專利名稱：用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于控制燃料電池系統(tǒng)中的冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的方法，其能夠通過(guò)優(yōu)化它們的操作來(lái)減少冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的功耗，防止溢流和干涸的發(fā)生，并且提高燃料電池系統(tǒng)的性能和水去除效率。
背景技術(shù)：
目前，汽車(chē)制造已經(jīng)開(kāi)始將燃料電池系統(tǒng)包含在汽車(chē)內(nèi)以便為消費(fèi)者提供環(huán)境友好的氫燃料電池車(chē)作為備選動(dòng)力發(fā)生源。典型地，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組，用于通過(guò)反應(yīng)氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力；燃料處理系統(tǒng)(fuel processing system, FPS)，用于將作為燃料的氫供應(yīng)到燃料電池組；空氣處理系統(tǒng)(air processing system, APS)，供應(yīng)含有空氣的氧作為燃料電池組中的電化學(xué)反應(yīng)所需的氧化劑；以及熱管理系統(tǒng) (thermal management system, TMQ，用于將燃料電池組的反應(yīng)熱排除到燃料電池系統(tǒng)外， 控制燃料電池組的工作溫度并且執(zhí)行水管理功能。燃料電池組通過(guò)作為反應(yīng)氣體的氫氣和含有空氣的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力，并排出作為反應(yīng)副產(chǎn)物的熱量和水。因此，有必要提供一種在燃料電池系統(tǒng)中將燃料電池組的溫度保持在最佳水平以便提供最有效處理的系統(tǒng)。在典型的車(chē)用燃料電池系統(tǒng)中，使用一種使水沿著燃料電池組中的雙極板通道循環(huán)的方法來(lái)控制燃料電池組的溫度(例如溫度控制系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng))。圖1中示出燃料電池系統(tǒng)用溫度控制系統(tǒng)的一個(gè)例子。如圖所示，燃料電池系統(tǒng)用溫度控制系統(tǒng)具有散熱器20和冷卻風(fēng)扇21，用于將來(lái)自冷卻液的熱傳遞到外面；冷卻液管路31，設(shè)置在燃料電池組10和散熱器20之間，以使冷卻液經(jīng)此循環(huán)；旁通管路32和三通閥40，用于繞過(guò)冷卻液管路31，以使冷卻液不流經(jīng)散熱器20 ；以及冷卻液泵50，用于通過(guò)冷卻液管路31來(lái)泵送和輸送冷卻液。旁通管路32是在散熱器20的上游和下游從冷卻液管路31分支的冷卻液管路以繞過(guò)冷卻液管路31，使得冷卻液不流經(jīng)散熱器20。三通閥40用作選擇性地控制連接散熱器20的主管路和不連接到散熱器20的旁通管路32之間的冷卻液的流動(dòng)。此外，在燃料電池系統(tǒng)中從外面接收氫氣和空氣，在燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生電力和水。根據(jù)實(shí)時(shí)條件，例如溫度、壓力等，作為電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物的水可以以水汽、飽和液體、冰等形式存在，因此水的傳遞特性隨著時(shí)間的過(guò)去而改變。此外，這樣的水影響氣體和穿過(guò)雙極板通道、空氣擴(kuò)散層、催化劑層和電解質(zhì)膜的電子的傳遞特性。因此，因過(guò)量的水而引起的溢流現(xiàn)象和因缺水而引起的干涸現(xiàn)象同時(shí)存在于燃料電池系統(tǒng)。為解決這些問(wèn)題，燃料電池組的溫度控制是核心問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)出用于解決溢流和干涸現(xiàn)象的控制邏輯，并通過(guò)優(yōu)化冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的操作來(lái)使功耗最小化。美國(guó)專利第6，087，028號(hào)中描述一種通過(guò)使用溫度分布檢測(cè)單元和負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)單元來(lái)控制冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇以將冷卻液入口溫度和冷卻液出口溫度之間的差值保持在特定范圍的方法。在此，如果冷卻液入口溫度和冷卻液出口溫度之間的差值大于預(yù)定值，則增大冷卻液泵的工作電壓，如果通過(guò)進(jìn)氣狀態(tài)檢測(cè)單元檢測(cè)到的內(nèi)部空氣的流率大于預(yù)定值，則限制進(jìn)入散熱器的外部空氣的流率(以相反方向旋轉(zhuǎn)冷卻風(fēng)扇)。然而，上述方法可以在冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇在苛刻條件下工作時(shí)實(shí)現(xiàn)，這對(duì)燃料效率而言是不利的。此外，在低溫工作期間當(dāng)冷卻液入口溫度和冷卻液出口溫度之間的差值增大時(shí)， 對(duì)于水去除是不利的，因而在該情形下利用過(guò)多的功耗來(lái)限制冷卻液入口溫度和冷卻液出口溫度之間的差值是不理想的。