阅读说明：本技术 用于控制燃料电池的冷却剂温度的系统和方法 (System and method for controlling coolant temperature of fuel cell ) 是由 凯文·李 于 2019-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了用于控制燃料电池的冷却剂温度的系统和方法。用于车辆中的燃料电池堆的冷却剂温度控制系统包括：控制器,用于确定燃料电池堆冷却剂的实时目标出口温度；以及通信设备,用于检测从燃料电池堆输出的燃料电池电压和燃料电池电流。燃料电池堆冷却剂的实时目标出口温度通过从燃料电池堆产生的输入燃料电池热量与燃料电池功率比确定,用于补偿由于燃料电池堆随时间推移劣化导致的目标出口温度。另外,当车辆的出行距离大于预定行驶距离时,冷却剂温度控制系统确定以激活用于评估燃料电池堆冷却剂的实时目标出口温度。(The invention provides a system and a method for controlling the coolant temperature of a fuel cell. A coolant temperature control system for a fuel cell stack in a vehicle includes: a controller for determining a real-time target outlet temperature of the fuel cell stack coolant; and a communication device for detecting a fuel cell voltage and a fuel cell current output from the fuel cell stack. The real-time target outlet temperature of the fuel cell stack coolant is determined by the input fuel cell heat generated from the fuel cell stack to fuel cell power ratio to compensate for the target outlet temperature due to degradation of the fuel cell stack over time. In addition, the coolant temperature control system determines to activate a real-time target outlet temperature for evaluating the fuel cell stack coolant when the travel distance of the vehicle is greater than a predetermined travel distance.)

用于控制燃料电池的冷却剂温度的系统和方法

技术领域

本公开内容涉及用于控制车辆中的冷却剂温度的系统和方法，并且更具体地涉及用于控制车辆中的燃料电池堆(燃料电池组，fuel cell stack)的冷却剂出口温度的系统和方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开内容相关的背景信息并且可能不构成现有技术。

由于零有害废气排放、高效率和从可再生方法产生氢的可能性，氢燃料电池是用于车辆的内燃机的替代动力源。用作动力源的多个燃料电池堆叠在车辆中。车辆进一步包括：向燃料电池堆供应氢或类似燃料的燃料供应系统；供应氧的空气供应系统，该氧是电化学反应所需的氧化剂；以及水和热管理系统，其调节燃料电池堆的温度等。

当氢被供应到燃料电池堆的阳极并且氧被供应到燃料电池堆的阴极时，氢离子通过阳极中的催化反应而被分离。分离的氢离子通过电解质膜被转移到作为阴极的氧化电极，并且在阳极中分离的氢离子与电子和氧化电极中的氧一起产生电化学反应，使得可以获得电能。因此，在氢燃料电池车辆中，由于通过上述过程产生的电子的移动而产生电力和热量。

通过该过程，燃料电池堆产生来自作为反应气体的氢和氧的电化学反应的电能，并且排出作为反应副产物的热量和水。因此，车辆中的燃料电池系统包括用于控制燃料电池堆的温度的装置。通常，在用于车辆的燃料电池系统中用于将燃料电池堆保持在期望温度的冷却系统广泛采用冷却剂类型，该冷却剂类型通过使冷却剂循环通过燃料电池堆中的冷却通道来冷却燃料电池堆。

在该背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本公开内容的背景的理解，并且因此其可能包含不构成现有技术的信息。

发明内容

本公开内容提供了一种用于控制车辆中的燃料电池(FC)堆的温度的冷却剂温度控制系统和方法。

根据本公开内容的一个方面，冷却剂温度控制系统包括控制器，该控制器可操作为确定FC冷却剂的实时目标出口温度(real time target exit temperature)。控制器被配置用于补偿由于FC堆随时间推移劣化(降级，degradation)而导致的目标出口温度。控制器确定从FC堆产生的输入FC热量与FC功率比(input FC Heat to FC Power ratio)。冷却剂温度控制系统进一步包括通信设备(communicating device)，该通信设备可操作为检测从FC堆输出的FC电压和FC电流。此外，控制器确定用于映射实时目标FC冷却剂出口温度的在FC堆的寿命开始和结束时恒定的FC热量与功率比(constant FC Heat to Power ratio)和目标FC冷却剂出口温度。

