DE102015118063B4

DE102015118063B4 - Ventilsteuervorrichtung und Ventilsteuerverfahren

Info

Publication number: DE102015118063B4
Application number: DE102015118063.4A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Suzuki; Tomio Yamanaka; Yoshiaki Naganuma; Mitsuhiro Nada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: DE102015118063A1; US9880567B2; KR20160057323A; JP6137126B2; CA2909843C; US20160139614A1; CN105609816B; CN105609816A; JP2016095622A; KR101815353B1; CA2909843A1

Abstract

Ventilsteuervorrichtung, welche ein Ventil zum Anpassen eines Drucks eines hin zu einer Brennstoffzelle geführten Reaktionsgases steuert, wobei die Ventilsteuervorrichtung aufweist:
einen Schätzabschnitt, welcher eine effektive Ventilquerschnittsfläche des Ventils abschätzt;
einen Öffnungs-Anpassabschnitt, welcher den Öffnungsgrad des Ventils mit einem Steuerbetrag anpasst, der basierend auf der durch den Schätzabschnitt abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche korrigiert ist;
einen Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die den Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases angeben;
einen Temperatur-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, welche die Temperatur des Reaktionsgases angeben;
einen Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad angeben, die mit dem Ventil verbunden sind; und
einen Druck-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die einen Druck des sekundärseitigen Strömungspfads angeben,
wobei der Schätzabschnitt die effektive Ventilquerschnittsfläche basierend auf dem Strömungsbetrag, der Temperatur, der Druckdifferenz und dem Druck abschätzt.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilsteuervorrichtung und ein Ventilsteuerverfahren.
Stand der Technik
Ein Gaszuführsystem, welches ein Reaktionsgas hin zu einer Brennstoffzelle führt, umfasst ein Ventil, welches den Druck des hin zu der Brennstoffzelle geführten Reaktionsgases anpasst, und eine Ventilsteuervorrichtung, welche das Ventil steuert. Die JP 2000 - 163 134 A offenbart, dass eine im Vorhinein als Kennfelddaten aufgenommene effektive Ventilquerschnittsfläche dazu verwendet wird, um den Betrag des strömenden Reaktionsgases zu steuern.
Darüber hinaus offenbart die FR 2 917 240 A1 ein Steuerungssystem für die Luftzuführung eines Brennstoffzellensystems.
Zudem offenbart die DE 10 2012 202 724 B4 ein System für ein Fahrzeug, das umfasst: ein Modul für eine Soll-Luftmassenströmungsrate (Soll-MAF-Modul), das eine Soll-MAF durch ein Drosselventil eines Motors erzeugt, ein Soll-Effektivflächenmodul, das eine Soll-Effektivfläche des Drosselventils basierend auf einem Drosseleinlassluftdruck und der Soll-MAF erzeugt, ein Maximal-Effektivflächenmodul, das eine maximale effektive Fläche des Drosselventils basierend auf dem Drosseleinlassluftdruck erzeugt, und ein Soll-Flächenmodul, das eine Soll-Fläche des Drosselventils basierend auf der Soll-Effektivfläche und der maximalen effektiven Fläche erzeugt, wobei ein Drossel-Aktuatormodul eine Öffnung des Drosselventils basierend auf der Soll-Fläche einstellt.
KURZFASSUNG
Da bei dem Gaszuführsystem der JP 2000 - 163 134 A der durch die Materialdifferenz bzw. Fertigungstoleranzen des Ventils hervorgerufene Variationsbetrag der Öffnung des Ventils nicht berücksichtigt wird, kann der Druck des Reaktionsgases in der Brennstoffzelle in unvorteilhafter Art und Weise übermäßig oder unzureichend werden. Somit wird eine Technologie gewünscht, welche in der Lage ist, das Ventil gemäß dem Variationsbetrag beim Öffnen bzw. der Öffnung des Ventils zu steuern, welcher durch die Materialdifferenz bzw. Fertigungstoleranzen des Ventils hervorgerufen wird.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.

(1) Gemäß einem erläuternden Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Ventilsteuervorrichtung vorgesehen, welche ein Ventil zum Anpassen eines Drucks eines hin zu einer Brennstoffzelle geführten Reaktionsgases steuert. Die Ventilsteuervorrichtung weist auf: einen Schätzabschnitt, welcher eine effektive Ventilquerschnittsfläche des Ventils abschätzt bzw. bestimmt; und einen Öffnungs-Anpassabschnitt, welcher den Öffnungsgrad des Ventils mit einem Steuerbetrag anpasst, der basierend auf der durch den Schätzabschnitt abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche korrigiert ist. Bei diesem Aspekt ist es möglich, das Ventil gemäß dem Variationsbetrag hinsichtlich der Öffnung des Ventils zu steuern, welcher durch die Fertigungstoleranzen des Ventils hervorgerufen wird.
