DE102018128482A1

DE102018128482A1 - Implementierung einer vorwärts- und rückwärtsregelung in einem zustandsvermittler

Info

Publication number: DE102018128482A1
Application number: DE102018128482.9A
Authority: DE
Inventors: Jared Farnsworth; Daniel Folick; Shigeki Hasegawa; Naoki Tomi
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2019-06-13
Also published as: CN109895661A; JP2019164984A; US20190181477A1; US10971748B2

Abstract

Ein System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf umfasst einen Brennstoffzellenstapel. Das System weist auch ein Ventil mit einer Ventilstellung, die sich auf einen Druck des Gases auswirkt, und einer Ventilfläche, die einem Querschnittsbereich des Ventils entspricht, welches das Gas durchfließen kann, auf. Das System weist auch einen Speicher auf, der ausgelegt ist, um ein Kennfeld oder eine Funktion zu speichern, welche(s) die Ventilfläche mit der Ventilstellung korreliert. Das System weist auch eine ECU auf, um einen gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch das Ventil zu bestimmen oder zu empfangen und eine gewünschte Ventilfläche zu berechnen, um den gewünschten Mengendurchfluss zu erreichen. Die ECU ist auch ausgelegt, um die gewünschte Ventilfläche mit dem Kennfeld oder der Funktion zu vergleichen, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, welche die gewünschte Ventilfläche bereitstellt, und um das Ventil zu regeln, die gewünschte Ventilstellung einzunehmen.

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Steuern von Druck- und Luftstromwerten von Luft, die einen Brennstoffzellenkreislauf durchfließt, durch Schätzen der Druck- und Luftstromwerte, Identifizieren eines erwünschten Verlaufs für die Druck- und Luftstromwerte und Durchführen einer Vorwärts- und Rückwärtsregelung von Aktuatoren, um den erwünschten Verlauf der Druck- und Luftstromwerte zu erreichen.
Beschreibung des Standes der Technik
Aufgrund einer Kombination aus staatlichen und staatenübergreifenden Verordnungen, vor dem Hintergrund eines Strebens nach weniger Umweltverschmutzung, stellen Fahrzeughersteller seit Kurzem große Bemühungen an, kraftstoffeffiziente Fahrzeuge zu entwerfen, die relativ niedrige Niveaus von schädlichen Emissionen haben. Automobilhersteller haben mehrere Lösungen entdeckt, um diese schädlichen Emissionen zu senken. Eine solche Lösung sind Hybridfahrzeuge, die einen Verbrennungsmotor sowie eine Batterie zum Speichern von Energie und einen Motor-Generator zum Antreiben des Fahrzeugs unter Verwendung der Elektrizität aufweisen. Eine andere Lösung sind vollelektronische Fahrzeuge, die nur eine Batterie und einen Motor-Generator aufweisen, der das Fahrzeug unter Verwendung der in der Batterie gespeicherten Energie antreibt. Noch eine andere Lösung sind Brennstoffzellenfahrzeuge, die Brennstoffzellen aufweisen, die Elektrizität über eine chemische Reaktion erzeugen.
Viele Brennstoffzellenfahrzeuge weisen einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel auf, die mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Die Brennstoffzellen können Brennstoff aufnehmen, der typischerweise Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel enthält. Der Brennstoffzellenstapel kann eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen. Diese chemische Reaktion erzeugt Elektrizität. Die Hauptemissionen sind Luft und Wasser, die relativ unbedenklich sind. Die Elektrizität, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, kann in einer Batterie gespeichert oder direkt einem Motor-Generator bereitgestellt werden, um mechanische Leistung zu erzeugen, um das Fahrzeug anzutreiben. Während Brennstoffzellenfahrzeuge in der Automobilindustrie einen interessanten Vorteil darstellen, ist die Technologie relativ neu, wodurch Raum für Verbesserungen der Technologie besteht.
Viele Brennstoffzellen nehmen den Sauerstoff aus der Luft auf. Die erforderliche Menge von Sauerstoff (d. h. Luft) variiert basierend auf einer gewünschten Startleistung der Brennstoffzellen. Der Druck der Luft innerhalb der Brennstoffzellen variiert ebenso basierend auf der gewünschten Startleistung der Brennstoffzellen. Die gewünschte Startleistung ist variabel und basiert auf einer Leistungsanforderung eines Fahrers oder einer elektronischen Steuereinheit, wenn das Fahrzeug ein autonomes oder halbautonomes Fahrzeug ist.
Daher besteht im Stand der Technik ein Bedarf an Systemen und Verfahren zum genauen und schnellen Bereitstellen von Luft an die Brennstoffzellen mit einer erwünschten Rate und einem erwünschten Druck.
KURZFASSUNG
Hierin wird ein System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf beschrieben. Das System weist einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen auf, die ausgelegt sind, um ein Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen. Das System weist auch ein Ventil mit einer Ventilstellung, die sich auf einen Druck des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf auswirkt, und einer Ventilfläche, die einem Querschnittsbereich des Ventils entspricht, welches das Gas durchfließen kann, auf. Das System weist auch einen Speicher auf, der ausgelegt ist, um ein Kennfeld oder eine Funktion zu speichern, welche(s) die Ventilfläche mit der Ventilstellung korreliert. Das System weist auch eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf, die mit dem Ventil gekoppelt ist. Die ECU ist ausgelegt, um einen gewünschten Mengendurchfluss zu bestimmen oder zu empfangen und eine gewünschte Ventilfläche zu berechnen, um den gewünschten Mengendurchfluss zu erreichen, basierend auf dem gewünschten Mengendurchfluss. Die ECU ist auch ausgelegt, um die gewünschte Ventilfläche mit dem Kennfeld oder Funktion zu vergleichen, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, welche die gewünschte Ventilfläche bereitstellt. Die ECU ist auch ausgelegt, um das Ventil zu regeln, um die gewünschte Ventilstellung einzunehmen.
Es wird auch ein System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf beschrieben. Das System weist einen Verdichter auf, der ausgelegt ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen, und eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdrehmoment aufweist, die sich jeweils auf einer Verdichterdurchflussrate des Gases durch den Verdichter auswirken. Das System weist auch einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen auf, die ausgelegt sind, um das Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen. Das System weist auch eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf, die mit dem Verdichter gekoppelt ist. Die ECU ist ausgelegt, eine gewünschte Beschleunigungsrate des Verdichters zu bestimmen oder zu empfangen, die einer gewünschten Beschleunigung der Verdichterdrehzahl entspricht. Die ECU ist auch ausgelegt, um ein gewünschtes Beschleunigungsmoment des Verdichters basierend auf der gewünschten Beschleunigungsrate zu bestimmen. Die ECU ist auch ausgelegt, um das Verdichterdrehmoment des Verdichters basierend auf dem gewünschten Beschleunigungsmoment zu steuern.
Es wird auch ein System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf beschrieben. Das System weist einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen auf, die ausgelegt sind, um ein Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen. Das System weist auch ein Ventil mit einer Ventilstellung auf, die sich auf einen Druck des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf auswirkt. Das System weist auch einen Speicher auf, der ausgelegt ist, ein Druckkennfeld zu speichern, das Druckwerte innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft. Das System weist auch eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf, die mit dem Ventil gekoppelt ist. Die ECU ist ausgelegt, um einen gewünschten Druckwert des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf zu bestimmen oder zu empfangen und einen aktuellen Druckwert des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf zu bestimmen oder zu empfangen. Die ECU ist auch ausgelegt, um den gewünschten Druckwert auf das Druckkennfeld anzuwenden, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, die mit dem gewünschten Druckwert verknüpft ist, und den aktuellen Druckwert auf das Druckkennfeld anzuwenden, um eine aktuelle Ventilstellung zu bestimmen, die mit dem aktuellen Druckwert verknüpft ist. Die ECU ist auch ausgelegt, um ein Differenzsignal entsprechend einer Differenz zwischen der gewünschten Ventilstellung und der aktuellen Ventilstellung zu identifizieren. Die ECU ist auch ausgelegt, um die Ventilstellung des Ventils basierend auf dem Differenzsignal einzustellen.
Es wird auch ein System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf beschrieben. Das System weist einen Verdichter auf, der eine Verdichterdrehzahl hat und ausgelegt ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf mit einer Verdichterdurchflussrate zu pumpen. Das System weist auch einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen auf, die ausgelegt sind, um das Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen. Das System weist auch einen Speicher auf, der ausgelegt ist, ein Luftstromkennfeld zu speichern, das Verdichterdurchflussraten mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen verknüpft. Das System weist auch eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf, die mit dem Verdichter gekoppelt ist. Die ECU ist auch ausgelegt, um eine gewünschte Verdichterdurchflussrate zu bestimmen oder zu empfangen und eine aktuelle Verdichterdurchflussrate zu bestimmen oder zu empfangen. Die ECU ist auch ausgelegt, um die gewünschte Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anzuwenden, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen, die mit der gewünschten Verdichterdurchflussrate verknüpft ist, und die aktuelle Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anzuwenden, um eine aktuelle Verdichterdrehzahl zu bestimmen, die mit der aktuellen Verdichterdurchflussrate verknüpft ist. Die ECU ist auch ausgelegt, um ein Differenzsignal entsprechend einer Differenz zwischen der gewünschten Verdichterdrehzahl und der aktuellen Verdichterdrehzahl zu identifizieren. Die ECU ist auch ausgelegt, um die Verdichterdrehzahl des Verdichters basierend auf dem Differenzsignal einzustellen.
Figurenliste
Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich oder werden bei Betrachtung der folgenden Figuren und ausführlichen Beschreibung hervorgehen. Es versteht sich, dass alle diese zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile innerhalb dieser Beschreibung enthalten sind, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen und durch die beiliegenden Ansprüche geschützt sind. Bauteile, die in den Zeichnungen gezeigt sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und können zur besseren Darstellung der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung vergrößert sein. In den Zeichnungen bezeichnen in den unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenkreislauf darstellt, der imstande ist, Elektrizität basierend auf einer chemischen Reaktion zu erzeugen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm, das verschiedene Merkmale des Brennstoffzellenkreislaufs von 1 darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines Beispielverdichters zur Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockdiagramm, das verschiedene logische Komponenten einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs von 1 zum Bereitstellen eines Gases dem Brennstoffzellenkreislauf mit einem erwünschten Durchfluss und Druck darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A und 5B Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Schätzen von Druck- und Durchflusswerten für mehrere Komponenten eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6A und 6B Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Bestimmen eines erwünschten Verlaufs oder Verlaufs von mehreren Parametern eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein Drehzahlkennfeld, das Luftstromraten und Druckverhältnisse mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen eines Verdichters darstellt, der in einem Brennstoffzellenkreislauf verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 gespeicherte Verdichterdurchflusskennfelder, zusammen mit einem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld, das unter Verwendung der gespeicherten Verdichterdurchflusskennfelder interpoliert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld von 8, zusammen mit einem Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld und einem Verdichterdruckverhältniskennfeld, das dem Verlauf des Verdichterdurchflusskennfelds folgt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 verschiedene Kennfelder und Kurvenbilder, die einen Verlauf darstellen, zusammen mit dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld und dem Verdichterdruckverhältniskennfeld von 9 von einer anfänglichen Anforderung, bis ein Ziel erreicht wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für eine Vorwärtsregelung eines Ventils eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ein Beispielventil zur Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13A und 13B Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Vorwärtsregelung eines Verdichters eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ein Blockdiagramm, das eine Steuerschaltung zum Umsetzen des Verfahrens von 13A und 13B darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15A und 15B Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Rückwärtsregelung eines Ventils eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16A und 16B Druckkennfelder, die in dem Verfahren von 15A und 15B verwendet werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17A und 17B Blockdiagramme, die Steuerschaltungen zum Umsetzen des Verfahrens von 16A und 16B darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18A und 18B Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Rückwärtsregelung eines Verdichters eines Brennstoffzellenkreislaufs darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ein Luftstromkennfeld, das in dem Verfahren von 18A und 18B verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
20A und 20B Blockdiagramme, die Steuerschaltungen zum Umsetzen des Verfahrens von 18A und 18B darstellen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Systeme und Verfahren zur Vorwärts- und Rückwärtsregelung eines Verdichters und von Ventilen, die verwendet werden, um einem Brennstoffzellenstapel ein Gas bereitzustellen. Die Systeme stellen verschiedene Vorteile gegenüber aktuellen Technologien bereit, wie etwa ein Verwenden eines gleichungsbasierten Modells der Schaltung, um eine Vorwärtsaktuatorregelung durchzuführen. Die Verwendung des gleichungsbasierten Modells in der Vorwärtsregelung stellt vorteilhafterweise eine erhöhte Reaktionsdrehzeit bereit, wobei es den Durchfluss- und Druckwerten des Gases ermöglicht wird, ihre Sollwerte in kürzerer Zeit zu erreichen als bei aktuellen Technologien. Die Verwendung des gleichungsbasierten Modells bietet ferner den Vorteil einer erhöhten Steuergenauigkeit der Aktuatoren. Die Verwendung des gleichungsbasierten Modells reduziert auch vorteilhafterweise die Speicheranforderungen des Systems im Vergleich zu aktuellen Technologien, die speicherintensive Nachschlagetabelle verwenden können.
Die Systeme bieten auch den Vorteil einer kombinierenden Rückwärtsregelung der Aktuatoren mit der Vorwärtsregelung der Aktuatoren. Die Rückwärtsregelungen jedes Aktuators basieren auf einem unterschiedlichen gemessenen oder geschätzten Parameter des Brennstoffzellenkreislaufs. Dies ermöglicht es jedem der Aktuatoren vorteilhafterweise, unabhängig gesteuert zu werden, was den Vorteil einer erhöhten Rückwärtsregelungsgenauigkeit bietet. Insbesondere vergleicht die Rückwärtsregelung die aktuellen und angestrebten Werte und verwendet eine PID-Regelung (Proportional Integral Derivative), um die Lücke zwischen den aktuellen und angestrebten Werten zu schließen. Die Systeme können eine Integration des Integralanteils der PID-Regelung vorteilhafterweise verzögern, was als Schutz vor einem integralen Windup bezeichnet werden kann, oder sie können einen zuvor gespeicherten Integralanteil in einer neuen Instanz einer Rückwärtsregelung verwenden, was als „lernende Werte“ bezeichnet werden kann. Die Verwendung eines Schutzes vor einem integralen Windup oder lernender Werte senkt die Wahrscheinlichkeit einer Rückwärtsregelung-Überschreitung, was zu einer besseren Steuergenauigkeit führt.
Ein Beispielsystem weist einen Brennstoffzellenstapel und Aktuatoren auf, die einen Verdichter, der Luft durch das System bläst, und mindestens ein Ventil, das sich auf Luftstrom und Druck im gesamten System auswirkt, aufweisen. Das System weist auch eine elektronische Steuereinheit (ECU) auf. Die ECU kann angestrebte oder gewünschte Parameter des Systems bestimmen oder empfangen, wie etwa gewünschte Mengendurchflussraten durch verschiedene Komponenten, eine gewünschte Beschleunigung des Verdichters und gewünschte Druckwerte, die einer oder mehreren Komponenten entsprechen. Unter Verwendung von verschiedenen Gleichungen kann die ECU die Aktuatoren derart steuern, dass Parameter die angestrebten oder gewünschten Werte erreichen.
Die ECU kann ebenso detektierte oder geschätzte aktuelle Parameter des Systems empfangen. Die ECU kann die aktuellen Parameter mit den angestrebten Parametern vergleichen und eine Differenz zwischen den aktuellen und angestrebten Parametern bestimmen. Die ECU kann dann die Differenz einer PID-Regelung bereitstellen, die ein Signal ausgibt, das die ECU dann verwenden kann, um die Lücke zwischen den aktuellen Parametern und den angestrebten Parametern zu schließen.
