利用电容模型的改进的阴极压力控制

摘要

本发明涉及利用电容模型的改进的阴极压力控制。通过阴极反压阀控制燃料电池堆压力的系统和方法。流量补偿值被用作瞬态操作条件期间的电容项以消灭在堆流设置点和实际堆流之间的差异。电容项是基于操作参数，包括堆压改变、堆冷却剂温度和堆体积。由电容项产生的额外流量可被馈送，与压降模型和阀位置模型一起提供对阀位置的更准确的预测。

权利要求

1.一种控制由燃料电池堆内的操作瞬变引起的压力的方法，该方法包括：由至少一个处理器利用控制器生成对应反压阀的位置的命令信号，该反压阀被连接到燃料电池堆的出口，该命令信号包括前馈部分和反馈部分；

使用来自多个压降模型、阀位置模型和堆电容模型的输出确定前馈部分，其中堆电容模型修正了被用作所述多个压降模型和所述阀位置模型中的至少一个的输入的堆流设置点信号；

将前馈部分输入到所述控制器；

将反馈部分输入到所述控制器；以及

基于前馈部分和反馈部分在控制器内生成命令信号，使得反压阀的位置被改变；

其中来自堆电容模型的堆流设置点信号的修正部分是根据下式基于理想气体定律：其中 是修正堆流设置点信号的补偿项，R是气体常数， 是堆流温度，V是燃料电池堆的体积并且 是空气流分子量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述反馈部分是基于堆压反馈和堆压设置点之间的差计算的。

3.如权利要求2所述的方法，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于所述堆压设置点和根据压缩机图的基于压缩机速度的最大允许压力。

4.如权利要求1所述的方法，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。

5.如权利要求1所述的方法，还包括实时地生成命令信号。

6.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

与燃料电池堆的出口流体连通的反压阀；

和

控制器，其包括至少一个处理器、输入、和输出以及存储器，存储器被构造成存储与多个模型相关的指令，所述多个模型包括多个压降模型、堆电容模型和阀位置模型，所述多个模型被构造成使得，当由所述至少一个处理器执行时，它们使控制器生成命令信号以调节反压阀的位置，该命令信号包括前馈部分和反馈部分，其中前馈部分是使用来自阀位置模型的输出确定的，该输出已经由所述多个压降模型中的至少一个和堆电容模型修正，其中堆电容模型基于理想气体定律根据下式修正输出：其中 是修正堆流设置点信号的补偿项，R是气体常数， 是堆流温度，V是燃料电池堆的体积并且 是空气流分子量。

7.如权利要求6所述的系统，其中，堆电容模型被构造成接收作为对应于燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的输入值，所述燃料电池堆内的预测压力基于堆压设置点和基于压缩机速度的最大允许压力。

8.如权利要求6所述的系统，其中，堆电容模型被构造成生成阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。

9.一种用于燃料电池系统的控制器，包括：

至少一个处理器；以及

存储器，其与所述至少一个处理器信号通信以存储指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器通过使用阀位置模型、堆电容模型和至少一个压降模型调节被连接到燃料电池堆的出口的反压阀的位置来控制燃料电池堆内的反应剂压力，所述阀位置模型、堆电容模型和至少一个压降模型响应于燃料电池堆内的操作瞬变而协作，其中来自堆电容模型的输出修正了由至少一个压降模型和所述阀位置模型中的至少一个用作堆流控制信号的至少一个参数，以及来自堆电容模型的输出是根据下式基于理想气体定律：其中 是对应修正输出的修正空气流设置点信号，R是气体常数， 是堆冷却剂出口温度，V是燃料电池堆的体积而 是空气流分子量。

10.如权利要求9所述的控制器，其中，至少一个处理器还被构造成控制与燃料电池堆的进口流体连通的压缩机。

11.如权利要求9所述的控制器，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的冷却剂温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于压缩机速度和最大允许压力。

12.如权利要求11所述的控制器，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和至少一个压降模型的输入。

13.如权利要求9所述的控制器，其中，所述至少一个压降模型包括多个压降模型，使得第一压降模型被构造成与所述至少一个处理器协作以预测在反压阀的进口处的压力，而第二压降模型被构造成与所述至少一个处理器协作以预测在反压阀的出口处的压力。

14.如权利要求9所述的控制器，其中，指令还使所述至少一个处理器确定燃料电池堆内的操作瞬变是否已经使堆压设置点改变，以及在堆压设置点已经改变的情况下生成由堆流补偿值补偿的堆流设置点值。

说明书

利用电容模型的改进的阴极压力控制

技术领域

[0001] 本发明概括地涉及控制燃料电池堆，并且更具体地涉及一种系统和方法，其用于在操作瞬变期间通过反压阀的操纵来控制阴极堆压，这种操纵将与燃料电池堆操作参数相关联的电容项考虑为提供更准确的阀位置指令的方式。

