燃料電池堆埠的相對溼度估計器的製作方法

2023-06-25 03:17:46 1

本公開涉及用於車輛的燃料電池系統的氫流的溼度狀況，在該車輛的燃料電池系統中，噴射器使氫氣混合物再循環。

背景技術：

諸如燃料電池車輛(fuelcellvehicle，fcv)或燃料電池電動車輛(fuelcellelectricvehicle，fcev)的車輛可包括諸如燃料電池堆的能量存儲裝置，以對車輛部件提供動力。燃料電池堆可以與用於協助管理車輛性能和運轉的系統集成在一起。燃料電池堆可與氫再循環系統一起使用以協助管理燃料電池堆的水狀況。高分子電解質膜燃料電池是可以與燃料電池堆一起使用的燃料電池的示例。

技術實現要素：

一種用於燃料電池堆(fuelcellstack,fcs)的水管理方法包括：基於fcs中的反應物的消耗量和產物的生成量而通過控制器輸出fcs陽極埠的估計的相對溼度值，並基於所述估計的相對溼度值調整加溼控制策略。所述輸出是響應於從fcs的氫再循環系統(hydrogenrecirculationsystem,hrs)模型預測的fcs陽極埠的相對溼度值出現在預定的範圍內的。預測的相對溼度值可基於測量的hrs罐壓力、測量的fcs陽極埠壓力和從所述模型預測的fcs陽極埠壓力。所述方法還可包括：基於限定所述模型的線性化的動態方程預測hrs的噴射器的二次噴嘴的流量。所述預測可包括：將多項式混沌估計應用到所述加溼控制策略以補償不確定性。所述預測可包括：對所述加溼控制策略的輸出進行濾波以補償不確定性。所述方法可包括：基於hrs的噴射器的虛擬噴嘴的面積計算噴射器流量，所述噴射器的虛擬噴嘴的面積是從噴射器的幾何形狀、一次流的馬赫數、噴射器的兩個入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性得出的。所述方法還可包括：基於所述估計的相對溼度值辨識fcs的膜的狀態，並可輸出所述狀態。所述方法還可包括：通過hrs的時變模型辨識fcs中的反應物的消耗量和產物的生成量。所述方法還可包括：通過反饋控制器調節所述模型的受控的氫壓力信號，使得所述信號的值以一定值收斂，並且收斂到與實際的壓力測量值大致相等的值。

一種用於fcs的陽極埠的溼度估計方法包括：根據從基於多項式混沌的估計器接收的數據而通過控制器輸出用於hrs的噴射器的激活順序，以控制所述埠處冷卻劑的流量。所述輸出是響應於埠處出現預定的溼度狀況的。所述方法還可包括：基於hrs的模型的線性化的動態方程估計噴射器的二次噴嘴的流量。所述方法還可包括：基於噴射器的幾何形狀、一次流的馬赫數、噴射器的兩個入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性來計算噴射器流量。所述方法還可包括：基於預測的噴射器的流量估計hrs內的燃料的化學計量比。

一種燃料電池車輛包括hrs和控制器。hrs包括噴射器和具有陽極埠的fcs。控制器被配置為：激活hrs模型以基於噴射器的二次噴嘴的估計的流量來計算陽極埠的相對溼度的實時估計值。相對溼度估計可基於罐壓力、陽極入口壓力、fcs入口溫度和出口溫度以及fcs電流。控制器可被進一步配置為：將濾波技術應用到加溼控制策略的輸出，以補償相對溼度計算的不確定性。控制器可被進一步配置為：運行hrs使得基於陽極埠處的物質的化學計量比將預定量的氮和水從hrs中清除。控制器可被進一步配置為：應用狀態和參數估計技術，以補償相對溼度估計的不確定性。控制器可被進一步配置為：將所述模型的動態方程線性化，以預測噴射器的二次噴嘴的流量。控制器還可被進一步配置為：基於噴射器的幾何形狀、噴射器的一次流的馬赫數、噴射器的入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性來計算噴射器的流量。

附圖說明

圖1是示出燃料電池車輛的示例的示意圖。

圖2是示出燃料電池的示例的示意圖。

圖3是示出燃料電池車輛的氫再循環系統的示例的示意圖。

圖4是示出用於燃料電池堆的陽極埠的相對溼度估計架構的操作的算法示例的流程圖。

圖5是示出圖2的氫再循環系統的噴射器的示例的示意圖。

圖6是示出用於燃料電池堆的陽極埠的相對溼度估計架構的操作的算法示例的流程圖。

具體實施方式

在此描述了本公開的實施例。然而，應當理解，公開的實施例僅僅為示例並且其它實施例可採取各種和可替代的形式。附圖不一定按比例繪製；一些特徵可被放大或縮小以顯示特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅作為用於教導本領域技術人員以多種形式利用本公開的實施例的代表性基礎。如本領域中普通技術人員將理解的，參考任一附圖示出和描述的各種特徵可與一幅或更多副其它附圖中示出的特徵結合以形成未明確示出或描述的實施例。示出的特徵的組合提供了用於典型應用的代表性實施例。然而，與本公開的教導一致的特徵的各種組合和變型可期望用於特定應用或實施方式。

