特開 2019-164984 状態メディエータにおけるフィードフォワードおよびフィードバック制御の実装

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-164984(P2019-164984A)

(43)【公開日】2019年9月26日

(54)【発明の名称】状態メディエータにおけるフィードフォワードおよびフィードバック制御の実装

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04089 20160101AFI20190830BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20190830BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20190830BHJP

   H01M 8/04992 20160101ALI20190830BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04089

   H01M8/04694

   H01M8/0438

   H01M8/04992

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】42

(21)【出願番号】特願2018-224997(P2018-224997)

(22)【出願日】2018年11月30日

(31)【優先権主張番号】15/836,716

(32)【優先日】2017年12月8日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】507342261

【氏名又は名称】トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(72)【発明者】

【氏名】ジャレッド ファーンズワース

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル フォリック

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】留 直木

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB26

5H127AB29

5H127AC15

5H127BA02

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB23

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DB23

5H127DB71

5H127DC22

5H127DC28

5H127DC81

5H127EE04

(57)【要約】      （修正有）

【課題】望ましい率および望ましい圧力で燃料電池に対して正確かつ迅速に空気を提供するためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムは、燃料電池スタックを含む。システムは同様に、気体の圧力に影響を及ぼすバルブ位置および、気体が中を流れ得るバルブの断面積に対応するバルブ面積を有するバルブも含んでいる。システムは同様に、バルブ面積をバルブ位置と相関させるマップまたは関数を記憶するように設計されたメモリも含む。システムは同様に、バルブを通る気体の所望の質量流量率を決定するかまたは受信し、所望の質量流量率を達成するための所望のバルブ面積を計算するためのＥＣＵをも含む。ＥＣＵは同様に、所望のバルブ面積をマップまたは関数と比較して、所望のバルブ面積を提供する所望のバルブ位置を決定し、所望のバルブ位置を有するようにバルブを制御するようにも設計されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムにおいて、
気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池回路内の前記気体の圧力に影響を及ぼすバルブ位置および、前記気体が中を流れ得るバルブの断面積に対応するバルブ面積を有するバルブと、
前記バルブ面積を前記バルブ位置と相関させるマップまたは関数を記憶するように構成されたメモリと、
バルブに結合され、
前記バルブを通る気体の所望の質量流量率を決定するかまたは受信し、
前記所望の質量流量率に基づいて、前記所望の質量流量率を達成するための所望のバルブ面積を計算し、
前記所望のバルブ面積を前記マップまたは関数と比較して、前記所望のバルブ面積を提供する所望のバルブ位置を決定し、
前記所望のバルブ位置を有するように前記バルブを制御する、
ように構成された電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を含むシステム。

【請求項2】

前記ＥＣＵが、さらに、
前記バルブを通って流れる前記気体についての現在のレイノルズ数を決定し、
前記現在のレイノルズ数に基づいて、前記バルブを通る気体の現在の層流、亜音速流、またはチョーク流量を決定し、
さらに、前記現在の層流、亜音速流またはチョーク流量に基づいて、前記所望のバルブ面積を計算する、
ように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記バルブが高圧側およびこの高圧側よりも低い圧力に曝露されている低圧側を含み、前記ＥＣＵがさらに、以下の等式、

【数1】

を用いて前記所望のバルブ面積を計算するように構成されており、式中、ｍは前記所望の質量流量率、Ｃｄは流出係数、Ａは前記所望のバルブ面積、Ｒ_sは比気体定数、Ｔ_uはバルブの高圧側における温度、Ｐ_uは前記バルブの前記高圧側における圧力、Ψは前記現在の層流、亜音速流またはチョーク流量である、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記気体の少なくとも一部分に前記燃料電池スタックを迂回させるように構成されたバイパス分岐をさらに含み、前記バルブが、前記バイパス分岐に沿って位置付けされたバイパスバルブであり、前記所望の質量流量率が前記バイパス分岐を通る前記気体の所望の質量流量に対応する、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記バルブが、前記燃料電池スタックから下流側に位置設定された制限バルブであり、前記所望の質量流量率が前記燃料電池スタックを通る前記気体の所望の質量流量に対応する、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムにおいて、
前記燃料電池回路を通って気体を圧送するように構成され、各々が圧縮機を通る気体の圧縮機流量率に影響を及ぼす圧縮機速度および圧縮機トルクを有する圧縮機と、
前記気体を受取り、前記気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記圧縮機に結合され、
前記圧縮機速度の所望の加速に対応する前記圧縮機の所望の加速率を決定または受信し、
前記所望の加速率に基づいて前記圧縮機の所望の加速トルクを決定し、
前記所望の加速トルクに基づいて前記圧縮機の前記圧縮機トルクを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を含むシステム。

【請求項7】

前記圧縮機が、前記圧縮機の出口における圧力対前記圧縮機の入口における圧力の比に対応する圧縮機圧力比を有し、前記ＥＣＵがさらに、
前記圧縮機流量率および前記圧縮機圧力比に基づいて前記圧縮機の効率を決定し、
前記圧縮機の前記効率に基づいて、前記圧縮機の圧縮トルクを決定し、
さらに前記圧縮機の前記圧縮トルクに基づいて、前記圧縮機の前記圧縮機トルクを制御する、
ように構成されている、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記圧縮機がギヤ比を有するギヤボックスおよびモータ速度を有するモータを有し、前記ＥＣＵがさらに、
前記ギヤ比および前記モータ速度に基づいて前記圧縮機の摩擦トルクを決定し、
前記所望の加速トルク、前記圧縮トルクおよび前記摩擦トルクに基づいて前記圧縮機により加えられるべき合計圧縮機トルクを決定し、
前記圧縮機トルクが前記合計圧縮機トルクに等しくなるように前記圧縮機を制御する、
ように構成されている、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

所望の圧縮機流量率および所望の圧縮機圧力比を目標圧縮機速度に対応させる速度マップを記憶するように構成されたメモリをさらに含み、前記ＥＣＵがさらに、
所望の圧縮機流量率および所望の圧縮機圧力比を決定または受信し、
前記所望の圧縮機流量率および前記所望の圧縮機圧力比を速度マップと比較して、所望の圧縮機速度を決定し、
前記圧縮機速度が前記所望の圧縮機速度に等しくなるように、前記圧縮機を制御する、
ように構成されている、請求項６に記載のシステム。

【請求項10】

前記ＥＣＵが、さらに
現在の時間ステップに対応する現在の所望の圧縮機速度を決定または受信し、
将来の時間ステップに対応する将来の所望の圧縮機速度を決定または受信し、
前記現在の所望の圧縮機速度と前記将来の所望の圧縮機速度の間の速度差を計算し、
前記現在の時間ステップと前記将来の時間ステップの間の時間遅延を決定し、
前記速度差を前記時間遅延で除することによって前記圧縮機の前記所望の加速率を計算する、
ように構成されている、請求項６に記載のシステム。

【請求項11】

前記ＥＣＵが、前記所望の加速率を決定するように構成された経路制御装置を含む、請求項６に記載のシステム。

【請求項12】

燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムにおいて、
気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池回路内の前記気体の圧力に影響を及ぼすバルブ位置を有するバルブと、
前記燃料電池回路内部の圧力値を対応するバルブ位置と結び付ける圧力マップを記憶するように構成されたメモリと、
前記バルブに結合され、
前記燃料電池回路内の前記気体の所望の圧力値を決定または受信し、かつ前記燃料電池回路内の前記気体の現在の圧力値を決定または受信し、
前記圧力マップに対して前記所望の圧力値を適用して、前記所望の圧力値と結び付けられた所望のバルブ位置を決定し、前記圧力マップに対して前記現在の圧力値を適用して、前記現在の圧力値と結び付けられた現在のバルブ位置を決定し、
前記所望のバルブ位置と前記現在のバルブ位置の間の差に対応する差分信号を識別し、
前記差分信号に基づいて前記バルブの前記バルブ位置を調整する、
ように構成されている電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を含むシステム。

【請求項13】

前記ＥＣＵがさらに、前記差分信号に対して比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御装置を適用して、前記バルブ位置に対する所望の調整を決定し、前記バルブ位置に対する前記所望の調整により前記バルブ位置を変更することによって前記バルブ位置をさらに調整するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記ＥＣＵがさらに、前記バルブ位置に対する前記所望の調整の行き過ぎを減少させるために既定の閾値量だけ前記差分信号の値が減少するまでＰＩＤ制御装置の積分項の組込みを遅延させるように構成されているか、または、
前記メモリはさらに、前記現在の圧力値が第１の所望の圧力値に収束した時点で前記ＰＩＤ制御装置の最終積分項を記憶するように構成され、前記ＥＣＵがさらに、開始積分項として前記記憶された最終積分項を用いて前記第１の所望の圧力値に向う後続する収束をＰＩＤ制御装置に開始させるように構成されているか、
のうちの少なくとも１つである、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記気体に前記燃料電池スタックを迂回させるように構成されたバイパス分岐と、
前記気体を前記燃料電池回路を通して圧送するように構成され、入口圧力を有する入口と出口圧力を有する出口とを有する圧縮機と、
をさらに含み、
前記バルブが、前記燃料電池スタックから下流側に位置設定された制限バルブであり、前記所望の圧力値が前記燃料電池スタックの燃料電池入口に対応する入口圧力値であるか、または、
前記バルブが、前記バイパス分岐に沿って位置設定されたバイパスバルブであり、前記所望の圧力値が前記出口圧力対前記入口圧力の比に対応する圧力比であるか、
のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載のシステム。

【請求項16】

燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムにおいて、
圧縮機速度を有し、圧縮機流量率で前記燃料電池回路を通って気体を圧送するように構成されている圧縮機と、
気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
圧縮機流量率を対応する圧縮機速度と結び付ける空気流マップを記憶するように構成されたメモリと、
前記圧縮機に結合され、
所望の圧縮機流量率を決定または受信し、かつ現在の圧縮機流量率を決定または受信し、
前記空気流マップに対して前記所望の圧縮機流量率を適用して、前記所望の圧縮機流量率と結び付けられた所望の圧縮機速度を決定し、前記空気流マップに対して前記現在の圧縮機流量率を適用して、前記現在の圧縮機流量率と結び付けられた現在の圧縮機速度を決定し、
前記所望の圧縮機速度と前記現在の圧縮機速度の間の差に対応する差分信号を識別し、
前記差分信号に基づいて前記圧縮機の前記圧縮機速度を調整する、
ように構成されている電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を含むシステム。

【請求項17】

前記ＥＣＵがさらに、前記差分信号に対して比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御装置を適用して、前記圧縮機速度に対する所望の調整を決定し、前記圧縮機速度に対する前記所望の調整により前記圧縮機速度を変更することによって前記圧縮機速度をさらに調整するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記ＥＣＵがさらに、前記圧縮機速度に対する前記所望の調整の行き過ぎを減少させるために既定の閾値量だけ前記差分信号の値が減少するまでＰＩＤ制御装置の積分項の組込みを遅延させるように構成されているか、または、
前記メモリはさらに、前記現在の圧縮機流量率が第１の所望の圧縮機流量率に収束した時点で前記ＰＩＤ制御装置の最終積分項を記憶するように構成され、前記ＥＣＵがさらに、開始積分項として前記記憶された最終積分項を用いて前記第１の所望の圧縮機流量率に向う後続する収束をＰＩＤ制御装置に開始させるように構成されているか、
のうちの少なくとも１つである、請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

前記圧縮機がさらに圧縮機トルク値を有し、
前記メモリがさらに、圧縮機速度を圧縮機トルク値と結び付けるトルクマップを記憶するように構成されており、
前記ＥＣＵがさらに、
前記トルクマップに対して前記所望の圧縮機速度を適用して、前記所望の圧縮機速度と結び付けられた所望の圧縮機トルク値を決定し、前記トルクマップに対して前記現在の圧縮機速度を適用して、前記現在の圧縮機速度と結び付けられた現在の圧縮機トルク値を決定し、
前記所望の圧縮機トルク値と前記現在の圧縮機トルク値の間のトルク差に対応するトルク差分信号を識別し、
前記トルク差分信号に基づいて前記圧縮機の前記圧縮機トルク値を調整する、
ように構成されている、請求項１６に記載のシステム。

【請求項20】

前記ＥＣＵがさらに、前記トルク差分信号に対して比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御装置を適用して、前記圧縮機トルク値に対する所望の調整を決定し、前記圧縮機トルク値に対する前記所望の調整により前記圧縮機トルク値を変更することによって前記圧縮機トルク値をさらに調整するように構成されており、
前記ＥＣＵがさらに、前記圧縮機トルク値に対する前記所望の調整の行き過ぎを減少させるために既定の閾値量だけ前記トルク差分信号の値が減少するまでＰＩＤ制御装置の積分項の組込みを遅延させるように構成されているか、または、
前記メモリはさらに、前記現在の圧縮機トルク値が第１の所望の圧縮機トルク値に収束した時点で前記ＰＩＤ制御装置の最終積分項を記憶するように構成され、前記ＥＣＵがさらに、開始積分項として前記記憶された最終積分項を用いて前記第１の所望の圧縮機トルク値に向う後続する収束をＰＩＤ制御装置に開始させるように構成されているか、
のうちの少なくとも１つである、請求項１９に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧力および空気流の値を推定し、圧力および空気流値のための望ましい経路を識別し、圧力および空気流値の望ましい経路を達成するためにアクチュエータのフィードフォワードおよびフィードバック制御を実施することによって、燃料電池回路を通って流れる空気の圧力および空気流値を制御するためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

