DE102018128551A1

DE102018128551A1 - Gleichungsbasierte zustandsschätzung für luftsystemregelung

Info

Publication number: DE102018128551A1
Application number: DE102018128551.5A
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: JP2019135716A; US11482719B2; US20190181475A1; CN109904495A

Abstract

Ein System zum Bereitstellen von Sauerstoff für einen Brennstoffzellenkreislauf umfasst einen Verdichter und einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen aufweist. Das System enthält auch mehrere Rohre und einen Drucksensor, der dazu ausgelegt ist, den Druck an einer ersten Position zu detektieren. Das System umfasst ferner einen Speicher zum Speichern eines Modells des Brennstoffzellenkreislaufs und eine ECU. Die ECU bestimmt ein Steuersignal, das einem erwünschten Betrieb des Verdichters entspricht und Durchflusswerte des Gases durch jede Komponente auf Basis des detektierten Drucks und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs bestimmt. Die ECU bestimmt ferner Druckwerte jeder Komponente auf Basis der bestimmten Durchflusswerte und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs. Die ECU steuert ferner den Betrieb des Verdichters auf Basis des Steuersignals, wenigstens eines der Durchflusswerte und wenigstens eines der Druckwerte.

Description

HINTERGRUND
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Regeln von Druck- und Luftstromwerten von Luft, die durch einen Brennstoffzellenkreislauf strömt, indem die Druck- und Luftstromwerte geschätzt werden, wobei ein erwünschter Verlauf für die Druck- und Luftstromwerte identifiziert wird, und die Vorwärts- und Rückwärtsregelung von Aktuatoren, um den erwünschten Verlauf der Druck- und Luftstromwerte zu erreichen.
Beschreibung der verwandten Technik
Aufgrund einer Kombination aus staatlichen und bundesstaatlichen Vorschriften zusammen mit dem Wunsch nach Reduzierung von Immissionen gibt es seit jüngstem bei Fahrzeugherstellern Bemühungen, kraftstoffeffiziente Fahrzeuge zu konzipieren, die relativ geringe Pegel an Schadstoffemissionen aufweisen. Automobilhersteller haben mehrere Lösungen zum Reduzieren dieser Schadstoffemissionen erkannt. Eine solche Lösung sind Hybridfahrzeuge, die sowohl einen Verbrennungsmotor als auch eine Batterie zum Speichern von Energie und einen Motorgenerator zum Betreiben des Fahrzeugs unter Verwendung der Elektrizität umfassen. Eine andere Lösung sind vollständig elektronische Fahrzeuge, die nur eine Batterie und einen Motorgenerator umfassen, der das Fahrzeug unter Verwendung der in der Batterie gespeicherten Energie betreibt. Noch eine andere Lösung sind Brennstoffzellenfahrzeuge, die Brennstoffzellen umfassen, die Elektrizität über eine chemische Reaktion erzeugen.
Viele Brennstoffzellenfahrzeuge umfassen einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, die mehrere Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzellen können einen Brennstoff, der typischerweise Wasserstoff enthält, zusammen mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel aufnehmen. Der Brennstoffzellenstapel kann eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen. Diese chemische Reaktion erzeugt Elektrizität. Die wichtigsten Emissionen sind Luft und Wasser, die relativ unschädlich sind. Die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte Elektrizität kann in einer Batterie gespeichert werden oder direkt einem Motorgenerator bereitgestellt werden, um mechanische Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs zu generieren. Obwohl Brennstoffzellenfahrzeuge eine hochinteressante Weiterentwicklung in der Automobilindustrie sind, ist die Technologie relativ neu, was Raum für Verbesserungen der Technologie bietet.
Viele Brennstoffzellen nehmen Sauerstoff aus der Luft auf. Allerdings variiert die erforderliche Menge an Sauerstoff (d. h. Luft) auf Basis einer gewünschten Leistungsabgabe der Brennstoffzellen. Der Druck der Luft innerhalb der Brennstoffzellen variiert gleichermaßen auf Basis der gewünschten Leistungsabgabe der Brennstoffzellen. Die gewünschte Leistungsabgabe ist variabel und basiert auf einer Leistungsanforderung durch den Fahrer oder einer elektronischen Steuereinheit, falls das Fahrzeug ein autonomes oder halbautonomes Fahrzeug ist.
Somit besteht ein Bedarf im Fachgebiet an Systemen und Verfahren, um den Brennstoffzellen exakt und schnell Luft in einer erwünschten Rate und einem gewünschten Druck bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Hier wird ein System beschrieben, um einem Brennstoffzellenkreislauf Sauerstoff bereitzustellen. Das System umfasst einen Verdichter, der dazu ausgestaltet ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen. Das System umfasst des Weiteren einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen aufweist und dazu ausgestaltet ist, das Gas aufzunehmen. Das System umfasst ferner mehrere Rohre, die jeweils dazu ausgestaltet sind, das Gas durch einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels zu transportieren. Das System umfasst ferner einen Drucksensor, der dazu ausgestaltet ist, einen detektierten Druck des Gases an einer ersten Position des Brennstoffzellenkreislaufs zu detektieren. Das System System umfasst ferner einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern. Das System umfasst auch eine elektronische Steuereinheit (ECU, Electronic Control Unit), die mit dem Verdichter, dem Drucksensor und dem Speicher gekoppelt ist. Die ECU ist dazu ausgestaltet, ein Steuersignal zu bestimmen oder aufzunehmen, das einer erwünschten Operation des Verdichters entspricht. Die ECU ist des Weiteren dazu ausgestaltet, Durchflusswerte des Gases durch jedes von Folgenden, den Verdichter, den Brennstoffzellenstapel und die mehreren Rohre, auf Basis des detektierten Drucks und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen. Die ECU ist des Weiteren dazu ausgestaltet, Druckwerte jedes von Folgenden, des Verdichters, des Brennstoffzellenstapels und der mehreren Rohre, auf Basis der bestimmten Durchflusswerte und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen. Die ECU ist des Weiteren dazu ausgestaltet, den Betrieb des Verdichters auf Basis des Steuersignals, wenigstens eines der Durchflusswerte und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
Es wird ferner ein System beschrieben, um einem Brennstoffzellenkreislauf Sauerstoff bereitzustellen. Das System System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen aufweist und dazu ausgestaltet ist, ein Gas aufzunehmen. Das System umfasst ferner einen Bypass-Zweig, der dazu ausgestaltet ist, zu bewirken, dass wenigstens ein Teil des Gases am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt. Das System umfasst auch ein Bypass-Ventil mit einer Bypass-Ventilposition und ist dazu ausgestaltet, eine Menge des Gases einzustellen, das am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt. Das System umfasst ferner einen Durchflusssensor, der dazu ausgestaltet ist, einen detektierten Durchfluss des Gases, das durch eine erste Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, zu detektieren. Das System umfasst ferner einen Speicher, der dazu ausgestaltet ist, ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern. Das System umfasst ferner eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Bypass-Ventil, dem Durchflusssensor und dem Speicher gekoppelt ist. Die ECU ist dazu ausgestaltet, ein Steuersignal zu bestimmen oder aufzunehmen, das einer erwünschten Operation des Bypass-Ventils entspricht. Die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, Durchflusswerte des Gases sowohl durch den Bypass-Zweig als auch durch den Brennstoffzellenstapel auf Basis des detektierten Durchflusses und des Modells des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, wobei die Durchflusswerte einen aktuellen Bypass-Durchflusswert umfassen, der dem Durchfluss durch den Bypass-Zweig entspricht, wobei der aktuelle Bypass-Durchflusswert auf Basis der Position des Bypass-Ventils und eines vorherigen, dem Bypass-Zweig entsprechenden Bypass-Druckwerts bestimmt wird, der während eines vorherigen zeitlichen Schritts bestimmt worden ist. Die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, Druckwerte sowohl des Bypass-Zweigs als auch des Brennstoffzellenstapels auf Basis der bestimmten Durchflusswerte und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen. Die ECU ist ferner dazu ausgestaltet, den Betrieb des Bypass-Ventils auf Basis des Steuersignals, wenigstens eines der Durchflusswerte und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
Es wird ferner ein Verfahren beschrieben, um Brennstoffzellen Sauerstoff bereitzustellen. Das Verfahren umfasst, in einem Speicher ein Modell eines Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern, der mehrere Komponenten, einschließlich eines Verdichters und eines Brennstoffzellenstapels, aufweist. Das Verfahren umfasst ferner, aus einem Durchflusssensor einen detektierten Mengendurchfluss eines Gases, das durch eine erste Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, zu empfangen. Das Verfahren umfasst ferner, durch die ECU Mengendurchflusswerte zu bestimmen, die dem Mengendurchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs entsprechen. Das Verfahren umfasst ferner, durch die ECU eine Reynolds-Zahl für jede der mehreren Komponenten auf Basis der Mengendurchflusswerte zu bestimmen. Das Verfahren umfasst auch, durch die ECU auf Basis der Reynolds-Zahl zu bestimmen, ob der Durchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs ein laminarer Durchfluss, ein turbulenter Durchfluss oder ein gemischter Durchfluss ist. Das Verfahren umfasst ferner, durch die ECU laminare, turbulente oder gemischte Durchflusswerte des Gases auf Basis der Mengendurchflusswerte zu bestimmen und ob der Durchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten der laminare Durchfluss, der turbulente Durchfluss oder der gemischte Durchfluss ist. Das Verfahren umfasst ferner, durch die ECU Druckwerte für jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs auf Basis der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte zu bestimmen. Das Verfahren umfasst ferner, durch die ECU den Betrieb des Verdichters auf Basis wenigstens eines der Werte, der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte, und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
Figurenliste
Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für einen Durchschnittsfachmann bei Prüfung der folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung offensichtlich sein oder werden. Es ist beabsichtigt, dass alle solchen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in dieser Beschreibung eingeschlossen sind, im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen und durch die zugehörigen Ansprüche geschützt sind. Die in den Zeichnungen gezeigten Komponententeile sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und können übertrieben sein, um die wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung besser zu veranschaulichen. In den Zeichnungen bezeichnen in den unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile, wobei gilt:

1 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenkreislauf veranschaulicht, der in der Lage ist, Elektrizität auf Basis einer chemischen Reaktion zu erzeugen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Merkmale eines Brennstoffzellenkreislaufs der 1 veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Verdichters zur Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Logikkomponenten einer elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs der 1 zum Bereitstellen eines Gases mit einer erwünschten Durchflussrate und einem erwünschten Druck für den Brennstoffzellenkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5A und 5B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Schätzen von Druck- und Durchflusswerten für mehrere Komponenten eines Brennstoffzellenkreislaufs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
6A und 6B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zum Bestimmen einer erwünschten Progression oder eines Verlaufs von mehreren Parametern eines Brennstoffzellenkreislaufs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
7 ist ein Drehzahlkennfeld, das Luftstromraten und Druckverhältnisse mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen eines in einem Brennstoffzellenkreislauf verwendeten Verdichters aufzeichnet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 veranschaulicht gespeicherte Verdichterdurchflusskennfelder zusammen mit einem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld, das unter Verwendung der gespeicherten Verdichterdurchflusskennfelder interpoliert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 veranschaulicht das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld der 8 zusammen mit einem Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld und einem Verdichterdruckverhältniskennfeld, die der Progression des Verdichterdurchflusskennfelds folgen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 umfasst verschiedene Kennfelder und Kurvenbilder, die eine Progression entlang des interpolierten Verdichterdurchflusskennfelds und des Verdichterdruckverhältniskennfelds der 9 von einer anfänglichen Anforderung bis zur Erreichung eines Sollwertes veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für eine Vorwärtsregelung eines Ventils eines Brennstoffzellenkreislaufs veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 veranschaulicht ein beispielhaftes Ventil zur Verwendung in einem Brennstoffzellenkreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13A und 13B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Vorwärtsregelung eines Verdichters eines Brennstoffzellenkreislaufs veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuerschaltung zum Umsetzen des Verfahrens der 13A und 13B veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15A und 15B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Rückwärtsregelung eines Ventils eines Brennstoffzellenkreislaufs veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16A und 16B veranschaulichen Druckkennfelder, die im Verfahren der 15A und 15B verwendet werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17A und 17B sind Blockdiagramme, die Regelungsschaltungen zum Umsetzen des Verfahrens der 15A und 15B veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18A und 18B sind Flussdiagramme, die ein Verfahren zur Rückwärtsregelung eines Verdichters eines Brennstoffzellenkreislaufs veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ist ein Luftstromkennfeld, das im Verfahren der 18A und 18B verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
20A und 20B sind Blockdiagramme, die Regelungsschaltungen zum Umsetzen des Verfahrens der 18A und 18B veranschaulichen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Systeme und Verfahren, um einem Brennstoffzellenkreislauf Luft bereitzustellen. Die Systeme stellen mehrere Vorteile bereit, wie zum Beispiel Luftstrom- und Druckwerte für jede Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs zu schätzen. Die Schätzungen basieren auf Daten, die von einem einzelnen Luftstromsensor und einem einzelnen Drucksensor detektiert werden, stellen jedoch vorteilhafterweise eine relativ genaue Schätzung der Werte bereit. Der Brennstoffzellenkreislauf umfasst nur zwei Sensoren, somit reduzieren sich die Kosten des Brennstoffzellenkreislaufs aufgrund der relativ wenigen Sensoren, die enthalten sind. Das System schätzt die Durchfluss- und Druckwerte für jede Komponente während jedes zeitlichen Schritts, wodurch es vorteilhafterweise anderen Steuersystemen Informationen nahezu in Echtzeit bereitstellt.
Ein beispielhaftes System umfasst einen Verdichter, um Gas durch einen Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen, wo es möglicherweise von einem Brennstoffzellenstapel aufgenommen wird, der mehrere Brennstoffzellen umfasst. Das System umfasst des Weiteren mehrere Rohre, um das Gas zu transportieren, und einen Drucksensor, der dazu ausgestaltet ist, einen Druck des Gases zu detektieren. Das System umfasst einen Speicher, der ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs speichert, zusammen mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU). Die ECU kann Durchfluss- und Druckwerte des Gases im gesamten Brennstoffzellenkreislauf auf Basis des Drucks berechnen, der vom Drucksensor detektiert wird. Die ECU kann dann den Verdichter auf Basis eines aufgenommenen Steuersignals und der berechneten Durchfluss- und Druckwerte steuern.
Mit Bezug auf die 1: ein Fahrzeug 100 umfasst Komponenten eines Systems 101, um Brennstoffzellen Gas, wie zum Beispiel Luft, bereitzustellen. Insbesondere umfassend das Fahrzeug 100 und das System 101 eine ECU 102 und einen Speicher 104. Das Fahrzeug 100 umfasst des Weiteren eine Leistungsquelle 110, die wenigstens eines von Folgenden, einen Motor 112, einen Motorgenerator 114, eine Batterie 116 oder einen Brennstoffzellenkreislauf 118, umfassen kann. Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann ein Teil des Systems 101 sein.
