[發明專利]用于車輛燃料電池動力系統的陰極分流控制和壓力控制

有效

• 申請號: 201310509712.1
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103779590A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: Y.張;J.馬斯羅
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;B60L11/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;胡斌

技術領域

本發明大體上涉及控制車輛燃料電池系統中的反應物氣體，并且更特別地涉及用于通過調節連接到燃料電池堆的背壓閥和旁路閥而控制氣體的裝置和方法。

背景技術

燃料電池通過化學反應將燃料轉化為可用電力。對此類能量產生方式的顯著益處是，它在不依靠燃燒作為中間步驟的情況下實現。這樣，燃料電池相比內燃發動機(ICE)和相關的動力產生源具有若干環境優點。在諸如質子交換膜或聚合物電解質膜(在任一種情況中，均為PEM)燃料電池的典型燃料電池中，一對催化的電極被離子傳輸介質(例如Nafion?)分開。當氣體還原劑(例如，氫氣H₂)被引入并在陽極處被電離，然后被迫穿過離子傳輸介質使得它與已通過另一電極(陰極)引入的電離形式的氣體氧化劑(例如，氧氣O₂)結合時，發生化學反應；電離的反應物的這種結合(與已穿過負載的電子一起)形成作為副產物的水。在氫的電離中釋放的電子經由通常包括負載的外部電路以直流電(DC)形式前進到陰極，在負載處可執行有用功。由DC電的這種流動產生的功率生成可通過結合許多這樣的電池以形成燃料電池堆而增加。

為了改善反應物氣體的輸送，常常使用加壓源。例如，常常借助于壓縮機將空氣輸送至燃料電池系統的陰極側，其中使用諸如閥門、控制器等輔助設備來調節壓縮機和燃料電池之間的空氣流。壓縮機輔助的輸送系統的固有屬性(至少在其涉及陰極側操作時)是陰極的壓力和流量控制被結合在一起；這種結合意味著常常可以通過基于前饋的控制策略來利用已知的或可確定的數學關系，以便最佳地實現穩定的操作。這樣，可將基于壓縮機的已知操作特性的命令信號發送至壓縮機，以便以將確保可預測、可重復的響應的方式影響壓縮機中的變化。

然而，開發新的控制系統以精確調節在燃料電池系統中使用的此類反應物的流量仍然是具有挑戰性和困難的。這在基于車輛的燃料電池系統中尤其突出，其中可靠性、重量和成本進一步加重了挑戰。

發明內容

在一個實施例中，公開了一種車輛燃料電池系統。該系統包括燃料電池堆、背壓閥和旁路閥，并且該系統被構造成通過基于前饋的控制策略改善背壓閥的響應時間。背壓閥的入口連接到燃料電池堆的出口。旁路閥的入口連接到燃料電池堆的入口，而旁路閥的出口連接到背壓閥的出口。該系統還包括控制器，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。存儲器存儲指令，該指令在由一個或多個處理器執行時引起一個或多個處理器基于對燃料電池堆操作的背壓閥的影響和旁路閥的操縱的理解利用基于前饋的控制策略。在一個實施例中，存儲在存儲器中的指令呈數學模型形式，以通過調節背壓閥和旁路閥的位置而控制燃料電池堆中的氣體壓力；此類數學模型可以公式形式存儲，其中輸入參數的插入產生與運算有關的響應。同樣，此類指令可通過查找表或相關裝置關聯輸入和輸出，其中此類裝置可具有基于特定部件的已知性能特性的值(例如，從特定壓縮機的壓縮機圖導出的值)。基于前饋的控制策略利用堆壓力設定點、堆壓力反饋值和對應于背壓閥的位置的前饋背壓閥值。指令還引起一個或多個處理器利用一個或多個繼而饋入閥門位置模型的壓降模型，閥門位置模型本身被用作前饋背壓閥值的輸入。指令進一步引起一個或多個處理器利用堆壓力反饋值、旁路閥的一個或多個壓降模型、以及旁路閥的閥門位置模型來調節旁路閥的位置，以控制堆和背壓閥之間的分流并且旁通(如果需要的話)堆不需要的額外的流。這樣，背壓閥被控制以滿足燃料電池堆的壓力設定點，同時旁路閥被控制以滿足燃料電池堆的流量設定點。如下文將更詳細討論的，用于背壓控制閥的基于前饋的策略可結合用于背壓閥和旁路閥兩者的基于反饋的策略(或作為其一部分)使用，以便控制堆壓力和流量，從而在旁路閥打開的情況下達到設定點。

在另一個實施例中，公開了用于車輛燃料電池系統的控制器。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。存儲器存儲指令，該指令在由一個或多個處理器執行時引起一個或多個處理器利用基于前饋的控制策略通過調節連接到燃料電池堆的出口的背壓閥的位置而控制燃料電池堆中的氣體壓力。基于前饋的控制策略利用堆壓力設定點、堆壓力反饋值和對應于背壓閥的位置的前饋背壓閥值。指令進一步引起一個或多個處理器利用背壓閥的一個或多個壓降模型和閥門位置模型來確定前饋背壓閥值。指令另外引起一個或多個處理器利用堆壓力反饋值、旁路閥的一個或多個壓降模型、以及旁路閥的閥門位置模型來調節旁路閥的位置，以控制分流或執行諸如上文結合前面的實施例所述的旁通功能。