專利名稱：用于電壓力調(diào)節(jié)高壓罐系統(tǒng)的冗余自適應(yīng)算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及氣體儲存系統(tǒng)中的壓力測量，并且更具體地，涉及一種如下方法和機(jī)械化用壓力開關(guān)替代氣體儲存系統(tǒng)中兩個冗余壓力傳感器之一；與來自剩余的壓力傳感器的信號相比，使用自適應(yīng)算法來監(jiān)測壓力開關(guān)的接通-斷開循環(huán)；并且確保來自氣體儲存系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器的輸出在預(yù)期的壓力范圍內(nèi)。
背景技術(shù)：
燃料電池車輛預(yù)期在汽車市場中越來越流行。燃料電池車輛提供一些期望的特征，所述特征諸如實際上無污染排放，以及避免車輛使用石油燃料。燃料電池車輛的重要組成部分是氫儲存系統(tǒng)，該系統(tǒng)儲存為大多數(shù)燃料電池車輛作為燃料所使用的氫氣。氫儲存系統(tǒng)通常由用于儲存氣態(tài)氫的一個或多個互連的壓力容器、連同運(yùn)行氫儲存系統(tǒng)所必需的 許多閥、計量表、以及附件組成。 燃料電池需要在指定壓力下的可靠的氫氣源。壓力調(diào)節(jié)器被用來將氫氣的壓力從其被存儲在容器中的高壓降低到燃料電池所需的較低的壓力。為了確保壓力調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行，有必要測量壓力調(diào)節(jié)器出口處的壓力。為了冗余度，通常用兩個壓力傳感器來測量出自調(diào)節(jié)器的氫氣的壓力。雖然這種布置提供了所需的可靠度和冗余度，但是使用兩個壓力傳感器連同相關(guān)聯(lián)的布線和控制器連接的成本和復(fù)雜性是顯著的。期望用較簡單的且成本較低的裝置來替代壓力調(diào)節(jié)器下游的一個壓力傳感器。這樣的實施方式不僅會降低氫儲存系統(tǒng)的成本，還能夠通過簡化組件和排除布線連接和其它潛在的故障源來提高可靠度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教義，公開了使用壓力開關(guān)作為第二壓力測量裝置來控制氣體儲存系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器的方法和系統(tǒng)?？刂破魇褂霉┙o壓力數(shù)據(jù)和氣體流量需求數(shù)據(jù)來計算前饋控制項，并且使用來自壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力傳感器的數(shù)據(jù)來計算反饋控制項。在正常運(yùn)行期間，調(diào)節(jié)器下游的壓力在設(shè)定點(diǎn)壓力附近振蕩，監(jiān)測壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段，并且計算旨在使接通時段和斷開時段平衡的自適應(yīng)控制項。在壓力傳感器反饋信號出現(xiàn)故障的情況下，開關(guān)的過長的接通時間或斷開時間將被檢測到。響應(yīng)于過長的接通時間或斷開時間，忽略反饋控制項，并且計算旨在恢復(fù)壓力開關(guān)的平衡的接通時間和斷開時間從而指示實際壓力在設(shè)定點(diǎn)壓力附近振蕩的自適應(yīng)控制項。本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。方案I. 一種用于控制壓力調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，包括
壓力傳感器，所述壓力傳感器用于提供測量信號，所述測量信號量化所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力；
壓力開關(guān)，所述壓力開關(guān)用于提供斷開信號，所述斷開信號指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力高于設(shè)定點(diǎn)壓力；或接通信號，所述接通信號指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力；以及
控制器，響應(yīng)于來自所述壓力傳感器的測量信號和來自所述壓力開關(guān)的信號，所述控制器被配置成控制所述壓力調(diào)節(jié)器，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力尋求達(dá)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且使得所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段平衡。方案2.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成使用反饋控制項、前饋控制項和自適應(yīng)控制項的組合來控制所述壓力調(diào)節(jié)器。方案3.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述設(shè)定點(diǎn)壓力和來自所述壓力傳感器的測量信號之間的差來計算所述反饋控制項。方案4.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述壓力調(diào)節(jié)器上游的壓力和通過所述壓力調(diào)節(jié)器的氣體的流率來計算所述前饋控制項。