(2) Bei der Ventilsteuervorrichtung des vorstehenden Aspekts kann der Schätzabschnitt die effektive Ventilquerschnittsfläche abschätzen bzw. bestimmen, wenn die Brennstoffzelle unter Bedingungen betrieben wird, bei welchen der Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases relativ niedrig ist und eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, relativ hoch ist. Bei diesem Aspekt ist es möglich, die Genauigkeit, mit welcher die effektive Ventilquerschnittsfläche abgeschätzt bzw. bestimmt wird, durch Abschätzen der effektiven Ventilquerschnittsfläche unter Bedingungen eines solch niedrigen Strömungsbetrags und einer hohen Druckdifferenz, dass der Effekt der individuellen Differenz der effektiven Ventilquerschnittsfläche relativ erhöht ist, zu verbessern.
(3) Die Ventilsteuervorrichtung des vorstehenden Aspekts kann ferner aufweisen: einen Speicherabschnitt zum Speichern von Informationen basierend auf der durch den Schätzabschnitt abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche; und einen Löschungs-Anpassabschnitt, welcher eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, auf einen Wert anpasst, der höher ist als bei einem normalen Betrieb, wenn die Informationen aus dem Speicherabschnitt gelöscht sind. Der Schätzabschnitt kann ferner die effektive Ventilquerschnittsfläche in einem Zustand abschätzen, bei welchem die Druckdifferenz durch den Löschungs-Anpassabschnitt angepasst ist. Bei diesem Aspekt wird die effektive Ventilquerschnittsfläche unter Bedingungen einer solch hohen Druckdifferenz abgeschätzt, dass der Effekt der individuellen Differenz der effektiven Ventilquerschnittsfläche relativ erhöht ist, und daher ist es möglich, die Genauigkeit zu verbessern, mit welcher die effektive Ventilquerschnittsfläche abgeschätzt wird, während die Abweichung von dem normalen Betrieb reduziert wird.
(4) Die Ventilsteuervorrichtung des vorstehenden Aspekts weist ferner auf: einen Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die den Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases angeben; einen Temperatur-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, welche die Temperatur des Reaktionsgases angeben; einen Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad angeben, die mit dem Ventil verbunden sind; und einen Druck-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die einen Druck des sekundärseitigen Strömungspfads angeben. Der Schätzabschnitt schätzt ferner die effektive Ventilquerschnittsfläche basierend auf dem Strömungsbetrag, der Temperatur, der Druckdifferenz und dem Druck ab. Bei diesem Aspekt ist es möglich, die effektive Ventilquerschnittsfläche basierend auf der Blendengleichung bzw. Durchflussgleichung abzuschätzen.

Die vorliegende Offenbarung kann außerdem in Form verschiedener Aspekte realisiert sein, welche sich von der Ventilsteuervorrichtung unterscheiden. Die Offenbarung der vorliegenden Anwendung kann beispielsweise in Form von Aspekten, wie einem Brennstoffzellensystem, einer Gaszufuhrvorrichtung und einem Ventilsteuerverfahren, realisiert sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die Erfindung ist mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, worin:

1 eine darstellende Abbildung ist, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt;
2 ein Graph bzw. Diagramm ist, welches eine Beziehung zwischen der Öffnung eines Ventils und einem Differenzdruck bzw. einer Druckdifferenz zeigt;
3 ein Graph ist, welcher eine Beziehung zwischen der Öffnung des Ventils und einer effektiven Ventilquerschnittsfläche zeigt;
4 eine darstellende Abbildung ist, welche die detaillierte Konfiguration einer Ventilsteuervorrichtung zeigt; und
5 eine darstellende Abbildung ist, welche die detaillierte Konfiguration einer Ventilsteuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Erste Ausführungsform
1 ist eine darstellende Abbildung, welche eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 20 und diese betreibt die Brennstoffzelle 20, um elektrische Leistung zuzuführen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 10 auf einem Fahrzeug montiert und führt Leistung zu, welche für die Fahrt des bzw. zum Fahren des Fahrzeugs verwendet wird.
Die Brennstoffzelle 20 erzeugt Leistung basierend auf der elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Brennstoffzelle 20 einer Brennstoffzelle vom Festpolymer-Typ. Bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Brennstoffzelle 20 basierend auf der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Leistung. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Wasserstoffgas und Luft als das Reaktionsgas hin zu der Brennstoffzelle 20 geführt.
Die Brennstoffzelle 20 besitzt eine Stapelstruktur, bei welcher eine Mehrzahl von Zellen in Schichten gestapelt sind, und diese erfordert, dass ein vorgegebener Betrag von Feuchtigkeit in dem Stapel gehalten wird, um die Leistungserzeugungsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es notwendig, den Druck der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft zu erhöhen, da das Brennstoffzellensystem 10 einem Nicht-Befeuchtungssystem entspricht, bei welchem die der Brennstoffzelle 20 zugeführte Luft nicht befeuchtet ist, auch wenn die Temperatur des Stapels erhöht ist und eine Leistungserzeugungslast relativ gering ist. Somit ist es notwendig, den Druck der Luft, welche der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, stabil anzupassen, auch wenn der strömende Luftbetrag relativ gering ist.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Gaszuführvorrichtung 30, welche die Luft als ein Oxidationsgas hin zu der Brennstoffzelle 20 führt. Bei der vorliegenden Ausführungsform führt die Gaszuführvorrichtung 30 die Luft in der Atmosphäre hin zu der Brennstoffzelle 20. Die Gaszuführvorrichtung 30 umfasst eine Pumpe 210, ein Ventil 260 und eine Ventilsteuervorrichtung 500.