本發(fā)明背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明一般背景技術(shù)的理解，因此，可能包含不構(gòu)成對(duì)本國(guó)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于控制燃料電池系統(tǒng)中的冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的系統(tǒng)和方法， 其能夠通過(guò)優(yōu)化它們的操作來(lái)減少冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的功耗，防止溢流和干涸的發(fā)生， 并且提高燃料電池系統(tǒng)的性能和水去除效率。一方面，本發(fā)明提供一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)和方法。更具體地說(shuō)，在根據(jù)冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的參考溫度并基于冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，從水溫傳感器接收冷卻液出口溫度。接著，以基于由水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度確定的每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)于冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分(proportional integral, PI)控制。在一個(gè)實(shí)施方式中，在執(zhí)行PI控制中，如果冷卻液出口溫度低于預(yù)定下限溫度， 則將冷卻液泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在根據(jù)車(chē)速來(lái)確定每個(gè)階段的參考值并根據(jù)車(chē)速來(lái)確定每個(gè)階段的參考溫度的狀態(tài)下，如果冷卻液出口溫度升高，則本發(fā)明還驅(qū)動(dòng)冷卻液泵，并且對(duì)冷卻液泵在每個(gè)階段的轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分(PI)控制。此外，如果冷卻液出口溫度高于對(duì)應(yīng)于當(dāng)前車(chē)速的參考溫度，則起動(dòng)冷卻風(fēng)扇的操作。在另一個(gè)實(shí)施方式中，相對(duì)于車(chē)速來(lái)而改變用于確定起動(dòng)冷卻風(fēng)扇的操作的參考溫度，并且隨著車(chē)速的增大而應(yīng)用更高的參考溫度。在還有的一個(gè)實(shí)施方式中，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量高于預(yù)定參考值，如果冷卻液出口溫度高于預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則本發(fā)明還確定滿足前饋 (feed-forward)控制條件。在此情況下，將冷卻液泵和冷卻液風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速增大到PI控制值與前饋控制值之中的最大值。在另一個(gè)實(shí)施方式中，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量低于預(yù)定參考值，或者如果冷卻液出口溫度低于預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則本發(fā)明進(jìn)一步確定滿足前饋控制取消條件。作為響應(yīng)，對(duì)于冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行PI控制。后面會(huì)進(jìn)一步討論本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選實(shí)施方式。


現(xiàn)參照示例性說(shuō)明在下面僅以示例方式給出的附圖的特定典型實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的以上和其它特征，由此，這些特征不限制本發(fā)明，其中圖1是示出典型的燃料電池系統(tǒng)用溫度控制系統(tǒng)配置的圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)和方法的圖；圖3和圖4是示出通過(guò)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)和方法來(lái)控制冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的狀態(tài)的圖。圖5-7是示出應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式所述的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)和方法而獲得的效果的曲線圖。附圖所示的附圖標(biāo)記包括下面將要討論的下列部件10 燃料電池組20 散熱器21 冷卻風(fēng)扇(例如散熱器風(fēng)扇) 31 冷卻液管路32 旁通管路40 三通閥50:冷卻液泵應(yīng)該理解到的是，附圖不必按比例繪制，而只是表示用于說(shuō)明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的簡(jiǎn)化表示。包括例如特定尺寸、方向、位置和形狀的本文所公開(kāi)的本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)特征，將通過(guò)特定施加和使用環(huán)境被部分地確定。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示本發(fā)明中相同或者等同的部件。
