专利名称：用于对重整器的总空气燃料比进行调节/控制的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对重整器的总空气燃料比进行调节/控制的方法，换言之，本发明涉及一种对重整器的总的拉姆达值进行闭/开环控制的方法，该重整器包括至少一个燃烧区域和连接到该燃烧区域的蒸发区域。
本发明还涉及一种具有重整器和控制器的系统，该重整器包括至少一个燃烧区域和连接到该燃烧区域的蒸发区域，该控制器用于对总的拉姆达值进行闭/开环控制。
背景技术：
在燃料电池系统中，特别是在SOFC燃料电池系统中，常常以这样的方式使用重整器所述重整器由供应的氧化剂(特别是空气)以及燃料富氢
气体混合物(重整产品)构成。例如，这种重整器可以包括燃烧区域(氧化区域)和连接到该燃烧区域的蒸发区域(混合物形成区域)。该燃烧区域通常接收供应的空气和燃料，从而使得该燃料和空气的气体混合物发生放热反应，而在蒸发区域中，进一步注入燃料以支持气体混合物的蒸发。此外，这种重整器通常包括催化剂区域(重整区域)，该催化剂区域至少通过蒸发区域连接到燃烧区域，在蒸发区域中气体混合物发生吸热反应。更具体而言，燃烧区域从燃料泵接收燃料供应并且从鼓风机接收燃烧用空气，该燃烧区域还能够通过其它燃料泵接收燃料供应。主要对这两个泵和所述鼓风机进行开环控制，使得在重整器的重整操作中维持总的拉姆达值在
0. 385到0. 465的范围之间并且操作温度在85(TC到900。C之间。在前述的总的拉姆达值范围之外的重整操作可以导致系统产生烟灰，例如当拉姆达值太小时，气体浓度太低或者部件温度太高。这可能导致效率大大地下降，同样地还导致燃料电池系统的效率的下降。除此以外，多种情况可能导致部件使用寿命的缩短并因此导致燃料电池系统整体的使用寿命的縮短。这就是在重整器的操作过程中通常基于操作模式(启动、正常操作等)而对总的拉姆达值进行适当闭环控制的原因。在现有技术中，总的拉姆达值的闭环控制是由宽带拉姆达传感器完成的，以允许通过已经感测到的重整器内现有的总的拉姆达值来执行合适的闭环控制。遗憾的是，使用这种宽带拉姆达传感器对于重整器的总的拉姆达值的闭环控制而言是一种非常昂贵的解决方案。
发明内容
因此，本发明的目标是提供用于重整器的总的拉姆达值的闭/开环控制的完善通用的方法和系统，使得与现有技术相比能够以高成本效益的方式实施本发明。
根据本发明的方法比一般现有技术完善之处在于为了对总的拉姆达值进行闭/开环控制，提供了对燃烧区域的拉姆达值的闭环控制以及提供
了对供应给蒸发区域的燃料功率(fuel performance)的开环控制，尽管还有可能提供馈送燃料功率的闭环控制来代替开环控制。可以根据下面的公式来实施重整器的总的拉姆达值的闭/开环控制(监测总的拉姆达值)，该重整器的总的拉姆达值的闭/开环控制基于仅燃烧区域的拉姆达值的闭环控制和基于燃料功率的开环控制(导航控制)
义Ref 二 1 二尸oxi [ 二 Pvap以及 p =p— p勺oxi D，P D 厂v叩 厂reff oxi
乂Ref /tp 尸ref 尸oxi
在上面的公式中，；^f是重整器的总的拉姆达值，义=是重整器的燃烧区域
的拉姆达值，Kp是由分配给蒸发区域的燃料泵提供的燃料功率p，与由分配
给燃烧室的燃料泵提供的燃料功率尸。，的比值，以及是重整器的总的燃料功率。通过根据上述公式对燃烧区域的拉姆达值进行闭环控制，例如，通过感测燃烧区域中现有的拉姆达值以及前面定义的两个燃料功率之间的比值，可以获得重整器的总的拉姆达值。然而，现在无需感测重整器的总的拉姆达值就可实现目的，因此消除了对宽带拉姆达传感器的需要。相应地，根据本发明的方法使得闭/开环控制的节约成本的手段变得可行，该方法特别在汽车sofc应用中具有优选的节约成本的效果。
可以进一步完善根据本发明的方法以使其优点突出通过感测燃烧区域的拉姆达值并且对燃烧区域的燃烧用空气供应进行设置来完成燃烧区域的拉姆达值的闭环控制。优选地，利用简单的传感器(例如拉姆达传感器)来感测燃烧区域的现有的(感测的)拉姆达值。
