专利名称：防止容器压力下降低于最小许可压力的方法
技术领域：
本发明总体上涉及防止压力容器中的气体压力下降低于最小许可压力的方法，且更具体地涉及防止氢存储系统中的一个或多个压力容器中的压力下降低于最小许可压力的方法，其监测压力调节器下游的压力传感器的压力读数的正常公差驱动的波动，且如果检测到超过正常波动的压力下降，那么关闭氢存储系统以防止容器压力下降过低。
背景技术：
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。机动车行业将大量的资源花费在开发氢燃料电池系统作为车辆的功率源。这种车辆将比采用内燃机的当今车辆更高效且产生更少的排放物。通常，氢气以高压存储在车辆上的压力容器中以提供燃料电池系统所需的氢。容器压力可以是700 bar或更高。在一种已知设计中，压力容器包括为氢气提供不透气体的密封的内部塑料衬垫、以及提供容器结构整体性的外部碳纤维复合层。氢存储系统通常包括将氢气压力从容器高压减少为适合燃料电池系统的压力的至少一个压力调节器。如果容器压力下降低于某一值且容器然后以高压力增加速率再次装填，那么内部衬垫层可能开始从外部结构层分离。该分离可引起内部衬垫损坏和泄漏紧密性损失，因而必须避免。避免该分离的当前方案是保持容器内的足够高的压力以防止内部衬垫层分离。 对于一种示例性容器，容器中必须保持20 bar的最小压力，以防止内部衬垫层从外部结构层分离。一个或多个压力传感器提供容器内和氢存储系统其他地方的氢气压力的测量。由于用于这些类型的系统中的压力传感器需要在接近1000 bar范围内提供压力测量且需要是相对便宜的，因而其通常具有大约1. 5%的公差带，给予+/-15 bar的准确性。此外，考虑在容器可能遇到的整个温度范围内传感器布线的测量要求通常提供+/-35 bar的测量准确性，其增加到20 bar最小许可压力以提供期望安全裕量。因而，在典型系统设计中，在容器压力传感器读数大约阳bar时，需要停止从容器排放氢，从而导致容器内的大约5%的氢气不能用于车辆操作。需要可靠地保护压力容器不下降低于最小许可压力但仍允许大部分可能氢气由燃料电池消耗的方法。这种方法将允许车辆在燃料再装填事件之间行驶更大的距离，从而改进顾客满意度，同时仍保护容器不下降低于最小许可压力。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种防止压力容器中的气体压力下降低于最小许可压力的方法和系统。压力调节器下游的压力传感器的压力读数由处理器监测，因为它们在正常调节压力条件下在稳定波动带内变化。当压力调节器在低容器压力条件下达到完全开启位置时，处理器检测到压力读数下降至低于最近波动带的值，且识别压力下降低于调节压力值。所述处理器可以使用该信息来切断来自于容器的气体流，从而防止容器下降低于其最小许可压力，而与传感器的压力读数的实际幅值(由于公差可能在宽范围内变化)无关。方案1. 一种防止气体存储系统中的一个或多个压力容器的压力下降低于最小许可压力的方法，所述方法包括
操作气体存储系统以将气体提供给下游装置； 限定压力读数增量值；
监测位于压力调节器下游的压力传感器处的气体压力； 识别压力传感器的先前压力读数的波动范围； 确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围；以及关闭位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀，以防止容器压力下降低于最小许可压力。方案2.根据方案1所述的方法，其中，限定压力读数增量值包括将压力传感器范围除以压力读数的可能值的数量。方案3.根据方案1所述的方法，其中，识别先前压力读数的波动范围包括针对压力传感器的先前压力读数计算滚动压力中值。方案4.根据方案3所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比滚动压力中值低压力读数增
量值以上。方案5.根据方案3所述的方法，其中，针对压力传感器的先前压力读数计算滚动压力中值包括针对30秒和5分钟之间的先前时间窗计算滚动压力中值。方案6.根据方案1所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比压力传感器的前一压力读数低压力读数增量值的两倍以上。方案7.根据方案1所述的方法，其中，关闭容器截止阀包括在关闭容器截止阀之前提供时间延迟。方案8.根据方案1所述的方法，其中，所述气体是氢。方案9.根据方案1所述的方法，其中，下游装置是燃料电池系统。方案10.根据方案9所述的方法，其中，燃料电池系统用于给车辆提供动力。方案11. 一种防止氢存储系统中的一个或多个压力容器的压力下降低于最小许可压力的方法，所述方法包括
操作氢存储系统以将氢气提供给燃料电池系统； 限定压力读数增量值；
