用于控制燃料电池系统的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于控制燃料电池系统的系统和方法。更具体地，基于根据驾驶者需求转矩计算出的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流。然后基于燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速-1。然后使用目标SR补偿目标流速-1，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的RPM命令值。随后，基于计算出的RPM命令值，控制鼓风机的操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。更具体地，本申请涉及，其使非预期且不必要的过量空气供应最小化，并由此减少用于鼓风机操作的不必要的能量消耗，结果提高燃料电池车辆的燃料效率。
技术介绍
应用于氢燃料电池车辆的燃料电池系统通常包括:通过反应气体之间的电化学反应产生电的燃料电池组；向燃料电池组供应氢作为燃料的燃料处理系统(FPS);用于供应含氧空气作为燃料电池组中电化学反应所需的氧化剂的空气处理系统(APS);以及用于将反应热从燃料电池组去除到燃料电池系统外部、控制燃料电池组的工作温度并进行水管理的热管理系统(TMS)。在空气处理系统中，通过鼓风机把外部干空气强制吹入膜加湿器中，并且同时，把从燃料电池组的阴极出口排出的过饱和湿空气供入膜加湿器中。此时，通过干空气与湿空气之间的水交换而使干空气湿化，并且将湿化的空气供应至燃料电池组的阴极入口。目前，供应至燃料电池组阴极的空气是化学计量比(SR)的约两倍。供应至阴极的空气量影响燃料电池组的输出、燃料电池系统的效率、空气的相对湿度、水平衡等。具体地，根据空气量，当例如在燃料电池系统的起动或暖机预热期间工作温度较低时，可能发生溢流(过度冷凝)。而且，当例如在高功率操作期间工作温度增加时，在燃料电池组中聚合物电解质膜可能变干。因此，为提高燃料电池的性能，最佳地控制供应至阴极的空气量非常重要。作为用于控制空气供应量的常规方法，使用空气化学计量比基于与燃料电池组的电流相关的信息而计算目标流速的方法已被使用。为控制供应至燃料电池组的空气量，控制器计算目标流速，计算鼓风机的RPM命令值以使空气以计算目标流速供应至燃料电池组，并控制鼓风机的RPM以遵循计算出的RPM命令值。然而，在这种控制方法中仍然可能使过量的空气供应至阴极。具体地，如图1所示，在车辆实际工作条件下计算出的SR与目标SR之间存在差值。当实际工作条件下计算出的SR高于目标SR时，比最佳量更多的空气被供应至燃料电池组(即，过量空气供应)。这表明鼓风机被操作得比达到目标值所需的多，这消耗比鼓风机操作所需的能量多得多的能量，由此降低燃料电池车辆的燃料效率。而且，在鼓风机的操作期间，产生显著的噪音，并且因不必要的过量空气供应，燃料电池组内的水平衡受到影响，这可能使聚合物电解质膜变干，由此降低燃料电池的性能。上述在该
技术介绍
部分公开的信息仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术提供，其向燃料电池组供应精确量的空气，并因此可以防止由于过量空气被供应至阴极而可能在燃料电池组内发生的溢流或变干。更具体地，本专利技术提供用于控制燃料电池系统的方法，其可以使非预期且不必要的过量空气供应最小化，并因此可以减少用于鼓风机操作的不必要的能量消耗，并且提高燃料电池车辆的燃料效率。而且，本专利技术的示例性的实施方式提供，其通过控制基于空气流速的燃料电池电流，可以提高燃料电池系统的功率性能，并在燃料电池电流迅速改变的过渡期间防止从鼓风机产生噪声。一方面，本专利技术提供用于控制燃料电池系统的方法，该方法包括:通过处理器，基于根据驾驶者需求电流计算的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流；通过处理器，基于燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待供应至燃料电池组的空气的目标流速-1 ;通过处理器，使用目标SR补偿目标流速-1 ;通过处理器，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的RPM命令值；以及通过处理器，基于计算出的RPM命令值，控制鼓风机的操作。在一个示例性的实施方式中，计算驾驶者需求电流的步骤可包括:基于与加速踏板的驾驶者操作相应的加速踏板信号和车辆行驶速度，计算驾驶者需求转矩；基于驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率，计算驾驶者需求电流；以及基于驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流。在另一示例性的实施方式中，基于驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流的步骤可包括:基于驾驶者需求电流、车辆辅助需求电流、燃料电池系统配套设施(balanceof plant, BOP)需求电流、和电池协助电流,计算燃料电池需求电流-1 ;以及通过燃料电池补偿电流来补偿燃料电池需求电流-1，该燃料电池补偿电流包括燃料电池异常状态用补偿电流和燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流中的至少一个。在又一示例性的实施方式中，使用目标SR来补偿目标流速-1的步骤包括:基于测量的燃料电池电流和空气流速，计算空气的SR ;计算空气的计算SR与目标SR的SR比率；确定计算出的SR比率是否为预定最小值与预定最大值之间的值；以及当SR比率不是最小值与最大值之间的值时，将目标流速-1设置为目标流速-2而无需补偿，并且当SR比率是最小值与最大值之间的值时，通过利用如下式(El)补偿目标流速-1来计算目标流速-2:El:目标流速-2 =目标流速-1/(SR比率X补偿系数)。在又一示例性的实施方式中，可以将补偿系数设置成基于SR比率的值。在又一示例性的实施方式中，本专利技术的系统和方法还可包括:基于目标SR和当前测量的空气流速，计算基于空气流速的燃料电池电流限制值；将基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池电流限制值之间的最小值确定为最终燃料电池电流限制值；以及基于最终燃料电池电流限制值来限制燃料电池的电流输出。