本公開涉及用于車輛的燃料電池系統(tǒng)的氫流的濕度狀況，在該車輛的燃料電池系統(tǒng)中，噴射器使氫氣混合物再循環(huán)。

背景技術(shù)：

諸如燃料電池車輛(fuelcellvehicle，fcv)或燃料電池電動車輛(fuelcellelectricvehicle，fcev)的車輛可包括諸如燃料電池堆的能量存儲裝置，以對車輛部件提供動力。燃料電池堆可以與用于協(xié)助管理車輛性能和運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)集成在一起。燃料電池堆可與氫再循環(huán)系統(tǒng)一起使用以協(xié)助管理燃料電池堆的水狀況。高分子電解質(zhì)膜燃料電池是可以與燃料電池堆一起使用的燃料電池的示例。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一種用于燃料電池堆(fuelcellstack,fcs)的水管理方法包括：基于fcs中的反應(yīng)物的消耗量和產(chǎn)物的生成量而通過控制器輸出fcs陽極端口的估計的相對濕度值，并基于所述估計的相對濕度值調(diào)整加濕控制策略。所述輸出是響應(yīng)于從fcs的氫再循環(huán)系統(tǒng)(hydrogenrecirculationsystem,hrs)模型預(yù)測的fcs陽極端口的相對濕度值出現(xiàn)在預(yù)定的范圍內(nèi)的。預(yù)測的相對濕度值可基于測量的hrs罐壓力、測量的fcs陽極端口壓力和從所述模型預(yù)測的fcs陽極端口壓力。所述方法還可包括：基于限定所述模型的線性化的動態(tài)方程預(yù)測hrs的噴射器的二次噴嘴的流量。所述預(yù)測可包括：將多項式混沌估計應(yīng)用到所述加濕控制策略以補償不確定性。所述預(yù)測可包括：對所述加濕控制策略的輸出進(jìn)行濾波以補償不確定性。所述方法可包括：基于hrs的噴射器的虛擬噴嘴的面積計算噴射器流量，所述噴射器的虛擬噴嘴的面積是從噴射器的幾何形狀、一次流的馬赫數(shù)、噴射器的兩個入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性得出的。所述方法還可包括：基于所述估計的相對濕度值辨識fcs的膜的狀態(tài)，并可輸出所述狀態(tài)。所述方法還可包括：通過hrs的時變模型辨識fcs中的反應(yīng)物的消耗量和產(chǎn)物的生成量。所述方法還可包括：通過反饋控制器調(diào)節(jié)所述模型的受控的氫壓力信號，使得所述信號的值以一定值收斂，并且收斂到與實際的壓力測量值大致相等的值。

一種用于fcs的陽極端口的濕度估計方法包括：根據(jù)從基于多項式混沌的估計器接收的數(shù)據(jù)而通過控制器輸出用于hrs的噴射器的激活順序，以控制所述端口處冷卻劑的流量。所述輸出是響應(yīng)于端口處出現(xiàn)預(yù)定的濕度狀況的。所述方法還可包括：基于hrs的模型的線性化的動態(tài)方程估計噴射器的二次噴嘴的流量。所述方法還可包括：基于噴射器的幾何形狀、一次流的馬赫數(shù)、噴射器的兩個入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性來計算噴射器流量。所述方法還可包括：基于預(yù)測的噴射器的流量估計hrs內(nèi)的燃料的化學(xué)計量比。

一種燃料電池車輛包括hrs和控制器。hrs包括噴射器和具有陽極端口的fcs?？刂破鞅慌渲脼椋杭せ頷rs模型以基于噴射器的二次噴嘴的估計的流量來計算陽極端口的相對濕度的實時估計值。相對濕度估計可基于罐壓力、陽極入口壓力、fcs入口溫度和出口溫度以及fcs電流?？刂破骺杀贿M(jìn)一步配置為：將濾波技術(shù)應(yīng)用到加濕控制策略的輸出，以補償相對濕度計算的不確定性。控制器可被進(jìn)一步配置為：運行hrs使得基于陽極端口處的物質(zhì)的化學(xué)計量比將預(yù)定量的氮和水從hrs中清除。控制器可被進(jìn)一步配置為：應(yīng)用狀態(tài)和參數(shù)估計技術(shù)，以補償相對濕度估計的不確定性?？刂破骺杀贿M(jìn)一步配置為：將所述模型的動態(tài)方程線性化，以預(yù)測噴射器的二次噴嘴的流量?？刂破鬟€可被進(jìn)一步配置為：基于噴射器的幾何形狀、噴射器的一次流的馬赫數(shù)、噴射器的入口處的壓力值以及一次流體和二次流體的屬性來計算噴射器的流量。