州および連邦規制の組合せ、ならびに汚染を削減したいという願望に起因して、近年、車両メーカーに対し、有害な排気のレベルが比較的低い燃料効率の良い車両を設計することが奨励されてきている。自動車メーカーは、これらの有害な排気の削減に対する多数の解決法を発見してきた。このような解決法の１つが、エンジン、ならびにエネルギを貯蔵するためのバッテリおよび電気を用いて車両に動力供給するためのモータ発電機を含むハイブリッド車である。別の解決法は、バッテリおよびこのバッテリ内に貯蔵されたエネルギを用いて車両に動力供給するモータ発電機しか含まない完全に電子的な車両である。さらに別の解決法は、化学反応を介して電気を発生させる燃料電池を含む燃料電池車である。

【0003】

多くの燃料電池車は、多数の燃料電池を含む１つ以上の燃料電池スタック(fuel cell stack)を含む。燃料電池は燃料を受取ることができ、この燃料は典型的には、酸素または別の酸化剤と共に水素を含む。燃料電池スタックは水素と酸素の間の化学反応を促進することができる。この化学反応は電気を生成する。主要な排出物は空気および水であり、これらは比較的無害である。燃料電池スタックにより生成される電気は、バッテリ内に貯蔵されるか、または、車両を推進するための機械的動力を生成するためモータ発電機に直接供給され得る。燃料電池車は自動車産業における刺激的な進歩であるが、技術は比較的新しく、この技術には改良を加える余地がある。

【0004】

多くの燃料電池が空気から酸素を受取る。しかしながら、必要とされる酸素（すなわち空気）の量は、燃料電池の所望の動力出力に基づいて変動する。燃料電池内の空気の圧力は、燃料電池の所望の動力出力に基づいて同様に変動する。所望の動力出力は可変的であり、ドライバから、または車両が自律または半自律車両である場合には電子制御ユニットからの動力要求に基づく。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、当該技術分野においては、望ましい率および望ましい圧力で燃料電池に対して正確かつ迅速に空気を提供するためのシステムおよび方法に対するニーズが存在する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書中に記載されているのは、燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムである。該システムは、気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように設計された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを含む。該システムは同様に、燃料電池回路内の気体の圧力に影響を及ぼすバルブ位置および、気体が中を流れ得るバルブの断面積に対応するバルブ面積を有するバルブを含んでいる。該システムは同様に、バルブ面積をバルブ位置と相関させるマップまたは関数を記憶するように設計されたメモリをも含んでいる。該システムは同様に、バルブに結合された電子制御ユニット（ＥＣＵ）も含んでいる。ＥＣＵは、バルブを通る気体の所望の質量流量率を決定するかまたは受信し、所望の質量流量率に基づいて、所望の質量流量率を達成するための所望のバルブ面積を計算するように設計されている。ＥＣＵは同様に、所望のバルブ面積をマップまたは関数と比較して、所望のバルブ面積を提供する所望のバルブ位置を決定するように設計されている。ＥＣＵは同様に、所望のバルブ位置を有するようにバルブを制御するようにも設計されている。

【0007】

同様に記載されているのは、燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムである。該システムは、燃料電池回路を通って気体を圧送するように設計され、各々が圧縮機を通る気体の圧縮機流量率に影響を及ぼす圧縮機速度および圧縮機トルクを有する圧縮機を含む。該システムは同様に、気体を受取り気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックも含んでいる。該システムは同様に、圧縮機に結合された電子制御ユニット（ＥＣＵ）も含んでいる。ＥＣＵは、圧縮機速度の所望の加速に対応する圧縮機の所望の加速率を決定または受信するように設計されている。ＥＣＵは同様に、所望の加速率に基づいて圧縮機の所望の加速トルクを決定するようにも設計されている。ＥＣＵは同様に、所望の加速トルクに基づいて圧縮機の圧縮機トルクを制御するようにも設計されている。

【0008】

同様に記載されているのは、燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムである。該システムは、気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように構成された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを含む。該システムは同様に、燃料電池回路内の気体の圧力に影響を及ぼすバルブ位置を有するバルブをも含んでいる。システムは同様に、燃料電池回路内部の圧力値を対応するバルブ位置と結び付ける圧力マップを記憶するように設計されたメモリも含んでいる。システムは同様に、バルブに結合された電子制御ユニット（ＥＣＵ）も含んでいる。ＥＣＵは、燃料電池回路内の気体の所望の圧力値を決定または受信し、かつ燃料電池回路内の気体の現在の圧力値を決定または受信するように設計されている。ＥＣＵは同様に、圧力マップに対して所望の圧力値を適用して、所望の圧力値と結び付けられた所望のバルブ位置を決定し、圧力マップに対して現在の圧力値を適用して、現在の圧力値と結び付けられた現在のバルブ位置を決定するように設計されている。ＥＣＵは同様に、所望のバルブ位置と現在のバルブ位置の間の差に対応する差分信号を識別するように設計されている。ＥＣＵは同様に、差分信号に基づいてバルブのバルブ位置を調整するようにも設計されている。

【0009】

同様に記載されているのは、燃料電池回路を通る空気流を制御するためのシステムである。該システムは、圧縮機速度を有し、圧縮機流量率で燃料電池回路を通って気体を圧送するように設計されている圧縮機を含む。該システムは同様に、気体を受取りこの気体を用いた反応を介して電気を生成するように設計された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックをも含んでいる。該システムは同様に、圧縮機流量率値を対応する圧縮機速度と結び付ける空気流マップを記憶するように設計されたメモリも含んでいる。該システムは同様に、圧縮機に結合された電子制御ユニットＥＣＵをも含んでいる。ＥＣＵは、所望の圧縮機流量率を決定または受信し、かつ現在の圧縮機流量率を決定または受信するように設計される。ＥＣＵは同様に、空気流マップに対して所望の圧縮機流量率を適用して、所望の圧縮機流量率と結び付けられた所望の圧縮機速度を決定し、空気流マップに対して現在の圧縮機流量率を適用して、現在の圧縮機流量率と結び付けられた現在の圧縮機速度を決定するようにも設計されている。ＥＣＵは同様に、所望の圧縮機速度と現在の圧縮機速度の間の差に対応する差分信号を識別するようにも設計されている。ＥＣＵは同様に、差分信号に基づいて圧縮機の圧縮機速度を調整するようにも設計されている。

【0010】

本発明の他のシステム、方法、特徴および利点は、以下の図および詳細な説明を検討した時点で、当業者にとっては明白であるかまたは明白になるものである。このような追加のシステム、方法、特徴および利点は、本明細書内に含み入れられ、本発明の範囲内に入り、かつ添付のクレームによって保護されることが意図されている。図面中に示された構成部品は必ずしも原寸に比例しておらず、本発明の重要な特徴をより良く例示するために誇張されている可能性がある。図面中、異なる図全体を通して、同じ参照番号は同じ部品を呼称する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る化学反応に基づいて電気を生成する能力を有する燃料電池回路を有する車両のさまざまな構成要素を例示するブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る、図１の燃料電池回路のさまざまな特徴を例示するブロック図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路内で使用するための例示的圧縮機の横断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る望ましい流量率および圧力で燃料電池回路に気体を提供するための、図１の車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）のさまざまな論理構成要素を例示するブロック図である。

【図5A】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路の多数の構成要素のための圧力および流量値を推定する方法を例示する流れ図である。

【図5B】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路の多数の構成要素のための圧力および流量値を推定する方法を例示する流れ図である。

【図6A】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路の多数のパラメータの望ましい進捗つまり経路を決定するための方法を例示する流れ図である。

【図6B】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路の多数のパラメータの望ましい進捗つまり経路を決定するための方法を例示する流れ図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る燃料電池回路内で使用される圧縮機の対応する圧縮機速度と共に空気流量率および圧力比をプロットした速度マップである。

【図8】本発明の一実施形態に係る記憶された圧縮機流量マップを用いて補間された補間済み圧縮機流量マップと共に、記憶された圧縮機流量マップを例示する。

【図9】本発明の一実施形態に係る圧縮機流量マップの進捗をたどる燃料電池流量率マップおよび圧縮機圧力比マップと共に、図８の補間済み圧縮機流量マップを例示する。

【図10】本発明の一実施形態に係る、最初の要求から目標が達成された時点までの図９の圧縮機圧力比マップおよび補間済み圧縮機流マップに沿った進捗を例示するさまざまなマップおよびグラフを含む。

【図11】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路のバルブのフィードフォワード制御のための方法を例示する流れ図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路内で使用するための例示的バルブを示す。

【図13A】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路の圧縮機のフィードフォワード制御方法を例示する流れ図である。

【図13B】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路の圧縮機のフィードフォワード制御方法を例示する流れ図である。

【図14】本発明の一実施形態に係る、図１３Ａおよび１３Ｂの方法を実装するための制御回路を例示するブロック図である。

【図15A】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路のバルブのフィードバック制御方法を例示する流れ図である。

【図15B】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路のバルブのフィードバック制御方法を例示する流れ図である。

【図16A】本発明の一実施形態に係る、図１５Ａおよび１５Ｂの方法において使用される圧力マップを例示する。

【図16B】本発明の一実施形態に係る、図１５Ａおよび１５Ｂの方法において使用される圧力マップを例示する。

【図17A】本発明の一実施形態に係る、図１６Ａおよび１６Ｂの方法を実装するための制御回路を例示するブロック図である。

【図17B】本発明の一実施形態に係る、図１６Ａおよび１６Ｂの方法を実装するための制御回路を例示するブロック図である。

【図18A】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路の圧縮機のフィードバック制御方法を例示する流れ図である。

【図18B】本発明の一実施形態に係る、燃料電池回路の圧縮機のフィードバック制御方法を例示する流れ図である。

【図19】本発明の一実施形態に係る、図１８Ａおよび１８Ｂの方法において使用される空気流マップである。

【図20A】本発明の一実施形態に係る、図１８Ａおよび１８Ｂの方法を実装するための制御回路を例示するブロック図である。

【図20B】本発明の一実施形態に係る、図１８Ａおよび１８Ｂの方法を実装するための制御回路を例示するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示は、燃料電池スタックに対し気体を提供するのに使用される圧縮機およびバルブのフィードフォワードおよびフィードバック制御のためのシステムおよび方法について説明している。該システムは、フィードフォワードアクチュエータ制御を行なうための回路の等式ベースのモデルの使用などの現在の技術に比べ、さまざまな利点を提供する。フィードフォワード制御における等式ベースのモデルの使用は、有利にもより高い応答速度を提供し、流量および圧力値が現在の技術に比べ短時間でその目標に達することができるようにする。等式ベースのモデルの使用はさらに、アクチュエータの制御精度の増大というメリットを提供する。等式ベースのモデルの使用は同様に、有利にも、多数のメモリ集約的なルックアップテーブルを使用する可能性のある現在の技術に比べて、システムのメモリ所要量を削減する。

【0013】

システムは同様に、アクチュエータのフィードフォワード制御とアクチュエータのフィードバック制御を組合せるという利点も提供する。フィードバック制御は、燃料電池回路の異なる測定または推定パラメータに基づいて、各アクチュエータを制御する。これにより、有利にも、各アクチュエータを独立して制御することが可能になり、このことは、フィードバック制御の精度の増大というメリットを提供する。詳細には、フィードバック制御は、現在値と目標値を比較し、現在値と目標値の間の隔たりを狭めるために比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御装置を使用する。システムは、有利にも、積分飽和現象保護と呼ばれることのあるものにおけるＰＩＤ制御装置の積分項の組込みを遅延させることができ、または、「学習値」と呼ばれることのあるものにおける新たなフィードバック制御インスタンスにおいて先に記憶した積分項を使用することができる。積分飽和現象保護または学習値の使用は、有利にも、フィードバック制御の行き過ぎの尤度を削減し、その結果制御精度は高くなる。

【0014】

一例示的システムは、燃料電池スタックおよび、システムを通して空気を吹き込む圧縮機とシステム全体を通して空気流および圧力に影響を及ぼす少なくとも１つのバルブとを含むアクチュエータを含む。該システムは同様に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）も含んでいる。ＥＣＵは、さまざまな構成要素を通る所望の質量流量率、圧縮機の所望の加速度および１つ以上の構成要素に対応する所望の圧力値などの、システムの目標パラメータまたは所望のパラメータを決定または受信することができる。さまざまな等式を用いて、ＥＣＵは、パラメータが目標または所望の値に達するようにするべくアクチュエータを制御することができる。