背景技术

[0002] 燃料电池通过化学反应将燃料转化成可用的电能。这种能量产生装置的显著益处是它在不依赖作为中间步骤的燃料的情况下即可完成。照此，燃料电池相比内燃发动机（ICE）和相关的发电源具有若干环境优势。在典型的燃料电池中，例如质子交换膜或聚合物电解质膜（在任一种情况下，PEM），一对被催化的电极由离子传递介质（例如，全氟磺酸或等同物）分离开。化学反应在通过其中一个电极（阳极）被引入的电离形式的气体还原剂（例如氢气，H2）穿过离子传递介质并与已经通过另一电极（阴极）被引入的电离形式的气体氧化剂（例如氧气，O2）混合时发生。在氢气的电离中被释放的电子以直流（DC）的形式通过外部电路前进到阴极，外部电路通常包括负载，在该负载处可做有用功。离子、电子和所供应的氧气在阴极处的混合产生作为良性副产品的水。由电流产生的发电可通过将数个这种燃料电池组合以形成燃料电池堆来增加。

[0003] 辅助装备，例如压缩机和相关联的导管、阀、控制器等，被用于传递反应剂进出燃料电池堆，这作为维持在整个燃料电池系统中的反应剂的温度、压力、流速和其它操作特征的一种方式。不过，开发新的控制系统以精确地调节在燃料电池系统中使用的这些反应剂的压力仍具有挑战性和一定难度。这些挑战在瞬态操作条件期间尤其艰巨，在这种情况下通过反压阀的流动可允许与在这种瞬变期间阴极堆所要求的相比更大或更小的流量，这造成了对反压阀位置设置的不准确的预测。额外的系统复杂性，例如旁通阀、再循环阀等的使用，加剧了这些挑战，正如基于交通工具的应用那样，在这种情况下可靠性、重量和成本是重要的因素。

发明内容

[0004] 根据本发明的教导，公开了用于控制燃料电池堆中的压力的设备和方法。根据本发明的第一方面，方法包括利用控制器生成命令信号，该命令信号可被用于控制燃料电池堆反压阀。控制器采用基于前馈控制策略（也被称为前馈部分）和基于反馈控制策略的要素以调节反压阀位置从而控制燃料电池堆压力。因此，虽然控制策略是基于前馈的，但是其仍可包括基于反馈的要素，例如堆压、堆空气流或总（即，堆加任何旁通）空气流，作为提供修正指令的方式。基于前馈的策略使用从一个或多个压降模型和反压阀位置模型馈送的输入。重要地，因为堆流设置点被用作作为反压阀设置的前馈控制的一部分的各项中的其中一项，所以本发明额外地包括堆电容模型，其用作堆流设置点的补偿项。这个电容项是有价值的，因为堆流设置点在堆压设置点变化或相关的瞬态操作条件期间会有误差。

[0005] 在另一实施例中，燃料电池系统被公开。该系统包括燃料电池堆和多个阀以控制反应剂或相关的流体进出堆的流动。在特定的形式中，这些阀包括反压阀和旁通阀和再循环阀（例如用于压缩机排放的再循环）中的一个或多个。反压阀的进口被连接到燃料电池堆的出口，而旁通阀被构造成选择性地引导空气流绕过燃料电池堆以帮助满足阴极空气流设置点或相关的要求。系统还包括基于处理器的控制器以运行指令从而确定反压阀的更优位置。该指令利用一个或多个压降模型作为反压阀位置计算的输入。压降模型中的至少一个和反压阀位置模型使用作为堆流设置点补偿的修正器，该修正器由电容模型生成，作为提供对期望的反压阀位置的预测的方式，该预测比由组合的压降计算和单独的反压阀位置计算生成的组合指令所能实现的更准确。

[0006] 在另一实施例中，燃料电池系统的控制器被公开。该控制器包括一个或多个处理器和存储器，该存储器与处理器信号通信以存储与调节反压阀的位置有关的指令，该反压阀被流体地连接到燃料电池堆的出口。指令（其可以是代码或者一个或多个模型的形式）使处理器控制燃料电池堆内的反应剂特征；指令包括阀位置模型、堆电容模型和一个或多个压降模型。这些模型协作使得在接收到与燃料电池堆内的操作瞬变有关的信息时，来自堆电容模型的输出（例如，输出信号）修正空气流控制信号，该空气流控制信号为阀位置模型和一个或多个压降模型中的至少一个所用，或者与阀位置模型和一个或多个压降模型中的至少一个协同地修正空气流控制信号。这个被修正的信号可构成命令信号的前馈部分，该命令信号被控制器使用以更新反压阀位置。额外的反馈项也可形成指令的一部分，并且可包括与堆空气流设置点、总（即，堆加旁通）空气流设置点等有关的信息。

[0007] 本申请还提供了如下方案：

[0008] 方案1.一种控制由燃料电池堆内的操作瞬变引起的压力的方法，该方法包括：

[0009] 由至少一个处理器利用控制器生成对应反压阀的位置的命令信号，该反压阀被连接到燃料电池堆的出口，该命令信号包括前馈部分和反馈部分；

[0010] 使用来自多个压降模型、阀位置模型和堆电容模型的输出确定前馈部分，其中堆电容模型修正了被用作所述多个压降模型和所述阀位置模型中的至少一个的输入的堆流设置点信号；