Die ECU 102 kann mit jeder Komponente des Fahrzeugs 100 gekoppelt sein und kann einen oder mehrere Prozessoren oder Steuerungen umfaassen, die insbesondere für Automobilsysteme ausgestaltet sein können. Die Funktionen der ECU 102 können in einer einzelnen ECU oder in mehreren ECUs umgesetzt sein. Die ECU 102 kann Daten aus Komponenten des Fahrzeugs 100 empfangen, kann Bestimmungen auf Basis der empfangenen Daten vornehmen und kann den Betrieb der Komponenten auf Basis der Bestimmungen steuern.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 100 vollautonom oder halbautonom sein. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 verschiedene Aspekte des Fahrzeugs 100 steuern (wie zum Beispiel Lenken, Bremsen, Beschleunigen oder dergleichen), um das Fahrzeug 100 von einer Startposition zu einem Zielort zu bewegen.
Der Speicher 104 kann irgendeinen nichtflüchtigen Speicher umfassen, der im Fachgebiet bekannt ist. In dieser Hinsicht kann der Speicher 104 maschinenlesbare Befehle speichern, die durch die ECU 102 verwendbar sind, und kann andere Daten speichern, wie sie von der ECU 102 angefordert werden oder von einem Fahrzeughersteller oder -nutzer programmiert sind. Der Speicher 104 kann ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs 118 speichern. Das Modell kann Gleichungen oder andere Informationen enthalten, die verwendbar sind, um verschiedene Parameter des Brennstoffzellenkreislaufs 118 zu schätzen.
Der Motor 112 kann einen Brennstoff in mechanische Leistung umwandeln. In dieser Hinsicht kann der Motor 112 ein Benzinmotor, ein Dieselmotor oder dergleichen sein.
Die Batterie 116 kann elektrische Energie speichern. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 116 irgendeine oder mehrere Energiespeichereinrichtungen umfassen, einschließlich einer Batterie, eines Schwungrads, eines Superkondensators, einer thermischen Speichereinrichtung oder dergleichen.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, 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 dem Sauerstoff ermöglichen und Elektrizität als Reaktion auf die Reaktion ausgeben. In dieser Hinsicht kann die durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 erzeugte elektrische Energie in der Batterie 116 gespeichert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 100 mehrere Brennstoffzellenkreisläufe umfassen, einschließlich des Brennstoffzellenkreislaufs 118.
Der Motorgenerator 114 kann die elektrische Energie, die in der Batterie gespeichert ist (oder elektrische Energie, die direkt aus dem Brennstoffzellenkreislauf 118 aufgenommen wird), in mechanische Leistung umwandeln, die zum Antreiben des Fahrzeugs 100 verwendbar ist. Der Motorgenerator 114 kann des Weiteren mechanische Leistung, die aus dem Motor 112 oder den Rädern des Fahrzeugs 100 aufgenommen wird, in Elektrizität umwandeln, die in der Batterie 116 als Energie gespeichert und/oder von anderen Komponenten des Fahrzeugs 100 verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann der Motorgenerator 114 auch oder stattdessen eine Turbine oder eine andere Einrichtung umfassen, die in der Lage ist, Schub zu erzeugen.
Nun mit Bezug auf die 2: zusätzliche Details des Brennstoffzellenkreislaufs 118 werden veranschaulicht. Insbesondere umfasst der Brennstoffzellenkreislauf 118 einen Lufteinlass 200, einen Luftreiniger 202, einen Verdichter 204, einen Zwischenkühler 206, einen Brennstoffzellenstapel 208, einen Bypass-Zweig 210, ein Bypass-Ventil 212, das entlang des Bypass-Zweigs 210 positioniert ist, und ein Drosselventil 214.
Der Lufteinlass 200 kann Luft aus der Umgebung aufnehmen, wie zum Beispiel von außerhalb des Fahrzeugs 100 der 1. In einigen Ausführungsformen kann der Lufteinlass 200 einen Filter umfassen, um Fremdkörper aus der aufgenommenen Luft zu filtern. Der Luftreiniger 202 kann einen Filter oder eine andere Einrichtung umfassen, die in der Lage ist, Fremdkörper und andere Verunreinigungen aus der aus dem Lufteinlass 200 aufgenommenen Luft zu entfernen.
Der Verdichter 204 kann ein Turboverdichter oder ein anderer Verdichter sein, der in der Lage ist, Luft unter Druck zu setzen. In dieser Hinsicht kann der Verdichter 204 Luft aus dem Reiniger 202 ziehen und druckbeaufschlagte Luft ausgeben.
Mit kurzem Bezug auf die 3: ein beispielhafter Verdichter 300 kann als der Verdichter 204 der 2 verwendet werden. Insbesondere umfasst der Verdichter 300 ein Gehäuse 302, durch das Luft gezogen werden kann. Ein Laufrad 304, das mehrere Schaufelblätter umfassend kann, kann sich im Inneren des Gehäuses 302 befinden. Ein Motor 306 (oder eine andere Drehmomentquelle) kann mechanische Leistung erzeugen, die ein Drehmoment mit einer Rotationsgeschwindigkeit aufweist, das von einem Getriebe 308 über eine Welle 310 aufgenommen werden kann. Das Getriebe 308 kann die aus dem Motor 306 aufgenommenen Leistung in Leistung mit einem anderen Drehmoment und einer anderen Rotationsgeschwindigkeit umwandeln. Die mechanische Leistung aus dem Getriebe 308 kann über die Welle 312 auf das Laufrad 304 angewendet werden. Der Druck des Gases, das vom Verdichter 300 ausgegeben wird, kann vom Drehmoment und der Drehzahl der auf das Laufrad 304 angewandten mechanischen Leistung abhängig sein.
Zurück mit Bezug auf die 2: der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann des Weiteren einen Zwischenkühler 206 umfassen. Der Zwischenkühler 206 kann die Luft aus dem Verdichter 204 aufnehmen und kann ferner ein Fluid, wie zum Beispiel ein Kühlmittel, aufnehmen. Der Zwischenkühler 206 kann Wärme aus der Luft an das Kühlmittel übertragen, oder er kann Wärme aus dem Kühlmittel an die Luft übertragen. In dieser Hinsicht kann der Zwischenkühler 206 eine Temperatur der Luft einstellen, die durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 strömt.
Der Brennstoffzellenstapel 208 kann mehrere Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzellen können Wasserstoff zusammen mit der Luft aus dem Zwischenkühler 206 aufnehmen. Die Brennstoffzellen können eine chemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff in der Luft und dem Wasserstoff ermöglichen, was Elektrizität erzeugen kann.
Die Luft aus dem Zwischenkühler 206 kann so geteilt werden, dass etwas Luft durch den Brennstoffzellenstapel 208 und etwas Luft durch den Bypass-Zweig 210 strömt. In dieser Hinsicht strömt die Luft, die durch den Bypass-Zweig 210 strömt, nicht durch den Brennstoffzellenstapel 208. Das Bypass-Ventil 212 kann eine einstellbare Ventilstellung aufweisen. Die einstellbare Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 kann geregelt werden, um eine Luftstrommenge durch den Bypass-Zweig 210 einzustellen und gleichermaßen eine Luftstrommenge durch den Brennstoffzellenstapel 208 einzustellen. Wenn zum Beispiel das Bypass-Ventil 212 zu 100 Prozent (100 %) geschlossen ist, dann strömt der gesamte Luftstrom durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 durch den Brennstoffzellenstapel 208.
Obwohl die Erörterung Bezug auf den Luftstrom durch den Brennstoffzellenkreislauf 118 nehmen kann, wird ein Fachmann erkennen, dass irgendein anderer Gasstrom den Luftstrom ersetzen kann, ohne dass vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abgewichen wird.
Das Drosselventil 214 kann gleichermaßen eine einstellbare Ventilstellung aufweisen. Die einstellbare Ventilstellung des Drosselventils 214 kann geregelt 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 und kann durch Öffnen des Drosselventils 214 verringert werden.
Mit Bezug auf die 1 und 2: sowohl der Verdichter 204, das Bypass-Ventil 212 als auch das Drosselventil 214 können als Aktuatoren betrachtet werden und von der ECU 102 geregelt werden. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Leistungsanforderung von einem Fahrer des Fahrzeugs empfangen (oder kann in einem autonomen oder halbautonomen Fahrzeug eine Leistungsanforderung erzeugen). Die ECU 102 kann die Leistungsanforderung in erwünschte Druck- oder Durchflusswerte umwandeln, die dem erwünschten Druck oder dem erwünschten Luftstrom an spezifischen Positionen innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs 118 entsprechen. Die ECU 102 kann dann sowohl den Verdichter 204, das Bypass-Ventil 212 als auch das Drosselventil 214 regeln, um die erwünschten Druck- oder Durchflusswerte zu erreichen.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann des Weiteren einen Durchflusssensor 216 und einen Drucksensor 218 umfassen. Der Durchflusssensor 216 kann einen Durchfluss des Gases (wie zum Beispiel einen Mengendurchfluss) durch den Verdichter 204 detektieren. Der Drucksensor 218 kann einen Druck des Gases an einer Austrittsöffnung des Zwischenkühlers 206 detektieren.
Der Brennstoffzellenkreislauf 118 kann des Weiteren mehrere Rohre 220 umfassen. Zum Beispiel kann zu den mehreren Rohren 220 ein erstes Rohr 222, welches das Gas vom Einlass 200 zum Luftreiniger 202 überträgt, und ein zweites Rohr 224, welches das Gas aus dem Luftreiniger 202 zum Durchflusssensor 216 überträgt, zählen. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr von Folgenden, dem Einlass 200, dem Luftreiniger 202 oder dem Durchflusssensor 216, direkt ohne irgendwelche Rohre verbunden sein.
Jetzt mit Bezug auf die 2 und 4: die ECU 102 kann verschiedene Prozesse oder Funktionen zum Steuern des Brennstoffzellenkreislaufs 118 umfassen. Die Prozesse oder Funktionen innerhalb der ECU 102 können jeweils in Hardware umgesetzt werden (d. h. von einer dedizierten Hardware durchgeführt werden), sie können in Software umgesetzt werden (d. h. einer Universal-ECU, auf der Software läuft, die in einem Speicher gespeichert wird), oder sie können über eine Kombination von Hardware und Software umgesetzt werden.
Insbesondere kann die ECU 102 einen Zustandsvermittler 400 umfassen. Der Zustandsvermittler 400 kann ein Steuersignal 402 empfangen, das erwünschten Druck- und/oder Durchflusswerten entspricht (d. h. wenigstens einem Drucksollwert oder wenigstens einem Durchflusssollwert). Das Steuersignal 402 kann gleichermaßen einer Leistungsanforderung entsprechen. Der Zustandsvermittler 400 kann die Druck- und Durchflusssollwerte analysieren und bestimmen, ob die Sollwerte auf Basis der Mechanik des Brennstoffzellenkreislaufs 118 umsetzbar sind und ob eine oder mehrere Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 bei einem Versuch, einen Sollwert zu erreichen, wahrscheinlich beschädigt werden. Der Zustandsvermittler 400 kann dann die vermittelten Sollwerte 404 ausgeben.
Die ECU 102 kann des Weiteren einen Zustandsschätzer 406 umfassen. Der Zustandsschätzer 406 kann die vermittelten Sollwerte 404 zusammen mit den Sensordaten 408 empfangen, die vom Durchflusssensor 216 und vom Drucksensor 218 detektiert worden sind. Der Zustandsschätzer 406 kann aktuelle Druckwerte und Durchflusswerte berechnen oder schätzen, die jeder Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 (einschließlich der mehreren Rohre 220) entsprechen. Der Zustandsschätzer 406 kann die aktuellen Schätzwerte 410 ausgeben. In einigen Ausführungsformen kann der Zustandsschätzer 406 auch die vermittelten Sollwerte 404 bestimmen oder einstellen.
Die ECU 102 kann auch eine Verlaufssteuerung 412 umfassen. Die Verlaufssteuerung 412 kann die aktuellen Schätzwerte 410 zusammen mit den vermittelten Sollwerten 404 empfangen. Die Verlaufssteuerung 412 kann einen erwünschten Verlauf von den aktuellen Schätzwerten 410 zu den vermittelten Sollwerten 404 identifizieren. Die Verlaufssteuerung 412 kann erwünschte Zwischensollwerte 414 bestimmen und ausgeben, die im gewünschten Verlauf von den aktuellen Schätzwerten 410 zu den vermittelten Sollwerten 404 liegen.
Die ECU 102 kann auch eine Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 umfassen. Die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 kann die erwünschten Zwischensollwerte 414 zusammen mit den aktuellen Schätzwerten 410 empfangen. Die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 kann Steuersignale 418 bestimmen und ausgeben, die den Betrieb der Aktuatoren des Brennstoffzellenkreislaufs 118 steuern können.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 5A und 5B: ein Verfahren 500 zum Schätzen der aktuellen Schätzwerte 410 kann durch Komponenten des Systems 101 durchgeführt werden, wie zum Beispiel den Zustandsschätzer 406. Im Block 502 kann die ECU 102 ein Steuersignal bestimmen oder empfangen, wie zum Beispiel die vermittelten Sollwerte 404, die der erwünschten Operation der Aktuatoren entsprechen. Zum Beispiel kann das Steuersignal Druck- und Durchflusssollwerte an verschiedenen Positionen im gesamten Brennstoffzellenkreislauf 118 umfassen oder ihnen entsprechen. Wie oben beschrieben wird, können der Verdichter 204, das Bypass-Ventil 212 und das Drosselventil 214 gesteuert werden, um die Druck- und Durchflusswerte im gesamten Brennstoffzellenkreislauf 118 einzustellen.
Im Block 504 können der Durchflusssensor 216 und der Drucksensor 218 einen aktuellen Mengendurchflusswert des Gases, das durch den Verdichter 204 strömt, und einen aktuellen Druckwert, der dem Druck des Gases an der Austrittsöffnung des Zwischenkühlers 206 entspricht, detektieren.
Im Block 506 kann die ECU 102 Mengendurchflusswerte des Gases durch die Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs auf Basis der Charakteristika der Komponenten, der Einstellungen der Aktuatoren und dem durch den Durchflusssensor 216 detektierten Mengendurchfluss berechnen. Da der Mengendurchfluss durch in Reihe verbundene Komponenten relativ konstant bleibt, kann angenommen werden, dass der Mengendurchfluss durch den Einlass 200, den Reiniger 202, den Verdichter 204 und den Zwischenkühler 206 zusammen mit allen Rohren stromaufwärts eines Durchflussteilers 226 gleich dem Mengendurchfluss ist, der durch den Durchflusssensor 216 detektiert wird.