圖1示出了燃料電池車輛(fcv)的示例的示意圖，在此通稱為車輛10。車輛10可包括機械地連接到變速器14的一個或更多個電機12。電機12能夠作為馬達或發電機運轉。變速器14還可以機械地連接到驅動軸20，驅動軸20機械地連接到一組前車輪22。電機12可提供推進和減速能力。燃料電池堆24可產生電流以對車輛10的部件提供動力。例如，氫再循環系統可與燃料電池堆一起運行，以將氫氣和氧氣轉化為電流從而對電機12提供電力。電流可被稱為負載。燃料電池堆24可包括一個或更多個燃料電池，諸如高分子電解質膜(polymerelectrolytemembrane,pem)燃料電池。電力控制單元26可管理車輛10內的電力流動。例如，電力控制單元26可管理燃料電池堆24與電機12之間的電力流動。儲氫罐30可儲存用於燃料電池堆24使用的氫氣。高輸出電池32可儲存(例如)從再生制動系統產生的能量並可將補充功率提供到電機12。

上面描述的各個部件可具有一個或更多個相關聯的控制器，以控制並監測部件的運轉。控制器可經由串行總線(例如，控制器區域網(can))或經由離散導體進行通信。

圖2示出了pem燃料電池的示例的示意圖，在此通稱為pem燃料電池40。pem燃料電池40是可以在上面描述的燃料電池堆24中操作的燃料電池的一個示例。pem燃料電池40可包括陽極42、電解質44和陰極46。可分別在陽極42、電解質44和陰極46之間的各個界面處發生化學反應。例如，陽極42可接收諸如氫的燃料，並將燃料氧化以將燃料轉換為帶正電荷的離子和帶負電荷的電子。電解質44可允許離子穿過到達陰極46同時使電子在電解質44周圍重新定向以生成負載。這些電子可在陰極46內與這些離子重新結合。陰極46可接收諸如氧的化學物，以與這些離子和電子發生反應，從而生成(例如)水或二氧化碳。雙極板48可協助pem燃料電池40內的燃料和氧化劑的分布、促進pem燃料電池40的水管理、將燃料電池堆內的燃料電池隔開以及促進pem燃料電池40的熱管理。

關於包括燃料電池(諸如pem燃料電池40)的系統的水管理可影響系統的性能。例如，燃料電池的電極可能會被具有高於正常狀態的過多水合作用的液態水淹沒，這會引起燃料不足、電池電勢或電流反向或者腐蝕電極和雙極板。相反，太少的水合作用會使質子在燃料電池的膜(例如，電解質)中的傳輸阻力更高，並且會促進清除膜的自由基。系統的水合狀態的改變會在膜中引起機械應力，這也會導致過早的膜失效。燃料電池的啟動和關閉狀態也會依賴水管理，尤其是在低溫條件下。

在系統的運轉期間，控制策略可通過調節溫度、流量、壓力和電流消耗來改變水合狀況，以改善系統的性能並延長系統的壽命。控制策略可使用對燃料電池的水合狀態的精確測量或估計來促進其操作。如本文所討論的，根據來自基於多項式混沌的估計器的輸出而實時地估計陽極入口流的相對溼度的方法可消除對氫再循環系統內的相對溼度(或露點溫度)傳感器的需要。

圖3示出了氫再循環系統的示例，通稱為氫再循環系統200。氫再循環系統200可與燃料電池(諸如，上面描述的pem燃料電池40)一起操作。氫再循環系統200可包括罐204、第一閥206、噴射器210、止回閥212、第一管214、燃料電池堆216、第二管218、分離器(knockoutdrain)222和第二閥224。罐204可包括乾燥的氫氣。第一閥206可以是壓力控制閥，以便於將預定量的乾燥的氫氣引入到噴射器210。乾燥的氫氣可以與從分離器222進入噴射器210的氫氣混合物混合。從噴射器210排出的氣體混合物可經過止回閥212和第一管214，並取道流動至燃料電池堆216。氣體混合物的一部分可被燃料電池堆216消耗，從陰極(未示出)經過的水和氮可在燃料電池堆216內與所述氣體混合物結合，以限定燃料電池堆輸出混合物。隨後，燃料電池堆輸出混合物可經過第二管218並取道流動至分離器222。燃料電池堆輸出混合物的液態水可以通過分離器222去除。分離器222還可以去除一些氮氣和氫氣。可以基於陽極埠處的物質的化學計量比來清除預定量的氮和水。燃料電池堆輸出混合物的剩餘氣體可被引導回到噴射器210。隨後，第二閥224可清除氫再循環系統200中的任何剩餘液體。