具體實(shí)施例方式下文將詳細(xì)參照本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施方式，在附圖中示出并在下文中描述其實(shí)施例。盡管將結(jié)合示例性實(shí)施方式說(shuō)明本發(fā)明，然而應(yīng)該理解的是，本說(shuō)明書(shū)不是要將本發(fā)明限制到這些典型的實(shí)施方式。相反地，本發(fā)明不僅要涵蓋這些典型的實(shí)施方式，還涵蓋包含在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)的各種替代、修改、等效物及其它實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解此處使用的術(shù)語(yǔ)“車(chē)輛”或“車(chē)輛的”或其它類似的術(shù)語(yǔ)包括，諸如包括運(yùn)動(dòng)用途車(chē)輛(SUV)、公共汽車(chē)、卡車(chē)、多種商用車(chē)輛的載客汽車(chē)的機(jī)動(dòng)車(chē)輛，包括各種船和艇的水運(yùn)工具，航行器等，并且包括混合動(dòng)力車(chē)、電動(dòng)車(chē)輛、插入式混合電動(dòng)車(chē)輛、氫動(dòng)力車(chē)輛和其它可選的燃料車(chē)輛(例如從除了石油以外的資源中獲得的燃料)。參照此處所述，混合動(dòng)力車(chē)為具有兩個(gè)或更多個(gè)動(dòng)力源的車(chē)輛，例如既有汽油動(dòng)力又有電動(dòng)力的車(chē)輛。本發(fā)明提供一種用于通過(guò)基于冷卻液出口溫度、車(chē)速、由燃料電池組產(chǎn)生的熱量等來(lái)控制冷卻液泵的轉(zhuǎn)速(rpm)以及可具體化為冷卻風(fēng)扇(例如散熱器風(fēng)扇)的鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)，從而將燃料電池系統(tǒng)的溫度控制在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)和方法。此外，本發(fā)明的目的在于通過(guò)有效地控制冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇而使冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的功耗最小，并防止燃料電池組中溢流和干涸的發(fā)生。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)和方法的圖。圖3和圖4是示出冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇由根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法進(jìn)行控制的狀態(tài)的圖。在下面的說(shuō)明書(shū)中，燃料電池組的冷卻液出口溫度是指在燃料電池組的冷卻液出口處由水溫傳感器檢測(cè)的冷卻液溫度，為了方便，將冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)分別稱為泵和風(fēng)扇。此外，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行控制的主體可以是用于控制典型燃料電池組中的泵和風(fēng)扇的操作的控制器。本發(fā)明的控制處理可以通過(guò)車(chē)輛控制器、燃料電池系統(tǒng)控制器、電力分配控制器中的任一個(gè)或者在多個(gè)控制器的協(xié)助控制下來(lái)執(zhí)行。例如，控制器基于從水溫傳感器和車(chē)速傳感器接收的檢測(cè)值，并且基于從燃料電池組的工作狀態(tài)計(jì)算的由燃料電池組產(chǎn)生的熱量，來(lái)執(zhí)行控制處理(將在后面描述)。而且，各種用于計(jì)算由燃料電池組產(chǎn)生的熱量的方法是本領(lǐng)域公知的，因而將省略其詳細(xì)的描述。首先，根據(jù)本發(fā)明的用于控制泵和風(fēng)扇的系統(tǒng)和方法具有下列狀態(tài)(1)正常條件下的控制在正常條件期間(即當(dāng)不滿足前饋控制條件時(shí))，在根據(jù)冷卻液出口溫度確定每個(gè)階段(例如THl至TH6)的參考值的狀態(tài)下，對(duì)泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速(rpm)執(zhí)行基于當(dāng)前冷卻液出口溫度的比例積分(proportional integral,PI)控制。在正常條件期間執(zhí)行的PI控制是為了將燃料電池組的溫度(即冷卻液出口溫度)保持在預(yù)定水平(例如70°C )之下。 此外，通過(guò)基于車(chē)速來(lái)改變用于確定開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的參考溫度，從而控制風(fēng)扇的操作。(2)基于由燃料電池組產(chǎn)生的熱量對(duì)泵和風(fēng)扇進(jìn)行前饋控制基于燃料電池組產(chǎn)生的熱量、燃料電池組的冷卻液出口溫度和持續(xù)時(shí)間來(lái)確定燃料電池組的當(dāng)前工作狀態(tài)是否滿足前饋控制條件。如果滿足前饋控制條件，則將泵和風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速提高至正常條件下的PI控制值和前饋控制值之間的最大值。(3)使泵和風(fēng)扇的使用減到最少首先控制泵的操作并隨后控制風(fēng)扇的操作以最大限度地利用由車(chē)輛以更高速度行駛所產(chǎn)生的相關(guān)空氣導(dǎo)入。也就是說(shuō)，在冷卻液出口溫度低時(shí)，首先操作泵，并且在冷卻液出口溫度升高時(shí)，接著操作風(fēng)扇。