方案5.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段之間的差來計算所述自適應(yīng)控制項。方案6.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成檢測所述壓力開關(guān)的大于預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段；以及根據(jù)大于所述預(yù)定閾值的所述接通時段或斷開時段來確定來自所述壓力傳感器的測量信號是不準(zhǔn)確的。方案7.根據(jù)方案6所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于大于所述預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段來計算所述自適應(yīng)控制項，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力恢復(fù)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力。方案8.根據(jù)方案2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述壓力調(diào)節(jié)器下游的卸壓閥，其中如果所述控制器檢測到所述卸壓閥的排氣，則計算所述自適應(yīng)控制項以降低所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力。方案9.根據(jù)方案I所述的系統(tǒng)，其中所述壓力調(diào)節(jié)器、所述壓力傳感器、所述壓力開關(guān)和所述控制器被用在氫儲存系統(tǒng)中。方案10.根據(jù)方案9所述的系統(tǒng)，其中所述氫儲存系統(tǒng)被用來對汽車燃料電池提
供氫氣。方案11. 一種用于對燃料電池提供氫氣的氫儲存系統(tǒng)，所述氫儲存系統(tǒng)包括 一個或多個壓力容器，所述一個或多個壓力容器用于儲存氫氣；
壓力調(diào)節(jié)器，所述壓力調(diào)節(jié)器用于將氫氣從容器壓力降低到設(shè)定點(diǎn)壓力；
第一壓力傳感器，所述第一壓力傳感器在所述壓力調(diào)節(jié)器的上游，用于測量所述容器壓力；
第二壓力傳感器，所述第二壓力傳感器用于測量所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力；
壓力開關(guān)，所述壓力開關(guān)用于確定所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力是高于還是低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力；以及
控制器，響應(yīng)于來自所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述壓力開關(guān)的信號，所述控制器被配置成控制所述壓力調(diào)節(jié)器，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力尋求達(dá)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且使得所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段平衡。方案12.根據(jù)方案11所述的氫儲存系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成使用反饋控制項、前饋控制項和自適應(yīng)控制項的組合來控制所述壓力調(diào)節(jié)器，其中所述反饋控制項是基于所述設(shè)定點(diǎn)壓力和來自所述第二壓力傳感器的信號之間的差，所述前饋項是基于來自所述第一壓力傳感器的信號和通過所述壓力調(diào)節(jié)器的氣體的流率，并且所述自適應(yīng)控制項是基于所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段之間的差。方案13.根據(jù)方案12所述的氫儲存系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成檢測所述壓力開關(guān)的大于預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段；以及根據(jù)大于所述預(yù)定閾值的所述接通時段或斷開時段來確定來自所述第二壓力傳感器的信號是不準(zhǔn)確的。方案14.根據(jù)權(quán)利要要13所述的氫儲存系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于大于所述預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段來計算所述自適應(yīng)控制項，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力恢復(fù)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力。方案15. —種用于控制氣體儲存系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)器的方法，所述方法包括
