使用推断的质量空气流量的燃料电池系统控制的制作方法
【技术领域】
[0001]各种实施例涉及一种用于控制燃料电池系统中的气流的系统和方法。
【背景技术】
[0002]已知将多个燃料电池单元结合在一起以形成燃料电池堆。这样的堆通常响应于将氢和氧电化学转变成水而提供电流。在这样的过程中产生的电流用于驱动车辆或其他这样的设备中的各种装置。供给通常将氢提供给燃料电池堆。燃料电池堆也接收氧供给，氧供给可以是以气流的形式。在燃料电池操作期间可以控制包括质量流量(flow rate)和压力的氢和氧的供给。
【发明内容】
[0003]根据实施例，提供一种设置有燃料电池堆和给燃料电池堆提供气流的压缩机的燃料电池系统。第一压力传感器用于在系统中的第一位置测量气流的第一气压。第二压力传感器用于在系统中的第二位置测量气流的第二气压。控制器被配置为:(i)利用压缩机的转速和压缩机上的压力比来推断气流的质量空气流量，压力比由第一气压和第二气压来确定，(?)利用通过压缩机的质量空气流量来控制燃料电池堆的操作。
[0004]根据实施例，提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括:燃料电池堆；压缩机，将气流提供给燃料电池堆；第一压力传感器，用于在系统中的第一位置测量气流的第一气压；第二压力传感器，用于在系统中的第二位置测量气流的第二气压；控制器，被配置为:(i)利用压缩机的转速和压缩机上的压力比来推断气流的质量空气流量，压力比由第一气压和第二气压来确定，(ii)利用通过压缩机的质量空气流量来控制燃料电池堆的操作。
[0005]根据实施例，所述燃料电池系统还包括位于压缩机和燃料电池堆之间并在其上提供压降的空气增湿系统；其中，由第一气压和第二气压以及由空气增湿系统上的压降确定压力比。
[0006]根据实施例，空气增湿系统上的压降是通过空气增湿系统的空气流量的函数。
[0007]根据实施例，所述燃料电池系统还包括空气入口系统，空气入口系统将环境空气提供给压缩机并在空气入口系统上提供关联的压降；其中，由第一气压和第二气压以及由空气入口系统上的压降确定压力比。
[0008]根据实施例，压缩机是电动增压器。
[0009]根据另一实施例，提供一种燃料电池系统，燃料电池系统设置有用于产生电力的燃料电池堆、将气流提供给燃料电池堆的压缩机和控制器。控制器被配置为:响应于使用压缩机的转速和压缩机上的压力比按照查找表确定通过压缩机的质量空气流量，基于质量空气流量来操作燃料电池系统。
[0010]根据实施例，控制器还被配置为从第一压力传感器接收指示进入阴极的入口压力的第一信号；其中，控制器还被配置为从第二压力传感器接收指示环境压力的第二信号；其中，第一信号和第二信号用于确定压力比。
[0011]根据实施例，控制器还被配置为接收指示位于阴极的下游的阀的阀位的信号，其中，控制器还被配置为使用压缩机的转速、压缩机上的压力比和阀的阀位按照查找表确定通过压缩机的质量空气流量。
[0012]根据另一实施例，提供了一种用于控制燃料电池系统的方法。所述方法包括:分别在控制器中接收指示压缩机的上游和下游的气压的第一信号和第二信号；在控制器中接收指示压缩机的转速的第三信号；基于使用第一信号、第二信号和第三信号确定的推断的质量空气流量，以期望的质量空气流量操作燃料电池系统。
[0013]根据实施例，所述方法还包括在控制器中接收指示控制燃料电池堆的下游的空气流量的阀的阀位的第四信号；其中，基于使用第一信号、第二信号、第三信号和第四信号确定的推断的质量空气流量，以期望的质量空气流量操作燃料电池系统。
[0014]根据实施例，第一信号指示空气压缩机的上游的环境压力，第二信号指示堆入口处的入口压力。
[0015]根据实施例，所述方法还包括基于使用第一信号、第二信号和第三信号以及压缩机与堆入口之间的系统气压降确定的推断的质量空气流量，以期望的质量空气流量操作燃料电池系统，其中，系统气压降是空气流量的函数。
