專利名稱：用于低頻離散輸出的陽極噴射器控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及一種用于通過使用離散輸出控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器以使得可以精確控制噴射器占空比的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
氫氣因?yàn)槠淝鍧嵅⑶夷軌虮挥糜谠谌剂想姵貎?nèi)高效發(fā)電而成為一種很有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種包括陽極和陰極并在其間具有電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣并且陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極催化劑中離解以生成自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極催化劑中與氧氣和電子反應(yīng)以生成水。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，并且因此被引導(dǎo)流過負(fù)載以做功，然后再送往陰極。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的常用燃料電池。PEMFC主要包括固相聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜例如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常但并不總是包括被細(xì)磨的催化劑顆粒，一般是高活性催化劑例如通常是碳顆粒上承載并且與離子交聯(lián)聚合物相混合的鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在膜的相對兩側(cè)。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合定義了膜電極組件(MEA)。MEA制造相對昂貴并且需要一定的條件才能有效工作。在燃料電池堆內(nèi)通常將幾塊燃料電池加以組合以生成所需功率。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可以具有200塊或更多塊堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)行壓入堆內(nèi)并通過的空氣流。電池堆并不消耗所有的氧氣，且部分空氣被輸出作為陰極排氣，其中可以包含作為電池堆副產(chǎn)物的水。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側(cè)的陽極氫氣輸入氣體。燃料電池堆包括位于電池堆內(nèi)幾個(gè)MEA之間的一連串雙極板，其中雙極板和MEA位于兩塊端板之間。雙極板包括用于電池堆內(nèi)相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流場設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)以允許陽極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的MEA。陰極氣體流場設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)以允許陰極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的MEA。一塊端板包括陽極氣體流道，而另一塊端板包括陰極氣體流道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料例如不銹鋼或?qū)щ姷膹?fù)合材料制成。端板將由燃料電池生成的電力導(dǎo)出電池堆。雙極板還包括流過冷卻流體的流道。燃料電池堆內(nèi)的膜需要有足夠的含水量以使跨越膜的離子電阻足夠低從而有效地傳導(dǎo)質(zhì)子。膜增濕可以源于電池堆的副產(chǎn)物水或外部加濕。流過電池堆中流道的反應(yīng)物對電池膜具有干燥作用，這在反應(yīng)物流的入口處最為明顯。但是，在流道內(nèi)累積的水滴可能會(huì)阻止反應(yīng)物從中流過，并且可能因?yàn)榉磻?yīng)氣體的低流速而造成電池故障，由此影響電池堆的穩(wěn)定性。反應(yīng)氣體流道內(nèi)以及氣體擴(kuò)散層(GDL)中累積的水在電池堆的低輸出負(fù)載下特別各易造成故障。在一種已知類型的燃料電池系統(tǒng)中，氫氣燃料由噴射器注入燃料電池堆的陽極偵U。通過調(diào)節(jié)噴射器流量匹配消耗的氫氣來控制噴射器以保持陽極子系統(tǒng)內(nèi)的期望壓力。通常這是用脈寬調(diào)制(PWM)控制信號實(shí)現(xiàn)的，在其中定義占空比和頻率并由控制器中的固件生成用于期望脈沖的控制信號。但是，依賴的PWM固件具有一些缺點(diǎn)。例如，在上升瞬態(tài)期間希望不必等待壓力反饋就立刻噴射氫氣以避免電池缺氫。某些PWM固件要求在上一命令之后必須經(jīng)歷一定時(shí)間才能生成下一個(gè)脈沖。而且，PWM控制信號在需要縮短脈沖時(shí)例如在燃料電池堆電流輸出的下降瞬態(tài)期間卻不能做到這一點(diǎn)。因此，在本領(lǐng)域內(nèi)對于更加精確地控制燃料電池系統(tǒng)中噴射器的占空比存在需求，其中控制機(jī)構(gòu)能夠在低時(shí)間分辨率內(nèi)提供離散輸出。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的系統(tǒng)和方法。所述方法提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多種噴射器脈寬并且針對所述多種噴射器脈寬中的每一種確定噴射器關(guān)閉時(shí)間。所述方法還根據(jù)所提供的每一種噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差并且使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。本發(fā)明的附加特征將根據(jù)以下結(jié)合附圖的說明內(nèi)容和所附權(quán)利要求而變得顯而易見。本發(fā)明還提供了如下方案:
