专利名称：用于低频离散输出的阳极喷射器控制算法的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的系统和方法，并且更具体地涉及一种用于通过使用离散输出控制燃料电池系统内的喷射器以使得可以精确控制喷射器占空比的系统和方法。
背景技术：
氢气因为其清洁并且能够被用于在燃料电池内高效发电而成为一种很有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极并在其间具有电解质的电化学装置。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极催化剂中离解以生成自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极催化剂中与氧气和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被引导流过负载以做功，然后再送往阴极。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池。PEMFC主要包括固相聚合物电解质质子传导膜例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常但并不总是包括被细磨的催化剂颗粒，一般是高活性催化剂例如通常是碳颗粒上承载并且与离子交联聚合物相混合的钼(Pt)。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要一定的条件才能有效工作。在燃料电池堆内通常将几块燃料电池加以组合以生成所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可以具有200块或更多块堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强行压入堆内并通过的空气流。电池堆并不消耗所有的氧气，且部分空气被输出作为阴极排气，其中可以包含作为电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气输入气体。燃料电池堆包括位于电池堆内几个MEA之间的一连串双极板，其中双极板和MEA位于两块端板之间。双极板包括用于电池堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流场设置在双极板的阳极侧以允许阳极反应气体流至相应的MEA。阴极气体流场设置在双极板的阴极侧以允许阴极反应气体流至相应的MEA。一块端板包括阳极气体流道，而另一块端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电的复合材料制成。端板将由燃料电池生成的电力导出电池堆。双极板还包括流过冷却流体的流道。燃料电池堆内的膜需要有足够的含水量以使跨越膜的离子电阻足够低从而有效地传导质子。膜增湿可以源于电池堆的副产物水或外部加湿。流过电池堆中流道的反应物对电池膜具有干燥作用，这在反应物流的入口处最为明显。但是，在流道内累积的水滴可能会阻止反应物从中流过，并且可能因为反应气体的低流速而造成电池故障，由此影响电池堆的稳定性。反应气体流道内以及气体扩散层(GDL)中累积的水在电池堆的低输出负载下特别各易造成故障。在一种已知类型的燃料电池系统中，氢气燃料由喷射器注入燃料电池堆的阳极侦U。通过调节喷射器流量匹配消耗的氢气来控制喷射器以保持阳极子系统内的期望压力。通常这是用脉宽调制(PWM)控制信号实现的，在其中定义占空比和频率并由控制器中的固件生成用于期望脉冲的控制信号。但是，依赖的PWM固件具有一些缺点。例如，在上升瞬态期间希望不必等待压力反馈就立刻喷射氢气以避免电池缺氢。某些PWM固件要求在上一命令之后必须经历一定时间才能生成下一个脉冲。而且，PWM控制信号在需要缩短脉冲时例如在燃料电池堆电流输出的下降瞬态期间却不能做到这一点。因此，在本领域内对于更加精确地控制燃料电池系统中喷射器的占空比存在需求，其中控制机构能够在低时间分辨率内提供离散输出。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的系统和方法。所述方法提供用于至少一个预定占空比的多种喷射器脉宽并且针对所述多种喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间。所述方法还根据所提供的每一种喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的误差并且使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。本发明的附加特征将根据以下结合附图的说明内容和所附权利要求而变得显而易见。本发明还提供了如下方案:
方案1.一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的方法，所述方法包括:
设定用于至少一个预定占空比的喷射器脉宽；
根据喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间；
改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽；
根据改变的喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间；
重复改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽的步骤以使得将多个喷射器脉宽用于所述至少一个预定占空比；
每一次改变喷射器脉宽时都重复确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间的步骤，以使得针对用于所述至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间；