[0016]本公开的各种实施例具有关联的、非限制性的优点。例如，燃料电池系统的操作使用控制算法。控制方法可以使用反馈传感器。燃料电池堆使用在期望的压力、流量和湿度下的空气和氢以产生电流。控制方法和控制器控制压缩机(诸如电动增压器)以传输期望的气压和空气流量。传统的系统使用质量空气流量传感器和一个或更多个气压传感器。燃料电池系统中使用的每个传感器增加了燃料电池系统的成本和复杂性。本公开提供一种没有质量空气流量传感器的燃料电池系统，其中，控制器基于压缩机的转速和压缩机上的压降来推断质量空气流量。在推断质量空气流量的操作中，控制器还可以使用控制阀阀位，其中，阀位设置系统中的背压。控制器可以考虑包括空气入口或感应系统、空气增湿系统等的系统中的其他压降。控制器使用基于推断的质量空气流量控制燃料电池系统的操作以达到期望的质量空气流量和气压的方法，其中，推断的质量空气流量是压缩机上的压力比、压缩机转速和/或阀位的函数。控制器可以使用反馈回路或查找表以确定推断的质量空气流量。
【附图说明】
[0017]图1是根据实施例的燃料电池系统的实施例的示意图；
[0018]图2是示出根据实施例的确定用于燃料电池系统的质量空气流量的方法的流程图；
[0019]图3是示出根据实施例的用于确定质量空气流量的查找表的示意图；
[0020]图4是示出根据实施例的用于燃料电池系统的测量的和推断的质量空气流量的曲线图。
【具体实施方式】
[0021]根据需要，将本发明的详细实施例公开于此；然而，将要理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种替换方式实施。附图不必按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。化学术语中的成分的描述是指在添加到说明书中指定的任意组合时的成分，并且不必排除一旦混合之后混合物的成分之间的化学反应。
[0022]应理解的是，这里公开的任何电路或其他电子装置可以包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，FLASH、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或它们的其他适当的变形)和软件，相互协作以执行这里公开的操作。另外，如这里公开的任意一个或更多个电子装置可以被构造为执行嵌入在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序，所述计算机程序被编程以执行这里公开的许多功能。
[0023]图1以工艺流程图的形式示意性地示出根据至少一个实施例的燃料电池系统(“系统”)10。例如，系统10可以用于车辆中以提供电力来使电动马达运转，从而推进车辆或执行其他车辆功能。可以在基于燃料电池的电动车辆或基于燃料电池的混合动力车辆或者使用电流驱动各种装置的任何其他这样的设备中实现系统10。
[0024]系统10具有燃料电池堆(“堆”)12。堆12包括多个电池单元，每个电池单元13具有阳极侧14、阴极侧16和位于阳极侧14与阴极侧16之间的膜18。尽管燃料电池堆12包含任意数量的电池单元，但是在图1中仅示出了燃料电池堆12的一个燃料电池单元13。堆12与例如高压母线20或牵引电池电连接(electrically communicate)并向高压母线20或牵引电池提供能量。堆12响应于氢和氧的电化学转变来产生堆电流(stack current)。堆12还可以具有冷却回路(未示出)。
[0025]各种电子装置可以结合到电池20来消耗这样的电力以进行操作。如果系统10用于与车辆连接，则装置可以包括马达或各自消耗电力以出于特定目的来运行的多个车辆电气组件。例如，这样的装置可以与车辆动力传动系统、车厢制热和制冷系统、内部/外部照明系统、娱乐装置以及电动锁车窗有关，但不限于此。在车辆中实现的装置的具体类型可以基于车辆容量、使用的马达的类型和实现的燃料电池堆的具体类型而变化。
[0026]在系统10的操作期间，控制氢和氧的流动以控制氢和氧之间的期望的化学反应以及燃料电池堆12的电输出。氢和氧的流动可以根据堆12的期望的电输出、环境温度、海拔和其他因素来变化。可以从环境空气提供氧流，环境空气是主要包括氧气和氮气以及其他气体的混合物。
[0027]氢和氧的反应产生可以积聚在堆12的阳极侧14的产物水、诸如氢的剩余燃料和诸如氮的副产物。这些成分可以被收集在位于堆12的下游的净化组件36中，净化组件36分离出至少一部分的液态水和/或氮并且使剩余的成分通过再循环回路中的返回通路返回到堆12。
[0028]初级燃料源(诸如初级氢源(primary hydrogen source)) 22连接到堆12的阳