[0011] 将前馈部分输入到所述控制器；

[0012] 将反馈部分输入到所述控制器；以及

[0013] 基于前馈部分和反馈部分在控制器内生成命令信号，使得反压阀的位置被改变。

[0014] 方案2.如方案1所述的方法，其中，所述反馈部分是基于堆压反馈和堆压设置点之间的差计算的。

[0015] 方案3.如方案2所述的方法，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于所述堆压设置点和根据压缩机图的基于压缩机速度的最大允许压力。

[0016] 方案4.如方案1所述的方法，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。

[0017] 方案5.如方案1所述的方法，还包括实时地生成命令信号。

[0018] 方案6.如方案1所述的方法，其中，来自堆电容模型的堆流设置点信号的修正部分是根据下式基于理想气体定律：

[0019]

[0020] 其中 是修正堆流设置点信号的补偿项，R是气体常数， 是堆流温度，V是燃料电池堆的体积并且 是空气流分子量。

[0021] 方案7.一种燃料电池系统，包括：

[0022] 燃料电池堆；

[0023] 与燃料电池堆的出口流体连通的反压阀；

[0024] 和

[0025] 控制器，其包括至少一个处理器、输入、和输出以及存储器，存储器被构造成存储与多个模型相关的指令，所述多个模型包括多个压降模型、堆电容模型和阀位置模型，所述多个模型被构造成使得，当由所述至少一个处理器执行时，它们使控制器生成命令信号以调节反压阀的位置，该命令信号包括前馈部分和反馈部分，其中前馈部分是使用来自阀位置模型的输出确定的，该输出已经由堆电容模型和所述多个压降模型中的至少一个修正。

[0026] 方案8.如方案7所述的系统，其中，被修正的输出包括修正的堆流设置点信号。

[0027] 方案9.如方案7所述的系统，其中，堆电容模型被构造成接收作为输入的对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的流温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测堆压力基于堆压设置点和基于压缩机速度的最大允许压力。

[0028] 方案10.如方案7所述的系统，其中，堆电容模型被构造成生成阀位置模型和多个压降模型中的至少一个的输入。

[0029] 方案11.如方案7所述的系统，其中，来自堆电容模型的修正空气流设置点信号是根据下式基于理想气体定律：

[0030]

[0031] 其中 是修正堆流设置点信号的补偿项，R是气体常数， 是堆流温度，V是燃料电池堆的体积并且 是空气流分子量。

[0032] 方案12.一种用于燃料电池系统的控制器，包括：

[0033] 至少一个处理器；以及

[0034] 存储器，其与所述至少一个处理器信号通信以存储指令，所述指令在由所述至少一个处理器执行时使所述至少一个处理器通过使用阀位置模型、堆电容模型和至少一个压降模型调节被连接到燃料电池堆的出口的反压阀的位置来控制燃料电池堆内的反应剂压力，所述阀位置模型、堆电容模型和至少一个压降模型响应于燃料电池堆内的操作瞬变而协作，其中来自堆电容模型的输出修正了由所述阀位置模型和至少一个压降模型中的至少一个用作堆流控制信号的至少一个参数。

[0035] 方案13.如方案12所述的控制器，其中，至少一个处理器还被构造成控制与燃料电池堆的进口流体连通的压缩机。

[0036] 方案14.如方案12所述的控制器，其中，到堆电容模型的输入包括对应燃料电池堆内的压力改变、燃料电池堆内的冷却剂温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力的值，所述预测压力基于压缩机速度和最大允许压力。

[0037] 方案15.如方案14所述的控制器，其中，从堆电容模型的输出被用作阀位置模型和至少一个压降模型的输入。

[0038] 方案16.如方案12所述的控制器，其中，来自堆电容模型的修正输出是根据下式基于理想气体定律：

[0039]

[0040] 其中 是对应修正输出的修正空气流设置点信号，R是气体常数， 是堆冷却剂出口温度，V是燃料电池堆的体积而 是空气流分子量。

[0041] 方案17.如方案12所述的控制器，其中，所述至少一个压降模型包括多个压降模型，使得第一压降模型被构造成与所述至少一个处理器协作以预测在反压阀的进口处的压力，而第二压降模型被构造成与所述至少一个处理器协作以预测在反压阀的出口处的压力。

[0042] 方案18.如方案12所述的控制器，其中，指令还使所述至少一个处理器确定燃料电池堆内的操作瞬变是否已经使堆压设置点改变，以及在堆压设置点已经改变的情况下生成由堆流补偿值补偿的堆流设置点值。

