JP2019133915A - 燃料電池空気システム安全動作領域 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素の損傷および非効率作動を抑制する燃料電池空気供給システムを提供する。【解決手段】空気供給シテテムにおいて、エアコンプレッサ１０８の吐出する圧縮空気をインタークーラ１１０で冷却し、冷却された圧縮空気を分岐し、一方を燃料電池１１４に供給し背圧弁１０６ａを介して排出し、分岐された他方をバイパス弁１０６ｂを介して背圧弁１０６ａの下流に合流させる。エアコンプレッサ１０８、背圧弁１０６ａ、バイパス弁１０６ｂを、電子制御ユニット１１２によりアクチュエータコントローラ１２６を介して制御し、エアコンプレッサ１０８の目標空気流量、目標空気圧力比を含む作動要求を取得する。これらから構成要素の安全動作領域内か否かを予測し、安全動作領域外の場合、安全動作領域内となるように目標空気流量、目標空気圧力を設定し、エアコンプレッサ１０８、背圧弁１０６ａ、バイパス弁１０６ｂの少なくとも一つを調整する。【選択図】図２

Description

本明細書は、安全動作領域内で燃料電池装置の空気流システムの構成要素を動作させるシステム及び方法に関する。

電気自動車（ＥＶ）等の車両は、該車両に動力を与えるために、温度、空気流量及び空気圧等の特定の動作パラメータ内で動作する複数の燃料電池を有する。動作パラメータ内で動作する際には、車両はピーク効率で動作する。即ち、車両の構成要素は、電気エネルギを生成する際に構成要素を損傷しないように、及び／又は、非効率的に動作しないように、ハードウェア制限内で動作する。

車両は、該車両内の燃料電池の安定性及び信頼性を維持するために空気流を制御する。空気流を制御するシステムは、電気エネルギを生成するための燃料電池の安定性及び信頼性を維持するために、燃料スタック、エアコンプレッサ、冷却水循環、加湿器、ポンプ、及びその他の電気制御機器等の一以上の構成要素を有してよい。

典型的なシステムは、システム内の空気圧比又は温度が閾値を超えていることを検出し、システムの空気圧比又は温度がハードウェア制限を超えないようにシステム内で空気流を調整するであろう。しかしながら、この結果、システムの構成要素に損傷が起きる。なぜなら、システムが反応し、該システムが空気圧比、及び／又は温度を検出且つ調整する前に、構成要素がハードウェア制限を超えることが要求されるためである。

従って、構成要素の損傷、及び／又は、燃料電池へ容易に空気が流れるようにする構成要素に対する他の非効率性を防ぐために、燃料電池への空気流を予測的に制御するシステム及び方法が必要である。

一般に、本明細書に記載される内容の一の態様は、空気制御システムで具現化される。当該空気制御システムは、空気流を制御するエアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つを含む。当該空気制御システムは、エアコンプレッサ、インタークーラ及び燃料電池のうちの少なくとも一つを含み、且つ電気エネルギの生成を容易にするように構成された一以上の構成要素を含む。当該空気制御システムは、電子制御ユニットを含む。当該電子制御ユニットは、目標空気流及び目標空気圧比を含む作動要求を取得し、目標空気流及び目標空気圧比に基づいて、一以上の構成要素が安全動作領域外で動作すると判断又は予測するように構成される。当該電子制御ユニットは、一以上の構成要素を安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定するように構成される。当該電子制御ユニットは、目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比に基づいて、エアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つを調整するように構成される。

これら及びその他の実施形態は、以下の特徴のうちの一又は複数を適宜含んでよい。当該電子制御ユニットは、目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比に基づいて、エアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つに対して位置又は調節点を決定するように構成されてよい。当該電子制御ユニットは、位置又は調節点に基づいて、エアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つを調整するように構成される。当該電子制御ユニットは、エアコンプレッサの最小許容圧力比以上、且つエアコンプレッサの最大許容圧力比以下の空気圧比を有する安全動作領域で一以上の構成要素を動作するように構成されてよい。エアコンプレッサの出口空気は、インタークーラに流入する最大許容温度未満の温度を有してよい。

当該電子制御ユニットは、目標空気圧比が、最小閾値よりも小さい又は最大閾値よりも大きいと判断又は予測するように構成されてよい。当該電子制御ユニットは、温度が最大閾値よりも高いと判断又は予測するように構成されてよい。当該電子制御ユニットは、部分開放位置に前記バイパス弁を調整し、閉位置に前記背圧弁を調整するように構成されてよい。