附圖說明

圖1是示出燃料電池車輛的示例的示意圖。

圖2是示出燃料電池的示例的示意圖。

圖3是示出燃料電池車輛的氫再循環(huán)系統(tǒng)的示例的示意圖。

圖4是示出用于燃料電池堆的陽極端口的相對濕度估計架構(gòu)的操作的算法示例的流程圖。

圖5是示出圖2的氫再循環(huán)系統(tǒng)的噴射器的示例的示意圖。

圖6是示出用于燃料電池堆的陽極端口的相對濕度估計架構(gòu)的操作的算法示例的流程圖。

具體實施方式

在此描述了本公開的實施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，公開的實施例僅僅為示例并且其它實施例可采取各種和可替代的形式。附圖不一定按比例繪制；一些特征可被放大或縮小以顯示特定部件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式利用本公開的實施例的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員將理解的，參考任一附圖示出和描述的各種特征可與一幅或更多副其它附圖中示出的特征結(jié)合以形成未明確示出或描述的實施例。示出的特征的組合提供了用于典型應(yīng)用的代表性實施例。然而，與本公開的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和變型可期望用于特定應(yīng)用或?qū)嵤┓绞健?/p>

圖1示出了燃料電池車輛(fcv)的示例的示意圖，在此通稱為車輛10。車輛10可包括機(jī)械地連接到變速器14的一個或更多個電機(jī)12。電機(jī)12能夠作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)。變速器14還可以機(jī)械地連接到驅(qū)動軸20，驅(qū)動軸20機(jī)械地連接到一組前車輪22。電機(jī)12可提供推進(jìn)和減速能力。燃料電池堆24可產(chǎn)生電流以對車輛10的部件提供動力。例如，氫再循環(huán)系統(tǒng)可與燃料電池堆一起運行，以將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化為電流從而對電機(jī)12提供電力。電流可被稱為負(fù)載。燃料電池堆24可包括一個或更多個燃料電池，諸如高分子電解質(zhì)膜(polymerelectrolytemembrane,pem)燃料電池。電力控制單元26可管理車輛10內(nèi)的電力流動。例如，電力控制單元26可管理燃料電池堆24與電機(jī)12之間的電力流動。儲氫罐30可儲存用于燃料電池堆24使用的氫氣。高輸出電池32可儲存(例如)從再生制動系統(tǒng)產(chǎn)生的能量并可將補充功率提供到電機(jī)12。

上面描述的各個部件可具有一個或更多個相關(guān)聯(lián)的控制器，以控制并監(jiān)測部件的運轉(zhuǎn)?？刂破骺山?jīng)由串行總線(例如，控制器局域網(wǎng)(can))或經(jīng)由離散導(dǎo)體進(jìn)行通信。

圖2示出了pem燃料電池的示例的示意圖，在此通稱為pem燃料電池40。pem燃料電池40是可以在上面描述的燃料電池堆24中操作的燃料電池的一個示例。pem燃料電池40可包括陽極42、電解質(zhì)44和陰極46。可分別在陽極42、電解質(zhì)44和陰極46之間的各個界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，陽極42可接收諸如氫的燃料，并將燃料氧化以將燃料轉(zhuǎn)換為帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的電子。電解質(zhì)44可允許離子穿過到達(dá)陰極46同時使電子在電解質(zhì)44周圍重新定向以生成負(fù)載。這些電子可在陰極46內(nèi)與這些離子重新結(jié)合。陰極46可接收諸如氧的化學(xué)物，以與這些離子和電子發(fā)生反應(yīng)，從而生成(例如)水或二氧化碳。雙極板48可協(xié)助pem燃料電池40內(nèi)的燃料和氧化劑的分布、促進(jìn)pem燃料電池40的水管理、將燃料電池堆內(nèi)的燃料電池隔開以及促進(jìn)pem燃料電池40的熱管理。

關(guān)于包括燃料電池(諸如pem燃料電池40)的系統(tǒng)的水管理可影響系統(tǒng)的性能。例如，燃料電池的電極可能會被具有高于正常狀態(tài)的過多水合作用的液態(tài)水淹沒，這會引起燃料不足、電池電勢或電流反向或者腐蝕電極和雙極板。相反，太少的水合作用會使質(zhì)子在燃料電池的膜(例如，電解質(zhì))中的傳輸阻力更高，并且會促進(jìn)清除膜的自由基。系統(tǒng)的水合狀態(tài)的改變會在膜中引起機(jī)械應(yīng)力，這也會導(dǎo)致過早的膜失效。燃料電池的啟動和關(guān)閉狀態(tài)也會依賴水管理，尤其是在低溫條件下。