附图说明

[0043] 在结合下面附图阅读时，可最佳地理解具体实施例的如下具体描述，其中同样的结构由同样的附图标记指示，附图中：

[0044] 图1是具有燃料电池系统的交通工具的示意图示；

[0045] 图2是空气供应系统和其与图1中示出的交通工具燃料电池系统的互连的示意图示；

[0046] 图3A是用于通过图1的交通工具燃料电池系统的阴极反压阀控制堆压的策略的一部分的说明，其中电容项被包括以补偿流量变化；

[0047] 图3B是电容模型的各种不同的输入的说明，该电容模型被用于生成图3A的电容项；

[0048] 图4是用于图1的交通工具燃料电池系统的控制器的示意说明；

[0049] 图5A示出了根据现有技术的向下瞬变的压力控制；

[0050] 图5B示出了根据本发明的对向下瞬变的压力控制；

[0051] 图6A示出了根据现有技术的对向上瞬变的压力控制；以及

[0052] 图6B示出了根据本发明的对向上瞬变的压力控制。

[0053] 附图中公开的实施例本质上是说明性的并且不是为了限制由权利要求定义的实施例。而且，参照下面的具体描述能更全面地明白和理解附图和实施例的各个方面。

具体实施方式

[0054] 现在参照图1，交通工具10（例如，轿车、公共汽车、卡车或摩托车）由燃料电池系统200供能，燃料电池系统200利用一个或多个燃料电池堆204，燃料电池堆204将存储的气体燃料转换成电能以提供电能给发动机100。发动机100，其可以是全电动或混合动力电动发动机（例如，使用电和基于石油的燃烧作为推进动力的发动机），利用来自燃料电池系统200的电能来推进交通工具10。燃料电池系统200可包括一个或多个氢气存储罐（未示出）以容纳基于氢气的燃料。如上所述，燃料电池系统200也可包括任意数量的阀、压缩机、管道、温度调节器、电存储设备（例如，蓄电池、超级电容器等，它们均未被示出）、和控制器以从一个或多个罐传递燃料到燃料电池系统102，以及提供对燃料电池系统200的操作的控制。这种控制器将在下面被更详细地讨论。

[0055] 任意数量的不同类型的燃料电池（例如，金属氢化物燃料电池、碱性燃料电池、直流电燃料电池、或任何其它类型的已知的燃料电池）都可被用在燃料电池系统200内。多个燃料电池也可被串联和/或并列地组合在燃料电池系统200内作为燃料电池堆，从而产生由燃料电池系统200产出的更高的电压和/或电流。所产生的电能此时可被直接供应到发动机100或存储在电存储设备内以供交通工具10以后使用。

[0056] 接着参照图2，示出了燃料电池系统200内的空气供应系统的一部分的示意表示，其用于传输其中一种反应剂（具体来说是空气）。空气被从空气进气系统接收并被供应到燃料电池堆204的阴极进口204A，在那里其被用作在燃料电池堆204内的各种不同的电池206内的反应剂。废气气体和/或液体此后通过出口204B并且此后通过阴极反压阀216（其也可用作排出阀）从阴极移除以被通过排出端222从系统200排出。额外的未反应的气体通过旁通阀214被移除，其可被用于，例如，稀释留在燃料电池堆204的阴极内的氢气以催化加热，作为减少在暖机期间从燃料电池堆204的排放的方式。而且，旁通阀214可被打开以实现伏特抑制，从而让压缩机202降低燃料电池堆204的载荷（未示出）。和上面提及的废气流体一样，被旁通的气体可通过排出端222被从系统200排出。燃料电池系统200可包括数个其它的阀或部件以帮助控制流过燃料电池堆204的反应剂的流量和压力。例如，还示出了再循环阀218，其操作地连接压缩机202的出口202B和进口202A，作为控制到燃料电池堆204的气体的流量的方式。虽然再循环阀218是在燃料电池的阴极侧的背景下被示出，但是本领域技术人员应该意识到，相当的阀也可被用在阳极侧。在优选的形式中，对再循环阀218的控制是基于已知的性能度量（例如与压缩机202相关的那些度量，这可以是压缩机图500等的形式）。这种控制优选地以在控制器400中为基础，该控制器400将在下面被更具体地讨论。当打开时，再循环阀218重新引导来自压缩机202的出口202B的压缩气体通过再循环回路213回到进口202A。

[0057] 阴极反压阀216被用于调节来自燃料电池堆204的出口204B的阴极流动路径废气中的压力。阴极反压阀216被构造成与旁通阀214协作，作为同时提供对通过燃料电池堆204的阴极反应剂的流量和压力调节的方式。如下面将更具体地讨论的，阴极反压阀216和旁通阀214的协作所依赖的输入参数可包括各种温度、压力和设置点条件。这些和其它的参数（例如与启用或者禁用控制器400的功能相关联的那些参数）可被用于改变燃料电池系统200的操作。而且，尽管本文描述的控制逻辑的大多数都是用于对阴极反压阀216和旁通阀214的控制，但是本领域技术人员应该意识到，额外的控制逻辑可被采用以实现对压缩机202和再循环阀218的控制从而实现其它的功能，例如控制压缩机202的喘振。

[0058] 要被提供到燃料电池系统200的反应剂气体的量可由阴极反压阀216和旁通阀214的协作决定，在这种情况下经常考虑通过包括系统流量存储（即，电容）项，本文中也称为补偿项，来修正压力和流量设置点。包括这种项允许控制器400有效地计数或以其它方式量化在燃料电池系统200内存在的反应剂分子，作为改善阀控制的预测方式，尤其是在瞬态系统操作期间。一般而言，这种预测部分源自基于前馈的控制策略联合基于比例-积分（PI）或比例-积分-数字（PID）反馈部分的使用。因为调节旁通阀214和阴极反压阀
216的效果是相互关联的，所以对一个的控制可被集成在另一个中。在目前的背景下，被提供给各种压降和阀位置模型的指令或相关的信息被认为是基于前馈的，即使它们包括反馈部分（例如前述的堆压反馈项），只要控制策略的至少大部分是基于前馈（而不是反馈）项。
换句话说，离散的反馈项的存在不破坏整体的基于前馈的策略。