Bezugnehmend auf 1, weist ein Fahrzeug 100 Komponenten eines Systems 101 zum Bereitstellen von Gas, wie etwa Luft, an Brennstoffzellen auf. Insbesondere weisen das Fahrzeug 100 und System 101 eine ECU 102 und einen Speicher 104 auf. Das Fahrzeug 100 weist ferner eine Leistungsquelle 110 auf, die mindestens eine/n von einem Verbrennungsmotor 112, einem Motor-Generator 114, einer Batterie 116 oder einem Brennstoffzellenkreislauf 118 aufweisen kann. Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann ein Teil des Systems 101 sein.
Die ECU 102 kann mit jeder der Komponenten des Fahrzeugs 100 gekoppelt sein und einen oder mehrere Prozessoren oder Steuerungen aufweisen, die insbesondere für Automobilsysteme entwickelt wurden. Die Funktionen der ECU 102 können in einer einzelnen ECU oder in mehreren ECUs implementiert sein. Die ECU 102 kann Daten von Komponenten des Fahrzeugs 100 empfangen, kann Bestimmungen basierend auf den empfangenen Daten vornehmen und kann den Betrieb von Komponenten basierend auf den Bestimmungen steuern.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 100 voll autonom oder halbautonom sein. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 verschiedene Aspekte des Fahrzeugs 100 steuern (wie etwa Lenken, Bremsen, Beschleunigen oder dergleichen), um das Fahrzeug 100 von einem Startort zu einem Ziel zu manövrieren.
Der Speicher 104 kann einen beliebigen nicht vorübergehenden Speicher aufweisen, der im Stand der Technik bekannt ist. In dieser Hinsicht kann der Speicher 104 maschinenlesbare Anweisungen speichern, die durch die ECU 102 verwendbar sind, und kann andere Daten speichern, die durch die ECU 102 angefordert werden oder durch einen Fahrzeughersteller oder Bediener programmiert werden. Der Speicher 104 kann ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs 118 speichern. Das Modell kann Gleichungen oder andere Informationen aufweisen, die verwendbar sind, um verschiedene Parameter des Brennstoffzellenkreislaufs 118 zu schätzen.
Der Verbrennungsmotor 112 kann einen Brennstoff in mechanische Leistung umwandeln. In dieser Hinsicht kann der Verbrennungsmotor 112 ein Benzinmotor, ein Dieselmotor oder dergleichen sein.
Die Batterie 116 kann elektrische Energie speichern. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 116 eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen aufweisen, einschließlich einer Batterie, eines Schwungrads, eines Superkondensators, einer thermischen Speichervorrichtung oder dergleichen.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die eine chemische Reaktion ermöglichen, um elektrische Energie zu erzeugen. Zum Beispiel können die Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff aufnehmen, eine Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen und Elektrizität als Antwort auf die Reaktion ausgeben. In dieser Hinsicht kann die elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 erzeugt wird, in der Batterie 116 gespeichert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 100 mehrere Brennstoffzellenkreisläufe aufweisen, einschließlich den Brennstoffzellenkreislauf 118.
Der Motor-Generator 114 kann die elektrische Energie, die in der Batterie gespeichert ist, (oder elektrische Energie, die direkt von dem Brennstoffzellenkreislauf 118 aufgenommen wird) in mechanische Leistung umwandeln, die verwendbar ist, um das Fahrzeug 100 anzutreiben. Der Motor-Generator 114 kann ferner mechanische Leistung, die von dem Motor 112 oder Rädern des Fahrzeugs 100 aufgenommen wird, in Elektrizität umwandeln, die in der Batterie 116 als Energie gespeichert und/oder durch andere Komponenten des Fahrzeugs 100 verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann der Motor-Generator 114 auch oder stattdessen eine Turbine oder eine andere Vorrichtung aufweisen, die imstande ist, Schub zu erzeugen.
Nun, bezugnehmend auf 2, werden Einzelheiten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 dargestellt. Insbesondere weist der Brennstoffzellenkreislauf 118 eine Lufteintrittsöffnung 200, einen Luftreiniger 202, einen Verdichter 204, einen Ladeluftkühler 206, einen Brennstoffzellenstapel 208, einen Bypass-Abzweig 210, ein Bypass-Ventil 212, das entlang des Bypass-Abzweigs 210 positioniert ist, und ein Drosselventil 214 auf.
Die Lufteintrittsöffnung 200 kann Luft von einer Umgebung aufnehmen, wie etwa von außerhalb des Fahrzeugs 100 von 1. In einigen Ausführungsformen kann die Lufteintrittsöffnung 200 einen Filter zum Filtern von Schmutz aus der aufgenommenen Luft aufweisen. Der Luftreiniger 202 kann einen Filter oder eine andere Vorrichtung aufweisen, die imstande ist, Schmutz und andere Verunreinigungen aus der Luft zu entfernen, die von der Lufteintrittsöffnung 200 aufgenommen wird.
Der Verdichter 204 kann ein Turbo-Verdichter oder ein anderer Verdichter sein, der imstande ist, Luft mit Druck zu beaufschlagen. In dieser Hinsicht kann der Verdichter 204 Luft von dem Reiniger 202 ansaugen und mit Druck beaufschlagte Luft ausgeben.
Kurz bezugnehmend auf 3, kann ein beispielhafter Verdichter 300 als der Verdichter 204 von 2 verwendet werden. Insbesondere weist der Verdichter 300 einen Körper 302 auf, durch den Luft angesaugt werden kann. Ein Laufrad 304, das mehrere Schaufeln aufweisen kann, kann sich im Inneren des Körpers 302 befinden. Ein Motor 306 (oder eine andere Drehmomentquelle) kann mechanische Leistung mit einem Drehmoment bei einer Drehgeschwindigkeit erzeugen, die von einem Getriebe 308 über eine Welle 310 aufgenommen werden kann. Das Getriebe 308 kann die Leistung, die von dem Motor 306 aufgenommen wird, in Leistung umwandeln, die ein anderes Drehmoment und eine andere Drehgeschwindigkeit aufweist. Die mechanische Leistung von dem Getriebe 308 kann dem Laufrad 304 über die Welle 312 zugeführt werden. Der Druck des Gases, das durch den Verdichter 300 ausgegeben wird, kann von dem Drehmoment und der Drehzahl der mechanischen Leistung abhängen, die dem Laufrad 304 zugeführt wird.
Wieder unter Bezugnahme auf 2 kann der Brennstoffzellenkreislauf 118 ferner einen Ladeluftkühler 206 aufweisen. Der Ladeluftkühler 206 kann die Luft von dem Verdichter 204 aufnehmen und kann auch ein Fluid, wie ein Kühlmittel, aufnehmen. Der Ladeluftkühler 206 kann Wärme von der Luft auf das Kühlmittel übertragen, oder er kann Wärme von dem Kühlmittel auf die Luft übertragen. In dieser Hinsicht kann der Ladeluftkühler 206 eine Temperatur der Luft einstellen, die den Brennstoffzellenkreislauf 118 durchfließt.
Der Brennstoffzellenstapel 208 kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen. Die Brennstoffzellen können Wasserstoff zusammen mit der Luft aus dem Ladeluftkühler 206 aufnehmen. Die Brennstoffzellen können eine chemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff in der Luft und dem Wasserstoff ermöglichen, die Elektrizität erzeugen kann.
Die Luft aus dem Ladeluftkühler 206 kann derart aufgeteilt werden, dass ein Teil der Luft den Brennstoffzellenstapel 208 durchfließt und ein Teil der Luft den Bypass-Abzweig 210 durchfließt. In dieser Hinsicht fließt die Luft, die den Bypass-Abzweig 210 durchfließt, nicht durch den Brennstoffzellenstapel 208. Das Bypass-Ventil 212 kann eine einstellbare Ventilstellung haben. Die einstellbare Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 kann geregelt werden, um einen Luftstrombetrag durch den Bypass-Abzweig 210 einzustellen und ebenso um einen Luftstrombetrag durch den Brennstoffzellenstapel 208 einzustellen. Zum Beispiel, wenn das Bypass-Ventil 212 zu 100 Prozent (100 %) geschlossen ist, fließt der gesamte Luftstrom durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 durch den Brennstoffzellenstapel 208.
Auch wenn ein Luftstrom durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 erwähnt wird, verstehen Fachleute auf dem Gebiet, dass ein anderer Gasstrom als Luftstrom geeignet sein kann, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
Das Drosselventil 214 kann ebenso eine einstellbare Ventilstellung aufweisen. Die einstellbare Ventilstellung des Drosselventils 214 kann regeln werden, um einen Druck der Luft innerhalb des Brennstoffzellenstapels 208 einzustellen. Zum Beispiel kann der Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels 208 durch Schließen des Drosselventils 214 erhöht werden und kann durch Öffnen des Drosselventils 214 gesenkt werden.
Bezugnehmend auf 1 und 2 kann jeder/s von dem Verdichter 204, dem Bypass-Ventil 212 und dem Drosselventil 214 als Aktuator angesehen werden und kann durch die ECU 102 geregelt werden. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Leistungsanforderung von einem Fahrer des Fahrzeugs empfangen (oder sie kann eine Leistungsanforderung in einem autonomen oder halbautonomen Fahrzeug erzeugen). Die ECU 102 kann die Leistungsanforderung in erwünschte Druck- oder Durchflusswerte entsprechend einem erwünschten Druck oder Luftstrom an spezifischen Orten innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs 118 umwandeln. Die ECU 102 kann dann jeden/s von dem Verdichter 204, dem Bypass-Ventil 212 und dem Drosselventil 214 regeln, um die erwünschten Druck- oder Durchflusswerte zu erzielen.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann ferner einen Durchflusssensor 216 und einen Drucksensor 218 aufweisen. Der Durchflusssensor 216 kann einen Durchfluss des Gases (wie etwa einen Mengendurchfluss) durch den Verdichter 204 detektieren. Der Drucksensor 218 kann einen Druck des Gases an einer Austrittsöffnung des Ladeluftkühlers 206 detektieren.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann ferner mehrere Rohre 220 aufweisen. Zum Beispiel können die mehreren Rohre 220 ein erstes Rohr 222, welches das Gas von der Eintrittsöffnung 200 zu dem Luftreiniger 202 leitet, und ein zweites Rohr 224, welches das Gas von dem Luftreiniger 202 zu dem Durchflusssensor 216 leitet, aufweisen. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr von der Eintrittsöffnung 200, dem Luftreiniger 202 oder dem Durchflusssensor 216 direkt ohne jegliche Rohre verbunden sein.
Nun bezugnehmend auf 2 und 4, kann die ECU 102 verschiedene Prozesse oder Funktionen zum Steuern des Brennstoffzellenkreislaufs 118 aufweisen. Die Prozesse oder Funktionen innerhalb der ECU 102 können jeweils in Hardware (d. h. durch eine dedizierte Hardware durchgeführt) implementiert sein, sie können in Software (d. h. eine Mehrzweck-ECU ausführende Software, die in einem Speicher gespeichert ist) implementiert sein, oder sie können über eine Kombination aus Hardware und Software implementiert sein.
Insbesondere kann die ECU 102 einen Zustandsvermittler 400 aufweisen. Der Zustandsvermittler 400 kann ein Steuersignal 402 entsprechend erwünschten Druck- und/oder Durchflusswerten empfangen (d. h mindestens einen angestrebten Druckwert oder mindestens einen angestrebten Durchflusswert). Das Steuersignal 402 kann ebenso einer Leistungsanforderung entsprechen. Der Zustandsvermittler 400 kann die angestrebten Druck- und Durchflusswerte analysieren und bestimmen, ob die angestrebten Werte machbar sind, basierend auf der Mechanik des Brennstoffzellenkreislaufs 118, und ob eine oder mehrere Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 wahrscheinlich bei einem Versuch, einen angestrebten Wert zu erreichen, beschädigt werden. Der Zustandsvermittler 400 kann dann vermittelte angestrebte Werte 404 ausgeben.
Die ECU 102 kann ferner einen Zustandsschätzer 406 aufweisen. Der Zustandsschätzer 406 kann die vermittelten angestrebten Werte 404 zusammen mit Sensordaten 408, die durch den Durchflusssensor 216 und den Drucksensor 218 detektiert werden, empfangen. Der Zustandsschätzer 406 kann aktuelle Druckwerte und Durchflusswerte berechnen oder schätzen, die jeder Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 entsprechen (einschließlich den mehreren Rohren 220). Der Zustandsschätzer 406 kann die aktuellen geschätzten Werte 410 ausgeben. In einigen Ausführungsformen kann der Zustandsschätzer 406 auch die vermittelten angestrebten Werte 404 bestimmen oder einstellen.
Die ECU 102 kann auch eine Verlaufsteuerung 412 aufweisen. Die Verlaufsteuerung 412 kann die aktuellen geschätzten Werte 410 zusammen mit den vermittelten angestrebten Werten 404 empfangen. Die Verlaufsteuerung 412 kann einen erwünschten Verlauf von den aktuellen geschätzten Werten 410 zu den vermittelten angestrebten Werten 404 identifizieren. Die Verlaufsteuerung 412 kann erwünschte Zwischensollwerte 414 bestimmen und ausgeben, die entlang des erwünschten Verlaufs von den aktuellen geschätzten Werten 410 zu den vermittelten angestrebten Werten 404 liegen.
Die ECU 102 kann auch eine Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 aufweisen. Die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 kann die erwünschten Zwischensollwerte 414 zusammen mit den aktuellen geschätzten Werten 410 empfangen. Die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 kann Steuersignale 418 bestimmen und ausgeben, die eine Operation der Aktuatoren des Brennstoffzellenkreislaufs 118 steuern können.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 5A und 5B, kann ein Verfahren 500 zum Schätzen der aktuellen geschätzten Werte 410 durch Komponenten des Systems 101 durchgeführt werden, wie etwa durch den Zustandsschätzer 406. In Block 502 kann die ECU 102 ein Steuersignal bestimmen oder empfangen, wie etwa die vermittelten angestrebten Werte 404, die einer erwünschten Operation der Aktuatoren entsprechen. Zum Beispiel kann das Steuersignal angestrebte Druck- und Durchflusswerte an verschiedenen Stellen im Brennstoffzellenkreislauf 118 aufweisen oder ihnen entsprechen. Wie zuvor beschrieben wurde, können der Verdichter 204, das Bypass-Ventil 212 und das Drosselventil 214 geregelt werden, um die Druck- und Durchflusswerte im gesamten Brennstoffzellenkreislauf 118 einzustellen.
In Block 504 können der Durchflusssensor 216 und der Drucksensor 218 einen aktuellen Mengendurchflusswert des Gases, das den Verdichter 204 durchfließt, und einen aktuellen Druckwert, der einem Druck des Gases an der Austrittsöffnung des Ladeluftkühlers 206 entspricht, detektieren.
In Block 506 kann die ECU 102 Mengendurchflusswerte des Gases durch die Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs basierend auf den Eigenschaften der Komponenten, den Einstellungen der Aktuatoren und dem Mengendurchfluss, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird, berechnen. Da ein Mengendurchfluss durch Komponenten, die in Reihe geschaltet sind, relativ konstant bleibt, kann angenommen werden, dass der Mengendurchfluss durch jede/n von der Eintrittsöffnung 200, dem Reiniger 202, dem Verdichter 204 und dem Ladeluftkühler 206 zusammen mit allen Rohren stromaufwärts von einer Durchflussteilung 226 gleich dem Mengendurchfluss ist, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird.