Im Block 508, der ein Unterblock von Block 506 sein kann, kann die ECU 102 den Mengendurchfluss oder andere Durchflusswerte des Gases am Bypass-Zweig 210 auf Basis eines vorherigen Bypass-Druckwerts 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 vorher einen Druck des Fluids durch den Bypass-Zweig 210 berechnet hat, kann die ECU einen vorher berechneten Bypass-Druckwert verwenden, der während eines vorherigen zeitlichen Schritts berechnet worden ist, um den aktuellen Durchfluss durch den Bypass-Zweig 210 zu berechnen. Zum Beispiel kann die ECU eine oder mehrere der nachstehend erörterten Gleichungen 1, 2, 3 oder 4 verwenden, um den aktuellen Durchfluss durch den Bypass-Zweig unter Verwendung des vorher berechneten Bypass-Druckwerts als den Druckwert zu berechnen. Während einer ersten Wiederholung des Verfahrens 500 kann die ECU 102 den aktuellen Durchflusswert auf Basis eines vorher zugewiesenen Anfangsdruckwerts berechnen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 auch oder stattdessen den aktuellen Durchflusswert durch den Brennstoffzellenstapel 208 auf Basis von vorher bestimmten Brennstoffzellendruckwerten berechnen.
In einigen Situationen kann das Bypass-Ventil 212 geschlossen sein, was den Luftstrom durch den Bypass-Zweig 210 beschränkt. In solchen Situationen kann die ECU 102 annehmen, dass der Mengendurchfluss durch den Brennstoffzellenstapel 208 gleich dem durch den Durchflusssensor 216 detektierten Mengendurchfluss ist.
Die ECU 102 kann annehmen, dass eine Summe des Durchflusses durch den Bypass-Zweig 210 und durch den Brennstoffzellenstapel 208 gleich dem durch den Durchflusssensor 216 detektierten Mengendurchfluss ist. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 den aktuellen Durchflusswert durch den Brennstoffzellenstapel 208 berechnen, indem sie den Durchfluss durch den Bypass-Zweig 210 von dem durch den Durchflusssensor 216 detektierten Mengendurchfluss subtrahiert.
Im Block 510 kann die ECU 102 eine Menge an Strom berechnen oder empfangen, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird. Zum Beispiel können einer oder mehrere Sensoren (nicht dargestellt) mit dem Brennstoffzellenstapel 208 gekoppelt sein und den Stromausgabepegel detektieren. Als ein anderes Beispiel kann die ECU 102 Logik zum Berechnen der Menge der Stromausgabe durch den Brennstoffzellenstapel 208 auf Basis verschiedener Eingaben umfassen, wie zum Beispiel dem Luftstrom durch den Brennstoffzellenstapel 208, einer Leistungsanforderung des Brennstoffzellenstapels 208 und dergleichen.
Im Block 512 kann die ECU 102 einen molaren Anteil des Gases am Brennstoffzellenstapel 208 auf Basis der Stromausgabe durch den Brennstoffzellenstapel 208 bestimmen oder berechnen. Der molare Anteil entspricht einem Verhältnis oder einem Anteil, der angibt, wie viel jeder Komponente sich in dem Gas befindet. Wenn das Gas zum Beispiel Luft ist, kann der molare Anteil einen Prozentsatz an Sauerstoff in der Luft, einen Prozentsatz von Stickstoff in der Luft und dergleichen enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 annehmen, dass das Gas, das in den Brennstoffzellenstapel 208 strömt, Standardluft ist und etwa 21 % Sauerstoff und 79 % Stickstoff enthält. Die ECU 102 kann dann eine oder mehrere Gleichung(en) oder Lookup-Tabelle(n) verwenden, um eine Menge an Sauerstoff zu berechnen, die vom Brennstoffzellenstapel 208 verbraucht wird, um eine Menge an Wasserstoff zu berechnen, die eine Membran des Brennstoffzellenstapels 208 durchquert, und um eine Menge an flüssigem Wasser und/oder Wasserdampf zu berechnen, die in einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 208 erzeugt wird. Zum Beispiel kann die Menge an flüssigem Wasser und/oder Wasserdampf, die in der Kathode erzeugt wird, eine Funktion einer Anforderung von elektrischem Strom sein, der durch den Brennstoffzellenstapel 208 hergestellt wird. Auf Basis der Ergebnisse der Lookup-Tabellen/Gleichungen kann die ECU 102 den molaren Anteil des Gases berechnen, das durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird.
Da der Brennstoffzellenstapel 208 Wasser zusätzlich zum Restgas ausgibt, kann die ECU 102 annehmen, dass der Mengendurchfluss des Gases, das in den Brennstoffzellenstapel 208 strömt, der gleiche wie der Mengendurchfluss des Gases ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel 208 strömt, ungeachtet des Verbrauchs an Sauerstoff durch den Brennstoffzellenstapel 208.
Der Verbrauch an Sauerstoff durch den Brennstoffzellenstapel 208 kann allerdings dazu führen, dass das Gas, das durch den Brennstoffzellenstapel 208 ausgegeben wird, eine andere Viskosität aufweist als das Gas, das durch den Brennstoffzellenstapel 208 aufgenommen wird. In dieser Hinsicht und im Block 514 kann die ECU 102 eine Gleichung oder eine Lookup-Tabelle verwenden, um auf Basis des berechneten molaren Anteils eine Viskosität des Gases zu bestimmen, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird. Wie nachstehend erörtert wird, beeinflusst die Viskosität des Gases eine Reynolds-Zahl, die verwendet wird, um die Drücke des Gases an Positionen im gesamten Brennstoffzellenkreislauf 118 zu bestimmen.
Im Block 516 kann die ECU eine Reynolds-Zahl des Gases bestimmen, das durch jede Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 strömt. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Gleichung ähnlich der nachstehenden Gleichung 1 verwenden, um die Reynolds-Zahl zu bestimmen. $R e = \frac{\dot{m} D}{A μ}$
In der Gleichung 1 stellt Re die Reynolds-Zahl dar, m stellt den Mengendurchfluss dar, der in den Blöcken 506 und 508 bestimmt worden ist, D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann (einschließlich der Aktuatoren und Rohre 220), A stellt eine Querschnittsfläche der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann, und µ stellt die dynamische Viskosität dar, die im Block 514 berechnet worden ist. D und A sind beide bekannte Werte für jede Komponente und können in einem Speicher gespeichert werden.
Im Block 518 kann die ECU 102 den laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswert des Gases durch jede der Komponenten auf Basis der Reynolds-Zahl berechnen. Zum Beispiel können die Durchflusswerte als Darcy-Reibungsfaktorwerte bereitgestellt werden. Die ECU 102 kann auf Basis der Reynolds-Zahl bestimmen, ob der Durchfluss durch jede der Komponenten ein laminarer Durchfluss, ein turbulenter Durchfluss oder ein gemischter Durchfluss (d. h. eine Kombination von laminaren und turbulenten Durchflüssen) ist. Falls zum Beispiel die Reynolds-Zahl größer als ein oberer Durchflussschwellenwert ist, dann ist der Durchfluss turbulent, was bedeutet, dass der Durchfluss durch chaotische Änderungen im Druck und in der Durchflussgeschwindigkeit gekennzeichnet sein kann. Falls die Reynolds-Zahl kleiner als ein unterer Durchflussschwellenwert ist, dann ist der Durchfluss laminar, was bedeutet, dass das Gas in parallelen Schichten mit wenig oder ohne Abriss zwischen den Schichten strömt. Falls die Reynolds-Zahl zwischen dem unteren Durchflussschwellenwert und dem oberen Durchflussschwellenwert liegt, dann zeigt der Durchfluss Charakteristika sowohl des laminaren Durchflusses als auch des turbulenten Durchflusses und wird als ein gemischter Durchfluss betrachtet. Der obere Durchflussschwellenwert ist ein Schwellenwert, der angibt, ob der Durchfluss rein turbulent ist (ein Durchfluss ist rein turbulent, wenn die entsprechende Reynolds-Zahl größer als der obere Durchflussschwellenwert ist). Der untere Durchflussschwellenwert ist ein Schwellenwert, der angibt, ob der Durchfluss rein laminar ist (ein Durchfluss ist rein laminar, wenn die entsprechende Reynolds-Zahl kleiner als der untere Durchflussschwellenwert ist).
Nach dem Bestimmen, ob der Durchfluss laminar, turbulent oder gemischt ist, kann die ECU 102 den Durchflusswert unter Verwendung der nachstehenden Gleichungen 2 und 3 berechnen. Die Gleichung 2 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss turbulent ist, die Gleichung 3 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss laminar ist, und die Gleichungen 2 und 3 sind zu verwenden, wenn der Durchfluss gemischt ist. $f = \frac{1}{{[- 1,8 l o g_{10} (\frac{6,9}{R e} + {(\frac{R a u h e i t}{3,7 D})}^{1,11})]}^{2}}$
In der Gleichung 2 stellt f einen Darcy-Reibungsfaktor für den entsprechenden Durchflusstyp dar (d. h. turbulent). Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die im Block 516 berechnet worden ist. Rauheit entspricht einer Rauheit des Materials, durch welches das Gas strömt, und ist eine bekannte Eigenschaft des Materials. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann (einschließlich der Aktuatoren und Rohre 220). $f = \frac{64}{R e}$
In der Gleichung 3 stellt f den Darcy-Reibungsfaktor für den entsprechenden Durchflusstyp dar (d. h. laminar), und Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die im Block 516 berechnet worden ist.
Falls die Reynolds-Zahl angibt, dass der Durchfluss ein gemischter Durchfluss ist, dann 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. den Ergebnissen der Gleichungen 2 und 3). Die Interpolation kann auf der Position der Reynolds-Zahl zwischen dem oberen Durchflussschwellenwert und dem unteren Durchflussschwellenwert basieren. Zum Beispiel kann dem Darcy-Reibungsfaktor für den turbulenten Durchfluss mehr Gewicht während der Interpolation bereitgestellt werden, falls die Reynolds-Zahl näher am oberen Durchflussschwellenwert als am unteren Durchflussschwellenwert liegt. Als ein anderes Beispiel: falls die Reynolds-Zahl direkt zwischen dem oberen Durchflussschwellenwert und dem unteren Durchflussschwellenwert liegt, dann wäre der Darcy-Reibungsfaktor für den gesamten Durchfluss gleich einem Mittelwert des Darcy-Reibungsfaktors für den laminaren Durchfluss und dem Darcy-Reibungsfaktor für den turbulenten Durchfluss.
Im Block 520 kann die ECU 102 Druckwerte an einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung jeder der Komponenten, einschließlich der Rohre 220, auf Basis der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte berechnen. Insbesondere falls der Durchfluss rein laminar oder rein turbulent ist, kann die ECU 102 dann Druckwerte unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 4 berechnen. $Δ P = \frac{{\dot{m}}^{2} (L + L e) R T_{u p} f}{2 D A^{2} P_{u p}}$
In der Gleichung 4 stellt ΔP einen Druckabfall über der Komponente dar, der einer Differenz zwischen dem Druck an der Eintrittsöffnung der Komponente und an der Austrittsöffnung der Komponente entspricht. L stellt eine Länge der Komponente dar, durch die das Gas strömt. Le stellt eine äquivalente Länge der Komponente dar, durch die das Gas strömt. R stellt eine spezifische Gaskonstante des Gases dar und hat einen Wert von $\frac{J o u l e s}{m o l \times K e l v i n} . T_{u p}$
stellt eine Temperatur des Gases auf einer Hochdruckseite der Komponente dar (d. h. einer Seite der Komponente, die höhere Drücke als die andere Seite erfährt oder aktuell erfährt).f stellt den Darcy-Reibungsfaktor des Durchflusses dar, der im Block 518 berechnet worden ist. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann, und A stellt eine Querschnittsfläche des Abschnitts der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann. P_up stellt einen Druck des Gases an der Hochdruckseite der Komponente dar.
Falls der Durchfluss ein gemischter Durchfluss ist, kann die ECU 102 dann die Druckwerte unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 5 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 der Gleichung 5 stellt ΔP einen Druckabfall über der Komponente dar, der einer Differenz zwischen dem Druck an der Eintrittsöffnung der Komponente und an der Austrittsöffnung der Komponente entspricht. Re_turb stellt den oberen Durchflussschwellenwert dar, und Re_lam stellt den unteren Durchflussschwellenwert dar, die beide oben mit Bezug auf den Block 518 erörtert worden sind. Re stellt die Reynolds-Zahl dar, die im Block 516 berechnet worden ist. ṁ stellt den Mengendurchfluss dar, der in den Blöcken 506 und 508 bestimmt worden ist. L stellt eine Länge der Komponente dar, durch die das Gas strömt. Le stellt eine äquivalente Länge der Komponente dar, durch die das Gas strömt. R stellt eine spezifische Gaskonstante des Gases dar und hat einen Wert von $\frac{J o u l e s}{m o l \times K e l v i n} . T_{u p}$
stellt eine Temperatur des Gases an einer Hochdruckseite der Komponente dar. f stellt den Durchflusswert dar, der im Block 518 berechnet worden ist. D stellt einen Durchmesser der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann, und A stellt eine Querschnittsfläche des Abschnitts der Komponente dar, durch die das Gas strömen kann. P_up stellt einen Druck des Gases an der Hochdruckseite der Komponente dar.
Die oben genannten Gleichungen 4 und 5 stellen Druckabfälle bereit, jedoch keine spezifischen Druckwerte an den Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen der Komponenten. Allerdings kann die ECU 102 die spezifischen Druckwerte auf Basis der berechneten Druckabfälle, des durch den Drucksensor 218 detektierten Drucks und durch die Annahme, dass der Druck an einer Eintrittsöffnung 232 des Einlasses 200 und der Austrittsöffnung 234 der Ventile 212, 214 gleich dem Umgebungsdruck ist, berechnen oder bestimmen.
Um zum Beispiel den Druck des Gases an einer Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204 und einer Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 festzustellen, kann die ECU 102 zuerst den Druckabfall über dem Einlass 200, dem ersten Rohr 222, dem Reiniger 202 und dem zweiten Rohr 224 bestimmen. Die ECU 102 kann dann den Druckabfall über dem Einlass 200 zum/vom Umgebungsdruck addieren oder subtrahieren, um den Druck an einer Austrittsöffnung 236 des Einlasses 200 zu bestimmen. Die ECU kann auf diese Weise fortfahren, um den Eintrittsöffnungs- und Austrittsöffnungsdruck 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 über einem dritten Rohr 238, dem Zwischenkühler 206 und einem vierten Rohr 240 bestimmen. Die ECU 102 kann dann den Druckabfall über dem vierten Rohr 240 zum/vom durch den Drucksensor 218 detektierten Druck addieren oder subtrahieren, um den Druck an einer Eintrittsöffnung 242 des Zwischenkühlers 206 zu bestimmen. Die ECU 102 kann auf diese Weise fortfahren, bis der Druck an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 festgestellt ist.
