用于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的反應(yīng)性壓縮機(jī)喘振減輕策略的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的反應(yīng)性壓縮機(jī)喘振減輕策略，提供了用于減輕車輛燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)中的喘振狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。如果壓縮機(jī)在等于或大于閾值速度下操作，則第一喘振減輕策略調(diào)節(jié)陰極背壓閥。如果壓縮機(jī)在低于閾值速度下操作，則第二喘振減輕策略調(diào)節(jié)再循環(huán)閥。在一種形式中，基于反饋的控制可用作更大的基于前饋的控制策略的一部分，使得減輕是反應(yīng)性控制策略的一部分。該策略可以另外在基于處理器的控制器中實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】用于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的反應(yīng)性壓縮機(jī)喘振減輕策略
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及減輕車輛燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中的壓縮機(jī)喘振狀態(tài)，并且更具體的涉及用于基于壓縮機(jī)的速度減輕壓縮機(jī)喘振狀態(tài)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種對(duì)使用汽油或相關(guān)的石油基源作為車輛推進(jìn)系統(tǒng)中的主要能量源的替代方案。特別地，通過混合在燃料電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物，可生成電流并用該電流來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或做其它有用功。在一種形式中，由電流提供動(dòng)力的馬達(dá)可單獨(dú)或與石油基燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合推進(jìn)車輛。在汽車應(yīng)用中，各個(gè)燃料電池可串聯(lián)或并聯(lián)布置為燃料電池堆以便產(chǎn)生更高的電壓或電流產(chǎn)量。此外，通過結(jié)合多于一個(gè)堆可獲得更高的產(chǎn)量。
[0003]在典型的燃料電池中，氫氣或另一種反應(yīng)物氣體被提供至燃料電池的陽極，而基于氧的反應(yīng)物(例如，環(huán)境空氣)被提供至燃料電池的陰極。氫氣被催化地分解成電子和帶正電的離子，使得將陽極與陰極分開的電解質(zhì)層允許離子傳送到陰極，同時(shí)防止電子這樣傳送。相反，電子繞過電解質(zhì)層穿過負(fù)載并返回到陰極，以允許利用電能。在陰極處，離子、電子和所提供的氧氣或空氣通常結(jié)合以產(chǎn)生水和熱量。各個(gè)燃料電池可串聯(lián)或并聯(lián)布置為燃料電池堆以便產(chǎn)生更高的電壓或電流產(chǎn)量。此外，通過結(jié)合多于一個(gè)堆可獲得更高的產(chǎn)量。
[0004]為了改善反應(yīng)物氣體的輸送，常常使用加壓源。例如，常常借助于壓縮機(jī)將空氣輸送至燃料電池系統(tǒng)的陰極側(cè)，其中使用諸如閥門、控制器等的輔助設(shè)備來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和燃料電池之間的空氣流。壓縮機(jī)輔助的輸送系統(tǒng)的固有屬性(至少在其涉及陰極側(cè)操作時(shí))是陰極的壓力和流量控制被結(jié)合在一起；這種結(jié)合意味著常?？梢酝ㄟ^基于前饋的控制策略來利用已知的或可確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，以便最佳地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。這樣，可將基于壓縮機(jī)的已知操作特性的命令信號(hào)發(fā)送至壓縮機(jī)，以便以將確?？深A(yù)測(cè)、可重復(fù)的響應(yīng)的方式影響壓縮機(jī)中的變化。
[0005]盡管有用于壓縮機(jī)的基于前饋的控制策略的優(yōu)點(diǎn)，但某些操作條件可能危害系統(tǒng)的可操作性和部件耐久性。這樣，使用基于此類策略的車輛燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，特別是在它涉及會(huì)導(dǎo)致喘振或相關(guān)的不期望的壓縮機(jī)現(xiàn)象的操作條件時(shí)。當(dāng)存在喘振時(shí)，來自壓縮機(jī)出口的背壓足夠高，從而阻止壓縮機(jī)按設(shè)計(jì)方式泵送。這造成壓縮機(jī)中的氣體流顛倒方向，有可能導(dǎo)致推力軸承、葉片和其它上游壓縮機(jī)部件受損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種基于反應(yīng)性算法的使用的壓縮機(jī)喘振減輕系統(tǒng)可在檢測(cè)到喘振狀態(tài)的情況下減小喘振的影響。