方案1.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的方法，所述方法包括:
設(shè)定用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬；
根據(jù)噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間；
改變用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬；
根據(jù)改變的噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間；
重復(fù)改變用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬的步驟以使得將多個(gè)噴射器脈寬用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比；
每一次改變噴射器脈寬時(shí)都重復(fù)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間的步驟，以使得針對用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬中的每一種確定噴射器關(guān)閉時(shí)間；
針對所使用的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差；并且 使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。方案2.如方案I所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)預(yù)定占空比是幾個(gè)不同的占空比。方案3.如方案I所述的方法，其特征在于，利用所述至少一個(gè)占空比控制噴射器包括用離散輸出直接控制噴射器。方案4.如方案3所述的方法,其特征在于,所述離散輸出是布爾輸出。方案5.如方案3所述的方法，其特征在于，直接控制噴射器包括在滿足預(yù)定條件時(shí)縮短占空比的至少一個(gè)周期。方案6.如方案5所述的方法，其特征在于，預(yù)定條件包括燃料電池系統(tǒng)內(nèi)燃料電池堆功率輸出中的下降瞬態(tài)。方案7.—種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的方法,所述方法包括:
提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬； 針對所述多個(gè)噴射器脈寬中的每一個(gè)確定噴射器關(guān)閉時(shí)間；
根據(jù)所提供的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差；并且 使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。方案8.如方案7所述的方法，其特征在于，利用所述至少一個(gè)預(yù)定占空比控制噴射器包括用離散輸出直接控制噴射器。方案9.如方案8所述的方法,其特征在于,所述離散輸出是布爾輸出。方案10.如方案8所述的方法，其特征在于，直接控制噴射器包括在滿足預(yù)定條件時(shí)縮短所述至少一個(gè)預(yù)定占空比。方案11.如方案10所述的方法，其中所述預(yù)定條件包括燃料電池系統(tǒng)內(nèi)燃料電池堆功率輸出中的下降瞬態(tài)。方案12.如方案8所述的方法，其特征在于，直接控制噴射器包括不等待來自壓力傳感器的壓力反饋就噴射氫氣。方案13.如方案7所述的方法，其特征在于，每一個(gè)脈寬的時(shí)長都至少為2At。方案14.一種用于將流體噴入燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射系統(tǒng)，所述噴射系統(tǒng)包括: 用于提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬的裝置；
用于針對所述多個(gè)噴射器脈寬中的每一種確定噴射器關(guān)閉時(shí)間的裝置；
用于根據(jù)所提供的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比中每一個(gè)的誤差的裝置；以及
用于使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬的裝置。方案15.如方案14所述的噴射系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)預(yù)定占空比是幾個(gè)不同的占空比。方案16.如方案14所述的噴射系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于以離散輸出直接控制噴射器的裝置。方案17.如方案16所述的噴射系統(tǒng),其特征在于,所述離散輸出是布爾輸出。方案18.如方案14所述的噴射系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于在滿足預(yù)定條件時(shí)縮短占空比的至少一個(gè)預(yù)定周期的裝置。方案19.如方案18所述的噴射系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定條件包括燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆的功率輸出中的下降瞬態(tài)。