此外，如果冷卻液出口溫度低于預(yù)定下限溫度，則將泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速。下面更詳細(xì)地描述上述根據(jù)本發(fā)明的用于控制泵和風(fēng)扇的系統(tǒng)和方法。參見(jiàn)圖2，示出了根據(jù)冷卻液出口溫度預(yù)先確定每個(gè)階段(THl < TH2 < TH3 < TH4 < TH5 < TH6)的參考值。首先描述正常條件下的控制。在根據(jù)冷卻液出口溫度確定每個(gè)階段的參考值并且基于冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，通過(guò)水溫傳感器檢測(cè)燃料電池組的當(dāng)前冷卻液出口溫度，并將泵和風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速PI控制到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。目標(biāo)轉(zhuǎn)速基于由水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度來(lái)確定。因此，將冷卻液出口溫度保持在預(yù)定水平 (例如700C )之下。在PI控制期間，如果冷卻液出口溫度低于預(yù)定下限溫度(THl)，則將泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速。否則，如果冷卻液出口溫度高于預(yù)定上限溫度(TH4)，則將泵的轉(zhuǎn)速控制在最大轉(zhuǎn)速。此外，在正常條件期間，首先以低轉(zhuǎn)速操作泵，隨著出口溫度升高，對(duì)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI控制以在出口溫度超過(guò)預(yù)定溫度的每個(gè)階段中增大轉(zhuǎn)速。接著，如果在根據(jù)車(chē)速(例如，車(chē)速< L，L <車(chē)速< H，H <車(chē)速)來(lái)確定每個(gè)階段的參考值的狀態(tài)下，當(dāng)前冷卻液出口溫度高于對(duì)應(yīng)于當(dāng)前車(chē)速(由車(chē)速傳感器檢測(cè)的)的預(yù)定參考溫度，則起動(dòng)風(fēng)扇的操作。在此，用于確定起動(dòng)風(fēng)扇操作的參考溫度隨車(chē)速的改變而改變，并隨著車(chē)速的增大而應(yīng)用更高的參考溫度。例如，如果當(dāng)前車(chē)速小于L(車(chē)速< L)并且如果當(dāng)前冷卻液出口溫度高于參考溫度TH3，則起動(dòng)風(fēng)扇的操作。如果當(dāng)前車(chē)速等于或大于L且小于H(L≤車(chē)速< H)并且如果當(dāng)前冷卻液出口溫度高于參考溫度TH4，則起動(dòng)風(fēng)扇的操作。此外，在風(fēng)扇工作期間，如果冷卻液出口溫度低于參考溫度TH5并且如果當(dāng)前車(chē)速等于或大于H (H <車(chē)速)，則停止風(fēng)扇的操作。當(dāng)風(fēng)扇工作時(shí)，將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速PI控制到如上所述基于當(dāng)前冷卻液出口溫度所確定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。就此而言，在本發(fā)明中，在燃料電池組的溫度較低時(shí)首先操作泵，并且如果冷卻液出口溫度升高到根據(jù)每個(gè)階段的車(chē)速所確定的參考溫度以上，則起動(dòng)風(fēng)扇的操作。 特別地，隨著車(chē)速的增大而應(yīng)用更高的用于起動(dòng)風(fēng)扇的操作的溫度，因而可以最大限度地利用流動(dòng)風(fēng)。因此，降低了風(fēng)扇的工作時(shí)間和功耗，因而提高了燃料效率。當(dāng)執(zhí)行上述的PI控制時(shí)，可以將滯后效應(yīng)(hystereisis)應(yīng)用到與冷卻液出口溫度相關(guān)的每個(gè)階段的參考溫度(THl至TH6)和與車(chē)速相關(guān)的每個(gè)階段的參考值(L和H)。此外，在本發(fā)明中，執(zhí)行PI控制的正常條件和執(zhí)行前饋控制的前饋控制條件彼此獨(dú)立，以便如果燃料電池組的當(dāng)前工作狀態(tài)滿足預(yù)定的前饋控制條件，則將泵和風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速控制到正常條件下的PI控制值和前饋控制值之間的最大值。這里，執(zhí)行對(duì)泵的前饋控制以防止當(dāng)燃料電池組的內(nèi)部溫度在高輸出期間(例如在加速或超車(chē)期間)短暫上升時(shí)所引起的干涸現(xiàn)象。下面將更詳細(xì)地描述這些前饋控制條件。首先，為了控制泵和風(fēng)扇的操作，控制器基于由燃料電池組產(chǎn)生的當(dāng)前熱量和冷卻液出口溫度來(lái)確定是否滿足前饋控制條件。也就是說(shuō)，如果燃料電池組產(chǎn)生的熱量/能量大于預(yù)定參考值并且如果冷卻液出口溫度高于預(yù)定參考溫度達(dá)到預(yù)定時(shí)間，則確定滿足前饋控制條件。例如，對(duì)于泵而言，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量大于參考值Pl (kW)，如果冷卻液出口溫度高于預(yù)定溫度Tirc )，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間Si，則確定滿足泵的前饋控制條件。