In Block 508, der ein Unterblock von Block 506 sein kann, kann die ECU 102 die Mengendurchfluss- oder andere Durchflusswerte des Gases an den Bypass-Abzweig 210, basierend auf einem vorhergehenden Bypass-Druckwert berechnen. Die ECU 102 kann die Durchfluss- und Druckwerte an jeder der Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 während jedes zeitlichen Schritts berechnen. Zum Beispiel kann jeder zeitliche Schritt 0,04 Sekunden, 0,08 Sekunden, 0,16 Sekunden oder dergleichen sein.
Da die ECU 102 einen Druck des Fluids durch den Bypass-Abzweig 210 zuvor berechnet hat, kann die ECU einen zuvor berechneten Bypass-Druckwert verwenden, der während eines vorherigen zeitlichen Schritts berechnet wurde, um den aktuellen Durchfluss durch den Bypass-Abzweig 210 zu berechnen. Zum Beispiel kann die ECU eine oder mehrere von Gleichung 1, 2, 3 oder 4 verwenden, die im Folgenden dargelegt werden, um den aktuellen Durchfluss durch den Bypass-Abzweig unter Verwendung des zuvor berechneten Bypass-Druckwerts als den Druckwert zu berechnen. Während einer ersten Iteration des Verfahrens 500 kann die ECU 102 den aktuellen Durchflusswert basierend auf einem zuvor zugewiesenen Anfangsdruckwert berechnen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 auch oder stattdessen den aktuellen Durchflusswert durch den Brennstoffzellenstapel 208 basierend auf zuvor bestimmten Brennstoffzellen-Druckwerten berechnen.
In einigen Situationen kann das Bypass-Ventil 212 geschlossen sein, wodurch es einen Luftstrom durch den Bypass-Abzweig 210 einschränkt. In derartigen Situationen kann die ECU 102 annehmen, dass der Mengendurchfluss durch den Brennstoffzellenstapel 208 gleich dem Mengendurchfluss ist, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird.
Die ECU 102 kann annehmen, dass eine Summe des Durchflusses durch den Bypass-Abzweig 210 und durch den Brennstoffzellenstapel 208 gleich dem Mengendurchfluss ist, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 den aktuellen Durchflusswert durch den Brennstoffzellenstapel 208 durch Subtrahieren des Durchflusses durch den Bypass-Abzweig 210 von dem Mengendurchfluss, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird, berechnen.
In Block 510 kann die ECU 102 einen Strombetrag berechnen oder empfangen, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird. Zum Beispiel können ein oder mehrere Sensoren (nicht gezeigt) mit dem Brennstoffzellenstapel 208 gekoppelt sein und den Stromausgangspegel detektieren. Als ein weiteres Beispiel kann die ECU 102 eine Logik zum Berechnen des Strombetrags, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird, basierend auf verschiedenen Eingängen, wie etwa einem Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel 208, einer Leistungsanforderung des Brennstoffzellenstapels 208 oder dergleichen, aufweisen.
In Block 512 kann die ECU 102 einen molaren Anteil des Gases an dem Brennstoffzellenstapel 208 basierend auf der Stromausgabe durch den Brennstoffzellenstapel 208 bestimmen oder berechnen. Der molare Anteil entspricht einem Verhältnis oder einem Anteil, das/der angibt, wie viel von einer Komponente sich in dem Gas befindet. Zum Beispiel, wenn das Gas Luft ist, kann der molare Anteil einen Anteil an Sauerstoff in der Luft, einen Anteil an Stickstoff in der Luft und dergleichen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 annehmen, dass das Gas, das in den Brennstoffzellenstapel 208 fließt, eine Standardluft ist und etwa 21 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff aufweist. Die ECU 102 kann dann eine oder mehrere Gleichung(en) oder Nachschlagtabelle(n) verwenden, um einen Sauerstoffbetrag zu berechnen, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 verbraucht wird, um einen Wasserstoffbetrag zu berechnen, der durch eine Membran des Brennstoffzellenstapels 208 gelangt, und um einen Flüssigwasser- und/oder Wasserdampfbetrag zu berechnen, der in einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 208 geschaffen wird. Zum Beispiel kann der Flüssigwasser- und/oder Wasserdampfbetrag, der in der Kathode geschaffen wird, eine Funktion einer Anforderung von elektrischem Strom sein, die von dem Brennstoffzellenstapel 208 gestellt wird. Basierend auf den Ergebnissen der Nachschlagtabellen/Gleichungen kann die ECU 102 den molaren Anteil des Gases berechnen, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird.
Da der Brennstoffzellenstapel 208 Wasser zusätzlich zu dem übrig gebliebenen Gas ausgibt, kann die ECU 102 annehmen, dass der Mengendurchfluss des Gases, das in den Brennstoffzellenstapel 208 fließt, der gleiche ist wie der Mengendurchfluss des Gases, das aus dem Brennstoffzellenstapel 208 fließt, unabhängig von dem Verbrauch des Sauerstoffs durch den Brennstoffzellenstapel 208.
Der Verbrauch des Sauerstoffs durch den Brennstoffzellenstapel 208 kann jedoch dazu führen, dass das Gas, das durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgeben wird, eine andere Viskosität aufweist als das Gas, das durch den Brennstoffzellenstapel 208 aufgenommen wird. In dieser Hinsicht und bezugnehmend auf Block 514 kann die ECU 102 eine Gleichung oder Nachschlagtabelle verwenden, um eine Viskosität des Gases zu bestimmen, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, basierend auf dem berechneten molaren Anteil. Wie im Folgenden dargelegt wird, beeinflusst die Viskosität des Gases die Reynolds-Zahl, die verwendet wird, um den Druck des Gases an Stellen im gesamten Brennstoffzellenkreislauf 118 zu bestimmen.
In Block 516 kann die ECU eine Reynolds-Zahl des Gases, das jede Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 durchfließt, bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Gleichung ähnlich zu Gleichung 1 im Folgenden verwenden, um die Reynolds-Zahl zu bestimmen. $R e = \frac{\dot{m} D}{A μ}$
In Gleichung 1 stellt Re die Reynolds-Zahl dar, ṁ stellt den Mengendurchfluss dar, der in Block 506 und 508 bestimmt wurde, D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann (einschließlich den Aktuatoren und Rohren 220), A stellt einen Querschnittsbereich der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann, und µ stellt die dynamische Viskosität dar, die in Block 514 berechnet wurde. D und A sind beides bekannte Werte für jede Komponente und können in einem Speicher gespeichert werden.
In Block 518 kann die ECU 102 die laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases durch jede der Komponenten basierend auf der Reynolds-Zahl berechnen. Zum Beispiel können die Durchflusswerte als Darcy-Reibungsfaktorwerte bereitgestellt werden. Die ECU 102 kann bestimmen, ob der Durchfluss durch jede Komponente ein laminarer Durchfluss, ein turbulenter Durchfluss oder ein gemischter Durchfluss (d. h eine Kombination aus laminarem und turbulentem Durchfluss) ist, basierend auf der Reynolds-Zahl. Zum Beispiel, wenn die Reynolds-Zahl größer ist als eine obere Durchflussschwelle, ist der Durchfluss turbulent, das heißt, dass der Durchfluss durch chaotische Änderungen von Druck und Durchflussgeschwindigkeit gekennzeichnet sein kann. Wenn die Reynolds-Zahl kleiner ist als eine untere Durchflussschwelle, ist der Durchfluss laminar, das heißt, dass das Gas in parallelen Schichten mit wenig oder keiner Unterbrechung zwischen den Schichten fließt. Wenn die Reynolds-Zahl zwischen der unteren Durchflussschwelle und der oberen Durchflussschwelle liegt, weist der Durchfluss Eigenschaften von sowohl laminarem Durchfluss als auch turbulentem Durchfluss auf und wird als gemischter Durchfluss betrachtet. Die obere Durchflussschwelle ist ein Schwellenwert, der angibt, ob der Durchfluss rein turbulent ist (ein Durchfluss ist rein turbulent, wenn die entsprechende Reynolds-Zahl größer ist als die obere Durchflussschwelle). Die untere Durchflussschwelle ist ein Schwellenwert, der angibt, ob der Durchfluss rein laminar ist (ein Durchfluss ist rein laminar, wenn die entsprechende Reynolds-Zahl kleiner ist als die untere Durchflussschwelle).
Nach einem Bestimmen, ob der Durchfluss laminar, turbulent oder gemischt ist, kann die ECU 102 den Durchflusswert unter Verwendung von Gleichung 2 und 3 im Folgenden berechnen. Gleichung 2 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss turbulent ist, Gleichung 3 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss laminar ist, und Gleichung 2 und 3 sind zu verwenden, wenn der Durchfluss gemischt ist. $f = \frac{(1)}{{[- 1.8 {log}_{10} (\frac{6.9}{R e} + {(\frac{R o u g h n e s s}{3.7 D})}^{1.11})]}^{2}}$
In Gleichung 2 stellt f einen Darcy-Reibungsfaktor für den entsprechenden Typ von Durchfluss (d. h. turbulent) dar. Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die in Block 516 berechnet wurde. Roughness entspricht einer Rauigkeit des Materials, welches das Gas durchfließt, und ist eine bekannte Eigenschaft des Materials. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann (einschließlich den Aktuatoren und Rohren 220). $f = \frac{64}{R e}$
In Gleichung 3 stellt f den Darcy-Reibungsfaktor für den entsprechenden Typ von Durchfluss (d. h. laminar) dar und Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die in Block 516 berechnet wurde.
Wenn die Reynolds-Zahl angibt, dass der Durchfluss ein gemischter Durchfluss ist, kann die ECU 102 den Wert des Durchflusses unter Verwendung einer linearen Interpolation zwischen dem Darcy-Reibungsfaktor für den laminaren Durchfluss und dem Darcy-Reibungsfaktor für den turbulenten Durchfluss berechnen (d. h. die Ergebnisse von Gleichung 2 und 3). Die Interpolation kann auf der Stelle der Reynolds-Zahl zwischen der oberen Durchflussschwelle und der unteren Durchflussschwelle basieren. Zum Beispiel kann dem Darcy-Reibungsfaktor für den turbulenten Durchfluss mehr Gewicht bereitgestellt werden, während die Interpolation der Reynolds-Zahl näher zu der oberen Durchflussschwelle ist als zu der unteren Durchflussschwelle. Um ein weiteres Beispiel zu nennen, wenn die Reynolds-Zahl direkt zwischen der oberen Durchflussschwelle und der unteren Durchflussschwelle liegt, würde der Darcy-Reibungsfaktor für den gesamten Durchfluss gleich einem Durchschnitt des Darcy-Reibungsfaktors für den laminaren Durchfluss und des Darcy-Reibungsfaktors für den turbulenten Durchfluss sein.
In Block 520 kann die ECU 102 Druckwerte an einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung jeder der Komponenten berechnen, einschließlich den Rohren 220, basierend auf den laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerten. Insbesondere, wenn der Durchfluss rein laminar oder rein turbulent ist, kann die ECU 102 Druckwerte unter Verwendung von Gleichung 4 im Folgenden berechnen. $Δ P = \frac{{\dot{m}}^{2} (L + L e) R T_{u p f}}{2 D A^{2} P_{u p}}$
In Gleichung 4 stellt ΔP einen Druckabfall über die Komponente dar, der einer Differenz zwischen einem Druck an der Eintrittsöffnung der Komponente und an der Austrittsöffnung der Komponente entspricht. L stellt eine Länge der Komponente dar, die das Gas durchfließt. Le stellt eine äquivalente Länge der Komponente dar, die das Gas durchfließt. R stellt eine spezifische Gaskomponente des Gases dar und weist Werte von $\frac{J o u l e s}{m o l \times K e l v i n} auf .$
auf. T_up stellt eine Temperatur des Gases an einer Hochdruckseite der Komponente dar (d. h. einer Seite der Komponente, die einen höheren Druck erfährt oder aktuell erfährt als die andere Seite). f stellt den Darcy-Reibungsfaktor des Durchflusses dar, der in Block 518 berechnet wurde. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann, und A stellt einen Querschnittsbereich des Abschnitts der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann. P_up stellt einen Druck des Gases an der Hochdruckseite der Komponente dar.
Wenn der Durchfluss ein gemischter Durchfluss ist, kann die ECU 102 die Druckwerte unter Verwendung von Gleichung 5 im Folgenden berechnen. $Δ P = \frac{R e_{t u r b} - R e}{R e_{t u r b} - R e_{l a m}} (\frac{{\dot{m}}^{2} (L + L e) R T_{u p}}{f 2 D | A^{2} P_{u p}}) + \frac{R e - R e_{l a m}}{R e_{t u r b} - R e_{l a m}} (\frac{32 \dot{m} μ (L + L e) R T_{u p}}{A D^{2} P_{u p}})$
In Gleichung 5 stellt ΔP einen Druckabfall über die Komponente dar, der einer Differenz zwischen einem Druck an der Eintrittsöffnung der Komponente und an der Austrittsöffnung der Komponente entspricht. Re_turb stellt die obere Durchflussschwelle dar, und Re_lam stellt die untere Durchflussschwelle dar, die beide zuvor unter Bezugnahme auf Block 518 dargelegt wurden. Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die in Block 516 berechnet wurde. ṁ Stellt den Mengendurchfluss dar, der in Block 506 und 508 bestimmt wurde. L stellt eine Länge der Komponente dar, die das Gas durchfließt. Le stellt eine äquivalente Länge der Komponente dar, die das Gas durchfließt. R stellt eine spezifische Gaskomponente des Gases dar und weist Werte von $\frac{J o u l e s}{m o l \times K e l v i n}$
auf. T_up stellt eine Temperatur des Gases an einer Hochdruckseite der Komponente dar. f stellt den Durchflusswert dar, der in Block 518 berechnet wurde. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann, und A stellt einen Querschnittsbereich des Abschnitts der Komponente dar, die das Gas durchfließen kann. P_up stellt einen Druck des Gases an der Hochdruckseite der Komponente dar.
Gleichung 4 und 5, die zuvor dargelegt wurden, stellen Druckabfälle bereit, jedoch keine spezifischen Druckwerte an den Einlässen und Auslässen der Komponenten. Die ECU 102 kann jedoch die spezifischen Druckwerte basierend auf den berechneten Druckabfällen, dem Druck, der durch den Drucksensor 218 detektiert wird, und durch Annehmen, dass der Druck an einer Eintrittsöffnung 232 der Eintrittsöffnung 200 und der Austrittsöffnung 234 des Ventils 212, 214 gleich einem Umgebungsdruck ist, berechnen oder bestimmen.
Zum Beispiel kann die ECU 102, um den Druck des Gases an einer Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204 und einer Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 herauszufinden, erst den Druckabfall an der Eintrittsöffnung 200, dem ersten Rohr 222, dem Reiniger 202 und dem zweiten Rohr 224 bestimmen. Die ECU 102 kann dann den Druckabfall an der Eintrittsöffnung 200 von dem Umgebungsdruck subtrahieren oder dazu addieren, um den Druck an der Austrittsöffnung 236 der Eintrittsöffnung 200 zu bestimmen. Die ECU kann auf diese Weise fortfahren, um den Eintritts- und Austrittsdruck des ersten Rohrs 222, des Reinigers 202 und des zweiten Rohrs 224 zu bestimmen, bis der Druck an der Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204 bekannt ist.
Die ECU 102 kann dann den Druckabfall in einem dritten Rohr 238, dem Ladeluftkühler 206 und einem vierten Rohr 240 bestimmen. Die ECU 102 kann dann den Druckabfall in dem vierten Rohr 240 von dem Druck, der durch den Drucksensor 218 detektiert wird, subtrahieren oder dazu addieren, um den Druck an einer Eintrittsöffnung 242 des Ladeluftkühlers 206 zu bestimmen. Die ECU 102 kann auf diese Weise fortfahren, bis der Druck an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 gefunden ist.