該系統(tǒng)可引發(fā)陰極背壓閥和壓縮機(jī)再循環(huán)閥中的至少一個(gè)內(nèi)的操作變化，以減小這樣的條件對(duì)系統(tǒng)操作的影響。如上所述，壓縮機(jī)在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的使用為汽車工業(yè)提出了額外的挑戰(zhàn)，其中不能向燃料電池提供反應(yīng)物氣體的精確量和溫度會(huì)顯著影響燃料電池性能，繼而影響車輛續(xù)航能力、運(yùn)行成本等。利用考慮壓縮機(jī)的操作狀態(tài)的本發(fā)明的不同喘振減輕策略減小了喘振狀態(tài)的影響，同時(shí)最小化此類減輕策略對(duì)燃料電池性能的影響。值得注意的是，本發(fā)明的喘振避免得以快速地實(shí)現(xiàn)，從而避免不期望的操作條件(例如，壓縮機(jī)過熱)，同時(shí)也有助于燃料電池系統(tǒng)的高效操作。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種避免車輛燃料電池系統(tǒng)中的喘振的方法。該方法包括將對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)中使用的壓縮機(jī)的操作特性的壓縮機(jī)圖保持在存儲(chǔ)器內(nèi)。該方法也包括使用默認(rèn)策略控制壓縮機(jī)，使得其操作接近在壓縮機(jī)圖的非喘振區(qū)域內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)。該方法還包括檢測(cè)壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在和在檢測(cè)到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)以高于閾值的速度操作的情況下利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略。在檢測(cè)到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)以低于閾值的速度操作的情況下，該方法采用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。在一種形式中，檢測(cè)可通過基于處理器的協(xié)議進(jìn)行。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于車輛燃料電池系統(tǒng)的控制器。該控制器包括一個(gè)或多個(gè)處理器和與該一個(gè)或多個(gè)處理器通信的非易失性存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)機(jī)器指令，在由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，該指令造成處理器保持對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)中使用的壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖并且使用默認(rèn)策略控制壓縮機(jī)，使得其操作接近壓縮機(jī)圖非喘振區(qū)域內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)。在一種形式中，這樣的默認(rèn)策略可以(雖然未必)對(duì)應(yīng)于基于前饋的設(shè)計(jì)。指令進(jìn)一步造成一個(gè)或多個(gè)處理器檢測(cè)壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在并利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略。指令附加地造成一個(gè)或多個(gè)處理器利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。更具體地講，如果檢測(cè)到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作，控制器指示陰極背壓閥調(diào)整，而再循環(huán)閥可以在檢測(cè)到喘振并且壓縮機(jī)在低于閾值的速度下操作時(shí)的情況中被調(diào)整。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了一種車輛燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括構(gòu)造成提供車輛內(nèi)的原動(dòng)力的至少一部分的燃料電池堆。該系統(tǒng)也包括用于向系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)燃料電池提供反應(yīng)物(例如，空氣或另一種含氧流體)的壓縮機(jī)。該系統(tǒng)也包括可操作地連接到壓縮機(jī)的入口和出口的再循環(huán)閥。該系統(tǒng)還包括可操作地連接到燃料電池堆的出口的背壓閥。燃料電池系統(tǒng)的操作由與再循環(huán)閥、壓縮機(jī)和背壓閥通信的控制器調(diào)控?？刂破骶哂幸粋€(gè)或多個(gè)處理器和與該一個(gè)或多個(gè)處理器通信的非易失性存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令，在由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，該指令造成一個(gè)或多個(gè)處理器保持對(duì)應(yīng)于壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖并且使用默認(rèn)策略控制壓縮機(jī)，使得壓縮機(jī)的操作接近壓縮機(jī)圖非喘振區(qū)域內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)。