【0015】

ＥＣＵは、同様にして、システムの検出された、または推定された現在のパラメータを受信することができる。ＥＣＵは、現在のパラメータを目標パラメータと比較し、現在のパラメータと目標のパラメータの間の差を決定することができる。このとき、ＥＣＵは、この差をＰＩＤ制御装置に提供することができ、このＰＩＤ制御装置は、現在のパラメータと目標パラメータの間の隔たりを狭めるためにＥＣＵが次に使用し得る信号を出力する。

【0016】

図１に目を向けると、車両１００には、燃料電池に対し空気などの気体を提供するためのシステム１０１の構成要素が含まれている。詳細には、車両１００およびシステム１０１は、ＥＣＵ１０２とメモリ１０４を含む。車両１００はさらに、動力源１１０を含み、この動力源は、エンジン１１２、モータ発電機１１４、バッテリ１１６または燃料電池回路１１８のうちの少なくとも１つを含むことができる。燃料電池１１８は、システム１０１の一部であってよい。

【0017】

ＥＣＵ１０２は、車両１００の構成要素の各々に結合されてよく、自動車システム用に特別に設計され得る１つ以上のプロセッサまたは制御装置を含んでいてよい。ＥＣＵ１０２の機能は、単一のＥＣＵ中または多数のＥＣＵ中で実装可能である。ＥＣＵ１０２は、車両１００の構成要素からデータを受信することができ、受信したデータに基づいて決定を行なうことができ、これらの決定に基づいて構成要素の動作を制御することができる。

【0018】

一部の実施形態においては、車両１００は、完全に自律式であるかまたは半自律式であり得る。この点に関して、ＥＣＵ１０２は、出発場所から目的地まで車両１００を操作するための車両１００のさまざまな側面（例えばステアリング、制動、加速など）を制御することができる。

【0019】

メモリ１０４は、当該技術分野において公知の任意の非一時的メモリを含むことができる。この点に関して、メモリ１０４は、ＥＣＵ１０２が使用できる機械可読命令を記憶することができ、ＥＣＵ１０２が要求する、または車両メーカーまたは運転者がプログラミングする他のデータを記憶することができる。メモリ１０４は、燃料電池回路１１８のモデルを記憶することができる。このモデルは、燃料電池回路１１８のさまざまなパラメータを推定するのに使用可能な等式または他の情報を含むことができる。

【0020】

エンジン１１２は、燃料を機械的動力に変換することができる。この点に関して、エンジン１１２は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどであってよい。

【0021】

バッテリ１１６は、電気エネルギを貯蔵することができる。一部の実施形態において、バッテリ１１６は、バッテリ、フライホイール、スーパーキャパシタ、熱貯蔵デバイスなどを含む任意の１つ以上のエネルギ貯蔵デバイスを含むことができる。

【0022】

燃料電池回路１１８は、電気エネルギを生成するための化学反応を促進する複数の燃料電池を含むことができる。例えば、燃料電池は水素および酸素を受取り、水素と酸素間の反応を促進し、この反応に応答して電気を出力することができる。この点に関して、燃料電池回路１１８により生成される電気エネルギは、バッテリ１１６内に貯蔵されてよい。一部の実施形態では、車両１００は、燃料電池回路１１８を含めた多数の燃料電池回路を含んでいてよい。

【0023】

モータ発電機１１４は、バッテリ内に貯蔵された電気エネルギ（または燃料電池回路１１８から直接受取った電気エネルギ）を、車両１００の推進に使用可能な機械的動力に変換することができる。モータ発電機１１４はさらに、エンジン１１２または車両１００の車輪から受取った機械的動力を電気に変換することができ、この電気は、エネルギとしてバッテリ１１６内に貯蔵されかつ／または車両１００の他の構成要素により使用されてよい。一部の実施形態において、モータ発電機１１４は同様に、または代替的に、推力を生成する能力を有するタービンまたは他のデバイスを含むことができる。

【0024】

ここで図２を参照すると、燃料電池回路１１８の追加の詳細が例示されている。詳細には、燃料電池回路１１８は、空気取入口２００、空気清浄器２０２、圧縮機２０４、中間冷却器２０６、燃料電池スタック２０８、バイパス分岐２１０、このバイパス分岐２１０に沿って位置付けされたバイパスバルブ２１２および、制限バルブ２１４を含む。

【0025】

空気取入口２００は、図１の車両１００の外側などの周囲環境から空気を受取ることができる。一部の実施形態において、空気取入口２００は、受取った空気から塵埃をフィルタリングするフィルタを有することができる。空気清浄器２０２は、空気取入口２００から受け取った空気から塵埃または不純物を除去する能力を有するフィルタまたは他のデバイスを含むことができる。

【0026】

圧縮機２０４は、空気を加圧する能力を有するターボ圧縮機または他の圧縮機であってよい。この点に関して、圧縮機２０４は、清浄器２０２から空気を吸引し、加圧空気を出力することができる。

【0027】

図３を簡単に参照すると、図２の圧縮機２０４として例示的圧縮機３００を使用することができる。詳細には、圧縮機３００は、本体３０２を含み、この本体を通って空気が吸引され得る。複数の翼を含み得るインペラ３０４が、本体３０２の内側に位置設定されてよい。モータ３０６（または他のトルク源）は、一定の回転速度で一定のトルクを有する機械的動力を生成でき、ギヤボックス３０８が、シャフト３１０を介してこのパワーを受取ることができる。ギヤボックス３０８は、モータ３０６から受取ったパワーを、異なるトルクおよび回転速度を有するパワーに変換することができる。ギヤボックス３０８からの機械的動力は、シャフト３１２を介してインペラ３０４に適用され得る。圧縮機３００により出力される気体の圧力は、インペラ３０４に加えられる機械的動力のトルクおよび速度に左右され得る。

【0028】

図２に戻って参照すると、燃料電池回路１１８はさらに、中間冷却器２０６を含んでいてよい。中間冷却器２０６は、圧縮機２０４から空気を受取ることができ、同様に冷却液などの流体を受取ることもできる。中間冷却器２０６は空気から冷却液に熱を伝達できるか、または、冷却液から空気に熱を伝達することができる。この点において、中間冷却器２０６は、燃料電池回路１１８を通って流れる空気の温度を調整することができる。

【0029】

燃料電池スタック２０８は複数の燃料電池を含み得る。燃料電池は、中間冷却器２０６からの空気と共に水素を受取ることができる。燃料電池は、空気中の酸素と水素の間の化学反応を促進することができ、これにより電気が生成され得る。

【0030】

中間冷却器２０６からの空気を分割して、空気の一部が燃料電池スタック２０８を通って流れ、一部がバイパス分岐２１０を通って流れるようにすることができる。この点において、バイパス分岐２１０を通って流れる空気は、燃料電池スタック２０８を通って流れることができない。バイパスバルブ２１２は、調整可能なバルブ位置を有し得る。バイパスバルブ２１２の調整可能なバルブ位置は、バイパス分岐２１０を通る空気流の量を調整するように、かつ同様に燃料電池スタック２０８を通る空気流の量を調整するように制御可能である。例えば、バイパスバルブ２１２が１００パーセント（１００％）閉じている場合には、燃料電池回路１１８を通る空気流の全てが燃料電池スタック２０８を通って流れる。

【0031】

論述中では燃料電池回路１１８を通る空気流について言及されているが、当業者であれば、他の任意の気体流で空気流を置換することも可能であり、それによって本開示の範囲から逸脱することはない、ということを認識するものである。

【0032】

制限バルブ２１４も同様に、調整可能なバルブ位置を有することができる。制限バルブ２１４の調整可能なバルブ位置は、燃料電池スタック２０８内部の空気の圧力を調整するように制御され得る。例えば、燃料電池スタック２０８内部の圧力は、制限バルブ２１４を閉じることによって増大させることができ、制限バルブ２１４を開くことによって低減させることができる。

【0033】

図１および２を参照すると、圧縮機２０４、バイパスバルブ２１２および制限バルブ２１４の各々を、アクチュエータとみなすことができ、ＥＣＵ１０２により制御することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、車両のドライバから動力要求を受信し得る（または、自律または半自律車両においては動力要求を生成し得る）。ＥＣＵ１０２は、動力要求を、燃料電池回路１１８内部の特定の場所における望ましい圧力または空気流に対応する望ましい圧力または流量値に変換することができる。ＥＣＵ１０２は次に望ましい圧力または流量値を達成するために、圧縮機２０４、バイパスバルブ２１２および制限バルブ２１４の各々を制限することができる。

【0034】

燃料電池回路１１８はさらに、流量センサ２１６および圧力センサ２１８を含むことができる。流量センサ２１６は、圧縮機２０４を通して気体の流量（質量流量）を検出することができる。圧力センサ２１８は、中間冷却器２０６の出口における気体の圧力を検出することができる。

【0035】

燃料電池回路１１８はさらに、複数のパイプ２２０を含み得る。例えば、複数のパイプは、取入口２００から空気清浄器２０２まで気体を移送する第１のパイプ２２２、および空気清浄器２０２から流量センサ２１６まで気体を移送する第２のパイプ２２４を含み得る。一部の実施形態において、取入口２００、空気清浄器２０２または流量センサ２１６のうちの２つ以上は、パイプを一切使用せずに直接連結可能である。

【0036】

ここで図２および４を参照すると、ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路１１８を制御するためのさまざまなプロセスまたは機能を含んでいてよい。ＥＣＵ１０２の内部のプロセスまたは機能は、各々ハードウェア内で実装され得る（すなわち専用ハードウェアにより行なわれる）か、ソフトウェア内で実装され得る（すなわちメモリ内に記憶されたソフトウェアを実行する汎用ＥＣＵ）か、またはハードウェアおよびソフトウェアの組合せを介して実装され得る。

【0037】

詳細には、ＥＣＵ１０２は状態メディエータ４００を含むことができる。状態メディエータ４００は、望ましい圧力および／または流量値（すなわち少なくとも１つの目標圧力値または少なくとも１つの目標流量値）に対応する制御信号４０２を受信することができる。制御信号４０２は同様に、動力要求に対応し得る。状態メディエータ４００は、目標圧力および流量値を分析し、燃料電池回路１１８の力学に基づいて目標値が実現可能であるか否か、および目標値を満たそうとする中で燃料電池回路１１８の１つ以上の構成要素が損傷を受けた状態になる可能性があるか否かを決定する。次に、状態メディエータ４００は、メディエートされた目標値４０４を出力することができる。

【0038】

ＥＣＵ１０２は、さらに状態エスティメータ４０６を含んでいてよい。状態エスティメータ４０６は、流量センサ２１６および圧力センサ２１８により検出されたセンサデータ４０８と共にメディエートされた目標値４０４を受信することができる。状態エスティメータ４０６は、燃料電池回路１１８（複数のパイプ２２０を含む）の各構成要素に対応する現在の圧力値および流量値を計算または推定することができる。状態エスティメータ４０６は、現在の推定値４１０を出力することができる。一部の実施形態において、状態エスティメータ４０６は同様に、メディエートされた目標値４０４を決定または調整することもできる。

【0039】

ＥＣＵ１０２は同様に、経路制御装置４１２も含み得る。経路制御装置４１２は、メディエートされた目標値４０４と共に、現在の推定値４１０を受信することができる。経路制御装置４１２は、現在の推定値４１０からメディエートされた目標値４０４までの望ましい経路を識別することができる。経路制御装置４１２は、現在の推定値４１０からメディエートされた目標値４０４までの望ましい経路に沿って存在する望ましい中間目標４１４を決定し出力することができる。

【0040】

ＥＣＵ１０２は同様に、フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６を含むこともできる。フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６は、現在の推定値４１０と共に望ましい中間目標４１４を受信することができる。フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６は、燃料電池回路１１８のアクチュエータの動作を制御し得る制御信号４１８を決定し出力することができる。

【0041】

ここで図２、４、５Ａおよび５Ｂを参照すると、現在の推定値４１０を推定する方法５００は、システム１０１の構成要素、例えば状態エスティメータ４０６によって行なわれてよい。ブロック５０２において、ＥＣＵ１０２は、アクチュエータの望ましい動作に対応する制御信号、例えばメディエートされた目標値４０４を決定または受信することができる。例えば、制御信号は、燃料電池回路１１８を全体を通したさまざまな場所における目標圧力および流量値を含むかまたはこれらに対応していてよい。上述のように、燃料電池回路１１８全体を通した圧力および流量値を調整するために、圧縮機２０４、バイパスバルブ２１２および制限バルブ２１４を制御することができる。

【0042】

ブロック５０４において、流量センサ２１６および圧力センサ２１８は、圧縮機２０４を通って流れる気体の現在の質量流量値および中間冷却器２０６の出口における気体の圧力に対応する現在の圧力値を検出し得る。

【0043】

ブロック５０６において、ＥＣＵ１０２は、構成要素の特性、アクチュエータの設定値および流量センサ２１６により検出された質量流量に基づいて、燃料電池回路の構成要素を通る気体の質量流量値を計算することができる。質量流量は直列に連結された構成要素を通して比較的恒常にとどまることから、フロースプリット２２６から上流側の全てのパイプと共に取入口２００、清浄器２０２、圧縮機２０４および中間冷却器２０６の各々を通る質量流量は流量センサ２１６によって検出される質量流量に等しいと仮定することができる。