此外，可以将根据本发明的方法配置为由分配给燃烧区域的燃烧空气鼓风机来执行燃烧用空气的馈送。在该布置中，所述燃烧空气鼓风机直接地将空气吹入到燃烧区域中，然后这些空气进入到蒸发区域。
另外，可以将根据本发明的方法实现为燃烧区域的拉姆达值的闭环控制由PID控制器来执行。在该布置中，将PID控制器(PID传递元件)作为对燃烧区域的拉姆达值进行闭环控制的装置，其通过激活/设置所述燃烧空气鼓风机来实现闭环控制。
同样有利的是改善根据本发明的方法，使得供应给燃烧区域和蒸发区域的燃料功率分别地由分配给燃烧区域和蒸发区域的燃料泵来输送。在该布置中，例如，可以具体通过激活燃料泵并且激活馈送燃料流来确定供应
给燃烧区域和蒸发区域的燃料功率。例如，可以通过确定燃料的热值Hu (Hi)
来确定燃料功率，从而通过使用特定的热值来得到泵的激活与所需的燃料功率之间的关联性。
关于这一点，可以将根据本发明的方法实现为基于多个特性，分别对分配给燃烧区域的燃料泵和分配给蒸发区域的燃料泵进行开环控制。这些特性例如包括与激活的性质和由该激活供应的馈送燃料流的性质有关的信息。在该布置中，可以通过基于特性的传递元件来执行将激活转化为所需的燃料功率，该特性可以从现有的感测结果中获得或者依靠经验获得，现有的感测结果和经验例如是由有关的泵制造厂商提供的。
可以进一步地改善根据本发明的方法，使得由计算器对用于燃烧区域的拉姆达值的闭环控制的指令变量以及用于每个燃料功率供应的开环控制的对应参考变量进行限定，该计算器从IT的角度来看可以是设定点
(setpoint)或者指令/参考变量生成器。
关于这一点，有利的是实现根据本发明的方法，使得所述计算器至少基于与重整器和/或燃料电池系统的操作条件相关的感测数据来计算指令变量和每个参考变量。例如，感测的数据可以源于与重整器的操作有关的、燃料电池系统的各种部件，尽管有可能该感测的数据涵盖了在重整器中感测的、影响重整器操作条件的其它量。此外，可以应用根据本发明的方法，使得基于供应给燃烧区域与供应 给蒸发区域的燃料功率的比值并基于燃烧区域的拉姆达值，所述计算器可 以推断出总的拉姆达值，并且所述计算器可以基于所感测的数据和/或总的 拉姆达值来限定指令变量和参考变量。
根据本发明的系统比一般现有技术完善之处在于通过对燃烧区域的 拉姆达值进行闭环控制以及分别对供应给燃烧区域和蒸发区域的燃料功率 进行开环控制，控制器适于对总的拉姆达值进行闭/开环控制。这使得本发 明的系统的属性和优点与结合根据本发明的方法所介绍的属性和优点相同 或相似，因此，在这方面请参考对根据本发明的方法进行的评论，以避免 冗长的重复。
这同样适用于根据本发明的系统的优选实施例，因此在这方面请再次 参考对根据本发明的方法进行的评论，以避免冗长的重复。
可以完善根据本发明的系统以使其优点突出所述控制器适于通过获 取燃烧区域的现有的拉姆达值以及通过对燃烧区域的燃烧用空气的供应进 行设置来提供燃烧区域的拉姆达值的闭环控制。
此外，可以设计根据本发明的系统，使得所述控制器适于利用分配给 燃烧区域的燃烧空气鼓风机来提供燃烧用空气的馈送。
另外，可以将根据本发明的系统实现为所述控制器包括适于对燃烧 区域的拉姆达值进行闭环控制的PID控制器。
有利的是，可以提供根据本发明的系统，使得所述控制器适于利用分 别分配给燃烧区域和蒸发区域的燃料泵来执行分别馈送给燃烧区域和蒸发 区域的燃料功率的供应。
关于这一点，有利的是所述控制器适于基于多个特性来分别对分配 给燃烧区域的燃料泵和分配给蒸发区域的燃料泵进行开环控制。
此外，可以实现根据本发明的系统，使得所述控制器包括计算器，所 述计算器适于对用于燃烧区域的拉姆达值的闭环控制的指令变量以及用于 燃料功率供应的开环控制的对应参考变量进行限定。
关于这一点，特别有利的是改善根据本发明的系统，使得所述计算器 适于至少基于所感测的数据来计算所述指令变量和每个参考变量。
此外，可以设计根据本发明的系统，使得基于供应给燃烧区域的燃料功率与供应给蒸发区域的燃料功率的比值并基于燃烧区域的拉姆达值，所 述计算器可以推断出总的拉姆达值，并且所述计算器可以基于所感测的数 据和/或总的拉姆达值来限定指令变量和参考变量。
