專利名稱：用于基于自高溫泵的電流反饋來檢測冷卻劑的總損的方法
技術領域：
本發(fā)明大體而言涉及用于檢測燃料電池系統(tǒng)中來自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的系統(tǒng)和方法，且更特定而言涉及使用來自泵送冷卻流體通過熱子系統(tǒng)的高溫泵的電流反饋來檢測燃料電池系統(tǒng)中自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
氫是很有吸引力的燃料，因為其清潔且可用于高效地在燃料電池中發(fā)電。氫燃料電池為電化學設備，其包括陽極和陰極，在陽極與陰極之間具有電解質。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中解離以生成自由的質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧和電子反應以生成水。自陽極的電子不能通過電解質且因此在發(fā)送到陰極之前被弓I導通過負載以做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)為車輛流行的燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，諸如全氟磺酸膜。陽極和陰極通常包括支承于碳粒子上且與離聚物混合的細分催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)。催化劑混合物沉積于膜的相對側上。陽極催化劑混合物，陰極催化劑混合物和膜的組合限定膜電極組件(MEA)。MEA制造起來較為昂貴且需要特定條件來有效操作。若干燃料電池通常通過串聯(lián)連接組合成燃料電池組以產生所需電力。舉例而言，用于車輛的典型燃料電池組可具有兩百個或更多堆疊的燃料電池。燃料電池組接收陰極輸入反應氣體，通常為由壓縮機強迫穿過該電池組的空氣流。并非所有氧氣由該電池組消耗，一些空氣作為陰極排氣輸出，其可包括水作為電池組副產物。燃料電池組也接收流入到電池組陽極側內的陽極氫反應氣體。該電池組還包括流動通道，冷卻流體流動通過該流動通道。燃料電池組包括定位于電池組中若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA定位于兩個端板之間。雙極板包括陽極側和陰極側用于電池組中的相鄰燃料電池。陽極氣體流動通道設于雙極板的陽極側上，其允許陽極反應氣體流到相應MEA。陰極氣體流動通道設于雙極板的陰極側上，其允許陰極反應氣體流到相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，且另一端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成，諸如不銹鋼或導電復合物。端板將由燃料電池產生的電力傳導到電池組外。雙極板還包括流動通道，冷卻流體流動通過該流動通道。如上文所提到的那樣，燃料電池組包括冷卻流體流動通道，通常在電池組雙極板中，其接收冷卻流體，冷卻流體維持燃料電池的操作溫度在所需水平。冷卻流體由作為熱子系統(tǒng)一部分的高溫泵泵送通過電池組和電池組外部的外部冷卻劑環(huán)路，其中當冷卻流體離開該電池組時散熱器通常冷卻該冷卻流體。溫度傳感器通常設于燃料電池組外的冷卻劑環(huán)路中以在冷卻流體進出電池組時監(jiān)測冷卻流體的溫度，以維持對電池組溫度的嚴格控制。冷卻流體通常為水與乙二醇的混合物，其提供增強的除熱性質且降低了冷卻流體的冷凍溫度。
如果熱子系統(tǒng)中的構件失效，冷卻流體可能從熱子系統(tǒng)泄漏。如果足夠多的冷卻流體從熱子系統(tǒng)泄漏，那么用來降低燃料電池組的溫度或維持所需溫度的冷卻流體就不夠了，因此導致燃料電池組過熱，這可能會對各種燃料電池系統(tǒng)構件造成損壞，諸如燃料電池本身。因此，已知采用設備和系統(tǒng)來檢測冷卻流體泄漏以保護燃料電池系統(tǒng)防止過熱和可能的構件損壞。一種已知的泄漏檢測設計中，采用專用液位傳感器來檢測在保持冷卻流體的溢流罐或儲集器中的冷卻流體的液位。但是，可能有時液位傳感器指示低液位，但卻不存在顯著泄漏，或者完全沒有泄漏，且在熱子系統(tǒng)中仍可存在足夠冷卻流體來操作該電池組。舉例而言，如果車輛急轉彎，在罐中的流體可能降到液位傳感器下方，提供低冷卻流體的錯誤指示。另外，對于小冷卻流體損失，可能期望僅提供警告指示而不提供其它減輕措施，諸如系統(tǒng)關閉
發(fā)明內容