指令進(jìn)一步造成一個(gè)或多個(gè)處理器檢測(cè)壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在并在檢測(cè)到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略。指令還造成一個(gè)或多個(gè)處理器在檢測(cè)到喘振狀態(tài)并且壓縮機(jī)在低于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
[0010]本發(fā)明提供下列技術(shù)方案。
[0011]技術(shù)方案1.一種用于避免車輛燃料電池系統(tǒng)壓縮機(jī)中的喘振的方法，所述方法包括:
在存儲(chǔ)器內(nèi)保持對(duì)應(yīng)于所述壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖；
使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)；以及
在檢測(cè)到所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)時(shí)，在所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，或者在所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
[0012]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中通過生成造成所述陰極背壓閥打開的陰極背壓閥控制命令來調(diào)節(jié)所述陰極背壓閥。
[0013]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，還包括在所述存儲(chǔ)器內(nèi)保持喘振距離設(shè)定點(diǎn)，所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)指示所述設(shè)定點(diǎn)和所述壓縮機(jī)圖的喘振線之間的距離。
[0014]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的方法，其中通過將喘振減輕距離值增加到所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)以調(diào)整所述設(shè)定點(diǎn)來調(diào)節(jié)所述再循環(huán)閥。
[0015]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，還包括生成造成所述再循環(huán)閥打開的再循環(huán)閥控制命令。
[0016]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，還包括:
檢測(cè)所述喘振狀態(tài)的結(jié)束；以及
使所述壓縮機(jī)的控制恢復(fù)至所述默認(rèn)策略。
[0017]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中在所述喘振狀態(tài)超出時(shí)間限制時(shí)所述陰極背壓閥和所述再循環(huán)閥中的至少一個(gè)被調(diào)節(jié)以保持在打開位置，還包括提供警報(bào)至接口裝置。
[0018]技術(shù)方案8.—種用于車輛燃料電池系統(tǒng)的控制器,包括:
至少一個(gè)處理器；以及
非易失性存儲(chǔ)器，其與所述至少一個(gè)處理器通信，其中所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)機(jī)器指令，所述機(jī)器指令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)造成所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行下列步驟:
保持對(duì)應(yīng)于所述車輛燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖，
使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定
點(diǎn)，
檢測(cè)所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在，
在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，以及
在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
[0019]技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案8所述的控制器，其中作為所述第一喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器生成打開所述陰極背壓閥的陰極背壓閥控制命令。
