8。电路装置8具有设定单元3和调整单元4，设定单元用于按照在PWM信号中可预设的脉冲持续时间将喷射频率设定至可预设数值范围内的可预设的第一值，而调整单元用于将喷射频率调整到该可预设数值范围内的不同于第一值的可预设的第二值，其中，该PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变喷射策略的PWM信号的占空率。

电路装置8还具有确定单元5和创建单元6，确定单元用于确定在阳极部处的当前压力值，而创建单元用于创建当前压力值与额定值之间的差值，其中，该调整单元4被配置用于依据所创建的差值来调整喷射频率。另外，在设定至具有第一值的喷射频率时，针对PWM信号提供用于用查找表来选择可预设的占空率的选择单元7。另外，在电路装置8中安装有计算机程序9，该计算机程序包括指令，当该计算机程序9由例如呈电路装置8或电路装置计算单元形式的计算机来执行时，所述指令促使其执行上述方法或促使其借助PWM信号来相应调整喷射器1的喷射策略以便在燃料电池系统2中喷入燃料。

除了所示实施方式外，本发明还允许其它设计原理。即，本发明不应被视为局限于结合附图所解释的实施例。

附图标记列表

1 喷射器

2 燃料电池系统

3 设定单元

4 调整单元

5 确定单元

6 创建单元

7 选择单元

8 电路装置

9 计算机程序

Claims (8)

1.一种用于借助PWM信号来调整喷射器(1)的喷射策略以在燃料电池系统(2)中喷入燃料的方法，具有以下步骤：

-借助于设定单元(3)按照在该PWM信号中可预设的脉冲持续时间在可预设数值范围内将喷射频率设定至可预设的第一值，其中，在设定至具有该第一值的喷射频率时，借助于选择单元(7)结合查找表来选择所述PWM信号的可预设的占空率，

-借助于调整单元(4)将该喷射频率调整至在所述可预设数值范围内的与该第一值不同的可预设的第二值，

-其中，该PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变该喷射策略的PWM信号的占空率；

其中，所述燃料电池系统(2)包括至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆，并且所述方法具有以下步骤：

-借助于确定单元(5)来确定在该阳极部处的当前压力值，

-借助于创建单元(6)来创建所述当前压力值与额定值之间的差值，以及

-通过该调整单元(4)并依据所创建的差值来调整该喷射频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了调整所述喷射频率，所述燃料电池系统(2)的至少一个工作参数被确定，所述工作参数就所述喷射频率调整的质量和/或数量而言被纳入考虑。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述喷射频率被设定或调整为在0.2Hz至30Hz之间的值。

4.一种用于借助PWM信号来调整喷射器(1)的喷射策略以在燃料电池系统(2)中喷射燃料的电路装置(8)，包括：

-设定单元(3)，其用于按照在该PWM信号中可预设的脉冲持续时间在可预设数值范围内将喷射频率设定至可预设的第一值，其中，在设定至具有该第一值的喷射频率时，针对所述PWM信号提供选择单元(7)，用于结合查找表来选择可预设的占空率；以及

-调整单元(4)，其用于将该喷射频率调整至在该可预设数值范围内的与该第一值不同的可预设的第二值，其中，该PWM信号的脉冲持续时间保持恒定，以改变该喷射策略的PWM信号的占空率；

其中，所述燃料电池系统(2)包括至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆，并且所述电路装置(8)还包括：

-用于确定在该阳极部处的当前压力值的确定单元(5)，和

-用于创建在所述当前压力值与额定值之间差值的创建单元(6)，

-其中，该调整单元(4)被配置用于根据所创建的差值来调整喷射频率。

5.根据权利要求4所述的电路装置(8)，其特征在于，所述喷射频率被设定或调整为在0.2Hz至30Hz之间的值。

6.一种燃料电池系统(2)，其具有根据权利要求4或5所述的用于借助PWM信号来调整喷射器(1)的喷射策略以在该燃料电池系统(2)中喷入燃料的电路装置(8)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，该燃料电池系统(2)是PEM燃料电池系统。

8.一种计算机程序(9)，其包括指令，当所述计算机程序(9)由计算机执行时，所述指令促使所述计算机执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法。