根据本公开内容的另一个方面，当车辆的出行距离(trip distance)大于预定行驶距离(predetermined travel distance)时，控制器确定以激活温度控制系统用于评估FC冷却剂的实时目标出口温度。控制器将30km设定为用于激活以评估FC冷却剂的实时目标出口温度的预定行驶距离。

根据本公开内容的另一个方面，通过评估所检测的FC电压和FC电流来确定FC热量和FC功率(FC Power)中的每一个。控制器通过以下公式评估FC热量：FC热量＝[1.25×(FC的#)-FC电压]×FC电流，并且通过以下公式评估FC功率：FC功率＝FC电压×FC电流。

根据本公开内容的另一个方面，恒定的FC热量与FC功率比通过其中被认为在FC堆的寿命结束时的最大FC热量与FC功率比(Ratio_max)以及其中被认为在FC堆的寿命开始时的最小FC热量与FC功率比(Ratio_min)确定。目标FC冷却剂出口温度通过在FC堆的寿命开始时允许的最小目标FC冷却剂出口温度(T_{FC_Min})和在FC堆的寿命结束时允许的最大目标FC冷却剂出口温度(T_{FC_Max})确定。因此，控制器通过以下公式确定用于映射(mapping)FC冷却剂的实时目标出口温度的校准线(标定线，calibration line)的斜率(slope)(m)和该斜率的校准线的x-截距(x-intercept)(X)：和

根据本公开内容的另一个方面，控制器通过以下公式采用所确定的输入FC热量与FC功率比来确定FC冷却剂的实时目标出口温度：

根据本公开内容的另一个方面，FC电压和FC电流通过在FC堆和系统的通信设备之间连接的电压传感器和电流传感器检测。

根据本公开内容的一个方面，一种用于控制具有控制器的车辆的燃料电池(FC)堆的冷却剂温度的方法，包括以下步骤：检测从FC堆输出的FC电压和FC电流；采用所检测的FC电压和FC电流评估FC堆产生的FC热量和FC功率；确定从FC堆产生的输入FC热量与FC功率比；确定用于映射FC冷却剂的实时目标出口温度的在FC堆的寿命开始和结束时恒定的FC热量与FC功率比和目标FC冷却剂出口温度；以及基于FC堆的操作时间，确定用于补偿由于FC堆劣化导致的目标出口温度的FC冷却剂的实时目标出口温度。

根据本公开内容的另一个方面，该方法进一步包括以下步骤：评估车辆的出行距离；以及当车辆的出行距离大于预定行驶距离时，确定以激活用于评估FC冷却剂的实时目标出口温度。控制器将30km设定为用于激活以评估FC冷却剂的实时目标出口温度的预定行驶距离。

根据本文中提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应当理解的是，描述和具体实例旨在仅出于说明的目的，而并不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开内容，现在将参考附图描述通过实例的方式给出的其各种形式，在附图中：

图1示出了根据本公开内容的示例性形式的燃料电池堆的冷却剂温度控制系统的示意图；

图2是示出了根据相关技术的每个环境温度的目标FC冷却剂出口温度的图；

图3是示出了燃料电池堆的寿命开始和结束时燃料电池堆的电压劣化的示例性图；

图4是示出了超过100,000km的燃料电池堆耐久性车队数据(燃料电池堆耐久性使用数据，fuel cell stack durability fleet data)的示例性图；

图5是示出了根据本公开内容的示例性形式的用于映射实时目标FC冷却剂出口温度的校准线的图；

图6是示出了根据本公开内容的示例性形式的燃料电池堆的冷却剂温度控制系统的配置图；以及

图7A和图7B是分别示出了用于映射目标FC冷却剂出口温度和最大FC冷却剂出口温度的校准线的示例性图。

本文中描述的附图仅出于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开内容的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开内容、应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

尽管示例性形式被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或多个模块来执行。另外，应理解，术语控制器指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本公开内容的控制逻辑(控制逻辑单元，control logic)可以形成为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂态计算机可读介质(非暂时性计算机可读介质，non-transitory computer readable media)。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器(flash drives)、智能卡和光学数据存储设备。

图1示出了用于车辆中的燃料电池(FC)堆12的冷却剂温度控制系统10。在图1的实例中，温度控制系统10在具有燃料电池堆12的车辆中示出，但温度控制系统10也可以用于冷却具有燃料电池堆12的任何其它结构。如图1中所示，温度控制系统10包括：散热器14和冷却风扇15，其接收来自燃料电池堆12的加热的冷却剂并将热量从冷却剂排放到外部；冷却剂管线16，该冷却剂管线16设置在燃料电池堆12和散热器14之间以循环冷却剂；以及冷却剂泵18，用于泵送从散热器接收的冷却剂并且将泵送的冷却剂通过冷却剂管线16输送到燃料电池堆12。

如图1中所示，温度控制系统10进一步包括用于测量和/或控制冷却剂量的流量计21、用于测量进入燃料电池堆12的冷却剂温度的冷却剂入口温度传感器22、以及用于测量从燃料电池堆12出来的冷却剂温度的冷却剂出口温度传感器24。流量计21、冷却剂入口温度传感器22和冷却剂出口温度传感器24中的每一个直接或间接地与车辆中包括中央处理单元(CPU)的控制器20连接。控制器20进一步包括用于与流量计21和传感器22和24通信的通信设备25。在图1中，冷却剂入口温度传感器22位于燃料电池堆12的上游，并且冷却剂出口温度传感器24位于燃料电池堆12的下游。

此外，控制器20中的通信设备25与用于测量来自燃料电池堆12的电流输出的电流传感器26和用于测量来自燃料电池堆12的电压输出的电压传感器28通信，如图1中所示。因此，控制器20接收来自冷却剂入口温度传感器22和冷却剂出口温度传感器24、电流传感器26和电压传感器28、以及流量计21中的每一个的所有数据，并控制燃料电池堆12的温度控制系统10的所有操作，包括冷却剂流的温度和量。

通常，图1中的温度控制系统10通过在燃料电池堆12的出口处设定冷却剂的目标温度来控制操作。在系统10中，控制器20可以通过与冷却剂出口温度传感器24通信来检测冷却剂出口温度，将测量的温度与预定的目标温度进行比较，或控制用于映射目标温度的温度控制系统的操作。

在作为相关技术的现有温度控制系统中，图2示出了通过控制系统的操作来映射每个环境温度的燃料电池堆的固定目标冷却剂出口温度的图。然而，如图2中所示，映射用于控制系统的校准基于燃料电池堆在使用寿命开始时的性能，并且我们已经发现它没有考虑堆劣化，诸如寿命结束性能，因为每个环境温度的燃料电池堆的目标冷却剂出口温度在寿命性能开始时是固定的。另外，可以根据环境温度来控制目标燃料电池冷却剂出口温度，其与燃料电池堆的劣化无关。例如，降低在炎热天气下的目标燃料电池冷却剂出口温度，以避免燃料电池堆的干涸现象(dry-out phenomenon)。因此，图2中的目标冷却剂出口温度的当前映射控制系统(current mapping control system)可能是不适当的，因为用于控制目标冷却剂出口温度的当前系统(current system)没有考虑燃料电池堆在其使用寿命期间的劣化。

图3示出了燃料电池堆12在其使用寿命期间劣化的曲线(graph)30。曲线30示出了在车辆中在燃料电池堆12中在其使用寿命期间燃料电池电压与燃料电池电流。曲线32表示在使用寿命开始时燃料电池电压与燃料电池电流，并且另一个曲线34表示在车辆中在燃料电池堆12的使用寿命结束时燃料电池电压与燃料电池电流。如图3中所示，发生燃料电池堆在其使用寿命期间的电压输出降低。因此，随着车辆中燃料电池堆12的电压随里程数(overmileage)劣化，燃料电池堆12由于燃料电池堆12的劣化而产生更多的废热。

根据本公开内容的示例性形式，在燃料电池堆操作期间产生的燃料电池堆12的热量通过以下第一等式E1计算，产生的FC热量＝[1.25×(燃料电池的#)-FC电压(伏特)]×FC电流，其中燃料电池的#表示安装在燃料电池堆12中的燃料电池的数目。在E1中，如果燃料电池电压劣化(降低，degrade)，则燃料电池堆12的热量自然增加。另外，如果燃料电池电压劣化并且因此燃料电池堆12的热量增加，则燃料电池堆12拉动(pull)更多的电流。因此，当前使用的燃料电池冷却剂温度控制系统是不充分的，因为来自燃料电池堆12的产生的热量在燃料电池堆12的使用寿命期间及其使用寿命结束时保持增加。

图4示出了超过100,000km的燃料电池耐久性车队数据的图，而燃料电池冷却剂出口温度在寿命性能开始时固定在其目标中。图4中的第一数据42表示最大燃料电池冷却剂出口温度，并且第二数据44表示平均燃料电池冷却剂出口温度。第一数据42和第二数据44两者在超过100,000km都显示出几乎恒定的值。因此，燃料电池堆的热值本身难以解释燃料电池堆的健康状态(health status)，诸如劣化。然而，第三数据46表示超过100,000km的燃料电池(FC)热量与燃料电池(FC)功率比。如图4中所示，FC热量与FC功率比随时间推移显著增加。因此，该比率可以用于指示燃料电池堆的健康。通过将根据第一等式E1计算的FC热量除以根据第二等式E2(FC功率＝FC电压×FC电流)计算的FC功率，计算FC热量与FC功率比。如图4中所示，在燃料电池堆的使用寿命开始时，FC热量与FC功率比为约60％，并且该比率在超过100,000km增加至约75％。因此，如上所述，燃料电池堆12在其使用寿命期间产生的热量由于燃料电池堆12的劣化而增加，并且可以通过FC热量与FC功率比来评估过量热(excess heat)。

图5示出了用于映射实时目标FC冷却剂出口温度的图。在图5中，Ratio_max表示其中被认为是燃料电池堆寿命结束的最大FC热量与FC功率比，Ratio_min表示其中被认为是燃料电池堆寿命开始的最小FC热量与FC功率比，T_{FC_Min}表示在燃料电池堆12的寿命开始时允许的最小FC冷却剂出口温度，T_{FC_Max}表示在燃料电池堆12的寿命结束时允许的最大FC冷却剂温度，Ratio_input表示实时输入FC热量与FC功率比，并且T_{FC_Target}表示基于当前输入FC热量与FC功率比(current input FC Heat to FC Power ratio)的实时目标FC冷却剂出口温度。因此，系统10中的目标FC冷却剂出口温度基于燃料电池堆12的使用寿命期间的实时输入FC热量与FC功率比动态地确定。

在图5中，车辆的温度控制系统10中的控制器20基于用于映射实时目标FC冷却剂出口温度的在燃料电池堆12的寿命开始和结束时确定的参数来评估校准线。如上所述，用于计算校准线的参数通过燃料电池堆12的寿命开始和结束时恒定的FC热量与FC功率比以及在燃料电池堆12的寿命开始和结束中的每一个时允许的FC冷却剂出口温度确定。确定图5中的评估校准线以补偿燃料电池堆12在其使用寿命期间的劣化。因此，实时目标FC冷却剂出口温度可以通过沿着图5中的校准线映射当前输入FC热量与FC功率比来确定。因此，冷却剂温度控制系统10中的控制器20可以动态地确定燃料电池堆12由于其劣化而导致的过量热的目标FC冷却剂出口温度。

如图5中所示，实时目标FC冷却剂出口温度沿校准线确定并通过以下第三等式E3采用当前输入FC热量与FC功率比计算：

其中m表示图的校准线的斜率，并且X表示该斜率的校准线的截距。校准线的斜率m通过以下第四等式E4计算，以及该斜率的校准线的截距X通过以下第五等式E5计算，

车辆中的燃料电池堆12通过作为反应气体的氢和氧的电化学反应产生电能，并且排出作为反应副产物的热量和水。由于作为副产物之一的水根据包括温度和压力等的车辆的实时驾驶条件改变其量和状态，因此难以估计燃料电池堆12的内部现象。根据车辆的驾驶条件，水保持以蒸汽、饱和溶液和冰的形式改变其状态。它影响电子和气体的特性，其中该状态变化的水通过燃料电池堆12的分离器通道(separator channel)、气体扩散层、催化剂层、膜等(未示出)。因此，由于水的状态变化，在燃料电池堆12中发生水溢出的“溢流(flooding)”现象和其中缺水的“干涸(dry-out)”现象。因此，还可以确定用于在图5中的校准线上映射的实时目标FC冷却剂出口温度，以避免燃料电池堆12的干涸和溢流现象。

图6是示出了根据本公开内容的温度控制系统10中的控制器20的操作的示例性流程(flow chart)100。如在流程100中所示，如果车辆的出行距离大于预定距离(例如30km)，则控制器20采用当前输入FC热量与FC功率比确定实时目标或最大FC冷却剂出口温度。然而，如果车辆的出行距离小于预定距离，则可以不激活用于评估实时目标或最大FC冷却剂出口温度的控制器20，因为当前输入FC热量与FC功率比在仅电池操作诸如低燃料电池操作下变得不准确。

在步骤S101中，控制器20开始操作动态目标FC冷却剂出口温度系统。在步骤S102中，控制器20与用于检测从燃料电池堆12输出的电流的电流传感器26、用于检测从燃料电池堆12输出的电压的电压传感器28以及用于检测车辆的速度的速度传感器23(示出在图1中)进行通信。在步骤S103中，控制器20利用来自步骤S102的收集数据，通过第一等式E1计算FC热量值，并且通过第二等式E2计算FC功率值。此外，在步骤S104中，控制器20采用所收集的车辆速度数据计算在车辆的当前行程中车辆的行驶距离。

在步骤S105中，控制器20通过对来自步骤S103的所有计算数据进行积分(integrating)来计算车辆行驶期间随时间推移的总FC热能值。在步骤S106中，控制器20通过对来自步骤S103的所有计算数据进行积分来计算车辆行驶期间随时间推移的总FC功率值。在步骤S107中，控制器20在车辆的当前行程期间计算当前输入FC热量与FC功率比。

在步骤S108中，控制器20确定车辆的行驶距离是否大于车辆的当前行程中的预定距离，该预定距离用于激活系统10以评估实时目标FC冷却剂出口温度。例如，车辆的预定行驶距离是用于激活系统10以确定实时目标FC冷却剂出口温度的30km。然而，可以改变根据本公开内容的其它形式的预定行驶距离。如果控制器20确定车辆的出行距离大于预定行驶距离，则控制器20在步骤S109中激活以计算实时目标或最大FC冷却剂出口温度。然而，如果控制器20在步骤S108中确定出行距离不大于预定行驶距离，则控制器20不激活用于评估实时目标或最大FC冷却剂出口温度，并且不进行下一步骤。

在步骤S110中，控制器20通过采用在步骤S107中计算的数据使用第三等式E3来计算实时目标或最大FC冷却剂出口温度。此外，在步骤S110中，控制器20确定校准线，用于补偿燃料电池堆12的劣化并映射实时目标FC冷却剂出口温度，如图5中所示。如上所述，通过第四等式E4和第五等式E5采用所确定的数据计算校准线，并且沿着图5中的校准线确定实时目标FC冷却剂出口温度。因此，在步骤S111中，将步骤S110中计算的实时目标FC冷却剂出口温度确定为新的目标FC冷却剂出口温度。

参考图7A和图7B，它们示出了根据本公开内容的示例性形式的用于映射目标FC冷却剂出口温度和最大FC冷却剂出口温度中的每一个的图。基于在燃料电池堆12的寿命开始和寿命结束时获得的FC热量与FC功率比的数据，确定图7A和图7B中的两个图分别用于映射目标FC冷却剂出口温度和最大FC冷却剂出口温度。图7A示出了作为用于映射实时目标FC冷却剂出口温度的实例的校准线。在图7A中，如果当前输入FC热量与FC功率比接近80％，因为燃料电池堆达到寿命终点，则控制器20降低系统10的目标FC冷却剂出口温度以补偿燃料电池堆12由于劣化而产生的过量热。图7B示出了用于映射最大FC冷却剂出口温度的校准线。在图7B中，如果输入FC热量与FC功率比接近80％，因为燃料电池堆达到寿命终点，则控制器20降低系统10的最大FC冷却剂出口温度以避免由于燃料电池堆12的劣化导致的过热而对燃料电池堆12的损坏。

虽然已经结合目前被认为是实际示例性形式的内容描述了本公开内容，但是应当理解，本公开内容不限于所公开的形式，而是相反，旨在涵盖包括在本公开内容的精神和范围内的各种修改和等同布置。