[0020]技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案8所述的控制器，其中所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器保持喘振距離設(shè)定點(diǎn)，所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)指示在所述設(shè)定點(diǎn)和所述壓縮機(jī)圖的喘振線之間的距離。
[0021]技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案10所述的控制器，其中作為所述第二喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器通過將喘振減輕距離值增加到所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)而調(diào)整所述設(shè)定點(diǎn)。
[0022]技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的控制器，其中作為所述第二喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器生成打開所述再循環(huán)閥的再循環(huán)閥控制命令。
[0023]技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案8所述的控制器，其中所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器檢測(cè)所述喘振狀態(tài)的結(jié)束并在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)的情況中使用所述默認(rèn)策略來控制所述壓縮機(jī)。
[0024]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案8所述的控制器，其中所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器控制所述陰極背壓閥和所述再循環(huán)閥中的至少一個(gè)以保持打開并且在所述喘振狀態(tài)超出時(shí)間限制時(shí)將警報(bào)提供至接口裝置。
[0025]技術(shù)方案15.—種車輛燃料電池系統(tǒng),包括:
燃料電池堆；
壓縮機(jī)，其可操作地連接到所述燃料電池堆以將壓縮氣體提供至所述燃料電池堆； 再循環(huán)閥，其可操作地連接到所述壓縮機(jī)的入口和出口 ；
背壓閥，其可操作地連接到所述燃料電池堆的出口 ；以及
控制器，其與所述再循環(huán)閥、所述壓縮機(jī)和所述背壓閥通信，所述控制器包括至少一個(gè)處理器和與所述至少一個(gè)處理器信號(hào)通信的非易失性存儲(chǔ)器，使得存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的指令造成所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行下列步驟:
保持對(duì)應(yīng)于所述壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖，
使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定
點(diǎn)，
檢測(cè)所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在，
在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)，利用調(diào)節(jié)所述陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，以及
在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)，利用調(diào)節(jié)所述再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
[0026]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案15所述的控制器，其中作為所述第一喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器生成打開所述陰極背壓閥的陰極背壓閥控制命令。
[0027]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案15所述的控制器，其中所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器保持喘振距離設(shè)定點(diǎn)，所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)指示在所述設(shè)定點(diǎn)和所述壓縮機(jī)圖的喘振線之間的距離。
[0028]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的控制器，其中作為所述第二喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器通過將喘振減輕距離值增加到所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)而調(diào)整所述設(shè)定點(diǎn)。