【0044】

ブロック５０６のサブブロックであり得るブロック５０８において、ＥＣＵ１０２は、先行するバイパス圧力値に基づいてバイパス分岐２１０における気体の質量流量値または他の流量値を計算することができる。ＥＣＵ１０２は、各時間ステップ中の燃料電池回路１１８の構成要素の各々における流量および圧力値を計算することができる。例えば、各時間ステップは、０．０４秒、０．０８秒、０．１６秒などであってよい。

【0045】

ＥＣＵ１０２は先にバイパス分岐２１０を通る流体の圧力を計算していることから、ＥＣＵは、バイパス分岐を通る現在の流量を計算する目的で先行する時間ステップ中に計算された先に計算されたバイパス圧力値を使用することができる。例えば、ＥＣＵは、圧力値として先に計算されたバイパス圧力値を使用してバイパス分岐を通る現在の流量を計算するために、以下で論述する等式１、２、３または４の１つ以上を使用することができる。方法５００の最初の反復中に、ＥＣＵ１０２は、先に割当てられた初期圧力値に基づいて現在の流量値を計算することができる。一部の実施形態においては、ＥＣＵ１０２は同様に、または代りに、先に決定された燃料電池圧力値に基づいて燃料電池スタック２０８を通る現在の流量値を計算することができる。

【0046】

いくつかの状況下では、バイパスバルブ２１２は閉鎖され、こうしてバイパス分岐２１０を通る空気流を制限することができる。このような状況下では、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８を通る質量流量が流量センサ２１６により検出された質量流量に等しいと仮定することができる。

【0047】

ＥＣＵ１０２は、バイパス分岐２１０および燃料電池スタック２０８を通る流量の和が流量センサ２１６によって検出される質量流量に等しいと仮定することができる。この点に関して、ＥＣＵ１０２は、流量センサ２１６によって検出された質量流量からバイパス分岐２１０を通る流量を減算することによって燃料電池スタック２０８を通る現在の流量値を計算することができる。

【0048】

ブロック５１０において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８により出力される電流の量を計算または受信することができる。例えば、１つ以上のセンサ（図示せず）が燃料電池スタック２０８に結合されてよく、電流出力レベルを検出し得る。別の例として、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８を通る空気流、燃料電池スタック２０８の動力要求などのさまざまな入力に基づいて、燃料電池スタック２０８により出力される電流の量を計算するための論理を含んでいてよい。

【0049】

ブロック５１２において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８により出力された電流に基づいて、燃料電池スタック２０８における気体のモル分率を決定または計算することができる。このモル分率は、気体中に各成分がどれ程存在するかを表わす比または分率に対応する。例えば、気体が空気である場合、モル分率は空気中の酸素の百分率、空気中の窒素の百分率などを含み得る。一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８内に流入する気体が標準空気であり、約２１％の酸素と７９％の窒素を含むと仮定し得る。ＥＣＵ１０２は、次に、１つ以上の等式またはルックアップテーブルを用いて、燃料電池スタック２０８が消費する酸素の量を計算し、燃料電池スタック２０８の膜を横断する水素の量を計算し、燃料電池スタック２０８の陰極中に創出される液体水および／または水蒸気の量を計算することができる。例えば、陰極内で創出される液体水および／または水蒸気の量は、燃料電池スタック２０８からの電流要求の一関数であり得る。ルックアップテーブル／等式の結果に基づいて、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８によって出力される気体のモル分率を計算することができる。

【0050】

燃料電池スタック２０８は、残留気体に加えて水を出力することから、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８内に流入する質量流量が、燃料電池スタック２０８による酸素消費の如何にかかわらず燃料電池スタック２０８から流出する気体の質量流量と同じであると仮定することができる。

【0051】

しかしながら、燃料電池スタック２０８による酸素消費は、燃料電池スタック２０８により出力される気体が燃料電池スタック２０８により受取られる気体とは異なる粘度を有するという結果をもたらす可能性がある。この点に関して、ブロック５１４において、ＥＣＵ１０２は、計算されたモル分率に基づいて、燃料電池スタックにより出力される気体の粘度を決定するために、等式またはルックアップテーブルを使用することができる。以下で論述するように、気体の粘度は、燃料電池回路１１８全体にわたる複数の場所における気体の圧力を決定するために使用されるレイノルズ数に影響を及ぼす。

【0052】

ブロック５１６において、ＥＣＵは、燃料電池回路１１８の各構成要素を通って流れる気体のレイノルズ数を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、以下の等式１：
等式１：

【数1】

に類似する等式を用いてレイノルズ数を決定することができる。

【0053】

等式１において、Ｒｅはレイノルズ数を表わし、ｍはブロック５０６および５０８において決定された質量流量を表わし、Ｄは気体が中を流れることのできる構成要素（アクチュエータおよびパイプ２２０を含む）の直径を表わし、Ａは気体が中を流れることのできる構成要素の断面積を表わし、μはブロック５１４において計算された動的粘度を表わす。ＤおよびＡは両方共、各構成要素について公知の値であり、メモリ内に記憶され得る。

【0054】

ブロック５１８において、ＥＣＵ１０２は、レイノルズ数に基づいて各構成要素を通る気体の層流、乱流または混合流量値を計算することができる。例えば、流量値は、ダーシーの摩擦係数値として提供され得る。ＥＣＵ１０２は、レイノルズ数に基づいて、各構成要素を通る流れが層流、乱流または混合流（すなわち層流と乱流の組合せ）のいずれであるかを決定することができる。例えば、レイノルズ数が上位流量閾値より大きい場合には、流れは乱流であり、これはすなわち、流れが圧力および流速のカオス的変化により特徴付けされ得るということを意味している。レイノルズ数が下位流量閾値より低い場合には、流れは層流であり、これはすなわち、気体が平行層の形で流れ、層間にほとんどまたは全く途絶が無いことを意味している。レイノルズ数が下位流量閾値と上位流量閾値の間である場合には、流れは、層流と乱流の両方の特徴を示し、混合流であるとみなされる。上位流量閾値は、流れが純粋に乱流であるか否かを示す閾値である（流れは、対応するレイノルズ数が上位流量閾値より大きい場合に純粋に乱流である）。下位流量閾値は、流れが純粋に層流であるか否かを示す閾値である（流れは、対応するレイノルズ数が下位流量値より低い場合に純粋に層流である）。

【0055】

流れが層流、乱流または混合流のいずれであるかを決定した後、ＥＣＵ１０２は、以下の等式２および３を用いて流量値を計算することができる。等式２は、流れが乱流である場合に使用すべきものであり、等式３は、流れが層流である場合に使用すべきものであり、流れが混合流である場合には等式２および３を使用すべきである：
等式２：

【数2】

【0056】

等式２中、ｆは対応する流れのタイプ（すなわち乱流）についてのダーシー摩擦係数を表わす。Ｒｅはブロック５１６で計算されたレイノルズ数を表わす。Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓは、気体が中を流れている材料の粗度であり、材料の公知の特性である。Ｄは気体が中を流れ得る構成要素（アクチュエータおよびパイプ２２０を含む）の直径を表わす：
等式３：

【数3】

【0057】

等式３中、ｆは対応する流れのタイプ（すなわち層流）についてのダーシー摩擦係数を表わし、Ｒｅはブロック５１６中で計算されたレイノルズ数を表わす。

【0058】

流れが混合流であることをレイノルズ数が示している場合には、ＥＣＵ１０２は、層流についてのダーシー摩擦係数と乱流についてのダーシー摩擦係数（すなわち等式２および３の結果）の間の線形補間を用いて、流れの値を計算することができる。補間は、上位流量閾値と下位流量閾値の間のレイノルズ数の場所に基づくものであり得る。例えば、乱流についてのダーシー摩擦係数には、レイノルズ数が下位流量閾値よりも上位流量閾値に近い場合、補間中により多くの重みが提供され得る。別の例として、レイノルズ数が直接上位流量閾値と下位流量閾値の間にある場合には、流れ全体についてのダーシー摩擦係数は、層流についてのダーシー摩擦係数と乱流についてのダーシー摩擦係数の平均に等しくなる。

【0059】

ブロック５２０において、ＥＣＵ１０２は、層流、乱流または混合流量値に基づいて、パイプ２２０を含めた各構成要素の入口および出口における圧力値を計算することができる。詳細には、流れが純粋に層流または純粋に乱流である場合には、ＥＣＵ１０２は、以下の等式４を用いて圧力値を計算することができる。
等式４：

【数4】

【0060】

等式４において、△Ｐは、構成要素全体にわたる圧力降下を表わし、これは構成要素の入口と構成要素の出口における圧力間の差に対応している。Ｌは、気体が中を流れる構成要素の長さを表わす。Ｌｅは、気体が中を流れる構成要素の等価長を表わす。Ｒは、気体の比気体定数を表わし、ジュール／（モル×ケルビン）の値を有する。Ｔ_upは、構成要素の高圧側（すなわちもう一方の側に比べて高い圧力を受けるまたは現在受けている構成要素の側）における気体の温度を表わす。ｆは、ブロック５１８で計算された流れのダーシー摩擦係数を表わす。Ｄは、気体が中を流れ得る構成要素の直径を表わし、Ａは、気体が中を流れ得る構成要素の部分の断面積を表わし、Ｐ_upは、構成要素の高圧側における気体の圧力を表わす。

【0061】

流れが混合流である場合には、ＥＣＵ１０２は、以下の等式５を用いて圧力値を計算することができる。
等式５：

【数5】

【0062】

等式５において、△Ｐは構成要素全体にわたる圧力降下を表わし、これは構成要素の入口と構成要素の出口における圧力間の差に対応している。Ｒｅ_turbは上位流量閾値を表わし、Ｒｅ_lamは下位流量閾値を表わし、これらは共に以上でブロック５１８を参照して論述されたものである。Ｒｅはブロック５１６で計算されたレイノルズ数を表わす。ｍはブロック５０６および５０８で決定された質量流量を表わす。Ｌは、気体が中を流れる構成要素の長さを表わす。Ｌｅは、気体が中を流れる構成要素の等価長を表わす。Ｒは、気体の比気体定数を表わし、ジュール／（モル×ケルビン）の値を有する。Ｔ_upは構成要素の高圧側における気体の温度を表わす。ｆはブロック５１８で計算された流量値を表わす。Ｄは気体が中を流れ得る構成要素の直径を表わし、Ａは気体が中を流れ得る構成要素の部分の断面積を表わし、Ｐ_upは構成要素の高圧側における気体の圧力を表わす。

【0063】

上述の等式４および５は、圧力降下を提供するものの、構成要素の出口および入口における特定の圧力値を提供しない。しかしながら、ＥＣＵ１０２は、計算された圧力降下、圧力センサ２１８により検出された圧力に基づき、かつ取入口２００の入口２３２およびバルブ２１２、２１４の出口２３４における圧力が周囲圧力に等しいと仮定することによって、特定の圧力値を計算または決定することができる。

【0064】

例えば、圧縮機２０４の入口２２８および圧縮機２０４の出口２３０における気体の圧力を見出すために、ＥＣＵ１０２は、取入口２００、第１のパイプ２２２、清浄器２０２および第２のパイプ２２４全体にわたる圧力降下をまず決定することができる。ＥＣＵ１０２は、次に、周囲圧力からの取入口２００全体にわたる圧力降下を加算または減算して、取入口２００の出口２３６における圧力を決定することができる。ＥＣＵはこのようにして、圧縮機２０４の入口２２８における圧力が分かるまで、第１のパイプ２２２、清浄器２０２および第２のパイプ２２４の入口および出口圧力を決定し続けることができる。

【0065】

ＥＣＵ１０２は次に、第３のパイプ２３８、中間冷却器２０６および第４のパイプ２４０全体にわたる圧力降下を決定することができる。ＥＣＵ１０２は次に、圧力センサ２１８により検出された圧力からの第４のパイプ２４０全体にわたる圧力降下を減算または加算して、中間冷却器２０６の入口２４２における圧力を決定することができる。ＥＣＵ１０２は、圧縮機２０４の出口２３０における圧力が見出されるまで、このようにして続行することができる。

【0066】

ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８の入口および出口、バルブ２１２、２１４およびその間のパイプにおける絶対圧力値を決定するために、類似の戦略を用いることができる。

【0067】

ブロック５２２において、ＥＣＵは、計算値の変化率を制限するためにレートリミッタを実装することができる。燃料電池回路１１８内部の気体は動的圧縮性を示す可能性があり、したがって、構成要素間で遅延が発生し得る。等式は、動的圧縮性が流量および圧力値に影響を及ぼすことができないという仮定に基づいて値を計算するために使用されることから、計算値が測定値と異なる場合があり得る。この点に関して、レートリミッタはこのような遅延を考慮し得る。例えば、レートリミッタは、構成要素２０４による空気の圧縮開始と出口２３０における圧力の規定値到達の間には幾分か遅延が発生するという事実に起因して、圧縮機２０４の出口２３０における圧力の変化率を特定の変化率に制限することができる。