Die ECU 102 kann eine ähnliche Strategie verwenden, um die Absolutdruckwerte an der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des Brennstoffzellenstapels 208, der Ventile 212, 214 und der Rohre dazwischen zu bestimmen.
Im Block 522 kann die ECU einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer umsetzen, um eine Änderungsgeschwindigkeit der berechneten Werte zu begrenzen. Das Gas innerhalb des Brennstoffzellenkreislaufs 118 kann dynamische Kompressibilität erfahren, und somit können Verzögerungen zwischen Komponenten auftreten. Da die Gleichungen verwendet werden, um Werte auf Basis einer Annahme, dass dynamische Kompressibilität nicht die Durchfluss- und Druckwerte beeinflusst, zu berechnen, können die berechneten Werte gelegentlich von den gemessenen Werten abweichen. In dieser Hinsicht kann der Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer solche Verzögerungen berücksichtigen. Zum Beispiel kann der Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer eine Änderungsgeschwindigkeit des Drucks an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204 auf eine spezifische Änderungsgeschwindigkeit begrenzen, was darauf zurückzuführen ist, dass eine gewisse Verzögerung zwischen dem Verdichter 204, der anfängt, die Luft zu verdichten, und dem Druck an der Austrittsöffnung 230, der einen spezifizierten Wert erreicht, auftritt.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 6A und 6B: ein Verfahren 600 kann verwendet werden, um die Funktionen der Verlaufssteuerung 412 der ECU 102 durchzuführen. Das Verfahren 600 kann durch verschiedene Komponenten des Systems 101 durchgeführt werden, wie zum Beispiel der ECU 102, dem Speicher 104 der 1 und dergleichen.
Im Block 602 können mehrere Kennfelder in einem Speicher gespeichert sein. Zu den Kennfeldern können ein Drehzahlkennfeld, Verdichterdurchflusskennfelder, Verdichterdruckverhältniskennfelder, Brennstoffzellendurchflussratenkennfelder und Verdichterdrehmomentkennfelder zählen.
Mit kurzem Bezug auf die 7: es wird ein Drehzahlkennfeld 700 gezeigt. Das Drehzahlkennfeld 700 entspricht dem Verdichter des Brennstoffzellenkreislaufs und weist eine X-Achse auf, die dem Mengendurchfluss durch den Verdichter entspricht, eine Y-Achse, die dem Druckverhältnis über dem Verdichter entspricht, und mehrere Drehzahllinien 702, die unterschiedlichen Drehzahlen des Verdichters (wie zum Beispiel der Winkelgeschwindigkeit) entsprechen. Erwünschte Zustandsänderungen des Verdichters können im Drehzahlkennfeld 700 aufgezeichnet sein. Wie gezeigt wird, wird ein Startzustand in einem Startzustand 704 gezeigt, und ein Sollendzustand wird in einem Sollendzustand 706 gezeigt. Wenn sich der Verdichter vom Startzustand 704 zum Sollendzustand 706 bewegt, werden alle drei Werte, das Druckverhältnis, der Mengendurchfluss und die Verdichterdrehzahl, im Wert reduziert.
Das Drehzahlkennfeld 700 umfasst des Weiteren einen Pump- (Surge-) Bereich 710 und einen Abriss- (Stall-) Bereich 712. Es ist für einen aktuellen Zustand des Verdichters nicht erwünscht, dass er im Pumpbereich 710 oder im Abrissbereich 712 liegt. In dieser Hinsicht kann es erwünscht sein, die Zustandsänderungen des Verdichters so zu regeln, dass jeder aktuelle Zustand innerhalb eines annehmbaren Bereichs 714 bleibt.
Das Drehzahlkennfeld 700 kann zwei oder mehr Verläufe umfassen, einschließlich eines Pumpverlaufs 716, eines Abrissverlaufs 718 und eines mittleren Verlaufs 720. Jeder dieser Verläufe 716, 718 und 720 läuft von einem 0-Drehzahlzustand 722 zu einer maximalen Drehzahllinie 724 und kann jeweils eine erwünschte Zustandsprogression des Verdichters darstellen.
Zurück unter kurzem Bezug auf die 6A: einer der Werte, der Verdichterdurchfluss, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate oder das Verdichterdrehmoment, kann als ein Führungs- oder Referenzzustand bezeichnet werden. Der Referenzzustand kann auf Basis der Wichtigkeit des Zustands für das System oder der Wichtigkeit des Zustands für den Schutz der Hardware ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Referenzzustand der Verdichterluftstrom sein. Die übrigen Zustände können jeweils Folgezustände sein, was bedeutet, dass ihre Progression auf Basis des Führungszustands definiert wird.
Mit Bezug auf die 7 und 8: es wird ein beispielhafter Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 gezeigt. Zum Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 können ein Pumpen-Verdichterdurchflusskennfeld 802, das dem Pumpverlauf 716 entspricht, ein mittleres Verdichterdurchflusskennfeld 804, das dem mittleren Verlauf 720 entspricht, und ein Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806, das dem Abrissverlauf 718 entspricht, zählen. Jedes der in der 8 gezeigten Verdichterdurchflusskennfelder 800 kann Situationen entsprechen, in denen sich das Druckverhältnis, die Mengendurchflussrate und die Verdichterdrehzahl verringern sollen. Der Speicher kann einen zusätzlichen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern speichern, die Situationen entsprechen, in denen sich das Druckverhältnis, die Mengendurchflussrate und die Verdichterdrehzahl erhöhen sollen. In dieser Hinsicht kann die ECU den Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern 800 auswählen, wenn sich die Verdichterdrehzahl verringern soll, und kann einen alternativen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern auswählen, wenn sich die Verdichterdrehzahl erhöhen soll.
Falls ein Startzustand auf einem der Folgenden, dem Pumpverlauf 716, dem mittleren Verlauf 720 oder dem Abrissverlauf 718, liegt, dann kann die ECU das entsprechende Verdichterdurchflusskennfeld auswählen. Falls zum Beispiel der Startzustand im mittleren Verlauf 720 liegt, dann kann die ECU das mittlere Verdichterdurchflusskennfeld 804 auswählen, um die Verdichterdurchflussrate zu regeln.
Der Speicher kann ähnliche Sätze von Kennfeldern für jedes, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment, speichern.
Wie gezeigt wird, ist jedes der Verdichterdurchflusskennfelder 800 normalisiert, mit einer normalisierten Y-Achse von 0 bis 1, was einer normalisierten Referenzprogression (NRP, Normalized Reference Progression, oder einem normalisierten Referenzzustandswert) entspricht. In dieser Hinsicht können die Kennfelder 800 einen erwünschten Verlauf des Verdichterluftstromzustands von irgendeinem Startzustand (entsprechend 0) zu irgendeinem Sollendzustand (entsprechend 1) bereitstellen. Da der Verdichterluftstromzustand der Führungszustand ist, entspricht die X-Achse der Verdichterdurchflusskennfelder 800 der Zeit.
Mit kurzem Bezug auf die 9: es wird ein beispielhaftes Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 gezeigt. Der Brennstoffzellendurchflussratenzustand ist ein Folgezustand, was bedeutet, dass seine Progression auf einem Vollständigkeitsprozentsatz des Verdichterluftstroms basiert. Wie gezeigt wird, weist die Y-Achse des Brennstoffzellendurchflussratenkennfelds 902 normalisierte Werte von 0 bis 1 auf, die einer normalisierten Folgeprogression (NFP, Normalized Follower Progression, oder einem normalisierten Folgezustandswert) entsprechen. Da allerdings die Brennstoffzellendurchflussrate ein Folgezustand ist, entspricht die X-Achse des Brennstoffzellendurchflussratenkennfelds 902 der normalisierten Referenzprogression (NRP) des Verdichterluftstroms. In dieser Hinsicht wird die Progression der Brennstoffzellendurchflussrate auf Basis der normalisierten Referenzprogression gesteuert.
Zurück mit Bezug auf die 4, 6A und 6B und im Block 604: die ECU 102 kann Sollendwerte für jeden der Folgenden bestimmen oder empfangen, eine Verdichterdurchflussrate, ein Verdichterdruckverhältnis, eine Brennstoffzellendurchflussrate und ein Verdichterdrehmoment. Zum Beispiel können die Sollendwerte aus dem Zustandsvermittler 400 empfangen werden. Die Sollendwerte können auf Basis einer Leistungsanforderung des Brennstoffzellenstapels eingestellt sein, die einer Eingabe des Fahrers entsprechen kann, wie zum Beispiel Niederdrücken des Gaspedals, oder die der Regelung durch die ECU 102 in autonomen oder halbautonomen Fahrzeugen entsprechen kann.
Im Block 606 kann die ECU 102 Startwerte oder aktuelle Werte für jeden der Folgenden bestimmen, die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment. Zum Beispiel kann die ECU 102 die aktuellen Werte auf Basis eines oder mehrerer der geschätzten Werte 410 aus dem Zustandsschätzer 406 oder anhand der Aktuator-Steuersignale 418 aus der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416 bestimmen.
Im Block 608 kann die ECU 102 einen ersten Satz von Kennfeldern für jedes der Folgenden auswählen, die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment, falls die Sollendwerte größer als die Startwerte oder die aktuellen Werte sind, und kann einen zweiten Satz von Kennfeldern auswählen, falls die Sollendwerte kleiner als die Startwerte oder die aktuellen Werte sind. Als Beispiel und mit Bezug auf die 7 bis 8: die ECU kann den Satz von Kennfeldern 800 auswählen, da der Sollendzustand 706 kleiner als der Startzustand 704 ist. In Situationen, in denen der Sollendzustand größer als ein Startzustand ist, kann die ECU einen alternativen Satz von Verdichterdurchflusskennfeldern auswählen.
Zurück mit Bezug auf die 4, 6A und 6B: die ECU 102 kann einen normalisierten Verdichterdurchflusswert interpolieren, indem sie die aktuelle Verdichterdurchflussrate zwischen einem ersten Verlauf und einem zweiten Verlauf auf dem Drehzahlkennfeld interpoliert. Als Beispiel und mit Bezug auf die 7: die ECU kann den normalisierten Verdichterdurchflusswert bestimmen, indem sie die aktuelle Verdichterdurchflussrate des Startzustands 704 zwischen dem Abrissverlauf 718 und dem mittleren Verlauf 720 interpoliert, da diese die beiden dem Startzustand 704 nächsten Verläufe sind.
Zurück mit Bezug auf die 4, 6A und 6B: die ECU 102 kann interpolierte Kennfelder für die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment auf Basis des normalisierten Verdichterdurchflusswerts erzeugen. Als Beispiel und mit Bezug auf die 7 und 8: der normalisierte Verdichterdurchflusswert kann angeben, dass 75 % des Steuer- (oder des interpolierten) Verlaufs auf dem Abrissverlauf 718 basieren sollten und 25 % des Steuerverlaufs auf dem mittleren Verlauf 720 basieren sollten.
Auf Basis dieser Bestimmung kann die ECU 102 ein interpoliertes Verdichterdurchflusskennfeld 810 erzeugen, indem sie zwischen dem mittleren Verdichterdurchflusskennfeld 804 und dem Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806 auf Basis des normalisierten Verdichterdurchflusswerts interpoliert. In dieser Hinsicht kann das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 erzeugt werden, indem das Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806 mit dem mittleren Verdichterdurchflusskennfeld 804 kombiniert wird und indem das Verdichterabrissdurchflusskennfeld 806 mit 75 % und das mittlere Verdichterdurchflusskennfeld 804 mit 25 % gewichtet wird. Das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 kann eine erwünschte Progression der Verdichterdurchflussrate auf Basis des spezifischen Startzustands 704 angeben. Die ECU 102 kann gleichermaßen interpolierte Kennfelder für jedes, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment, erzeugen.
Zurück mit Bezug auf die 4, 6A und 6B: die ECU 102 kann eine Verdichterzwischensolldurchflussrate unter Verwendung des interpolierten Verdichterdurchflusskennfelds zusammen mit der nachstehenden Gleichung 6 bestimmen. Die ECU kann die Verdichterzwischensolldurchflussrate des Weiteren auf Basis eines Zeitraums bestimmen, der abgelaufen ist, seit im Block 604 die Verdichtersollenddurchflussrate bestimmt oder empfangen worden ist.
Als Beispiel und mit Bezug auf die 4, 6A, 6B und 8: die ECU 102 kann zuerst den Zeitraum identifizieren, der abgelaufen ist, seit die Verdichtersollenddurchflussrate bestimmt worden ist, und kann dann die entsprechende Position auf dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld 810 lokalisieren. Zum Beispiel kann die ECU 102 identifizieren, dass 0,2 Sekunden abgelaufen sind, und kann somit bestimmen, dass der normalisierte Referenzprogressionswert, der 0,2 Sekunden entspricht, 0,2 ist.
Die ECU 102 kann dann den normalisierten Referenzprogressionswert von 0,2 in der nachstehenden Gleichung 6 verwenden, um die Verdichterzwischensolldurchflussrate 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 der Gleichung 6 stellt Int_tgt_comp_flow die Verdichterzwischensolldurchflussrate dar. start entspricht der Verdichterstartdurchflussrate, die im Block 606 bestimmt worden ist, und target entspricht der Verdichtersollenddurchflussrate, die im Block 604 bestimmt worden ist. NRP stellt den normalisierten Referenzprogressionswert dar.
Zurück mit Bezug auf die 4, 6A und 6B und im Block 616: die ECU 102 kann einen Vollständigkeitsprozentsatz der Verdichterdurchflussrate von der Verdichterstartdurchflussrate zur Verdichtersollenddurchflussrate bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann der Vollständigkeitsprozentsatz dem normalisierten Referenzprogressionswert entsprechen oder gleich wie dieser sein. In dieser Hinsicht kann der Vollständigkeitsprozentsatz innerhalb des Blocks 614 identifiziert oder bestimmt werden, anstatt im Block 616 oder zusätzlich dazu.
Im Block 618 kann die ECU 102 Zwischensollwerte für die Folgezustände auf Basis der entsprechenden interpolierten Kennfelder, der Startwerte, der Sollwerte und des Vollständigkeitsprozentsatzes bestimmen.
Wieder mit Bezug auf die 9: das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810 wird als das Referenz- oder das Führungszustandskennfeld gezeigt. Das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 kann gleichermaßen ein interpoliertes Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 sein und kann ein Folgezustandskennfeld sein. Des Weiteren wird ferner ein interpoliertes Verdichterdruckverhältniskennfeld 904 als ein Folgezustandskennfeld gezeigt. Obwohl eine Verdichterbeschleunigung nicht gezeigt wird, kann sie ferner als Folgezustand betrachtet werden und kann ein oder mehrere entsprechende Verdichterbeschleunigungskennfelder umfassen.