他の態様では、発明の内容は、エアコンプレッサの動作を制御する方法で具現化される。当該方法は、プロセッサにより、目標空気流及び目標空気圧比を含むエアコンプレッサに対する作動要求を取得する工程を含む。当該方法は、プロセッサにより、目標空気流及び目標空気圧比に基づいて、エアコンプレッサがサージ又はストール（失速）領域内で動作すると予測する工程を含む。当該方法は、プロセッサにより、エアコンプレッサを安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定する工程を含む。当該方法は、プロセッサにより、目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比に基づいて、エアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つの位置又は調節点を制御する工程を含む。

他の態様では、発明の内容は、車両の空気制御システムで具現化される。当該空気制御システムは、電気エネルギを生成するための一以上の構成要素と、該一以上の構成要素への空気流を制御する一以上の弁とを含む。当該空気制御システムは、電子制御ユニットを含む。当該電子制御ユニットは、目標空気流及び目標空気圧比を取得するように構成される。当該電子制御ユニットは、目標空気流又は目標空気圧比に起因してエアコンプレッサが安全動作領域外で動作する際に、一以上の構成要素を安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定するように構成される。当該電子制御ユニットは、安全動作領域内で動作するように、目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比に基づいて、一以上の弁を調整するように構成される。

本発明の他のシステム、方法、特徴及び利益は、以下の図面及び詳細な説明の検査に基づいて、当業者に明らかになるだろう。図面に示された構成要素部分は、縮尺を必要とせず、本発明の重要な特徴がよく描かれるように誇張されている。

本発明の態様に係る、模範的な空気制御システムを描くブロック図である。 本発明の態様に係る、図１の空気制御システムを示す図である。 本発明の態様に係る、図１の空気制御システムのアクチュエータコントローラ内の一以上のモジュールを描く図である。 本発明の態様に係る、安全動作領域内の空気制御システムの構成要素を動作させる処理の例を描くフロー図である。 本発明の態様に係る、図１の空気制御システムのエアコンプレッサに対する異なる動作領域のグラフ表示である。 本発明の態様に係る、図１の空気制御システムを空気が通る際の空気温度の効果を示す図である。

本明細書は、車両の燃料電池装置内の空気流を制御するシステム、車両、及び方法を開示する。本明細書に記載された内容の特定の実施形態は、以下の利益のうちの一又は複数を実現するように実施されてよい。

車両内に統合された、埋め込まれた、及び／又は含まれた空気制御システムは、エアコンプレッサ及び／又はインタークーラ等の、燃料電池への空気流を調節する構成要素内の、温度、圧力、及び他のパラメータを調節及び／又は制御するように、燃料電池装置への空気流を制御及び／又は管理する。空気制御システムは、構成要素が安全動作領域内で動作するように、構成要素のパラメータを調節及び／又は制御する。安全動作領域は、構成要素が正常に動作できるハードウェア制限を規定する。構成要素を安全動作領域内で動作させることにより、構成要素が該構成要素のハードウェア制限を超えて動作することが防止され、これにより、構成要素の圧力が減少され、燃料電池の効率が増加する。

空気制御システムは、エアコンプレッサのモータの速度、空気温度、空気流量、及び／又は空気圧比等の、多数のパラメータを制御するように構成可能である。空気制御システムは、空気流を制御するために、バイパス弁及び／又は背圧弁を開けて、閉じて、並びに／若しくは部分的に開けてよい。空気制御システムは、エアコンプレッサを通る空気流を増加又は減少させるように、モータの速度を制御してよい。各バルブを通る空気流量を解除及び／又は制限する、並びに／若しくはモータの速度を制御することにより、空気制御システムは、エアコンプレッサ、燃料電池、及び／又はインタークーラ等の、各構成要素内の圧力及び／又は空気流量を調節又は制御してよい。これにより、空気制御システムは、各構成要素に特異の特定性能パラメータ内で各構成要素の動作を維持できる。従って、例えば、エアコンプレッサは、サージ又はストール（失速）しないが、その代わりに安全動作領域内で作動する。

その他の利得及び利益は、温度を制御及び／又は調節するように各構成要素を制御可能であることを含む。空気制御システムは、インタークーラ出口から空気が出る際に空気の温度が上限を超えないように、弁を通る空気流を調節及び／又は制御してよい。これは、熱が燃料電池を損傷することを防ぐ。

図１は、空気制御システム１００のブロック図である。空気制御システム１００は、一以上の弁１０６又はエアコンプレッサ１０８を含む一以上のアクチュエータ１０４と、燃料電池１１４と、インタークーラ１１０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）又はアクチュエータコントローラ１２６等のプロセッサと、を含む。空気制御システム１００は、メモリ１１６、ユーザインターフェース１２０、及び／又は一以上のセンサ１１８を含んでよい。空気制御システム１００は、エアコンプレッサ１０８に流れ込んで燃料電池１１４まで流れる空気の空気流量、圧力、速度、及び／又は温度を制御するために、適切にプログラム化されたＥＣＵ１１２やアクチュエータコントローラ１２６等の一以上のプロセッサを含む。