測量所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力；
基于所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力和設(shè)定點(diǎn)壓力之間的差來計算反饋控制項；
測量所述壓力調(diào)節(jié)器上游的氣體壓力和氣體流率需求；
基于所述壓力調(diào)節(jié)器上游的氣體壓力和所述氣體流率需求來計算前饋控制項；
評估壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段，其中所述斷開時段指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力高于所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且所述接通時段指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力；
基于所述接通時段和所述斷開時段之間的差來計算自適應(yīng)控制項；以及合并并使用所述反饋控制項、所述前饋控制項和所述自適應(yīng)控制項來控制所述壓力調(diào)節(jié)器。方案16.根據(jù)方案15所述的方法，其中所述自適應(yīng)控制項被計算，使得所述接通時段和所述斷開時段平衡。方案17.根據(jù)方案15所述的方法，進(jìn)一步包括
確定是否已經(jīng)歷了大于預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段；
如果已經(jīng)經(jīng)歷了大于所述預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段，則計算自適應(yīng)控制項，所述自適應(yīng)控制項將使所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力恢復(fù)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力；以及
如果已經(jīng)經(jīng)歷了大于所述預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段，則合并并使用所述前饋控制項和所述自適應(yīng)控制項來控制所述壓力調(diào)節(jié)器。方案18.根據(jù)方案17所述的方法，進(jìn)一步包括確定測量出的所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力是不準(zhǔn)確的；以及在控制器中設(shè)置診斷故障代碼。方案19.根據(jù)方案15所述的方法，進(jìn)一步包括確定所述壓力調(diào)節(jié)器下游的卸壓閥的排氣是否已經(jīng)發(fā)生；以及如果所述壓力調(diào)節(jié)器下游的卸壓閥的排氣已經(jīng)發(fā)生，則計算自適應(yīng)控制項，所述自適應(yīng)控制項將降低所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力。方案20.根據(jù)方案15所述的方法，其中所述氣體儲存系統(tǒng)是用于汽車燃料電池的氫儲存系統(tǒng)。本發(fā)明的另外的特征將從結(jié)合附圖所作出的下列描述和所附權(quán)利要求變得明顯。


圖I是用于燃料電池的氫儲存系統(tǒng)的示意圖，其中壓力開關(guān)和壓力傳感器被用來自適應(yīng)地控制電子壓力調(diào)節(jié)器。
圖2A是示出了在正常運(yùn)行期間氫儲存系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力狀況的圖形。圖2B是示出了在壓力傳感器已經(jīng)經(jīng)歷了故障的情況下氫儲存系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力狀況的圖形。圖3是控制模塊的框圖，該控制模塊能夠用在控制器中用以控制氫儲存系統(tǒng)中的電子壓力調(diào)節(jié)器。圖4是用于使用來自壓力傳感器和壓力開關(guān)的信號自適應(yīng)地控制電子壓力調(diào)節(jié)器的方法的流程圖。