Die Pumpe 210 der Gaszuführvorrichtung 30 setzt die über einen Einlass-Strömungspfad 305 aus der Atmosphäre entnommene Luft unter Druck und führt diese hin zu der Brennstoffzelle 20. Die durch die Pumpe 210 komprimierte und zugeführte Luft wird über einen Zuführ-Strömungspfad 310 hin zu einem inneren Strömungspfad 330 der Brennstoffzelle 20 geführt. Die Luft, welche den inneren Strömungspfad 330 durchlaufen hat, wird über einen Abführ-Strömungspfad 350 von der Brennstoffzelle 20 abgeführt.
Das Ventil 260 der Gaszuführvorrichtung 30 ist zwischen dem Abführ-Strömungspfad 350 und einem Abgas- bzw. Ablass-Strömungspfad 370 vorgesehen, und dieses passt den Druck der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft an. Der mit dem Ventil 260 verbundene Abführ-Strömungspfad 350 entspricht einem primärseitigen Strömungspfad, welcher auf der stromaufwärtigen Seite der Luftströmung mit Bezug auf das Ventil 260 angeordnet ist. Der mit dem Ventil 260 verbundene Abgas-Strömungspfad 370 entspricht einem sekundärseitigen Strömungspfad, welcher auf der stromabwärtigen Seite der Luftströmung mit Bezug auf das Ventil 260 angeordnet ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht das Ventil 260 einem elektrisch betätigten Ventil, welches derart ausgebildet ist, dass dieses die Öffnung basierend auf einem elektrischen Signal anpassen kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzt das Ventil 260 sensorfreie Spezifikationen, bei welchen verschiedene Sensoren einschließlich eines Sensors, welcher die Öffnung erfasst, nicht aufgenommen sind. Ein Luftbetrag Q, welcher das Ventil 260 durchläuft, korreliert mit einem Arbeitsbetrag bzw. Arbeitsaufwand der Pumpe 210 bzw. steht damit in Zusammenhang.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind in dem Brennstoffzellensystem 10 ein Strömungsbetragsensor 412, ein Drucksensor 413, ein Temperatursensor 414 und ein Atmosphärendrucksensor 419 als verschiedene Sensoren vorgesehen.
Der Strömungsbetragsensor 412 des Brennstoffzellensystems 10 erfasst den Luftbetrag, welcher den Einlass-Strömungspfad 305 durchläuft. Der durch den Strömungsbetragsensor 412 erfasste Strömungsbetrag korreliert mit dem Luftbetrag Q, welcher das Ventil 260 durchläuft.
Der Drucksensor 413 des Brennstoffzellensystems 10 erfasst einen Druck Pp der Luft, welche den Zuführ-Strömungspfad 310 durchläuft. Ein Druck PU der Luft in dem Abführ-Strömungspfad 350 korreliert mit dem durch den Drucksensor 413 aufgenommenen Druck Pp. Der Druck PU entspricht einem Druck, welcher durch Subtrahieren des Schätzwerts eines Druckverlusts in dem inneren Strömungspfad 330 von dem Druck Pp erhalten wird.
Der Atmosphärendrucksensor 419 des Brennstoffzellensystems 10 nimmt einen atmosphärischen Druck bzw. Atmosphärendruck Pa auf. Ein Druck PL der Luft in dem Abgas-Strömungspfad 370 korreliert mit dem durch den Atmosphärendrucksensor 419 aufgenommenen Druck Pa. Der Druck PL entspricht einem Druck, welcher durch Addieren des Schätzwerts eines Druckverlusts in dem Abgas-Strömungspfad 370 zu dem Druck Pa erhalten wird.
Der Temperatursensor 414 des Brennstoffzellensystems 10 nimmt die Innentemperatur der Brennstoffzelle 20 auf. Die durch den Temperatursensor 414 aufgenommene Innentemperatur korreliert mit einer Temperatur T der Luft, welche das Ventil 260 durchläuft.
Eine effektive Ventilquerschnittsfläche S des Ventils 260 ist durch die nachfolgende Gleichung (1) basierend auf der Blendengleichung bzw. Durchflussgleichung ausgedrückt:
[Gleichung 1] $S = \frac{Q}{A} \times \sqrt{\frac{T}{273 \times P L \times d P}}$

Q: Betrag von Luft, welche das Ventil 260 durchläuft
A: Strömungsbetragkoeffizient
T: Temperatur von Luft, welche das Ventil 260 durchläuft
PL: Druck von Luft nach dem Durchlaufen des Ventils 260, und
dP: Differenzdruck bzw. Druckdifferenz (= PU - PL) von Luft vor und nach dem Durchlaufen des Ventils 260.