空気制御システム１００は、アクチュエータコントローラ１２６を含む。アクチュエータコントローラ１２６は、ＥＣＵ１１２、及び／又は一以上のアクチュエータ１０４に対して、一以上のアクチュエータ制御要求を付与する。アクチュエータ制御要求は、空気制御システム１００内の空気流に対する、並びに／若しくは、エアコンプレッサ１０８、インタークーラ１１０、及び／又は燃料電池１１４等の各構成要素に対する、速度、温度、及び／又は圧力等の様々な目標を示す。アクチュエータコントローラ１２６は、様々の目標に対するパラメータを設定するために、弁１０６の位置の変更、又はエアコンプレッサ１０８の設定を開始する。

アクチュエータコントローラ１２６は、例えば図３に示すように、目標仲介モジュール３０２、状態エスティメータ３０４、状態ガバナ３０６、及び／又はフィードフォワード／フィードバックコントローラ３０８等の一以上のモジュールを有してよい。目標仲介モジュール３０２は、エアコンプレッサ１０８、インタークーラ１１０、及び／又は燃料電池１１４等の構成要素のハードウェア制限に基づいて、様々な目標を修正してよい。状態エスティメータ３０４は、一以上の構成要素の一以上のパラメータの現在の状態、及び／又は目標状態を見積もってよい。状態ガバナ３０６は、一以上の構成要素の目標状態を設定し、一以上の構成要素のパラメータを制御するように一以上のアクチュエータを整合させてよい。フィードフォワード／フィードバックコントローラ３０８は、一以上の構成要素のパラメータを制御するために、一以上の弁１０６を移動及び／又は配置する、又はエアコンプレッサ１０８のモータ速度を設定するように、アクチュエータ制御要求を一以上のアクチュエータ１０４に付与してよい。アクチュエータ制御要求は、一以上の弁１０６を配置させるために一以上のアクチュエータ１０４に用いられるトルク量を含んでよい。

空気制御システム１００は、ＥＣＵ１１２等のプロセッサを含む。ＥＣＵ１１２は、単一のＥＣＵにおいて、又は、多数のＥＣＵにおいて実行されてよい。ＥＣＵ１１２は、ジェネレータ１２４、モータ１２２、及び／又はナビゲーションユニット１２８等の、車両１０２の構成要素の一部又は全てと電気的に接続されていてよい。ＥＣＵ１１２は、空気制御システム１００の一以上の構成要素内にある空気に対する、例えば速度、空気圧比、空気流量、及び／又は温度等の、様々な目標を制御するために、一以上のアクチュエータ１０４を制御するように、及び／又は、一以上のセンサ１１８からデータを取得するように特に設計された、一以上のプロセッサ又はコントローラを含んでよい。ＥＣＵ１１２は、メモリ１１６に接続されており、メモリ１６に格納された命令を実行してよい。

メモリ１１６は、ＥＣＵ１１２に接続されており、ＥＣＵ１１２が実行する命令を格納する。メモリ１１６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、若しくはその他の揮発性又は不揮発性メモリのうちの一又は複数を含んでよい。メモリ１１６は、ハードディスク装置、固体ディスクドライブ、又はその他の適切なデータ記憶装置等の、固定メモリ又はデータ記憶装置であってよく、更に、ＥＣＵ１１２によりロード且つ実施される機械可読命令を格納してよい。

空気制御システム１００は、一以上のアクチュエータ１０４を含む。一以上のアクチュエータ１０４は、エアコンプレッサ１０８と、背圧弁１０６ａ又はバイパス弁１０６ｂ等の一以上の弁１０６とを含む。エアコンプレッサ１０８は、エアコンプレッサ１０８内に空気を吸引し、且つ空気の流出を制御するインペラをスピンさせる、モータの速度を制御する調節点を有してよい。一以上の弁１０６は、空気制御システム１００の一以上の構成要素内の空気流量及び圧力を制御するために、開けられ、閉じられ、並びに／若しくは部分的に開けられてよい。一以上のアクチュエータ１０４は、一以上の弁１０６及び／又はエアコンプレッサ１０８の制御を調和させてよい。例えば、空気流量及び／又は空気圧比を制御するために、第１アクチュエータを開位置に、第２アクチュエータを閉位置に、第３アクチュエータを高速モータ速度に設定してよい。