方案20.如方案14所述的噴射系統(tǒng)，其特征在于，所述噴射器脈寬的時(shí)長至少為2At。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的簡化示意性框 圖2是水平軸表示占空比且垂直軸表示占空比的百分比誤差的曲線 圖3是水平軸表示占空比且垂直軸表示占空比的百分比誤差的曲線圖；以及 圖4是水平軸表示占空比且垂直軸表示頻率的曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下對本發(fā)明涉及用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)噴射器的系統(tǒng)和方法實(shí)施例的討論內(nèi)容在本質(zhì)上僅僅是示范性的，而并不是為了以任何方式限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的簡化示意性框圖。燃料電池系統(tǒng)10還包括通過陰極輸入管線16向燃料電池堆12的陰極側(cè)提供空氣的壓縮機(jī)14，其中陰極排氣通過陰極排氣管線18從電池堆12輸出。燃料電池系統(tǒng)10進(jìn)一步包括通常是高壓罐的氫氣源20以向噴射器22提供氫氣，噴射器22通過陽極輸入管線24向燃料電池堆12的陽極側(cè)噴射受控?cái)?shù)量的氫氣。盡管并未明確示出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解各種壓力調(diào)節(jié)器、控制閥、截止閥等均可被設(shè)置用于將高壓氣體從源20提供到適合于噴射器22的壓力。噴射器22可以是適合用于本文中所述用途的任何噴射器。在轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人且通過引用并入本文的標(biāo)題為 “Combination of Injector-Ejector for Fuel Cell Systems”的美國專利US7320840中介紹了噴射器/引射器的一個(gè)合適的示例。陽極廢氣通過陽極輸出管線26從燃料電池堆12的陽極側(cè)輸出，提供給泄放閥28。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，從燃料電池堆12陰極側(cè)穿過來的氮?dú)鈺?huì)稀釋電池堆12陽極側(cè)的氫氣，由此影響燃料電池堆的性能。因此，必須從電池堆12的陽極側(cè)定期排出陽極廢氣以減少電池堆12中的氮?dú)饬?。?dāng)系統(tǒng)10以正常的非泄放模式工作時(shí)，閥28處于將陽極廢氣送至再循環(huán)管線30的位置，再循環(huán)管線30將陽極氣體再循環(huán)至噴射器22以將其用作引射器并將再循環(huán)的氫氣送回到電池堆12的陽極輸入端。陽極輸入管線24、電池堆12的陽極側(cè)、陽極輸出管線26和陽極再循環(huán)管線30是“陽極子系統(tǒng)”中的全部部件。在命令泄放以減少電池堆12陽極側(cè)的氮?dú)鈺r(shí)，閥28被命令將陽極廢氣引導(dǎo)至旁路管線32，旁路管線將陽極廢氣與管線18上的陰極排氣組合，在此氫氣被稀釋并且適合用于該環(huán)境?？蛇x地，閥28可以將陽極廢氣引導(dǎo)至旁路管線32以將陽極廢氣與管線16上的陰極進(jìn)氣組合，不過為了清楚起見并未示出這樣的實(shí)施例。壓力傳感器34測量陽極輸出管線26內(nèi)的壓力，但是該傳感器可以位于陽極子系統(tǒng)內(nèi)的任意位置以提供陽極側(cè)的壓力測量值。系統(tǒng)10包括處理器38以執(zhí)行和控制本文中所述的各種操作以及如下文中更加詳細(xì)介紹的用于精確控制噴射器22的方法。盡管系統(tǒng)10是陽極再循環(huán)系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該很容易理解本發(fā)明也可以在其他類型的燃料電池系統(tǒng)包括陽極流量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。在一種設(shè)計(jì)用于燃料電池系統(tǒng)的已知流體噴射中，系統(tǒng)10根據(jù)陽極子系統(tǒng)內(nèi)的壓力確定用于特定的指令電池堆電流密度所必需的流體例如氫氣的量。例如，在轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人且通過引用并入本文的申請?zhí)枮?2/636，276、標(biāo)題為“Injector FlowMeasurement for Fuel Cell Applications”的美國專利申請中，系統(tǒng)監(jiān)測陽極子系統(tǒng)內(nèi)的壓力，并且系統(tǒng)針對期望的電池堆負(fù)載根據(jù)壓力下降至用于該負(fù)載的預(yù)定壓力以下而設(shè)定噴射器的接通時(shí)間并且根據(jù)壓力升高至用于該負(fù)載的期望壓力以上而設(shè)定噴射器的關(guān)閉時(shí)間。在先前的燃料電池系統(tǒng)中，期望的噴射器接通和關(guān)閉時(shí)間被轉(zhuǎn)化為用于噴射器的PWM指令信號，其占空比具有特定的脈寬和占空比。除了使用PWM指令信號以外，還提出了離散輸出以使尚散輸出驅(qū)動(dòng)噴射器22,其中尚散輸出的狀態(tài)也就是接通或關(guān)閉由處理器38中的控制軟件確定，其中控制軟件以預(yù)定的速度操作。例如，控制軟件可以以3.125ms (At)的預(yù)定速度操作。如下文中更加詳細(xì)介紹的，利用離散輸出來控制噴射器22的方法是一種連續(xù)運(yùn)行的算法，以使得在需要致動(dòng)噴射器22時(shí)算法是運(yùn)行的。陽極子系統(tǒng)在處理器38的控制軟件中被建模為連續(xù)流系統(tǒng)。由于該事實(shí)，通過每一個(gè)噴射器脈沖引入的氫氣量不如每一個(gè)脈沖的流的平均時(shí)間重要。換句話說，占空比的精度比脈寬的持續(xù)時(shí)間更為重要。但是，該規(guī)則有一種例外情況，也就是脈寬必須一直大于某種預(yù)定的最小脈寬以確保燃料電池系統(tǒng)10的穩(wěn)定性。在利用離散輸出驅(qū)動(dòng)噴射器22時(shí)必須考慮的另一種限制是，出于耐久性的原因考慮，存在噴射器22在預(yù)定時(shí)間內(nèi)可以使用的最大頻率。例如，噴射器22僅可用于每隔