在又一示例性的实施方式中，由空气流速除以电流限制参考SR所得的值，可以计算基于空气流速的燃料电池电流限制值，该电流限制参考被确定为目标SR与预定偏移值之间的差值，并且该偏移值被设置成与目标SR的增加成比例地增加并根据目标SR而计算的值。在又一示例性的实施方式中，目标SR可被设置成与燃料电池组中的估计相对湿度(RH)值的增加成比例地增加并根据燃料电池组中的估计RH值而计算的值。下面讨论本专利技术上述和其它特征。【附图说明】现在将参考附图图示的本专利技术的某些示例性实施方式来详细地描述本专利技术的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本专利技术的限制，其中:图1是示出与现有技术相关的问题的图；图2是示出根据本专利技术示例性实施方式的用于控制空气供应和燃料电池电流的方法的图；图3是示出根据本专利技术示例性实施方式的计算目标SR的图；图4是示出根据本专利技术示例性实施方式的计算目标流速-2的方法的图；图5A-C是示出根据本专利技术示例性实施方式的计算SR补偿系数(SR_Ratio_Cal)的图；图6是示出根据本专利技术示例性实施方式的计算用于计算基于空气流速的燃料电池电流限制值的偏移值的图；并且图7是示出在应用根据本专利技术示例性实施方式的用于控制燃料电池系统的方法时防止不必要的过量空气供应的图。应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本专利技术基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本专利技术的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本专利技术的相同或等同部件。【具体实施方式】下面将详细地参照本专利技术的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本专利技术，但应当理解，本说明书无意于将本专利技术局限于这些示例性实施方式。相反，本专利技术不仅要涵盖这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制燃料电池系统的方法，所述方法包括：通过处理器，基于根据驾驶者需求转矩计算的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流；通过所述处理器，基于所述燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速‑1；通过所述处理器，使用所述目标SR补偿所述目标流速‑1；以及通过所述处理器，基于补偿的目标流速‑2和当前测量的空气量，计算鼓风机的每分钟转速(RPM)命令值，并且基于计算出的RPM命令值，控制所述鼓风机的操作。

【技术特征摘要】
2012.09.19 KR 10-2012-01042431.一种用于控制燃料电池系统的方法，所述方法包括: 通过处理器，基于根据驾驶者需求转矩计算的驾驶者需求电流，计算燃料电池需求电流； 通过所述处理器，基于所述燃料电池需求电流和空气的目标化学计量比(SR)，计算待向燃料电池组供应的空气的目标流速-1 ; 通过所述处理器，使用所述目标SR补偿所述目标流速-1 ；以及通过所述处理器，基于补偿的目标流速-2和当前测量的空气量，计算鼓风机的每分钟转速(RPM)命令值，并且基于计算出的RPM命令值，控制所述鼓风机的操作。2.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述驾驶者需求电流的步骤包括: 基于与加速踏板的驾驶者操作相应的加速踏板信号和车辆行驶速度，计算驾驶者需求转矩； 基于所述驾驶者需求转矩、车辆速度、母线电压以及电动机或逆变器的效率，计算驾驶者需求电流；以及 基于所述驾驶者需求电流计算最终燃料电池需求电流。3.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述驾驶者需求电流计算所述最终燃料电池需求电流的步骤包括: 基于所述驾驶者需求电流、车辆辅助需求电流、燃料电池系统配套设施(BOP)需求电流和电池协助电流，计算燃料电池需求电流_1 ；以及 通过燃料电池补偿电流来补偿所述燃料电池需求电流-1，所述燃料电池补偿电流包括燃料电池异常状态用补偿电流和燃料电池重新起动期间反应性控制用补偿电流中的至少一个。4.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述目标SR补偿所述目标流速-1的步骤包括: 基于测量的燃料电池电流和空气流速，计算空气的SR ； 计算空气的计算SR与所述目标SR的SR比率； 确定计算出的SR比率是否为预定最小值与预定最大值之间的值；以及如果所述SR比率不是所述最小值与所述最大值之间的值时，将所述目标流速-1设置成目标流速-2而无需补偿，并且如果所述SR比率是所述最小值与所述最大值之间的值时，通过利用下式(El)补偿所述目标流速-1来计算所述目标流速-2: El:目标流速-2 =目标流速-1/(SR比率X补偿系数)。5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述补偿系数设置成基于所述SR比率的值。6.根据权利要求1所述的方法，还包括: 通过所述处理器，基于所述目标SR和当前测量的空气流速，计算基于空气流速的燃料电池电流限制值； 通过所述处理器，将所述基于空气流速的燃料电池电流限制值与最大燃料电池电流限制值之间的最小值确定为最终燃料电池限制值；以及 通过所述处理器，基于所述最终燃料电池限制值，限制燃料电池的电流输出。7.根根据权利要求6所述的方法，其中由所述空气流速除以电流限制参考SR所得的值，计算所述基于空气流速的燃料电池电流限制值，所述电流限制参考确定为所述目标SR与预定偏移值之间的差值，并且所述偏移值设置成与所述目标SR的增加成比例地增加并根据所述目标SR而计算的值。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标SR设置成与所述燃料电池组中的估计相对湿度(RH)值的增加成比例地增加并且根据所述燃料电池组中的估计RH值而计算的值。9.一种非暂时...

【专利技术属性】
技术研发人员：全淳一，权相旭，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社， 起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR