燃料电池堆的在线自适应极化曲线估算用的算法制造技术

本发明专利技术涉及燃料电池堆的在线自适应极化曲线估算用的算法。当燃料电池堆在运行并且一定的数据有效性准则已被满足时，该算法进入数据收集模式，其中所述算法收集堆数据，例如堆电流密度、平均电池电压和最小电池电压。当堆被关闭时，该算法利用电池电压模型求解最小二乘问题用以估算定义极化曲线的预定参数。如果所估算的参数满足一定的终止准则，则所估算的参数被存储用以由系统控制器使用来计算堆的极化曲线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般性地涉及一种用于计算燃料电池堆极化曲线的算法，并且更具 体地，涉及一种通过在堆运行时收集数据、从所收集到的用于确定极化曲线的 数据计算两个或更多参数、以及将这些参数存储在存储器中来在线地估算燃料 电池堆极化曲线的算法。
技术介绍
氢因其清洁禾呵以用于在燃料电池中有效地产生电而成为非常有吸引力的 燃料。氢燃料电池是包括其之间有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接 收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中被分解用以产生游离的氢质子和电 子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子在阴极中与氧和电子反应生成7jC。阳极的电子不能穿过电解质，因而在被发送至,极之前被弓1导 ;负 做功。质子交换MM料电池(PEMFC) ^ffi用的，用燃料电池。PEMFC通常 包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括 微细的催化粒子， 一般为铂(Pt)，被支撑在碳粒子上并混有离聚物。催化混合 物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义膜电 极组件(MEA)。 MEA对于生产来说比较昂贵并且要求一定的有效工作条件。典型地若干个燃料电池组合) 料电池堆用以产生所期望的功率。燃料电 池堆接收阴极输入气体，典型地是由压縮机迫使通过电池堆的空气流。不是所 有的氧都被堆消耗，部分空气作为阴极废气被输出，所述阴极废气可能含有作 为堆副产品的7k。燃料电池堆还接收流入到堆阳极侧的阳极氢输入气体。堆控制器需要知道燃料电池堆的电^/电压关系以提供对来自堆的功率的 适当分配，该电涼i/电压关系称为极化曲线。典型地难以定义堆的电压和电流之 间的关系，因为它是非线性的并且根据包括堆温度、堆分压力、以及阴极和阳 极的化学计量的很多变量而改变。此外，堆电流和电压之间的关系因堆随时间 退化而改变。特别地，较旧的堆将具有较低的电池电压，并且与新的未退化的堆相比需要更大的电流以满足功率需求。幸运地，很多燃料电池系统一旦其处于一定温度之上，则在给定的电流密 度下趋向于具有可重复的工作状况。在所述情形下，电压大致可以被描述为堆 电流密度和使用年限的函数。
技术实现思路
根据本专利技术的教导，公开了一种用于在线和自适应估算燃料电池堆极化曲 线的算法。当燃料电池堆在运行并已满足确定的数据有效性准则时，算法进入 数据收集模式，其中所述算法收集堆数据，例如堆电流密度、平均电池电压和 最小电池电压。当堆被关闭时，该算法利用电池电压模型求解非线性最小二乘 问题用以估算定义极化曲线的预定参数。如果所估算的参数满足确定的终止准 则，那么存储估算的参数用以由系统控制器使用来为将来的运行计算堆的极化 曲线。根据以下的描述和所附的权利要求并结合附图，本专利技术的附加特征将变得 明显。附图说明图1是针对新堆和旧堆显示出燃料电池堆极化曲线的图表，其中在水平轴上为堆电流密度，在垂直轴上为堆电压；图2是包括分离堆和控制器的燃料电池系统的框亂以及图3是显示了根据本专利技术实施例在线估算燃料电池堆的极化曲线的算法过程的流程图。具体实施方式对于涉及在线估算燃料电池堆极化曲线的算法的本专利技术实施例的以下讨论 在实质上只是作为示范，而决不是要限制本专利技术或者其应用或使用。燃料电池系统的很多控制参数需要知道燃料电池堆的极化曲线，例如知道 可从^t料电池堆获得的最大电压电势和电流消耗。如上所述，随着堆老化，堆 极化曲线也由于堆退化而改变。图1是一图表，其中在水平轴上是堆电流密度 和在垂直轴上是平均电池电压。