具體實施例方式對涉及在控制氣體儲存系統(tǒng)中壓力的自適應(yīng)方法中使用壓力開關(guān)的本發(fā)明的實施例的下列討論實際上僅僅是示例性的，并且決不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。例如，·接下來的討論大部分針對用于汽車燃料電池的氫儲存系統(tǒng)，但是所公開的方法和機(jī)械化同樣適用于任何壓力調(diào)節(jié)氣體儲存系統(tǒng)。燃料電池能夠被設(shè)計為使用多種燃料，但是被開發(fā)用于大多數(shù)汽車應(yīng)用的燃料電池使用氫氣作為燃料。這樣的燃料電池需要通常由氫存儲系統(tǒng)提供的可靠的氫氣源。圖I是用于燃料電池130的氫儲存系統(tǒng)100的示意圖。壓力容器102存儲在高壓下的氫氣，例如，當(dāng)容器102被充滿時在600-800巴范圍內(nèi)。能夠使用比氫儲存系統(tǒng)100中所示出的三個更多或更少的壓力容器102。填充口(未示出)被用來從外部供給裝置填充容器102。切斷閥108位于壓力容器102中的每一個的緊下游。在整個本公開中所使用的術(shù)語“上游”和“下游”是相對于從壓力容器102到燃料電池130的流向而言，其中壓力容器102是上游，并且燃料電池130是下游。壓力傳感器110測量切斷閥108和壓力調(diào)節(jié)器112之間的氫壓力。壓力調(diào)節(jié)器112被用來將氫氣的壓力從容器102的高壓降低到接近燃料電池130所需壓力的較低壓力。壓力傳感器114測量調(diào)節(jié)器112下游的氫壓力。位于燃料電池130中的第二壓力調(diào)節(jié)器118被用來將氫氣壓力降低到燃料電池130所需的通常小于3巴的低壓。燃料供給線120將氫儲存系統(tǒng)100連接到燃料電池130。控制器122——與閥108、傳感器110和114、調(diào)節(jié)器112和118、以及燃料電池130通訊——能夠被用來監(jiān)測氫儲存系統(tǒng)100和燃料電池130中的狀況，并且控制氫儲存系統(tǒng)100內(nèi)的各種操作，如下文將討論的。為簡便起見，省略了燃料電池130的構(gòu)件的細(xì)節(jié)，也省略了氫儲存系統(tǒng)100各過濾器、止回閥、以及其它構(gòu)件。為了確保進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)器118的氣體壓力不過度，可以使用卸壓閥124。卸壓閥124被設(shè)計用以在如下情況下打開如果在其進(jìn)口處氣體的壓力(等同于壓力調(diào)節(jié)器118進(jìn)口處的壓力)大于預(yù)定閥值，該預(yù)定閾值通常稍高于調(diào)節(jié)器118處的預(yù)期進(jìn)口壓力。作為一實例，系統(tǒng)100可被設(shè)計成使得傳感器114處(壓力調(diào)節(jié)器112的出口，以及壓力調(diào)節(jié)器118的進(jìn)口)的壓力是約10巴。為了提供另外的冗余措施，也常常使用壓力調(diào)節(jié)器112下游的第二壓力傳感器(未示出)。調(diào)節(jié)器112下游的第二壓力傳感器，如果被使用，則獨(dú)立于壓力傳感器114，提供系統(tǒng)100中那個點(diǎn)處的壓力測量值以驗證狀況如預(yù)期的那樣。為了避免調(diào)節(jié)器112下游的第二壓力傳感器的增加的成本和復(fù)雜性，建議結(jié)合壓力傳感器114使用壓力開關(guān)126，以使用將在下文詳細(xì)地描述的方法來驗證調(diào)節(jié)器112和調(diào)節(jié)器118之間的氣體壓力。壓力開關(guān)126具有典型的設(shè)計，其中每當(dāng)其經(jīng)歷的壓力高于開關(guān)設(shè)定點(diǎn)壓力時，開關(guān)126提供“斷開(off)”信號，并且每當(dāng)其經(jīng)歷的壓力低于開關(guān)設(shè)定點(diǎn)壓力時，開關(guān)126提供“接通(on)”信號。壓力開關(guān)126將接通信號和斷開信號提供給控制器 122。使用壓力開關(guān)126代替第二壓力傳感器有一些原因。第一，壓力開關(guān)126的成本小于壓力傳感器。第二，壓力開關(guān)126的安裝比第二壓力傳感器的安裝簡單，因為開關(guān)126需要較少的電線。第三，采用壓力開關(guān)126，在控制器122處不需要模數(shù)信號轉(zhuǎn)換器。最后，壓力開關(guān)126的簡單的接通/斷開數(shù)字信號對電磁干擾的敏感程度小于來自壓力傳感器的模擬信號。如上所討論的，壓力調(diào)節(jié)器112必須將氫氣壓力從進(jìn)口壓力降低到約10巴的出口壓力，該進(jìn)口壓力可以高達(dá)600-800巴。然而，當(dāng)容器102幾近變空時，壓力調(diào)節(jié)器112的
進(jìn)口處的壓力僅為30-40巴。因此，壓力調(diào)節(jié)器112必須在大范圍進(jìn)口壓力下提供可靠的出口壓力。為了滿足該苛刻的要求，壓力調(diào)節(jié)器112可以是電子控制的模型而非機(jī)械調(diào)節(jié)器。電子控制的壓力調(diào)節(jié)器在為調(diào)節(jié)器(在這種情況下是壓力調(diào)節(jié)器112)定義了控制參數(shù)的算法中使用壓力和流量數(shù)據(jù)信號。為了使用壓力開關(guān)126代替系統(tǒng)100中的第二壓力傳感器，需要用于控制調(diào)節(jié)器112的自適應(yīng)控制算法。特別地，目的是使用開關(guān)126的接通/斷開循環(huán)作為偽壓力讀數(shù)，如將在下文討論的。圖2A是示出了在正常運(yùn)行中的壓力調(diào)節(jié)器112下游的壓力狀況的圖形140。