在系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)期間，控制策略可通過調(diào)節(jié)溫度、流量、壓力和電流消耗來改變水合狀況，以改善系統(tǒng)的性能并延長系統(tǒng)的壽命?？刂撇呗钥墒褂脤θ剂想姵氐乃蠣顟B(tài)的精確測量或估計來促進(jìn)其操作。如本文所討論的，根據(jù)來自基于多項式混沌的估計器的輸出而實時地估計陽極入口流的相對濕度的方法可消除對氫再循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的相對濕度(或露點溫度)傳感器的需要。

圖3示出了氫再循環(huán)系統(tǒng)的示例，通稱為氫再循環(huán)系統(tǒng)200。氫再循環(huán)系統(tǒng)200可與燃料電池(諸如，上面描述的pem燃料電池40)一起操作。氫再循環(huán)系統(tǒng)200可包括罐204、第一閥206、噴射器210、止回閥212、第一管214、燃料電池堆216、第二管218、分離器(knockoutdrain)222和第二閥224。罐204可包括干燥的氫氣。第一閥206可以是壓力控制閥，以便于將預(yù)定量的干燥的氫氣引入到噴射器210。干燥的氫氣可以與從分離器222進(jìn)入噴射器210的氫氣混合物混合。從噴射器210排出的氣體混合物可經(jīng)過止回閥212和第一管214，并取道流動至燃料電池堆216。氣體混合物的一部分可被燃料電池堆216消耗，從陰極(未示出)經(jīng)過的水和氮可在燃料電池堆216內(nèi)與所述氣體混合物結(jié)合，以限定燃料電池堆輸出混合物。隨后，燃料電池堆輸出混合物可經(jīng)過第二管218并取道流動至分離器222。燃料電池堆輸出混合物的液態(tài)水可以通過分離器222去除。分離器222還可以去除一些氮氣和氫氣?？梢曰陉枠O端口處的物質(zhì)的化學(xué)計量比來清除預(yù)定量的氮和水。燃料電池堆輸出混合物的剩余氣體可被引導(dǎo)回到噴射器210。隨后，第二閥224可清除氫再循環(huán)系統(tǒng)200中的任何剩余液體。

一組三個狀態(tài)方程可協(xié)助提供氫再循環(huán)系統(tǒng)200的動態(tài)模型。所述三個狀態(tài)是噴射器210的初始壓力p1、第一管214中的壓力pup和第二管218中的壓力pds。噴射器210的靜態(tài)模型可結(jié)合三個動態(tài)方程。估計器可使用氫再循環(huán)系統(tǒng)200的模型來計算燃料電池堆216內(nèi)的反應(yīng)物的消耗量和產(chǎn)物的生成量。所述模型可計算氫再循環(huán)系統(tǒng)200的氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)，并且可預(yù)測陽極端口(諸如陽極入口220或陽極出口221)處的氫氣的相對濕度。估計器可使用線性化的模型或非線性化的模型?？梢栽O(shè)想氫再循環(huán)系統(tǒng)200的模型可以在不使用第一管214和第二管218的體積計算的情況下運行。例如，使用噴射器210的靜態(tài)模型的一組方程可包括0個、1個、2個或更多個動態(tài)方程。靜態(tài)和/或動態(tài)方程可預(yù)測一次流量和二次流量?？赏ㄟ^參數(shù)估計和濾波降低預(yù)測中的不確定性。

線性化的模型可將不確定性加入到模型預(yù)測的通過噴射器(諸如噴射器210)的二次噴嘴的流量?？墒褂没诙囗検交煦绲墓烙嫾夹g(shù)來降低不確定性并改善相對濕度估計。圖4示出了針對改善濕度預(yù)測的參數(shù)估計的算法的示例，通稱為算法250。在操作254處，傳感器可測量罐的壓力。在操作256中，可測量燃料電池堆的入口壓力值。在操作258中，可以基于氫再循環(huán)系統(tǒng)模型預(yù)測陽極端口的壓力。在操作260中，可以基于罐壓力和入口壓力計算濕度值。在操作262中，可以將測量的入口壓力和預(yù)測的壓力進(jìn)行比較以獲得誤差值。在操作264中，可應(yīng)用參數(shù)估計或濾波來估計模型的不確定性。隨后，在操作266中，可以基于參數(shù)估計或濾波更新模型，以改善模型的預(yù)測的濕度值。