针对所使用的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比的误差；并且 使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。方案2.如方案I所述的方法，其特征在于，所述至少一个预定占空比是几个不同的占空比。方案3.如方案I所述的方法，其特征在于，利用所述至少一个占空比控制喷射器包括用离散输出直接控制喷射器。方案4.如方案3所述的方法,其特征在于,所述离散输出是布尔输出。方案5.如方案3所述的方法，其特征在于，直接控制喷射器包括在满足预定条件时缩短占空比的至少一个周期。方案6.如方案5所述的方法，其特征在于，预定条件包括燃料电池系统内燃料电池堆功率输出中的下降瞬态。方案7.—种用于控制燃料电池系统内的喷射器的方法,所述方法包括:
提供用于至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽； 针对所述多个喷射器脉宽中的每一个确定喷射器关闭时间；
根据所提供的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比的误差；并且 使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。方案8.如方案7所述的方法，其特征在于，利用所述至少一个预定占空比控制喷射器包括用离散输出直接控制喷射器。方案9.如方案8所述的方法,其特征在于,所述离散输出是布尔输出。方案10.如方案8所述的方法，其特征在于，直接控制喷射器包括在满足预定条件时缩短所述至少一个预定占空比。方案11.如方案10所述的方法，其中所述预定条件包括燃料电池系统内燃料电池堆功率输出中的下降瞬态。方案12.如方案8所述的方法，其特征在于，直接控制喷射器包括不等待来自压力传感器的压力反馈就喷射氢气。方案13.如方案7所述的方法，其特征在于，每一个脉宽的时长都至少为2At。方案14.一种用于将流体喷入燃料电池系统内的喷射系统，所述喷射系统包括: 用于提供用于至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽的装置；
用于针对所述多个喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间的装置；
用于根据所提供的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比中每一个的误差的装置；以及
用于使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽的装置。方案15.如方案14所述的喷射系统，其特征在于，所述至少一个预定占空比是几个不同的占空比。方案16.如方案14所述的喷射系统，进一步包括用于以离散输出直接控制喷射器的装置。方案17.如方案16所述的喷射系统,其特征在于,所述离散输出是布尔输出。方案18.如方案14所述的喷射系统，进一步包括用于在满足预定条件时缩短占空比的至少一个预定周期的装置。方案19.如方案18所述的喷射系统，其特征在于，所述预定条件包括燃料电池系统的燃料电池堆的功率输出中的下降瞬态。方案20.如方案14所述的喷射系统，其特征在于，所述喷射器脉宽的时长至少为2At。
图1是燃料电池系统的简化示意性框 图2是水平轴表示占空比且垂直轴表示占空比的百分比误差的曲线 图3是水平轴表示占空比且垂直轴表示占空比的百分比误差的曲线图；以及 图4是水平轴表示占空比且垂直轴表示频率的曲线图。
具体实施例方式以下对本发明涉及用于控制燃料电池系统内喷射器的系统和方法实施例的讨论内容在本质上仅仅是示范性的，而并不是为了以任何方式限制本发明及其应用或用途。图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的简化示意性框图。燃料电池系统10还包括通过阴极输入管线16向燃料电池堆12的阴极侧提供空气的压缩机14，其中阴极排气通过阴极排气管线18从电池堆12输出。燃料电池系统10进一步包括通常是高压罐的氢气源20以向喷射器22提供氢气，喷射器22通过阳极输入管线24向燃料电池堆12的阳极侧喷射受控数量的氢气。尽管并未明确示出，但是本领域技术人员应该理解各种压力调节器、控制阀、截止阀等均可被设置用于将高压气体从源20提供到适合于喷射器22的压力。喷射器22可以是适合用于本文中所述用途的任何喷射器。在转让给本申请受让人且通过引用并入本文的标题为 “Combination of Injector-Ejector for Fuel Cell Systems”的美国专利US7320840中介绍了喷射器/引射器的一个合适的示例。阳极废气通过阳极输出管线26从燃料电池堆12的阳极侧输出，提供给泄放阀28。正如本领域技术人员所理解的那样，从燃料电池堆12阴极侧穿过来的氮气会稀释电池堆12阳极侧的氢气，由此影响燃料电池堆的性能。因此，必须从电池堆12的阳极侧定期排出阳极废气以减少电池堆12中的氮气量。当系统10以正常的非泄放模式工作时，阀28处于将阳极废气送至再循环管线30的位置，再循环管线30将阳极气体再循环至喷射器22以将其用作引射器并将再循环的氢气送回到电池堆12的阳极输入端。阳极输入管线24、电池堆12的阳极侧、阳极输出管线26和阳极再循环管线30是“阳极子系统”中的全部部件。在命令泄放以减少电池堆12阳极侧的氮气时，阀28被命令将阳极废气引导至旁路管线32，旁路管线将阳极废气与管线18上的阴极排气组合，在此氢气被稀释并且适合用于该环境。可选地，阀28可以将阳极废气引导至旁路管线32以将阳极废气与管线16上的阴极进气组合，不过为了清楚起见并未示出这样的实施例。压力传感器34测量阳极输出管线26内的压力，但是该传感器可以位于阳极子系统内的任意位置以提供阳极侧的压力测量值。系统10包括处理器38以执行和控制本文中所述的各种操作以及如下文中更加详细介绍的用于精确控制喷射器22的方法。尽管系统10是阳极再循环系统，但是本领域技术人员应该很容易理解本发明也可以在其他类型的燃料电池系统包括阳极流量转移系统中获得应用。