2 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen der Öffnung des Ventils 260 und dem Differenzdruck bzw. der Druckdifferenz dP zeigt. Die horizontale Achse von 2 stellt die Öffnung des Ventils 260 dar. Die vertikale Achse von 2 stellt die Druckdifferenz dP dar. In einem Bereich, bei welchem die Öffnung des Ventils 260 relativ gering ist, ist der Variationsbetrag der Druckdifferenz dP relativ groß, wohingegen in einem Bereich, bei welchem die Öffnung des Ventils 260 relativ hoch bzw. groß ist, der Variationsbetrag der Druckdifferenz dP relativ klein ist. Beispielsweise ist ein Variationsbetrag RS2 der Druckdifferenz dP, wenn die Öffnung ausgehend von einer Öffnung p2 hin zu einer Öffnung p3 vergrößert wird, kleiner als ein Variationsbetrag RS 1 der Druckdifferenz dP, wenn die Öffnung ausgehend von einer Öffnung p1 hin zu der Öffnung p2 vergrößert wird, und dieser ist größer als ein Variationsbetrag RS3 der Druckdifferenz dP, wenn die Öffnung ausgehend von der Öffnung p3 hin zu einer Öffnung p4 vergrößert wird.
3 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen der Öffnung des Ventils 260 und der effektiven Ventilquerschnittsfläche S zeigt. Die horizontale Achse von 3 stellt die Öffnung des Ventils 260 dar. Die vertikale Achse von 3 stellt die effektive Ventilquerschnittsfläche S dar. Ein Mittelwert Vc stellt die effektive Ventilquerschnittsfläche S entsprechend der Öffnung des Ventils 260 eines Mittelwert-Produkts dar. Ein unterer Grenzwert Vs stellt die effektive Ventilquerschnittsfläche S entsprechend der Öffnung des Ventils 260 eines Produkts eines unteren Grenzwerts dar. Ein oberer Grenzwert Vb stellt die effektive Ventilquerschnittsfläche S entsprechend der Öffnung des Ventils 260 eines Produkts eines oberen Grenzwerts dar. Auch wenn die effektive Ventilquerschnittsfläche S gleich ist, werden durch die Materialdifferenzen bzw. Fertigungstoleranzen des Ventils 260 Variationen hinsichtlich der Öffnung des Ventils 260 erzeugt. Beispielsweise entspricht eine Öffnung, welche eine effektive Ventilquerschnittsfläche Sn realisiert, einer Öffnung pc bei dem Mittelwert-Produkt, einer geringeren Öffnung ps bei dem Produkt des unteren Grenzwerts und einer größeren Öffnung pb bei dem Produkt des oberen Grenzwerts.
4 ist eine darstellende Abbildung, welche die detaillierte Konfiguration der Ventilsteuervorrichtung 500 zeigt. Die Ventilsteuervorrichtung 500 der Brennstoffzelle 20 steuert das Ventil 260. Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt die Ventilsteuervorrichtung 500 ein elektrisches Signal zum Antreiben des Ventils 260 aus, um die Öffnung des Ventils 260 anzupassen. Die Ventilsteuervorrichtung 500 umfasst einen Steuerungsabschnitt 510, einen Speicherabschnitt 530, einen Speicherabschnitt 540 und eine Schnittstelle 550.
Der Speicherabschnitt 530 der Ventilsteuervorrichtung 500 speichert verschiedene Typen von Informationen, welche der Steuerungsabschnitt 510 handhabt bzw. verarbeitet. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die in dem Speicherabschnitt 530 gespeicherten Informationen Informationen, welche zum Zeitpunkt der Herstellung im Vorhinein aufgenommen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Speicherabschnitt 530 einem ROM (Nurlesespeicher). In dem Speicherabschnitt 530 wird im Vorhinein ein Referenzwert BL gespeichert, der Informationen entspricht, welche die effektive Ventilquerschnittsfläche S entsprechend der Öffnung des Ventils 260 bei dem Mittelwert-Produkt angeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Referenzwert BL dem in 3 angegebenen Mittelwert Vc.
Der Speicherabschnitt 540 der Ventilsteuervorrichtung 500 speichert verschiedene Typen von Informationen, welche der Steuerungsabschnitt 510 handhabt bzw. verarbeitet. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die in dem Speicherabschnitt 540 gespeicherten Informationen gelöscht, wenn die Zuführung von elektrischer Leistung hin zu dem Speicherabschnitt 540 gestoppt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Speicherabschnitt 540 einem RAM (statischer Direktzugriffsspeicher). In dem Speicherabschnitt 540 ist ein Variationsbetrag VR, welcher Variationen hinsichtlich der Öffnung angibt, die durch die Materialdifferenz bzw. Fertigungstoleranzen des Ventils 260 hervorgerufen werden, als Informationen gespeichert, welche durch den Steuerungsabschnitt 510 erzeugt werden.