Die ECU 102 kann eine ähnliche Strategie verfolgen, um die absoluten Druckwerte an der Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung des Brennstoffzellenstapels 208, den Ventilen 212, 214 und den Rohren dazwischen zu bestimmen.
In Block 522 kann die ECU einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer umsetzen, um eine Änderungsgeschwindigkeit der berechneten Werte zu begrenzen. Das Gas innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs 118 kann einer dynamischen Verdichtbarkeit unterliegen, und daher können Verzögerungen zwischen den Komponenten auftreten. Da die Gleichungen verwendet werden, um Werte basierend auf einer Annahme zu berechnen, dass eine dynamische Verdichtbarkeit keinen Einfluss auf die Durchfluss- und Druckwerte hat, können die berechneten Werte gelegentlich von den gemessenen Werten abweichen. In dieser Hinsicht kann der Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer für derartige Verzögerungen verantwortlich sein. Zum Beispiel kann der Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer eine Änderungsgeschwindigkeit des Drucks an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 auf eine spezifische Änderungsgeschwindigkeit begrenzen, da es zwischen dem Verdichter 204 zu einiger Verzögerung kommt, der damit beginnt, die Luft zu verdichten, und der Druck an der Austrittsöffnung 230 den spezifischen Wert erreicht.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 6A und 6B kann ein Verfahren 600 verwendet werden, um die Funktionen der Verlaufsteuerung 412 der ECU 102 durchzuführen. Das Verfahren 600 kann von verschiedenen Komponenten des Systems 101 durchgeführt werden, wie etwa der ECU 102, dem Speicher 104 von 1 und dergleichen.
In Block 602 können mehrere Kennfelder in einem Speicher gespeichert sein. Die Kennfelder können ein Drehzahlkennfeld, Verdichterdurchflusskennfeld er, Verdichterdruckverhältniskennfelder, Brennstoffzellendurchflussratenkennfelder und Verdichterdrehmomentkennfelder aufweisen.
Kurz bezugnehmend auf 7 ist ein Drehzahlkennfeld 700 gezeigt. Das Drehzahlkennfeld 700 entspricht dem Verdichter des Brennstoffzellenkreislaufs und weist eine X-Achse, die einem Mengendurchfluss durch den Verdichter entspricht, eine Y-Achse, die einem Druckverhältnis in dem Verdichter entspricht, und mehrere Drehzahllinien 702, die unterschiedlichen Drehzahlen (wie etwa Winkelgeschwindigkeit) des Verdichters entsprechen, auf. Erwünschte Zustandsveränderungen des Verdichters können auf dem Drehzahlkennfeld 700 aufgezeigt werden. Wie zu sehen ist, ist ein Startzustand in einem Startzustand 704 gezeigt und ein Sollendzustand ist in einem Sollendzustand 706 gezeigt. Während sich der Verdichter von dem Startzustand 704 zu dem Sollendzustand 706 bewegt, reduzieren sich alle drei Werte von Druckverhältnis, Mengendurchfluss und Verdichterdrehzahl.
Das Drehzahlkennfeld 700 weist ferner einen Pumpbereich 710 und einen Abrissbereich 712 auf. Es ist nicht erwünscht für einen aktuellen Zustand des Verdichters, in den Pumpbereich 710 oder den Abrissbereich 712 zu fallen. In dieser Hinsicht kann es erwünscht sein, die Zustandsveränderungen des Verdichters derart zu steuern, dass ein aktueller Zustand innerhalb eines akzeptablen Bereichs 714 bleibt.
Das Drehzahlkennfeld 700 kann zwei oder mehr Verläufe aufweisen, einschließlich einen Pumpverlauf 716, einen Abrissverlauf 718 und einen mittleren Verlauf 720. Jeder der Verläufe 716, 718, 720 erstreckt sich von einem 0-Drehzahlzustand 722 zu einer maximalen Drehzahllinie 724 und kann jeweils einen erwünschten Zustandsverlauf des Verdichters darstellen.
Wieder unter Bezugnahme auf 6A kann die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate oder das Verdichterdrehmoment als ein Führungs- oder Referenzzustand bezeichnet werden. Der Referenzzustand kann basierend auf einer Wichtigkeit des Zustands für das System oder einer Wichtigkeit des Zustands für einen Schutz der Hardware ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Referenzzustand ein Verdichterluftstrom sein. Die übrigen Zustände können jeweils folgende Zustände sein, was bedeutet, dass ihr Verlauf basierend auf dem Führungs-Zustand definiert ist.
Bezugnehmend auf 7 und 8 ist ein Beispielsatz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 gezeigt. Der Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 kann ein Pumpverdichterdurchflusskennfeld 802 entsprechend dem Pumpverlauf 716, ein mittleres Verdichterdurchflusskennfeld 804 entsprechend dem mittleren Verlauf 720 und ein Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806 entsprechend dem Abrissverlauf 718 aufweisen. Jedes der Verdichterdurchflusskennfelder 800, die in 8 gezeigt sind, entspricht Situationen, in denen das Druckverhältnis, der Mengendurchfluss und die Verdichterdrehzahl zur Abnahme ausgelegt sind. Der Speicher kann einen zusätzlichen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldem speichern, die Situationen entsprechen, in denen das Druckverhältnis, der Mengendurchfluss und die Verdichterdrehzahl zum Anstieg ausgelegt sind. In dieser Hinsicht kann die ECU den Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 auswählen, wenn die Verdichterdrehzahl zur Abnahme ausgelegt ist, und sie kann einen alternativen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern auswählen, wenn die Verdichterdrehzahl zum Anstieg ausgelegt ist.
Wenn sich ein Startzustand auf einem von dem Pumpverlauf 716, dem mittleren Verlauf 720 oder dem Abrissverlauf 718 befindet, kann die ECU das entsprechende Verdichterdurchflusskennfeld auswählen. Zum Beispiel, wenn der Startzustand auf dem mittleren Verlauf 720 ist, kann die ECU das mittlere Verdichterdurchflusskennfeld 804 auswählen, um die Verdichterdurchflussrate zu regeln.
Der Speicher kann ähnliche Sätze von Kennfeldern für jedes/n von dem Verdichterdruckverhältnis, der Brennstoffzellendurchflussrate und dem Verdichterdrehmoment speichern.
Wie zu sehen ist, ist jedes der Verdichterdurchflusskennfelder 800 normalisiert, mit normalisierten Y-Achswerten von 0 bis 1 entsprechend einem normalisierten Referenzverlauf (NRP oder normalisierter Referenzzustandswert). In dieser Hinsicht können die Kennfelder 800 einen erwünschten Verlauf des Verdichterluftstromzustands von einem beliebigen Startzustand (der 0 entspricht) zu einem beliebigen Sollendzustand (der 1 entspricht) bereitstellen. Da der Verdichterluftstromzustand der „Führungs“-Zustand ist, entspricht die X-Achse der Verdichterdurchflusskennfelder 800 der Zeit.
Kurz bezugnehmend auf 9, ist ein beispielhaftes Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 gezeigt. Der Brennstoffzellendurchflusszustand ist ein Folgezustand, das bedeutet, dass er ein Verlauf ist, der auf einem Vollständigkeitsprozentsatz des Verdichterluftstroms basiert. Wie zu sehen ist, weist die Y-Achse des Brennstoffzellendurchflussratenkennfelds 902 normalisierte Werte von 0 bis 1 entsprechend einem normalisierten Folgeverlauf (NFP oder normalisierten Folgezustandswert) auf. Da der Brennstoffzellendurchflusszustand ein Folgezustand ist, entspricht jedoch die X-Achse des Brennstoffzellendurchflussratenkennfelds 902 dem normalisierten Referenzverlauf (NRP) des Verdichterluftstroms. In dieser Hinsicht wird ein Verlauf der Brennstoffzellendurchflussrate basierend auf dem normalisierten Referenzverlauf gesteuert.
Wieder unter Bezugnahme auf 4, 6A und 6B und in Block 604 kann die ECU 102 Endsollwerte für jedes/n von eine Verdichterdurchflussrate, einem Verdichterdruckverhältnis, einer Brennstoffzellendurchflussrate und einem Verdichterdrehmoment bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel können die Endsollwerte von dem Zustandsvermittler 400 empfangen werden. Die Endsollwerte können basierend auf einer Leistungsanforderung des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden, die einer Fahrereingabe entsprechen kann, wie etwa Niederdrücken eines Beschleunigungspedals, oder die einer Steuerung durch die ECU 102 in autonomen oder halbautonomen Fahrzeugen entspricht.
In Block 606 kann die ECU 102 Start- oder aktuelle Werte für jedes/n von der Verdichterdurchflussrate, dem Verdichterdruckverhältnis, der Brennstoffzellendurchflussrate und dem Verdichterdrehmoment bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 die aktuellen Werte basierend auf einem oder mehreren der geschätzten Werte 410 von dem Zustandsschätzer 406 oder von den Aktuator-Steuersignalen 418 von der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 bestimmen.
In Block 608 kann die ECU 102 einen ersten Satz von Kennfeldern für jeden/s von der Verdichterdurchflussrate, Verdichterdruckverhältnis, Brennstoffzellendurchflussrate und Verdichterdrehmoment auswählen, wenn die Endsollwerte größer sind als die Start- oder aktuellen Werte, und sie kann einen zweiten Satz von Kennfeldern auswählen, wenn die Endsollwerte kleiner sind als die Start- oder aktuellen Werte. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 7 und 8 kann die ECU den Satz von Kennfeldern 800 auswählen, da der Endsollzustand 706 kleiner ist als der Startzustand 704. In Situationen, in denen ein Endsollzustand größer ist als ein Startzustand, kann die ECU einen alternativen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern auswählen.
Wieder unter Bezugnahme auf 4, 6A und 6B kann die ECU 102 einen normalisierten Verdichterdurchflusswert durch Interpolieren des aktuellen Verdichterdurchflusses zwischen einem ersten Verlauf und einem zweiten Verlauf auf dem Drehzahlkennfeld interpolieren. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 7 kann die ECU den normalisierten Verdichterdurchflusswert durch Interpolieren des aktuellen Verdichterdurchflusses des Startzustands 704 zwischen dem Abrissverlauf 718 und dem mittleren Verlauf 720 bestimmen, da diese zwei Verläufe am nächsten zu dem Startzustand 704 sind.
Wieder unter Bezugnahme auf 4, 6A und 6B kann die ECU 102 interpolierte Kennfelder für die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment basierend auf dem normalisierten Verdichterdurchflusswert erstellen. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 7 und 8 kann der normalisierte Verdichterdurchflusswert angeben, dass 75 % des Steuerungsverlaufs (oder interpolierten Verlaufs) auf dem Abrissverlauf 718 basieren sollten, und 25 % des Steuerungsverlaufs auf dem mittleren Verlauf 720 basieren sollten.
Basierend auf dieser Bestimmung kann die ECU 102 ein interpoliertes Verdichterdurchflusskennfeld 810 durch Interpolieren zwischen dem mittleren Verdichterdurchflusskennfeld 804 und dem Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806 basierend auf dem Verdichterdurchflusswert erstellen. In dieser Hinsicht kann das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 durch Kombinieren des Verdichterabrissdurchflusskennfelds 806 mit dem mittleren Verdichterdurchflusskennfeld 804 und durch Gewichten des Verdichterabrissdurchflusskennfelds 806 mit 75 % und des mittleren Verdichterdurchflusskennfelds 804 mit 25 % erstellt werden. Das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 kann einen erwünschten Verlauf des Verdichterdurchflusses basierend auf dem spezifischen Startzustand 704 angeben. Die ECU 102 kann ähnlich interpolierte Kennfelder für jedes/n von dem Verdichterdruckverhältnis, der Brennstoffzellendurchflussrate und dem Verdichterdrehmoment erstellen.
Wieder unter Bezugnahme auf 4, 6A und 6B kann die ECU 102 eine Zwischensoll-Verdichterdurchflussrate unter Verwendung des interpolierten Verdichterdurchflusskennfelds zusammen mit Gleichung 6 im Folgenden bestimmen. Die ECU kann die Zwischensoll-Verdichterdurchflussrate ferner basierend auf einem Betrag der Zeit bestimmen, die abgelaufen ist, seit die Sollend-Verdichterdurchflussrate in Block 604 bestimmt oder empfangen wurde.
Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 4, 6A, 6B und 8 kann die ECU 102 zuerst den Betrag der Zeit identifizieren, die abgelaufen ist, seit die Sollend-Verdichterdurchflussrate bestimmt wurde, und dann den entsprechenden Ort auf des interpolierten Verdichterdurchflusskennfelds 810 lokalisieren. Zum Beispiel kann die ECU 102 identifizieren, dass 0,2 Sekunden abgelaufen sind, und kann daher bestimmen, dass der normalisierte Referenzverlaufswert, der 0,2 Sekunden entspricht, 0,2 beträgt.
Die ECU 102 kann dann den normalisierten Referenzverlaufswert von 0,2 in Gleichung 6 im Folgenden verwenden, um die Zwischensoll-Verdichterdurchflussrate zu bestimmen. $I n t_t g t_c o m p_f l o w = s t a r t + (t a r g e t - s t a r t) * N R P$
In Gleichung 6 stellt Int_tgt_comp_f low die Zwischensoll-Verdichterdurchflussrate dar. start entspricht dem Startverdichterdurchfluss, der in Block 606 bestimmt wurde, und target entspricht der Sollend-Verdichterdurchflussrate, die in Block 604 bestimmt wurde. NRP stellt den normalisierten Referenzverlaufswert dar.
Wieder unter Bezugnahme auf 4, 6A und 6B und in Block 616 kann die ECU 102 einen Vollständigkeitsprozentsatz des Verdichterdurchflusses von dem Startverdichterdurchfluss bis zu der Sollend-Verdichterdurchflussrate bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann der Vollständigkeitsprozentsatz dem normalisierten Referenzverlaufswert entsprechen oder gleich diesem sein. In dieser Hinsicht kann der Vollständigkeitsprozentsatz innerhalb von Block 614 anstelle von oder zusätzlich zu Block 616 identifiziert oder bestimmt werden.
In Block 618 kann die ECU 102 Zwischensollwerte für die Folgezustände basierend auf den entsprechenden interpolierten Kennfeldern, den Startwerten, den angestrebten Werten und dem Vollständigkeitsprozentsatz bestimmen.
Wieder bezugnehmend auf 9 ist das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 als das Referenz- oder Führungs-Zustandskennfeld gezeigt. Das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 kann ebenso ein interpoliertes Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 sein, und es kann ein Folgezustandskennfeld sein. Des Weiteren ist das interpolierte Verdichterdruckverhältniskennfeld 904 auch als ein Folgezustandskennfeld gezeigt. Obwohl eine Verdichterbeschleunigung nicht gezeigt ist, kann sie auch als ein Folgezustand betrachtet werden und ein oder mehrere entsprechende Verdichterbeschleunigungsskennfelder aufweisen.
Wie zu sehen ist, zeigten sowohl das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 als auch das Verdichterdruckverhältniskennfeld 904 normalisierte Folgeverlaufswerte (die Y-Achse) basierend auf dem normalisierten Referenzverlauf des Verdichterdurchflusses (die X-Achse). Zum Beispiel kann nach 0,2 Sekunden der normalisierte Referenzverlauf, welcher der Verdichterdurchflussrate (d. h. dem Vollständigkeitsprozentsatz) entspricht, einen Wert von 0,2 haben (d. h. eine Vollständigkeit von 20 % angeben). Um eine Zwischensoll-Brennstoffzellendurchflussrate zu bestimmen, kann die ECU 102 zuerst den normalisierten Referenzverlaufswert 0,2 auf das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 anwenden, was einen Wert eines normalisierten Folgeverlaufs (NFP) von etwa 0,75 bereitstellt.