在一种设计用于燃料电池系统的已知流体喷射中，系统10根据阳极子系统内的压力确定用于特定的指令电池堆电流密度所必需的流体例如氢气的量。例如，在转让给本申请受让人且通过引用并入本文的申请号为12/636，276、标题为“Injector FlowMeasurement for Fuel Cell Applications”的美国专利申请中，系统监测阳极子系统内的压力，并且系统针对期望的电池堆负载根据压力下降至用于该负载的预定压力以下而设定喷射器的接通时间并且根据压力升高至用于该负载的期望压力以上而设定喷射器的关闭时间。在先前的燃料电池系统中，期望的喷射器接通和关闭时间被转化为用于喷射器的PWM指令信号，其占空比具有特定的脉宽和占空比。除了使用PWM指令信号以外，还提出了离散输出以使尚散输出驱动喷射器22,其中尚散输出的状态也就是接通或关闭由处理器38中的控制软件确定，其中控制软件以预定的速度操作。例如，控制软件可以以3.125ms (At)的预定速度操作。如下文中更加详细介绍的，利用离散输出来控制喷射器22的方法是一种连续运行的算法，以使得在需要致动喷射器22时算法是运行的。阳极子系统在处理器38的控制软件中被建模为连续流系统。由于该事实，通过每一个喷射器脉冲引入的氢气量不如每一个脉冲的流的平均时间重要。换句话说，占空比的精度比脉宽的持续时间更为重要。但是，该规则有一种例外情况，也就是脉宽必须一直大于某种预定的最小脉宽以确保燃料电池系统10的稳定性。在利用离散输出驱动喷射器22时必须考虑的另一种限制是，出于耐久性的原因考虑，存在喷射器22在预定时间内可以使用的最大频率。例如，喷射器22仅可用于每隔
0.0625秒才喷射。换一种方式说就是:
权利要求
1.一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的方法，所述方法包括: 设定用于至少一个预定占空比的喷射器脉宽； 根据喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间； 改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽； 根据改变的喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间； 重复改变用于所述至少一个预定占空比的喷射器脉宽的步骤以使得将多个喷射器脉宽用于所述至少一个预定占空比； 每一次改变喷射器脉宽时都重复确定所述至少一个预定占空比的喷射器关闭时间的步骤，以使得针对用于所述至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间； 针对所使用的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比的误差；并且 使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个预定占空比是几个不同的占空比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述至少一个占空比控制喷射器包括用离散输出直接控制喷射器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述离散输出是布尔输出。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，直接控制喷射器包括在满足预定条件时缩短占空比的至少一个周期。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，预定条件包括燃料电池系统内燃料电池堆功率输出中的下降瞬态。
7.一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的方法，所述方法包括: 提供用于至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽； 针对所述多个喷射器脉宽中的每一个确定喷射器关闭时间； 根据所提供的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比的误差；并且 使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，利用所述至少一个预定占空比控制喷射器包括用离散输出直接控制喷射器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述离散输出是布尔输出。
10.一种用于将流体喷入燃料电池系统内的喷射系统，所述喷射系统包括: 用于提供用于至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽的装置； 用于针对所述多个喷射器脉宽中的每一种确定喷射器关闭时间的装置； 用于根据所提供的喷射器脉宽中的每一个确定所述至少一个预定占空比中每一个的误差的装置；以及 用于使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽的装置。
全文摘要
本发明涉及用于低频离散输出的阳极喷射器控制算法。一种用于控制燃料电池系统内的喷射器的系统和方法。所述方法提供用于至少一个预定占空比的多个喷射器脉宽并且针对所述多个喷射器脉宽中的每一个确定喷射器关闭时间。所述方法还根据提供的每一个喷射器脉宽确定所述至少一个预定占空比的误差并且使用具有所述至少一个预定占空比的最小误差的喷射器脉宽。
文档编号G05B13/04GK103165925SQ20121052162
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月7日 优先权日2011年12月8日
发明者D.C.迪菲奥尔, M.A.朗 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司