Die Schnittstelle 550 der Ventilsteuervorrichtung 500 ist mit verschiedenen Typen von Vorrichtungen in dem Brennstoffzellensystem 10 elektrisch verbunden, und zwischen diesen Vorrichtungen und dem Steuerungsabschnitt 510 werden Informationen ausgetauscht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Schnittstelle 550 nicht nur mit dem Ventil 260, sondern ebenso mit der Pumpe 210, dem Strömungsbetragsensor 412, dem Drucksensor 413, dem Temperatursensor 414 und dem Atmosphärendrucksensor 419 verbunden.
Der Steuerungsabschnitt 510 der Ventilsteuervorrichtung 500 führt verschiedenartige Verarbeitungen zum Steuern des Ventils 260 durch. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die individuellen Konfigurationen des Steuerungsabschnitts 510 durch Software durch den Betrieb einer CPU (zentralen Verarbeitungseinheit) des Steuerungsabschnitts 510 basierend auf Computerprogrammen realisiert. Bei anderen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der Konfigurationen des Steuerungsabschnitts 510 durch Hardware basierend auf der Schaltkreiskonfiguration des Steuerungsabschnitts 510 realisiert sein.
Der Steuerungsabschnitt 510 umfasst einen ersten Schätzabschnitt 522, einen zweiten Schätzabschnitt 524 und einen Öffnungs-Anpassabschnitt 526. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Steuerungsabschnitt 510 ferner einen Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512, einen Temperatur-Erlangungsabschnitt 514, einen Differenzdruck- bzw. Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 und einen Druck-Erlangungsabschnitt 518.
Der Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 des Steuerungsabschnitts 510 erlangt Informationen, welche den Betrag Q von Luft angeben, welche das Ventil 260 durchläuft. Bei der vorliegenden Ausführungsform erlangt der Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 über die Schnittstelle 550 Informationen, welche den durch den Strömungsbetragsensor 412 aufgenommenen Strömungsbetrag angeben, ermittelt basierend auf diesem Strömungsbetrag den Strömungsbetrag Q und erlangt dadurch die Informationen, welche den Strömungsbetrag Q angeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet der Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 den verbrauchten Betrag von Sauerstoff entsprechend dem Stromwert der Brennstoffzelle 20 und den Betrag von Wasserdampf entsprechend der Temperatur der Brennstoffzelle 20, um den durch den Strömungsbetragsensor 412 aufgenommenen Strömungsbetrag zu korrigieren, und dieser ermittelt dadurch den Strömungsbetrag Q. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 über die Schnittstelle 550 Informationen erlangen, welche den Arbeitsbetrag der Pumpe 210 angeben, den Strömungsbetrag Q basierend auf dem Arbeitsbetrag der Pumpe 210 ermitteln und dadurch Informationen erlangen, welche den Strömungsbetrag Q angeben. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 Informationen von einem bei dem Ventil 260 vorgesehenen Strömungsbetragsensor erlangen, welche den Strömungsbetrag Q angeben.
Der Temperatur-Erlangungsabschnitt 514 des Steuerungsabschnitts 510 erlangt Informationen, welche die Temperatur T von Luft angeben, welche das Ventil 260 durchläuft. Bei der vorliegenden Ausführungsform erlangt der Temperatur-Erlangungsabschnitt 514 über die Schnittstelle 550 Informationen von dem Temperatursensor 414, welche die Temperatur der Brennstoffzelle 20 angeben, ermittelt basierend auf dieser Temperatur die Temperatur T und erlangt dadurch die Informationen, welche die Temperatur T angeben. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Temperatur-Erlangungsabschnitt 514 Informationen von einem bei dem Ventil 260 vorgesehenen Temperatursensor erlangen, welche die Temperatur T angeben.
Der Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 des Steuerungsabschnitts 510 erlangt Informationen, welche die Druckdifferenz dP von Luft vor und nach dem Durchlaufen des Ventils 260 angeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform erlangt der Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 über die Schnittstelle 550 Informationen von dem Drucksensor 413, welche den Druck Pp angeben, erlangt über die Schnittstelle 550 Informationen von dem Atmosphärendrucksensor 419, welche den Atmosphärendruck Pa angeben, ermittelt die Druckdifferenz dP basierend auf dem Druck Pp und dem Atmosphärendruck Pa und erlangt dadurch Informationen, welche die Druckdifferenz dP angeben. Mit anderen Worten, der Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 schätzt die Druckdifferenz dP basierend auf dem Druck Pp und dem Atmosphärendruck Pa ab. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 Informationen von Differenzsensoren erlangen, welche entweder bei dem Ventil 260 oder vor und nach dem Ventil 260 vorgesehen sind, welche die Druckdifferenz dP angeben.