[0029]技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案18所述的控制器，其中作為所述第二喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器生成打開所述再循環(huán)閥的再循環(huán)閥控制命令。
[0030]技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案15所述的控制器，其中所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器檢測(cè)所述喘振狀態(tài)的結(jié)束并且使用所述默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0031]當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，可以最好地理解以下的具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中類似的結(jié)構(gòu)用類似的附圖標(biāo)記表示，并且在附圖中:
圖1是具有燃料電池系統(tǒng)的車輛的示意圖；
圖2是圖1所示燃料電池系統(tǒng)的示意圖；
圖3是構(gòu)成圖2的系統(tǒng)的一部分的壓縮機(jī)圖的圖示；
圖4是用于減輕圖2的燃料電池系統(tǒng)的喘振狀態(tài)的方法的流程圖；以及 圖5是構(gòu)成圖2的燃料電池系統(tǒng)的一部分的控制器的示意圖。
[0032]附圖中所示出的實(shí)施例本質(zhì)上是示例性的而并非意圖限制由權(quán)利要求限定的實(shí)施例。此外，根據(jù)以下的詳細(xì)描述，將更加全面地清楚和理解附圖和實(shí)施例的各個(gè)方面。
【具體實(shí)施方式】
[0033]首先參看圖1，根據(jù)本文所示出和描述的實(shí)施例示出車輛10。車輛10 (例如，轎車、公共汽車、卡車或摩托車)包括發(fā)動(dòng)機(jī)100，發(fā)動(dòng)機(jī)100可以是全電動(dòng)或混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(例如，使用電力和石油基燃燒兩者用于推進(jìn)目的的發(fā)動(dòng)機(jī))。包括單獨(dú)的燃料電池的至少一個(gè)堆204的燃料電池系統(tǒng)200可用于提供發(fā)動(dòng)機(jī)100的電能需求的至少一部分。在優(yōu)選的形式中，燃料電池系統(tǒng)200是氫基系統(tǒng)，該氫基系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)燃料儲(chǔ)罐(未示出)、以及任意數(shù)量的閥門、壓縮機(jī)、配管、溫度調(diào)節(jié)器、電儲(chǔ)存裝置(例如，電池、超電容器等)和提供對(duì)其操作的控制的控制器。
[0034]可使用任何數(shù)量的不同類型的燃料電池來構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)200的堆204 ;這些電池可以是金屬氫化物電池、堿性電池、電化學(xué)電池或其它變型。在一個(gè)優(yōu)選(但非必要)的形式中，燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜(也稱為質(zhì)子交換膜，在這兩種情況中均為PEM)燃料電池。堆204包括多個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)組合的這樣的燃料電池，以便產(chǎn)生更高的電壓和/或電流產(chǎn)量。然后可以將由燃料電池系統(tǒng)200產(chǎn)生的電能直接提供至發(fā)動(dòng)機(jī)100或存儲(chǔ)在電儲(chǔ)存裝置(未示出)，以供車輛10以后使用。
[0035]接下來參看圖2，示出了燃料電池系統(tǒng)200的示意圖，其中壓縮機(jī)202在入口 202A處接收空氣，對(duì)空氣加壓，并將其經(jīng)由出口 202B提供至堆204的入口 204A，在入口 204A處，空氣隨后通過聯(lián)箱、歧管或相關(guān)的流動(dòng)路徑(均未示出)被傳送至陰極206，在陰極206處，氣體被用來與引入到燃料電池堆204的陽極(未示出)的氫氣催化地反應(yīng)以產(chǎn)生用于車輛10的電能。然后從堆204的出口 204B去除排氣和/或排液。
[0036]燃料電池系統(tǒng)200也包括有助于調(diào)節(jié)穿過整個(gè)系統(tǒng)的氣體的流量的許多閥門。例如，燃料電池系統(tǒng)200可包括允許氣體燃料中的一些或全部繞過燃料電池堆204的旁路閥214。同樣，陰極背壓閥216用來調(diào)節(jié)來自堆204的出口 204B的排氣的流量。燃料電池系統(tǒng)200也包括選擇性地連接壓縮機(jī)202的出口 202B和入口 202A的再循環(huán)閥218。
[0037]燃料電池系統(tǒng)200還包括測(cè)量該系統(tǒng)內(nèi)的氣體的特性的許多傳感器。例如，燃料電池系統(tǒng)200可包括測(cè)量來自燃料儲(chǔ)罐的空氣質(zhì)量流量的流量計(jì)220。燃料電池系統(tǒng)200中的傳感器(未示出)的其它非限制性示例包括測(cè)量燃料電池系統(tǒng)200中使用的一種或多種氣體的壓力、溫度、密度或相關(guān)性質(zhì)的傳感器。另外的示例包括測(cè)量閥門214、216、218的閥門位置和壓縮機(jī)202的速度的傳感器(未示出)。在尤其對(duì)成本敏感的配置中，可去掉壓力傳感器，并且在其中不使用壓力傳感器的這樣的情況中，將需要在算法中包括壓降模型以解決系統(tǒng)200操作條件中的變化。