Wie gezeigt wird, zeigten das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 und das Verdichterdruckverhältniskennfeld 904 beide normalisierte Folgeprogressionswerte (die Y-Achse), die auf der normalisierten Referenzprogression des Verdichterdurchflusses basieren (der X-Achse). Zum Beispiel kann die normalisierte Referenzprogression, die der Verdichterdurchflussrate (d. h. dem Vollständigkeitsprozentsatz) entspricht, nach 0,2 Sekunden einen Wert von 0,2 aufweisen (d. h., dass sie eine Vollständigkeit von 20 % angibt). Um eine Brennstoffzellenzwischensolldurchflussrate zu bestimmen, kann die ECU 102 zuerst den normalisierten Referenzprogressionswert von 0,2 auf das Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 anwenden, was einen normalisierten Folgeprogressions-(NFP-) Wert von etwa 0,75 bereitstellt.
Die ECU 102 kann dann den Brennstoffzellenstartdurchflussratenwert, den Brennstoffzellensollenddurchflussratenwert und die normalisierte Folgeprogression aus dem Brennstoffzellendurchflussratenkennfeld 902 auf die nachstehende Gleichung 7 anwenden. $I n t_t g t_f c_f l o w = s t a r t + (t a r g e t - s t a r t) * N F P$
Zurück mit Bezug auf die 6A und 6B und in der Gleichung 7: Int_tgt_fc_flow stellt die Brennstoffzellenzwischensolldurchflussrate dar. start entspricht der Brennstoffzellenstartdurchflussrate, die im Block 606 bestimmt worden ist, und target entspricht der Brennstoffzellensollenddurchflussrate, die im Block 604 bestimmt worden ist. NFP stellt den normalisierten Folgeprogressionswert der Brennstoffzellendurchflussrate dar.
Im Block 620 kann die ECU 102 die Aktuatoren des Brennstoffzellenkreislaufs (einschließlich des Verdichters und der Ventile) auf Basis der Zwischensollwerte steuern. Zum Beispiel kann die ECU 102 wenigstens einen von Folgenden, den Verdichter, das Bypass-Ventil oder das Drosselventil, auf Basis der Zwischensollwerte für die Verdichterdurchflussrate, das Verdichterdruckverhältnis, die Brennstoffzellendurchflussrate und das Verdichterdrehmoment steuern.
Im Block 622 kann die ECU 102 fortfahren, Zwischensollwerte zu bestimmen und die Aktuatoren zu steuern, um die Zwischensollwerte zu erreichen, bis die Zwischensollwerte die gleichen wie die Sollendwerte sind oder neue Sollendwerte bestimmt oder erreicht werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Verdichterbeschleunigung ein zusätzlicher Folgezustand sein, so dass die ECU 102 Zwischensollwerte für die Verdichterbeschleunigung auf Basis von interpolierten Kennfeldern, einem Startwert, einem Sollwert und dem Vollständigkeitsprozentsatz bestimmen kann. Die Beschleunigungsrate kann als eine gewünschte Beschleunigungsrate des Verdichters, als ein gewünschtes Beschleunigungsmoment des Verdichters oder beides bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufssteuerung 412 der 2 die gewünschte Beschleunigung unter Verwendung eines anderen Verfahrens als das Einstellen der gewünschten Beschleunigung als einem Folgezustand bestimmen.
Jetzt mit Bezug auf die 10: es wird eine beispielhafte Verwendung des Verfahrens 600 der 6A und 6B gezeigt. Die 10 veranschaulicht das interpolierte Verdichterdurchflusskennfeld 810, das interpolierte Druckverhältniskennfeld 904 und Kurvenbilder 1006, die die Zwischensollwerte des Druckverhältnisses zu 3 unterschiedlichen Zeitpunkten aufzeichnen. Eine erste Zeile 1000 veranschaulicht den Zustand bei 0 Sekunden, eine zweite Zeile 1002 veranschaulicht den Zustand bei 0,3 Sekunden, und eine dritte Zeile 1004 veranschaulicht den Zustand bei 0,6 Sekunden.
Wie in der ersten Zeile 1000 gezeigt wird, ist die normalisierte Referenzprogression auf dem interpolierten Verdichterdurchflussratenkennfeld 810 0, da der Zeitpunkt gleich 0 ist. Dementsprechend ist die normalisierte Folgeprogression des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 ebenfalls 0, was darauf zurückzuführen ist, dass die normalisierte Referenzprogression 0 ist. Somit ergibt das Eingeben dieser Werte in die Gleichung 7 einen Zwischensollwert von etwa 2,8, was dem Startwert entspricht (da der normalisierte Folgeprogressionswert 0 ist, ist der Ausdruck (target - start) * NFP ebenfalls 0, was somit das Ergebnis der Gleichung 7 bei start lässt).
Wie in der zweiten Zeile 1002 gezeigt wird, ist die normalisierte Referenzprogression auf dem interpolierten Verdichterdurchflusskennfeld 810 etwa 0,4, was durch Anwenden von 0,3 Sekunden auf das interpolierte Verdichterdurchflussratenkennfeld 810 bestimmt wird. Dementsprechend ist die normalisierte Folgeprogression des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 etwa gleich 0,65, was dem normalisierten Referenzprogressionswert von 0,4 entspricht. Somit ergibt das Eingeben dieser Werte in die Gleichung 7 einen Druckverhältniszwischensollwert von etwa 1,3.
Wie in der dritten Zeile 1004 gezeigt wird, ist die normalisierte Referenzprogression auf dem interpolierten Verdichterdurchflussratenkennfeld 810 1, was durch Anwenden von 0,6 Sekunden auf das interpolierte Verdichterdurchflussratenkennfeld 810 bestimmt wird. Dementsprechend ist die normalisierte Folgeprogression des interpolierten Druckverhältniskennfelds 904 gleich 1, was dem normalisierten Referenzprogressionswert von 1 entspricht. Somit ergibt das Eingeben dieser Werte in die Gleichung 7 einen Druckverhältniszwischensollwert von etwa 1. Dementsprechend kann das Verfahren 600 der 6A und 6B beendet werden oder neugestartet werden, da der Druckverhältniszwischensollwert gleich dem Druckverhältnissollendwert ist.
Nun mit Bezug auf die 2, 4 und 11: ein Verfahren 1100 kann von der ECU 102 durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch die Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, um eine Vorwärtsregelung entweder des Drosselventils 214 oder des Bypass-Ventils 212 durchzuführen. In dieser Hinsicht kann eine erste Instanz des Verfahrens 1100 verwendet werden, um die Vorwärtsregelung des Drosselventils 214 durchzuführen, und eine zweite Instanz des Verfahrens 1100 kann verwendet werden, um die Vorwärtsregelung des Bypass-Ventils 212 durchzuführen.
Im Block 1102 kann die ECU 102 einen gewünschten Druck des Gases im Brennstoffzellenkreislauf bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel kann der gewünschte Druck einem gewünschten Druck an einer Eintrittsöffnung 244 oder an 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 und kann auf dem Steuersignal 402 basieren.
Im Block 1104 kann die ECU 102 eine gewünschte Mengendurchflussrate des Gases durch ein entsprechendes Ventil (entweder das Drosselventil 214 oder das Bypass-Ventil 212) auf Basis des gewünschten Drucks des Gases bestimmen, der im Block 1102 bestimmt oder empfangen worden ist. 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 bewirken wird, dass der Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 den gewünschten Druck erreicht. Zum Beispiel kann die ECU 102 die gewünschte Mengendurchflussrate unter Verwendung einer Gleichung bestimmen, die der Gleichung 4 oben ähnelt.
In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufssteuerung 412 die gewünschte Mengendurchflussrate des Gases durch das Ventil bestimmen. Die gewünschte Mengendurchflussrate kann einer Mengenzwischensolldurchflussrate entsprechen, wie sie durch die Verlaufssteuerung 412 bestimmt worden ist. Zum Beispiel kann die Verlaufssteuerung 412 gewünschte Druckwerte und gewünschte Mengendurchflusswerte des Gases durch die Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs 118 vorgeben oder bereitstellen (wie zum Beispiel dem Bypass-Ventil 212 und dem Drosselventil 214).
In einigen Ausführungsformen kann der Zustandsschätzer 406 dann die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs 118 berechnen oder bestimmen, die aktuell nicht bekannt sind, und die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente berechnen oder bestimmen, falls das System den Sollzustand erreicht. Zum Beispiel kann der Zustandsschätzer 406 die Druck- und Durchflusswerte an jeder Komponente berechnen oder bestimmen, falls das entsprechende Ventil auf die gewünschte Mengendurchflussrate eingestellt ist.
Im Block 1106 kann die ECU 102 eine aktuelle Reynolds-Zahl bestimmen, die dem durch das Ventil strömenden Gas entspricht. Zum Beispiel kann die ECU 102 die aktuelle Reynolds-Zahl unter Verwendung einer Gleichung bestimmen, die der Gleichung 1 oben ähnelt.
Im 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 auf Basis der Reynolds-Zahl bestimmen. Zu Anfang kann die ECU 102 bestimmen, ob der Durchfluss durch das Ventil laminar, subsonisch oder gedrosselt ist. Falls die Reynolds-Zahl innerhalb eines ersten Wertebereichs liegt, kann dann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss laminar ist. Falls die Reynolds-Zahl innerhalb eines zweiten Wertebereichs liegt, kann dann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss subsonisch ist. Falls die Reynolds-Zahl innerhalb eines dritten Wertebereichs liegt, kann dann die ECU 102 bestimmen, dass der Durchfluss gedrosselt ist.
Nach dem Bestimmen, ob der Durchfluss laminar, subsonisch oder gedrosselt ist, kann die ECU 102 den spezifischen Durchflusswert unter Verwendung einer oder mehrerer der nachstehenden Gleichungen 8 bis 10 bestimmen. $Ψ = \sqrt{\frac{2 γ}{(γ - 1)} * (B_{l a m}^{\frac{2}{γ}} - B_{l a m}^{\frac{(γ - 1)}{γ}})} \frac{(1 - \frac{P_{d}}{P_{u}})}{(1 - B_{l a m})}$
Die Gleichung 8 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein laminarer Durchfluss ist. In der Gleichung 8 stellt ψ den laminaren Durchflusswert dar. γ stellt ein spezifisches Wärmeverhältnis des Gases, das durch das Ventil strömt, dar und entspricht einem Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Volumen zur spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Druck. B_lam stellt ein Druckverhältnis dar, über dem der Druck als laminar angenommen wird. P_d stellt einen Druck des Gases auf einer Niederdruckseite des entsprechenden Ventils dar, und P_u stellt einen Druck des Gases an einer Hochdruckseite des entsprechenden Ventils dar. $Ψ= \sqrt{\frac{2 γ}{(γ - 1)} (\frac{P_{d}^{\frac{2}{γ}}}{P_{u}} - {\frac{P_{d}}{P_{u}}}^{\frac{(γ - 1)}{γ}})}$
Die Gleichung 9 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein subsonischer Durchfluss ist. Die in der Gleichung 9 verwendeten Variablen haben die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Variablen in der Gleichung 8, mit der Ausnahme, dass ψ den subsonischen Durchflusswert darstellt. $Ψ = \sqrt{γ * B_{c r}^{\frac{(γ - 1)}{γ}}}$
Die Gleichung 10 ist zu verwenden, wenn der Durchfluss ein gedrosselter Durchfluss ist. Die in der Gleichung 10 verwendeten Variablen haben die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Variablen in der Gleichung 8, mit der Ausnahme, dass ψ den gedrosselten Durchflusswert darstellt. Die neu eingeführte Variable B_cr stellt ein kritisches Druckverhältnis dar und kann unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 11 berechnet werden. $B_{c r} = {\frac{2}{(γ + 1)}}^{\frac{γ}{(γ - 1)}}$
In der Gleichung 11 hat γ die gleiche Bedeutung, die oben mit Bezug auf die Gleichung 8 beschrieben worden ist.
Nach dem Bestimmen des aktuellen laminaren, subsonischen oder gedrosselten Durchflusses kann die ECU 102 im Block 1110 eine gewünschte Ventilfläche berechnen, um die gewünschte Mengendurchflussrate zu erreichen. Die gewünschte Ventilfläche entspricht einer Querschnittsfläche des Ventils, durch die das Gas strömen kann. Die Querschnittsfläche kann durch Einstellen der Ventilstellung geändert werden. Die ECU 102 kann die nachstehende Gleichung 12 nach der gewünschten Ventilfläche lösen. $\dot{m} = C d \frac{A}{\sqrt{R_{s} * T_{u}}} P_{u} Ψ$
In der Gleichung 12 ist ṁ die gewünschte Mengendurchflussrate. Cd ist ein Austragskoeffizient. A ist die gewünschte Ventilfläche, nach der die ECU 102 lösen kann. R_s ist eine spezifische Gaskonstante. T_u ist eine Temperatur auf der Hochdrucksseite des Ventils, und P_u ist ein Druck auf der Hochdruckseite des Ventils. Ψ ist der aktuelle laminare, subsonische oder gedrosselte Durchfluss, der im Block 1108 berechnet worden ist.
Der Speicher 104 der 1 kann ein Kennfeld oder eine Funktion speichern, die gewünschte Ventilflächen mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft. In dieser Hinsicht und im Block 1112 kann die ECU 102 die gewünschte Ventilfläche, die im Block 1110 berechnet worden ist, mit dem Kennfeld oder der Funktion vergleichen, um eine gewünschte Ventilstellung zu bestimmen, die der gewünschten Ventilfläche entspricht. Anders ausgedrückt: wird bewirkt, dass das Ventil die gewünschte Ventilstellung aufweist, bewirkt dies wiederum, dass das Ventil die gewünschte Ventilfläche aufweist und somit den gewünschten Mengendurchfluss durch das Ventil erreicht.
In einigen Ausführungsformen kann die Funktion eine Gleichung umfassen, 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 ähnlich der nachstehenden Gleichung 13 verwenden, um nach der gewünschten Ventilstellung zu lösen oder um ein Kennfeld zu befüllen, das gewünschte Ventilflächen mit gewünschten Ventilstellungen verknüpft. $A = {(\frac{π D}{2})}^{2} c + A_{0}$
In der Gleichung 13 ist A die gewünschte Ventilfläche. Kurz mit Bezug auf die 12: ein beispielhaftes Ventil 1200, das ähnlich oder gleich dem Bypass-Ventil 212 oder dem Drosselventil 214 sein kann, wird gezeigt, um die verschiedenen Parameter der Gleichungen zu veranschaulichen. In der Gleichung 13 ist D ein Durchmesser 1202 des Ventils 1200. A₀ ist eine Drosseldurchlassfläche. c ist eine unabhängige Variable und wird in der nachstehenden Gleichung 14 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 der Gleichung 14 wird a in der nachstehenden Gleichung 15 bereitgestellt, und b wird in der nachstehenden Gleichung 16 bereitgestellt. $a = \frac{t}{D}$
In der Gleichung 15 ist t ein Drosselwellendurchmesser, der als ein Drosselwellendurchmesser 1204 des Ventils 1200 veranschaulicht wird. D stellt wiederum den Durchmesser 1202 dar. $b = \frac{c o s (α)}{c o s (α_{0})}$
In der Gleichung 16 ist α ein Winkel 1208 zwischen einer Ventilplatte 1210 und einer Längsachse 1212 und entspricht einem Drosselwinkel des Ventils 1200. α₀ ist ein Winkel 1206 zwischen der Ventilplatte 1210 und einer Linie 1214, die rechtwinklig zur Achse 1212 ist, und entspricht einem geschlossenen Drosselwinkel, α und α₀ können beide im Bogenmaß gemessen werden.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4 und 11: die ECU 102 kann die Gleichungen 13-16 lösen, um die gewünschte Ventilstellung zu bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 zuerst die Gleichung 13 nach A, der gewünschten Ventilfläche, lösen. Auf Basis des Werts von A kann die ECU 102 dann die Gleichung 14 lösen, um den Wert von b zu identifizieren, und kann dann die Gleichung 16 nach α lösen.