在圖形140上，橫軸142表示時間，并且縱軸144表示壓力和壓力開關(guān)126的邏輯接通/斷開信號。曲線146限定了壓力調(diào)節(jié)器112下游的實際壓力，只要壓力傳感器114正常運(yùn)行，該曲線就匹配來自壓力傳感器114的讀數(shù)。曲線146在壓力設(shè)定點(diǎn)線148附近振蕩，該壓力設(shè)定點(diǎn)線能夠在10巴的值處，如先前所提及的。線150和152分別表示壓力調(diào)節(jié)器112下游位置處的上容許壓力界限和下容許壓力界限。曲線146在壓力設(shè)定點(diǎn)線148的上方和下方振蕩是由于如下原因所引起響應(yīng)于燃料電池130對氫氣的消耗，控制器122調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)器112。下面將詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。階梯線154事實上不是壓力值或讀數(shù)，而是來自壓力開關(guān)126的接通/斷開信號。每當(dāng)曲線146在設(shè)定點(diǎn)線148的上方時，線154具有“斷開”值，如線154的分段156所示。類似地，每當(dāng)曲線146在設(shè)定點(diǎn)線148的下方時，線154具有“接通”值，如線154的分段158所示。在描繪了相當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)情況(其中，容器102中的壓力或燃料電池130的氫需求均不快速變化)的圖形140上能夠看到的是，線154的每一個接通循環(huán)具有與每個斷開循環(huán)大致相同的持續(xù)時間。這是設(shè)計使然并且借助在控制器122中所使用的將在下文討論的控制方法完成。圖2B是示出了在壓力傳感器114已經(jīng)經(jīng)歷了故障的情況下壓力調(diào)節(jié)器112下游的壓力狀況的圖形170。在圖形170上，曲線146仍表示壓力調(diào)節(jié)器112下游的實際壓力，并且線154仍表示來自壓力開關(guān)126的接通/斷開信號。然而，在圖形170上，曲線146不再與來自壓力傳感器114的讀數(shù)相同?？紤]到的是，在圖形170上所示的情況下，壓力傳感器114已經(jīng)經(jīng)歷了某種故障并且正在發(fā)送不準(zhǔn)確的讀數(shù)。在這種情況下，例如，傳感器114的讀數(shù)過低，因此(如曲線146所示的)實際壓力高于(由線148所指示的)設(shè)定點(diǎn)壓力。當(dāng)(借助如下文所討論的開關(guān)的過長斷開時間)檢測到這種情況時，控制器122使自己適應(yīng)于確保不容許實際壓力維持太高。在上述情況下，控制器122能夠使用由壓力開關(guān)126提供的另外的反饋來補(bǔ)償來自傳感器114的不準(zhǔn)確的讀數(shù)，并且使實際壓力回到設(shè)定點(diǎn)。能夠觀察到的是，線154的“斷開”時間在圖形170的左側(cè)過多。這是因為壓力調(diào)節(jié)器112下游的實際壓力在設(shè)定點(diǎn)線148的上方，如通過曲線146所示。當(dāng)在給定容器壓力和燃料電池流率狀況的情況下控制器122檢測到開關(guān)126保持?jǐn)嚅_比預(yù)期的時間久時，控制器122能夠確定來自傳感器114的讀數(shù)肯定是不準(zhǔn)確的。在那時，控制器122將減小經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)器112的流量，使得實際壓力下降直至開關(guān)126合上為止，此時，控制器122將根據(jù)在傳感器114中出現(xiàn)故障之前使用的占空比來恢復(fù)壓力調(diào)節(jié)器112的運(yùn)行。一旦控制器122忽略來自傳感器114的信號，曲線146就恢復(fù)到在設(shè)定點(diǎn)線148附近的正常振蕩，并且線154恢復(fù)到相等的接通/斷開循環(huán)時間，如靠近圖形170的右側(cè)所看到的。控制器122也能夠直接檢測壓力傳感器114中的硬故障(hard default)，該硬故 障諸如對地短路或?qū)﹄妷憾搪?a short to voltage)。在已知壓力傳感器114處于故障狀態(tài)或來自傳感器114的信號根本不可用的情況下，控制器122忽略那個輸入源，使用前饋控制路徑來控制壓力調(diào)節(jié)器112的運(yùn)行，并且必要時使本身適應(yīng)于使接通時段和斷開時段平衡。圖3是控制模塊200的框圖，該控制模塊能夠用在控制器122中以電子地控制壓力調(diào)節(jié)器112?？刂颇K200在此被描述為僅是控制器122的一部分，因為控制器122能夠用于其它目的，所述其它目的諸如監(jiān)測容器102中的壓力、如果必要關(guān)閉切斷閥108等。在框202處提供設(shè)定點(diǎn)壓力。設(shè)定點(diǎn)壓力是來自壓力調(diào)節(jié)器112的諸如10巴的目標(biāo)輸出壓力。來自壓力傳感器114的信號在線204上被提供給求和點(diǎn)206，在該求和點(diǎn)處從來自框202的設(shè)定點(diǎn)壓力中減去該信號。