一以上の弁１０６は、例えば図２に示すように、背圧弁１０６ａ又はバイパス弁１０６ｂを含む。インペラをスピンさせるモータの速度は、エアコンプレッサ１０８への空気流量を制御する。背圧弁１０６ａは、燃料電池１１４から放出される空気流量を制御する。バイパス弁１０６ｂは、インタークーラ１１０の出口から燃料電池１１４をバイパスする空気流量を制御する。図２は、各種弁１０６と空気制御システム１００の構成要素を通る空気流を更に示す図である。

空気制御システム１００は、インタークーラ１１０、エアコンプレッサ１０８、及び／又は燃料電池１１４等の、一以上の構成要素を含む。エアコンプレッサ１０８は、燃料電池１１４へ空気を運ぶ。エアコンプレッサ１０８は、動力を増加させる、及び／又は空気制御システム１００全体に渡って空気圧を維持するために、燃料電池１１４を通って余分な空気を運んでよい。エアコンプレッサ１０８は、モータを用いてポンプで空気を送る。インタークーラ１１０は、エアコンプレッサ１０８により発生した空気流を、燃料電池１１４に入る前に冷却する。インタークーラ１１０は、最大温度レベルよりも低い温度で空気が燃料電池１１４に入るように、空気流から熱を除去する。燃料電池１１４は、空気からの酸素と燃料タンクからの水素とを化学的に融合させて水を生成し、車両１０２のモータ１２２に動力を与える電気エネルギを放出してよい。

空気制御システム１００は、一以上のセンサ１１８を含んでよい。一以上のセンサ１１８は、空気がエアコンプレッサ１０８に入る、又はインタークーラ１１０へと出る際の空気の周囲温度を測定する温度センサを含んでよい。一以上のセンサ１１８は、エアコンプレッサ１０８の入口での周囲空気圧、又は空気がエアコンプレッサ１０８の出口を出る際の空気圧を測定する空気圧センサを含んでよい。一以上のセンサ１１８は、エアコンプレッサ１０８での空気流量を測定するエアフローセンサを含んでよい。一以上のセンサ１１８は、エアコンプレッサ１０８のモータの速度を測定する速度センサを含んでよい。

空気制御システム１００は、ユーザインターフェース１２０を含んでよい。空気制御システム１００は、ユーザインターフェースに、空気制御システム１００の初期化、若しくは、燃料電池１１４への空気流を管理及び／又は制御する際の空気制御システム１００による調整を示す一以上の通知を表示してよい。空気制御システム１００は、車両１０２のメンテナンスを支援するために、一以上の構成要素を通る空気の空気圧、速度、又は操作温度を表示してよい。

空気制御システム１００は、車両１０２に含まれる。車両１０２は、人、対象物、若しくは永久的に又は一時的に固定された装置を搬送する乗物である。車両１０２は、自動車、スポーツ用多目的車、トラック、バス、バン、或いはその他のモータ又はバッテリ駆動の、若しくは燃料電池駆動の車両等の、自己推進する車付き乗物であってよい。例えば、車両１０２は、電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、若しくは燃料電池１１４、モータ１２２、及び／又はジェネレータ１２４を含む他の種類の車両であってよい。車両の他の例は、自転車、電車、飛行機、又はボート、及び搬送可能である他の形態の乗物を含む。車両１０２は、半自律型又は自律型であってよい。即ち、車両１０２は、自走式であり、人による入力無しに操縦してよい。自律車両は、自律的に駆動するために、一以上のセンサ１１８及び／又はナビゲーションユニット１２８を有し、用いてよい。

車両１０２は、モータ１２２及び／又はジェネレータ１２４を含んでよい。モータ１２２及び／又はジェネレータ１２４は、電気エネルギをトルク等の機械力に変換し、機械力を電気エネルギに変換する、電動機及び発電機であってよい。

車両１０２は、車両１０２を自律的に操縦する、及び／又はユーザインターフェース１２０を介してユーザに表示するために、ナビゲーション地図情報及び／又は車両情報を取得するナビゲーションユニット１２８を含んでよい。ナビゲーション地図情報は、車両１０２を操縦するために、車道、地形及び関心のある他のポイントを識別する地図を含んでよい。ナビゲーション地図情報は、出発点、目的地、及び車両１０２の出発点から目的点までの走行軌跡を含む経路情報を含んでよい。車両情報は、車両１０２の現在位置、車両１０２の現在の進行方向、及び／又は車両１０２の現在の速度を含んでよい。

図２は、空気制御システム１００を示す図である。ＥＣＵ１１２は、アクチュエータコントローラ１２６に接続され、命令を与えてよい。アクチュエータコントローラ１２６は、一以上の弁１０６又はエアコンプレッサ１０８を調整するように、一以上のアクチュエータ１０４を制御してよい。空気制御システム１００は、エアコンプレッサ１０８のモータの速度を設定し、並びに／若しくは、空気の流れを制限又は許可するように一以上の弁１０６を開位置、閉位置、又は部分開放位置に移動、配置、又は位置させる。

