专利名称：用于基于自高温泵的电流反馈来检测冷却剂的总损的方法
技术领域：
本发明大体而言涉及用于检测燃料电池系统中来自热子系统的冷却流体损失的系统和方法，且更特定而言涉及使用来自泵送冷却流体通过热子系统的高温泵的电流反馈来检测燃料电池系统中自热子系统的冷却流体损失的系统和方法。
背景技术：
氢是很有吸引力的燃料，因为其清洁且可用于高效地在燃料电池中发电。氢燃料电池为电化学设备，其包括阳极和阴极，在阳极与阴极之间具有电解质。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中解离以生成自由的质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧和电子反应以生成水。自阳极的电子不能通过电解质且因此在发送到阴极之前被弓I导通过负载以做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)为车辆流行的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，诸如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括支承于碳粒子上且与离聚物混合的细分催化剂颗粒，通常为钼(Pt)。催化剂混合物沉积于膜的相对侧上。阳极催化剂混合物，阴极催化剂混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA制造起来较为昂贵且需要特定条件来有效操作。若干燃料电池通常通过串联连接组合成燃料电池组以产生所需电力。举例而言，用于车辆的典型燃料电池组可具有两百个或更多堆叠的燃料电池。燃料电池组接收阴极输入反应气体，通常为由压缩机强迫穿过该电池组的空气流。并非所有氧气由该电池组消耗，一些空气作为阴极排气输出，其可包括水作为电池组副产物。燃料电池组也接收流入到电池组阳极侧内的阳极氢反应气体。该电池组还包括流动通道，冷却流体流动通过该流动通道。燃料电池组包括定位于电池组中若干MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括阳极侧和阴极侧用于电池组中的相邻燃料电池。阳极气体流动通道设于双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流到相应MEA。阴极气体流动通道设于双极板的阴极侧上，其允许阴极反应气体流到相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，诸如不锈钢或导电复合物。端板将由燃料电池产生的电力传导到电池组外。双极板还包括流动通道，冷却流体流动通过该流动通道。如上文所提到的那样，燃料电池组包括冷却流体流动通道，通常在电池组双极板中，其接收冷却流体，冷却流体维持燃料电池的操作温度在所需水平。冷却流体由作为热子系统一部分的高温泵泵送通过电池组和电池组外部的外部冷却剂环路，其中当冷却流体离开该电池组时散热器通常冷却该冷却流体。温度传感器通常设于燃料电池组外的冷却剂环路中以在冷却流体进出电池组时监测冷却流体的温度，以维持对电池组温度的严格控制。冷却流体通常为水与乙二醇的混合物，其提供增强的除热性质且降低了冷却流体的冷冻温度。
如果热子系统中的构件失效，冷却流体可能从热子系统泄漏。如果足够多的冷却流体从热子系统泄漏，那么用来降低燃料电池组的温度或维持所需温度的冷却流体就不够了，因此导致燃料电池组过热，这可能会对各种燃料电池系统构件造成损坏，诸如燃料电池本身。因此，已知采用设备和系统来检测冷却流体泄漏以保护燃料电池系统防止过热和可能的构件损坏。一种已知的泄漏检测设计中，采用专用液位传感器来检测在保持冷却流体的溢流罐或储集器中的冷却流体的液位。但是，可能有时液位传感器指示低液位，但却不存在显著泄漏，或者完全没有泄漏，且在热子系统中仍可存在足够冷却流体来操作该电池组。举例而言，如果车辆急转弯，在罐中的流体可能降到液位传感器下方，提供低冷却流体的错误指示。另外，对于小冷却流体损失，可能期望仅提供警告指示而不提供其它减轻措施，诸如系统关闭
发明内容
根据本发明的教导内容，公开了一种用于确定燃料电池系统中自热子系统的冷却流体损失的系统和方法。该方法包括监测自泵送冷却流体通过冷却剂环路的高温泵的电流反馈。比较自该泵的测量电流与系统操作条件的预期电流，且如果测量电流显著地小于预期电流，那么其可为低冷却流体的结果。如果测量电流小于预期电流持续预定时段，那么该系统能由于低冷却流体的结果而采取减轻措施。由冷却流体储集器中的液位传感器指示器来起始该电流比较。另外，如果溢流管液位传感器指示低冷却流体，如果泵速度太低而不能提供准确电流测量，那么可增加泵速度。本发明提供下列技术方案。技术方案I: 一种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的方法，所述方法包括
针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流；
测量所述泵的电流；
比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流；以及