【0068】

ここで図２、４、６Ａおよび６Ｂを参照すると、ＥＣＵ１０２の経路制御装置４１２の機能を果たすために、方法６００を使用することができる。この方法６００は、例えば図１のＥＣＵ１０２、メモリ１０４などのシステムのさまざまな構成要素により行なわれ得る。

【0069】

ブロック６０２では、メモリ内に多数のマップが記憶され得る。マップは、速度マップ、圧縮機流量マップ、圧縮機圧力比マップ、燃料電池流量率マップおよび圧縮機トルクマップを含み得る。

【0070】

図７を簡単に参照すると、速度マップ７００が示されている。速度マップ７００は、燃料電池回路の圧縮機に対応し、圧縮機を通る質量流量に対応するＸ軸、圧縮機を横断した圧力比に対応するＹ軸、および圧縮機の異なる速度（例えば角速度）に対応する多重速度ライン７０２を有する。圧縮機の望ましい状態変化を、速度マップ７００上でプロットすることができる。図示されているように、初期状態が、初期状態７０４において示され、最終目標状態が最終目標状態７０６で示されている。圧縮機が初期状態７０４から最終目標状態７０６まで移動するにつれて、圧力比、質量流量および圧縮機速度の３つの値全てが低減した。

【0071】

速度マップ７００はさらに、急上昇領域７１０および失速領域７１２を含む。圧縮機の現在の状態が急上昇領域７１０または失速領域７１２内に入るのは望ましくない。この点に関して、あらゆる現在の状態が許容可能領域７１４内にとどまるように圧縮機の状態変化を制御することが望ましいと考えられる。

【0072】

速度マップ７００は、急上昇経路７１６、失速経路および中間経路７２０を含めた２つ以上の経路を含むことができる。各々の経路７１６、７１８、７２０は、０速度状態７２２から最大速度ライン７２４まで延在し、各々、圧縮機の望ましい状態進捗を表わし得る。

【0073】

図６Ａに戻って簡単に参照すると、圧縮機流量、圧縮機圧力比、燃料電池流量率または圧縮機トルクのうちの１つを先導または基準状態と呼ぶことができる。基準状態は、システムにとっての状態の重要性またはハードウェアの保護にとっての状態の重要性に基づいて選択され得る。一部の実施形態において、基準状態は圧縮機空気流であり得る。残りの状態は各々後続状態であり得、これはすなわち、それらの進捗が先導状態に基づいて定義されることを意味している。

【0074】

図７および８を参照すると、例示的な１組の圧縮機流量マップ８００が示されている。この圧縮機流量マップ８００のセットには、急上昇経路７１６に対応する急上昇圧縮機流量マップ８０２、中間経路７２０に対応する中間圧縮機流量マップ８０４、および、失速経路７１８に対応する失速圧縮機流量マップ８０６が含まれ得る。図８に示された圧縮機流量マップ８００の各々は、圧力比、質量流量率および圧縮機速度が減少するよう意図されている状況に対応し得る。メモリは、圧力比、質量流量率および圧縮機速度が増大するよう意図されている状態に対応する追加の１組の圧縮機流量マップを記憶し得る。この点において、ＥＣＵは、圧縮機速度が減少するように意図されている場合、圧縮機流量マップ８００のセットを選択することができ、圧縮機速度が増大するよう意図されている場合、圧縮機流量マップの代替的セットを選択することができる。

【0075】

初期状態が急上昇経路７１６、中間経路７２０または失速経路７１８のいずれかの上にある場合には、ＥＣＵは、対応する圧縮機流量マップを選択することができる。例えば、初期状態が中間経路７２０上にある場合には、ＥＣＵは、圧縮機流量率を制御するために中間圧縮機流量マップ８０４を選択できる。

【0076】

メモリは、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクの各々について、類似のマップセットを記憶することができる。

【0077】

図示されているように、圧縮機流量マップ８００の各々は正規化されており、正規化された基準進捗（ＮＲＰ、または正規化基準状態値）に対応する０から１までの正規化されたＹ軸値を有する。この点に関して、マップ８００は、任意の初期状態（０に対応）から任意の最終目標状態（１に対応）までの圧縮機空気流状態の望まれる経路を提供することができる。圧縮機空気流状態は先導状態であることから、圧縮機流量マップ８００のＸ軸は時間に対応する。

【0078】

簡単に図９を参照すると、例示的燃料電池流量率マップ９０２が示されている。燃料電池流量率状態は、後続状態であり、これはすなわち、その進捗が圧縮機空気流の完了百分率に基づくものであることを意味している。図示されているように、燃料電池流量率マップ９０２のＹ軸は、正規化されたフォロワ進捗（ＮＦＰ、または正規化フォロワ状態値）に対応する０から１までの正規化された値を有する。しかしながら、燃料電池流量率は、後続状態であることから、燃料電池流量率マップ９０２のＸ軸は、圧縮機空気流の正規化された基準進捗（ＮＲＰ）に対応する。この点において、燃料電池流量率の進捗は、正規化基準進捗に基づいて制御される。

【0079】

図４、６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、ブロック６０４において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機流量率、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクの各々について最終目標値を決定または受信することができる。例えば、最終目標値は、状態メディエータ４００から受信され得る。最終目標値は、アクセルペダルの踏込みなどのドライバ入力に対応するかまたは自律または半自律車両におけるＥＣＵ１０２による制御に対応し得る燃料電池スタックの動力要求に基づいて設定され得る。

【0080】

ブロック６０６において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機流量率、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクの各々についての初期値または現在値を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、状態エスティメータ４０６からかまたは、フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６からのアクチュエータ制御信号４１８からの推定値４１０の１つ以上に基づいて、現在値を決定ことができる。

【0081】

ブロック６０８において、ＥＣＵ１０２は、最終目標値が初期値または現在値よりも大きい場合、圧縮機流量率、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクの各々について第１のマップセットを選択することができ、最終目標値が初期値または現在値より小さい場合には、第２のマップセットを選択することができる。例えば、図７および８を参照すると、ＥＣＵは、最終目標状態７０６が初期状態７０４より小さいことから、マップセット８００を選択することができる。最終目標状態が初期状態より大きい状況においては、ＥＣＵは、圧縮機流量マップの代替的セットを選択することができる。

【0082】

図４、６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、ＥＣＵ１０２は、速度マップ上の第１の経路と第２の経路の間で現在の圧縮機流量率を補間することによって、正規化された圧縮機流量値を補間することができる。例えば、図７を参照すると、ＥＣＵは、初期状態７０４に最も近い２つの経路であることを理由として失速経路７１８および中間経路７２０の間で初期状態７０４の現在の圧縮機流量率を補間することによって、正規化された圧縮機流量値を決定することができる。

【0083】

図４、６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、ＥＣＵ１０２は、正規化された圧縮機流量値に基づいて、圧縮機流量率、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクについての補間されたマップを作成することができる。例えば、図７および８を参照すると、正規化された圧縮機流量値は、制御（または補間済み）経路の７５％が失速経路７１８に基づいているはずであり、制御経路の２５％が中央経路７２０に基づいているはずであることを標示し得る。

【0084】

この決定に基づき、ＥＣＵ１０２は、正規化された圧縮機流量値に基づいて中間圧縮機流量マップ８０４と失速圧縮機流量マップ８０６の間を補間することによって、補間済み圧縮機流量マップ８１０を作成することができる。この点に関して、補間済み圧縮機流量マップ８１０は、失速圧縮機流量マップ８０６と中間圧縮機流量マップ８０４とを組合せ、失速圧縮機流量８０６に７５％でそして中間圧縮機流量マップ８０４に２５％で重み付けを行なうことによって、作成され得る。補間済み圧縮機流量マップ８１０は、特定の初期状態７０４に基づいて圧縮機流量率の望ましい進捗を標示することができる。ＥＣＵ１０２は、同様にして、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクの各々について補間済みマップを作成することができる。

【0085】

図４、６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、ＥＣＵ１０２は、以下の等式６と共に補間済み圧縮機流量マップを用いて、中間目標圧縮機流量率を決定することができる。ＥＣＵは、さらに、ブロック６０４内の最終目標圧縮機流量率の決定または受信以降に経過した時間量に基づいて、中間目標圧縮機流量率を決定することができる。

【0086】

例えば、図４、６Ａ、６Ｂおよび８を参照すると、ＥＣＵ１０２は、最初に、最終目標圧縮機流量率の決定以降に経過した時間量を識別することができ、次に、補間済み圧縮機流量マップ８１０上で対応する場所を位置設定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、０．２秒が経過したことを識別することができ、したがって、０．２秒に対応する正規化済み基準進捗値が０．２であることを決定することができる。

【0087】

ＥＣＵ１０２は、このとき、以下の等式６中０．２の正規化基準進捗値を使用して、中間目標圧縮機流量率を決定することができる。
等式６：

【数6】

【0088】

等式６中、Ｉｎｔ＿ｔｇｔ＿ｃｏｍｐ＿ｆｌｏｗは、中間目標圧縮機流量率を表わす。ｓｔａｒｔは、ブロック６０６中で決定された初期圧縮機流量率に対応し、ｔａｒｇｅｔは、ブロック６０４において決定された最終目標圧縮機流量率に対応する。ＮＲＰは正規化基準進捗値を表わす。

【0089】

図４、６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、ブロック６１６において、ＥＣＵ１０２は、初期圧縮機流量率から最終目標圧縮機流量率までの圧縮機流量率の完了百分率を決定することができる。一部の実施形態において、完了百分率は、正規化基準進捗値に対応するかまたはこれと等しいものであり得る。この点において、完了百分率は、ブロック６１６の代りにかまたこのブロック６１６に追加してブロック６１４内で識別または決定されてよい。

【0090】

ブロック６１８において、ＥＣＵ１０２は、対応する補間済みマップ、初期値、目標値および完了百分率に基づいて、フォロワ状態について中間目標値を決定することができる。

【0091】

再び図９を参照すると、基準または先導状態マップとして、補間済み圧縮機流量マップ８１０が示されている。燃料電池流量率マップ９０２は、同様に、補間済み燃料電池流量率マップ９０２であり得、フォロワ状態マップであり得る。さらに、補間済み圧縮機圧力比マップ９０４もフォロワ状態マップとして示される。圧縮機の加速は示されていないが、それもまたフォロワ状態とみなされてよく、１つ以上の対応する圧縮機加速マップを含み得る。

【0092】

図示されているように、燃料電池流量率マップ９０２および圧縮機圧力比マップ９０４は両方共、圧縮機流量（Ｘ軸）の正規化された基準進捗に基づいて、正規化フォロワ進捗値（Ｙ軸）を示した。例えば、０．２秒後、圧縮機流量率に対応する正規化された基準進捗（すなわち完了百分率）は、０．２という値を有し得る（すなわち２０％の完了を標示）。中間目標燃料電池流量率を決定する目的で、ＥＣＵ１０２は、燃料電池流量率マップ９０２に対し０．２の正規化基準進捗値をまず適用することができ、これにより、約０．７５の正規化フォロワ進捗（ＮＦＰ）値が得られる。

【0093】

ＥＣＵ１０２はこのとき、燃料電池流量率マップ９０２からの初期燃料電池流量率値、最終目標燃料電池流量率値および正規化フォロワ進捗を、以下の等式７に適用することができる。
等式７：

【数7】

【0094】

図６Ａおよび６Ｂに戻って参照すると、等式７中、Ｉｎｔ＿ｔｇｔ＿ｆｃ＿ｆｌｏｗは、中間目標燃料電池流量率を表わす。ｓｔａｒｔは、ブロック６０６中で決定された初期燃料電池流量率に対応し、ｔａｒｇｅｔは、ブロック６０４において決定された最終目標燃料電池流量率に対応する。ＮＲＰは燃料電池流量率の正規化フォロワ進捗値を表わす。

【0095】

ブロック６２０において、ＥＣＵ１０２は、中間目標値に基づいて、燃料電池回路のアクチュエータ（圧縮機およびバルブを含む）を制御することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、圧縮機流量率、圧縮機圧力比、燃料電池流量率および圧縮機トルクについての中間目標値に基づいて、圧縮機、バイパスバルブまたは制限バルブの少なくとも１つを制御することができる。

【0096】

ブロック６２２において、ＥＣＵ１０２は、中間目標値を決定し、中間目標値が最終目標値と同じになるかまたは新しい最終目標値が決定または受信されるまで、中間目標値を達成するようにアクチュエータを制御し続けることができる。

【0097】

一部の実施形態においては、圧縮機の加速が付加的なフォロワ状態にあり得、このため、ＥＣＵ１０２は、補間済みマップ、初期値、目標値および完了百分率に基づいて、圧縮機の加速についての中間目標値を決定することができる。加速率は、圧縮機の所望の加速率として、または圧縮機の所望の加速トルクとして、またはその両方として提供され得る。一部の実施形態において、図２の経路制御装置４１２は、フォロワ状態としての所望の加速の設定以外の方法を用いて、所望の加速を決定することができる。

【0098】

ここで図１０を参照すると、図６Ａおよび６Ｂの方法６００の例示的使用法が示されている。図１０は、３つの異なる時点における補間済み圧縮機流量マップ８１０、補間済み圧力比マップ９０４および中間目標圧力比値をプロットしたグラフ１００６を例示している。第１の横列１０００は、０秒での状態、第２の横列１００２は０．３秒での状態、第３の横列１００４は０．６秒での状態を例示する。