Der Druck-Erlangungsabschnitt 518 des Steuerungsabschnitts 510 erlangt Informationen, welche den Druck PL der Luft angeben, welche das Ventil 260 durchlaufen hat. Bei der vorliegenden Ausführungsform erlangt der Druck-Erlangungsabschnitt 518 über die Schnittstelle 550 Informationen von dem Atmosphärendrucksensor 419, welche den Atmosphärendruck Pa angeben, ermittelt den Druck PL basierend auf dem Atmosphärendruck Pa und erlangt dadurch Informationen, welche den Druck PL angeben. Mit anderen Worten, der Druck-Erlangungsabschnitt 518 schätzt den Druck PL basierend auf dem Atmosphärendruck Pa ab. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Druck-Erlangungsabschnitt 518 Informationen von einem in dem Abgas-Strömungspfad 370 vorgesehenen Drucksensor erlangen, welche den Druck PL angeben.
Der erste Schätzabschnitt 522 des Steuerungsabschnitts 510 schätzt die effektive Ventilquerschnittsfläche S des Ventils 260 ab. Bei der vorliegenden Ausführungsform schätzt der erste Schätzabschnitt 522 die effektive Ventilquerschnittsfläche S ab, wenn die Brennstoffzelle unter Bedingungen betrieben wird, bei welchen der Strömungsbetrag Q relativ gering ist und die Druckdifferenz dP relativ hoch ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform schätzt der erste Schätzabschnitt 522 die effektive Ventilquerschnittsfläche S basierend auf dem durch den Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt 512 gemessenen Strömungsbetrag Q, der durch den Temperatur-Erlangungsabschnitt 514 gemessenen Temperatur T, der durch den Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt 516 gemessenen Druckdifferenz dP und dem durch den Druck-Erlangungsabschnitt 518 gemessenen Druck PL ab.
Der zweite Schätzabschnitt 524 des Steuerungsabschnitts 510 schätzt basierend auf der durch den ersten Schätzabschnitt 522 abgeschätzten bzw. bestimmten effektiven Ventilquerschnittsfläche S den Betrag VR der Variation der Öffnung ab, welche durch die Materialdifferenz des Ventils 260 hervorgerufen wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform nimmt der zweite Schätzabschnitt 524 auf den Referenzwert BL von dem Speicherabschnitt 530 Bezug und schätzt als den Variationsbetrag VR die Anzahl der Öffnungsschritte, bei bzw. durch welche die Öffnung des in der Gaszufuhrvorrichtung 30 vorgesehenen Ventils 260 mit Bezug auf die Öffnung des Mittelwert-Produkts abweicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ermittelt der zweite Schätzabschnitt 524 die Öffnung des Ventils 260 mit Bezug auf den Zustand, bei welchem das Ventil 260 vollständig geschlossen ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform schätzt der zweite Schätzabschnitt 524 den Variationsbetrag VR ab und speichert danach die Informationen diesbezüglich in dem Speicherabschnitt 540.
Der Öffnungs-Anpassabschnitt 526 des Steuerungsabschnitts 510 passt die Öffnung des Ventils 260 mit dem Steuerbetrag an, welcher gemäß dem Variationsbetrag VR korrigiert ist, der durch den zweiten Schätzabschnitt 524 abgeschätzt bzw. bestimmt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet der Öffnungs-Anpassabschnitt 526 den in dem Speicherabschnitt 540 gespeicherten Variationsbetrag VR, um den Steuerbetrag des Ventils 260 zu korrigieren.
Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist es möglich, das Ventil 260 gemäß dem durch die Materialdifferenz des Ventils 260 hervorgerufenen Variationsbetrag hinsichtlich der Öffnung zu steuern, da die Öffnung des Ventils 260 mit dem basierend auf der effektiven Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzten Variationsbetrag VR angepasst wird.
Wenn die Brennstoffzelle 20 unter Bedingungen betrieben wird, bei welchen der Strömungsbetrag Q relativ gering ist und die Druckdifferenz dP relativ hoch ist, wird die effektive Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt. Wie vorstehend beschrieben ist, wird die effektive Ventilquerschnittsfläche S unter Bedingungen eines solch niedrigen Strömungsbetrags und einer hohen Druckdifferenz abgeschätzt, dass der Effekt der individuellen Differenz der effektiven Ventilquerschnittsfläche S relativ erhöht ist, und daher ist es möglich, die Genauigkeit zu erhöhen bzw. verbessern, mit welcher die effektive Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt wird.
Die effektive Ventilquerschnittsfläche S wird basierend auf dem Strömungsbetrag Q, der Temperatur T, der Druckdifferenz dP und dem Druck PL abgeschätzt bzw. bestimmt, und daher ist es möglich, die effektive Ventilquerschnittsfläche S basierend auf der Blendengleichung bzw. Durchflussgleichung abzuschätzen bzw. zu bestimmen.
B. Zweite Ausführungsform
5 ist eine darstellende Abbildung, welche die detaillierte Konfiguration einer Ventilsteuervorrichtung 500B gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 der zweiten Ausführungsform ist mit Ausnahme davon, dass anstelle der Ventilsteuervorrichtung 500 der ersten Ausführungsform die Ventilsteuervorrichtung 500B enthalten ist, gleich diesem bei der ersten Ausführungsform. Die Ventilsteuervorrichtung 500B der zweiten Ausführungsform ist mit Ausnahme davon, dass der Steuerungsabschnitt 510 einen Löschungs-Anpassabschnitt 511B umfasst, und dass anstelle des ersten Schätzabschnitts 522 der ersten Ausführungsform ein erster Schätzabschnitt 522B enthalten ist, gleich der Ventilsteuervorrichtung 500 der ersten Ausführungsform.