Die ECU 102 kann dann den Start-Brennstoffzellendurchflussratenwert, den Sollend-Brennstoffzellendurchflussratenwert und den normalisierten Folgeverlauf von dem Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 auf Gleichung 7 im Folgenden anwenden. $I n t_t g t_c o m p_f l o w = s t a r t + (t a r g e t - s t a r t) * N R P$
Wieder unter Bezugnahme auf 6A und 6B und in Gleichung 7 stellt Int_tgt_fc_flow die Zwischensoll-Brennstoffzellendurchflussrate dar. start entspricht der Start-Brennstoffzellendurchflussrate, die in Block 606 bestimmt wurde, und target entspricht der Sollwert-Brennstoffzellendurchflussrate, die in Block 604 bestimmt wurde. NFP stellt den normalisierten Folgeverlaufswert der Brennstoffzellendurchflussrate dar.
In Block 620 kann die ECU 102 die Aktuatoren des Brennstoffzellenkreislaufs (einschließlich des Verdichters und der Ventile) basierend auf den Zwischensollwerten steuern. Zum Beispiel kann die ECU 102 mindestens einen/s von dem Verdichter, dem Bypass-Ventil oder dem Drosselventil basierend auf den Zwischensollwerten für die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, der Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment steuern.
In Block 622 kann die ECU 102 fortfahren, Zwischensollwerte zu bestimmen und die Aktuatoren zu steuern, um die Zwischensollwerte zu erreichen, bis die Zwischensollwerte gleich den Sollendwerten sind oder neue Sollendwerte bestimmt oder empfangen werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Verdichterbeschleunigung ein zusätzlicher Folgezustand sein, so dass die ECU 102 Zwischensollwerte für die Verdichterbeschleunigung basierend auf interpolierten Kennfeldern, einem Startwert, einem angestrebten Wert und dem Vollständigkeitsprozentsatz bestimmen kann. Die Beschleunigungsrate kann als eine gewünschte Beschleunigungsrate des Verdichters, als ein gewünschtes Beschleunigungsmoment des Verdichters oder beides bereitgestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufsteuerung 412 von 2 die gewünschte Beschleunigung unter Verwendung eines Verfahrens bestimmen, das nicht die gewünschte Beschleunigung als einen Folgezustand einstellt.
Nun ist bezugnehmend auf 10 ein beispielhafter Einsatz des Verfahrens 600 von 6A und 6B gezeigt. 10 stellt das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810, das interpolierte Druckverhältniskennfeld 904 und Kurvenbilder 1006 dar, welche die Zwischensoll-Druckverhältniswerte zu 3 unterschiedlichen Zeitpunkten aufzeigen. Eine erste Zeile 1000 stellt den Status bei 0 Sekunden dar, eine zweite Zeile 1002 stellt den Status bei 0,3 Sekunden dar, und eine dritte Zeile 1004 stellt den Status bei 0,6 Sekunden dar.
Wie in der ersten Zeile 1000 zu sehen ist, beträgt der normalisierte Referenzverlauf auf dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld 810 0, da die Zeit gleich 0 ist. Folglich beträgt der normalisierte Folgeverlauf des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 auch 0, da der normalisierte Referenzverlauf 0 beträgt. Daher erzielt ein Einsetzen dieser Werte in Gleichung 7 einen Zwischensollwert von etwa 2,8, der dem Startwert entspricht (da der normalisierte Folgeverlaufswert 0 beträgt, der Ausdruck (target - start) * NFP auch 0 ist, wodurch das Ergebnis von Gleichung 7 start bleibt).
Wie in der zweiten Zeile 1002 zu sehen ist, beträgt der normalisierte Referenzverlauf auf dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld 810 etwa 0,4, was durch Anwenden von 0,3 Sekunden auf das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 bestimmt wird. Folglich ist der normalisierte Folgeverlauf des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 gleich etwa 0,65, was dem normalisierten Referenzverlaufswert von 0,4 entspricht. Daher erzielt ein Einsetzen dieser Werte in Gleichung 7 einen Druckverhältnis-Zwischenwert von etwa 1,3.
Wie in der dritten Zeile 1004 zu sehen ist, beträgt der normalisierte Referenzverlauf auf dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld 810 1, was durch Anwenden von 0,6 Sekunden auf das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 bestimmt wird. Folglich ist der normalisierte Folgeverlauf des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 gleich 1, was dem normalisierten Referenzverlaufswert von 1 entspricht. Daher erzielt ein Einsetzen dieser Werte in Gleichung 7 einen Druckverhältnis-Zwischenwert von 1. Folglich kann das Verfahren 600 von 6A und 6B beendet oder neugestartet werden, da der Druckverhältnis-Zwischenwert gleich dem angestrebten Duckverhältnis-Endwert ist.
Nun bezugnehmend auf 2, 4 und 11 kann ein Verfahren 1100 durch die ECU 102, wie etwa durch die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, durchgeführt werden, um eine Vorwärtsregelung entweder des Drosselventils 214 oder des Bypass-Ventils 212 durchzuführen. In dieser Hinsicht kann eine erste Instanz von Verfahren 1100 verwendet werden, um eine Vorwärtsregelung des Drosselventils 214 durchzuführen, und eine zweite Instanz des Verfahrens 1100 kann verwendet werden, um eine Vorwärtsregelung des Bypass-Ventils 212 durchzuführen.
In Block 1102 kann die ECU 102 einen gewünschten Druck des Gases innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel kann der gewünschte Druck einem gewünschten Druck an einer Eintrittsöffnung 244 oder einer Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208, an der Eintrittsöffnung 228 oder der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 oder dergleichen entsprechen. Zum Beispiel kann der gewünschte Druck durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden, oder er kann auf dem Steuersignal 402 basieren.
In Block 1104 kann die ECU 102 einen gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch ein entsprechendes Ventil (entweder das Drosselventil 214 oder das Bypass-Ventil 212) basierend auf dem gewünschten Druck des Gases bestimmen, der in Block 1102 bestimmt oder empfangen wurde. Zum Beispiel kann der gewünschte Druck einem gewünschten Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 entsprechen. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 einen gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch das Drosselventil 214 berechnen, der dazu führt, dass der Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 den gewünschten Druck erreicht. Zum Beispiel kann die ECU 102 den gewünschten Mengendurchfluss unter Verwendung einer Gleichung bestimmen, die Gleichung 4, die zuvor dargelegt wurde, ähnelt.
In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufsteuerung 412 den gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch das Ventil bestimmen. Der gewünschte Mengendurchfluss kann einem Zwischensoll-Mengendurchfluss entsprechen, der durch die Verlaufsteuerung 412 bestimmt wird. Zum Beispiel kann die Verlaufsteuerung 412 gewünschte Druckwerte und gewünschte Mengendurchflusswerte des Gases durch die Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 (wie etwa das Bypass-Ventil 212 und das Drosselventil 214) vorgeben oder bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen kann der Zustandsschätzer 406 dann die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 berechnen oder bestimmen, die aktuell unbekannt sind, und die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente berechnen oder bestimmen, wenn das System den Zielzustand erreicht. Zum Beispiel kann der Zustandsschätzer 406 die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente berechnen oder bestimmen, wenn das entsprechende Ventil auf den gewünschten Mengendurchfluss eingestellt ist.
In Block 1106 kann die ECU 102 eine aktuelle Reynolds-Zahl entsprechend dem Gas, welches das Ventil durchfließt, bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 die aktuelle Reynolds-Zahl unter Verwendung einer Gleichung bestimmen, die Gleichung 1, die zuvor dargelegt wurde, ähnelt.
In Block 1108 kann die ECU 102 einen aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchfluss bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 den aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchfluss basierend auf der Reynolds-Zahl bestimmen. Anfangs kann die ECU 102 bestimmen, ob der Durchfluss durch das Ventil laminar, subsonisch oder gedrosselt ist. Wenn die Reynolds-Zahl innerhalb eines ersten Bereichs von Werten liegt, kann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss laminar ist. Wenn die Reynolds-Zahl innerhalb eines zweiten Bereichs von Werten liegt, kann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss subsonisch ist. Wenn die Reynolds-Zahl innerhalb eines dritten Bereichs von Werten liegt, kann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss gedrosselt ist.
Nach einem Bestimmen, dass der Durchfluss laminar, subsonisch oder gedrosselt ist, kann die ECU 102 den spezifischen Durchflusswert unter Verwendung einer oder mehrerer von Gleichung 8 bis 10 im Folgenden bestimmen. $Ψ = \sqrt{\frac{2 γ}{(γ - 1)} * (B_{l a m}^{\frac{2}{γ}} - B_{l a m}^{\frac{(γ - 1)}{γ}})} \frac{(1 - \frac{P_{d}}{P_{u}})}{(1 - B_{l a m})}$
Gleichung 8 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein laminarer Durchfluss ist. In Gleichung 8 stellt ψ den laminaren Durchflusswert dar. γ stellt ein spezifisches Wärmeverhältnis des Gases, welches das Ventil durchfließt, dar und entspricht einem Verhältnis einer spezifischen Wärme des Gases bei einem konstanten Volumen zu einer spezifischen Wärme des Gases bei einem konstanten Druck. B_lam stellt ein Druckverhältnis dar, über dem der Durchfluss als laminar angenommen wird. P_d stellt einen Druck des Gases an einer Niedrigdruckseite des entsprechenden Ventils dar, und P_u stellt einen Druck des Gases an einer Hochdruckseite des entsprechenden Ventils dar. $Ψ = \sqrt{\frac{2 γ}{(γ - 1)} (\frac{P_{d}^{\frac{2}{γ}}}{^{P_{u}}} - \frac{P_{d}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}}{^{P_{u}}})}$
Gleichung 9 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein subsonischer Durchfluss ist. Die Variablen, die in Gleichung 9 verwendet werden, haben die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Variablen in Gleichung 8, mit Ausnahme von ψ, das den subsonischen Durchflusswert darstellt. $Ψ = \sqrt{γ * B_{c r}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}}$
Gleichung 10 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein gedrosselter Durchfluss ist. Die Variablen, die in Gleichung 10 verwendet werden, haben die gleichen Bedeutungen wie die entsprechenden Variablen in Gleichung 8, mit Ausnahme von ψ, das den gedrosselten Durchflusswert darstellt. Die neu eingeführte Variable B_cr stellt ein kritisches Druckverhältnis dar und kann unter Verwendung von Gleichung 11 im Folgenden berechnet werden. $B_{c r} = {\frac{2}{(γ + 1)}}^{\frac{γ}{(γ - 1)}}$
In Gleichung 11 hat y die gleiche Bedeutung, wie zuvor unter Bezugnahme auf Gleichung 8 beschrieben wurde.
Nach einem Bestimmen des aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchflusses kann die ECU 102 eine gewünschte Ventilfläche berechnen, um den gewünschten Mengendurchfluss in Block 1110 zu erreichen. Die gewünschte Ventilfläche entspricht einem Querschnittsbereich des Ventils, welches das Gas durchfließen kann. Der Querschnittsbereich kann durch Einstellen der Ventilstellung verändert werden. Die ECU 102 kann Gleichung 12 im Folgenden für die gewünschte Ventilfläche lösen. $\dot{m} = C d \frac{A}{\sqrt{R_{s} * T_{u}}} P_{u} Ψ$
In Gleichung 12 ist ṁ der gewünschte Mengendurchfluss. Cd ist ein Austrittskoeffizient. A ist die gewünschte Ventilfläche, welche die ECU 102 auflösen kann. R_s ist eine spezifische Gaskonstante. T_u ist eine Temperatur an der Hochdruckseite des Ventils und P_u ist ein Druck an der Hochdruckseite des Ventils. Ψ ist der aktuelle laminare, subsonische oder gedrosselte Durchfluss, der in Block 1108 berechnet wurde.
Der Speicher 104 von 1 kann ein Kennfeld oder eine Funktion speichern, die gewünschte Ventilflächen mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft. In dieser Hinsicht und in Block 1112 kann die ECU 102 die gewünschte Ventilfläche, die in Block 1110 berechnet wurde, mit dem Kennfeld oder der Funktion vergleichen, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, die der gewünschten Ventilfläche entspricht. Anders ausgedrückt, führt ein Bringen des Ventils in die gewünschte Ventilstellung wiederum dazu, dass das Ventil die gewünschte Ventilfläche hat, und daher, dass der gewünschte Mengendurchfluss durch das Ventil erreicht wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Funktion eine Gleichung aufweisen, so dass die ECU 102 die Gleichung unter Verwendung der gewünschten Ventilfläche lösen kann, um die gewünschte Ventilstellung zu bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Gleichung verwenden, die Gleichung 13, die zuvor dargelegt wurde, ähnelt, um die gewünschte Ventilstellung zu lösen oder um ein Kennfeld zu erstellen, das die gewünschten Ventilflächen mit gewünschten Ventilstellungen verknüpft. $A = {(\frac{π D}{2})}^{2} c + A_{0}$
In Gleichung 13 ist A die gewünschte Ventilfläche. Kurz bezugnehmend auf 12 ist ein beispielhaftes Ventil 1200 gezeigt, das ähnlich dem Bypass-Ventil 212 oder dem Drosselventil 214 sein kann, um die verschiedenen Parameter der Gleichungen darzustellen. In Gleichung 13 ist D ein Durchmesser 1202 des Ventils 1200. Ao ist ein Drosselleckbereich. c ist eine unabhängige Variable und ist in Gleichung 14 im Folgenden gezeigt. $c = 1 - b + \frac{2}{π} ⌈ a \sqrt{1 - {(\frac{a}{b})}^{2}} - b a s i n (\frac{a}{b}) - a \sqrt{1 - {(a)}^{2}} + a s i n (a) ⌉$
In Gleichung 14 wird a in Gleichung 15 im Folgenden bereitgestellt, und b wird in Gleichung 16 im Folgenden bereitgestellt. $a = \frac{t}{D}$
In Gleichung 15 ist t ein Drosselwellendurchmesser, der als ein Drosselwellendurchmesser 1204 des Ventils 1200 dargestellt ist. D stellt wieder den Durchmesser 1202 dar. $b = \frac{c o s (α)}{c o s (α_{0})}$
In Gleichung 16 ist α ein Winkel 1208 zwischen einer Ventilplatte 1210 und einer Längsachse 1212 und entspricht einem Drosselwinkel des Ventils 1200. a0 ist ein Winkel 1206 zwischen der Ventilplatte 1210 und einer Linie 1214 senkrecht zu der Achse 1212 und entspricht einem geschlossenen Drosselwinkel, α und α0 können beide in Radianten gemessen werden.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4 und 11 kann die ECU 102 Gleichung 13-16 lösen, um die gewünschte Ventilstellung zu bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 Gleichung 13 für A, die gewünschte Ventilfläche, lösen. Basierend auf dem Wert von A kann die ECU 102 dann Gleichung 14 lösen, um den Wert von b zu identifizieren, und dann Gleichung 16 für α lösen.
Nachdem die ECU 102 die gewünschte Ventilstellung bestimmt, kann die ECU das Ventil in Block 1114 regeln, um die gewünschte Ventilstellung einzunehmen. In dieser Hinsicht, nachdem die ECU das Ventil regelt, um die gewünschte Ventilstellung einzunehmen, kann der Mengendurchfluss durch das Ventil nahe dem Mengendurchflusswert sein, der in Block 1104 bestimmt wird. Die ECU 102 kann das Verfahren 1100 einmal für das Bypass-Ventil 212 durchführen und das Verfahren 1100 erneut für das Drosselventil 214 durchführen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 zwei Instanzen des Verfahrens 1100 gleichzeitig durchführen (d. h. sie kann eine erste Instanz des Verfahrens 1100 für das Bypass-Ventil 212 durchführen und gleichzeitig eine zweite Instanz des Verfahrens 1100 für das Drosselventil 214 durchführen).