[0038]如果在出口 202B處背壓過高，在壓縮機(jī)202會(huì)逐步形成喘振狀態(tài)，從而阻止壓縮機(jī)202進(jìn)行泵送。在這種情況下，通過壓縮機(jī)202的氣體流顛倒，有可能對(duì)壓縮機(jī)的葉片、推力軸承或其它部件造成損壞?？梢圆捎萌舾煞N措施來減輕壓縮機(jī)202中的喘振狀態(tài)。在一種情況下，可以打開再循環(huán)閥218以幫助減小壓縮機(jī)202的出口 202B處的背壓。校準(zhǔn)過的速率限制器可用來快速打開再循環(huán)閥218，然后在喘振狀態(tài)已結(jié)束時(shí)將再循環(huán)閥218平穩(wěn)地關(guān)回到其初始位置。值得注意的是，可存在其中操縱再循環(huán)閥218以減輕喘振狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)200不利的操作條件。例如，將壓縮空氣(伴隨著其溫度的同時(shí)升高)再循環(huán)回壓縮機(jī)入口 202A內(nèi)會(huì)將不期望的熱負(fù)載施加到壓縮機(jī)202上。因此，調(diào)節(jié)再循環(huán)閥218應(yīng)在壓縮機(jī)202在低于對(duì)應(yīng)的閾值的速度下操作時(shí)進(jìn)行，以減小再引入已壓縮的空氣的影響。
[0039]減輕壓縮機(jī)202中的喘振狀態(tài)的另一種可能的方式是打開陰極背壓閥216以便減小在壓縮機(jī)202的出口 202B處的壓力。校準(zhǔn)過的速率限制器(未示出)也可用來快速打開陰極背壓閥216，然后在喘振狀態(tài)已結(jié)束時(shí)將陰極背壓閥216平穩(wěn)地關(guān)回到其初始位置。然而，由于陰極背壓閥216也用來調(diào)節(jié)在燃料電池堆204處的壓力，并且由于由燃料電池堆204產(chǎn)生的功率取決于濕度和氧氣的分壓，因此調(diào)節(jié)陰極背壓閥216以減輕喘振狀態(tài)可能導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)200的減少的能量產(chǎn)生，而不是將堆壓力控制到設(shè)定點(diǎn)。因此，減輕喘振狀態(tài)需要考慮對(duì)系統(tǒng)的可操作性的這些和其它影響。
[0040]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如果壓縮機(jī)202的速度低于閾值，則在檢測(cè)到喘振狀態(tài)時(shí)打開再循環(huán)閥218 (其比背壓閥216更容易操縱，因?yàn)楸硥洪y還影響堆204的壓力并且可能會(huì)造成堆204不期望地移動(dòng)離開其壓力設(shè)定點(diǎn))。然而，如果壓縮機(jī)202的速度高于閾值，則在檢測(cè)到喘振狀態(tài)時(shí)優(yōu)選地打開陰極背壓閥216，因?yàn)樵傺h(huán)閥218的操縱會(huì)把受熱的壓縮空氣引回到壓縮機(jī)入口 202A中，該壓縮空氣(如果以非常大的量存在)可能將壓縮機(jī)入口溫度升高至不期望地高的水平。此外，如果喘振狀態(tài)在規(guī)定量的時(shí)間之后不減輕，陰極背壓閥216可保持打開，并且警報(bào)車輛100的駕駛員需要維護(hù)。
[0041]現(xiàn)在參看圖3，示出了壓縮機(jī)圖500。壓縮機(jī)圖500 (該圖表示基于有關(guān)壓縮機(jī)202在基準(zhǔn)操作條件下的速度和壓力比的知識(shí)的壓縮機(jī)202的操作特性)提供了用來通過允許基于壓縮機(jī)202的操作狀態(tài)預(yù)測(cè)喘振狀態(tài)而預(yù)測(cè)壓縮機(jī)202的行為的有用工具。通常，壓縮機(jī)圖500將壓力比502與通過壓縮機(jī)202的氣體的流量504相關(guān)聯(lián)。壓縮機(jī)圖500中的喘振線506還劃定導(dǎo)致喘振狀態(tài)的壓縮機(jī)202操作狀態(tài)與不導(dǎo)致喘振狀態(tài)的壓縮機(jī)202操作狀態(tài)之間的界限。更具體地講，圖500表明當(dāng)壓縮機(jī)202的背壓高到足以阻止來自壓縮機(jī)出口 202B的排放物被泵送時(shí)可能發(fā)生喘振；如上所述，這樣的狀態(tài)(以及與其相伴的流量的劇烈波動(dòng))會(huì)損壞壓縮機(jī)202。
[0042]如圖所示，壓縮機(jī)圖500將壓縮機(jī)的壓力比用作I軸線502，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，也可以使用另一參數(shù)沿y軸線。例如，出口溫度與入口溫度的比率可代替壓力比用于y軸線502。圖2中的壓縮機(jī)202的壓力比可通過獲取出口 202B處的壓力與入口 202A處的壓力的比率來計(jì)算。圖500還將壓縮機(jī)的質(zhì)量流量用作X軸線504。雖然結(jié)合壓縮機(jī)圖500示出壓力比和質(zhì)量流量，但應(yīng)當(dāng)理解，壓縮機(jī)圖500也可使用其它值構(gòu)造。值“η”表示壓縮機(jī)的速度，并且圖500示出為包括對(duì)應(yīng)于不同的壓縮機(jī)速度“η”的多個(gè)速度線505。