根據本發(fā)明的教導內容，公開了一種用于確定燃料電池系統(tǒng)中自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的系統(tǒng)和方法。該方法包括監(jiān)測自泵送冷卻流體通過冷卻劑環(huán)路的高溫泵的電流反饋。比較自該泵的測量電流與系統(tǒng)操作條件的預期電流，且如果測量電流顯著地小于預期電流，那么其可為低冷卻流體的結果。如果測量電流小于預期電流持續(xù)預定時段，那么該系統(tǒng)能由于低冷卻流體的結果而采取減輕措施。由冷卻流體儲集器中的液位傳感器指示器來起始該電流比較。另外，如果溢流管液位傳感器指示低冷卻流體，如果泵速度太低而不能提供準確電流測量，那么可增加泵速度。本發(fā)明提供下列技術方案。技術方案I: 一種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的方法，所述方法包括
針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流；
測量所述泵的電流；
比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流；以及
如果所述測量電流比所述預期電流小預定電流值，判定可能存在所述冷卻流體損失。技術方案2:根據技術方案I所述的方法，還包括，如果所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值，使計數器加I ;以及如果計數值大于預定計數閾值，指示存在冷卻流體損失。技術方案3:根據技術方案I所述的方法，還包括，判斷溢流罐中冷卻流體的液位是否低于預定液位；以及僅在所述冷卻流體液位低于所述預定液位的情況下，比較所述測量電流與所述估計電流。技術方案4:根據技術方案3所述的方法，其中，確定所述冷卻流體液位包括使用罐液位傳感器。技術方案5:根據技術方案I所述的方法，還包括，如果所述測量電流小于所述預期電流，判斷所述泵速度是否大于預定泵速度閾值；如果所述泵速度不大于所述泵速度閾值，增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾值。技術方案6:根據技術方案5所述的方法，其中，比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流包括，在所述泵速度增加到至少所述預定泵速度閾值之后還比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流。技術方案7:根據技術方案5所述的方法，其中，所述預定泵速度閾值為大約4000RPM。技術方案8:根據技術方案I所述的方法，還包括，設置指示低冷卻流體的診斷。技術方案9:根據技術方案I所述的方法，其中，判斷可能存在所述冷卻流體損失包括，如果所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值持續(xù)預定時段則判斷可能存在冷卻流體損失。
技術方案10:根據技術方案9所述的方法，其中，所述預定時段為大約2秒。技術方案11: 一種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的方法，所述方法包括
針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流；
測量所述泵的電流；
判斷溢流罐中的冷卻流體的液位是否低于預定液位；
如果液位傳感器指示在所述罐中的低冷卻流體液位，則比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流；
如果所述測量電流比所述預期電流小預定電流值持續(xù)預定時段，則判斷可能存在所述冷卻流體損失；
如果所述測量電流小于所述預期電流持續(xù)預定時段，則判斷所述泵的速度是否大于預定泵速度閾值；
如果所述泵速度不大于所述泵速度閾值，增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾
值；
再次比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流；以及
如果所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值持續(xù)預定時段，則再次判斷可能存在所述冷卻流體損失。技術方案12:根據技術方案11所述的方法，還包括，如果所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值，使計數器加I ;以及如果計數值大于預定計數閾值，指示存在冷卻流體損失。技術方案13:根據技術方案11所述的方法，其中，確定所述冷卻流體的液位包括使用罐液位傳感器。技術方案14.根據技術方案11所述的方法，其中，所述預定時段為大約2秒。技術方案15: —種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括