來自求和點(diǎn)206的壓力誤差信號被提供給前饋/反饋控制模塊208。前饋/反饋控制模塊208使用傳統(tǒng)的前饋和反饋控制方法來控制壓力調(diào)節(jié)器112的運(yùn)行。來自求和點(diǎn)206的壓力誤差信號被用于反饋控制項。前饋控制項基于如下方面建立由線210上的來自壓力傳感器110的信號所提供的容器102中的壓力；以及借助線212上的信號的來自燃料電池130的氫氣需求。氫需求能夠根據(jù)在燃料供給線120處測量出的質(zhì)量流率或體積流率、或根據(jù)基于模型的氫流量估計而確定。已知壓力調(diào)節(jié)器112上游的氣體壓力和氣體到燃料電池130的流率，前饋/反饋控制模塊208能夠使用查閱表來確定壓力調(diào)節(jié)器112的將滿足該需求的名義設(shè)定值。該名義設(shè)定值是前饋項，通過先前描述的反饋項對該前饋項進(jìn)行調(diào)整。來自壓力開關(guān)126的接通/斷開信號在線214上提供給自適應(yīng)控制模塊216。自適應(yīng)控制模塊216在壓力調(diào)節(jié)器112的控制中執(zhí)行一些功能。第一，在正常運(yùn)行期間，自適應(yīng)控制模塊216監(jiān)測開關(guān)126的接通時段和斷開時段，目的是使接通時間和斷開時間平衡。例如，如果自適應(yīng)控制模塊216確定斷開時段比接通時段長，則模塊216提供信號給求和點(diǎn)218以降低壓力，試圖使接通時段和斷開時段如圖2A上所示那樣平衡。求和點(diǎn)218的輸出經(jīng)過放大器220，并且該信號被用來控制壓力調(diào)節(jié)器112。
自適應(yīng)控制模塊216的第二個功能是檢測壓力傳感器114中的潛在故障。如先前所討論的，在線210上的供給壓力和線212上的氫需求不顯著變化的穩(wěn)態(tài)條件下，控制模塊200應(yīng)該已經(jīng)建立了壓力調(diào)節(jié)器112的運(yùn)行控制，因而開關(guān)126的接通時段和斷開時段是平衡的。在這些穩(wěn)態(tài)條件下，如果檢測到過長的接通時段或斷開時段，則自適應(yīng)控制模塊216能夠在通道222上提供如下通知給前饋/反饋控制模塊208 :壓力傳感器114可能已經(jīng)經(jīng)歷了故障。預(yù)定閾值能夠用來識別過長的接通時段或斷開時段。該預(yù)定閾值能夠以諸如一定的秒數(shù)的絕對項定義，或它能夠相對于的新近的名義接通時段和斷開時段而定義，諸如200%或兩倍長。這些閾值的值僅僅只是示例性的；閾值能夠被選擇以優(yōu)化性能。
在斷開時段超過閾值，因此指示實際壓力仍然大于設(shè)定點(diǎn)壓力的情況下，前饋/反饋控制模塊208能夠被配置成忽略來自求和點(diǎn)206的壓力誤差信號。前饋/反饋控制模塊208然后將僅使用前饋項來控制壓力調(diào)節(jié)器112，該前饋項將由來自自適應(yīng)控制模塊216的信號在求和點(diǎn)218處調(diào)整，該信號最初將需要補(bǔ)償過長的斷開時段。氫儲存系統(tǒng)100能夠繼續(xù)以該模式運(yùn)行，但是它將因缺少基于壓力傳感器114的反饋控制而對瞬變不太響應(yīng)。將在控制器122或車輛中的另一控制器中設(shè)置診斷故障代碼(DTC)，使得所有者讓車輛接受維修以更換任何故障構(gòu)件或修復(fù)任何故障連接。如果壓力開關(guān)126失靈，或在線214上來自開關(guān)126的信號被破壞，則自適應(yīng)控制模塊216會在通道122上將此告訴前饋/反饋控制模塊208。這能夠通過恒定的接通或斷開信號或完全缺少信號而檢測到。在這種情況下，自適應(yīng)控制模塊216將不發(fā)送控制校正信號給求和點(diǎn)218，并且控制將僅通過前饋/反饋控制模塊208單獨(dú)建立。再一次，將設(shè)置DTC，使得能夠?qū)囕v進(jìn)行維修或必要時進(jìn)行修理或更換。即使壓力開關(guān)126失靈或其信號被破壞，自適應(yīng)控制模塊216也能夠執(zhí)行另一項專門的功能。控制模塊200可以檢測卸壓閥124處的排氣來作為另一類型的指示來自壓力傳感器114的信號是不準(zhǔn)確的。這能夠通過使前饋/反饋控制模塊208檢測來自壓力傳感器114的正常正弦信號上的削頂或平頂(clipped or flat top)而完成。如果卸壓閥124的排氣被檢測到，則自適應(yīng)控制模塊216能夠發(fā)送自適應(yīng)命令給求和點(diǎn)218，其減小壓力調(diào)節(jié)器112的開度，從而降低調(diào)節(jié)器112下游的壓力，直至排氣狀態(tài)被排除為止。即使壓力開關(guān)126或其信號處于故障狀態(tài)并且被忽略，這也能夠完成。圖4是用于使用來自壓力傳感器114和壓力開關(guān)126的信號自適應(yīng)地控制壓力調(diào)節(jié)器112的方法的流程圖300。在框302處，壓力調(diào)節(jié)器112下游的壓力由壓力傳感器114測量。在框304處，將來自框302的測量壓力與設(shè)定點(diǎn)壓力相比較，并且差被用來計算反饋控制項。在框306處，測量供給壓力或者說壓力調(diào)節(jié)器112上游的壓力、連同氣體流量需求。在框308處，基于供給壓力和氣體流量需求確定前饋控制項。