用于确定燃料电池系统的涡轮和/或加湿器的劣化状态的计算机实现的方法与流程

本发明涉及一种用于确定燃料电池系统的涡轮和/或加湿器的劣化状态的计算机实现的方法。本发明还涉及一种控制单元、一种燃料电池系统、一种车辆、一种计算机程序以及一种计算可读介质。本发明可以应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和施工设备。尽管本发明将关于卡车进行描述，但是本发明不限于这种特定车辆，而是也可以用于诸如轮式装载机、挖掘机、自卸货车、公共汽车、海洋船舶以及乘用车的其他车辆中。

背景技术：

1、燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学电池。燃料电池将燃料(通常是氢气)和氧化剂(通常是氧气)的化学能转化为电能。因此，燃料电池可以用作电池的替代或补充。近年来，燃料电池已被考虑用于为诸如纯电动车辆和混合动力电动车辆的电动车辆提供动力。

2、通常，用于车辆的燃料电池系统包括燃料电池组，该燃料电池组包括一个或多个燃料电池。另外，燃料电池系统通常包括涡轮和加湿器。涡轮包括驱动地连接的涡轮机和压缩机。在燃料电池系统的使用期间，进入燃料电池组的入口气流经由压缩机和加湿器流到燃料电池组。入口气流将上述氧化剂传送到燃料电池。来自燃料电池组的出口气流经由加湿器和涡轮机从燃料电池组流出，直到出口气流排出到外部环境中。在某些情况下，部分或全部出口气流可能绕过加湿器。在使用期间，加湿器将水或水和热从出口气流转移到入口气流。

3、用于车辆的燃料电池系统经常与电能存储系统(诸如包括锂离子电池的电池组)组合使用。取决于不同的因素，车辆所请求的动力可以由燃料电池系统和电能存储系统组合地递送或由所述系统之一递送。例如，可以根据能量效率来优化来自每个系统的动力分配。

4、尽管已知将燃料电池系统用于为如例如在上文提及的车辆提供动力，但是仍努力开发进一步改进的燃料电池系统技术。

技术实现思路

1、鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种用于确定燃料电池系统的涡轮和/或加湿器的劣化状态的计算机实现的方法，所述方法至少部分地减轻现有技术的一个或多个缺点，或至少提供合适的替代。本发明的又一个目的是提供一种控制单元、一种燃料电池系统、一种车辆、一种计算机程序和/或一种计算机可读介质，它们减轻现有技术的至少一个或多个缺点，或至少提供合适的替代。

2、根据第一方面，通过根据权利要求1的计算机实现的方法来实现所述目的。

3、因此，提供了一种用于确定车辆的燃料电池系统的涡轮和/或加湿器的劣化状态的计算机实现的方法。除了涡轮和加湿器之外，燃料电池系统还包括燃料电池组。

4、该方法包括：

5、-获得燃料电池系统效率值，该燃料电池系统效率值对应于燃料电池系统在使用期间相对于第一参考效率的测量到的效率降低，

6、-获得燃料电池组效率值，该燃料电池组效率值对应于燃料电池组在使用期间相对于第二参考效率的测量到的效率降低，以及

7、-基于燃料电池系统效率值与燃料电池组效率值之间的差来确定涡轮和/或加湿器的劣化状态。

8、涡轮包括驱动地连接的涡轮机和压缩机。在燃料电池系统的使用期间，进入燃料电池组的入口气流经由压缩机和加湿器流到燃料电池组。入口气流将氧化剂传送到燃料电池组。来自燃料电池组的出口气流经由加湿器和涡轮机从燃料电池组流出，直到出口气流排出到外部环境中。在某些情况下，部分或全部出口气流可能绕过加湿器。在使用期间，加湿器将水或水和热从出口气流转移到入口气流。

9、通过提供本文所公开的方法，可以用有效的方式确定涡轮和/或加湿器的劣化状态。本发明基于以下认识：在燃料电池系统的使用期间确定涡轮和/或加湿器的劣化状态是有利的。例如，所确定的劣化状态可以用于优化燃料电池系统的使用，诸如用于优化车辆的燃料电池系统与电能存储系统之间的电力分配。另外或替代地，所确定的劣化状态可以用于确定涡轮和/或加湿器的维修需求，和/或是否需要更换涡轮和/或加湿器。

10、将燃料电池系统效率值和燃料电池组效率值用于确定涡轮和/或加湿器的劣化状态意味着快速、可靠且成本有效的劣化确定。

11、第一参考效率可以指示当燃料电池系统是新的(即尚未使用)或至少尚未使用很长时间(诸如使用少于100个运行小时)时燃料电池系统的确定效率。第二参考效率可以指示当燃料电池组是新的(即尚未使用)或至少尚未使用很长时间(例如使用少于100个运行小时)时燃料电池组的确定效率。