Wenn der Variationsbetrag VR aus dem Speicherabschnitt 540 gelöscht ist, führt der Löschungs-Anpassabschnitt 511 B der Ventilsteuervorrichtung 500B eine Anpassung dahingehend durch, dass die Druckdifferenz dP höher ist als bei einem normalen Betrieb. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Bedingungen bzw. Umstände, bei welchen der Variationsbetrag VR aus dem Speicherabschnitt 540 gelöscht wird, beispielsweise einem Fall, bei welchem die hin zu dem Speicherabschnitt 540 geführte Leistung unterbrochen ist, wenn eine als die Leistungszuführung der Ventilsteuervorrichtung 500B dienende Speicherzelle ersetzt wird (so genanntes Batterie-Clear). Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt der Löschungs-Anpassabschnitt 511B über die Schnittstelle 550 ein Steuerungssignal hin zu dem Ventil 260 aus, um eine Anpassung dahingehend durchzuführen, dass die Druckdifferenz dP höher ist als bei dem normalen Betrieb.
Der erste Schätzabschnitt 522B der Ventilsteuervorrichtung 500B ist mit Ausnahme davon, dass in dem Zustand, bei welchem die Druckdifferenz dP durch den Löschungs-Anpassabschnitt 511B angepasst ist, die effektive Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt wird, gleich dem ersten Schätzabschnitt 522 der ersten Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform wartet der erste Schätzabschnitt 522B, bis der Strömungsbetrag Q durch die Anpassung der Druckdifferenz dP durch den Löschungs-Anpassabschnitt 511B verringert ist, und danach schätzt der erste Schätzabschnitt 522B die effektive Ventilquerschnittsfläche S ab. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführungsform ist die Antriebsfähigkeit nicht beeinträchtigt, auch wenn die Druckdifferenz dP aktiv stärker erhöht ist als bei dem normalen Betrieb, da es möglich ist, einem erforderlichen Ausgang bei der Brennstoffzelle 20 zu entsprechen. Wenn jedoch der Strömungsbetrag Q aktiv stärker verringert wird als bei dem normalen Betrieb kann ein Ausgang von der Brennstoffzelle 20 den erforderlichen Ausgang nicht erfüllen, was dazu führt, dass die Antriebsfähigkeit verringert bzw. beeinträchtigt sein kann.
Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform ist es möglich, das Ventil 260 gemäß dem durch die Materialdifferenz bzw. Fertigungstoleranzen des Ventils 260 hervorgerufenen Variationsbetrag der Öffnung zu steuern, da die Öffnung des Ventils 260, wie bei der ersten Ausführungsform, mit dem Variationsbetrag VR angepasst ist, welcher basierend auf der effektiven Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt ist.
Wenn der Variationsbetrag VR aus dem Speicherabschnitt 540 gelöscht ist, in einem Zustand, bei welchem die Druckdifferenz dP derart angepasst ist, dass diese höher als bei dem normalen Betrieb ist, wird die effektive Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt. Wie vorstehend beschrieben ist, wird die effektive Ventilquerschnittsfläche S unter Bedingungen einer solch hohen Druckdifferenz abgeschätzt, dass der Effekt der individuellen Differenz der effektiven Ventilquerschnittsfläche S relativ erhöht ist, und daher ist es möglich, die Genauigkeit zu verbessern, mit welcher die effektive Ventilquerschnittsfläche S abgeschätzt wird, während die Abweichung von dem normalen Betrieb reduziert wird.
C. Weitere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, Beispiel und Variationen beschränkt und kann mit verschiedenen Konfigurationen realisiert sein, ohne von dem Grundgedanken davon abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsformen, Beispiele und Variationen entsprechend den technischen Merkmalen bei den in dem Abschnitt der Kurzfassung der Erfindung beschriebenen Aspekten nach Bedarf ersetzt oder kombiniert sein, so dass ein Teil oder die Gesamtheit des zuvor beschriebenen Problems gelöst wird oder ein Teil oder die Gesamtheit der zuvor beschriebenen Effekte erreicht wird. Wenn die technischen Merkmale in der vorliegenden Spezifikation nicht als notwendige Merkmale beschrieben sind, können diese nach Bedarf gestrichen werden. Die vorliegende Erfindung ist beispielsweise nicht auf die Steuerung des Ventils zum Anpassen des Drucks von Luft beschränkt, welche hin zu der Brennstoffzelle 20 geführt wird, und diese kann auf die Steuerung eines Ventils zum Anpassen des Drucks von anderen Gasen angewendet werden.