通过参考附图对特别优选的实施例进行描述，本发明将变得清楚，在 附图中-
图l是与根据本发明的系统相关联的重整器的图形表示；以及 图2是执行根据本发明的方法的方框图。
具体实施例方式
现在参考图1，图1示出了与根据本发明的系统相关联的重整器10的 图形表示。该系统可以包括并非直接相关因此而未示出的多个部件，例如 重整器10下游的燃料电池或者燃料电池堆、后燃室等。对于图1示出的情 况而言，重整器10包括燃烧区域12，所述燃烧区域12通过分配给燃烧区 域12的燃料泵20接收燃料(优选是柴油)的供应，所述燃烧区域12还通 过燃烧空气鼓风机18接收氧化剂(燃烧用空气)供应的。提供传感器30， 优选为拉姆达传感器，用于感测燃烧区域12的拉姆达值，并且该传感器30 至少一部分延伸到燃烧区域12中。此外，重整器10包括连接到燃烧区域 12的蒸发区域14，该蒸发区域14从燃烧区域12接收燃料和燃烧用空气的 混合物的供应。在该布置中，传感器30位于燃烧区域12和蒸发区域14之 间的过渡位置附近。因此，还可以提供传感器30，以便能够至少部分地调 整燃烧区域12的拉姆达值，或者还调整蒸发区域14中现有的拉姆达值。 蒸发区域14和/或至少部分燃烧区域12也可以通过分配给蒸发区域14的 其它燃料泵22接收燃料供应。此外，该重整器10还包括催化剂区域28， 该催化剂区域28直接连接到蒸发区域14并因此通过该蒸发区域14连接到 燃烧区域12。在该布置中，该催化剂区域28可以接收来自蒸发区域的混合 物供应，并且该催化剂区域28最终将重整器10中产生的重整产品排放到 燃料电池或者燃料电池堆(未示出)。此外，还提供控制器26来对重整器 10的总的拉姆达值进行闭/开环控制。为了激活燃料泵20、 22以及燃烧空气鼓风机18，该控制器26耦合到它们中的每一个。此外，控制器26耦合 到传感器30，该传感器30因此将感测到的关于燃烧区域12的拉姆达值的 数据提供给控制器26。关于这一点，控制器包括PID控制器16和计算器 24，该PID控制器16对燃烧区域12的拉姆达值进行闭环控制，该计算器 24对用于燃烧区域12的拉姆达值的闭环控制以及用于燃料泵20和22的开 环控制的指令变量和参考变量进行计算，现在将参考图2对其进行详细描 述。
现在参考图2，图2示出了控制器26执行根据本发明的方法的方框图。 根据本发明的方法首先使感测的数据32到达计算器24。利用这些到达的感 测数据32，例如，对重整器10的操作条件和/或属于燃料电池系统的其它 部件的操作条件进行映射。利用该数据，计算器24可以实施设定点计算， 该设定点计算涉及燃烧区域12的拉姆达值《$-^"的至少一个设定点值 (指令变量)、诸如来自分配给蒸发区域14的燃料泵22的燃料功率和分配
给燃烧区域12的燃料泵20的燃料功率的设定点比值P^1 =^_等参考变
p pSOLL xi
量、以及诸如重整器io的总燃料功率尸:"的设定点值等参考变量。将燃烧
区域12的拉姆达值《^-^"的指令变量通过信号通道34转发给计算器或 者减法器36，以形成燃烧区域12的拉姆达值;t:-^的指令变量与由反馈通 道38提供的拉姆达值;C-皿(参考值或感测值)之间的控制差。将该控制 差提供给PID控制器16，该PID控制器16是PID传递元件。根据该控制差， PID控制器16对燃烧空气鼓风机18进行设置，以使其将气流f :吹入重整
器10的燃烧区域12。另外，使用公式1 = &、 ^-Z^以及公式
1 + Ap尸ref 户加
尸，=凡-凡i并利用相应的变换和置换(由非直接相关的加法器、减法器、
乘法器和除法器执行)，将重整器io的总燃料功率的设定点值p:"和设定点比值《"各自转换为信号通道42中的燃烧区域12的设定点燃料功率 以及信号通道44中的蒸发区域14的设定点燃料功率。基于多个特性，
J vap
信号通道42和44中的传递元件40将燃烧区域12的设定点燃料功率p皿和
ox，
蒸发区域14的设定点燃料功率尸"各自转换为两个信号u，以激活分配给