0.0625秒才噴射。換一種方式說就是:
權(quán)利要求
1.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的方法，所述方法包括: 設(shè)定用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬； 根據(jù)噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間； 改變用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬； 根據(jù)改變的噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間； 重復(fù)改變用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器脈寬的步驟以使得將多個(gè)噴射器脈寬用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比； 每一次改變噴射器脈寬時(shí)都重復(fù)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的噴射器關(guān)閉時(shí)間的步驟，以使得針對用于所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬中的每一種確定噴射器關(guān)閉時(shí)間； 針對所使用的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差；并且 使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)預(yù)定占空比是幾個(gè)不同的占空比。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述至少一個(gè)占空比控制噴射器包括用離散輸出直接控制噴射器。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述離散輸出是布爾輸出。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，直接控制噴射器包括在滿足預(yù)定條件時(shí)縮短占空比的至少一個(gè)周期。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，預(yù)定條件包括燃料電池系統(tǒng)內(nèi)燃料電池堆功率輸出中的下降瞬態(tài)。
7.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的方法，所述方法包括: 提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬； 針對所述多個(gè)噴射器脈寬中的每一個(gè)確定噴射器關(guān)閉時(shí)間； 根據(jù)所提供的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差；并且 使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，利用所述至少一個(gè)預(yù)定占空比控制噴射器包括用離散輸出直接控制噴射器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述離散輸出是布爾輸出。
10.一種用于將流體噴入燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射系統(tǒng)，所述噴射系統(tǒng)包括: 用于提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬的裝置； 用于針對所述多個(gè)噴射器脈寬中的每一種確定噴射器關(guān)閉時(shí)間的裝置； 用于根據(jù)所提供的噴射器脈寬中的每一個(gè)確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比中每一個(gè)的誤差的裝置；以及 用于使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于低頻離散輸出的陽極噴射器控制算法。一種用于控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的噴射器的系統(tǒng)和方法。所述方法提供用于至少一個(gè)預(yù)定占空比的多個(gè)噴射器脈寬并且針對所述多個(gè)噴射器脈寬中的每一個(gè)確定噴射器關(guān)閉時(shí)間。所述方法還根據(jù)提供的每一個(gè)噴射器脈寬確定所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的誤差并且使用具有所述至少一個(gè)預(yù)定占空比的最小誤差的噴射器脈寬。
文檔編號G05B13/04GK103165925SQ20121052162
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者D.C.迪菲奧爾, M.A.朗 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司