同樣地，對(duì)于風(fēng)扇而言，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量大于參考值P2 (kff)，如果冷卻液出口溫度高于預(yù)定溫度T2(°C )，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間S3，則確定滿足風(fēng)扇的前饋控制條件。相反地，基于使用相同變量的燃料電池組的工作狀態(tài)來(lái)確定前饋控制的取消。也就是說(shuō)，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量和冷卻液出口溫度中的任一個(gè)下降到它們各自的參考值/預(yù)定值以下達(dá)到預(yù)定時(shí)間，則取消前饋控制。也就是說(shuō)，對(duì)于泵而言，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量小于參考值Pl (kff)或者冷卻液出口溫度低于預(yù)定溫度Tl (V )，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間S2，則取消對(duì)泵的前饋控制。此外，對(duì)于風(fēng)扇而言，如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量小于參考值P2(kW)或者冷卻液出口溫度低于預(yù)定溫度T2(°C )，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間S4，則確定取消對(duì)風(fēng)扇的前饋控制。
當(dāng)滿足上述前饋控制條件時(shí)，將泵和風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速控制在正常條件下的PI控制值和前饋控制值之間的相關(guān)值。這里，前饋控制值可以是根據(jù)從預(yù)先測(cè)試獲得的由燃料電池組產(chǎn)生的熱量、冷卻液出口溫度等的相關(guān)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)值(map data value)或固定值。圖3示出在執(zhí)行PI控制的正常條件下泵和風(fēng)扇的命令值，圖4示出在前饋控制條件下泵和風(fēng)扇的命令值，其中在燃料電池組的工作狀態(tài)滿足上述前饋控制條件時(shí)，將兩個(gè)控制值(諸如PI控制值和前饋控制值)之間的相關(guān)值用作實(shí)際命令值。參考圖3，可以看出，如果當(dāng)前冷卻液出口溫度低于預(yù)定下限(TH1)，則將泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速，并且如果當(dāng)前冷卻液出口溫度高于預(yù)定下限(TH4)，則將泵的轉(zhuǎn)速控制在最大轉(zhuǎn)速。此外，可以看出，基于當(dāng)前冷卻液出口溫度對(duì)泵和風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI控制。 具體而言，首先在低溫起動(dòng)/驅(qū)動(dòng)泵，并且隨著冷卻液出口溫度升高至高于參考溫度，起動(dòng) /驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇并對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行PI控制。也就是說(shuō)，如果車(chē)速低于L (車(chē)速<L)并且如果冷卻液出口溫度低于參考溫度TH3，則不驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇而僅驅(qū)動(dòng)泵。如果冷卻液出口溫度高于每個(gè)車(chē)速下的參考溫度(圖3中的TH4)，則也驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇并對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行PI控制。然而，如果車(chē)速等于或大于H(車(chē)速> H)，則停止風(fēng)扇的操作。此外，圖4示出當(dāng)由燃料電池組產(chǎn)生的熱量和冷卻液出口溫度滿足對(duì)泵和風(fēng)扇的前饋控制條件(高于Pl和T1/P2和T2)并且該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間(Si或S3)時(shí)開(kāi)始對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行前饋控制的時(shí)刻。而且，圖4示出在由燃料電池組產(chǎn)生的熱量或冷卻液出口溫度滿足對(duì)泵和風(fēng)扇的取消控制條件(低于Pl或T1/P2或T2)并且該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間(S2或S4)時(shí)取消對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行前饋控制的時(shí)刻。在本發(fā)明中，如上所述根據(jù)車(chē)速和參考溫度來(lái)改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并且根據(jù)車(chē)輛的速度來(lái)改變風(fēng)扇的工作時(shí)間。此外，盡管圖2和圖3示出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速處于Yl至Y2(在TH4 至ΤΗ5)的范圍內(nèi)并處于Υ2至Υ2和Υ3(在ΤΗ5至ΤΗ6)的范圍內(nèi)，然而可以根據(jù)車(chē)速將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)定在不同范圍內(nèi)。例如，如果車(chē)速小于L (車(chē)速< L)，則可以將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)定在Y2_L至的范圍內(nèi)。