一組三個狀態方程可協助提供氫再循環系統200的動態模型。所述三個狀態是噴射器210的初始壓力p1、第一管214中的壓力pup和第二管218中的壓力pds。噴射器210的靜態模型可結合三個動態方程。估計器可使用氫再循環系統200的模型來計算燃料電池堆216內的反應物的消耗量和產物的生成量。所述模型可計算氫再循環系統200的氣體組分的摩爾分數，並且可預測陽極埠(諸如陽極入口220或陽極出口221)處的氫氣的相對溼度。估計器可使用線性化的模型或非線性化的模型。可以設想氫再循環系統200的模型可以在不使用第一管214和第二管218的體積計算的情況下運行。例如，使用噴射器210的靜態模型的一組方程可包括0個、1個、2個或更多個動態方程。靜態和/或動態方程可預測一次流量和二次流量。可通過參數估計和濾波降低預測中的不確定性。

線性化的模型可將不確定性加入到模型預測的通過噴射器(諸如噴射器210)的二次噴嘴的流量。可使用基於多項式混沌的估計技術來降低不確定性並改善相對溼度估計。圖4示出了針對改善溼度預測的參數估計的算法的示例，通稱為算法250。在操作254處，傳感器可測量罐的壓力。在操作256中，可測量燃料電池堆的入口壓力值。在操作258中，可以基於氫再循環系統模型預測陽極埠的壓力。在操作260中，可以基於罐壓力和入口壓力計算溼度值。在操作262中，可以將測量的入口壓力和預測的壓力進行比較以獲得誤差值。在操作264中，可應用參數估計或濾波來估計模型的不確定性。隨後，在操作266中，可以基於參數估計或濾波更新模型，以改善模型的預測的溼度值。

圖5示出了用於估計器使用的噴射器210的模型的示例。來自罐204的氫氣的一次流可在位置1處進入噴射器210的第一入口300。來自分離器222的二次流可在位置2處進入噴射器210的第二入口304。一次流可在位置3處的一次噴嘴306中加速到音速。位置4與位置5之間的虛線可表示虛擬噴嘴310。一次流和二次流均都可在虛擬噴嘴310內的位置5處達到音速。虛擬噴嘴310的面積可基於噴射器210的幾何形狀、一次流的馬赫數、第一入口300和第二入口304處的壓力值以及一次流和二次流的流體的屬性。對於不同的壓力比，可將線性擬合應用到位置5處的二次流噴嘴的面積以及馬赫數。氫再循環系統200的動態方程可以通過應用線性擬合而被線性化。

例如，

其中，p1是噴射器的一次入口處的流體的壓力，pup是燃料電池堆陽極的入口處的流體的壓力(即，上遊壓力)，pds是燃料電池堆陽極的出口處的流體的壓力(即，下遊壓力)，pr是測量的受控的罐(或氫源)壓力，kt是將噴射器入口壓力關聯到從罐(或氫源)流出的流體的質量流量的係數，k1是與一次流體的屬性和噴射器一次噴嘴的幾何形狀有關的係數，kup是與上遊流體的體積、溫度、摩爾質量和其它屬性有關的係數，kδp是將燃料電池堆陽極的壓降關聯到流過燃料電池堆的流量的係數，kds是與下遊流體的體積、溫度、摩爾質量和其它屬性有關的係數，a0是線性擬合到噴射器二次噴嘴面積的y軸截距，ka是線性擬合到噴射器二次噴嘴面積的斜率，ki將陽極壓降關聯到燃料電池堆的電流，wx是在燃料電池堆內部從陰極到陽極的流體的流量，wko是從分離器流出的流體的質量流量，θ是估計參數。

效率低下和建模簡化會在二次噴嘴面積和流入噴射器210中的二次流的質量流量的計算中增加不確定性。該不確定性通過包含參數θ而建模在方程(2)中。以多項式混沌理論為基礎的最大似然估計技術可用於估計不確定參數θ。例如，θ可以依據混沌變量ξ項展開，混沌變量ξ是已知先驗分布的隨機變量。如果θ具有已知的下限θmin和上限θmax，則ξ可以是在區間[-1,1]上均勻分布的隨機變量。未知的變量θ可以根據ξ寫成如下

方程(2)的狀態方程可以近似為混沌變量的正交多項式函數φ(ξ)的展開。

可將方程(4)的展開代入回到方程(2)中，並隨後投影到正交基函數φ(ξ)上。這生成一組展開的狀態方程，其中，展開係數xup,i和xds,i，i＝0，…，s-1是系統狀態。