[0059] 阴极空气冷却器（CAC）205是换热器，其在大多数操作模式下从去往燃料电池堆204的来流空气中去除压缩热。CAC205也可被用在冷环境条件下，从而加热进入燃料电池堆204的空气以防止结冰。尽管通往旁通阀214的进口被示出为被流体地连接在压缩机
202的出口202B和CAC205的进口之间，但是本领域技术人员应该意识到，其也可被连接到堆进口204A，使得其在CAC205的下游。

[0060] 燃料电池系统200还包括数个传感器，它们测量在其内的气体的特征。例如，燃料电池系统200可包括流量计220，其测量空气质量流量，例如来自空气进气口的。本领域技术人员会意识到，其它的传感器（未示出）可被采用在燃料电池系统200内以测量各种不同的输入参数，例如流量、压力、温度、密度等。借助额外的示例，虽然压力传感器可被使用（例如，在阴极反压阀216的进口或出口处），但它们确实引入了额外的系统复杂性和成本。如果期望，压力模型可被用于估计这种压力。任何这种压力传感器仅能够测量在系统内的压力，它不能预测系统内的压力。如此，任何这种传感器读数仅能被用在反馈控制中而不能用在前馈（预测）路径中。在燃料电池系统200内的可行的传感器的其它示例包括测量阀214、216、218的阀位置和压缩机202的速度的传感器，如本领域技术人员能理解的。这些感测值可被控制器400用作输入或相关参数。

[0061] 接着参照图3A以及图2，在燃料电池系统200中的操作瞬变包括来自燃料电池堆204的电能改变需求；这种改变产生了到达阴极的空气流的相当的改变。在目前的背景下，空气流对应被构造成穿过燃料电池系统200的阴极部分的那个反应剂，而燃料流对应被构造成穿过燃料电池系统200的阳极部分的那个反应剂。为了提高操作稳定性，重要的是快速地重构到燃料电池堆204的空气流压力。图3A示出了算法（在本文也被称为控制策略，或更简单地被称为策略）300，其用于控制阴极反压阀216以快速地调节堆压。算法300包括新阀位置命令的前馈项（或部分）309ff和新阀位置命令的反馈项（例如，PI控制器项）307fb。
前馈部分309ff是基于前馈模块309计算的，前馈模块309是基于通过压降模型302、304的流量请求，以及阀位置模型316的流量请求。基于前馈部分309ff和反馈部分307fd，阀最终位置命令项308com被输出以改变反压阀位置。同样地，数个输入301被示出，并且包括各种不同的设置点，以及测量或感测值，以及被反馈到算法300的那些。

[0062] 被从燃料电池堆204的阴极部分输出的压力控制信号308com的稳定化主要是通过由依赖于来自307fd的基于反馈部分的前馈部分309ff来操纵反压阀216来修剪任何稳态误差来实现。如此，在瞬变期间，前馈项309ff经常仅是被利用的两个中的一个。而且，基于反馈的项307fd，在其被使用的程度上，仅在压力误差在某个预定阈值内是才起到这样的作用。反压阀216的位置是基于燃料电池堆204的所要求的稳态流计算的；但是，在向下瞬变或向上瞬变期间，存在进（向上瞬变）出（向下瞬变）燃料电池堆204的额外流。如此，通过反压阀
216的流量将相应地低于或高于要求流量。这进而将增加控制器400调节燃料电池堆204压力到新压力设置点所需的时间量。

[0063] 即使具有这些限制，利用前馈项309ff作为对阴极反压阀216的控制的一部分有助于比利用全闭合控制回路（例如，将控制仅基于在设置点和反馈项之间的误差）更好地稳定化控制系统。在一个实施例中，前馈项309ff可使用从压降模型302、304和阴极反压阀216的阀位置模型316的输出来计算。压降模型302、304可被用于使用堆流设置点301A和空气流电容项（也称为堆流补偿值或更简单地“电容项”301cap来预测阴极反压阀216的进口和出口处的压力。在阴极反压阀216的进口和出口处的预测压力此后可与阀位置模型316一起被使用以确定对应阀的新位置的前馈项309ff。

[0064] 参照图3B以及图3A，包括流量补偿电容模型700和被耦合到堆流设置点301A的相关空气流电容项301cap作为对反压阀位置模型316和压降模型304的输入提供了流量补偿值，其作为修正堆流的设置点的方式。本质上，这种补偿意味着在反压阀216的位置的计算中使用的流量被补偿以考虑燃料电池堆204的能力。如此，与堆流补偿值301cap相关联的空气流的电容被用于消灭在瞬变期间的差异以增大堆流设置点301A。