如果所述测量电流比所述预期电流小预定电流值，判定可能存在所述冷却流体损失。技术方案2:根据技术方案I所述的方法，还包括，如果所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值，使计数器加I ;以及如果计数值大于预定计数阈值，指示存在冷却流体损失。技术方案3:根据技术方案I所述的方法，还包括，判断溢流罐中冷却流体的液位是否低于预定液位；以及仅在所述冷却流体液位低于所述预定液位的情况下，比较所述测量电流与所述估计电流。技术方案4:根据技术方案3所述的方法，其中，确定所述冷却流体液位包括使用罐液位传感器。技术方案5:根据技术方案I所述的方法，还包括，如果所述测量电流小于所述预期电流，判断所述泵速度是否大于预定泵速度阈值；如果所述泵速度不大于所述泵速度阈值，增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈值。技术方案6:根据技术方案5所述的方法，其中，比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流包括，在所述泵速度增加到至少所述预定泵速度阈值之后还比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流。技术方案7:根据技术方案5所述的方法，其中，所述预定泵速度阈值为大约4000RPM。技术方案8:根据技术方案I所述的方法，还包括，设置指示低冷却流体的诊断。技术方案9:根据技术方案I所述的方法，其中，判断可能存在所述冷却流体损失包括，如果所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值持续预定时段则判断可能存在冷却流体损失。
技术方案10:根据技术方案9所述的方法，其中，所述预定时段为大约2秒。技术方案11: 一种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的方法，所述方法包括
针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流；
测量所述泵的电流；
判断溢流罐中的冷却流体的液位是否低于预定液位；
如果液位传感器指示在所述罐中的低冷却流体液位，则比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流；
如果所述测量电流比所述预期电流小预定电流值持续预定时段，则判断可能存在所述冷却流体损失；
如果所述测量电流小于所述预期电流持续预定时段，则判断所述泵的速度是否大于预定泵速度阈值；
如果所述泵速度不大于所述泵速度阈值，增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈
值；
再次比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流；以及
如果所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值持续预定时段，则再次判断可能存在所述冷却流体损失。技术方案12:根据技术方案11所述的方法，还包括，如果所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值，使计数器加I ;以及如果计数值大于预定计数阈值，指示存在冷却流体损失。技术方案13:根据技术方案11所述的方法，其中，确定所述冷却流体的液位包括使用罐液位传感器。技术方案14.根据技术方案11所述的方法，其中，所述预定时段为大约2秒。技术方案15: —种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的检测系统，所述检测系统包括
用于针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流的
装置；
用于测量所述泵的电流的装置；
用于比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流的装置；以及用于在所述测量电流比所述预期电流小预定电流值的情况下判断可能存在所述冷却流体损失的装置。
技术方案16:根据技术方案15所述的检测系统，还包括，用于在所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值的情况下实施计数器的装置；以及用于在计数值大于预定计数阈值的情况下指示存在冷却流体损失的装置。技术方案17:根据技术方案15所述的检测系统，还包括，用于判断溢流罐中冷却流体的液位是否低于预定液位的装置，且其中用于比较所述测量电流与所述估计电流的装置仅在所述冷却流体液位低于所述预定液位时进行比较。技术方案18:根据技术方案15所述的检测系统，还包括，用于在所述测量电流小于所述预期电流的情况下判断所述泵的速度是否大于预定泵速度阈值的装置；以及用于在所述泵速度不大于所述泵速度阈值时增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈值的装置。技术方案19:根据技术方案18所述的检测系统，其中，在所述泵速度不大于所述泵速度阈值的情况下增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈值的所述装置增加了所述泵速度之后，用于比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流的所述装置还比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流。技术方案20:根据技术方案15所述的检测系统，其中，用于比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流的装置在所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值持续预定时段的情况下判断可能存在所述冷却流体损失。结合附图，通过下文的描述和所附权利要求，将明白本发明的其他特点。