如果車(chē)速等于或大于L且小于H (L <車(chē)速< H)，則可以將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)定在Y2_M至 Y3_M的范圍內(nèi)。如果車(chē)速等于或大于H(H彡車(chē)速)，則可以將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速設(shè)置在Y2_H至 Y3_H的范圍內(nèi)。上面已經(jīng)詳細(xì)地描述了根據(jù)本發(fā)明的用于控制泵和風(fēng)扇的系統(tǒng)和方法，圖5-7還包括示出通過(guò)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的控制方法而獲得的(在從O-IOOkph連續(xù)加速期間獲得的) 效果的測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖5-7可以看出，根據(jù)本發(fā)明，可以減少風(fēng)扇的使用(最大限度地利用與車(chē)輛的駕駛速度相關(guān)的流動(dòng)風(fēng))，改善高輸出過(guò)程中的電流電壓特性，并減少冷卻液出口溫度的峰值。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法，基于與燃料電池組的冷卻液出口溫度相關(guān)的每個(gè)階段的參考溫度來(lái)執(zhí)行PI控制，其中在燃料電池組的溫度低時(shí)僅驅(qū)動(dòng)冷卻液泵，然后在冷卻液出口溫度升高到高于根據(jù)每個(gè)階段的車(chē)速所確定的參考溫度時(shí)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇。此外，隨著車(chē)速增大而應(yīng)用用于起動(dòng)冷卻風(fēng)扇操作的更高的參考溫度，這使得可以最大程度地利用由車(chē)速引起的流動(dòng)風(fēng)/空氣導(dǎo)入。因此，可以減少冷卻風(fēng)扇的工作時(shí)間和功耗，從而提高燃料效率。此外，在低溫工作期間，將冷卻液泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速，因而可以利用冷卻液入口溫度和冷卻液出口溫度之間的差值來(lái)提高燃料電池系統(tǒng)的性能和水去除效率(這在溢流和冷起動(dòng)期間是有利的)。而且，基于燃料電池組的工作階段來(lái)執(zhí)行對(duì)冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的前饋控制，因而可以防止在燃料電池組的內(nèi)部溫度在高輸出過(guò)程中(例如加速或超車(chē)期間)短暫升高時(shí)所引起的干涸現(xiàn)象。上面已參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)精神的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行變型，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其等價(jià)形式限定。
權(quán)利要求
1.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法，所述方法包括在控制器處，在根據(jù)冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的參考溫度并且基于所述冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，從水溫傳感器接收所述冷卻液出口溫度； 以及由所述控制器，以基于由所述水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度確定的每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在執(zhí)行所述比例積分控制中，如果所述冷卻液出口溫度低于預(yù)定下限溫度，則將所述冷卻液泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在根據(jù)車(chē)速來(lái)確定每個(gè)階段的參考值并且根據(jù)所述車(chē)速來(lái)確定每個(gè)階段的參考溫度的狀態(tài)下，如果所述冷卻液出口溫度升高，則操作所述冷卻液泵，并且對(duì)每個(gè)階段中的所述冷卻液泵的轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制；以及如果所述冷卻液出口溫度高于對(duì)應(yīng)于當(dāng)前車(chē)速的參考溫度，則起動(dòng)所述冷卻風(fēng)扇的操作。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中用于確定起動(dòng)所述冷卻風(fēng)扇的操作的參考溫度相對(duì)于所述車(chē)速進(jìn)行改變，并且隨著所述車(chē)速的增大而應(yīng)用更高的參考溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量高于預(yù)定參考值，如果所述冷卻液出口溫度高于預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則確定滿足前饋控制條件；以及將所述冷卻液泵和所述冷卻液風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速控制在比例積分控制值與前饋控制值之間的相關(guān)值。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量低于所述預(yù)定參考值，或者如果所述冷卻液出口溫度低于所述預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則確定滿足前饋控制取消條件；以及對(duì)所述冷卻液泵和所述冷卻風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制。