Nun bezugnehmend auf 2,4, 13A und 13B kann ein Verfahren 1300 durch die ECU 102, wie etwa in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, verwendet werden, um eine Vorwärtsregelung des Verdichters 204 durchzuführen. Die Steuerung des Verdichters 204 kann sowohl eine Drehzahlsteuerung als auch eine Drehmomentsteuerung aufweisen. Obwohl das Verfahren 1300 die Drehzahlsteuerung und die Drehmomentsteuerung darstellt, die nacheinander stattfinden, werden Fachleute auf dem Gebiet realisieren, dass die Drehzahlsteuerung und die Drehmomentsteuerung gleichzeitig durchgeführt werden können oder nacheinander durchgeführt werden können.
In Block 1302 kann ein Drehzahlkennfeld, wie das Drehzahlkennfeld 700 von 7, in dem Speicher gespeichert werden. Das Drehzahlkennfeld kann gewünschten Verdichterdurchflussraten und gewünschten Verdichterdruckverhältnissen mit entsprechenden gewünschten oder angestrebten Verdichterdrehzahlen verknüpfen.
In Block 1304 kann die ECU 102 eine gewünschte Verdichterdurchflussrate und ein gewünschtes Verdichterdruckverhältnis entsprechend einem Druckverhältnis im Verdichter 204 bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel können die gewünschte Verdichterdurchflussrate und das gewünschte Verdichterdruckverhältnis von der Verlaufsteuerung 412 empfangen werden.
In Block 1306 kann die ECU 102 die gewünschte Durchflussrate und das gewünschte Druckverhältnis mit dem Drehzahlkennfeld vergleichen, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 die gewünschte Verdichterdrehzahl basierend auf der gewünschten Durchflussrate und dem gewünschten Druckverhältnis berechnen.
Nach einem Berechnen der gewünschten Verdichterdrehzahl kann die ECU 102 den Verdichter 204 steuern, um die gewünschte Verdichterdrehzahl in Block 1308 zu erreichen.
In Block 1310 kann die ECU 102 eine aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl bestimmen oder empfangen, die einer gewünschten Verdichterdrehzahl an einem aktuellen zeitlichen Schritt entspricht. Zum Beispiel kann die aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl von der Verlaufsteuerung 412 empfangen werden.
In Block 1312 kann die ECU 102 eine zukünftige gewünschte Verdichterdrehzahl entsprechend einem zukünftigen zeitlichen Schritt bestimmen oder empfangen. In einigen Ausführungsformen kann der zukünftige zeitliche Schritt ein zeitlicher Schritt unmittelbar nach dem aktuellen zeitlichen Schritt sein, und in einigen Ausführungsformen kann der zukünftige zeitliche Schritt mehrere zeitliche Schritte nach dem aktuellen zeitlichen Schritt sein. Die zukünftige gewünschte Verdichterdrehzahl kann ebenso von der Verlaufsteuerung 412 empfangen werden.
In Block 1314 kann die ECU 102 eine Drehzahldifferenz zwischen der aktuellen gewünschten Verdichterdrehzahl und der zukünftigen gewünschten Verdichterdrehzahl berechnen.
Zum Beispiel und mit kurzer Bezugnahme auf 13A, 13B und 14 kann ein Steuersystem 1400 verwendet werden, um die Operationen von Block 1310 bis Block 1314 durchzuführen. Insbesondere kann eine gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 empfangen werden. Die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann durch einen Vergleicher 1404 empfangen werden. Die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann ebenso durch einen ersten Einheitsverzögerungsblock 1406 und einen zweiten Einheitsverzögerungsblock 1408 empfangen werden. Jeder von dem ersten Einheitsverzögerungsblock 1406 und dem zweiten Einheitsverzögerungsblock 1408 kann die empfangene gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 um einen oder mehrere zeitliche Schritte verzögern. In dieser Hinsicht kann die Ausgabe des zweiten Einheitsverzögerungsblocks 1408 als eine zuvor gewünschte Verdichterdrehzahl 1410 bezeichnet werden, und die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann als eine aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 bezeichnet werden, da sie einem späteren Zeitpunkt entspricht als die zuvor gewünschte Verdichterdrehzahl 1410. In einigen Ausführungsformen kann die Ausgabe des zweiten Einheitsverzögerungsblocks 1408 als eine aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl bezeichnet werden, und die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann als eine zukünftige gewünschte Verdichterdrehzahl bezeichnet werden, da die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 einer gewünschten Drehzahl entspricht, die in Bezug auf die Drehzahl, die durch den zweiten Einheitsverzögerungsblock 1408 ausgegeben wird, in der Zukunft liegt.
Der Vergleicher 1404 kann die vorherige (oder aktuelle) gewünschte Verdichterdrehzahl 1410 mit der aktuellen (oder zukünftigen) gewünschten Verdichterdrehzahl 1402 vergleichen und eine Drehzahldifferenz 1412 ausgeben, die einer Differenz zwischen den beiden entspricht.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4, 13A und 13B und in Block 1316 kann die ECU 102 eine Zeitverzögerung zwischen dem aktuellen zeitlichen Schritt und dem zukünftigen zeitlichen Schritt bestimmen, entsprechend einem Zeitbetrag zwischen den beiden.
In Block 1318 kann die ECU 102 eine gewünschte Beschleunigungsrate des Verdichters bestimmen oder empfangen. Die gewünschte Beschleunigungsrate kann der Drehzahldifferenz entsprechen, die in Block 1314 bestimmt wurde, zusammen mit der Zeitverzögerung, die in Block 1316 bestimmt wurde. Insbesondere kann die ECU 102 die Drehzahldifferenz durch die Zeitverzögerung dividieren. Das Ergebnis dieser Division stellt Einheiten von Beschleunigung bereit, die der gewünschten Beschleunigungsrate entsprechen.
In einigen Ausführungsformen und wie zuvor beschrieben wurde, kann die Verlaufsteuerung 412 Zwischensoll-Verdichterbeschleunigungswerte bereitstellen, die als die gewünschte Beschleunigungsrate verwendet werden können. In dieser Hinsicht können Block 1310 bis 1318 durch einen Block ersetzt werden, der die gewünschte Beschleunigungsrate von der Verlaufsteuerung 412 empfängt. In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufsteuerung 412 das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters anstelle von oder zusätzlich zu der gewünschten Beschleunigungsrate bereitstellen.
In Block 1320 kann die ECU ein gewünschtes Beschleunigungsmoment des Verdichters basierend auf der gewünschten Beschleunigungsrate bestimmen, die in Block 1318 bestimmt wurde. Insbesondere kann die ECU 102 eine Gleichung verwenden, die Gleichung 17 im Folgenden ähnelt, um das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters 204 zu bestimmen. $τ_{B e s c h l e u n i g u n g} = I α$
In Gleichung 17 ist τ_{Beschleunigung} das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters 204. I ist eine äquivalente Trägheit und kann Einheiten wie etwa kg*m² aufweisen. Die äquivalente Trägheit kann einer Trägheit der Komponenten des Verdichters 204 entsprechen, wie etwa dem Getriebe, der Welle, des Schaufelblatts und dergleichen. a ist die Winkelbeschleunigung, die basierend auf der gewünschten Beschleunigungsrate des Verdichters 204 bestimmt werden kann.
In Block 1322 kann die ECU 102 einen Wirkungsgrad des Verdichters 204 bestimmen. Zum Beispiel kann ein Speicher ein Wirkungsgradkennfeld speichern, die Verdichterdurchflusswerten und Verdichterdruckverhältniswerten mit entsprechenden Wirkungsgrade verknüpft. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 den Wirkungsgrad des Verdichters 204 durch Anwenden eines aktuellen Verdichterdurchflusswerts und eines aktuellen Verdichterdruckverhältnisses auf das Wirkungsgradkennfeld bestimmen, um den aktuellen Wirkungsgrad abzurufen.
In Block 1324 kann die ECU 102 ein Verdichtungsdrehmoment des Verdichters 204 basierend auf dem Wirkungsgrad bestimmen, der in Block 1322 bestimmt wurde. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Gleichung verwenden, die Gleichung 18 im Folgenden ähnelt, um das Verdichtungsdrehmoment zu berechnen. $τ_{V e r d i c h t u n g} = \dot{m} C_{P} T_{i n} ({(\frac{P_{o u t}}{P_{i n}})}^{\frac{γ - 1}{γ}} - 1) \frac{(\frac{1}{E f f})}{ω}$
In Gleichung 18 ist τ_Verdichtung das Verdichtungsdrehmoment des Verdichters 204. ṁ ist der gewünschte Mengendurchfluss des Gases durch den Verdichter 204 und kann von der Verlaufsteuerung 412 empfangen werden. C_P ist eine spezifische Wärme des Gases innerhalb des Verdichters 204. T_in ist die Temperatur des Gases an der Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204. P_out ist ein angestrebter Druck des Gases an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204, und P_in ist ein angestrebter Druck des Gases an der Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204. P_out und P_in können von der Verlaufsteuerung 412 empfangen werden. γ stellt ein spezifisches Wärmeverhältnis des Gases, welches das Ventil durchfließt, dar und entspricht einem Verhältnis einer spezifischen Wärme des Gases bei einem konstanten Druck zu einer spezifischen Wärme des Gases bei einem konstanten Volumen. Eff ist der Wirkungsgrad, der in Block 1322 bestimmt wurde. ω ist die Verdichterdrehzahl, die in Radianten pro Sekunde gemessen werden kann. Die ECU 102 kann ω unter Verwendung von Gleichung 19 im Folgenden berechnen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für ein Verdichtungsdrehmoment durch Durchführen von Berechnungen mit sich verändernden Variablenwerten und Speichern der Ergebnisse in dem Kennfeld erstellt werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 mindestens eine/s von einer Verdichterdrehzahl oder einem Verdichterverhältnis empfangen, die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und das Verdichtungsdrehmoment basierend auf dem Vergleich mit dem Kennfeld bestimmen. $ω = A C P_{D r e h z a h l} 2 \frac{π}{60} g_{V e r h a l t n i s}$
In Gleichung 19 ist ω die Verdichterdrehzahl. ACP_Drehzahl ist die Motordrehzahl des Motors des Verdichters 204 (wie etwa des Motors 306 des Verdichters 300 von 3). g_Verhaltnis ist ein aktuelles Übersetzungsverhältnis des Getriebes des Verdichters (wie etwa des Getriebes 308 des Verdichters 300 von 3).
In Block 1326 kann die ECU 102 ein Reibmoment des Verdichters 204 bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU eine Gleichung verwenden, die ähnlich Gleichung 20 im Folgenden ist, um das Reibmoment zu berechnen. $τ_{R e i b u n g} = v i s c_{c o e f} ω + C o l_{t r q} + (b r k w y_{t r q} - C o l_{t r q}) e (^{- t r a n s_{c o e f} ω})$
In Gleichung 20 ist τ_Reibung das Reibmoment. visc_coef, Col_trq, brkwy_trq, und trans_coef sind abgestimmte konstante Werte. ω ist die Verdichterdrehzahl, die in Gleichung 19 zuvor berechnet wurde.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für ein Reibmoment durch Durchführen von Berechnungen mit sich verändernden Variablenwerten und Speichern der Ergebnisse in dem Kennfeld erstellt werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 mindestens eine/s von einer Verdichterdrehzahl oder einem Verdichterdruckverhältnis empfangen, die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und das Reibmoment basierend auf dem Vergleich mit dem Kennfeld bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für kombinierte Reibungs- und Verdichtungsdrehmomentwerte durch Durchführen von Berechnungen mit sich verändernden Variablenwerten und Speichern der Ergebnisse in dem Kennfeld erstellt werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdruckverhältnis empfangen, die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und den kombinierten Reibungs- und Verdichtungsdrehmomentwert basierend auf dem Vergleich mit dem Kennfeld bestimmen.
In Block 1328 kann die ECU 102 ein gewünschtes Gesamtverdichterdrehmoment basierend auf dem gewünschten Beschleunigungsmoment, dem Verdichtungsdrehmoment und dem Reibmoment bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 das gewünschte Gesamtverdichterdrehmoment durch Addieren jedes von dem gewünschten Beschleunigungsmoment, dem Verdichtungsdrehmoment und dem Reibmoment bestimmen.
In Block 1330 kann die ECU 102 den Verdichter steuern, um das gewünschte Gesamtverdichterdrehmoment zu erhalten, das in Block 1328 bestimmt wurde.
Nun bezugnehmend auf 2,4, 15A und 15B kann ein Verfahren 1500 durch die ECU 102, wie etwa in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Bypass-Ventils 212 und des Drosselventils 214 durchzuführen. Insbesondere kann die ECU 102 die aktuellen und angestrebten Werte vergleichen und eine Rückwärtsregelung basierend auf einer Differenz zwischen den aktuellen und angestrebten Werten identifizieren. Zum Beispiel können die Werte einen Druck an einer Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 248 zum Steuern des Drosselventils 214 und ein Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 zum Steuern des Bypass-Ventils 212 aufweisen.
Insbesondere und in Block 1502 kann die ECU 102 ein Druckkennfeld speichern, das Druckwerte mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 2, 16A und 16B verknüpft ein erstes Druckkennfeld 1600 einen Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 (entlang der X-Achse) mit einer Ventilstellung des Drosselventils 214 (entlang der Y-Achse). In dieser Hinsicht kann eine Ventilstellung, die einer Ventilstellung des Drosselventils 214 entspricht, von dem ersten Druckkennfeld 1600 basierend auf einem empfangenen Druckwert abgerufen werden.
Ebenso verknüpft ein zweites Druckkennfeld 1650 ein Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 (entlang der X-Achse) mit einer Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 (entlang der Y-Achse) zu. In dieser Hinsicht kann eine Ventilstellung, die einer Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 entspricht, von dem zweiten Druckkennfeld 1650 basierend auf einem empfangenen Druckverhältnis abgerufen werden.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4 15A und 15B und in Block 1504 kann die ECU 102 einen gewünschten Druckwert des Gases innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs bestimmen oder empfangen. Der gewünschte Druckwert kann einem Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 oder einem Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 entsprechen.
In Block 1506 kann die ECU 102 einen aktuellen Druckwert des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf bestimmen oder empfangen. Wieder kann der aktuelle Druckwert einem Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 oder einem Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 entsprechen.
In Block 1508 kann die ECU 102 den gewünschten Druckwert auf das Druckkennfeld anwenden, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 den gewünschten Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 auf das erste Druckkennfeld 1600 anwenden, um eine gewünschte Ventilstellung des Drosselventils 214 zu bestimmen. Ebenso kann die ECU 102 das gewünschte Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 auf das zweite Druckkennfeld 1650 anwenden, um eine gewünschte Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 zu bestimmen.
In Block 1510 kann die ECU 102 den aktuellen Druckwert auf das Druckkennfeld anwenden, um eine aktuelle Ventilstellung zu bestimmen. Dies kann für jedes von dem Drosselventil 214 und dem Bypass-Ventil 212 durchgeführt werden.
In Block 1512 kann die ECU 102 den aktuellen Druckwert mit dem angestrebten Druckwert vergleichen, um ein Differenzsignal zu identifizieren, das einer Differenz zwischen dem aktuellen Druckwert und dem angestrebten Druckwert entspricht. Die ECU 102 kann diese Operation für jedes von dem Drosselventil 214 und dem Bypass-Ventil 212 durchführen.