[0043]壓縮機(jī)圖500的喘振線506表示壓縮機(jī)的操作的兩個(gè)區(qū)域。如圖所示，喘振線506左側(cè)的操作點(diǎn)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)，而喘振線506右側(cè)的操作點(diǎn)落在壓縮機(jī)的正常操作區(qū)域內(nèi)，即，壓縮機(jī)能夠?qū)嚎s氣體泵送通過其出口。壓縮機(jī)的操作點(diǎn)和喘振線506之間的距離(也被稱為喘振裕度)提供了對(duì)壓縮機(jī)離喘振狀態(tài)多近的量度。
[0044]點(diǎn)508 (點(diǎn)A)、510 (點(diǎn)B)、514(點(diǎn)C)和515 (點(diǎn)D)示出了可由壓縮機(jī)經(jīng)歷的各種操作條件。在一種形式中，溫度極限線509可能與喘振線506相交；該狀態(tài)限定了可用來確定喘振減輕策略的使用可能是有利的位置的速度閾值。在第一種情況下，壓縮機(jī)在點(diǎn)508 (點(diǎn)A)處，表明存在喘振狀態(tài)。這里，點(diǎn)508 (點(diǎn)A)在溫度極限線509的右側(cè)，這意味著壓縮機(jī)202在高速度和高壓力比下運(yùn)行。因此，應(yīng)打開陰極背壓閥216而不是再循環(huán)閥218，以免壓縮機(jī)202過熱。打開陰極背壓閥216由此將壓縮機(jī)202的操作狀態(tài)從點(diǎn)508經(jīng)喘振線506移動(dòng)至點(diǎn)510 (點(diǎn)B)，表明壓縮機(jī)202不再處于喘振狀態(tài)。
[0045]在第二種情況下，壓縮機(jī)在點(diǎn)514 (點(diǎn)C)處，也表明存在喘振狀態(tài)。然而，在這里，點(diǎn)514 (點(diǎn)C)在溫度極限線509的左側(cè)并且表明壓縮機(jī)202在低速度和低壓力比下運(yùn)行，從而允許使用再循環(huán)閥218來減輕喘振狀態(tài)。因此，可以增加喘振裕度以迫使再循環(huán)閥218打開并將壓縮機(jī)的操作狀態(tài)移動(dòng)至點(diǎn)515 (點(diǎn)D)，在該點(diǎn)處，喘振狀態(tài)已減輕并且壓縮機(jī)202返回到其正常操作范圍內(nèi)。與壓縮機(jī)圖500相關(guān)聯(lián)的各種操作條件的另外的細(xì)節(jié)在由本發(fā)明的受讓人在與本申請(qǐng)同一天提交的名稱為“SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING ACOMPRESSOR RECIRCULATION VALVE”(用于控制壓縮機(jī)再循環(huán)閥的系統(tǒng)和方法)(代理人案卷號(hào)P015974-FCA-CHE)的共同申請(qǐng)中闡述，該申請(qǐng)全文以引用方式并入本文中。
[0046]現(xiàn)在結(jié)合圖3參看圖4，根據(jù)本文所示出和描述的實(shí)施例示出了對(duì)應(yīng)于用于減輕圖2的燃料電池系統(tǒng)200中的喘振狀態(tài)的方法的一些步驟的流程圖。該方法可由例如燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)控制器400實(shí)現(xiàn)。步驟402表示具有對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)200的壓縮機(jī)202的操作的操作參數(shù)的壓縮機(jī)圖(例如圖3的圖500);在優(yōu)選的形式中，圖500保持在控制器400的存儲(chǔ)器 內(nèi)。例如，壓縮機(jī)圖500可在控制器400的存儲(chǔ)器404 (在圖5中示出并在下文中更詳細(xì)討論)中存儲(chǔ)為查找表、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或允許控制器400確定壓縮機(jī)202的操作狀態(tài)與喘振線505有關(guān)的位置的任何其它存儲(chǔ)機(jī)制。壓縮機(jī)圖500可使用由例如壓縮機(jī)202的制造商提供的信息預(yù)加載到控制器400中或使用改變壓縮機(jī)202的操作并檢測(cè)喘振狀態(tài)的診斷例程來構(gòu)建。
[0047]在步驟404處，壓縮機(jī)圖500用來使用默認(rèn)控制策略控制壓縮機(jī)202。在一種形式中，對(duì)應(yīng)于壓縮機(jī)圖500內(nèi)的期望操作點(diǎn)的設(shè)定點(diǎn)用作壓縮機(jī)202的目標(biāo)操作狀態(tài)。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，默認(rèn)控制策略可調(diào)節(jié)再循環(huán)閥218以嘗試防止壓縮機(jī)202進(jìn)入壓縮機(jī)圖500的喘振區(qū)域中。例如，壓縮機(jī)202的壓力比W?可計(jì)算為:


Pji


Pcmprln
其中，Pcmpr0ut為壓縮機(jī)出口 202Β處的壓力，Pcmprln為壓縮機(jī)入口 202Α處的壓力。圖500可接著用來以如下方式確定用于在不跨過喘振線進(jìn)入喘振區(qū)域的情況下保持該壓力比的通過壓縮機(jī)202的最小流量:
【權(quán)利要求】
