JP7446831B2 - 水素供給システムの低圧状態推定器 - Google Patents
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Description
1.分野
概して、本明細書に記述されている主題の一態様は、制御システムにおいて実施される。制御システムは、ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御する。制御システムは、1つ又は複数のアクチュエータ及び燃料電池を含む、2つ以上のコンポーネントを含む。制御システムは、2つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットを含む。制御システムは、初期値及び前の時間ステップにおける値を決定するように構成されている。制御システムは、初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内のガスフローの全圧を決定又は推定するように構成されている。制御システムは、2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内のガスフローの全圧に基づいて1つ又は複数のアクチュエータを制御するように構成されている。
本発明のその他のシステム、方法、特徴、及び利点については、以下の図及び詳細な説明を参照した際に、当業者に明らかとなり、或いは、当業者によって理解されることになろう。すべてのこのような更なるシステム、方法、特徴、及び利点は、本説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、且つ、添付の請求項によって保護される、ものと解釈されたい。図面内に示されているコンポーネント部分は、必ずしも、その縮尺が正確なものでなく、且つ、本発明の重要な特徴を相対的に良好に例示するべく、誇張されている場合がある。添付図面においては、同一の参照符号が、異なる図の全体を通じて、同一の部分を表記しており、添付図面は、以下の通りである。
本開示に開示されているのは、燃料電池スタックの1つ又は複数のコンポーネントを通じたガスフローを推定するためのシステム、ビークル、及び方法である。制御システムは、燃料電池と相互接続された1つ又は複数のコンポーネントのそれぞれにおけるガスの様々な特性を推定する。
を取得してもよく、或いは、初期温度として、ガスの既定の周辺温度を使用してもよい。いくつかの実装形態においては、コンポーネントにおける流量、濃度、温度、及び/又は液体量の初期値は、制御システム100の初期化の際に、事前構成されるか、既定されるか、或いは、その他の方法で設定されている。
を算出してもよく、これは、例えば、インジェクタ120からパイプ114a内に流出するするガスフローの量又は流速の推定値を提供する。デューティサイクルは、インジェクタ120が、エンジンサイクルにおいてオン状態にある時間、或いは、エネルギ供給されている時間の量である。
と、燃料電池スタック108の出口におけるガスフローの量又は流速
と、を決定又は推定することもできる。水素ガス、非水素ガス、水、及び/又はその他のガス塊は、パージバルブ124、燃料電池スタック108、及び/又はインジェクタ120を離脱するか又はこれに進入し、且つ、従って、制御システム100は、その他のコンポーネント110へのガスフローの量又は流速を決定又は推定するべく、インジェクタ120、パージバルブ124、燃料電池スタック108の出口、或いは、境界条件であるその他のコンポーネント110を離脱するガスの初期圧力を計測し、検出し、又はその他の方法で計測する。
と、第2コンポーネントの一部分(即ち、半分)を通じた、即ち、第1コンポーネントの下流の、フロー抵抗値
と、の関数であってよい。即ち、有効フロー抵抗値は、異なるコンポーネントの2つの部分のフロー抵抗値の逆数加算であり、且つ、次式によって定義することができる。
は、コンポーネント内へのガスフロー
、コンポーネントから外部へのガスフロー
、及び凝結
の関数である。即ち、
である。更には、制御システム100は、ガスフローの量又は流速の変化を黙示的に定義してもよく、その理由は、ガスフローの二乗された量又は流速の変化が、圧力及びフロー抵抗値の変化の関数であるからである。この式は、ΔP=Fd(L/D)(ρν2/2)として記述することが可能であり、ここで、Fdはダーシー摩擦係数であり、νは流体速度である。この式は、有効フロー抵抗値項Kd_effの使用を通じて線形化することができる。即ち、
である。従って、ΔPは、2つのコンポーネントの間の圧力の差であることから、ガスフローの量又は流速の変化は、以下の式によって定義されてもよく、この場合に、K、K-1、及びK+1という表記は、それぞれ、コンポーネント、上流のコンポーネント、及び下流のコンポーネントを表する。
として表され、この場合に、
である。
として、要素のガスフローの量又は流速の変化を表すことができる。制御システム100は、それぞれのコンポーネントごとの要素の上述の関係用の式の線形の組を定義することができると共に、例えば、黙示的に要素のガスフローの量又は流速と、特定の時点におけるそれぞれのコンポーネントごとの要素の分圧と、を決定するべく、式の行列を解くことができる。
を決定する。第1部分におけるガスの有効熱交換は、
に等しく、ここで、
は、ヌセルト数であり、
は、ガスの熱伝導率であり、
は、入口の直径である。同様に、第2部分は、
に等しい。
を決定する。制御システム100は、コンポーネントを2つの部分に分割し、両方の部分における有効熱交換heff-及びheff+を決定する。即ち、
であり、ここで、hextは、コンポーネントの外側を流れるガスの対流係数であり、
は、コンポーネントの温度であり、
は、伝導係数であり、
は、コンポーネントを通じて流れるガスの熱伝達であり、
は、コンポーネントの平均断面積であり、
は、コンポーネントの入口の断面積であり、
は、コンポーネントの出口の断面積である。同様に、
である。従って、熱交換
は、
に等しい。
、ここで、Vは、容積であり、ρは、ガスの密度であり、Cpは、コンポーネントの比熱であり、温度の変化dTK/dtは、
としても表すことができる。制御システム100は、
として、それぞれのコンポーネントのエネルギ収支を黙示的に定義してもよく、ここで、
は、水の凝結の形成の熱交換であり、