燃烧区域12的燃料泵20和分配给蒸发区域14的燃料泵22。例如，通常， 通过使用燃料的热值来得到燃料泵20和22的激活与所需的燃料功率之间 的关联性。具体而言，激活信号u使得相应的燃料泵20和22泵送出一馈 送燃料流，通过引入热值，例如通过将所述馈送燃料流与相应的热值相乘， 可以得出供应的或者泵送的燃料功率。然后，基于这些激活信号u，每个燃 料泵20和22分别将实际的燃料功率尸=和尸:，输送到燃烧区域12和蒸 发区域14。通过前述的反馈通道38，利用传感器30反馈的现有的拉姆达 值义:^皿来对燃烧区域12的拉姆达值进行闭环控制，接着，基于减法器 36中的控制差，重复由PID控制器16执行的闭环控制。此外，基于下面的 公式并且通过参考每个燃料泵20和22的燃料功率并且通过感测燃烧区域 12的拉姆达值，信号通道34计算重整器10的总的拉姆达值
<formula>formula see original document page 11</formula>
基于该结果和/或提供的感测数据32，重新计算设定点值，则可以对所有的
总拉姆达值进行闭/开环控制。
应当理解，在上述说明书、附图以及权利要求书中公开的本发明的特 征对于实现本发明而言是必要的，可以通过这些特征本身或者对这些特征 进行任意组合来实现本发明。
附图标记列表
10 重整器12 燃烧区域
14 蒸发区域
16 PID控制器
18 燃烧空气鼓风机
20 燃料泵
22 燃料泵
24 计算器
26 控制器
28 催化剂区域
30 传感器
32 感测的数据
34 信号通道
36 减法器
38 反馈通道
40 传递元件
42 信号通道
44 信号通道
权利要求
1、一种用于对重整器(10)的总的拉姆达值进行闭/开环控制的方法，所述重整器(10)包括至少一个燃烧区域(12)和连接到所述燃烧区域(12)的蒸发区域(14)，其特征在于为了对所述总的拉姆达值进行闭/开环控制，提供了对所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制以及提供了对分别供应给所述燃烧区域(12)和所述蒸发区域(14)的燃料功率的开环控制。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过感测所述燃烧区域 (12)的所述拉姆达值并且对所述燃烧区域(12)的燃烧用空气供应进行调节来完成对所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于使用分配给所述燃烧区 域(12)的燃烧空气鼓风机(18)来执行所述燃烧用空气的馈送。
4、 根据权利要求l-3中的任何一项所述的方法，其特征在于由PID 控制器(26)执行所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制
5、 根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其特征在于在每一 情况下，分别由分配给所述燃烧区域(12)和所述蒸发区域(14)的燃料 泵(20、 22)来输送供应给所述燃烧区域(12)和所述蒸发区域(14)的 燃料功率。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于基于多个特性，分别对 分配给所述燃烧区域(12)的所述燃料泵(20)以及分配给所述蒸发区域(14)的所述燃料泵(22)进行开环控制。
7、 根据权利要求1到6中的任何一项所述的方法，其特征在于由计 算器(24)对用于所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制的指令变量以及用于每个燃料功率供应的开环控制的对应参考变量进行限定。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述计算器(24)至少 基于所感测的数据来计算所述指令变量和每个参考变量。