圖5示出了用于估計器使用的噴射器210的模型的示例。來自罐204的氫氣的一次流可在位置1處進(jìn)入噴射器210的第一入口300。來自分離器222的二次流可在位置2處進(jìn)入噴射器210的第二入口304。一次流可在位置3處的一次噴嘴306中加速到音速。位置4與位置5之間的虛線可表示虛擬噴嘴310。一次流和二次流均都可在虛擬噴嘴310內(nèi)的位置5處達(dá)到音速。虛擬噴嘴310的面積可基于噴射器210的幾何形狀、一次流的馬赫數(shù)、第一入口300和第二入口304處的壓力值以及一次流和二次流的流體的屬性。對于不同的壓力比，可將線性擬合應(yīng)用到位置5處的二次流噴嘴的面積以及馬赫數(shù)。氫再循環(huán)系統(tǒng)200的動態(tài)方程可以通過應(yīng)用線性擬合而被線性化。

例如，

其中，p1是噴射器的一次入口處的流體的壓力，pup是燃料電池堆陽極的入口處的流體的壓力(即，上游壓力)，pds是燃料電池堆陽極的出口處的流體的壓力(即，下游壓力)，pr是測量的受控的罐(或氫源)壓力，kt是將噴射器入口壓力關(guān)聯(lián)到從罐(或氫源)流出的流體的質(zhì)量流量的系數(shù)，k1是與一次流體的屬性和噴射器一次噴嘴的幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，kup是與上游流體的體積、溫度、摩爾質(zhì)量和其它屬性有關(guān)的系數(shù)，kδp是將燃料電池堆陽極的壓降關(guān)聯(lián)到流過燃料電池堆的流量的系數(shù)，kds是與下游流體的體積、溫度、摩爾質(zhì)量和其它屬性有關(guān)的系數(shù)，a0是線性擬合到噴射器二次噴嘴面積的y軸截距，ka是線性擬合到噴射器二次噴嘴面積的斜率，ki將陽極壓降關(guān)聯(lián)到燃料電池堆的電流，wx是在燃料電池堆內(nèi)部從陰極到陽極的流體的流量，wko是從分離器流出的流體的質(zhì)量流量，θ是估計參數(shù)。

效率低下和建模簡化會在二次噴嘴面積和流入噴射器210中的二次流的質(zhì)量流量的計算中增加不確定性。該不確定性通過包含參數(shù)θ而建模在方程(2)中。以多項式混沌理論為基礎(chǔ)的最大似然估計技術(shù)可用于估計不確定參數(shù)θ。例如，θ可以依據(jù)混沌變量ξ項展開，混沌變量ξ是已知先驗分布的隨機(jī)變量。如果θ具有已知的下限θmin和上限θmax，則ξ可以是在區(qū)間[-1,1]上均勻分布的隨機(jī)變量。未知的變量θ可以根據(jù)ξ寫成如下

方程(2)的狀態(tài)方程可以近似為混沌變量的正交多項式函數(shù)φ(ξ)的展開。

可將方程(4)的展開代入回到方程(2)中，并隨后投影到正交基函數(shù)φ(ξ)上。這生成一組展開的狀態(tài)方程，其中，展開系數(shù)xup,i和xds,i，i＝0，…，s-1是系統(tǒng)狀態(tài)。

在方程(5)中，ⅱ是s×s單位矩陣。例如，

方程(5)還可以使用下面的定義

由于投影方面，方程(5)不是ξ的函數(shù)，而是確定的。由于線性，一旦初始條件已知，則假設(shè)零階保持的精確數(shù)值積分可用于求解。當(dāng)噴射器的電磁閥上游打開時可使用方程(5)。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，壓力p1和pds可變?yōu)榕c測量的壓力pup相等。因此，對于初始條件，每當(dāng)上游閥關(guān)閉(由于噴射器的脈沖運轉(zhuǎn)上游閥關(guān)閉會是頻繁的)時，方程(5)的狀態(tài)可設(shè)置為下面的值。

xup,0＝pup,xup,i＝0,i＝1,…,s-1

xds,0＝pup,xds,i＝0,i＝1,…,s-1

p1＝pup(11)