[0065] 一般而言，喘振条件可导致在压缩机202中的不必要的磨损，并且因此优选地被避免。在喘振条件期间，在压缩机202的出口202B和进口202A之间的压力差使得压缩机202不能驱动反应剂气体通过出口202B，从而导致倒流。在本发明的一些实施例中，预测压力由电容模型700使用而代替堆压设置点301F作为用来避免压缩机202中的喘振条件的措施的一部分。压缩机图500描绘了在不同的压缩机速度下对应通过压缩机202的流速的供应反应剂气体到燃料电池堆204的压缩机202的出口202B和进口202A之间的压差。在图500中的喘振线在压缩机202处于喘振状态的多个操作状态与压缩机202正常工作的操作状态之间划界。压缩机图500可被用于，例如，确定特定的压力、流量值或者压缩机速度是否会导致喘振条件。而且，压缩机图500可被用于将压缩机速度与另一操作参数相关联；
这种信息可由控制器400使用以使堆电容模型值对应于在燃料电池堆中的压力改变、燃料电池堆中的流动温度、燃料电池堆体积和燃料电池堆内的预测压力，在这种情况下压力参数可基于从压缩机图导出的压缩机速度。对压缩机图500的更具体的讨论被公开在名称为“REACTIVE COMPRESSOR SURGE MITIGATION STRATEGY FOR A FUEL CELL POWER SYSTEM”的美国申请中（律师卷号为P015334-FCA-CHE），其被转让给本发明的受让人并且由此通过参考被并入。

[0066] 图3B还说明了与提供值为电容模型700使用以控制阴极反压阀216的策略300的一部分的细节。一旦有喘振倾向的操作条件被避免（例如基于来自压缩机图500的信息），压力建立限制模型600可被用来通过比较堆压设置点301F和来自压缩机图500的最大压力来预测期望阴极进口压力。如果堆压设置点301F超过最大压力，那么最大压力被用于预测期望压力。在其它情况下，堆压设置点301F被使用。

[0067] 电容模型700使用理想气体定律来确定堆流补偿值（这在本文中也被称为电容修正项，或者更简单地，电容项）如下：

[0068]

[0069] 其中 是电容项301cap，其对应于堆流补偿值，R是理想气体常数， 是堆流温度301D，V是堆或阴极子系统的体积， 是流动分子量， 是堆压反馈301fb，并且是来自压力建立限制模型600的预测压力。在优选的形式中，这个电容项301cap调节在燃料电池堆204的压力控制处于瞬态时（例如当系统调节以满足新堆压设置点）被利用，但是本领域技术人员将意识到，其在稳态条件下也可被使用。

[0070] 再次参照图3A，控制策略300利用反压阀命令308控制阴极反压阀216的位置以实现堆压设置点301F。反压阀命令308可由包含反馈和前馈项的任何控制回路机构生成。例如，反压阀命令308可以是前馈项加PI或PID控制回路项。如所示，反压阀命令308被输出以使用堆压设置点301F、堆压反馈值307fd以及使用关于燃料电池系统102的额外信息确定的前馈值309ff控制阴极反压阀216的位置。例如，压降模型302、304被用于基于这个额外的信息预测在阴极反压阀216的进口和出口处的压力。压降模型302使用废气流温度
301B和环境压力301C预测在阴极反压阀的出口处的压力；这两个值可由传统的装置测量，例如传感器。额外的输入包括堆流设置点301A和与堆流补偿值301cap相关联的电容项。

[0071] 压降模型304被用于使用堆的温度301D和堆压设置点301F来预测在阴极反压阀216的进口处的压力。压降模型304还使用堆流设置点301A和电容项301cap，其是使用图
3B的电容调节计算的堆流补偿值从而消灭在瞬变条件期间的差异。堆流温度301D和堆流设置点301A和电容项301cap被与压降模型304一起使用来确定在阴极的进口和反压阀216的进口之间的压降。预测的反压阀进口压力304A此时通过从堆压设置点301F减去计算的压降确定。

[0072] 阴极反压阀模型316利用在反压阀216的进口和出口处的预测压力、堆流温度301D、堆流设置点301A和电容项301cap来确定新的反压阀216位置309ff的前馈值。前馈值309ff此时与新的阀位置307fd的前馈项一起使用来生成阴极反压阀控制命令信号308com，该信号使反压阀216改变位置。由于阴极流和压力的耦合产生的振荡通过使用前馈值作为对反压阀216的控制的一部分来减轻。