エアコンプレッサ１０８は、エアコンプレッサ１０８に入る空気流を制御する。エアコンプレッサ１０８は、エアコンプレッサ１０８内に空気を吸引するインペラに動力を与えるモータ２０２を有する。一以上のセンサ１１８は、各種の構成要素に接続されてよい。例えば、第１センサ１１８ａは、エアコンプレッサ１０８の近傍に位置、又は接続されてよい。第１センサ１１８ａは、エアコンプレッサ１０８のモータの速度、及び／又はエアコンプレッサ１０８のモータの温度を測定してよい。他の例では、第２センサ１１８ｂは、空気がインタークーラ１１０から出る際の空気温度及び／又は空気圧を測定するように、インタークーラ１１０の出口等の、インタークーラ１１０の後に配置されてよい。

空気はエアコンプレッサ１０８に流入してよい。空気制御システム１００は、モータの速度を制御し、エアコンプレッサ１０８へ流入し、そこから流出する空気を制御するようにモータの速度を調整してよい。インタークーラ１１０は、空気を冷却、及び／又は熱を空気から除去する。インタークーラ１１０の出口からの空気は、バイパス弁１０６ｂ及び／又は背圧弁１０６ａの位置に基づいて、燃料電池１１４に、及び／又は燃料電池１１４をバイパスする弁に流入する。背圧弁１０６ａが閉じられ、バイパス弁１０６ｂが開かれる又は部分的に開かれる場合には、空気は燃料電池１１４をバイパスする経路を通る。背圧弁１０６ａが開かれる場合には、空気は少なくとも部分的に燃料電池１１４を通る。バイパス弁１０６ｂが開かれる場合には、空気は少なくとも部分的に燃料電池１１４をバイパスする経路を通る。空気制御システム１００は、空気が二つの経路を通過できるように、背圧弁１０６ａ及びバイパス弁１０６ｂの位置を制御する。

図４は、安全動作領域内の空気制御システム１００の構成要素を動作させる処理４００の例を描くフロー図である。適切にプログラムされた、一以上のコンピュータ、又は一以上のデータ処理装置、例えば図１の空気制御システム１００のＥＣＵ１１２又はアクチュエータコントローラ１２６等の一以上のプロセッサは、安全動作領域内で空気制御システム１００の構成要素を動作させるための処理４００を実施してよい。

空気制御システム１００は、作動要求を取得する（４０２）。作動要求は、空気制御システム１００全体の空気流量、目標空気圧比及び空気温度のうちの少なくとも一つを特定する全体目標を含む。目標空気圧比は、エアコンプレッサ１０８の入口での空気圧に対する、エアコンプレッサ１０８の出口での空気圧の比率である。ある実施では、作動要求は、空気制御システム１００の最大空気圧限界を含み、空気制御システム１００の最大空気圧限界から目標空気圧比を算出する。

空気制御システム１００は、空気制御システム１００の一以上の構成要素の一以上の閾値限界を取得してよい（４０４）。空気制御システム１００は、メモリ１１６から一以上の閾値限界を取得してよい。或いは、閾値限界は、空気制御システム１００の一以上のプロセッサに予めプログラムされてよい。一以上の閾値限界は、エアコンプレッサ１０８、インタークーラ１１０、及び燃料電池１１４等の、異なる構成要素のハードウェア制限を表す。一以上の閾値限界は、各種構成要素の最大及び最小空気圧比、モータ速度、空気温度、及び／又は空気流量を含んでよい。その他のハードウェア制限は、燃料電池１１４内の空気流量及び空気圧に影響を受ける、燃料電池１１４内の最小水収支を含む。

空気制御システム１００は、目標空気圧比、目標空気温度、又は目標空気流量等の全体目標を含む作動要求に基づいて、構成要素のいずれかが安全動作領域外で動作するか判断又は予測する（４０６）。安全動作領域は、構成要素を通る空気により構成要素をハードウェア制限内で動作する領域である。これにより、構成要素がハードウェア制限を超えた結果、損傷及び／又は非効率性の増加が生じてしまうことを防ぐ。