Die Ventilsteuervorrichtung verwendet die Blendengleichung bzw. Durchflussgleichung, um den Variationsbetrag bei der Druckdifferenz dP mit Bezug auf die Öffnung des Ventils 260 abzuschätzen, und wenn der Variationsbetrag bei der Druckdifferenz dP mit Bezug auf die Öffnung in die Abweichung zwischen einem Zieldruck und einem gegenwärtigen Druck hinsichtlich der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft fällt, kann die Ventilsteuervorrichtung die Öffnung des Ventils 260 anpassen. Auf diese Art und Weise ist es möglich zu verhindern, dass der Druck der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft durch die Anpassung der Öffnung des Ventils 260 rapide zu- oder abnimmt.
Die Ventilsteuervorrichtung kann durch Abschätzen des Ansprechverhaltens des Drucks der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft basierend auf dem Strömungsbetrag Q die Zeit ermitteln, bei welcher die Öffnung des Ventils 260 angepasst ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich zu verhindern, dass der Druck der hin zu der Brennstoffzelle 20 geführten Luft durch die Anpassung der Öffnung des Ventils 260 rapide zu- oder abnimmt.

Claims

Ventilsteuervorrichtung, welche ein Ventil zum Anpassen eines Drucks eines hin zu einer Brennstoffzelle geführten Reaktionsgases steuert, wobei die Ventilsteuervorrichtung aufweist: einen Schätzabschnitt, welcher eine effektive Ventilquerschnittsfläche des Ventils abschätzt; einen Öffnungs-Anpassabschnitt, welcher den Öffnungsgrad des Ventils mit einem Steuerbetrag anpasst, der basierend auf der durch den Schätzabschnitt abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche korrigiert ist; einen Strömungsbetrag-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die den Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases angeben; einen Temperatur-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, welche die Temperatur des Reaktionsgases angeben; einen Druckdifferenz-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad angeben, die mit dem Ventil verbunden sind; und einen Druck-Erlangungsabschnitt, welcher Informationen erlangt, die einen Druck des sekundärseitigen Strömungspfads angeben, wobei der Schätzabschnitt die effektive Ventilquerschnittsfläche basierend auf dem Strömungsbetrag, der Temperatur, der Druckdifferenz und dem Druck abschätzt.
Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schätzabschnitt die effektive Ventilquerschnittsfläche abschätzt, wenn die Brennstoffzelle unter Bedingungen betrieben wird, bei welchen der Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases relativ niedrig ist und eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, relativ hoch ist.
Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ventilsteuervorrichtung ferner aufweist: einen Speicherabschnitt zum Speichern von Informationen basierend auf der durch den Schätzabschnitt abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche; und einen Löschungs-Anpassabschnitt, welcher eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, auf einen Wert anpasst, der höher ist als bei einem normalen Betrieb, wenn die Informationen aus dem Speicherabschnitt gelöscht sind, wobei der Schätzabschnitt die effektive Ventilquerschnittsfläche in einem Zustand abschätzt, bei welchem die Druckdifferenz durch den Löschungs-Anpassabschnitt angepasst ist.
Ventilsteuerverfahren zum Steuern eines Ventils zum Anpassen eines Drucks eines hin zu einer Brennstoffzelle geführten Reaktionsgases, wobei das Ventilsteuerverfahren aufweist: Abschätzen einer effektiven Ventilquerschnittsfläche des Ventils; Anpassen des Öffnungsgrads des Ventils mit einem Steuerbetrag, welcher basierend auf der abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche korrigiert ist; Erlangen von Informationen, welche den Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases angeben; Erlangen von Informationen, welche die Temperatur des Reaktionsgases angeben; Erlangen von Informationen, welche eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad angeben, die mit dem Ventil verbunden sind; Erlangen von Informationen, welche einen Druck des sekundärseitigen Strömungspfads angeben; und Abschätzen der effektiven Ventilquerschnittsfläche basierend auf dem Strömungsbetrag, der Temperatur, der Druckdifferenz und dem Druck.
Ventilsteuerverfahren nach Anspruch 4, wobei das Ventilsteuerverfahren ferner das Abschätzen der effektiven Ventilquerschnittsfläche aufweist, wenn die Brennstoffzelle unter Bedingungen betrieben wird, bei welchen ein Strömungsbetrag des durch das Ventil strömenden Reaktionsgases relativ niedrig ist und eine Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, relativ hoch ist.
Ventilsteuerverfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ventilsteuerverfahren ferner aufweist: Speichern von Informationen in einem Speicherabschnitt, wobei die Informationen auf der abgeschätzten effektiven Ventilquerschnittsfläche basieren; Anpassen einer Druckdifferenz zwischen einem primärseitigen Strömungspfad und einem sekundärseitigen Strömungspfad, welche mit dem Ventil verbunden sind, auf einen Wert, der höher ist als bei einem normalen Betrieb, wenn die Informationen aus dem Speicherabschnitt gelöscht sind; und Abschätzen der effektiven Ventilquerschnittsfläche in einem Zustand, bei welchem die Druckdifferenz angepasst ist, wenn die Informationen aus dem Speicherabschnitt gelöscht sind.