[0073] 现在参照图4，示出了用于交通工具燃料电池系统102的控制器400的示意图，根据本文示出的和描述的实施例。如所示，控制器400提供了对燃料电池系统102的各种不同的设备的控制。控制器400包括处理器402，其可以是通信地联接到存储器404和接口406和408的一个或多个处理器（例如，微处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列等）。存储器404可以是任何形式的能够存储机器可执行指令的存储器，这些指令在由处理器402执行时实施在本文中公开的功能中的一个或多个。例如，优选形式的存储器404可以是RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器、EEPROM、CD-ROM、DVD、其它形式的非瞬态存储设备、或者不同存储设备的任意组合。在一种形式中，控制器400可用作数据处理或计算机系统，该系统带有其处理器、输入、输出、和存储器，在这种情况下后者可被用于临时地或永久地存储代码、程序、模型或相关的算法，使得包含在代码内的指令由处理器基于输入数据操作，使得由代码和处理器生成的输出数据可通过输出被传送给另一程序、用户或部件（例如反压阀）。数据总线或相关的电线组和相关联的电路形成了合适的数据通信路径，该路径可将控制器400的各种部件以及任何外围装备互连，互连的方式允许该系统作为完整统一的整体运行。本领域技术人员应该意识到，被如此构造，控制器400拥有冯·诺依曼架构。

[0074] 控制器400与燃料电池系统200中的各种不同的设备通信，并且在一些情况下提供对这些设备的控制。在一些实施例中，控制器400提供了对压缩机202、阴极反压阀216、和/或其它设备434（例如，在燃料电池系统102内的传感器，其它阀等）的直接或间接的控制。控制器400接收，直接地或间接地，来自燃料电池系统102的传感器测量结果以监视该系统的运行。例如，控制器400可从与压缩机202、和/或阴极反压阀216相关联的传感器接收温度、压力、流量、密度、阀位置、速度或其它测量结果。而且，控制器400还可从其它的设备434接收传感器读数（例如，流量计、与燃料电池堆204相关联的传感器等）。应该意识到，可使用任意数量的传感器和传感器构造的不同组合，这不脱离本公开的原理或教导。

[0075] 连接410、412、414、416和418可以是有线或无线连接的任意组合，这些连接提供了在控制器400和再循环阀218、压缩机202、旁通阀214、阴极反压阀216和其它设备434之间的相应连接。例如，连接410可以是有线连接，而连接412可以是无线连接。在一些实施例中，连接410、412、414、416和418是共享的数据线的一部分，该数据线传送测量数据到控制器400并将控制命令传送到燃料电池系统102的设备。在又一实施例中，连接410、412、414、416和418可包括一个或多个中间电路（例如，其它的微控制器、信号滤波器等）并提供在控制器400、压缩机202、旁通阀214、再循环阀218、阴极反压阀216和其它设备434之间的间接连接。

[0076] 接口408被构造成接收测量数据并传输控制命令到再循环阀218、压缩机202、旁通阀214、阴极反压阀216和其它设备434。例如，接口408可包括一个或多个无线收发器，如果连接410、412、414、416和418中的任一个是无线连接的话。接口408还可包括一个或多个有线端口，如果连接410、412、414、416和418中的任一个是有线连接的话。接口408还可包括构造成数字地采样或对所接收的测量数据进行滤波的电路。例如，接口408可对经由连接412在离散的时间（例如，k, k+1, k+2等）从压缩机202的温度传感器接收的温度数据进行采样以产生离散的温度值（例如，T(k), T(k+1), T(k+2)等）。

[0077] 在一些实施例中，控制器400还可经由连接436与接口设备440（例如，显示器、扬声器、打印机、或向和从用户提供和/或接收数据的任何其它电子设备）通信。控制器400还可经由连接438与其它计算系统442（例如，另一控制器、便携电子设备、服务器等）通信。连接436和438可以是有线和/或无线连接。例如，其它的计算系统442可包括相距交通工具100远程地定位的服务器并且连接438可以是无线连接。例如，控制器400可经由蜂窝、WiFi、无线电、卫星连接等将状态条件信息通信给在其它计算系统442内的服务器。接口406也可包括一个或多个收发器，其构造成发送和接收交通工具100的位置信息。例如，接口406可包括GPS接收器或者蜂窝接收器，该接收器利用三角测量确定交通工具100的位置。在其它的实施例中，接口406和408可以是控制器400的单个接口。

[0078] 存储器404被示出为包括系统监视器422，其接收来自与燃料电池系统102（例如，再循环阀218、旁通阀214、阴极反压阀216、压缩机202和其它设备434）相关联的传感器的传感器测量结果。传感器测量结果可包括，例如，温度、压力或气体流量的测量结果。根据一些实施例，系统监视器422可从流量计220（例如，其可以是其它设备434的一部分）接收气体流量测量结果，在压缩机202的进口202A处的压力和温度，在压缩机202的出口202B处的压力和温度，和/或通过压缩机202的气体流量。系统监视器422也可接收进和/或出燃料电池堆204、阴极反压阀216、再循环阀218、旁通阀214和/或排出端222的压力、温度和/或气体流量的测量结果。

[0079] 在一些实施例中，存储器404还包括压缩机控制器424，其接收来自系统监视器422的测量结果数据并使用测量结果数据提供对压缩机202的控制。例如，压缩机控制器
424可生成压缩机控制命令信号，该信号使压缩机202改变其操作状态，例如其速度。压缩机控制器424可附加地或替换地提供数据给阀控制器426，其控制反压阀216的位置。在一些情况下，压缩机控制器424可利用压缩机图，该图将压差（例如在压缩机202的进口202A和出口202B处的压力之间的差），通过压缩机202的气体流量，和压缩机202的速度相关联。
这种图可被压缩机控制器424利用以避免和/或减轻喘振状况。