用于針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流的
裝置；
用于測量所述泵的電流的裝置；
用于比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流的裝置；以及用于在所述測量電流比所述預期電流小預定電流值的情況下判斷可能存在所述冷卻流體損失的裝置。
技術方案16:根據技術方案15所述的檢測系統(tǒng)，還包括，用于在所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值的情況下實施計數器的裝置；以及用于在計數值大于預定計數閾值的情況下指示存在冷卻流體損失的裝置。技術方案17:根據技術方案15所述的檢測系統(tǒng)，還包括，用于判斷溢流罐中冷卻流體的液位是否低于預定液位的裝置，且其中用于比較所述測量電流與所述估計電流的裝置僅在所述冷卻流體液位低于所述預定液位時進行比較。技術方案18:根據技術方案15所述的檢測系統(tǒng)，還包括，用于在所述測量電流小于所述預期電流的情況下判斷所述泵的速度是否大于預定泵速度閾值的裝置；以及用于在所述泵速度不大于所述泵速度閾值時增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾值的裝置。技術方案19:根據技術方案18所述的檢測系統(tǒng)，其中，在所述泵速度不大于所述泵速度閾值的情況下增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾值的所述裝置增加了所述泵速度之后，用于比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流的所述裝置還比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流。技術方案20:根據技術方案15所述的檢測系統(tǒng)，其中，用于比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流的裝置在所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值持續(xù)預定時段的情況下判斷可能存在所述冷卻流體損失。結合附圖，通過下文的描述和所附權利要求，將明白本發(fā)明的其他特點。


圖I為包括燃料電池組和熱子系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)的示意平面圖；以及 圖2為示出用于確定圖I所示的熱子系統(tǒng)中冷卻流體損失的過程的流程圖。
具體實施例方式下文針對于用于確定自燃料電池系統(tǒng)中熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明的實施例的討論在本質上只是示例性的且絕不限制本發(fā)明或其應用或用途。舉例而言，如所提到的那樣，該方法特別地適用于確定自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失。但如由本領域技術人員將了解的那樣，本發(fā)明可應用于泵送任何流體的泵。圖I為包括燃料電池組12的燃料電池系統(tǒng)10的簡化示意框圖。該燃料電池組12包括陰極側，其從陰極輸入管線16上的壓縮機14接收空氣且在陰極排氣管線18上提供陰極排氣。燃料電池組12還包括陽極側，其從陽極輸入管線22上諸如高壓罐的氫氣源20接收氫氣且在陽極排氣管線24上提供陽極排氣。通常，自燃料電池組的陽極排氣與陰極排氣組合為單個電池組輸出。系統(tǒng)10還包括熱子系統(tǒng)，其向燃料電池組12提供冷卻流體流。熱子系統(tǒng)包括高溫泵28，其泵送冷卻流體通過燃料電池組12外部的冷卻劑環(huán)路26且通過燃料電池組12中的雙極板中的冷卻流體流動通道。溫度傳感器30測量冷卻劑環(huán)路26中冷卻流體進入燃料電池組12時該冷卻流體的溫度且溫度傳感器32測量在冷卻劑環(huán)路26中冷卻流體離開燃料電池組12時該冷卻流體的溫度。盡管未具體地示出，用于燃料電池系統(tǒng)的典型熱子系統(tǒng)將包括散熱器，其用于冷卻自燃料電池組12的冷卻流體；以及，散熱器旁路管線，其用于繞開散熱器，其中由合適的控制元件和閥來控制流過散熱器和繞開散熱器的冷卻流體量以得到所需冷卻流體溫度。熱子系統(tǒng)還包括與冷卻劑環(huán)路26流體連通的溢、流罐34。液位指示器36提供罐34內冷卻流體液位的指示。如將在下文中更詳細地討論，本發(fā)明提出了檢測熱子系統(tǒng)中冷卻流體損失的方法，其利用泵電流反饋來判斷泵28是否生成泵送冷卻流體通過冷卻劑環(huán)路26所需的預期功。