Nachdem die ECU 102 die gewünschte Ventilstellung bestimmt hat, kann die ECU das Ventil im Block 1114 so steuern, dass es die gewünschte Ventilstellung aufweist. In dieser Hinsicht kann, nachdem die ECU das Ventil so steuert, dass es die gewünschte Ventilstellung aufweist, der Mengendurchfluss durch das Ventil nahe dem gewünschten, im Block 1104 bestimmten Mengendurchfluss liegen. Die ECU 102 kann das Verfahren 1100 einmal für das Bypass-Ventil 212 durchführen und kann das Verfahren 1100 erneut für das Drosselventil 214 durchführen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 zwei Instanzen des Verfahrens 1100 zeitgleich durchführen (d. h. sie kann eine erste Instanz des Verfahrens 1100 für das Bypass-Ventil 212 durchführen und zeitgleich eine zweite Instanz des Verfahrens 1100 für das Drosselventil 214 durchführen).
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 13A und 13B: ein Verfahren 1300 kann von der ECU 102 verwendet werden, wie zum Beispiel in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, um eine Vorwärtsregelung des Verdichters 204 durchzuführen. Das Regeln des Verdichters 204 kann sowohl eine Drehzahlregelung als auch eine Drehmomentregelung umfassen. Obwohl das Verfahren 1300 veranschaulicht, dass die Drehzahlregelung und die Drehmomentregelung nacheinander erfolgen, werden Fachleute erkennen, dass die Drehzahlregelung und die Drehmomentregelung zeitgleich durchgeführt werden können oder dass sie nacheinander durchgeführt werden können.
Im Block 1302 kann ein Drehzahlkennfeld, wie zum Beispiel das Drehzahlkennfeld 700 der 7, im Speicher gespeichert werden. Das Drehzahlkennfeld kann gewünschte Verdichterdurchflussraten und gewünschte Verdichterdruckverhältnisse mit entsprechenden gewünschten, oder Soll-, Verdichterdrehzahlen verknüpfen.
Im Block 1304 kann die ECU 102 eine gewünschte Verdichterdurchflussrate und ein gewünschtes Verdichterdruckverhältnis, das einem Druckverhältnis über dem Verdichter 204 entspricht, bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel können die gewünschte Verdichterdurchflussrate und das gewünschte Verdichterdruckverhältnis von der Verlaufssteuerung 412 empfangen werden.
Im 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 auf Basis der gewünschten Durchflussrate und des gewünschten Druckverhältnisses berechnen.
Nach dem Berechnen der gewünschten Verdichterdrehzahl kann die ECU 102 den Verdichter 204 steuern, um im Block 1308 die gewünschte Verdichterdrehzahl zu erreichen.
Im Block 1310 kann die ECU 102 eine aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl, die einer gewünschten Verdichterdrehzahl zu einem aktuellen zeitlichen Schritt entspricht, bestimmen oder empfangen. Zum Beispiel kann die aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl von der Verlaufssteuerung 412 empfangen werden.
Im Block 1312 kann die ECU 102 eine zukünftige gewünschte Verdichterdrehzahl, die einem zukünftigen zeitlichen Schritt entspricht, 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 liegen. Die zukünftige gewünschte Verdichterdrehzahl kann gleichermaßen von der Verlaufssteuerung 412 empfangen werden.
Im Block 1314 kann die ECU 102 eine Drehzahldifferenz zwischen der aktuellen gewünschten Verdichterdrehzahl und der zukünftigen gewünschten Verdichterdrehzahl berechnen.
Als Beispiel und mit kurzem Bezug auf die 13A, 13B und 14: ein Steuersystem 1400 kann verwendet werden, um die Operationen der Blöcke 1310 bis 1314 durchzuführen. Insbesondere kann eine gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 empfangen werden. Die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann von einem Komparator 1404 empfangen werden. Die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann gleichermaßen von einem ersten Einheitsverzögerungsblock 1406 und einem zweiten Einheitsverzögerungsblock 1408 empfangen werden. Sowohl der erste Einheitsverzögerungsblock 1406 als auch der zweite 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 vorherige gewünschte Verdichterdrehzahl 1410 bezeichnet werden, und die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 kann als eine aktuelle gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 bezeichnet werden, da sie einem späteren Zeitpunkt als die vorherige gewünschte Verdichterdrehzahl 1410 entspricht. 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, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 einer gewünschten Drehzahl entspricht, die relativ zu der Drehzahl, die vom zweiten Einheitsverzögerungsblock 1408 ausgegeben wird, in der Zukunft liegt.
Der Komparator 1404 kann die vorherige (oder die aktuelle) gewünschte Verdichterdrehzahl 1410 und die aktuelle (oder die zukünftige) gewünschte Verdichterdrehzahl 1402 vergleichen und eine Drehzahldifferenz 1412 ausgeben, die einer Differenz zwischen den beiden entspricht.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4, 13A und 13B und im Block 1316: die ECU 102 kann eine Zeitverzögerung zwischen dem aktuellen zeitlichen Schritt und dem zukünftigen zeitlichen Schritt bestimmen, die einem Zeitraum zwischen den beiden entspricht.
Im Block 1318 kann die ECU 102 eine gewünschte Beschleunigungsrate des Verdichters bestimmen oder empfangen. Die gewünschte Beschleunigungsrate kann der im Block 1314 bestimmten Drehzahldifferenz zusammen mit der im Block 1316 bestimmten Zeitverzögerung entsprechen. Insbesondere kann die ECU 102 die Drehzahldifferenz durch die Zeitverzögerung dividieren. Das Ergebnis dieser Division stellt Einheiten der Beschleunigung bereit, die der gewünschten Beschleunigungsrate entsprechen.
In einigen Ausführungsformen und wie oben beschrieben wird, kann die Verlaufssteuerung 412 Verdichterbeschleunigungszwischensollwerte bereitstellen, die als die gewünschte Beschleunigungsrate verwendet werden können. In dieser Hinsicht können die Blöcke 1310 bis 1318 mit einem Block ersetzt werden, der die gewünschte Beschleunigungsrate aus der Verlaufssteuerung 412 empfängt. In einigen Ausführungsformen kann die Verlaufssteuerung 412 das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters statt oder zusätzlich zu der gewünschten Beschleunigungsrate bereitstellen.
Im Block 1320 kann die ECU ein gewünschtes Beschleunigungsmoment des Verdichters auf Basis der gewünschten Beschleunigungsrate, die im Block 1318 bestimmt worden ist, bestimmen. Insbesondere kann die ECU 102 eine Gleichung ähnlich der nachstehenden Gleichung 17 verwenden, um das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters 204 zu bestimmen. $τ_{B s c h l e u n i g u n g} = I α$
In der Gleichung 17 ist τ_{Beschleunigung} das gewünschte Beschleunigungsmoment des Verdichters 204. / ist eine äquivalente Trägheit und kann Einheiten wie zum Beispiel kg*m² aufweisen. Die äquivalente Trägheit kann der Trägheit der Komponenten des Verdichters 204, wie zum Beispiel des Getriebes, der Welle, des Schaufelblatts und dergleichen, entsprechen. α ist die Winkelbeschleunigung, die auf Basis der gewünschten Beschleunigungsrate des Verdichters 204 bestimmt werden kann.
Im Block 1322 kann die ECU 102 einen Wirkungsgrad des Verdichters 204 bestimmen. Zum Beispiel kann ein Speicher ein Wirkungsgradkennfeld speichern, das Verdichterdurchflusswerte und Verdichterdruckverhältniswerte mit entsprechenden Wirkungsgraden verknüpft. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 den Wirkungsgrad des Verdichters 204 bestimmen, indem sie einen aktuellen Verdichterdurchflusswert und ein aktuelles Verdichterdruckverhältnis auf das Wirkungsgradkennfeld anwendet, um den aktuellen Wirkungsgrad zu ermitteln.
Im Block 1324 kann die ECU 102 ein Verdichtungsmoment des Verdichters 204 auf Basis des Wirkungsgrads, der im Block 1322 bestimmt worden ist, bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 eine Gleichung ähnlich der nachstehenden Gleichung 18 verwenden, um das Verdichtungsmoment zu bestimmen. $τ_{V e r d i c h t u n g} = \dot{m} C_{P} T_{e i n} ({(\frac{P_{a u s}}{P_{e i n}})}^{\frac{γ - 1}{γ}} - 1) \frac{(\frac{1}{E f f})}{ω}$
In der Gleichung 18 ist τ_Verdichtung das Verdichtungsmoment des Verdichters 204. ṁ ist ein gewünschter Mengendurchfluss des Gases durch den Verdichter 204 und kann aus der Verlaufssteuerung 412 empfangen werden. C_P ist eine spezifische Wärme des Gases innerhalb des Verdichters 204. T_ein ist die Temperatur des Gases an der Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204. P_aus ist ein Solldruck des Gases an der Austrittsöffnung 230 des Verdichters 204, und P_ein ist ein Solldruck des Gases an der Eintrittsöffnung 228 des Verdichters 204. P_aus und P_ein können von der Verlaufssteuerung 412 empfangen werden. γ stellt ein spezifisches Wärmeverhältnis des Gases, das durch das Ventil strömt, dar und entspricht einem Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Volumen. Eff ist der Wirkungsgrad, der im Block 1322 bestimmt worden ist. ω ist die Verdichterdrehzahl, die im Bogenmaß pro Sekunden gemessen werden kann. Die ECU 102 kann ω unter Verwendung der nachstehenden Gleichung 19 berechnen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für das Verdichtungsmoment erstellt werden, indem Berechnungen mit sich ändernden Variablenwerten durchgeführt und die Ergebnisse im Kennfeld gespeichert werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 wenigstens eines empfangen, eine Verdichterdrehzahl oder ein Verdichterdruckverhältnis, kann die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und kann das Verdichtungsmoment auf Basis des Vergleichs mit dem Kennfeld bestimmen. $ω = A C P_{D r e h z a h l} 2 \frac{π}{60} g_{V e r h ä l t n i s}$
In der Gleichung 19 ist ω die Verdichterdrehzahl. ACP_Drehzahl ist die Motordrehzahl des Motors des Verdichters 204 (wie zum Beispiel dem Motor 306 des Verdichters 300 der 3). g_Verhältnis ist ein aktuelles Übersetzungsverhältnis des Getriebes des Verdichters (wie zum Beispiel des Getriebes 308 des Verdichters 300 der 3).
Im Block 1326 kann die ECU 102 ein Reibmoment des Verdichters 204 bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU eine Gleichung ähnlich der nachstehenden Gleichung 20 verwenden, um das Reibmoment zu bestimmen. $τ_{R e i b u n g} = v i s c_{c o e f} ω + C o l_{t r q} + (b r k w y_{t r q} - C o l_{t r q}) e^{(- t r a n s_{c o e f} ω)}$
In der 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 der Gleichung 19 oben berechnet worden ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für das Reibmoment erstellt werden, indem Berechnungen mit sich ändernden Variablenwerten durchgeführt und die Ergebnisse im Kennfeld gespeichert werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 wenigstens eines empfangen, eine Verdichterdrehzahl oder ein Verdichterdruckverhältnis, kann die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und kann das Reibmoment auf Basis des Vergleichs mit dem Kennfeld bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Kennfeld für kombinierte Reib- und Verdichtungsmomentwerte erstellt werden, indem Berechnungen mit sich ändernden Variablenwerten durchgeführt und die Ergebnisse im Kennfeld gespeichert werden. In dieser Hinsicht kann die ECU 102 eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdruckverhältnis empfangen, kann die Drehzahl und das Druckverhältnis mit dem Kennfeld vergleichen und kann den kombinierten Reib- und Verdichtungsmomentwert auf Basis des Vergleichs mit dem Kennfeld bestimmen.
Im Block 1328 kann die ECU 102 ein gewünschtes Gesamt-Verdichterdrehmoment auf Basis des gewünschten Beschleunigungsmoments, des Verdichtungsmoments und des Reibmoments bestimmen. Zum Beispiel kann die ECU 102 das gewünschte Gesamt-Verdichterdrehmoment durch Addieren jedes der Werte, des gewünschten Beschleunigungsmoments, des Verdichtungsmoments und des Reibmoments, bestimmen.
Im Block 1330 kann die ECU 102 den Verdichter dazu steuern, dass er das gewünschte Gesamt-Verdichterdrehmoment aufweist, das im Block 1328 bestimmt worden ist.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 15A und 15B: ein Verfahren 1500 kann von der ECU 102 verwendet werden, wie zum Beispiel in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, um eine Rückwärtsregelung des Bypass-Ventils 212 und des Drosselventils 214 durchzuführen. Insbesondere kann die ECU 102 die aktuellen und die Sollwerte vergleichen und die Rückwärtsregelung auf Basis einer Differenz zwischen den aktuellen und den Sollwerten identifizieren. Zum Beispiel können zu den Werten ein Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 zum Steuern des Drosselventils 214 und ein Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 zum Steuern des Bypass-Ventils 212 zählen.
Insbesondere und im Block 1502 kann die ECU 102 ein Druckkennfeld speichern, das Druckwerte mit entsprechenden Ventilstellungen verknüpft. Als Beispiel und mit Bezug auf die 2, 16A und 16B: ein erstes Druckkennfeld 1600 verknüpft den 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, aus dem ersten Druckkennfeld 1600 auf Basis eines empfangenen Druckwerts abgerufen werden.
Gleichermaßen verknüpft ein zweites Druckkennfeld 1650 das Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 (entlang der X-Achse) mit einer Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 (entlang der Y-Achse). In dieser Hinsicht kann eine Ventilstellung, die einer Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 entspricht, aus dem zweiten Druckkennfeld 1650 auf Basis eines empfangenen Druckverhältnisses empfangen werden.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4, 15A und 15B und im Block 1504: die ECU 102 kann einen gewünschten Druckwert des Gases im Brennstoffzellenkreislauf bestimmen oder empfangen. Der gewünschte Druckwert kann einem Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 oder einem Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 entsprechen.