在框310處，使用來自壓力開關(guān)126的信號評估接通時段和斷開時段。在判斷菱形框312處，作出如下判斷是否已經(jīng)經(jīng)歷了過長的接通時段或斷開時段，或是否已經(jīng)檢測到來自壓力傳感器114的信號中的故障。如果尚未經(jīng)歷過長的接通時段或斷開時段，并且尚未檢測到壓力傳感器故障，則過程從判斷菱形框312移至框314，在框314處，基于最近的接通時段和斷開時段之間的任何差來計算自適應(yīng)控制項。如上所討論的，自適應(yīng)控制項旨在使接通時段和斷開時段平衡。在框316處，反饋控制項、前饋控制項和自適應(yīng)控制項被合并并且被用來控制壓力調(diào)節(jié)器112。該過程然后環(huán)回到框302用于隨后的壓力讀數(shù)。在判斷菱形框312處，如果已經(jīng)經(jīng)歷了過長的斷開時段或已經(jīng)檢測到壓力傳感器114的硬故障，則該過程從判斷菱形框312移至框318。在框318處，自適應(yīng)控制項被計算，該自適應(yīng)控制項抵消任何過長的斷開時段。如上所討論的，自適應(yīng)控制項在這種情況下旨在將壓力調(diào)節(jié)器112下游的實際壓力朝設(shè)定點(diǎn)壓力恢復(fù)。如果已經(jīng)經(jīng)歷了過長的斷開時間，則這通過命令從壓力調(diào)節(jié)器112減壓而實現(xiàn)。最后，在框320處，僅前饋控制項和自適應(yīng)控制項被合并并且被用來控制壓力調(diào)節(jié)器112。反饋項自此以后被忽略，因為來自壓力傳感器114的信號被認(rèn)為處于故障狀態(tài)。因此，該過程環(huán)回到框306，在框306處，供給壓力和氣體流量需求再次被測量。使用上述自適應(yīng)方法，能夠使用壓力開關(guān)代替第二壓力傳感器來控制氣體儲存系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器。壓力開關(guān)的使用提供減小成本和復(fù)雜性的機(jī)會，甚至提供采用第二壓力傳感器不可能實現(xiàn)的冗余度水平和降低的EMI敏感度。在仍在控制壓力調(diào)節(jié)器中提供所需的診斷能力(在正常條件下和在構(gòu)件或連接件之一中出現(xiàn)故障的情況下)的同時，這些益處是可能的。 上面的討論僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實施例。根據(jù)這樣的討論以及根據(jù)附圖和權(quán)利要求，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地意識到，在不脫離如所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，能夠在其中作出各種改變、修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于控制壓力調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，包括 壓力傳感器，所述壓力傳感器用于提供測量信號，所述測量信號量化所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力； 壓力開關(guān)，所述壓力開關(guān)用于提供斷開信號，所述斷開信號指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力高于設(shè)定點(diǎn)壓力；或接通信號，所述接通信號指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力；以及 控制器，響應(yīng)于來自所述壓力傳感器的測量信號和來自所述壓力開關(guān)的信號，所述控制器被配置成控制所述壓力調(diào)節(jié)器，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力尋求達(dá)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且使得所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成使用反饋控制項、前饋控制項和自適應(yīng)控制項的組合來控制所述壓力調(diào)節(jié)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述設(shè)定點(diǎn)壓力和來自所述壓力傳感器的測量信號之間的差來計算所述反饋控制項。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述壓力調(diào)節(jié)器上游的壓力和通過所述壓力調(diào)節(jié)器的氣體的流率來計算所述前饋控制項。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段之間的差來計算所述自適應(yīng)控制項。