【0099】

第１の横列１０００に示されているように、補間済み圧縮機流量率マップ８１０上の正規化基準進捗は、時間が０に等しいため０である。したがって、正規化基準進捗が０であることに起因して、補間済み圧力比マップ９０４の正規化フォロワ進捗も同様に０である。したがって、等式７にこれらの値を代入すると、約２．８という中間目標値が得られ、これは、初期値に対応する（正規化フォロワ進捗値は０であることから、項（ｔａｒｇｅｔ−ｓｔａｒｔ）＊ＮＦＰも同様に０であり、こうして等式７の結果はｓｔａｒｔとして残される）。

【0100】

第２の横列１００２において示されているように、補間済み圧縮機流量マップ８１０上の正規化基準進捗は、約０．４であり、これは、補間済み圧縮機流量率マップ８１０に対して０．３秒を適用することによって決定される。したがって、補間済み圧力比マップ９０４の正規化フォロワ進捗は、約０．６５に等しく、これは０．４の正規化基準進捗値に対応する。したがって、これらの値を等式７に代入すると、約１．３という中間圧力比目標値が得られる。

【0101】

第３の横列１００４に示されているように、補間済み圧縮機流量率マップ８１０上の正規化基準進捗は１であり、これは、補間済み圧縮機流量率マップ８１０に０．６秒を適用することによって決定される。したがって、補間済み圧力比マップ９０４の正規化フォロワ進捗は１に等しく、これは、１という正規化基準進捗値に対応する。したがって、等式７にこれらの値を代入すると、１という中間圧力比目標値が得られる。したがって、図６Ａおよび６Ｂの方法６００は、中間圧力比目標値が最終目標圧力比値に等しいことに起因して、終結または再開することができる。

【0102】

ここで図２、４および１１を参照すると、方法１１００は、制限バルブ２１４またはバイパスバルブ２１２のいずれかのフィードフォワード制御を行なうため、フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６などのＥＣＵ１０２により行なわれ得る。この点において、方法１１００の第１のインスタンスを用いて制限バルブ２１４のフィードフォワード制御を行なうことができ、方法１１００の第２のインスタンスを用いてバイパスバルブ２１２のフィードフォワード制御を行なうことができる。

【0103】

ブロック１１０２において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路内部の気体の所望の圧力を決定または受信することができる。例えば、所望の圧力は、燃料電池スタック２０８の入口２４４または出口２４６、圧縮機２０４の入口２２８または出口２３０における所望の圧力に対応し得る。例えば、所望の圧力は、状態メディエータ４００により決定されてよく、制御信号４０２に基づくものであり得る。

【0104】

ブロック１１０４において、ＥＣＵ１０２は、ブロック１１０２において決定または受信された気体の所望の圧力に基づいて、対応するバルブ（制限バルブ２１４またはバイパスバルブ２１２のいずれか）を通る気体の所望の質量流量率を決定することができる。例えば、所望の圧力は、燃料電池スタック２０８の出口２４６における所望の圧力に対応し得る。この点において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８の出口２４６における圧力が所望の圧力に達するようにする制限バルブ２１４を通る気体の所望の質量流量を計算することができる。例えばＥＣＵ１０２は、以上の等式４に類似する等式を用いて所望の質量流量率を決定することができる。

【0105】

一部の実施形態において、経路制御装置４１２は、バルブを通る気体の所望の質量流量率を決定することができる。所望の質量流量率は、経路制御装置４１２により決定されるような中間目標質量流量率に対応し得る。例えば、経路制御装置４１２は、燃料電池回路１１８の構成要素（例えばバイパスバルブ２１２および制限バルブ２１４）を通る気体の所望の質量流量率および所望の圧力値を指示または提供することができる。

【0106】

一部の実施形態において、状態エスティメータ４０６は次に、現在未知である燃料電池回路１１８の各構成要素における圧力および流量値を計算または決定し、システムが目標状態を達成する場合には各構成要素における圧力および流量値を計算または決定することができる。例えば、状態エスティメータ４０６は、対応するバルブが所望の質量流量率に設定されている場合、各構成要素における圧力および流量値を計算または決定することができる。

【0107】

ブロック１１０６において、ＥＣＵ１０２は、バルブを通って流れる気体に対応する現在のレイノルズ数を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、上述の等式１に類似した等式を用いて現在のレイノルズ数を決定することができる。

【0108】

ブロック１１０８において、ＥＣＵ１０２は、現在の層流、亜音速流またはチョーク流を決定することができる。例えばＥＣＵ１０２は、レイノルズ数に基づいて現在の層流、亜音速流またはチョーク流を決定することができる。最初に、ＥＣＵ１０２は、バルブを通る流れが層流、亜音速流またはチョーク流のいずれであるかを決定することができる。レイノルズ数が第１の値範囲内にある場合には、ＥＣＵは、流れが層流であると決定することができる。レイノルズ数が第２の値範囲内にある場合には、ＥＣＵ１０２は、流れが亜音速流であると決定することができる。レイノルズ数が第３の値範囲内にある場合には、ＥＣＵ１０２は、流れがチョーク流であると決定することができる。

【0109】

流れが層流、亜音速流またはチョーク流のいずれであるかを決定した後、ＥＣＵ１０２は、以下の等式８〜１０の１つ以上を用いて、比流量値を決定することができる。
等式８：

【数8】

【0110】

流れが層流である場合には、等式８を使用する。等式８中、Ψは層流量値を表わす。γは、バルブを通って流れる気体の比熱比を表わし、一定圧力における気体の比熱に対する一定体積での気体の比熱の比に対応する。Ｂ_lamは、それを超えると流れが層流であると仮定される圧力比を表わす。Ｐ_dは、対応するバルブの低圧側における気体の圧力を表わし、Ｐ_uは対応するバルブの高圧側における気体の圧力を表わす。
等式９：

【数9】

【0111】

流れが亜音速流である場合には、等式９を使用する。等式９で使用されている変数は、Ψが亜音速流量値を表わしているという点を除いて、等式８における対応する変数と同じ意味を有する。
等式１０：

【数10】

【0112】

流れがチョーク流である場合には、等式１０が使用される。等式１０で使用されている変数は、Ψがチョーク流量値であるという点を除いて、等式８中の対応する変数と同じ意味を有する。新たに導入された変数Ｂ_crは、臨界圧力比を表わし、以下の等式１１を用いて計算することができる。
等式１１：

【数11】

【0113】

等式１１中、γは、等式８を参照して以上で説明したものと同じ意味を有する。

【0114】

現在の層流、亜音速流またはチョーク流量を決定した後、ＥＣＵ１０２は、ブロック１１１０において所望の質量流量率を達成するための所望のバルブ面積を計算することができる。所望のバルブ面積は、気体が中を流れることのできるバルブの断面積に対応する。断面積は、バルブ位置を調整することによって変更できる。ＥＣＵ１０２は、所望のバルブ面積について以下の等式１２を解くことができる。
等式１２：

【数12】

【0115】

等式１２中、ｍは所望の質量流量率である。Ｃｄは流出係数である。ＡはＥＣＵ１０２が解くことのできる所望のバルブ面積である。Ｒ_sは比気体定数である。Ｔ_uはバルブの高圧側における温度であり、Ｐ_uはバルブの高圧側における圧力である。Ψはブロック１１０８で計算された現在の層流、亜音速流またはチョーク流量である。

【0116】

図１のメモリ１０４は、所望のバルブ面積を対応するバルブ位置と結び付けるマップまたは関数を記憶することができる。この点において、ブロック１１２では、ＥＣＵ１０２は、ブロック１１１０で計算された所望のバルブ面積をマップまたは関数と比較して、この所望のバルブ面積に対応する所望のバルブ位置を決定することができる。換言すると、所望のバルブ位置にバルブを置くことにより、今度は、バルブが所望の質量流量率面積を有しこうしてバルブを通る所望の質量流量が達成されることになる。

【0117】

一部の実施形態において、関数には、ＥＣＵ１０２が所望のバルブ面積を用いて等式を解き所望のバルブ位置を決定できるようにする等式が含まれ得る。例えば、ＥＣＵ１０２は、以下の等式１３に類似する等式を用いて、所望のバルブ位置について解くか、または所望のバルブ面積を所望のバルブ位置と結び付けるマップを投入することができる。
等式１３：

【数13】

【0118】

等式１３中、Ａは所望のバルブ面積である。簡単に図１２を参照すると、バイパスバルブ２１２または制限バルブ２１４と同様のものであり得る例示的バルブ１２００が、等式のさまざまなパラメータを例示するために示されている。等式１３中、Ｄはバルブ１２００の直径１２０２である。Ａ₀はスロットル漏洩面積であり、ｃは独立変数であって以下の等式１４に示されている。
等式１４：

【数14】

【0119】

等式１４中、ａは以下の等式１５で提供され、ｂは以下の等式１６で提供される。
等式１５：

【数15】

【0120】

等式１５中、ｔはバルブ１２００のスロットルシャフト直径１２０４として例示されるスロットルシャフト直径である。Ｄはここでも直径１２０２を表わす。
等式１６：

【数16】

【0121】

等式１６中、αはバルブプレート１２１０と長手方向軸１２１２の間の角度１２０８であり、バルブ１２００のスロットル角度に対応する。α₀はバルブプレート１２１０と軸１２１２に直交するライン１２１４の間の角度１２０６であり、閉じたスロットル角度に対応する。αおよびα₀は両方共、ラジアン単位で測定されてよい。

【0122】

図２、４および１１に戻って参照すると、ＥＣＵ１０２は、等式１３〜１６を解いて所望のバルブ位置を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、所望のバルブ面積であるＡについて等式１３をまず解くことができる。Ａの値に基づいて、ＥＣＵ１０２は次に等式１４を解いてｂの値を識別することができ、その後αについて等式１６を解くことができる。

【0123】

ＥＣＵ１０２は、所望のバルブ位置を決定した後、ブロック１１１４において、所望のバルブ位置に置かれるようにバルブを制御することができる。この点において、所望のバルブ位置に置かれるようにＥＣＵがバルブを制御した後、バルブを通る質量流量は、ブロック１１０４で決定された所望の質量流量値に近いものとなり得る。ＥＣＵ１０２は、バイパスバルブ２１２のために一回、方法１１００を行なうことができ、制限バルブ２１４のために再び方法１１００を行なうことができる。一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、方法１１００の２つのインスタンスを同時に行なうことができる（すなわち、バイパスバルブ２１２のために方法１１００の第１のインスタンスを行ない、同時に制限バルブ２１４のために方法１１００の第２のインスタンスを行なうことができる）。

【0124】

ここで図２、４、１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、圧縮機２０４のフィードフォワード制御を行なうため、例えばフィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６などの中で、ＥＣＵ１０２によって方法１３００が使用され得る。圧縮機２０４の制御には、速度制御およびトルク制御の両方が含まれ得る。方法１３００は、互いに前後して発生する速度制御およびトルク制御を例示しているが、当業者であれば、速度制御およびトルク制御を同時に行なうこともできあるいは互いに前後して行なうこともできるということを認識するものである。

【0125】

ブロック１３０２においては、図７の速度マップなどの速度マップをメモリ内に記憶することができる。速度マップは、所望の圧縮機流量率および所望の圧縮機圧力比を対応する所望の圧縮機速度または目標圧縮機速度と結び付けることができる。

【0126】

ブロック１３０４において、ＥＣＵ１０２は、所望の圧縮機流量率および圧縮機を横断する圧力比に対応する所望の圧縮機圧力比を決定または受信することができる。例えば、所望の圧縮機流量率および所望の圧縮機圧力比は、経路制御装置４１２から受信され得る。

【0127】

ブロック１３０６において、ＥＣＵ１０２は、所望の流量率および所望の圧力比を速度マップに比較して、所望の圧縮機速度を決定することができる。一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、所望の流量率および所望の圧力比に基づいて、所望の圧縮機速度を計算することができる。

【0128】

所望の圧縮機速度を計算した後、ＥＣＵ１０２は、ブロック１３０８において所望の圧縮機速度を達成するために圧縮機２０４を制御することができる。

【0129】

ブロック１３１０において、ＥＣＵ１０２は、現在の時間ステップで所望の圧縮機速度に対応する現在の所望の圧縮機速度を決定または受信することができる。例えば、現在の所望の圧縮機速度は、経路制御装置４１２から受信され得る。

【0130】

ブロック１３１２において、ＥＣＵ１０２は、将来の時間ステップに対応する将来の所望の圧縮機速度を決定または受信することができる。一部の実施形態において、将来の時間ステップは、現在の時間ステップの直後の時間ステップであり得、一部の実施形態において、将来の時間ステップは現在の時間ステップを超えた多数の時間ステップであり得る。将来の所望の圧縮機速度は同様に経路制御装置４１２から受信され得る。

【0131】

ブロック１３１４において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機速度と将来の所望の圧縮機速度の間の速度差を計算することができる。