は、流入質量であり、
は、流出質量であり、Cp_inは、流入比熱であり、Cp_outは、流出比熱である。制御システム100は、例えば、線形方程式の行列を使用することにより、それぞれのコンポーネントの温度を決定するべく、エネルギ収支の黙示的な定義を使用する。
を加算することにより、水収支を決定する(422)。次いで、制御システム100は、全圧収支、分圧収支、エネルギ収支、及び/又は水収支に基づいて1つ又は複数のアクチュエータ112を制御する(424)。それぞれのコンポーネントにおけるそれぞれの要素ごとのそれぞれの要素及び分圧の合計は、既知であることから、制御システム100は、比率が閾値比率未満であるかどうかを決定することができる。比率が閾値比率未満である場合には、制御システム100は、燃料電池スタック108内への水素の量を増大させるべく、インジェクタ120を更に開放又は部分開放することができる。いくつかの実装形態においては、制御システム100は、比率を維持するべく、燃料電池スタック108内に再循環される水素の量を増大させるために、水素ポンプ122の速度を増大させることができる。いくつかの実装形態においては、制御システム100は、水素ガスの比率を増大させるべく、排気管から水を放出するために、パージバルブ124を開放又は部分開放することにより、非水素ガス又は水の量を減少させることができる。制御システム100は、水素ポンプ122の速度が閾値速度に到達するか又はこれを超過した際に、パージバルブ124を開放することができる。閾値速度は、水素ポンプ122の最大動作速度であってもよく、或いは、比率の維持を支援するための閾値速度であってもよい。
[構成1]
ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御するための制御システムであって、
1つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、2つ以上のコンポーネントと、
前記2つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
初期値及び前の時間ステップにおける値を決定し、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの全圧を決定又は推定し、
前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの前記全圧に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を備える制御システム。
[構成2]
前記ガスは、水素ガス、水、及び非水素ガスの組成物であり、前記初期値及び前記前の時間ステップにおける値は、流量、圧力、濃度、温度、及び液水量のものである、構成1に記載の制御システム。
[構成3]
前記1つ又は複数のアクチュエータは、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブを含み、前記インジェクタは、前記燃料電池に噴射される水素ガスの量又は流速を制御し、前記水素ポンプは、前記燃料電池内に再循環される前記水素ガスの量又は流速を制御し、前記パージバルブは、前記ビークルから排出される非水素ガスの量又は流速を制御する、構成1に記載の制御システム。
[構成4]
前記電子制御ユニットは、前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの前記全圧に基づいて、前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローのそれぞれの要素の分圧を決定又は推定する、ように構成されている、構成1に記載の制御システム。
[構成5]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
消費された水素ガスの量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、構成4に記載の制御システム。
[構成6]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
水又は非水素ガスのうちの少なくとも1つを放出するために、前記水素ポンプの前記速度に基づいて、前記パージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、構成5に記載の制御システム。
[構成7]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
一定の圧力において前記燃料電池において消費される水素ガスのモル数に対する水素ガスのモル数の比率を維持するために、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブのうちの少なくとも1つを調節する、
ように構成されている、構成1に記載の制御システム。
[構成8]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池内への水素ガスの量が、電気エネルギを生成するために前記燃料電池が消費する水素ガスの量以上であるのを許容するために、前記燃料電池の出口における一定の圧力及び比率に基づいて、インジェクタの位置を調節する、
ように構成されている、構成1に記載の制御システム。
[構成9]
前記電子制御ユニットは、
前記2つ以上のコンポーネントの水収支を決定し、
前記水収支に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、構成1に記載の制御システム。
[構成10]
燃料電池内のガスフローを制御する方法であって、
複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前の時間ステップにおける値を取得することと、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフロー内のそれぞれの要素の分圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧及び分圧に基づいて、インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも1つを制御することと、