In Block 1514 kann die ECU 102 eine PID- oder PI-Regelung (Proportional Integral Derivative) auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung der Ventilstellung zu bestimmen. Die PID-Regelung kann vergangene und gegenwärtige Werte des Fehlersignals analysieren und das Rückwärtsregelungssignal basierend auf gegenwärtigen Fehlerwerten, vergangenen Fehlerwerten und potentiell zukünftigen Fehlerwerten des Fehlersignals erzeugen.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 16A und 17A kann eine Steuerung 1700 durch die ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Drosselventils 214 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das ähnlich zu dem Verfahren 1500 von 15A und 15B ist.
In der Steuerung 1700 kann die ECU 102 einen angestrebten Brennstoffzellendruck 1702 empfangen oder bestimmen, der einem angestrebten oder erwünschten Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 entspricht. Zum Beispiel kann der angestrebte Brennstoffzellendruck 1702 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann ferner einen aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 bestimmen oder empfangen, der einem aktuellen Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 entspricht. Zum Beispiel kann der aktuelle Brennstoffzellendruck 1704 von dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann den angestrebten Brennstoffzellendruck 1702 durch das erste Druckkennfeld 1600 laufen lassen, um eine angestrebte oder gewünschte Ventilstellung 1706 zu bestimmen, die dem angestrebten Brennstoffzellendruck 1702 entspricht. Die ECU 102 kann ebenso den aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 durch das erste Druckkennfeld 1600 laufen lassen, um eine aktuelle Ventilstellung 1708 zu bestimmen, die dem aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 entspricht.
Die angestrebte oder gewünschte Ventilstellung 1706 und die aktuelle Ventilstellung 1708 können durch einen Differenzblock 1710 empfangen werden. Der Differenzblock 1710 kann eine Differenz zwischen der angestrebten oder gewünschten Ventilstellung 1706 und der aktuellen Ventilstellung 1708 identifizieren, und er kann die Differenz als ein Differenzsignal 1712 ausgeben.
Das Differenzsignal 1712 kann von einer PID-Regelung 1714 empfangen werden. Die PID-Regelung 1714 kann vergangene und gegenwärtige Werte des Differenzsignals analysieren und ein Rückwärtseinstellungssignal 1716 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung der Ventilstellung des Drosselventils 214 entspricht.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 16B und 17B kann eine Steuerung 1750 durch die ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Drosselventils 214 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das ähnlich zu dem Verfahren 1500 von 15A und 15B ist.
In der Steuerung 1750 kann die ECU 102 ein angestrebtes Bypass-Ventildruckverhältnis 1752 empfangen oder bestimmen, das einem angestrebten oder erwünschten Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 entspricht. Zum Beispiel kann das angestrebte Bypass-Ventildruckverhältnis 1752 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann ferner ein aktuelles Bypass-Ventildruckverhältnis 1754 bestimmen oder empfangen, das einem aktuellen Druckverhältnis in dem Bypass-Ventil 212 entspricht. Zum Beispiel kann das aktuelle Bypass-Ventildruckverhältnis 1754 von dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann das angestrebte Bypass-Ventildruckverhältnis 1752 durch das zweite Druckkennfeld 1615 laufen lassen, um eine angestrebte oder gewünschte Ventilstellung 1756 zu bestimmen, die dem angestrebten Bypass-Ventildruckverhältnis 1752 entspricht. Die ECU 102 kann ebenso das aktuelle Bypass-Ventildruckverhältnis 1754 durch das zweite Druckkennfeld 1650 laufen lassen, um eine aktuelle Ventilstellung 1758 zu bestimmen, die dem aktuellen Bypass-Ventildruckverhältnis 1754 entspricht.
Die angestrebte oder gewünschte Ventilstellung 1756 und die aktuelle Ventilstellung 1758 können durch einen Differenzblock 1760 empfangen werden. Der Differenzblock 1760 kann eine Differenz zwischen der angestrebten oder gewünschten Ventilstellung 1756 und der aktuellen Ventilstellung 1758 identifizieren, und er kann die Differenz als ein Differenzsignal 1762 ausgeben.
Das Differenzsignal 1762 kann von einer PID-Regelung 1764 empfangen werden. Die PID-Regelung 1764 kann vergangene und gegenwärtige Werte des Fehlersignals analysieren und ein Rückwärtseinstellungssignal 1766 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung der Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 entspricht.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4, 15A und 15B und in Block 1516 kann die ECU 102 ein Anwenden des Integralanteils der PID-Regelung verzögern, bis das Differenzsignal um einen vorbestimmten Schwellenwert abgenommen hat, um eine Überschreitung der gewünschten Einstellung aufgrund eines Phänomens, das integrales Windup genannt wird, zu reduzieren. Zuweilen kann, wenn ein Differenzsignal relativ groß ist, der Integralanteil, gemeinsam mit dem Proportionalausdruck, anfangs sehr groß sein. Wenn sich das Differenzsignal 0 nähert, schrumpft der Proportionalausdruck, der Integralanteil bleibt jedoch relativ groß. Daher kann sich die anfängliche große Größe des Integralanteils ausreichend anstauen, um die gewünschte Einstellung zu überschreiten.
Durch Verzögern einer Anwendung des Integralanteils der PID-Regelung kann der Integralanteil eingeführt werden, wenn das Differenzsignal relativ klein ist. In dieser Hinsicht kann der vorbestimmte Schwellenwert einer Schwellendifferenz entsprechen, unter der ein integrales Windup wahrscheinlich nicht stattfindet. In dieser Hinsicht kann Block 1516 als ein Schutz vor integralem Windup bezeichnet werden, und er kann optional innerhalb des Verfahrens 1500 liegen.
Zusätzlich zu oder statt eines Durchführens des Schutzes vor einem integralen Windup kann die ECU 102 etwas implementieren, das als „lernende Werte“ in Block 1518 und 1520 bezeichnet wird. Insbesondere und in Block 1518, wenn das Differenzsignal für einen gegebenen angestrebten Druckwert auf oder nahe 0 konvergiert (d. h. wenn der aktuelle Druckwert im Wesentlichen gleich dem gewünschten Druckwert ist), kann die ECU 102 den angestrebten Integralanteil von der PID-Regelung in einem Speicher speichern.
In Block 1520, während eines anschließenden Konvergierens hin zu dem gleichen gegebenen angestrebten Druckwert, kann die ECU 102 die PID-Regelung dazu veranlassen, das Konvergieren unter Verwendung des gespeicherten Endintegralanteils zu beginnen. Durch Speichern des Endintegralanteils beginnt jedes Konvergieren hin zu dem gleichen gegebenen angestrebten Druckwert wahrscheinlich mit einem Integralanteil (d. h dem gespeicherten Endintegralanteil), der relativ nahe zu einem Wert ist, der wahrscheinlich ein schnelles und genaues Konvergieren hin zu dem gegebenen angestrebtem Druckwert bereitstellen wird.
In Block 1522 kann die ECU 102 das entsprechende Ventil (d. h. das Drosselventil 214 oder das Bypass-Ventil 212) basierend auf der gewünschten Einstellung der Ventilstellung einstellen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 die gewünschte Einstellung der Ventilstellung zu einem Vorwärtsregelungssignal hinzufügen und das entsprechende Ventil basierend auf den Ergebnissen der Addition regeln. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 die Regelung des entsprechenden Ventils unter Verwendung der gewünschten Einstellung der Ventilstellung einfach einstellen.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 18A und 18B kann ein Verfahren 1800 durch die ECU 102, wie etwa in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Verdichters 204 durchzuführen. Insbesondere kann die ECU 102 die aktuellen und angestrebten Werte vergleichen und ein Rückwärtsregelungssignal basierend auf einer Differenz zwischen den aktuellen und angestrebten Werten identifizieren. Zum Beispiel können die Werte einen Gesamtstrom durch den Verdichter 204 aufweisen.
Insbesondere und in Block 1802 kann die ECU 102 ein Luftstromkennfeld speichern, das Luftstromwerte mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen verknüpft. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf 2 und 19 verknüpft ein Luftstromkennfeld 1900 einen Luftstrom durch den Verdichter 204 (entlang der X-Achse) mit einer Verdichterdrehzahl (entlang der Y-Achse). In dieser Hinsicht kann eine Verdichterdrehzahl, die einer Drehzahl des Verdichters 204 entspricht, von dem Luftstromkennfeld 1900 basierend auf einem empfangenen Luftstromwert abgerufen werden.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4, 18A und 18B und in Block 1804 kann die ECU 102 eine gewünschte Verdichterdurchflussrate bestimmen oder empfangen, die einem Gesamtluftstrom durch den Verdichter 204 entspricht. In Block 1806 kann die ECU 102 eine aktuelle Verdichterdurchflussrate bestimmen oder empfangen.
In Block 1808 kann die ECU 102 die gewünschte Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anwenden, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen. In Block 1810 kann die ECU 102 die aktuelle Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anwenden, um die aktuelle Verdichterdrehzahl zu bestimmen.
In Block 1812 kann die ECU 102 die aktuelle Verdichterdrehzahl mit der angestrebten Verdichterdrehzahl vergleichen, um ein Differenzsignal zu identifizieren, das einer Differenz zwischen der aktuellen Verdichterdrehzahl und der angestrebten Verdichterdrehzahl entspricht.
In Block 1814 kann die ECU 102 eine PID-Regelung auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung der Verdichterdrehzahl zu bestimmen.
Nun bezugnehmend auf 2, 4, 19 und 20A kann eine Steuerung 2000 durch die ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung der Verdichterdrehzahl des Verdichters 204 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das ähnlich zu dem Verfahren 1800 von 18A und 18B ist.
In der Steuerung 2000 kann die ECU 102 einen angestrebten Gesamtverdichterluftstrom 2002 empfangen oder bestimmen, der einem angestrebten oder erwünschten Gesamtstrom des Gases durch den Verdichter 204 entspricht. Zum Beispiel kann der angestrebte Gesamtverdichterluftstrom 2002 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann ferner einen aktuellen Gesamtverdichterluftstrom 2004 bestimmen oder empfangen, der einem aktuellen Gesamtstrom durch den Verdichter 204 entspricht. Zum Beispiel kann der aktuelle Gesamtverdichterstrom 2004 von dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann den angestrebten Gesamtverdichterstrom 2002 durch das Luftstromkennfeld 1900 laufen lassen, um eine angestrebte oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2006 zu bestimmen, die dem angestrebten Gesamtverdichterluftstrom 2002 entspricht. Die ECU 102 kann ebenso den aktuellen Gesamtverdichterstrom 2004 durch das Luftstromkennfeld 1900 laufen lassen, um eine aktuelle Verdichterdrehzahl 2008 zu bestimmen, die dem aktuellen Gesamtverdichterluftstrom 2004 entspricht.
Die angestrebte oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2006 und die aktuelle Verdichterdrehzahl 2008 können durch einen Differenzblock 2010 empfangen werden. Der Differenzblock 2010 kann eine Differenz zwischen der angestrebten oder gewünschten Verdichterdrehzahl 2006 und der aktuellen Verdichterdrehzahl 2008 identifizieren, und er kann die Differenz als ein Differenzsignal 2012 ausgeben.
Das Differenzsignal 2012 kann von einer PID-Regelung 2014 empfangen werden. Die PID-Regelung 2014 kann vergangene und gegenwärtige Werte des Differenzsignals 2012 analysieren, und sie kann ein Rückwärtsdrehzahleinstellungssignal 2016 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung der Verdichterdrehzahl des Verdichters 204 entspricht.
Wieder unter Bezugnahme auf 2, 4, 18A und 18B und in Block 1816 kann die ECU 102 ein Anwenden des Integralanteils der PID-Regelung verzögern, bis das Differenzsignal um einen vorbestimmten Schwellenwert abgenommen hat, um eine Überschreitung der gewünschten Einstellung aufgrund eines integralen Windups zu reduzieren. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie in Block 1516 von 15A und 15B durchgeführt werden.
Zusätzlich zu oder statt eines Durchführens des Schutzes vor einem integralen Windup kann die ECU 102 „lernende Werte“ in Block 1818 und 1820 implementieren. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie in Block 1518 und 1520 von 15A und 15B durchgeführt werden.
In Block 1822 kann die ECU 102 die Verdichterdrehzahl basierend auf der gewünschten Einstellung der Verdichterdrehzahl einstellen. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie in Block 1522 von 15A und 15B durchgeführt werden.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann der Verdichter 204 eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdrehmoment aufweisend, die getrennt gesteuert werden können. In dieser Hinsicht können Block 1824 bis 1830 verwendet werden, um das Verdichterdrehmoment des Verdichters 204 zu steuern.
Die Verdichterdrehzahl und das Verdichterdrehmoment können derart in Verbindung stehen, dass das Verdichterdrehmoment zu der Verdichterdrehzahl direkt proportional sein kann. In dieser Hinsicht und in Block 1824 kann die ECU 102 ein gewünschtes Verdichterdrehmomentwert basierend auf der gewünschten Verdichterdrehzahl bestimmen. Zum Beispiel kann die gewünschte Verdichterdrehzahl in Block 1808 bestimmt werden. Um das gewünschte Verdichterdrehmoment zu bestimmen, kann die gewünschte Verdichterdrehzahl auf ein Kennfeld in einer ähnlichen Weise angewandt werden, wie die Verdichterdrehzahl basierend auf einem Gesamtluftstrom bestimmt wird. Aufgrund der proportionalen Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl des Verdichters 204 kann jedoch eine proportionale Zunahme auf die gewünschte Verdichterdrehzahl angewandt werden, um das gewünschte Drehmoment zu erhalten.
Ebenso kann die ECU 102 in Block 1826 einen aktuellen Verdichterdrehmomentwert basierend auf der aktuellen Verdichterdrehzahl bestimmen. Die aktuelle Verdichterdrehzahl kann in Block 1810 bestimmt werden. Die ECU 102 kann das aktuelle Verdichterdrehmoment entweder unter Verwendung eines dem Kennfelds oder unter Verwendung einer proportionalen Zunahme bestimmen, wie zuvor unter Bezugnahme auf Block 1824 bestimmen wurde.
In Block 1828 kann die ECU 102 ein Drehmomentdifferenzsignal identifizieren, das einer Drehmomentdifferenz zwischen dem gewünschten Verdichterdrehmomentwert und dem aktuellen Verdichterdrehmomentwert entspricht.
In Block 1830 kann die ECU 102 eine PID-Regelung auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung des Verdichterdrehmoments zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 eines oder beides von einem Schutz vor einem integralen Windup oder „lernenden Werten“ implementieren.
In Block 1832 kann die ECU 102 den Verdichterdrehmomentwert des Verdichters basierend auf der gewünschten Einstellung des Verdichterdrehmoments einstellen.
Nun bezugnehmend auf 2, 4 und 20B kann eine Steuerung 2050 durch die ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Verdichterdrehmoments des Verdichters 204 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das ähnlich zu dem Verfahren 1800 von 18A und 18B ist.
In der Steuerung 2050 kann die ECU 102 eine angestrebte oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2052 zusammen mit einer aktuellen Verdichterdrehzahl 2054 bestimmen. Diese Werte können von einer/m von der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, dem Zustandsschätzer 406 oder der Verlaufsteuerung 412 bestimmt oder empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann die angestrebte Verdichterdrehzahl 2052 durch eine Funktion 2056 laufen lassen, um ein angestrebtes oder gewünschtes Verdichterdrehmoment 2060 zu bestimmen. Die Funktion 2056 kann ein Kennfeld oder eine Berechnung aufweisen, wie eine Berechnung, um eine proportionale Zunahme auf die angestrebte Verdichterdrehzahl 2052 anzuwenden. Die ECU 102 kann ebenso die aktuelle Verdichterdrehzahl 2054 durch die Funktion 2056 laufen lassen, um ein aktuelles Verdichterdrehmoment 2062 zu bestimmen.