例えば、安全動作領域内で動作することにより、空気制御システム１００は、エアコンプレッサ１０８がサージ領域に入ることに起因してエアコンプレッサ１０８に損傷を与える、及び／又はエアコンプレッサ１０８が誤った空気流を他の構成要素に提供してしまうことを防ぐ。他の例では、空気制御システム１００は、エアコンプレッサ１０８がストール（失速）領域に入ることに起因してエアコンプレッサ１０８が非効率的に動作することを防ぐ。更に、エアコンプレッサ１０８は、最大空気圧、最大空気流量、及び／又は最大モータ速度よりも下で、並びに／若しくは最小空気圧、最小空気流量、又は安全動作領域内で動作する際のモータ速度よりも上で、動作される。加えて、燃料電池１１４は、燃料電池１１４への損傷を防ぐために、燃料電池１１４内の水収支を維持するように、最大圧力及び最大温度よりも下で、且つ最小圧力よりも上で、動作しなければならない。

空気制御システム１００は、一以上の構成要素が、動作中、安全動作領域内に留まっているかを判断又は予測するために、一以上の構成要素の夫々の一以上の閾値限界に対して、目標空気圧比及び／又は目標空気流量等の、目標を比較してよい。

空気制御システム１００が、空気制御システム１００内の全ての構成要素がハードウェア制限内で動作すると判断する場合には、空気制御システム１００は、作動要求に含まれる全体目標に基づいて、弁１０６、及び／又はエアコンプレッサ１０８のモータの速度を動作又は調整する（４０８）。

空気制御システムが、空気流量、空気温度、及び／又は目標空気圧比等の全体目標に起因して、構成要素の一つが安全動作領域を超えると予測又は判断する場合には、空気制御システム１００は、媒介空気流量、媒介空気圧比、及び／又は媒介温度等の媒介目標を算出又は決定するので、空気制御システム１００内の全ての構成要素は安全動作領域内で動作する（４１０）。空気制御システム１００は、該空気制御システム１００内の各構成要素が構成要素のハードウェア制限内で動作するように、ハードウェア制限を表す一以上の閾値限界に基づいて、媒介空気流量、媒介温度及び／又は媒介空気圧比を算出又は決定する。即ち、空気制御システム１００は、インタークーラ１１０に入る空気の温度等の、他の構成要素の目標に基づいて、エアコンプレッサ１０８内の空気圧比等の、一の構成要素の目標を限定してよい。

例えば、空気制御システム１００は、インタークーラ１１０への空気の温度が最大温度を超さないように、空気圧比及び／又はエアコンプレッサ１０８を出る空気流量を、最大閾値限界よりも下になるように限定してよい。空気がエアコンプレッサ１０８を通る際に、圧縮によりインタークーラ１１０に入る空気の空気温度が上がり、よって、空気の空気流量及び空気圧比は安全動作領域内にあって、インタークーラ１１０に入る空気の温度を維持する。即ち、空気制御システム１００は、インタークーラ１１０に入り、且つ該インタークーラ１１０を出て燃料電池１１４に入る空気の温度を制御するために、最大許容圧力比及びエアコンプレッサ１０８への空気流量を限定する。空気温度の比率は、周囲温度と、インタークーラ１１０を介した温度変化とから算出される。これは、インタークーラの出口での空気温度が最大閾値限界を超えないように制限する。インタークーラ１１０に入る空気の温度は、インタークーラを通る際に冷却される空気が閾値を下回って、燃料電池１１４が効率的に動作できるように、最大温度閾値限界よりも下に維持される。空気流量及び空気圧比の最大閾値限界は、エアコンプレッサ１０８の必要温度上昇比に設定される。図６は、空気制御システム１００を空気が通る際の空気温度の効果を示す図である。

他の例では、空気制御システム１００は、一以上の構成要素の夫々の最小空気圧比限界以上である全体最小空気圧比閾値限界決定してよい。他の例では、空気制御システム１００は、一以上の構成要素の夫々の最大空気圧比限界以下である全体最大空気圧比閾値限界決定してよい。

空気制御システム１００は、温度、モータ速度、及び／又は空気流量に対して、他の全体閾値限界を決定してよい。全体最大閾値限界は、一以上の構成要素の間で、最低個別最大閾値限界以下であってよく、全体最小閾値限界は、一以上の構成要素の間で、最高個別最大閾値限界以上であってよい。

ある実施では、空気制御システム１００は、全体最小閾値限界が、一以上の構成要素の間で、最高最小閾値限界よりも大きい安全マージンであるように、及び／又は、全体最大閾値限界が、一以上の構成要素の間で、最低最大閾値限界よりも小さい安全マージンであるように、更なる安全マージンを実施してよい。

空気制御システム１００は、現在の空気流量、現在の空気圧比、及び／又は空気温度を含む現在のパラメータを監視してよい（４１２）。空気制御システム１００は、空気圧センサ等の一以上のセンサ１１８を用いて、エアコンプレッサ１０８の入口及び出口での空気圧を取得する。空気制御システム１００は、入口での現在の空気圧に対する、出口での現在の空気圧の比率をとることにより、空気圧比を算出してよい。空気流量は、エアフローセンサ等のセンサを用いて取得又は測定されてよく、温度は、温度センサ等の他のセンサを用いて取得又は測定されてよい。