12、涡轮和/或加湿器的劣化也可以表示涡轮和/或加湿器的磨损。

13、可选地，该方法还包括：

14、-获得相对空气湿度值，所述相对空气湿度值对应于在使用期间在所述燃料电池组的入口处的测量到的相对空气湿度，并且当所述相对空气湿度值等于或高于空气湿度阈值时，将所述差设置成对应于所述涡轮的劣化状态，并且/或者当所述相对空气湿度值低于所述空气湿度阈值时，将所述差设置成对应于所述涡轮和所述加湿器的组合劣化状态。在燃料电池组的入口处测量的相对空气湿度可以意味着测量是在沿着燃料电池系统的气流通道的位于加湿器下游且位于燃料电池组上游的部分处执行。通过使用本文所公开的相对空气湿度值，可以执行对涡轮和/或加湿器的劣化的有效确定。例如，已经认识到，当相对空气湿度等于或高于空气湿度阈值时，燃料电池系统效率值与燃料电池组效率值之间的差对应于或至少基本上对应于涡轮的劣化。因此，这产生了用于确定涡轮劣化程度的有效方法。另外，这还可以产生用于确定涡轮和加湿器的组合劣化程度的有效方法。在示例实施方案中，该方法还可以包括使用燃料电池系统的工作点，在该工作点处，相对空气湿度等于或高于空气湿度阈值。由此，可以确保差对应于涡轮的劣化状态。该方法还可以包括找到相对空气湿度等于或高于空气湿度阈值的工作点。这可以通过改变工作点直到相对空气湿度等于或高于空气湿度阈值来执行。在一些情况下，可能找不到此类工作点，这意味着加湿器劣化。工作点可以被定义为指示燃料电池系统的功率水平。

15、术语相对空气湿度或相对湿度是本领域已知的，并且可以被定义为空气的水分含量，即水蒸气，并且可以表达为在给定温度和压力下可以被空气保留而不凝结的水分的量的百分比。例如，100％相对空气湿度值指示已经达到饱和并且将发生凝结。

16、任选地，空气湿度阈值对应于98％或更大的相对空气湿度，诸如基本上100％的相对空气湿度。在一个实施方案中，这可以指在使用期间在加湿器下游并且在燃料电池组上游流动的空气中的饱和或基本上饱和的水含量。因此，当相对空气湿度值等于或高于空气湿度阈值时，可以假设加湿器正常工作而没有任何问题。

17、任选地，在燃料电池系统的平稳工况期间测量燃料电池系统和燃料电池组的效率降低和/或燃料电池组的入口处的相对空气湿度。这意味着更可靠的测量。仍然任选地，在燃料电池系统的平稳工况期间在最小时间段期间执行测量。这意味着进一步改进的测量。例如，从一次或多次相应测量获得的值可以对应于一个或多个相应的平均值、中值或基于来自一次或多次相应测量的结果的任何其他值。

18、任选地，当确定存在涡轮和加湿器的组合劣化状态时，例如当相对空气湿度值低于空气湿度阈值时，该方法还可以包括将加湿器模型用于估计加湿器的劣化程度。用于估计劣化程度的加湿器模型可以例如是根据开放系统的热力学第一定律对加湿器建模的模型。例如，可以提供对加湿器将水团和热从加湿器的潮湿侧传输到干燥侧的能力(例如加湿器的膜的能力)建模的模型。因此，举例说明，加湿器可以建模为两个部分，第一部分是具有干燥空气的体积，并且第二部分是具有湿空气的体积，其中水团和热通过膜从第二部分传输到第一部分。通过在模型中拟合测量到的参数，可以获得所传输的水团和热的值，并且这些值可以用于估计加湿器的健康状态，即加湿器的劣化程度。例如，可以将这些值与参考值进行比较以由此获得指示加湿器的健康状态的值。测量到的参数可以例如在使用期间在加湿器的下游和/或上游测量，并且可以是气流、水流、相对湿度、压力、空气温度以及水温中的至少一者。另外，模型可以包括与膜厚度有关的参数，该参数例如可能影响膜随时间的变化传输水团和/或热的能力。

19、任选地，平稳工况与车辆的一个或多个预定路段相关联。一个或多个预定路段可以是可以预期平稳工况的路段。例如，预定路段可以对应于不具有或仅具有小的变化倾斜度的道路延伸段，诸如没有或仅具有小倾斜度的高速公路的一部分。