【0132】

例えば、図１３Ａ、１３Ｂおよび１４を簡単に参照すると、ブロック１３１０からブロック１３１４までの動作を行なうために制御システム１４００が使用され得る。詳細には、所望の圧縮機速度１４０２が受信され得る。所望の圧縮機速度１４０２は、コンパレータ１４０４によって受信され得る。所望の圧縮機速度１４０２は同様に、第１の単位遅延ブロック１４０６および第２の単位遅延ブロック１４０８によって受信され得る。第１の単位遅延ブロック１４０６および第２の単位遅延ブロック１４０８の各々は、受信した所望の圧縮機速度１４０２を１以上の時間ステップだけ遅延させることができる。この点において、第２の単位遅延ブロック１４０８の出力を、先の所望の圧縮機速度１４１０と呼ぶことができ、所望の圧縮機速度１４０２は、先の所望の圧縮機速度１４１０よりも後の時点に対応するため、現在の所望の圧縮機速度１４０２と呼ぶことができる。一部の実施形態においては、第２の単位遅延ブロック１４０８の出力を、現在の所望の圧縮機速度と呼ぶことができ、所望の圧縮機速度１４０２は、それが第２の単位遅延ブロック１４０８により出力される速度に比べて将来のことである所望の速度に対応するという事実に起因して、将来の圧縮機速度と呼ぶことができる。

【0133】

コンパレータ１４０４は、先の（または現在の）所望の圧縮機速度１４１０と現在の（または将来の）所望の圧縮機速度１４０２とを比較し、２つの間の差に対応する速度差１４１２を出力することができる。

【0134】

図２、４、１３Ａおよび１３Ｂに戻って参照すると、ブロック１３１６において、ＥＣＵ１０２は、現在の時間ステップと将来の時間ステップの間の時間量に対応するこれら２つの間の時間遅延を決定することができる。

【0135】

ブロック１３１８において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機の所望の加速率を決定または受信することができる。所望の加速率は、ブロック１３１６において決定された時間遅延と共にブロック１３１４において決定された速度差に対応し得る。詳細には、ＥＣＵ１０２は、速度差を時間遅延で除することができる。この除算の結果は、所望の加速率に対応する加速単位を提供する。

【0136】

一部の実施形態において、かつ上述の通り、経路制御装置４１２は、中間目標圧縮機加速値を提供することができ、この値は、所望の加速率として使用可能である。この点において、ブロック１３１０から１３１８は、経路制御装置４１２から所望の加速率を受信するブロックで置換可能である。一部の実施形態において、経路制御装置４１２は、所望の加速率の代りにまたはこれに加えて、圧縮機の所望の加速トルクを提供することができる。

【0137】

ブロック１３２０において、ＥＣＵは、ブロック１３１８で決定された所望の加速率に基づいて圧縮機の所望の加速トルクを決定することができる。詳細には、ＥＣＵ１０２は、以下の等式１７に類似する等式を用いて、圧縮機２０４の所望の加速トルクを決定することができる。
等式１７：

【数17】

【0138】

等式１７中、τ_accelerationは圧縮機２０４の所望の加速トルクである。Ｉは等価慣性であり、ｋｇ＊ｍ²などの単位を有し得る。等価慣性は、ギヤボックス、シャフト、翼などの圧縮機２０４の構成要素の慣性に対応し得る。αは圧縮機２０４の所望の加速率に基づいて決定可能な角加速度である。

【0139】

ブロック１３２２において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機２０４の効率を決定することができる。例えば、メモリは、圧縮機流量値および圧縮機圧力比値を対応する効率に結び付ける効率マップを記憶することができる。この点において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機流量値および現在の圧縮機圧力比を効率マップに適用して現在の効率を検索することにより、圧縮機２０４の効率を決定することができる。

【0140】

ブロック１３２４において、ＥＣＵ１０２は、ブロック１３２２で決定された効率に基づいて、圧縮機２０４の圧縮トルクの決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、以下の等式１８に類似する等式を用いて圧縮トルクを計算することができる。
等式１８：

【数18】

【0141】

等式１８中、τ_compressionは、圧縮機２０４の圧縮トルクである。ｍは圧縮機２０４を通る気体の所望の質量流量であり、経路制御装置４１２から受信可能である。Ｃ_pは、圧縮機２０４内部の気体の比熱である。Ｔ_inは圧縮機２０４の入口２２８における気体の温度である。Ｐ_outは圧縮機２０４の出口２３０における気体の目標圧力であり、Ｐ_inは圧縮機２０４の入口２２８における気体の目標圧力である。Ｐ_outおよびＰ_inは経路制御装置４１２から受信され得る。γはバルブを通って流れる気体の比熱比を表わし、一定体積での気体の比熱に対する一定圧力での気体の比熱の比に対応する。Ｅｆｆはブロック１３２２において決定された効率である。ωは毎秒ラジアン数単位で測定され得る圧縮機速度である。ＥＣＵ１０２は、以下の等式１９を用いてωを計算することができる。

【0142】

一部の実施形態においては、変化する変数を用いて計算を行ないマップ内に結果を記憶することによって、圧縮トルクについてのマップが作成され得る。この点において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機速度または圧縮機比のうちの少なくとも１つを受信することができ、速度および圧力比をマップと比較し、マップとの比較に基づいて圧縮トルクを決定することができる。
等式１９：

【数19】

【0143】

等式１９中、ωは圧縮機速度である。ＡＣＰ_spdは圧縮機２０４のモータ（例えば図３の圧縮機３００のモータ３０６）のモータ速度である。ｇ_ratioは圧縮機のギヤボックス（例えば図３の圧縮機３００のギヤボックス３０８）の現在のギヤ比である。

【0144】

ブロック１３２６において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機２０４の摩擦トルクを決定することができる。例えば、ＥＣＵは、以下の等式２０に類似する等式を用いて摩擦トルクを計算することができる。
等式２０：

【数20】

【0145】

等式２０中、τ_frictionは摩擦トルクである。ｖｉｓｃ_coef、Ｃｏｌ_trq、ｂｒｋｗｙ_trq、およびｔｒａｎｓ_coefは、同調された一定値である。ωは以上の等式１９で計算された圧縮機速度である。

【0146】

一部の実施形態においては、変化する変数を用いて計算を行ないマップ内に結果を記憶することによって、摩擦トルクについてのマップが作成され得る。この点において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機速度または圧縮機圧力比のうちの少なくとも１つを受信することができ、速度および圧力比をマップと比較し、マップとの比較に基づいて摩擦トルクを決定することができる。

【0147】

一部の実施形態においては、変化する変数を用いて計算を行ないマップ内に結果を記憶することによって、摩擦および圧縮トルク値を組合せたものについてのマップが作成され得る。この点において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機速度および圧縮機圧力比を受信することができ、速度および圧力比をマップと比較し、マップとの比較に基づいて組合された摩擦圧縮トルク値を決定することができる。

【0148】

ブロック１３２８では、ＥＣＵ１０２は、所望の加速トルク、圧縮トルクおよび摩擦トルクに基づいて、所望の圧縮機トルクの合計を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は、所望の加速トルク、圧縮トルクおよび摩擦トルクの各々を加算することによって所望の圧縮機トルクの合計を決定することができる。

【0149】

ブロック１３３０では、ＥＣＵ１０２は、ブロック１３２８で決定された所望の圧縮機トルクの合計を有するように圧縮機を制御することができる。

【0150】

ここで図２、４、１５Ａおよび１５Ｂを参照すると、バイパスバルブ２１２および制限バルブ２１４のフィードバック制御を行なうため、例えばフィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６などの中でＥＣＵ１０２によって方法１５００が使用され得る。詳細には、ＥＣＵ１０２は、現在値と目標値を比較し、現在値と目標値の間の差に基づいてフィードバック制御を識別することができる。例えば、値には、制限バルブ２１４を制御するための燃料電池スタックの出口２４６における圧力およびバイパスバルブ２１２を制御するためのバイパスバルブ２１２を横断する圧力比が含まれてよい。

【0151】

詳細には、ブロック１５０２において、ＥＣＵ１０２は、圧力値を対応するバルブ位置と結び付ける圧力マップを記憶することができる。例えば、図２、１６Ａおよび１６Ｂを参照すると、第１の圧力マップ１６００が、燃料電池スタック２０８の出口２４６における圧力（Ｘ軸上）を、制限バルブ２１４のバルブ位置（Ｙ軸上）と結び付ける。この点において、制限バルブ２１４のバルブ位置に対応するバルブ位置を、受信された圧力値に基づいて第１の圧力マップ１６００から検索することができる。

【0152】

同様に、第２の圧力マップ１６５０が、バイパスバルブ２１２を横断する圧力比（Ｘ軸上）をバイパスバルブ２１２のバルブ位置（Ｙ軸上）と結び付ける。この点において、バイパスバルブ２１２のバルブ位置に対応するバルブ位置を、受信された圧力比に基づいて第２の圧力マップ１６５０から受信することができる。

【0153】

図２、４、１５Ａおよび１５Ｂに戻って参照すると、ブロック１５０４において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路内の気体の所望の圧力値を決定または受信することができる。所望の圧力値は、燃料電池スタック２０８の出口２４６における圧力またはバイパスバルブ２１２を横断する圧力比に対応することができる。

【0154】

ブロック１５０６において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路内の気体の現在の圧力値を決定または受信することができる。ここでもまた、現在の圧力値は、燃料電池スタック２０８の出口２４６における圧力またはバイパスバルブ２１２を横断する圧力比に対応し得る。

【0155】

ブロック１５０８では、ＥＣＵ１０２は、所望の圧力値を圧力マップに適用して所望のバルブ位置を決定することができる。例えば、ＥＣＵ１０２は燃料電池スタック２０８の出口２４６における所望の圧力を第１の圧力マップ１６００に適用して、制限バルブ２１４の所望のバルブ位置を決定することができる。同様に、ＥＣＵ１０２は、バイパスバルブ２１２を横断する所望の圧力比を第２の圧力マップ１６５０に適用して、バイパスバルブ２１２の所望のバルブ位置を決定することができる。

【0156】

ブロック１５１０において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧力値を圧力マップに適用して現在のバルブ位置を決定することができる。これを、制限バルブ２１４およびバイパスバルブ２１２の各々について行なうことができる。

【0157】

ブロック１５１２において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧力値を目標圧力値と比較して、現在の圧力値と目標圧力値の間の差に対応する差分信号を識別することができる。ＥＣＵ１０２は、制限バルブ２１４およびバイパスバルブ２１２の各々についてこの動作を行なうことができる。

【0158】

ブロック１５１４において、ＥＣＵ１０２は比例−積分−微分（ＰＩＤまたはＰＩ）制御装置を差分信号に適用して、バルブ位置に対する所望の調整を決定することができる。ＰＩＤ制御装置は、エラー信号の過去および目下の値を分析し、エラー信号の目下のエラー値、過去のエラー値および潜在的な将来のエラーに基づいて、フィードバック制御信号を生成することができる。

【0159】

ここで図２、４、１６Ａおよび１７Ａを参照すると、図１５Ａおよび１５Ｂの方法１５００に類似する方法を用いて、制限バルブ２１４のフィードバック制御を行なうために、ＥＣＵ１０２によって制御機構１７００が使用されてよい。

【0160】

制御機構１７００において、ＥＣＵ１０２は、燃料電池スタック２０８の出口２４６における目標圧力または望ましい圧力に対応する目標燃料電池圧力１７０２を受信または決定することができる。例えば、目標燃料電池圧力１７０２は、状態メディエータ４００によって決定され得る。ＥＣＵ１０２はさらに、燃料電池スタック２０８の出口２４６における現在の圧力に対応する現在の燃料電池圧力１７０４を決定または受信することができる。例えば、現在の燃料電池圧力１７０４は、状態エスティメータ４０６から受信され得る。

【0161】

ＥＣＵ１０２は次に、第１の圧力マップ１６００内に目標燃料電池圧力１７０２を通して、目標燃料電池圧力１７０２に対応する目標バルブ位置または所望のバルブ位置１７０６を決定することができる。ＥＣＵ１０２は、同様に、第１の圧力マップ１６００内に現在の燃料電池圧力１７０４を通して、現在の燃料電池圧力１７０４に対応する現在のバルブ位置１７０８を決定することができる。

【0162】

目標または所望のバルブ位置１７０６および現在のバルブ位置１７０８は、差分ブロック１７１０により受信され得る。差分ブロック１７１０は、目標または所望のバルブ位置１７０６と現在のバルブ位置１７０８の間の差を識別することができ、その差を差分信号１７１２として出力することができる。

【0163】

差分信号１７１２は、ＰＩＤ制御装置１７１４によって受信され得る。ＰＩＤ制御装置１７１４は、差分信号の過去および目下の値を分析し、制限バルブ２１４のバルブ位置に対する所望の調整に対応するフィードバック調整信号１７１６を生成することができる。

【0164】

ここで図２、４、１６Ｂおよび１７Ｂを参照すると、図１５Ａおよび１５Ｂの方法１５００に類似する方法を用いて、制限バルブ２１４のフィードバック制御を行なうために、ＥＣＵ１０２によって制御機構１７５０が使用されてよい。