在冷卻流體損失的情況下，對于恒定的泵速度，泵電流顯著地減小，因為泵28泵送空氣而不是冷卻流體。基于此，比較估計的泵電流與測量的泵電流來確定低冷卻流體。應當指出的是相對于全范圍和泵速度，電流變化相對較低，且電流反饋的分辨率具有低敏感性。因此，該診斷僅在高泵速的情況下是可靠的，其中預期在泵送冷卻流體與泵送空氣之間存在較大的三角形電流(delta current)。如果實際泵電流遠小于預期泵電流，能推斷出泵28并未泵送大量冷卻流體。然后可設置診斷且能采取減輕措施來防止燃料電池組12過熱。必須小心以避免錯誤的肯定診斷以防止不必要的補救措施，諸如減小功率模式，這會影響到駕駛員。本發(fā)明提出了通過實施診斷計數器來防止這種錯誤診斷的一種保護措施。如果計數器基于在預定時間范圍內感測到低冷卻流體的主動診斷到達預定閾值，則觸發(fā)診斷?；蛘?，算法可使用在預定分配時間的預定計數閾值，諸如在30秒內五個肯定計數。系統(tǒng)10包括控制器38，控制器38從泵28中的傳感器接收識別泵電流的測量電流 信號?？刂破?8還從液位指示器36接收指示罐34中的冷卻流體液位為低的信號。控制器38比較測量電流與預期電流，且如果在足夠長的時段持續(xù)存在顯著差異，將開始減輕措施，包括向駕駛員提供警告燈以及用于系統(tǒng)10的補救減輕措施。圖2為用于基于上文所討論確定來自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的流程圖40。在方框42，該算法重置控制器38中的所有可用的緩沖器且將計數器設置為零。在決策菱形44，算法判斷罐冷卻流體液位傳感器36是否指示罐34中的冷卻流體液位低于指示低冷卻流體的某液位。如果傳感器36并未指示冷卻流體的低液位，那么在熱子系統(tǒng)中存在足夠的冷卻流體且算法返回到方框42來繼續(xù)監(jiān)測傳感器36。如果罐冷卻流體液位傳感器36指示低冷卻流體液位，那么算法在決策菱形44比較基于系統(tǒng)操作條件的估計泵電流或預測泵電流與測量泵電流來判斷測量泵電流在預定時段內(諸如二秒)是否為小于預期泵電流的某顯著預定值。如果測量泵電流在該時段內并不小于預期泵電流，那么算法返回到決策菱形42以監(jiān)測冷卻流體液位傳感器36的狀態(tài)。如果在決策菱形46，測量泵電流顯著地小于估計泵電流預定時長，那么冷卻流體液位可能相當低。然后，算法在決策菱形48判斷泵速度是否大于預定速度閾值。算法檢查泵速度，因為所述過程需要從泵28汲取足夠高的電流以能區(qū)分低冷卻流體狀況與正常冷卻流體狀況。換言之，如果泵速度過低，那么電流測量可具有顯著的噪音和振蕩，其中在泵送冷卻流體與泵送空氣之間的差別小于電流傳感器的分辨率且因此檢測不到。如果在決策菱形48，泵速度大于預定速度閾值，那么算法在方框50使計數器加I，且在決策菱形52判斷計數器的計數值是否大于預定計數閾值，諸如五個計數。該算法確保泵電流測量明顯地低于估計電流足夠長的時段以減小除了低冷卻流體之外的原因造成的低泵電流的機會。在一非限制性實施例中，每次計數每30秒發(fā)生使得在算法采取補救措施之前測量電流需要低于估計電流的總時間為大約2 分鐘。如果在決策菱形52計數不大于閾值，那么算法返回到決策菱形46以比較所述電流。如果在決策菱形52計數大于閾值，那么算法在方框54設置冷卻流體損失診斷以對于低冷卻流體采取補救措施，諸如提供警告燈或者關閉電池組12。
如果在決策菱形48泵速度不大于速度閾值，那么算法在方框56命令泵速度為閾值，諸如4000 rpm。然后算法在決策菱形58比較測量電流與估計電流，如在決策菱形46所做的那樣，因為在決策菱形46即使測量電流顯著地低于預期電流持續(xù)所需時段，這也會被看作為低泵速度造成的結果。如上文那樣，如果在決策菱形58測量電流并不顯著地低于預期電池持續(xù)所需時段，那么算法返回到決策菱形44以監(jiān)測在罐34中的冷卻流體液位。如果在決策菱形56測量電流小于估計電流持續(xù)所需時段，那么該算法在方框60使計數器加1，如在方框50中所做的那樣。同樣，該算法然后在決策菱形62判斷計數是否大于閾值，如在決策菱形52所做的那樣，且如果不是，返回到方框58以設置泵速度等于泵速度閾值。如果在決策菱形64計數器到達閾值，那么算法進行到診斷方框54。在方框54設置了診斷之后，如果泵速度已經在方框56增加，那么該算法將在方框42判斷泵速度是否需要重置到所需泵速度。應當指出的是當執(zhí)行診斷時，在本文中所討論的低冷卻流體算法的增加的泵速度將不會顯著地影響電池組溫度。前文的討論公開且描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領域技術人員從此討論和從附圖和權利要求易于認識到在不偏離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況 下可對本發(fā)明做出各種變化、修改和變型。