空気制御システム１００は、媒介目標に基づいて、安全動作領域内で一以上の構成要素を動作させるように、一以上の弁１０６及び／又はモータの速度を調整する（４１４）。即ち、空気制御システム１００は、閉位置等の第１位置から、部分開放位置等の第２位置まで、一以上の弁１０６のうちのいずれか一つを調整してよい。一以上の弁１０６は、空気制御システム１００に対して圧力調整装置として機能する。ＥＣＵ１１２は、一以上の構成要素の媒介目標に関する情報を含む一以上の信号を、アクチュエータコントローラ１２６に送る。アクチュエータコントローラ１２６は、構成要素のパラメータが媒介目標に達するように、一以上の信号を解釈して、一以上の弁１０６又はエアコンプレッサ１０８を調整する。

空気制御システム１００は、更に一以上の現在のパラメータに基づいて、一以上の弁１０６又はエアコンプレッサ１０８を調整してよい。例えば、空気制御システム１００は、空気流量を現在の空気流量から媒介空気流量に増加させるために、モータの速度を増加して、エアコンプレッサ１０８への空気流量を増加させてよい。また、空気制御システム１００は、モータの速度を減少して、エアコンプレッサ１０８への空気流量を減少させてよい。更に、空気制御システム１００が、背圧弁１０６ａ及び／又はバイパス弁１０６ｂを開けずに空気を蓄積する場合には、空気圧比は増加する。空気制御システム１００は、背圧弁１０６ａ及び／又はバイパス弁１０６ｂを開けて、及び／又は部分的に開けて、空気圧の蓄積を減少させてよい。その結果、空気圧比は減少する。

図５は、エアコンプレッサ１０８の安全動作領域５０２のグラフ表示である。目標最大空気圧比５０４が、エアコンプレッサ１０８の最大空気圧比閾値５０６よりも大きい場合には、空気制御システム１００は、空気圧比を制御するように一以上の弁１０６及び／又はモータの速度を調整する。最大空気速度は、最大モータ速度及びインタークーラ１１０出口温度の関数である最大空気速度ライン５１２により示される。空気制御システム１００は、夫々、サージライン５０５よりも上であり、ストールライン５０８よりも下である、サージ及び／又はストール（失速）領域内でエアコンプレッサ１０８が動作しないように、安全動作領域５０２内でエアコンプレッサ１０８の動作を維持する。全ての弁１０６が開いている際には、エアコンプレッサ１０８は、常圧低下５１０を有する。

方法／システムの模範的実施形態を、例示的な様式で開示した。従って、全体をとおして用いられた用語は、非制限に解釈すべきである。技術に精通した者に対して、この中での教授に対する軽微な変更は生じるだろうが、何が、このことに関して保証される本特許の範囲内で制限されるのか、寄与される技術の進歩の範囲に当然に属する実施形態であって、付加的なクレーム及びその同等物に照らす他は、その範囲は制限されるべきではない実施形態の全てであるのか、を理解すべきである。

Claims (20)