图I为包括燃料电池组和热子系统的燃料电池系统的示意平面图；以及 图2为示出用于确定图I所示的热子系统中冷却流体损失的过程的流程图。
具体实施例方式下文针对于用于确定自燃料电池系统中热子系统的冷却流体损失的系统和方法的本发明的实施例的讨论在本质上只是示例性的且绝不限制本发明或其应用或用途。举例而言，如所提到的那样，该方法特别地适用于确定自热子系统的冷却流体损失。但如由本领域技术人员将了解的那样，本发明可应用于泵送任何流体的泵。图I为包括燃料电池组12的燃料电池系统10的简化示意框图。该燃料电池组12包括阴极侧，其从阴极输入管线16上的压缩机14接收空气且在阴极排气管线18上提供阴极排气。燃料电池组12还包括阳极侧，其从阳极输入管线22上诸如高压罐的氢气源20接收氢气且在阳极排气管线24上提供阳极排气。通常，自燃料电池组的阳极排气与阴极排气组合为单个电池组输出。系统10还包括热子系统，其向燃料电池组12提供冷却流体流。热子系统包括高温泵28，其泵送冷却流体通过燃料电池组12外部的冷却剂环路26且通过燃料电池组12中的双极板中的冷却流体流动通道。温度传感器30测量冷却剂环路26中冷却流体进入燃料电池组12时该冷却流体的温度且温度传感器32测量在冷却剂环路26中冷却流体离开燃料电池组12时该冷却流体的温度。尽管未具体地示出，用于燃料电池系统的典型热子系统将包括散热器，其用于冷却自燃料电池组12的冷却流体；以及，散热器旁路管线，其用于绕开散热器，其中由合适的控制元件和阀来控制流过散热器和绕开散热器的冷却流体量以得到所需冷却流体温度。热子系统还包括与冷却剂环路26流体连通的溢、流罐34。液位指示器36提供罐34内冷却流体液位的指示。如将在下文中更详细地讨论，本发明提出了检测热子系统中冷却流体损失的方法，其利用泵电流反馈来判断泵28是否生成泵送冷却流体通过冷却剂环路26所需的预期功。在冷却流体损失的情况下，对于恒定的泵速度，泵电流显著地减小，因为泵28泵送空气而不是冷却流体。基于此，比较估计的泵电流与测量的泵电流来确定低冷却流体。应当指出的是相对于全范围和泵速度，电流变化相对较低，且电流反馈的分辨率具有低敏感性。因此，该诊断仅在高泵速的情况下是可靠的，其中预期在泵送冷却流体与泵送空气之间存在较大的三角形电流(delta current)。如果实际泵电流远小于预期泵电流，能推断出泵28并未泵送大量冷却流体。然后可设置诊断且能采取减轻措施来防止燃料电池组12过热。必须小心以避免错误的肯定诊断以防止不必要的补救措施，诸如减小功率模式，这会影响到驾驶员。本发明提出了通过实施诊断计数器来防止这种错误诊断的一种保护措施。如果计数器基于在预定时间范围内感测到低冷却流体的主动诊断到达预定阈值，则触发诊断。或者，算法可使用在预定分配时间的预定计数阈值，诸如在30秒内五个肯定计数。系统10包括控制器38，控制器38从泵28中的传感器接收识别泵电流的测量电流 信号。控制器38还从液位指示器36接收指示罐34中的冷却流体液位为低的信号。控制器38比较测量电流与预期电流，且如果在足够长的时段持续存在显著差异，将开始减轻措施，包括向驾驶员提供警告灯以及用于系统10的补救减轻措施。图2为用于基于上文所讨论确定来自热子系统的冷却流体损失的流程图40。在方框42，该算法重置控制器38中的所有可用的缓冲器且将计数器设置为零。在决策菱形44，算法判断罐冷却流体液位传感器36是否指示罐34中的冷却流体液位低于指示低冷却流体的某液位。如果传感器36并未指示冷却流体的低液位，那么在热子系统中存在足够的冷却流体且算法返回到方框42来继续监测传感器36。如果罐冷却流体液位传感器36指示低冷却流体液位，那么算法在决策菱形44比较基于系统操作条件的估计泵电流或预测泵电流与测量泵电流来判断测量泵电流在预定时段内(诸如二秒)是否为小于预期泵电流的某显著预定值。如果测量泵电流在该时段内并不小于预期泵电流，那么算法返回到决策菱形42以监测冷却流体液位传感器36的状态。如果在决策菱形46，测量泵电流显著地小于估计泵电流预定时长，那么冷却流体液位可能相当低。然后，算法在决策菱形48判断泵速度是否大于预定速度阈值。算法检查泵速度，因为所述过程需要从泵28汲取足够高的电流以能区分低冷却流体状况与正常冷却流体状况。换言之，如果泵速度过低，那么电流测量可具有显著的噪音和振荡，其中在泵送冷却流体与泵送空气之间的差别小于电流传感器的分辨率且因此检测不到。如果在决策菱形48，泵速度大于预定速度阈值，那么算法在方框50使计数器加I，且在决策菱形52判断计数器的计数值是否大于预定计数阈值，诸如五个计数。该算法确保泵电流测量明显地低于估计电流足够长的时段以减小除了低冷却流体之外的原因造成的低泵电流的机会。在一非限制性实施例中，每次计数每30秒发生使得在算法采取补救措施之前测量电流需要低于估计电流的总时间为大约2 分钟。如果在决策菱形52计数不大于阈值，那么算法返回到决策菱形46以比较所述电流。如果在决策菱形52计数大于阈值，那么算法在方框54设置冷却流体损失诊断以对于低冷却流体采取补救措施，诸如提供警告灯或者关闭电池组12。