Das angestrebte oder gewünschte Verdichterdrehmoment 2060 und das aktuelle Verdichterdrehmoment 2062 können durch einen Differenzblock 2064 empfangen werden. Der Differenzblock 2064 kann ein Drehmomentdifferenzsignal 2066 identifizieren, das einer Differenz zwischen dem angestrebten oder gewünschten Verdichterdrehmoment 2060 und dem aktuellen Verdichterdrehmoment 2062 entspricht.
Das Drehmomentdifferenzsignal 2066 kann von einer PID-Regelung 2068 empfangen werden. Die PID-Regelung 2068 kann vergangene und gegenwärtige Werte des Drehmomentdifferenzsignals 2066 analysieren, und sie kann ein Rückwärtsdrehmomenteinstellungssignal 2070 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung des Verdichterdrehmoments des Verdichters 204 entspricht.
Bei Verwendung in der Spezifikation und den Ansprüchen umfasst durchweg „wenigstens einer von A oder B“ nur „A“, nur „B“ oder „A und B“. Beispielhafte Ausführungsformen der Verfahren/Systeme sind auf eine veranschaulichende Weise offenbart worden. Dementsprechend sollte die durchweg eingesetzte Begrifflichkeit in einer nicht einschränkenden Weise gelesen werden. Obwohl geringe Modifikationen der Lehren hier Sachkundigen auf dem Fachgebiet in den Sinn kommen werden, versteht es sich, dass das, was innerhalb des Schutzumfangs des Patents, das hieraufhin gewährt wird, beschrieben werden soll, insgesamt solche Ausführungsformen sind, die vernünftigermaßen in den Schutzumfang des Fortschritts im Fachgebiet fallen, zu dem hierdurch ein Beitrag geleistet wird, und dass der Schutzumfang nicht eingeschränkt sein soll, mit Ausnahme in Hinsicht auf die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente.

Claims

System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, die dazu ausgestaltet sind, Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen; ein Ventil mit einer Ventilstellung, die sich auf einen Druck des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf auswirkt, und einer Ventilfläche, die einer Querschnittsfläche des Ventils entspricht, welches das Gas durchfließen kann; einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Kennfeld oder eine Funktion zu speichern, welche(s) die Ventilfläche mit der Ventilstellung korreliert; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Ventil gekoppelt und für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen eines gewünschten Mengendurchflusses durch das Ventil, Berechnen einer gewünschten Ventilfläche, um den gewünschten Mengendurchfluss zu erreichen, basierend auf dem gewünschten Mengendurchfluss, Vergleichen der gewünschten Ventilfläche mit dem Kennfeld oder Funktion, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, welche die gewünschte Ventilfläche bereitstellt, und Steuern des Ventils, um die gewünschte Ventilstellung einzunehmen.
System nach Anspruch 1, wobei die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen einer aktuellen Reynolds-Zahl für das Gas, welches das Ventil durchfließt; Bestimmen eines aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchflusses des Gases durch das Ventil basierend auf der aktuellen Reynolds-Zahl; und ferner Berechnen der gewünschten Ventilfläche basierend auf dem aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchfluss.
System nach Anspruch 2, wobei das Ventil eine Hochdruckseite und eine Niedrigdruckseite aufweist, die weniger Druck ausgesetzt ist als die Hochdruckseite, und wobei die ECU ferner dazu ausgestaltet ist, die gewünschte Ventilfläche unter Verwendung der folgenden Gleichung zu berechnen: $\dot{m} = C d \frac{A}{\sqrt{R_{s} * T_{u}}} P_{u} Ψ$
wobei ṁ der gewünschte Mengendurchfluss ist, Cd ein Austrittskoeffizient ist, A die gewünschte Ventilfläche ist, R_s eine spezifische Gaskonstante ist, T_u eine Temperatur an der Hochdruckseite des Ventils ist, P_u ein Druck an der Hochdruckseite des Ventils ist und Ψ der aktuelle laminare, subsonische oder gedrosselte Durchfluss ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Bypass-Abzweig, der dazu ausgestaltet ist, zumindest einen Teil des Gases zu veranlassen, den Brennstoffzellenstapel zu umgehen, wobei das Ventil ein Bypass-Ventil ist, das entlang des Bypass-Abzweigs positioniert ist, und der gewünschte Mengendurchfluss einem gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch den Bypass-Abzweig entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei das Ventil ein Drosselventil ist, das sich stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel befindet, und der gewünschte Mengendurchfluss einem gewünschten Mengendurchfluss des Gases durch den Brennstoffzellenstapel entspricht.
System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Verdichter, der dazu ausgestaltet ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen, und eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdrehmoment hat, die sich jeweils auf eine Verdichterdurchflussrate des Gases durch den Verdichter auswirken; einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, die dazu ausgestaltet sind, das Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Kompressor gekoppelt und für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen einer gewünschten Beschleunigungsrate des Verdichters, die einer gewünschten Beschleunigung der Verdichterdrehzahl entspricht, Bestimmen eines gewünschten Beschleunigungsmoments des Verdichters basierend auf der gewünschten Beschleunigungsrate, und Steuern des Verdichterdrehmoments des Verdichters basierend auf dem gewünschten Beschleunigungsmoment.
System nach Anspruch 6, wobei der Verdichter ein Verdichterdruckverhältnis hat, das einem Verhältnis von Druck an einer Austrittsöffnung des Verdichters zu Druck an einer Eintrittsöffnung des Verdichters entspricht, und wobei die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen eines Wirkungsgrades des Verdichters basierend auf der Verdichterdurchflussrate und dem Verdichterdruckverhältnis; Bestimmen eines Verdichtungsdrehmoments des Verdichters basierend auf dem Wirkungsgrad des Verdichters; und Steuern des Verdichterdrehmoments des Verdichters ferner basierend auf dem Verdichtungsdrehmoment des Verdichters.
System nach Anspruch 7, wobei der Verdichter ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis und einen Motor mit einer Motordrehzahl hat und wobei die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen eines Reibmoments des Verdichters basierend auf dem Übersetzungsverhältnis und der Motordrehzahl; Bestimmen eines Gesamtverdichterdrehmoments, das durch den Verdichter aufzubringen ist, basierend auf dem gewünschten Beschleunigungsmoment, dem Verdichtungsdrehmoment und dem Reibmoment; und Steuern des Verdichters, um das Verdichterdrehmoment zu veranlassen, gleich dem Gesamtverdichterdrehmoment zu sein.
System nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Drehzahlkennfeld zu speichern, die gewünschten Verdichterdurchflussraten und gewünschten Verdichterdruckverhältnissen mit angestrebten Verdichterdrehzahlen verknüpft, wobei die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen eines gewünschten Verdichterdurchflusses und eines gewünschten Verdichterdruckverhältnisses; Vergleichen des gewünschten Verdichterdurchflusses und des gewünschten Verdichterdruckverhältnisses mit den Drehzahlkennfeld, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen; und Steuern des Verdichters, um die Verdichterdrehzahl zu veranlassen, gleich der gewünschten Verdichterdrehzahl zu sein.
System nach Anspruch 6, wobei die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen einer aktuellen gewünschten Verdichterdrehzahl entsprechend einem aktuellen zeitlichen Schritt; Bestimmen oder Empfangen einer zukünftigen gewünschten Verdichterdrehzahl entsprechend einem zukünftigen zeitlichen Schritt; Berechnen einer Drehzahldifferenz zwischen der aktuellen gewünschten Verdichterdrehzahl und der zukünftigen gewünschten Verdichterdrehzahl; Bestimmen einer Zeitverzögerung zwischen dem aktuellen zeitlichen Schritt und dem zukünftigen zeitlichen Schritt; und Berechnen der gewünschten Beschleunigungsrate des Verdichters durch Teilen der Drehzahldifferenz durch die Zeitverzögerung.
System nach Anspruch 6, wobei die ECU eine Verlaufsteuerung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, die gewünschte Beschleunigungsrate zu bestimmen.
System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, die dazu ausgestaltet sind, Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen; ein Ventil mit einer Ventilstellung, die sich auf einen Druck des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf auswirkt; einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Druckkennfeld zu speichern, das Druckwerte innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Ventil gekoppelt und für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen eines gewünschten Druckwerts des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf und Bestimmen oder Empfangen eines aktuellen Druckwerts des Gases in dem Brennstoffzellenkreislauf, Anwenden des gewünschten Druckwerts auf das Druckkennfeld, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, die dem gewünschten Druckwert zugeordnet ist, und Anwenden des aktuellen Druckwerts auf das Druckkennfeld, um eine aktuelle Ventilstellung zu bestimmen, die mit dem aktuellen Druckwert verknüpft ist, Identifizieren eines Differenzsignals entsprechend einer Differenz zwischen der gewünschten Ventilstellung und der aktuellen Ventilstellung, und Einstellen der Ventilstellung des Ventils basierend auf dem Differenzsignal.
System nach Anspruch 12, wobei die ECU ferner dazu ausgestaltet ist, eine PID-Regelung (Proportional Integral Derivative) auf das Differenzsignal anzuwenden, um eine gewünschte Einstellung der Ventilstellung zu bestimmen und ferner die Ventilstellung durch Verändern der Ventilstellung durch die gewünschte Einstellung der Ventilstellung einzustellen.
System nach Anspruch 13, wobei mindestens eines von Folgendem besteht: die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, ein Integrieren eines Integralanteils der PID-Regelung zu verzögern, bis der Wert des Differenzsignals um einen vorbestimmten Schwellenwertbetrag reduziert ist, um eine Überschreitung der gewünschten Einstellung der Ventilstellung zu reduzieren; oder der Speicher ist ferner dazu ausgestaltet, einen Endintegralanteil der PID-Regelung zu speichern, wenn der aktuelle Druckwert mit einem ersten gewünschten Druckwert konvergiert, und die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, die PID-Regelung zu veranlassen, ein anschließendes Konvergieren mit dem ersten gewünschten Druckwert unter Verwendung des gespeicherten Endintegralanteils als einen Startintegralanteil zu starten.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Bypass-Abzweig, die dazu ausgestaltet ist, das Gas zu veranlassen, den Brennstoffzellenstapel zu umgehen; und einen Verdichter, der dazu ausgestaltet ist, das Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen, und eine Eintrittsöffnung mit einem Eintrittsdruck und einer Austrittsöffnung mit einem Austrittsdruck hat, wobei mindestens eines von Folgendem besteht: das Ventil ist ein Drosselventil, das sich stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel befindet, und der gewünschte Druckwert ist ein Eintrittsdruckwert entsprechend einer Brennstoffzelleneintrittsöffnung des Brennstoffzellenstapels, oder das Ventil ist ein Bypass-Ventil, das sich entlang des Bypass-Abzweigs befindet, und der gewünschte Druckwert ist ein Druckverhältnis, das einem Verhältnis des Austrittsdrucks zu dem Eintrittsdruck entspricht.
System zum Steuern eines Luftstroms durch einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Verdichter, der eine Verdichterdrehzahl hat und dazu ausgestaltet ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf mit einer Verdichterdurchflussrate zu pumpen; einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, die dazu ausgestaltet sind, das Gas aufzunehmen und Elektrizität über eine Reaktion unter Verwendung des Gases zu erzeugen; einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Luftstromkennfeld zu speichern, das Verdichterdurchflussraten mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen verknüpft; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Kompressor gekoppelt und für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen oder Empfangen eines gewünschten Verdichterdurchflusses und Bestimmen oder Empfangen eines aktuellen Verdichterdurchflusses, Anwenden des gewünschten Verdichterdurchflusses auf das Luftstromkennfeld, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen, die mit der gewünschten Verdichterdurchflussrate verknüpft ist, und Anwenden des aktuellen Verdichterdurchflusses auf das Luftstromkennfeld, um eine aktuelle Verdichterdrehzahl zu bestimmen, die mit der aktuellen Verdichterdurchflussrate verknüpft ist, Identifizieren eines Differenzsignals entsprechend einer Differenz zwischen der gewünschten Verdichterdrehzahl und der aktuellen Verdichterdrehzahl, und Einstellen der Verdichterdrehzahl des Verdichters basierend auf dem Differenzsignal.
System nach Anspruch 16, wobei die ECU ferner dazu ausgestaltet ist, eine PID-Regelung (Proportional Integral Derivative) auf das Differenzsignal anzuwenden, um eine gewünschte Einstellung der Verdichterdrehzahl zu bestimmen und ferner die Verdichterdrehzahl durch Verändern der Verdichterdrehzahl durch die gewünschte Einstellung der Verdichterdrehzahl einzustellen.
System nach Anspruch 17, wobei mindestens eines von Folgendem besteht: die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, ein Integrieren eines Integralanteils der PID-Regelung zu verzögern, bis der Wert des Differenzsignals um einen vorbestimmten Schwellenwertbetrag reduziert ist, um eine Überschreitung der gewünschten Einstellung der Verdichterdrehzahl zu reduzieren; oder der Speicher ist ferner dazu ausgestaltet, einen Endintegralanteil der PID-Regelung zu speichern, wenn die aktuelle Verdichterdurchflussrate mit einer ersten gewünschten Verdichterdurchflussrate konvergiert, und die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, die PID-Regelung zu veranlassen, ein anschließendes Konvergieren mit der ersten gewünschten Verdichterdurchflussrate unter Verwendung des gespeicherten Endintegralanteils als einen Startintegralanteil zu starten.
System nach Anspruch 16, wobei: der Verdichter ferner einen Verdichterdrehmomentwert hat; der Speicher ferner dazu ausgestaltet ist, ein Drehmomentkennfeld zu speichern, das Verdichterdrehzahlen mit Verdichterdrehmomentwerten verknüpft; und die ECU ferner für Folgendes ausgestaltet ist: Anwenden der gewünschten Verdichterdrehzahl auf das Drehmomentkennfeld, um einen gewünschten Verdichterdrehmomentwert zu bestimmen, der mit der gewünschten Verdichterdrehzahl verknüpft ist, und Anwenden der aktuellen Verdichterdrehzahl auf das Drehmomentkennfeld, um einen aktuellen Verdichterdrehmomentwert zu bestimmen, der mit der aktuellen Verdichterdrehzahl verknüpft ist, Identifizieren eines Drehmomentdifferenzsignals entsprechend einer Drehmomentdifferenz zwischen dem gewünschten Verdichterdrehmomentwert und dem aktuellen Verdichterdrehmomentwert, und Einstellen des Verdichterdrehmomentwerts des Verdichters basierend auf dem Drehmomentdifferenzsignal.
System nach Anspruch 19, wobei die ECU ferner dazu ausgestaltet ist, eine PID-Regelung (Proportional Integral Derivative) auf das Drehmomentdifferenzsignal anzuwenden, um eine gewünschte Einstellung des Verdichterdrehmomentwerts zu bestimmen und ferner den Verdichterdrehmomentwert durch Verändern des Verdichterdrehmomentwerts durch die gewünschte Einstellung des Verdichterdrehmomentwerts einzustellen, und wobei mindestens eines von Folgendem besteht: die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, ein Integrieren eines Integralanteils der PID-Regelung zu verzögern, bis der Wert des Drehmomentdifferenzsignals um einen vorbestimmten Schwellenwertbetrag reduziert ist, um eine Überschreitung der gewünschten Einstellung des Verdichterdrehmomentwerts zu reduzieren; oder der Speicher ist ferner dazu ausgestaltet, einen Endintegralanteil der PID-Regelung zu speichern, wenn der aktuelle Verdichterdrehmomentwert mit einem ersten gewünschten Verdichterdrehmomentwert konvergiert, und die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, die PID-Regelung zu veranlassen, eine nachfolgende Konvergenz mit dem ersten gewünschten Verdichterdrehmomentwert unter Verwendung des gespeicherten Endintegralanteils als einen Startintegralanteil zu starten.