9、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于基于供应给所述燃烧区域(12)与供应给所述蒸发区域(14)的所述燃料功率的比值以及基于所 述燃烧区域(12)的所述拉姆达值，所述计算器(24)能够推断出所述总 的拉姆达值，并且所述计算器(24)能够基于所感测的数据和/或所述总的 拉姆达值来限定所述指令变量和所述参考变量。
10、 一种具有重整器(10)和控制器(26)的系统，所述重整器(10) 包括至少一个燃烧区域(12)和连接到所述燃烧区域(12)的蒸发区域(14)， 所述控制器(26)用于对所述重整器的总的拉姆达值进行闭/开环控制，其 特征在于所述控制器(26)适于通过所述燃烧区域(12)的所述拉姆达 值的闭环控制以及供应给所述燃烧区域(12)和所述蒸发区域(14)各自 的燃料功率的开环控制来对所述总的拉姆达值进行闭/开环控制。
11、 根据权利要求10所述的系统，其特征在于所述控制器(26)适 于通过获取所述燃烧区域(12)的现有的拉姆达值并通过对所述燃烧区域 12)的燃烧用空气的供应进行调节来提供所述燃烧区域(12)的所述拉 姆达值的闭环控制。
12、 根据权利要求ll所述的系统，其特征在于所述控制器(26)适 于利用分配给所述燃烧区域(12)的燃烧空气鼓风机(18)来提供所述燃 烧用空气的馈送。
13、 根据权利要求10到12中的任何一项所述的系统，其特征在于 所述控制器(26)包括PID控制器(16)，所述PID控制器(16)适于提供 所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制。
14、 根据权利要求10到13中的任何一项所述的系统，其特征在于 所述控制器(26)适于利用分别分配给所述燃烧区域(12)和所述蒸发区 域(14)的燃料泵(20， 22)来执行分别对所述燃烧区域(12)和所述蒸 发区域(14)的燃料功率的供应。
15、 根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述控制器(26)适 于基于多个特性来分别对分配给所述燃烧区域(12)的所述燃料泵(20) 和分配给所述蒸发区域(14)的所述燃料泵(22)进行开环控制。
16、 根据权利要求10到15中的任何一项所述的系统，其特征在于-所述控制器(26)包括计算器(24)，所述计算器(24)适于对用于所述燃 烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制的指令变量以及用于各自的燃料 功率的供应的开环控制的对应参考变量进行限定。
17、 根据权利要求16所述的系统，其特征在于所述计算器(24)适 于至少基于所感测的数据来计算所述指令变量和每个参考变量。
18、 根据权利要求17所述的系统，其特征在于基于供应给所述燃烧 区域(12)和所述蒸发区域(14)的所述燃料功率的比值并基于所述燃烧 区域(12)的所述拉姆达值，所述计算器(24)适于推断出所述总的拉姆 达值，并且所述计算器(24)基于所感测的数据和/或所述总的拉姆达值来 限定所述指令变量和所 考变量。
全文摘要
本发明涉及一种用于对重整器(10)的总的拉姆达值进行闭/开环控制的方法，该重整器(10)包括至少一个燃烧区域(12)以及连接到该燃烧区域(12)的蒸发区域(14)。根据本发明，为了对所述总的拉姆达值进行闭/开环控制，提供了对所述燃烧区域(12)的所述拉姆达值的闭环控制以及提供了对供应给所述蒸发区域(14)的燃料功率的开环控制。本发明还涉及具有重整器(10)和控制器(26)的系统，该重整器(10)包括至少一个燃烧区域(12)和连接到该燃烧区域(12)的蒸发区域(14)，该控制器(26)用于对总的拉姆达值进行闭/开环控制。根据本发明，该控制器(26)适于通过对燃烧区域(12)的拉姆达值进行闭环控制和对供应给燃烧区域(12)和蒸发区域(14)的各自的燃料功率进行开环控制来对总的拉姆达值进行闭/开环控制。
文档编号H01M8/12GK101600497SQ200780034011
公开日2009年12月9日 申请日期2007年8月3日 优先权日2006年9月15日
发明者J·劳伦斯, N·京特, S·克丁, 苏 周 申请人:艾纳尔达公司