Im Block 1506 kann die ECU 102 einen aktuellen Druckwert des Gases im Brennstoffzellenkreislauf bestimmen oder empfangen. Der aktuelle Druckwert kann wieder einem Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 oder einem Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 entsprechen.
Im 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. Gleichermaßen kann die ECU 102 das gewünschte Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 auf das zweite Druckkennfeld 1650 anwenden, um eine gewünschte Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 zu bestimmen.
Im Block 1510 kann die ECU 102 den aktuellen Druckwert auf das Druckkennfeld anwenden, um eine aktuelle Ventilstellung zu bestimmen. Dies kann sowohl für das Drosselventil 214 als auch für das Bypass-Ventil 212 erfolgen.
Im Block 1512 kann die ECU 102 den aktuellen Druckwert mit dem Drucksollwert vergleichen, um ein Differenzsignal zu identifizieren, das einer Differenz zwischen dem aktuellen Druckwert und dem Drucksollwert entspricht. Die ECU 102 kann diese Operation sowohl für das Drosselventil 214 als auch für das Bypass-Ventil 212 durchführen.
Im Block 1514 kann die ECU 102 eine Proportional-Integral-Differential- (PID- oder PI-) Regelung auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung für die Ventilstellung zu bestimmen. Die PID-Regelung kann frühere und gegenwärtige Werte der Regeldifferenz analysieren und das Rückwärtsregelungssignal auf Basis der gegenwärtigen Abweichungswerte, der früheren Abweichungswerte und potentieller zukünftiger Abweichungen der Regeldifferenz erzeugen.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 16A und 17A: eine Regelung 1700 kann von der ECU 102 verwendet werden, um die Rückwärtsregelung des Drosselventils 214 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das dem Verfahren 1500 der 15A und 15B ähnelt.
In der Regelung 1700 kann die ECU 102 einen Brennstoffzellensolldruck 1702 empfangen oder bestimmen, der einem Soll- oder erwünschten Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 entspricht. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellensolldruck 1702 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann des Weiteren einen aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 empfangen oder bestimmen, der einem aktuellen Druck an der Austrittsöffnung 246 des Brennstoffzellenstapels 208 entspricht. Zum Beispiel kann der aktuelle Brennstoffzellendruck 1704 aus dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann den Brennstoffzellensolldruck 1702 über das erste Druckkennfeld 1600 laufen lassen, um eine Soll- oder gewünschte Ventilstellung 1706 zu bestimmen, die dem Brennstoffzellensolldruck 1702 entspricht. Die ECU 102 kann gleichermaßen den aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 über das erste Druckkennfeld 1600 laufen lassen, um eine aktuelle Ventilstellung 1708 zu bestimmen, die dem aktuellen Brennstoffzellendruck 1704 entspricht.
Die Soll- oder gewünschte Ventilstellung 1706 und die aktuelle Ventilstellung 1708 können von einem Differenzblock 1710 empfangen werden. Der Differenzblock 1710 kann eine Differenz zwischen der Soll- oder gewünschten Ventilstellung 1706 und der aktuellen Ventilstellung 1708 identifizieren und kann die Differenz als ein Differenzsignal 1712 ausgeben.
Das Differenzsignal 1712 kann durch eine PID-Regelung 1714 empfangen werden. Die PID-Regelung 1714 kann frühere und gegenwärtige Werte des Differenzsignals analysieren und ein Rückkopplungseinstellsignal 1716 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung der Ventilstellung des Drosselventils 214 entspricht.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 16B und 17B: eine Regelung 1750 kann von der ECU 102 verwendet werden, um die Rückwärtsregelung des Drosselventils 214 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das dem Verfahren 1500 der 15A und 15B ähnelt.
In der Regelung 1750 kann die ECU 102 ein Bypass-Ventil-Drucksollverhältnis 1752 empfangen oder bestimmen, das einem Soll- oder erwünschten Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 entspricht. Zum Beispiel kann das Bypass-Ventil-Drucksollverhältnis 1752 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann des Weiteren ein aktuelles Bypass-Ventil-Druckverhältnis 1754 empfangen oder bestimmen, das einem aktuellen Druckverhältnis über dem Bypass-Ventil 212 entspricht. Zum Beispiel kann das aktuelle Bypass-Ventil-Druckverhältnis 1754 aus dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann das Bypass-Ventil-Drucksollverhältnis 1752 über das zweite Druckkennfeld 1650 laufen lassen, um eine Soll- oder gewünschte Ventilstellung 1756 zu bestimmen, die dem Bypass-Ventil-Drucksollverhältnis 1752 entspricht. Die ECU 102 kann gleichermaßen das aktuelle Bypass-Ventil-Druckverhältnis 1754 über das zweite Druckkennfeld 1650 laufen lassen, um eine aktuelle Ventilstellung 1758 zu bestimmen, die dem aktuellen Bypass-Ventil-Druckverhältnis 1754 entspricht.
Die Soll- oder gewünschte Ventilstellung 1756 und die aktuelle Ventilstellung 1758 können von einem Differenzblock 1760 empfangen werden. Der Differenzblock 1760 kann eine Differenz zwischen der Soll- oder gewünschten Ventilstellung 1756 und der aktuellen Ventilstellung 1758 identifizieren und kann die Differenz als ein Differenzsignal 1762 ausgeben.
Das Differenzsignal 1762 kann durch eine PID-Regelung 1764 empfangen werden. Die PID-Regelung 1764 kann frühere und gegenwärtige Werte der Regeldifferenz analysieren und ein Rückkopplungseinstellsignal 1766 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung der Ventilstellung des Bypass-Ventils 212 entspricht.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4, 15A und 15B und im Block 1516: die ECU 102 kann das Anwenden des Integralanteils der PID-Regelung verzögern, bis sich das Differenzsignal um einen vorbestimmten Schwellenwert reduziert hat, um Überschwingen der gewünschten Einstellung aufgrund eines Phänomens, das Integral-Windup genannt wird, zu reduzieren. Wenn ein Differenzsignal relativ groß ist, kann der Integralanteil zusammen mit dem Proportionalanteil manchmal zu Anfang sehr groß sein. Wenn sich das Differenzsignal 0 nähert, schrumpft der Proportionalanteil, jedoch bleibt der Integralanteil relativ groß. Somit kann die große Anfangsgröße des Integralanteils sich ausreichend akkumulieren, um über die gewünschte Einstellung hinaus zu schwingen.
Indem die Anwendung des Integralanteils der PID-Regelung verzögert wird, kann der Integralanteil eingeführt werden, wenn das Differenzsignal relativ klein ist. In dieser Hinsicht kann der vorbestimmte Schwellenwert einer nachstehenden Schwellenwertdifferenz entsprechen, deren Integral-Windup wahrscheinlich nicht auftritt. In dieser Hinsicht kann der Block 1516 als ein Integral-Windup-Schutz bezeichnet werden und kann im Verfahren 1500 optional sein.
Zusätzlich zum oder statt des Durchführens des Integral-Windup-Schutzes kann die ECU 102 in den Blöcken 1518 und 1520 etwas umsetzen, was als „Lernwerte“ bezeichnet werden kann. Insbesondere und im Block 1518: wenn das Differenzsignal sich an einen gegebenen Drucksollwert 0 annähert (d. h. wenn der aktuelle Druckwert im Wesentlichen gleich dem gewünschten Druckwert ist), dann kann die ECU 102 den Endintegralanteil aus der PID-Regelung in einem Speicher speichern.
Während eines anschließenden Konvergierens zum gleichen gegebenen Drucksollwert kann die ECU 102 im Block 1520 bewirken, dass die PID-Regelung das Konvergieren unter Verwendung des gespeicherten Endintegralanteils beginnt. Indem der Endintegralanteil gespeichert wird, beginnt jedes Konvergieren zum gleichen gegebenen Drucksollwert wahrscheinlich mit einem Integralanteil (d. h. dem gespeicherten Endintegralanteil), der relativ dicht an einem Wert liegt, der wahrscheinlich relativ schnelles und genaues Konvergieren zum gegebenen Drucksollwert bereitstellt.
Im Block 1522 kann die ECU 102 das entsprechende Ventil (d. h. das Drosselventil 214 oder das Bypass-Ventil 212) auf Basis der gewünschten Einstellung auf die Ventilstellung einstellen. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 die gewünschte Einstellung auf die Ventilstellung zu einem Vorwärtsregelungssignal addieren und das entsprechende Ventil auf Basis der Ergebnisse der Addition regeln. In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 einfach das Steuern des entsprechenden Ventils unter Verwendung der gewünschten Einstellung auf die Ventilstellung einstellen.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 18A und 18B: ein Verfahren 1800 kann von der ECU 102 verwendet werden, wie zum Beispiel in der Vorwärts- und Rückwärtsregelung 416, um eine Rückwärtsregelung des Verdichters 204 durchzuführen. Insbesondere kann die ECU 102 die aktuellen und die Sollwerte vergleichen und ein Rückwärtsregelungssignal auf Basis einer Differenz zwischen den aktuellen und den Sollwerten identifizieren. Zum Beispiel kann zu den Werten ein Gesamt-Luftstrom durch den Verdichter 204 zählen.
Insbesondere und im Block 1802 kann die ECU 102 ein Luftstromkennfeld speichern, das Luftstromwerte mit entsprechenden Verdichterdrehzahlen verknüpft. Zum Beispiel und mit Bezug auf die 2 und 19: ein Luftstromkennfeld 1900 verknüpft den 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, aus dem Luftstromkennfeld 1900 auf Basis eines empfangenen Luftstromwerts abgerufen werden.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4, 18A und 18B und im Block 1804: die ECU 102 kann eine gewünschte Verdichterdurchflussrate bestimmen oder empfangen, die einem Gesamt-Luftstrom durch den Verdichter 204 entspricht. Im Block 1806 kann die ECU 102 eine aktuelle Verdichterdurchflussrate bestimmen oder empfangen.
Im Block 1808 kann die ECU 102 die gewünschte Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anwenden, um eine gewünschte Verdichterdrehzahl zu bestimmen. Im Block 1810 kann die ECU 102 die aktuelle Verdichterdurchflussrate auf das Luftstromkennfeld anwenden, um eine aktuelle Verdichterdrehzahl zu bestimmen.
Im Block 1812 kann die ECU 102 die aktuelle Verdichterdrehzahl mit der Verdichtersolldrehzahl vergleichen, um ein Differenzsignal zu identifizieren, das einer Differenz zwischen der aktuellen Verdichterdrehzahl und der Verdichtersolldrehzahl entspricht.
Im Block 1814 kann die ECU 102 eine PID-Regelung auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung für die Verdichterdrehzahl zu bestimmen.
Nun mit Bezug auf die 2, 4, 19 und 20A: eine Regelung 2000 kann von der ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung der Verdichterdrehzahl des Verdichters 204 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das dem Verfahren 1800 der 18A und 18B ähnelt.
In der Regelung 2000 kann die ECU 102 einen Gesamt-Verdichtersollluftstrom 2002 empfangen oder bestimmen, der einem Soll- oder erwünschten Gesamtdurchfluss des Gases durch den Verdichter 204 entspricht. Zum Beispiel kann der Gesamt-Verdichtersollluftstrom 2002 durch den Zustandsvermittler 400 bestimmt werden. Die ECU 102 kann des Weiteren einen aktuellen Gesamt-Verdichterluftstrom 2004 empfangen oder bestimmen, der einem aktuellen Gesamt-Durchfluss durch den Verdichter 204 entspricht. Zum Beispiel kann der aktuelle Gesamt-Verdichterdurchfluss 2004 aus dem Zustandsschätzer 406 empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann den Gesamt-Verdichtersollluftstrom 2002 über das Luftstromkennfeld 1900 laufen lassen, um eine Soll- oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2006 zu bestimmen, die dem Gesamt-Verdichtersollluftstrom 2002 entspricht. Die ECU 102 kann gleichermaßen den aktuellen Gesamt-Verdichterdurchfluss 2004 über das Luftstromkennfeld 1900 laufen lassen, um eine aktuelle Verdichterdrehzahl 2008 zu bestimmen, die dem aktuellen Gesamt-Verdichterluftstrom 2004 entspricht.
Die Soll- oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2006 und die aktuelle Verdichterdrehzahl 2008 können von einem Differenzblock 2010 empfangen werden. Der Differenzblock 2010 kann eine Differenz zwischen der Soll- oder gewünschten Verdichterdrehzahl 2006 und der aktuellen Verdichterdrehzahl 2008 identifizieren und kann die Differenz als ein Differenzsignal 2012 ausgeben.
Das Differenzsignal 2012 kann durch eine PID-Regelung 2014 empfangen werden. Die PID-Regelung 2014 kann frühere und gegenwärtige Werte des Differenzsignals 2012 analysieren und ein Rückkopplungsdrehzahleinstellsignal 2016 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung für die Verdichterdrehzahl des Verdichters 204 entspricht.
Zurück mit Bezug auf die 2, 4, 18A und 18B und im Block 1816: die ECU 102 kann das Anwenden des Integralanteils der PID-Regelung verzögern, bis sich das Differenzsignal um einen vorbestimmten Schwellenwert reduziert hat, um Überschwingen der gewünschten Einstellung aufgrund des Integral-Windups zu reduzieren. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie im Block 1516 der 15A und 15B durchgeführt werden.
Zusätzlich zum oder statt des Durchführens des Integral-Windup-Schutzes kann die ECU 102 in den Blöcken 1818 und 1820 „Lernwerte“ umsetzen. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie im Block 1518 und 1520 der 15A und 15B durchgeführt werden.
Im Block 1822 kann die ECU 102 die Verdichterdrehzahl auf Basis der gewünschten Einstellung der Verdichterdrehzahl einstellen. Dies kann in einer ähnlichen Weise wie im Block 1522 der 15A und 15B durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben wird, kann der Verdichter 204 eine Verdichterdrehzahl und ein Verdichterdrehmoment aufweisen, die separat geregelt werden können. In dieser Hinsicht können die Blöcke 1824 bis 1830 verwendet werden, um das Verdichterdrehmoment des Verdichters 204 zu regeln.
Die Verdichterdrehzahl und das Verdichterdrehmoment können zueinander in Beziehung stehen, so dass das Verdichterdrehmoment direkt proportional zur Verdichterdrehzahl sein kann. In dieser Hinsicht und im Block 1824 kann die ECU 102 einen gewünschten Verdichterdrehmomentwert auf Basis der gewünschten Verdichterdrehzahl bestimmen. Zum Beispiel kann die gewünschte Verdichterdrehzahl im Block 1808 bestimmt werden. Um das gewünschte Verdichterdrehmoment zu bestimmen, kann die gewünschte Verdichterdrehzahl auf ein Kennfeld angewendet werden, in einer ähnlichen Weise wie die Verdichterdrehzahl auf Basis des Gesamt-Luftstroms bestimmt wird. Aufgrund der proportionalen Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl des Verdichters 204 kann allerdings eine proportionale Verstärkung auf die gewünschte Verdichterdrehzahl angewendet werden, um das gewünschte Verdichterdrehmoment zu ermitteln.
