[發(fā)明專利]用于燃料電池動力系統(tǒng)的反應(yīng)性壓縮機(jī)喘振減輕策略

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310509550.1
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103775306B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J.馬斯羅;Y.張
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號: F04B39/00
• 分類號: F04B39/00;H01M8/04089;H01M8/0438;H01M8/04746
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 劉楨,胡斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及減輕車輛燃料電池動力系統(tǒng)中的壓縮機(jī)喘振狀態(tài)，并且更具體的涉及用于基于壓縮機(jī)的速度減輕壓縮機(jī)喘振狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

燃料電池是一種對使用汽油或相關(guān)的石油基源作為車輛推進(jìn)系統(tǒng)中的主要能量源的替代方案。特別地，通過混合在燃料電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物，可生成電流并用該電流來驅(qū)動馬達(dá)或做其它有用功。在一種形式中，由電流提供動力的馬達(dá)可單獨(dú)或與石油基燃燒發(fā)動機(jī)結(jié)合推進(jìn)車輛。在汽車應(yīng)用中，各個燃料電池可串聯(lián)或并聯(lián)布置為燃料電池堆以便產(chǎn)生更高的電壓或電流產(chǎn)量。此外，通過結(jié)合多于一個堆可獲得更高的產(chǎn)量。

在典型的燃料電池中，氫氣或另一種反應(yīng)物氣體被提供至燃料電池的陽極，而基于氧的反應(yīng)物(例如，環(huán)境空氣)被提供至燃料電池的陰極。氫氣被催化地分解成電子和帶正電的離子，使得將陽極與陰極分開的電解質(zhì)層允許離子傳送到陰極，同時防止電子這樣傳送。相反，電子繞過電解質(zhì)層穿過負(fù)載并返回到陰極，以允許利用電能。在陰極處，離子、電子和所提供的氧氣或空氣通常結(jié)合以產(chǎn)生水和熱量。各個燃料電池可串聯(lián)或并聯(lián)布置為燃料電池堆以便產(chǎn)生更高的電壓或電流產(chǎn)量。此外，通過結(jié)合多于一個堆可獲得更高的產(chǎn)量。

為了改善反應(yīng)物氣體的輸送，常常使用加壓源。例如，常常借助于壓縮機(jī)將空氣輸送至燃料電池系統(tǒng)的陰極側(cè)，其中使用諸如閥門、控制器等的輔助設(shè)備來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和燃料電池之間的空氣流。壓縮機(jī)輔助的輸送系統(tǒng)的固有屬性(至少在其涉及陰極側(cè)操作時)是陰極的壓力和流量控制被結(jié)合在一起；這種結(jié)合意味著常?？梢酝ㄟ^基于前饋的控制策略來利用已知的或可確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，以便最佳地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。這樣，可將基于壓縮機(jī)的已知操作特性的命令信號發(fā)送至壓縮機(jī)，以便以將確?？深A(yù)測、可重復(fù)的響應(yīng)的方式影響壓縮機(jī)中的變化。

盡管有用于壓縮機(jī)的基于前饋的控制策略的優(yōu)點(diǎn)，但某些操作條件可能危害系統(tǒng)的可操作性和部件耐久性。這樣，使用基于此類策略的車輛燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，特別是在它涉及會導(dǎo)致喘振或相關(guān)的不期望的壓縮機(jī)現(xiàn)象的操作條件時。當(dāng)存在喘振時，來自壓縮機(jī)出口的背壓足夠高，從而阻止壓縮機(jī)按設(shè)計(jì)方式泵送。這造成壓縮機(jī)中的氣體流顛倒方向，有可能導(dǎo)致推力軸承、葉片和其它上游壓縮機(jī)部件受損。

發(fā)明內(nèi)容

一種基于反應(yīng)性算法的使用的壓縮機(jī)喘振減輕系統(tǒng)可在檢測到喘振狀態(tài)的情況下減小喘振的影響。該系統(tǒng)可引發(fā)陰極背壓閥和壓縮機(jī)再循環(huán)閥中的至少一個內(nèi)的操作變化，以減小這樣的條件對系統(tǒng)操作的影響。如上所述，壓縮機(jī)在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的使用為汽車工業(yè)提出了額外的挑戰(zhàn)，其中不能向燃料電池提供反應(yīng)物氣體的精確量和溫度會顯著影響燃料電池性能，繼而影響車輛續(xù)航能力、運(yùn)行成本等。利用考慮壓縮機(jī)的操作狀態(tài)的本發(fā)明的不同喘振減輕策略減小了喘振狀態(tài)的影響，同時最小化此類減輕策略對燃料電池性能的影響。值得注意的是，本發(fā)明的喘振避免得以快速地實(shí)現(xiàn)，從而避免不期望的操作條件(例如，壓縮機(jī)過熱)，同時也有助于燃料電池系統(tǒng)的高效操作。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種避免車輛燃料電池系統(tǒng)中的喘振的方法。該方法包括將對應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)中使用的壓縮機(jī)的操作特性的壓縮機(jī)圖保持在存儲器內(nèi)。該方法也包括使用默認(rèn)策略控制壓縮機(jī)，使得其操作接近在壓縮機(jī)圖的非喘振區(qū)域內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)。該方法還包括檢測壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在和在檢測到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)以高于閾值的速度操作的情況下利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略。在檢測到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)以低于閾值的速度操作的情況下，該方法采用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。在一種形式中，檢測可通過基于處理器的協(xié)議進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于車輛燃料電池系統(tǒng)的控制器。該控制器包括一個或多個處理器和與該一個或多個處理器通信的非易失性存儲器。存儲器存儲機(jī)器指令，在由一個或多個處理器執(zhí)行時，該指令造成處理器保持對應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)中使用的壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖并且使用默認(rèn)策略控制壓縮機(jī)，使得其操作接近壓縮機(jī)圖非喘振區(qū)域內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)。在一種形式中，這樣的默認(rèn)策略可以(雖然未必)對應(yīng)于基于前饋的設(shè)計(jì)。指令進(jìn)一步造成一個或多個處理器檢測壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在并利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略。指令附加地造成一個或多個處理器利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。更具體地講，如果檢測到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作，控制器指示陰極背壓閥調(diào)整，而再循環(huán)閥可以在檢測到喘振并且壓縮機(jī)在低于閾值的速度下操作時的情況中被調(diào)整。