曲线10是新的燃料堆的极化曲线，曲线12是老化的燃料电池堆的极化曲线，其中对于较旧的堆对于相同的堆电流密度，平 均电池电压降低。因此，对于系统有必要不断地更新所述堆的极化曲线，以便 准确地确定用于有效燃料电池堆工作的各种控制参数。本专利技术提出一种算法，用来在燃料电池系统工作时在线计算燃料电池堆的 极化曲线。如下面将要详细讨论的，该算法在堆工作时从所收集的数据估算两 个或多个堆参数，并利用这些参数来计算极化曲线。在一个非限制性实施例中，燃料电池系统采用分离堆(split stack),其中为每个堆同时估算两个极化曲线。第一极化曲线基于第一堆的平均电池电压和堆电流密度，第二极化基于第一堆 的最小电池电压和堆电流密度，第三极化曲线基于第二堆的平均电池电压和堆 电流密度，以及第四极化曲线基于第二堆的最小电池电压和堆电流密度。图2是包括第一分离堆20、第二分离堆22和控制器24的燃料电池系统18 的框图。控制器24接收来自分离堆20和22的数据，并且控制器24控制分离 堆20和22。控制器24使用所述数据用以实时地计算堆20和22的极化曲线。图3是显示用于在控制器24中计算燃料电池堆20和22的极化曲线的算法 的实施的流程图30。在框32，算法等待燃料电池堆20和22工作瓶供功率。 当燃料电池堆20和22提供功率并预定的数据有效性准则(DVC)己被满足时， 于是算法移至框34，其中在堆20和22运行时收集用于估算极化曲线的数据。 该数据有效性准则可以是指示系统运行在正常模式下的任何适当的数据有效性 准则，例如堆^4卩液的^^在预定a^之上、堆相赠M在预定的阈值之上等。在数据收集模式中，算法将连续地确定Jt料电池堆20和22中的堆电流密 度和燃料电池的电压。燃料电池电压用于计算堆20和22的平均电池电压和最 小电池电压。将可能的堆电流密度分成预定的范围。对于每个范围，定义四个 库(bin)，所述四个库被表示为在下面的表1中为电流密度范围所示的库Yl-Y4。 库Yl是第一分离堆20的平均电池电压的函数，库Y2是第一分离堆20的最小 电池电压的函数，库Y3是第二分离堆22的平均电池电压的函数，以及库Y4 是第二分离堆22的最小电池电压的函数。在数据收集状态期间，每个后面的新 值在使其M31平均滤波器后被存储在所鹏中。另外，对于每个电流范围，"有 效"和"计数"值被存储。如果数据被存储在所述电流密度范围的任何库Yl-Y4 中，贝赃有效位置方爐1比特，如果娜未被存储在所述电流密度范围的任何 库Y1-Y4中，贝赃有效位置方燈O比特。计数位置存储对值在所述电流密度范围的任何库Y1-Y4中已改变的次数进行标识的值。表l<table>table see original document page 9</column></row><table>算法还在框34处确定所收集的 是否足以满足预定的数据充分性准则 (DSC (data sufficiency criteria)).在一个非限制性实施例中，如果下面的两个 ^j牛之一被满足，则算法确定所收集的 是否充分。CDiZ^冶魔微《CDi报，存縱特飼7—n/7 #JMCCD"—丄"叙f練《CZ^—肌斧微錄飼/—F,,藩W—C值CDffi—Lo， CAy—州，CZ^_Lo, Q^J/"尺7—iU—WC, K 是预定的校准值。在数据收集的刑台时可以f柳以下初始值。CDw—Lo = 0.525 A/cm2CAy—//, = 0.625 A/cm2CA^—Lo = 0.625 A/cm2CA^—, 1.25 A/cm2iU—K= (^在范围R1内7个库具有有效数据) A/_C= (^在范围R1内25个有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于计算燃料电池堆的极化曲线的方法，所述方法包括：　　　　从燃料电池堆收集数据；　　　　提供电池电压模型；　　　　利用电池电压模型和所收集到的数据求解非线性最小二乘问题用以估算预定的参数；以及　　　　利用所估算的参数计算极化曲线。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：S加纳帕蒂，JP萨尔瓦多，B拉克什马南，F莱奥，JR科罗奇，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]