20、任选地，燃料电池组的效率降低通过使用燃料电池组的极化曲线和/或通过燃料电池组的电化学阻抗谱来测量。这意味着可靠且稳健的测量和/或可靠且稳健的测量值。

21、可选地，该方法还包括：

22、-测量在使用期间燃料电池系统的效率降低以获得燃料电池系统效率值，测量在使用期间燃料电池组的效率降低以获得燃料电池组效率值，和/或测量燃料电池组的入口处的相对空气湿度以获得相对空气湿度值。测量可以在燃料电池系统的使用期间和/或在燃料电池系统的使用期间的公共时间窗口内(例如在上述平稳工况期间)同时执行。这意味着可靠且稳健的测量和/或可靠且稳健的测量值。

23、可选地，该方法还包括：

24、-当涡轮的设置的劣化状态和/或涡轮和加湿器的设置的组合劣化状态符合标准时，更新燃料电池系统的工作约束条件。

25、由此，通过更新工作约束条件，可以增加燃料电池系统的使用寿命。例如，如果燃料电池系统与例如电能存储系统结合使用，则可以更新工作约束条件，使得更多地和/或在其他工作范围中使用电能存储系统，和/或使得更少地和/或在其他工作范围中使用燃料电池系统。结果，组合系统(即燃料电池系统和电能存储系统)的使用寿命可以增加。

26、燃料电池系统可以适于以可调整工作动态和/或在限定燃料电池系统的工作约束条件的可调整工作窗口中工作，其中增加工作动态和/或工作窗口与燃料电池系统的增加的预期劣化相关联，并且其中减小工作动态和/或工作窗口与燃料电池系统的减少的预期劣化相关联。

27、系统的工作动态在本文中是指系统的工作如何随时间变化。例如，工作参数在使用期间的巨大和/或快速变化表示与工作参数变化较小和/或较慢的情况相比的系统的较高工作动态。这也可以被称为系统的摆动速率。工作窗口在本文中是指工作参数在使用期间所在的窗口或范围。举例说明，工作参数可以指的是从系统输出的功率。因此，工作动态可以被定义为燃料电池系统的功率动态，例如燃料电池系统可以多快地从低功率变为高功率或全功率。工作参数的其他非限制性示例是电压水平、安培水平和功率吞吐量。作为又一个非限制性示例，工作参数可以与是否允许系统关机有关。例如，燃料电池系统过多的关机可能导致较高的劣化。

28、根据第二方面，通过根据权利要求10的控制单元来实现所述目的。

29、因此，提供了一种用于确定车辆的燃料电池系统的涡轮和/或加湿器的劣化状态的控制单元，除了涡轮和加湿器之外，燃料电池系统还包括燃料电池组，其中控制单元被配置成执行根据第一方面的实施方案中的任一者的方法的步骤。

30、控制单元的优点和效果类似于本文所公开的方法的优点和效果。还应当注意，控制单元的所有实施方案可与方法的所有实施方案组合，反之亦然。

31、控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一个可编程装置。控制单元还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在控制单元包括诸如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程装置的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。控制单元可以包括有时具有集成软件的嵌入式硬件。物理关系的示例是：安装在一块或多块电路板上的共享外壳和部件。此外，控制单元可以是任意种类的控制单元并且还可以包括多于一个控制单元，即控制单元可以由两个或更多个子控制单元配置，所述子控制单元可以彼此靠近地设置或彼此分离。在一些实施方案中，控制单元可以被表示为计算机。

32、根据第三方面，通过根据权利要求11的燃料电池系统来实现所述目的。

33、因此，提供了一种用于车辆的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池组、涡轮和加湿器，并且还包括用于测量在使用期间所述燃料电池系统的效率降低的至少一个第一传感器、用于测量在使用期间所述燃料电池组的效率降低的至少一个第二传感器以及用于测量在使用期间所述燃料电池组的入口处的相对空气湿度的至少一个第三传感器，其中所述燃料电池系统还包括根据第二方面的实施方案中的任一者的控制单元。

34、燃料电池系统的优点和效果类似于本文所公开的方法的优点和效果。还应当注意，燃料电池系统的所有实施方案可与方法和控制单元的所有实施方案组合，反之亦然。

35、根据第四方面，通过根据权利要求12的车辆来实现所述目的。

36、因此，提供了一种车辆，该车辆包括根据第三方面的实施方案中的任一者的燃料电池系统。

37、根据第五方面，通过根据权利要求13的计算机程序来实现所述目的。

38、因此，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于在所述程序在根据第二方面的控制单元上运行时执行第一方面的实施方案中的任一者的步骤的程序代码装置。

39、根据第六方面，通过根据权利要求14的计算机可读介质来实现所述目的。

40、因此，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于在所述程序产品在根据第二方面的控制单元上运行时执行第一方面的实施方案中的任一者的步骤的程序代码装置。

41、本发明的另外的优点和有利特征在随后的描述和从属权利要求中公开。