[0080] 存储器404也可包括阀控制器426，其提供对阴极反压阀216和/或其它阀的控制。阀控制器426可从系统监视器422接收测量结果数据和/或从压缩机控制器424接收数据并且利用一个或多个控制回路来生成阀控制命令，该命令调节燃料电池系统102的阀。在一些实施例中，阀控制器426将该一个或多个控制回路实施为完整统一的控制策略的一部分，例如控制策略300。例如，阀控制器426可利用前馈和/或反馈控制回路来控制阴极反压阀216。

[0081] 阀控制器426也可利用压降模型430作为其对燃料电池系统102的阀的控制的一部分。在压力传感器在燃料电池系统102内的特定位置不可行或未被使用的情况下，压降模型430可被用于预测在该点的压力。压降模型430可利用来自系统监视器422的测量结果数据作为预测的一部分。在一些情况下，压降模型430也可利用设置点和/或来自压缩机控制器424或阀控制器426的反馈数据作为压力预测的一部分。在一个实施例中，压降模型428可被用于预测阴极反压阀216的进口和出口压力。例如，来自系统监视器422的环境压力和废气温度，以及堆流设置点301A和电容项301cap，可被压降模型430用于确定在阴极反压阀216的出口处的预测压力。

[0082] 在一些实施例中，阀控制器426可使用来自压降模型430的预测压力和阀模型428来确定阴极反压阀216的新位置的前馈项。阀控制器426也可利用在堆压反馈值和堆压设置点值之间的误差来生成阴极反压阀216的新阀位置的反馈项。阀控制器426也可利用前馈项和反馈项生成阀控制命令信号，该信号使阴极反压阀216改变位置以接近堆压设置点301F。

[0083] 存储器404也可被构造成包括堆流补偿生成器432，其利用本文讨论的策略来生成在图3B中示出的堆流补偿值301cap，从而补偿对应堆流设置点301A值的信号，作为控制阴极反压阀216的方式。如果压缩机控制器424包括压缩机图，那么堆流补偿生成器432可使用压缩机202的速度和压缩机图来确定不会引起压缩机202喘振的最大压力值。堆流补偿生成器432也可包括压力建立限制模型，该模型比较最大压力和堆压设置点301F以确定预测压力。堆流补偿生成器432此时利用预测压力、堆流温度、堆体积、和堆压反馈301fb以及电容模型700来生成堆流补偿值301cap。

[0084] 来自堆流补偿生成器432的堆流补偿值301cap被添加到与压降模型430一起被使用的堆流设置点值301A以确定由阀控制器426使用的前馈值309ff。在一些实施例中，堆流补偿值301cap可被阀控制器426自动地添加到堆流设置点值301A。在另一些实施例中，阀控制器426可仅在堆压设置点301F改变（例如，在瞬变条件期间）时添加堆流补偿值301cap到堆流设置点值301A。

[0085] 尽管控制器400在图4中被示出为单个设备，但是应该理解这仅仅是示例性的且不是用作限定性。例如，处理器402可包括任意数量的计算设备的任意数量的处理器，这些计算设备执行存储在存储器404内的指令。同样的，存储器404可包括任意数量的存储设备并且不限于和处理器402定位在同一壳体内的存储设备。在一些实施例中，处理器402和/或存储器404甚至可被定位在交通工具100外部。

[0086] 接着参照图 5A、5B、6A和6B，针对向下瞬变和向上瞬变描绘了在基于现有技术和本发明的系统之间的比较。具体参照图 5A和5B，相对于指令反压阀位置设置点的堆进口压力反馈（由虚线示出）被示出以说明包含大向下瞬变的压力控制比较，其中图5A是没有本发明的电容模型的情况，而图5B是有电容模型的情况。在任一种情况下，阴极反压阀216被命令移动以满足新的堆压设置点301F。更具体地，在图5A中的顶部绘图是针对堆进口压力，而底部绘图是针对反压阀位置。相对于图5A中示出的情形具体参照图5B，T90时间被改善了超过30％，从1.53秒下降至0.99秒。

[0087] 同样地，图 6A和6B示出了没有（图6A）和有（图6B）电容模型的对于大向上瞬变的压力控制比较。具体来说，在图6A和6B的靠上绘图中的实线是 堆进口压力设置点，并且在靠上绘图中的虚线是堆进口压力反馈。同样地，在图6A和6B中的靠下绘图中的虚线是 反压阀位置。图6B示出了带有电容模型的情况，阴极反压阀216被命令关闭并且此后在向上瞬变期间打开，作为将堆102填充到其容量的方式，同时改善了T90时间，在这种情况下被改善超过了20％，从2.11秒到1.65秒。

[0088] 鉴于上述的描述，对本发明的实施例的许多改进和改变都是可行的。上述的对各种系统和方法的实施例可被单独地或以不同地组合被使用，而不脱离本发明的范围。尽管描述和附图可能示出了特定顺序的步骤，但是应该理解不同顺序的步骤也在本公开的考虑之内。同样，一个或多个步骤可被同时或部分同时地执行。