监测位于压力调节器下游的压力传感器处的氢气压力； 识别压力传感器的先前压力读数的波动范围； 确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围；以及关闭位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀，以防止容器压力下降低于最小许可压力。方案12.根据方案11所述的方法，其中，识别先前压力读数的波动范围包括针对压力传感器的先前压力读数计算滚动压力中值。方案13.根据方案12所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比滚动压力中值低压力读数增量值以上。方案14.根据方案11所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比压力传感器的前一压力读数低压力读数增量值的两倍以上。方案15. —种具有最小压力截止性能的气体存储系统，所述气体存储系统将气体提供给下游装置，所述气体存储系统包括
用于存储气体的一个或多个压力容器； 位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀； 压力调节器，用于将来自于压力容器的气体压力减少为调节压力； 位于压力调节器下游的压力传感器；和
控制器，所述控制器与压力传感器、容器截止阀和压力调节器通信，所述控制器配置成从压力传感器接收信号且响应于确定压力调节器已经达到完全开启位置而关闭容器截止阀，以防止压力容器中的气体压力下降低于最小许可压力。方案16.根据方案15所述的气体存储系统，其中，控制器配置成通过以下步骤来确定压力调节器已经达到完全开启位置确定压力读数增量值；计算先前时间窗的滚动压力中值；以及检测压力传感器的压力读数比滚动压力中值低压力读数增量值以上。方案17.根据方案15所述的气体存储系统，其中，控制器配置成通过以下步骤来确定压力调节器已经达到完全开启位置确定压力读数增量值；以及检测压力传感器的压力读数比前一压力读数低压力读数增量值两倍以上。方案18.根据方案15所述的气体存储系统，其中，控制器配置成在确定压力调节器已经达到完全开启位置之后和在关闭容器截止阀之前包括时间延迟。方案19.根据方案15所述的气体存储系统，其中，所述气体是氢。方案20.根据方案15所述的气体存储系统，其中，下游装置是用于给车辆提供动力的燃料电池系统。本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
图1是燃料电池的氢存储系统的示意图2是在图1的氢存储系统中用于氢气存储的压力容器的截面图； 图3是图1的氢存储系统中的三个压力传感器的气体压力的曲线图； 图4是在系统处理器中记录的来自于压力传感器的压力数据的曲线图；和图5是可以用于关闭氢存储系统以便防止容器压力下降低于最小许可压力的方法的流程图。
具体实施例方式涉及防止压力容器下降低于最小许可压力的方法和系统的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，所公开的方法和系统具体应用于燃料电池车辆的氢存储系统，但是还可应用于任何气体存储或气体处理系统。图1是用于燃料电池34的氢存储系统10的示意图。压力容器12以高压存储氢气。可以使用比氢存储系统10中所示三个更多或更少的压力容器12。压力传感器14测量装填管线16的压力，装填管线16用于从外部供应源(未示出)装填容器12。截止阀18刚好位于每个压力容器12的下游。措辞“上游”和“下游”在本发明中相对于氢气流动方向使用，其中，燃料电池；34在压力容器12的下游。压力传感器20测量截止阀18和压力调节器22之间的氢压力。压力调节器22用于将氢气压力从容器12的高压减少为接近燃料电池34所需的较低压力。压力传感器M测量调节器22下游和截止阀沈上游的氢压力。截止阀沈可以关闭，以将氢存储系统10与燃料电池34完全隔离。第二压力调节器观用于将氢气压力减少为燃料电池34所需的低压，可以是大约6 bar。燃料供应管线30将氢存储系统10连接到燃料电池34。控制器32与阀18、传感器14、20和M、调节器22和28、阀沈和燃料电池34 通信，且可以用于监测氢存储系统10和燃料电池34中的条件，并在需要时控制氢存储系统 10的关闭以防止容器12中的氢气压力下降过低。为了简单起见，省去燃料电池34的细节， 如各种过滤器、止回阀、卸压阀和氢存储系统10的其它部件。容纳在压力容器12中的氢气压力可以高达700 bar或甚至更高。因而，高范围压力变换器或传感器(通常具有大约900 bar的范围)必须用于至少压力传感器14和20。相同类型的传感器还可以用于压力传感器M。高范围传感器固有地具有在压力读数周围的高公差带，在其范围内可以显著地影响读数的准确性。典型压力变换器或压力传感器(例如， 测量容器12中的氢气压力的压力传感器14)包括膜和可能多个电子部件，所述电子部件配置成使得产生与膜经受的压力差成比例的输出电压信号。