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成檢測所述壓力開關(guān)的大于預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段；以及根據(jù)大于所述預(yù)定閾值的所述接通時段或斷開時段來確定來自所述壓力傳感器的測量信號是不準(zhǔn)確的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于大于所述預(yù)定閾值的接通時段或斷開時段來計算所述自適應(yīng)控制項，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力恢復(fù)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述壓力調(diào)節(jié)器下游的卸壓閥，其中如果所述控制器檢測到所述卸壓閥的排氣，則計算所述自適應(yīng)控制項以降低所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力。
9.一種用于對燃料電池提供氫氣的氫儲存系統(tǒng)，所述氫儲存系統(tǒng)包括 一個或多個壓力容器，所述一個或多個壓力容器用于儲存氫氣； 壓力調(diào)節(jié)器，所述壓力調(diào)節(jié)器用于將氫氣從容器壓力降低到設(shè)定點(diǎn)壓力； 第一壓力傳感器，所述第一壓力傳感器在所述壓力調(diào)節(jié)器的上游，用于測量所述容器壓力； 第二壓力傳感器，所述第二壓力傳感器用于測量所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力； 壓力開關(guān)，所述壓力開關(guān)用于確定所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力是高于還是低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力；以及 控制器，響應(yīng)于來自所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述壓力開關(guān)的信號，所述控制器被配置成控制所述壓力調(diào)節(jié)器，使得所述壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力尋求達(dá)到所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且使得所述壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段平衡。
10.一種用于控制氣體儲存系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)器的方法，所述方法包括 測量所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力；基于所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力和設(shè)定點(diǎn)壓力之間的差來計算反饋控制項； 測量所述壓力調(diào)節(jié)器上游的氣體壓力和氣體流率需求； 基于所述壓力調(diào)節(jié)器上游的氣體壓力和所述氣體流率需求來計算前饋控制項； 評估壓力開關(guān)的接 通時段和斷開時段，其中所述斷開時段指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力高于所述設(shè)定點(diǎn)壓力，并且所述接通時段指示所述壓力調(diào)節(jié)器下游的氣體壓力低于所述設(shè)定點(diǎn)壓力； 基于所述接通時段和所述斷開時段之間的差來計算自適應(yīng)控制項；以及合并并使用所述反饋控制項、所述前饋控制項和所述自適應(yīng)控制項來控制所述壓力調(diào)節(jié)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電壓力調(diào)節(jié)高壓罐系統(tǒng)的冗余自適應(yīng)算法，具體提供了使用壓力開關(guān)作為壓力測量裝置來控制氣體儲存系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器的方法和系統(tǒng)?？刂破魇褂霉┙o壓力數(shù)據(jù)和氣體流量需求數(shù)據(jù)來計算前饋控制項，并且使用來自壓力調(diào)節(jié)器下游的壓力傳感器的數(shù)據(jù)來計算反饋控制項。在正常運(yùn)行期間，調(diào)節(jié)器下游的壓力在設(shè)定點(diǎn)壓力附近振蕩，監(jiān)測壓力開關(guān)的接通時段和斷開時段，并且計算使接通時間和斷開時間平衡的自適應(yīng)控制項。如果壓力傳感器失靈，則過長的開關(guān)接通時間或斷開時間將被檢測到；響應(yīng)于這種情況，忽略反饋控制項，并且計算旨在恢復(fù)開關(guān)的平衡的接通時間和斷開時間從而指示實際壓力在設(shè)定點(diǎn)附近振蕩的自適應(yīng)控制項。
文檔編號G05D16/20GK102856570SQ20121021729
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者O.邁爾, T.魏斯普芬寧 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司