1.一種用于避免車輛燃料電池系統(tǒng)壓縮機(jī)中的喘振的方法，所述方法包括: 在存儲(chǔ)器內(nèi)保持對(duì)應(yīng)于所述壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖； 使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)；以及 在檢測(cè)到所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)時(shí)，在所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，或者在所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過生成造成所述陰極背壓閥打開的陰極背壓閥控制命令來調(diào)節(jié)所述陰極背壓閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述存儲(chǔ)器內(nèi)保持喘振距離設(shè)定點(diǎn)，所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)指示所述設(shè)定點(diǎn)和所述壓縮機(jī)圖的喘振線之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過將喘振減輕距離值增加到所述喘振距離設(shè)定點(diǎn)以調(diào)整所述設(shè)定點(diǎn)來調(diào)節(jié)所述再循環(huán)閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括生成造成所述再循環(huán)閥打開的再循環(huán)閥控制命令。
6.根據(jù)權(quán)利 要求1所述的方法，還包括: 檢測(cè)所述喘振狀態(tài)的結(jié)束；以及 使所述壓縮機(jī)的控制恢復(fù)至所述默認(rèn)策略。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述喘振狀態(tài)超出時(shí)間限制時(shí)所述陰極背壓閥和所述再循環(huán)閥中的至少一個(gè)被調(diào)節(jié)以保持在打開位置，還包括提供警報(bào)至接口裝置。
8.一種用于車輛燃料電池系統(tǒng)的控制器，包括: 至少一個(gè)處理器；以及 非易失性存儲(chǔ)器，其與所述至少一個(gè)處理器通信，其中所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)機(jī)器指令，所述機(jī)器指令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)造成所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行下列步驟: 保持對(duì)應(yīng)于所述車輛燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖， 使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)， 檢測(cè)所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在， 在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，以及 在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)利用調(diào)節(jié)再循環(huán)閥的第二喘振減輕策略。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制器，其中作為所述第一喘振減輕策略的一部分，所述指令進(jìn)一步造成所述至少一個(gè)處理器生成打開所述陰極背壓閥的陰極背壓閥控制命令。
10.一種車輛燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池堆； 壓縮機(jī)，其可操作地連接到所述燃料電池堆以將壓縮氣體提供至所述燃料電池堆； 再循環(huán)閥，其可操作地連接到所述壓縮機(jī)的入口和出口 ； 背壓閥，其可操作地連接到所述燃料電池堆的出口 ；以及控制器，其與所述再循環(huán)閥、所述壓縮機(jī)和所述背壓閥通信，所述控制器包括至少一個(gè)處理器和與所述至少一個(gè)處理器信號(hào)通信的非易失性存儲(chǔ)器，使得存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的指令造成所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行下列步驟: 保持對(duì)應(yīng)于所述壓縮機(jī)的操作的壓縮機(jī)圖， 使用默認(rèn)策略控制所述壓縮機(jī)，使得所述壓縮機(jī)的操作接近所述壓縮機(jī)圖內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)， 檢測(cè)所述壓縮機(jī)內(nèi)的喘振狀態(tài)的存在， 在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在高于閾值的速度下操作時(shí)，利用調(diào)節(jié)所述陰極背壓閥的第一喘振減輕策略，以及 在檢測(cè)到所述喘振狀態(tài)并且所述壓縮機(jī)在低于所述閾值的速度下操作時(shí)，利用調(diào)節(jié)所述再循環(huán)閥的第二喘振減 輕策略。
【文檔編號(hào)】F04B39/00GK103775306SQ201310509550
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月25日
【發(fā)明者】J.馬斯羅, Y.張 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司