を含む方法。
[構成11]
それぞれのコンポーネントからのすべての過剰な水又は凝結を加算することにより、水収支を決定すること、
を更に含む、構成10に記載の方法。
[構成12]
前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの少なくとも1つを制御することが、非水素ガスに対する水素ガスの比率に基づいて前記水素ポンプの速度を制御することを含む、構成10に記載の方法。
[構成13]
前記水素ポンプの前記速度を制御することが、前記燃料電池内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、前記燃料電池に進入する水素ガスの量を増大させるために前記水素ポンプの速度を増大させることを含む、構成12に記載の方法。
[構成14]
前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの前記少なくとも1つを制御することが、前記水素ポンプの速度に基づいて前記パージバルブの位置を制御することを更に含む、構成12に記載の方法。
[構成15]
更に、
前記水素ポンプの速度が閾値レベル以上であると決定することと、
水を外部に放出又は排出するために前記パージバルブを開放又は部分開放位置に移動させることと、
を含む、構成14に記載の方法。
[構成16]
更に、
それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数に基づいてそれぞれのコンポーネントの温度を決定することと、
を含み、
前記それぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することが、前記温度に更に基づいている、構成10に記載の方法。
[構成17]
更に、
それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量に基づいて過剰な液水の合計量を決定することと、
を含み、
前記インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも1つを制御することが、前記過剰な液水の合計量に基づいて前記パージバルブを制御することを含む、構成10に記載の方法。
[構成18]
ビークルの燃料電池スタック内のガスフローを制御するための制御システムにおいて、
1つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、2つ以上のコンポーネントと、
前記2つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前回値を決定し、
前記初期値及び前記前回値に基づいてそれぞれのコンポーネントの全圧を決定し、
前記全圧に基づいてそれぞれのコンポーネントの分圧を決定し、
それぞれのコンポーネントの温度を決定し、
それぞれのコンポーネントにおける水収支を決定し、
前記全圧、前記分圧、前記温度、及び前記水収支に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を含む制御システム。
[構成19]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池において消費された水素の量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、構成18に記載の制御システム。
[構成20]
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記水素ポンプの前記速度に基づいて、水又は非水素ガスのうちの少なくとも1つを放出するべくパージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、構成19に記載の制御システム。
Claims (20)
- ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御するための制御システムであって、
1つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、2つ以上のコンポーネントと、
前記2つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
初期値及び前の時間ステップにおける値を決定し、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの全圧を決定又は推定し、
前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの前記全圧に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を備える制御システム。 - 前記ガスは、水素ガス、水、及び非水素ガスの組成物であり、前記初期値及び前記前の時間ステップにおける値は、流量、圧力、濃度、温度、及び液水量のものである、請求項1に記載の制御システム。
- 前記1つ又は複数のアクチュエータは、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブを含み、前記インジェクタは、前記燃料電池に噴射される水素ガスの量又は流速を制御し、前記水素ポンプは、前記燃料電池内に再循環される前記水素ガスの量又は流速を制御し、前記パージバルブは、前記ビークルから排出される非水素ガスの量又は流速を制御する、請求項1に記載の制御システム。
- 前記電子制御ユニットは、前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの前記全圧に基づいて、前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローのそれぞれの要素の分圧を決定又は推定する、ように構成されている、請求項1に記載の制御システム。
- 前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
消費された水素ガスの量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、請求項4に記載の制御システム。 - 前記1つ又は複数のアクチュエータは、パージバルブを含み、