传感器14的部件中的每个具有基本公差，可以表示为正或负压力方差。此外，每个部件还经受长期漂移，这进一步影响传感器14的准确性。当部件的所有公差相加时，典型高范围压力变换器或传感器(例如，压力传感器14)可能具有+/-35 bar或更高的压力读数公差。图2是来自于氢存储系统10的压力容器12中的一个的截面图。容器12包括通常由碳纤维复合材料制成以提供结构整体性的外部结构层40和通常由耐用模制塑料(例如， 高密度聚乙烯)制成的内部衬垫42。内部容积44容纳氢气。衬垫42提供氢气污染物不可渗透表面，外层40为压缩氢气的高压提供结构整体性。容器12包括开口中的适配器(未示出)，所述开口延伸通过外部结构层40和内部衬垫42，且提供至内部容积44的通路，用于以本领域技术人员熟知的方式装填容器12和从容器12去除气体。上述压力容器12的设计已经证实为可靠和成本有效的。然而，经验表明，如果容器12用氢气初始加压，那么气体压力随后被允许下降至非常低的值，在快速再次加压之后，可能发生内部衬垫42从外部结构层40剥离。为了防止该剥离，氢存储系统10必须设计成防止内部容积44中的氢气压力下降低于最小许可压力值，在常用容器设计中通常大约 20 I^ar。上述压力传感器14的压力读数上的高公差带使之难以准确地确定容器12中实际上剩余多少氢。当压力接近最小许可压力时，由于氢存储系统10可能需要过早关闭以保护容器12，因而这会引起问题。例如，容器12可具有20 bar的最小许可压力。如果压力传感器14具有+/-35 bar的公差，那么在压力传感器14读取55 bar (20 bar实际压力加35 bar公差)时，可能达到20 bar的最小许可压力。因而，在传感器14读数周围的+/-35 bar的公差的情况下，氢存储系统10将必须设计成在传感器14的压力读数达到55 bar时关闭，以便保护容器12。然而，由于传感器14压力读数的不确定性，在这种情况下容器12 中剩余的实际压力可能高达90 bar (55 bar读数加35 bar公差)。所有这些的结果是，氢存储系统10和燃料电池34必须设计成在大多数情况下在容器12中仍剩余显著可用量的氢时关闭。除了传感器14的高公差带压力读数之外，还可以监测氢存储系统10中的其它数据，以确定容器12压力何时接近最小许可压力。具体地，压力调节器22下游的传感器M 的压力可以被监测以检测压力下降，这表示调节器22完全开启。在氢存储系统10的典型当前设计中，调节器22具有的调节压力稍微高于容器12的最小许可压力。这意味着，如果调节器22完全开启且调节器22下游的压力下降低于调节压力，那么容器12中的压力非常接近最小许可压力且氢存储系统10必须很快关闭。图3是示出了在氢存储系统10中的压力下降且压力调节器22完全开启时压力传感器14、20和M的压力读数的曲线图100。水平轴102表示时间，而竖直轴104表示压力。 曲线106是刚好在调节器22上游的传感器20的压力。曲线108是刚好在调节器22下游的传感器M的压力。曲线110是容器12上游的传感器14的压力。在曲线106、108和110 的左端，可以看出传感器14和20的压力下降，而传感器M的压力保持稳定在调节器22的调节压力。在曲线的中点附近，由时间标记112表示的时间处，由曲线106示出的传感器20 的压力达到调节压力值。从该时间向上，调节器22完全开启，且传感器20和M的压力基本相同。同时，由于由各种止回阀、管道和其它部件引起的氢存储系统10中的压力下降，传感器14的压力稍微更高。由压力标记114表示的调节压力值在典型实施方式中是大约四bar。容器12中的最小许可压力由线116示出。如上所述，由压力标记118表示的最小许可压力通常是大约20 bar。调节器22的调节压力上的公差带由线120和122示出。通过曲线图100的曲线关系可以看出，压力调节器22的完全开启可以用作容器12压力趋近最小许可压力的指示，且氢存储系统10需要很快关闭以防止进一步的压力下降。调节器22的调节压力上的机械公差带比传感器14、20和M的组合机械和电公差紧很多，尤其是在考虑控制器32的模拟-数字转换公差时。因而，可以基于调节器22的调节压力设计系统关闭方案，调节器 22基本上没有传感器14、20和M的压力读数的大公差。为了使用调节器22的完全开启作为关闭氢存储系统10以防止下降低于最小许可压力的触发，必须理解传感器M的压力读数的内在行为。图4是示出了由控制器32存储的传感器M的压力信号的曲线图130。如图3的曲线图100那样，水平轴132表示时间，而竖直轴134表示压力。压力迹线136是由控制器32存储的传感器M压力读数。因而，曲线图130基本上是曲线图100上的曲线108的极大地放大型式。在曲线图130上，压力迹线136示出了围绕由压力标记138表示的中值的波动。该波动是控制器32存储的压力读数的内在特征，且该事实可以用作本发明控制方案的基础。控制器32必须监测来自于多个不同装置的数据；执行许多实时计算且同时运行多个控制算法。