Gleichermaßen kann die ECU 102 im Block 1826 einen aktuellen Verdichterdrehmomentwert auf Basis der aktuellen Verdichterdrehzahl bestimmen. Die aktuelle Verdichterdrehzahl kann im Block 1810 bestimmt werden. Die ECU 102 kann das aktuelle Verdichterdrehmoment entweder unter Verwendung eines Kennfelds oder unter Verwendung einer proportionalen Verstärkung bestimmen, wie oben mit Bezug auf den Block 1824 beschrieben wird.
Im Block 1828 kann die ECU 102 ein Drehmomentdifferenzsignal identifizieren, das einer Drehmomentdifferenz zwischen dem gewünschten Verdichterdrehmomentwert und dem aktuellen Verdichterdrehmomentwert entspricht.
Im Block 1830 kann die ECU 102 eine PID-Regelung auf das Differenzsignal anwenden, um eine gewünschte Einstellung für das Verdichterdrehmoment zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann die ECU 102 eines oder beide umsetzen, den Integral-Windup-Schutz oder die „Lernwerte“.
Im Block 1832 kann die ECU 102 den Verdichterdrehmomentwert des Verdichters auf Basis der gewünschten Einstellung des Verdichterdrehmoments einstellen.
Nun mit Bezug auf die 2, 4 und 20B: eine Regelung 2050 kann von der ECU 102 verwendet werden, um eine Rückwärtsregelung des Verdichterdrehmoments des Verdichters 204 unter Verwendung eines Verfahrens durchzuführen, das dem Verfahren 1800 der 18A und 18B ähnelt.
In der Regelung 2050 kann die ECU 102 eine Soll- oder gewünschte Verdichterdrehzahl 2052 zusammen mit einer aktuellen Verdichterdrehzahl 2054 bestimmen. Diese Werte können aus irgendeiner der Folgenden, der Vorwärts- oder Rückwärtsregelung 416, dem Zustandsschätzer 406 oder der Verlaufssteuerung 412, bestimmt oder empfangen werden.
Die ECU 102 kann dann die Verdichtersolldrehzahl 2052 über eine Funktion 2056 laufen lassen, um ein Soll- oder gewünschtes Verdichterdrehmoment 2060 zu bestimmen. Die Funktion 2056 kann ein Kennfeld oder eine Berechnung umfassen, wie zum Beispiel eine Berechnung zum Anwenden einer proportionalen Verstärkung auf die Verdichtersolldrehzahl 2052. Die ECU 102 kann gleichermaßen die aktuelle Verdichterdrehzahl 2054 über die Funktion 2056 laufen lassen, um ein aktuelles Verdichterdrehmoment 2062 zu bestimmen.
Das Soll- oder gewünschte Verdichterdrehmoment 2060 und das aktuelle Verdichterdrehmoment 2062 können von einem Differenzblock 2064 empfangen werden. Der Differenzblock 2064 kann ein Drehmomentdifferenzsignal 2066 identifizieren, das einer Differenz zwischen dem Soll- oder gewünschten Verdichterdrehmoment 2060 und dem aktuellen Verdichterdrehmoment 2062 entspricht.
Das Drehmomentdifferenzsignal 2066 kann durch eine PID-Regelung 2068 empfangen werden. Die PID-Regelung 2068 kann frühere und gegenwärtige Werte des Drehmomentdifferenzsignals 2066 analysieren und ein Rückkopplungsdrehmomenteinstellsignal 2070 erzeugen, das einer gewünschten Einstellung für das Verdichterdrehmoment 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 Schutzbereich nicht eingeschränkt sein soll, mit Ausnahme in Hinsicht auf die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente.

Claims

System zum Bereitstellen von Sauerstoff für einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Verdichter, der dazu ausgelegt ist, ein Gas durch den Brennstoffzellenkreislauf zu pumpen; einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen aufweist und dazu ausgelegt ist, das Gas aufzunehmen; mehrere Rohre, die jeweils dazu ausgelegt sind, das Gas durch einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels zu transportieren; einen Drucksensor, der dazu ausgelegt ist, einen detektierten Druck des Gases an einer ersten Position des Brennstoffzellenkreislaufs zu detektieren; einen Speicher, der dazu ausgelegt ist, ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Verdichter, dem Drucksensor und dem Speicher gekoppelt ist, und die zu Folgendem ausgelegt ist: ein Steuersignal zu bestimmen oder zu empfangen, das einer erwünschten Operation des Verdichters entspricht, Durchflusswerte des Gases durch jedes von Folgenden, den Verdichter, den Brennstoffzellenstapel und die mehreren Rohre, auf Basis des detektierten Drucks und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen, Druckwerte jedes von Folgenden, des Verdichters, des Brennstoffzellenstapels und der mehreren Rohre, auf Basis der bestimmten Durchflusswerte und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen, und den Betrieb des Verdichters auf Basis des Steuersignals, wenigstens eines der Durchflusswerte und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren einen Durchflusssensor umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen detektierten Durchflusswert des Gases zu detektieren, das durch eine zweite Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, wobei die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte des Gases durch jedes von Folgenden, den Verdichter, den Brennstoffzellenstapel und die mehreren Rohre, des Weiteren auf Basis des detektierten Durchflusswerts zu bestimmen.
System nach Anspruch 2, wobei: der detektierte Durchflusswert des Gases ein detektierter Mengendurchfluss ist; die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte des Gases zu bestimmen, indem sie die Mengendurchflusswerte des Gases durch jedes von Folgenden, den Verdichter, den Brennstoffzellenstapel und die mehreren Rohre, bestimmt und dann die laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases auf Basis der Mengendurchflusswerte bestimmt; und die ECU dazu ausgelegt ist, die Druckwerte auf Basis der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei die ECU des Weiteren zu Folgendem ausgelegt ist: einen Stromausgabepegel des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen; einen molaren Anteil des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des Stromausgabepegels des Brennstoffzellenstapels und einer Menge an Brennstoffzellen der mehreren Brennstoffzellen zu bestimmen; eine Viskosität des Gases, das vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des molaren Anteils zu bestimmen; und des Weiteren wenigstens einen der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases auf Basis der Viskosität des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: einen Bypass-Zweig, der dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass wenigstens ein Teil des Gases am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt; und ein Bypass-Ventil, das eine Bypass-Ventilposition aufweist und dazu ausgelegt ist, eine Menge des Gases einzustellen, das am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt, wobei die ECU des Weiteren dazu ausgelegt ist, einen aktuellen Bypass-Durchflusswert, der dem Durchfluss durch den Bypass-Zweig entspricht, auf Basis der Bypass-Ventilstellung und eines vorherigen Bypass-Druckwerts zu bestimmen, der dem Bypass-Zweig entspricht und während einem vorherigen zeitlichen Schritt berechnet worden ist.
System nach Anspruch 5, wobei die ECU des Weiteren dazu ausgelegt ist, einen Stapeldurchflusswert zu bestimmen, der durch den Brennstoffzellenstapel strömt, indem der aktuelle Bypass-Durchflusswert von einem Gesamt-Durchflusswert subtrahiert wird, der einem Gesamt-Durchfluss des Gases durch den Brennstoffzellenstapel entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei die ECU des Weiteren dazu ausgelegt ist, einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer umzusetzen, der dazu ausgelegt ist, eine Änderungsrate wenigstens eines der Druckwerte oder wenigstens eines der Durchflusswerte zu begrenzen, um die dynamische Kompressibilität des Gases zu berücksichtigen.
System nach Anspruch 1, wobei die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte und die Druckwerte für jede Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs während jedes zeitlichen Schritts des Betriebs des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen.
System zum Bereitstellen von Sauerstoff für einen Brennstoffzellenkreislauf, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen aufweist und dazu ausgelegt ist, ein Gas aufzunehmen; einen Bypass-Zweig, der dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass wenigstens ein Teil des Gases am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt; ein Bypass-Ventil, das eine Bypass-Ventilposition aufweist und dazu ausgelegt ist, eine Menge des Gases einzustellen, das am Brennstoffzellenstapel vorbeiströmt; einen Durchflusssensor, der dazu ausgelegt ist, einen detektierten Durchfluss des Gases, das durch eine erste Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, zu detektieren; einen Speicher, der dazu ausgelegt ist, ein Modell des Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern; und eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mit dem Bypass-Ventil, dem Durchflusssensor und dem Speicher gekoppelt ist und zu Folgendem ausgelegt ist: ein Steuersignal zu bestimmen oder zu empfangen, das einer erwünschten Operation des Bypass-Ventils entspricht, Durchflusswerte des Gases sowohl durch den Bypass-Zweig als auch den Brennstoffzellenstapel auf Basis des detektierten Durchflusses und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen, wobei die Durchflusswerte einen aktuellen Bypass-Durchflusswert enthalten, der dem Durchfluss durch den Bypass-Zweig entspricht, wobei der aktuelle Bypass-Durchflusswert auf Basis der Position des Bypass-Ventils und eines vorherigen, dem Bypass-Zweig entsprechenden Bypass-Druckwerts bestimmt wird, der während eines vorherigen zeitlichen Schritts bestimmt worden ist, Druckwerte sowohl des Bypass-Zweigs als auch des Brennstoffzellenstapels auf Basis der bestimmten Durchflusswerte und des Modells des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen, und den Betrieb des Bypass-Ventils auf Basis des Steuersignals, wenigstens eines der Durchflusswerte und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
System nach Anspruch 9, wobei: der detektierte Durchfluss des Gases ein detektierter Mengendurchfluss ist; die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte des Gases zu bestimmen, indem sie die Mengendurchflusswerte des Gases sowohl durch das Bypass-Ventil als auch durch den Brennstoffzellenstapel bestimmt und dann die laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases auf Basis der Mengendurchflusswerte bestimmt; und die ECU dazu ausgelegt ist, die Druckwerte auf Basis der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei die ECU des Weiteren ausgelegt ist, um: einen Stromausgabepegel des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen; einen molaren Anteil des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des Stromausgabepegels des Brennstoffzellenstapels und einer Menge an Brennstoffzellen der mehreren Brennstoffzellen zu bestimmen; eine Viskosität des Gases, das vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des molaren Anteils zu bestimmen; und des Weiteren wenigstens einen der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases auf Basis der Viskosität des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, zu bestimmen.
System nach Anspruch 9, das des Weiteren einen Drucksensor umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen detektierten Druck des Gases zu detektieren, das durch eine zweite Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, wobei die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte des Gases sowohl durch das Bypass-Ventil als auch durch den Brennstoffzellenstapel des Weiteren auf Basis des detektierten Drucks des Gases zu bestimmen.
System nach Anspruch 9, wobei die ECU des Weiteren dazu ausgelegt ist, einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer umzusetzen, der dazu ausgelegt ist, eine Änderungsrate wenigstens eines der Druckwerte oder wenigstens eines der Durchflusswerte zu begrenzen, um die dynamische Kompressibilität des Gases zu berücksichtigen.
System nach Anspruch 9, wobei die ECU dazu ausgelegt ist, die Durchflusswerte und die Druckwerte für jede Komponente des Brennstoffzellenkreislaufs während jedes zeitlichen Schritts des Betriebs des Brennstoffzellenkreislaufs zu bestimmen.
Verfahren zum Bereitstellen von Sauerstoff für Brennstoffzellen, umfassend: in einem Speicher ein Modell eines Brennstoffzellenkreislaufs zu speichern, der mehrere Komponenten, einschließlich eines Verdichters und eines Brennstoffzellenstapels, aufweist; aus einen Durchflusssensor einen detektierten Mengendurchfluss eines Gases, das durch eine erste Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, zu empfangen; durch die ECU Mengendurchflusswerte zu bestimmen, die dem Mengendurchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs entsprechen; durch die ECU eine Reynolds-Zahl für jede der mehreren Komponenten auf Basis der Mengendurchflusswerte zu bestimmen; durch die ECU auf Basis der Reynolds-Zahl zu bestimmen, ob der Durchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs ein laminarer Durchfluss, ein turbulenter Durchfluss oder ein gemischter Durchfluss ist; durch die ECU laminare, turbulente oder gemischte Durchflusswerte des Gases auf Basis der Mengendurchflusswerte zu bestimmen und ob der Durchfluss des Gases durch jede der mehreren Komponenten der laminare Durchfluss, der turbulente Durchfluss oder der gemischte Durchfluss ist; durch die ECU Druckwerte für jede der mehreren Komponenten des Brennstoffzellenkreislaufs auf Basis der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte zu bestimmen; und durch die ECU den Betrieb des Verdichters auf Basis wenigstens eines der Werte, der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte, und wenigstens eines der Druckwerte zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren umfasst, aus einem Drucksensor einen detektierten Druck des Gases, das an einer zweiten Position des Brennstoffzellenkreislaufs strömt, zu empfangen, wobei das Bestimmen des Drucks des Weiteren auf dem detektierten Druck des Gases an der zweiten Position basiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bestimmen der Mengendurchflusswerte umfasst, einen aktuellen Bypass-Mengendurchflusswert, der dem Mengendurchfluss des Gases durch einen Bypass-Zweig entspricht, der bewirkt, dass wenigstens ein Teil des Gases am Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenkreislaufs vorbeiströmt, auf Basis einer Bypass-Ventilstellung eines Bypass-Ventils und eines vorherigen Bypass-Druckwerts zu bestimmen, der dem Bypass-Zweig entspricht und während eines vorherigen zeitlichen Schritts berechnet worden ist.
Verfahren nach Anspruch 15, das des Weiteren umfasst, durch die ECU einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer umzusetzen, um eine Änderungsrate wenigstens eines der Druckwerte oder wenigstens eines der Mengendurchflusswerte zu begrenzen, um die dynamische Kompressibilität des Gases zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 15, des Weiteren umfasend: durch die ECU einen Stromausgabepegel des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen; und durch die ECU einen molaren Anteil des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des Stromausgabepegels des Brennstoffzellenstapels und einer Menge an Brennstoffzellen der mehreren Brennstoffzellen zu bestimmen; durch die ECU eine Viskosität des Gases, das vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, auf Basis des molaren Anteils zu bestimmen; und des Weiteren durch die ECU wenigstens einen der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte des Gases auf Basis der Viskosität des Gases, das durch den Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bestimmen der laminaren, turbulenten oder gemischten Durchflusswerte und das Bestimmen der Druckwerte zu jedem zeitlichen Schritt des Betriebs des Brennstoffzellenkreislaufs durchgeführt werden.