噴射器的運轉(zhuǎn)可以是脈沖的，因此，方程可被頻繁地重置到方程(11)中的它們的測量值。重置到方程(11)的測量值可有助于避免方程(5)和方程(1)的狀態(tài)軌跡的漂移。實時地求解方程(5)為方程(4)提供展開系數(shù)，因此，隨機(jī)過程pup和pds(近似地)為實時已知。估計的一個目標(biāo)是確定隨機(jī)變量ξ的最可能的實現(xiàn)值(mostlikelyrealization)。給定ξ的實現(xiàn)值隨機(jī)過程可壓縮到確定性的軌跡中。因此，最大似然估計旨在選擇ξ的實現(xiàn)值，使得生成的軌跡最像測量的變量pup。假設(shè)測量噪聲為累加的并且為高斯噪聲，則最大似然估計將使下列優(yōu)化最小化。

其中，β是遺忘因子并等效于使函數(shù)最小化。

其中

并且

φ(ξ)：＝[φ0φ1…φs-1](15)

由于方程(14)不依賴于未知參數(shù)ξ，因此在前一時間步長tk-1的估計對在當(dāng)前時間步長tk的估計沒有影響?？梢允褂酶鞣N技術(shù)確定的估計。作為示例，在每個時間步長，可以從區(qū)間[-1,1]中隨機(jī)地選擇ξ的實現(xiàn)值并且相應(yīng)的代價可與先前最佳的實現(xiàn)值ξk-1的代價比較。算法可以以具有最低的代價保持實現(xiàn)值。

結(jié)果可代入到方程(3)中，變?yōu)棣鹊漠?dāng)前估計的方程

隨著估計器獲得更多的信息，它對θ的預(yù)測得到改善，并且模型中的不確定性降低以提高模型精確地預(yù)測(例如)燃料電池堆216的陽極入口220或陽極出口221處的流體相對濕度的能力。

在另一個示例中，估計器可使用氫再循環(huán)系統(tǒng)的非線性模型和時變模型來預(yù)測陽極端口(諸如陽極入口220或陽極出口221)處的氫氣的相對濕度。在該示例中，所述模型可計算燃料電池堆216中的反應(yīng)物的消耗量和產(chǎn)物的生成量，諸如氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)。為了改善相對濕度預(yù)測，反饋控制器可將模型的受控的氫壓力信號調(diào)整為測量的壓力附近，使得陽極入口壓力的模型預(yù)測值與測量值之間的差收斂到零。反饋控制器可以是(例如)比例積分微分控制器、模型預(yù)測控制器或狀態(tài)觀測器/反饋器。

圖6示出了針對用于改善氫再循環(huán)系統(tǒng)的一部分的濕度預(yù)測的參數(shù)估計或濾波估計的算法的示例，通稱為算法400。在操作402中，可以獲取用于車輛的燃料電池堆的氫再循環(huán)系統(tǒng)的傳感器和致動器數(shù)據(jù)。在操作404中，控制器可激活氫再循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)值模型，可使用所獲取的數(shù)據(jù)來運行所述數(shù)值模型以辨識系統(tǒng)的陽極端口壓力的預(yù)測值，從而獲得陽極端口的濕度、反應(yīng)物氣體和惰性氣體的濃度。例如，反應(yīng)物氣體可包括陽極端口的物質(zhì)的化學(xué)計量比。此外，在操作406中，控制器可將陽極端口的測量壓力與模型的預(yù)測值進(jìn)行比較，以確定壓力是否匹配。如果壓力不匹配，則在操作408中，控制器可激活參數(shù)估計或濾波以估計模型的不確定性。在操作410中，可以更新模型以補償不確定性，從而可以以更新的數(shù)據(jù)再次激活操作404中的數(shù)值模型。如果在操作406中壓力匹配，可以信任模型預(yù)測的陽極端口濕度、反應(yīng)物氣體和惰性氣體的濃度，以計算系統(tǒng)的陽極端口的相對濕度值。

雖然上文描述了各個實施例，但是并不意味著這些實施例描述了權(quán)利要求所涵蓋的所有可能形式。說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限制性詞語，并且應(yīng)理解，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下可作出各種改變。如之前描述的，可組合各個實施例的特征以形成本公開的可能未被明確描述或示出的進(jìn)一步實施例。雖然各個實施例已經(jīng)被描述在一個或更多個期望的特性方面提供優(yōu)點或優(yōu)于其它實施例或現(xiàn)有技術(shù)實施方式，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，根據(jù)特定的應(yīng)用和實施方式一個或更多個特征或特性可被折衷以實現(xiàn)期望的整體系統(tǒng)屬性。這些屬性可包括但不限于：市場可用性、外觀、一致性、穩(wěn)健性、用戶可接受性、可靠性、精確性等。因此，所描述的在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現(xiàn)有技術(shù)實施方式合意的實施例并不在本公開的范圍之外，并且可期望用于特定應(yīng)用。