1. 空気流を制御するエアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つと、
   前記エアコンプレッサ、インタークーラ、及び、燃料電池のうちの少なくとも一つを含み、且つ電気エネルギの生成を容易にするように構成された一以上の構成要素と、
   電子制御ユニットであって、
   目標空気流及び目標空気圧比を含む作動要求を取得し、
   前記目標空気流及び前記目標空気圧比に基づいて、前記一以上の構成要素が安全動作領域外で動作すると判断又は予測し、
   前記一以上の構成要素を前記安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定し、
   前記目標媒介空気流及び前記目標媒介空気圧比に基づいて、前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つを調整する
   ように構成された電子制御ユニットと、
   を備えることを特徴とする車両の空気制御システム。
2. 前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つを調整するために、前記電子制御ユニットは、
   前記目標媒介空気流及び前記目標媒介空気圧比に基づいて、前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの少なくとも一つに対して位置又は調節点を決定し、
   前記位置又は前記調節点に基づいて、前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つを調整するように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気制御システム。
3. 前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つを調整するために、前記電子制御ユニットは、前記エアコンプレッサの最小許容圧力比以上、且つ前記エアコンプレッサの最大許容圧力比以下の空気圧比を有する前記安全動作領域で前記エアコンプレッサを動作するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気制御システム。
4. 前記エアコンプレッサからの出口空気は、インタークーラに流入する最大許容温度未満の温度を有することを特徴とする請求項３に記載の空気制御システム。
5. 前記目標空気流及び前記目標空気圧比に基づいて、前記一以上の構成要素が安全動作領域外で動作すると判断又は予測するために、前記電子制御ユニットは、前記目標空気圧比が、最小閾値よりも小さい又は最大閾値よりも大きいと判断又は予測するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気制御システム。
6. 前記目標空気流及び前記目標空気圧比に基づいて、前記一以上の構成要素が安全動作領域外で動作すると判断又は予測するために、前記電子制御ユニットは、前記温度が最大閾値よりも高いと判断又は予測するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気制御システム。
7. 前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つを調整するために、前記電子制御ユニットは、
   部分開放位置に前記バイパス弁を調整し、
   閉位置に前記背圧弁を調整するように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気制御システム。
8. エアコンプレッサの動作を制御する方法であって、
   プロセッサにより、目標空気流及び目標空気圧比を含む前記エアコンプレッサに対する作動要求を取得する工程と、
   前記プロセッサにより、前記目標空気流及び前記目標空気圧比に基づいて、前記エアコンプレッサがサージ又はストール領域内で動作すると予測する工程と、
   前記プロセッサにより、前記エアコンプレッサを安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定する工程と、
   前記プロセッサにより、前記目標媒介空気流及び前記目標媒介空気圧比に基づいて、前記エアコンプレッサ、背圧弁及びバイパス弁のうちの少なくとも一つの位置又は調節点を制御する工程と
   を備えることを特徴とする方法。
9. 前記エアコンプレッサ、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの前記少なくとも一つの前記位置又は前記調節点を制御する工程は、
   部分開放位置に前記バイパス弁を移動させる工程と、
   閉位置に前記背圧弁を移動させる工程と、
   を備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記ストール領域及び前記サージ領域は、前記安全動作領域外にあることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記プロセッサにより、前記目標空気流及び前記目標空気圧比に基づいて、前記エアコンプレッサがサージ又はストール領域内で動作すると予測する工程は、前記目標空気圧比が、最小閾値よりも小さい又は最大閾値よりも大きいと判断又は予測する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記安全動作領域は、前記エアコンプレッサの最小許容圧力比以上、且つ前記エアコンプレッサの最大許容圧力比以下の空気圧比を有する出口空気を提供することを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記安全動作領域は、インタークーラに流入する最大許容温度未満の温度を有するように前記出口空気を提供することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 電気エネルギを生成するための一以上の構成要素と、
    該一以上の構成要素への空気流を制御する一以上の弁と、
    電子制御ユニットであって、
    目標空気流及び目標空気圧比を取得し、
    前記目標空気流又は前記目標空気圧比に起因してエアコンプレッサが安全動作領域外で動作する際に、前記一以上の構成要素を前記安全動作領域内で動作させる目標媒介空気流及び目標媒介空気圧比を決定し、
    前記安全動作領域内で動作するように、前記目標媒介空気流及び前記目標媒介空気圧比に基づいて、前記一以上の弁を調整する
    ように構成された電子制御ユニットと、
    を備えることを特徴とする車両の空気制御システム。
15. 前記一以上の構成要素を調整するために、前記電子制御ユニットは、
    前記目標媒介空気流及び前記目標媒介空気圧比に基づいて、背圧弁又はバイパス弁を含む前記一以上の弁に対して位置を決定し、
    前記位置に基づいて、前記背圧弁及び前記バイパス弁のうちの少なくとも一つを調整するように構成される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の空気制御システム。
16. 前記安全動作領域は、前記一以上の構成要素の最小許容圧力比以上、且つ前記一以上の構成要素の最大許容圧力比以下の空気圧比を有する出口空気を提供することを特徴とする請求項１４に記載の空気制御システム。
17. 前記安全動作領域は、前記一以上の構成要素に流入する最大許容温度未満の温度を有するように前記出口空気を提供することを特徴とする請求項１６に記載の空気制御システム。
18. 前記電子制御ユニットは、
    前記目標空気流又は前記目標空気圧比に基づいて前記一以上の弁を調整することが、前記安全動作領域を超える空気圧比又は温度を生じると判断又は予測するように更に構成される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の空気制御システム。
19. 前記目標空気流又は前記目標空気圧比に基づいて前記一以上の弁を調整することが、前記安全動作領域を超える空気圧比又は温度を生じると判断又は予測するために、前記電子制御ユニットは、前記温度が最大閾値よりも高いと判断又は予測するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の空気制御システム。
20. 前記一以上の弁を調整するために、前記電子制御ユニットは、
    部分開放位置にバイパス弁を移動させ、
    閉位置に背圧弁を移動させるように構成される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の空気制御システム。