前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
水又は非水素ガスのうちの少なくとも1つを放出するために、前記水素ポンプの前記速度に基づいて、前記パージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、請求項5に記載の制御システム。 - 前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
一定の圧力において前記燃料電池において消費される水素ガスのモル数に対する水素ガスのモル数の比率を維持するために、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブのうちの少なくとも1つを調節する、
ように構成されている、請求項1に記載の制御システム。 - 前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池内への水素ガスの量が、電気エネルギを生成するために前記燃料電池が消費する水素ガスの量以上であるのを許容するために、前記燃料電池の出口における一定の圧力及び比率に基づいて、インジェクタの位置を調節する、
ように構成されている、請求項1に記載の制御システム。 - 前記電子制御ユニットは、
前記2つ以上のコンポーネントの水収支を決定し、
前記水収支に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、請求項1に記載の制御システム。 - 燃料電池内のガスフローを制御する方法であって、
複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前の時間ステップにおける値を取得することと、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフロー内のそれぞれの要素の分圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧及び分圧に基づいて、インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも1つを制御することと、
を含む方法。 - それぞれのコンポーネントからのすべての過剰な水又は凝結を加算することにより、水収支を決定すること、
を更に含む、請求項10に記載の方法。 - 前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの少なくとも1つを制御することが、非水素ガスに対する水素ガスの比率に基づいて前記水素ポンプの速度を制御することを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記水素ポンプの前記速度を制御することが、前記燃料電池内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、前記燃料電池に進入する水素ガスの量を増大させるために前記水素ポンプの速度を増大させることを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの前記少なくとも1つを制御することが、前記水素ポンプの速度に基づいて前記パージバルブの位置を制御することを更に含む、請求項12に記載の方法。
- 更に、
前記水素ポンプの速度が閾値レベル以上であると決定することと、
水を外部に放出又は排出するために前記パージバルブを開放又は部分開放位置に移動させることと、
を含む、請求項14に記載の方法。 - 更に、
それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数に基づいてそれぞれのコンポーネントの温度を決定することと、
を含み、
前記それぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することが、前記温度に更に基づいている、請求項10に記載の方法。 - 更に、
それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量に基づいて過剰な液水の合計量を決定することと、
を含み、
前記インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも1つを制御することが、前記過剰な液水の合計量に基づいて前記パージバルブを制御することを含む、請求項10に記載の方法。 - ビークルの燃料電池スタック内のガスフローを制御するための制御システムにおいて、
1つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、2つ以上のコンポーネントと、
前記2つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
前記2つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前回値を決定し、
前記初期値及び前記前回値に基づいてそれぞれのコンポーネントの全圧を決定し、
前記全圧に基づいてそれぞれのコンポーネントの分圧を決定し、
それぞれのコンポーネントの温度を決定し、
それぞれのコンポーネントにおける水収支を決定し、
前記全圧、前記分圧、前記温度、及び前記水収支に基づいて前記1つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を含む制御システム。 - 前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池において消費された水素の量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、請求項18に記載の制御システム。 - 前記1つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記水素ポンプの前記速度に基づいて、水又は非水素ガスのうちの少なくとも1つを放出するべくパージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、請求項19に記載の制御システム。
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