因而，明智地分配存储器空间和计算能力是重要的。在典型实施方式中，来自于传感器14、20和M的压力读数存储在仅8位大小的寄存器中。这意味着例如传感器24的900 bar范围必须在28(数量2的8次方)或256个增量之间分割。900 bar除以256 个增量等于3.5156 bar/增量，这是控制器32的压力读数分辨率。在该讨论中为了简短这将四舍五入为3. 5 bar/增量。回到曲线图130上的压力迹线136，压力中值上方和下方的波动表示该现象。即，压力标记140比压力标记138高3. 5 bar，压力标记142比压力标记 138低3. 5 bar。由于传感器M的公差，包括其机械公差、模拟-数字和数字-模拟转换公差、布线电阻公差等，由控制器32接收的模拟电压信号展现轻微变化，甚至在调节器22不完全开启且传感器M的压力基本恒定时也是如此。传感器M的信号电压的轻微变化通过控制器32的8位存储寄存器分辨率放大，从而得到由压力迹线136显示的实际性能。虽然压力迹线136显示的波动起初好像是令人讨厌的，但是波动的真正可预测性质可以用作控制方案的基础。随着氢存储系统10的数年实际使用，已经观察到压力迹线 136恒定地保持在压力中值的正或负3. 5 bar增量内，只要调节器22不完全开启即可。仅在调节器22达到完全开启位置时且传感器M的实际压力下降低于调节压力时，压力迹线 136才下降低于由压力标记142所示的压力。在曲线图130上，在由时间标记144表示的时间，调节器22达到完全开启位置且传感器M的压力开始下降。在该时间之后，可以看出压力迹线136下降附加的3. 5bar增量，降至由压力标记146表示的压力。若干时间步长之后，在一些附加波动后，压力迹线136下降至更低的值。该性能已经在氢存储系统10的实际实施方式中持续地观察到且是调节器22完全开启和传感器M的压力下降的可靠指示。曲线图130上的线148表示容器12的最小许可压力，通常是大约20 bar。值得注意的是，最小许可压力充分低于压力中值，从而压力迹线136可以下降至低于中值的至少一个3. 5bar增量，而不穿过最小许可压力以下。同样，在曲线图100上显示，当传感器20 和M处的压力读数达到调节器22的调节压力时，传感器14的压力仍稍微较高。因而，容器12的压力降不下降低于最小许可压力，甚至在传感器20和M的压力下降稍微低于最小许可压力时也是如此。基于上述现象来实施控制方案于是变得直截了当。图5是可以用于关闭氢存储系统10以便防止容器12压力下降低于最小许可压力的方法的流程图160。在框162，基于传感器M的范围和控制器32中的数据寄存器的分辨率来限定压力增量值。如上述示例所述， 900 bar压力范围和8位数据寄存器得到控制器32中3. 5 bar的压力增量。因而，对于传感器M和控制器32的任何实施方式，将已知压力增量值。在框164，控制器32监测传感器M的压力且识别压力变化的波动范围。在框166，控制器32计算某时间窗的滚动压力中值。在一个示例中，时间窗是经过60秒；然而，可以适当地限定更长或更短窗。滚动压力中值可以通过简单地选择最近记录的三个不同压力读数的中(中间)值来计算，如前文所述和曲线图130所示。还可以使用计算滚动压力中值的其它方法。在建立滚动压力中值且已知压力增量值的情况下，在框168，控制器32可以检测低于正常波动范围的传感器M压力读数。框168的检测动作能够以两种方式中的一种完成。第一，控制器32可以将每个新压力读数与先前读数进行比较以确定值是否下降超过两个压力增量。在正常稳态压力条件下，下降两个增量是可能的，如曲线图130所示。但是下降超过两个增量表示传感器M的压力实际上下降低于调节器22的调节压力。第二，控制器32可以将每个新压力读数与滚动压力中值进行比较。如果检测到低于滚动压力中值超过一个增量的压力读数，那么传感器M的压力实际上下降低于调节器22的调节压力。用于检测低于正常波动范围的压力的两种技术还能够以能够适应车辆操作期间波动范围的轻微向上或向下漂移的方式组合，而不必关闭氢存储系统10。在框168检测到正常波动范围之外的压力的情况下，控制器32在框170命令关闭氢存储系统10。关闭可以通过关闭截止阀18最有效地完成，截止阀18刚好位于容器12的下游。通过关闭截止阀18，在燃料电池34停止发电之前，容纳在阀18下游的管道和部件中的氢气可以由燃料电池34消耗。此外，车辆蓄电池将具有燃料电池操作剩余的至少少量电荷。残余氢气和蓄电池中的残余电能将给驾驶员提供充分的驾驶时间来在完全停止之前将车辆驻车。框170的关闭序列过程还可以包括在关闭阀18之前的小时间延迟。这基于以下事实已知容器12中的压力(由传感器14的读数表示)高于调节器22的压力，由于两者之间的压力下降。该事实可以用于允许驾驶员在被通知燃料电池34即将关闭后有少量附加时间来将车辆驻车，同时仍防止容器12下降低于最小许可压力。该时间延迟量可以基于传感器14和20之间的已知压力下降、容器12以及管线和配件的容量、以及氢气消耗的速率来确定。