在方程(5)中，ⅱ是s×s單位矩陣。例如，

方程(5)還可以使用下面的定義

由於投影方面，方程(5)不是ξ的函數，而是確定的。由於線性，一旦初始條件已知，則假設零階保持的精確數值積分可用於求解。當噴射器的電磁閥上遊打開時可使用方程(5)。當電磁閥關閉時，壓力p1和pds可變為與測量的壓力pup相等。因此，對於初始條件，每當上遊閥關閉(由於噴射器的脈衝運轉上遊閥關閉會是頻繁的)時，方程(5)的狀態可設置為下面的值。

xup,0＝pup,xup,i＝0,i＝1,…,s-1

xds,0＝pup,xds,i＝0,i＝1,…,s-1

p1＝pup(11)

噴射器的運轉可以是脈衝的，因此，方程可被頻繁地重置到方程(11)中的它們的測量值。重置到方程(11)的測量值可有助於避免方程(5)和方程(1)的狀態軌跡的漂移。實時地求解方程(5)為方程(4)提供展開係數，因此，隨機過程pup和pds(近似地)為實時已知。估計的一個目標是確定隨機變量ξ的最可能的實現值(mostlikelyrealization)。給定ξ的實現值隨機過程可壓縮到確定性的軌跡中。因此，最大似然估計旨在選擇ξ的實現值，使得生成的軌跡最像測量的變量pup。假設測量噪聲為累加的並且為高斯噪聲，則最大似然估計將使下列優化最小化。

其中，β是遺忘因子並等效於使函數最小化。

其中

並且

φ(ξ)：＝[φ0φ1…φs-1](15)

由於方程(14)不依賴於未知參數ξ，因此在前一時間步長tk-1的估計對在當前時間步長tk的估計沒有影響。可以使用各種技術確定的估計。作為示例，在每個時間步長，可以從區間[-1,1]中隨機地選擇ξ的實現值並且相應的代價可與先前最佳的實現值ξk-1的代價比較。算法可以以具有最低的代價保持實現值。

結果可代入到方程(3)中，變為θ的當前估計的方程

隨著估計器獲得更多的信息，它對θ的預測得到改善，並且模型中的不確定性降低以提高模型精確地預測(例如)燃料電池堆216的陽極入口220或陽極出口221處的流體相對溼度的能力。

在另一個示例中，估計器可使用氫再循環系統的非線性模型和時變模型來預測陽極埠(諸如陽極入口220或陽極出口221)處的氫氣的相對溼度。在該示例中，所述模型可計算燃料電池堆216中的反應物的消耗量和產物的生成量，諸如氣體組分的摩爾分數。為了改善相對溼度預測，反饋控制器可將模型的受控的氫壓力信號調整為測量的壓力附近，使得陽極入口壓力的模型預測值與測量值之間的差收斂到零。反饋控制器可以是(例如)比例積分微分控制器、模型預測控制器或狀態觀測器/反饋器。

圖6示出了針對用於改善氫再循環系統的一部分的溼度預測的參數估計或濾波估計的算法的示例，通稱為算法400。在操作402中，可以獲取用於車輛的燃料電池堆的氫再循環系統的傳感器和致動器數據。在操作404中，控制器可激活氫再循環系統的數值模型，可使用所獲取的數據來運行所述數值模型以辨識系統的陽極埠壓力的預測值，從而獲得陽極埠的溼度、反應物氣體和惰性氣體的濃度。例如，反應物氣體可包括陽極埠的物質的化學計量比。此外，在操作406中，控制器可將陽極埠的測量壓力與模型的預測值進行比較，以確定壓力是否匹配。如果壓力不匹配，則在操作408中，控制器可激活參數估計或濾波以估計模型的不確定性。在操作410中，可以更新模型以補償不確定性，從而可以以更新的數據再次激活操作404中的數值模型。如果在操作406中壓力匹配，可以信任模型預測的陽極埠溼度、反應物氣體和惰性氣體的濃度，以計算系統的陽極埠的相對溼度值。

雖然上文描述了各個實施例，但是並不意味著這些實施例描述了權利要求所涵蓋的所有可能形式。說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限制性詞語，並且應理解，在不脫離本公開的精神和範圍的情況下可作出各種改變。如之前描述的，可組合各個實施例的特徵以形成本公開的可能未被明確描述或示出的進一步實施例。雖然各個實施例已經被描述在一個或更多個期望的特性方面提供優點或優於其它實施例或現有技術實施方式，但是本領域的普通技術人員應認識到，根據特定的應用和實施方式一個或更多個特徵或特性可被折衷以實現期望的整體系統屬性。這些屬性可包括但不限於：市場可用性、外觀、一致性、穩健性、用戶可接受性、可靠性、精確性等。因此，所描述的在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現有技術實施方式合意的實施例並不在本公開的範圍之外，並且可期望用於特定應用。