如果在决策菱形48泵速度不大于速度阈值，那么算法在方框56命令泵速度为阈值，诸如4000 rpm。然后算法在决策菱形58比较测量电流与估计电流，如在决策菱形46所做的那样，因为在决策菱形46即使测量电流显著地低于预期电流持续所需时段，这也会被看作为低泵速度造成的结果。如上文那样，如果在决策菱形58测量电流并不显著地低于预期电池持续所需时段，那么算法返回到决策菱形44以监测在罐34中的冷却流体液位。如果在决策菱形56测量电流小于估计电流持续所需时段，那么该算法在方框60使计数器加1，如在方框50中所做的那样。同样，该算法然后在决策菱形62判断计数是否大于阈值，如在决策菱形52所做的那样，且如果不是，返回到方框58以设置泵速度等于泵速度阈值。如果在决策菱形64计数器到达阈值，那么算法进行到诊断方框54。在方框54设置了诊断之后，如果泵速度已经在方框56增加，那么该算法将在方框42判断泵速度是否需要重置到所需泵速度。应当指出的是当执行诊断时，在本文中所讨论的低冷却流体算法的增加的泵速度将不会显著地影响电池组温度。前文的讨论公开且描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从此讨论和从附图和权利要求易于认识到在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况 下可对本发明做出各种变化、修改和变型。
权利要求
1.一种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的方法，所述方法包括 针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流； 测量所述泵的电流； 比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流；以及 如果所述测量电流比所述预期电流小预定电流值，判定可能存在所述冷却流体损失。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括，如果所述测量电流比所述预期电流小所述预定电流值，使计数器加I ;以及如果计数值大于预定计数阈值，指示存在冷却流体损失。
3.根据权利要求I所述的方法，还包括，判断溢流罐中冷却流体的液位是否低于预定液位；以及仅在所述冷却流体液位低于所述预定液位的情况下，比较所述测量电流与所述估计电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述冷却流体液位包括使用罐液位传感器。
5.根据权利要求I所述的方法，还包括，如果所述测量电流小于所述预期电流，判断所述泵速度是否大于预定泵速度阈值；如果所述泵速度不大于所述泵速度阈值，增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流包括，在所述泵速度增加到至少所述预定泵速度阈值之后还比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预定泵速度阈值为大约4000RPM。
8.根据权利要求I所述的方法，其还包括，设置指示低冷却流体的诊断。
9.一种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的方法，所述方法包括 针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流； 测量所述泵的电流； 判断溢流罐中的冷却流体的液位是否低于预定液位； 如果液位传感器指示在所述罐中的低冷却流体液位，则比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流； 如果所述测量电流比所述预期电流小预定电流值持续预定时段，则判断可能存在所述冷却流体损失； 如果所述测量电流小于所述预期电流持续预定时段，则判断所述泵的速度是否大于预定泵速度阈值； 如果所述泵速度不大于所述泵速度阈值，增加所述泵速度到至少所述预定泵速度阈值； 再次比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流；以及 如果所述测量电流比所述预期电流小预定电流值持续预定时段，则再次判断可能存在所述冷却流体损失。
10.一种确定自燃料电池系统的热子系统的冷却流体损失的检测系统，所述检测系统包括 用于针对系统操作条件确定泵送所述冷却流体通过所述热子系统的泵的预期电流的装置； 用于测量所述泵的电流的装置；用于比较所述泵的预期电流与所述泵的测量电流的装置；以及用于在所述测量电流比所述预期 电流小预定电流值的情况下判断可能存在所述冷却流体损失的装置。
全文摘要
本发明涉及用于基于自高温泵的电流反馈来检测冷却剂的总损的方法，提供了用于检测燃料电池系统中自热子系统的冷却流体损失的系统和方法。该方法包括监测自泵送冷却流体通过冷却剂环路的高温泵的电流反馈。比较自该泵的测量电流与该系统操作条件的预期电流，且如果该电流显著地小于预期电流，那么其可为低冷却流体的结果。如果测量电流小于预期电流持续预定时段，那么该系统能由于低冷却流体的结果而采取减轻措施。另外，如果溢流管液位传感器指示低冷却流体液位，如果泵速度太低而不能提供准确电流测量，那么其可增加。
文档编号H01M8/02GK102738483SQ20121009883
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者J.蔡, L.德夫里斯, S.E.莱尔纳, S.R.法尔塔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司