權利要求
1.一種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的方法，所述方法包括 針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流； 測量所述泵的電流； 比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流；以及 如果所述測量電流比所述預期電流小預定電流值，判定可能存在所述冷卻流體損失。
2.根據權利要求I所述的方法，還包括，如果所述測量電流比所述預期電流小所述預定電流值，使計數器加I ;以及如果計數值大于預定計數閾值，指示存在冷卻流體損失。
3.根據權利要求I所述的方法，還包括，判斷溢流罐中冷卻流體的液位是否低于預定液位；以及僅在所述冷卻流體液位低于所述預定液位的情況下，比較所述測量電流與所述估計電流。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，確定所述冷卻流體液位包括使用罐液位傳感器。
5.根據權利要求I所述的方法，還包括，如果所述測量電流小于所述預期電流，判斷所述泵速度是否大于預定泵速度閾值；如果所述泵速度不大于所述泵速度閾值，增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾值。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流包括，在所述泵速度增加到至少所述預定泵速度閾值之后還比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述預定泵速度閾值為大約4000RPM。
8.根據權利要求I所述的方法，其還包括，設置指示低冷卻流體的診斷。
9.一種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的方法，所述方法包括 針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流； 測量所述泵的電流； 判斷溢流罐中的冷卻流體的液位是否低于預定液位； 如果液位傳感器指示在所述罐中的低冷卻流體液位，則比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流； 如果所述測量電流比所述預期電流小預定電流值持續(xù)預定時段，則判斷可能存在所述冷卻流體損失； 如果所述測量電流小于所述預期電流持續(xù)預定時段，則判斷所述泵的速度是否大于預定泵速度閾值； 如果所述泵速度不大于所述泵速度閾值，增加所述泵速度到至少所述預定泵速度閾值； 再次比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流；以及 如果所述測量電流比所述預期電流小預定電流值持續(xù)預定時段，則再次判斷可能存在所述冷卻流體損失。
10.一種確定自燃料電池系統(tǒng)的熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括 用于針對系統(tǒng)操作條件確定泵送所述冷卻流體通過所述熱子系統(tǒng)的泵的預期電流的裝置； 用于測量所述泵的電流的裝置；用于比較所述泵的預期電流與所述泵的測量電流的裝置；以及用于在所述測量電流比所述預期 電流小預定電流值的情況下判斷可能存在所述冷卻流體損失的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于基于自高溫泵的電流反饋來檢測冷卻劑的總損的方法，提供了用于檢測燃料電池系統(tǒng)中自熱子系統(tǒng)的冷卻流體損失的系統(tǒng)和方法。該方法包括監(jiān)測自泵送冷卻流體通過冷卻劑環(huán)路的高溫泵的電流反饋。比較自該泵的測量電流與該系統(tǒng)操作條件的預期電流，且如果該電流顯著地小于預期電流，那么其可為低冷卻流體的結果。如果測量電流小于預期電流持續(xù)預定時段，那么該系統(tǒng)能由于低冷卻流體的結果而采取減輕措施。另外，如果溢流管液位傳感器指示低冷卻流體液位，如果泵速度太低而不能提供準確電流測量，那么其可增加。
文檔編號H01M8/02GK102738483SQ20121009883
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權日2011年4月7日
發(fā)明者J.蔡, L.德夫里斯, S.E.萊爾納, S.R.法爾塔 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司