要强调的是，上述特定值，包括传感器M的900 bar范围、20 bar最小许可压力和 8位存储寄存器大小，均仅仅是示例。对于这些值中的任何一个可以使用较高或较低值，但是检测和控制方案的操作原理将保持不变。在实际实施方式中，在必须执行上述系统关闭过程之前很久，低燃料报警将发送给车辆驾驶员。低燃料报警将由传感器14的压力读数穿过一定阈值以下(例如80 bar)触发，且大多数驾驶员将在之后很快给其车辆再装填燃料。因而，所实施的系统关闭过程将预期很少必须在实际驾驶情况下执行。然而，如本文所公开的，基于传感器M的压力下降实施的系统关闭可以提供容器12可靠性的保护的额外度量。为此，还避免在容器12中剩余大量可用燃料时关闭氢存储系统10，因而允许在燃料再装填停车之间车辆的最大可能驾驶里程。前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种防止气体存储系统中的一个或多个压力容器的压力下降低于最小许可压力的方法，所述方法包括操作气体存储系统以将气体提供给下游装置； 限定压力读数增量值；监测位于压力调节器下游的压力传感器处的气体压力； 识别压力传感器的先前压力读数的波动范围； 确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围；以及关闭位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀，以防止容器压力下降低于最小许可压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，限定压力读数增量值包括将压力传感器范围除以压力读数的可能值的数量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，识别先前压力读数的波动范围包括针对压力传感器的先前压力读数计算滚动压力中值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比滚动压力中值低压力读数增量值以上。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，针对压力传感器的先前压力读数计算滚动压力中值包括针对30秒和5分钟之间的先前时间窗计算滚动压力中值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围包括确定压力传感器的当前压力读数比压力传感器的前一压力读数低压力读数增量值的两倍以上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，关闭容器截止阀包括在关闭容器截止阀之前提供时间延迟。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体是氢。
9.一种防止氢存储系统中的一个或多个压力容器的压力下降低于最小许可压力的方法，所述方法包括操作氢存储系统以将氢气提供给燃料电池系统； 限定压力读数增量值；监测位于压力调节器下游的压力传感器处的氢气压力； 识别压力传感器的先前压力读数的波动范围； 确定压力传感器的当前压力读数低于先前压力读数的波动范围；以及关闭位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀，以防止容器压力下降低于最小许可压力。
10.一种具有最小压力截止性能的气体存储系统，所述气体存储系统将气体提供给下游装置，所述气体存储系统包括用于存储气体的一个或多个压力容器； 位于所述一个或多个压力容器中的每个下游的容器截止阀； 压力调节器，用于将来自于压力容器的气体压力减少为调节压力； 位于压力调节器下游的压力传感器；和控制器，所述控制器与压力传感器、容器截止阀和压力调节器通信，所述控制器配置成从压力传感器接收信号且响应于确定压力调节器已经达到完全开启位置而关闭容器截止阀，以防止压力容器中的气体压力下降低于最小许可压力。
全文摘要
一种防止压力容器中的气体压力下降低于最小许可压力的方法和系统。压力调节器下游的压力传感器的压力读数由处理器监测，因为它们在正常调节压力条件下在稳定波动带内变化。当压力调节器在低容器压力条件下达到完全开启位置时，处理器检测到压力读数下降至低于最近波动带的值，且识别压力下降低于调节压力值。所述处理器可以使用该信息来切断来自于容器的气体流，从而防止容器下降低于其最小许可压力，而与传感器的压力读数的实际幅值无关，其由于公差可能在宽范围内变化。
文档编号F17C13/00GK102401234SQ20111027092
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者策尔纳 B., 赫罗巴施 H., 霍布迈尔 R. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司