7.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法，所述方法包括由控制器從傳感器接收冷卻液出口溫度，其中根據(jù)冷卻液出口溫度來(lái)確定一個(gè)階段的參考溫度，并且基于所述冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；以及由控制器，以基于由水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度確定的多個(gè)階段中的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)泵和鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中在執(zhí)行比例積分控制中，如果所述冷卻液出口溫度低于第一預(yù)定溫度，則將所述冷卻液泵的轉(zhuǎn)速控制在最小轉(zhuǎn)速。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括在根據(jù)車(chē)速來(lái)確定每個(gè)階段的參考值并且根據(jù)所述車(chē)速來(lái)確定所述階段的參考溫度的狀態(tài)下，如果所述冷卻液出口溫度升高，則操作所述冷卻液泵，并且對(duì)在所述階段中的所述泵的轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制；以及如果所述冷卻液出口溫度高于對(duì)應(yīng)于所述當(dāng)前車(chē)速的參考溫度，則起動(dòng)所述鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)的操作。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中用于確定起動(dòng)所述鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)的操作的參考溫度相對(duì)于車(chē)速進(jìn)行改變，并且隨著所述車(chē)速的增大而應(yīng)用更高的參考溫度。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量高于預(yù)定參考值，如果所述冷卻液出口溫度高于預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則確定滿足前饋控制條件；以及將所述泵和所述鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)的每個(gè)轉(zhuǎn)速控制在第一控制值與第二控制值之間的相關(guān)值。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括如果由燃料電池組產(chǎn)生的熱量低于預(yù)定參考值，或者如果所述冷卻液出口溫度低于所述預(yù)定溫度，并且如果該狀態(tài)持續(xù)預(yù)定時(shí)間，則確定滿足前饋控制取消條件；以及對(duì)于所述泵和所述鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制。
13.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括傳感器，被配置成檢測(cè)所述燃料電池系統(tǒng)的冷卻液出口處的溫度并且將所檢測(cè)的溫度發(fā)送到控制器；以及控制器，被配置成從所述傳感器接收冷卻液出口溫度，其中根據(jù)所述冷卻液出口溫度來(lái)確定一個(gè)階段的參考溫度并且基于所述冷卻液出口溫度來(lái)確定所述階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并且以基于由水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度確定的所述階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)冷卻液泵和冷卻液風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的溫度的方法，基于冷卻液出口溫度、由燃料電池組產(chǎn)生的熱量等來(lái)控制冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。具體而言，本發(fā)明通過(guò)利用在根據(jù)冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的參考溫度并且基于冷卻液出口溫度來(lái)確定每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下從傳感器接收冷卻液出口溫度的控制器，來(lái)控制燃料電池系統(tǒng)的溫度。接著，控制器以基于由水溫傳感器檢測(cè)的當(dāng)前冷卻液出口溫度確定的每個(gè)階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)冷卻液泵和冷卻風(fēng)扇的每個(gè)轉(zhuǎn)速執(zhí)行比例積分(PI)控制。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102468505SQ20111026454
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者全淳一, 權(quán)相旭, 李憲重 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社