【0165】

制御機構１７５０において、ＥＣＵ１０２は、バイパスバルブ２１２を横断する目標圧力または望ましい圧力比に対応する目標バイパスバルブ圧力比１７５２を受信または決定することができる。例えば、目標バイパスバルブ圧力比１７５２は、状態メディエータ４００によって決定され得る。ＥＣＵ１０２はさらに、目標バイパスバルブ２１２を横断する現在の圧力比に対応する現在のバイパスバルブ圧力比１７５４を決定または受信することができる。例えば、現在のバイパスバルブ圧力比１７５４は、状態エスティメータ４０６から受信され得る。

【0166】

ＥＣＵ１０２は次に、第２の圧力マップ１６１５内に目標バイパスバルブ圧力比１７５２を通して、目標バイパスバルブ圧力比１７５２に対応する目標バルブ位置または所望のバルブ位置１７５６を決定することができる。ＥＣＵ１０２は、同様に、第２の圧力マップ１６５０内に現在のバイパスバルブ圧力比１７５４を通して、現在のバイパスバルブ圧力比１７５４に対応する現在のバルブ位置１７５８を決定することができる。

【0167】

目標または所望のバルブ位置１７５６および現在のバルブ位置１７５８は、差分ブロック１７６０により受信され得る。差分ブロック１７６０は、目標または所望のバルブ位置１７５６と現在のバルブ位置１７５８の間の差を識別することができ、その差を差分信号１７６２として出力することができる。

【0168】

差分信号１７６２は、ＰＩＤ制御装置１７６４によって受信され得る。ＰＩＤ制御装置１７６４は、エラー信号の過去および目下の値を分析し、バイパスバルブ２１２のバルブ位置に対する所望の調整に対応するフィードバック調整信号１７６６を生成することができる。

【0169】

図２、４、１５Ａおよび１５Ｂに戻って参照すると、ブロック１５１６において、ＥＣＵ１０２は、積分飽和現象と呼ばれる現象に起因する所望の調整の行き過ぎを削減する目的で、差分信号が既定の閾値だけ低減してしまうまでＰＩＤ制御装置の積分項の適用を遅延させることができる。時として、差分信号が比較的大きい場合には、積分項は比例項と共に、当初非常に大きい可能性がある。差分信号が０に接近するにつれて、比例項は縮小するが、積分項は比較的大きいままである。したがって、積分項の当初の大きなサイズは、所望の調整い行き過ぎを発生させるのに充分なほどに蓄積し得る。

【0170】

ＰＩＤ制御装置の積分項の適用を遅延させることにより、積分項は、差分信号が比較的小さいときに導入され得る。この点において、既定の閾値は、それ以下になると積分飽和現象が発生する可能性が低い閾値差に対応し得る。この点において、ブロック１５１６を、積分飽和現象保護と呼ぶことができ、このブロックは方法１５００内で任意であってよい。

【0171】

積分飽和現象保護の実施に加えてまたはそれに代って、ＥＣＵ１０２は、ブロック１５１８および１５２０において「学習値」と呼ばれるものを実装することができる。詳細には、ブロック１５１８において、差分信号が所与の目標圧力値について０またはその近くに収束した場合（すなわち現在の圧力値が実質的に所望の圧力値に等しくなった場合）には、ＥＣＵ１０２はメモリ内にＰＩＤ制御装置からの最終積分項を記憶することができる。

【0172】

ブロック１５２０において、同じ所与の目標圧力値に向かう後続する収束の間に、ＥＣＵ１０２は、ＰＩＤ制御装置に、記憶された最終積分項を用いた収束を開始させることができる。最終積分項を記憶することにより、同じ所与の目標圧力値に向かう各収束は、所与の目標圧力値に向かう比較的迅速で正確な収束を提供する確率の高い値に比較的近い積分値（すなわち記憶された最終積分値）で開始する確率が高くなる。

【0173】

ブロック１５２２において、ＥＣＵ１０２は、バルブ位置に対する所望の調整に基づいて、対応するバルブ（すなわち制限バルブ２１４またはバイパスバルブ２１２）を調整することができる。一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、フィードフォワード制御信号に対してバルブ位置に対する所望の調整を加算し、加算の結果に基づいて、対応するバルブを制御することができる。一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、バルブ位置に対する所望の調整を用いて対応するバルブの制御を単純に調整することができる。

【0174】

ここで図２、４、１８Ａおよび１８Ｂを参照すると、圧縮機２０４のフィードバック制御を行なうため、例えばフィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６などの中でＥＣＵ１０２によって方法１８００が使用され得る。詳細には、ＥＣＵ１０２は、現在値と目標値を比較し、現在値と目標値の間の差に基づいてフィードバック制御信号を識別することができる。例えば、値には、圧縮機２０４を通る空気量の合計が含まれてよい。

【0175】

詳細には、ブロック１８０２において、ＥＣＵ１０２は、空気流値を対応する圧縮機速度と結び付ける空気流マップを記憶することができる。例えば、図２および１９を参照すると、空気流マップ１９００が、圧縮機２０４を通る空気流（Ｘ軸上）を、圧縮機速度（Ｙ軸上）と結び付ける。この点において、圧縮機２０４の速度に対応する圧縮機速度を、受信された空気流に基づいて第１の空気流マップ１９００から検索することができる。

【0176】

図２、４、１８Ａおよび１８Ｂに戻って参照すると、ブロック１８０４において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機２０４を通る合計空気流に対応する所望の圧縮機流量率を決定または受信することができる。ブロック１８０６において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機流量率を決定または受信することができる。

【0177】

ブロック１８０８において、ＥＣＵ１０２は、空気流マップに所望の圧縮機流量率を適用して、所望の圧縮機速度を決定することができる。ブロック１８１０において、ＥＣＵ１０２は、空気流マップに現在の圧縮機流量率を適用して、現在の圧縮機速度を決定することができる。

【0178】

ブロック１８１２において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機速度を目標圧縮機速度と比較して、現在の圧縮機速度と目標圧縮機速度の間の差に対応する差分信号を識別することができる。

【0179】

ブロック１８１４において、ＥＣＵ１０２はＰＩＤ制御装置を差分信号に適用して、圧縮機速度に対する所望の調整を決定することができる。

【0180】

ここで図２、４、１９および２０を参照すると、図１８Ａおよび１８Ｂの方法１８００に類似する方法を用いて、圧縮機２０４の圧縮機速度のフィードバック制御を行なうために、ＥＣＵ１０２によって、制御機構２０００が使用されてよい。

【0181】

制御機構２０００において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機を通る気体の目標合計流量または望ましい合計流量に対応する目標合計圧縮機空気流２００２を受信または決定することができる。例えば、目標合計圧縮機空気流２００２は、状態メディエータ４００によって決定され得る。ＥＣＵ１０２はさらに、圧縮機２０４を通る現在の合計流量に対応する現在の合計圧縮機空気流２００４を決定または受信することができる。例えば、現在の合計圧縮機流量２００４は、状態エスティメータ４０６から受信され得る。

【0182】

ＥＣＵ１０２は次に、空気流マップ１９００内に目標合計圧縮機流量２００２を通して、目標合計圧縮機空気流２００２に対応する目標圧縮機速度または所望の圧縮機速度２００６を決定することができる。ＥＣＵ１０２は、同様に、空気流マップ１９００内に現在の合計圧縮機流量２００４を通して、現在の合計圧縮機空気流２００４に対応する現在の圧縮機速度２００８を決定することができる。

【0183】

目標または所望の圧縮機速度２００６および現在の圧縮機速度２００８は、差分ブロック２０１０により受信され得る。差分ブロック２０１０は、目標または所望の圧縮機速度２００６と現在の圧縮機速度２００８の間の差を識別することができ、その差を差分信号２０１２として出力することができる。

【0184】

差分信号２０１２は、ＰＩＤ制御装置２０１４によって受信され得る。ＰＩＤ制御装置１２０１４は、差分信号２０１２の過去および目下の値を分析し、圧縮機２０４の圧縮機速度に対する所望の調整に対応するフィードバック調整信号２０１６を生成することができる。

【0185】

図２、４、１８Ａおよび１８Ｂに戻って参照すると、ブロック１８１６において、ＥＣＵ１０２は、積分飽和現象に起因する所望の調整の行き過ぎを削減する目的で、差分信号が既定の閾値だけ低減してしまうまでＰＩＤ制御装置の積分項の適用を遅延させることができる。これは図１５Ａおよび１５Ｂのブロック１５１６と類似の方法で行なわれてよい。

【0186】

積分飽和現象保護の実施に加えてまたはそれに代って、ＥＣＵ１０２は、ブロック１８１８および１８２０において「学習値」を実装することができる。これは図１５Ａおよび１５Ｂのブロック１５１８および１５２０と類似の方法で行なうことができる。

【0187】

ブロック１８２２において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機速度に対する所望の調整に基づいて、圧縮機速度を調整することができる。これは、図１５Ａおよび１５Ｂのブロック１５２２と類似の方法で行なうことができる。

【0188】

上述のように、圧縮機２０４は、別個に制御され得る圧縮機速度と圧縮機トルクとを有することができる。この点において、ブロック１８２４〜１８３０を用いて、圧縮機２０４の圧縮機トルクを制御することができる。

【0189】

圧縮機速度および圧縮機トルクは、圧縮機トルクが圧縮機速度に正比例するような形で関係付けされ得る。この点において、ブロック１８２４において、ＥＣＵ１０２は、所望の圧縮機速度に基づいて所望の圧縮機トルク値を決定することができる。例えば、所望の圧縮機速度は、ブロック１８０８において決定され得る。所望の圧縮機トルクを決定するためには、合計空気流量に基づいて圧縮機速度が決定されるのと類似の方法で、所望の圧縮機速度をマップに適用することができる。しかしながら、圧縮機２０４のトルクと速度の間の比例関係に起因して、所望の圧縮機トルクを得るために、所望の圧縮機速度に対し比例利得を適用することができる。

【0190】

同様に、ブロック１８２６において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機速度に基づいて、現在の圧縮機トルク値を決定することができる。現在の圧縮機速度は、ブロック１８１０において決定され得る。ＥＣＵ１０２は、ブロック１８２４を参照して上述したように、マップまたは比例利得のいずれかを用いて、現在の圧縮機トルクを決定することができる。

【0191】

ブロック１８２８において、ＥＣＵ１０２は、所望の圧縮機トルク値と現在の圧縮機トルク値の間のトルク差に対応するトルク差分信号を識別することができる。

【0192】

ブロック１８３０において、ＥＣＵ１０２は、ＰＩＤ制御装置を差分信号に適用して、圧縮機トルクに対する所望の調整を決定することができる。

【0193】

一部の実施形態において、ＥＣＵ１０２は、積分飽和現象保護または「学習値」のうちの一方または両方を実装することができる。

【0194】

ブロック１８３２において、ＥＣＵ１０２は、圧縮機トルクに対する所望の調整に基づいて、圧縮機の圧縮機トルク値を調整することができる。

【0195】

ここで図２、４および２０Ｂを参照すると、図１８Ａおよび１８Ｂの方法１８００に類似する方法を用いて、ＥＣＵ１０２は、制御機構２０５０を使用して、圧縮機２０４の圧縮機トルクのフィードバック制御を行なうことができる。

【0196】

制御機構２０５０において、ＥＣＵ１０２は、現在の圧縮機速度２０５４と共に目標または所望の圧縮機速度２０５２を決定することができる。これらの値は、フィードフォワードおよびフィードバック制御機構４１６、状態エスティメータ４０６または経路制御装置４１２のいずれかから決定または受信され得る。

【0197】

ＥＣＵ１０２は、次に、関数２０５６内に目標圧縮機速度２０５２を通して、目標または所望の圧縮機トルク２０６０を決定することができる。関数２０５６は、マップまたは計算、例えば目標圧縮機速度２０５２に比例利得を適用するための計算、を含み得る。ＥＣＵ１０２は同様に、関数２０５６内に現在の圧縮機速度２０５４を通して、現在の圧縮機トルク２０６２を決定することができる。

【0198】

目標または所望の圧縮機トルク２０６０および現在の圧縮機トルク２０６２は、差分ブロック２０６４によって受信され得る。差分ブロック２０６４は、目標または所望の圧縮機トルク２０６０と現在の圧縮機トルク２０６２の間の差に対応するトルク差分信号２０６６を識別することができる。

【0199】

トルク差分信号２０６６は、ＰＩＤ制御装置２０６８により受信され得る。ＰＩＤ制御装置２０６８は、トルク差分信号２０６６の過去および目下の値を分析することができ、圧縮機２０４の圧縮機トルクに対する所望の調整に対応するフィードバックトルク調整信号２０７０を生成することができる。

【0200】

本明細書およびクレーム全体を通して使用されている場合、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」なる言い回しは、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、または「ＡおよびＢ」を含む。方法／システムの例示的実施形態が、例証的様式で開示されてきた。したがって、全体を通して用いられている用語は、非限定的に読み取られるべきものである。当業者であれば本明細書中の教示に対するわずかな修正に気付くものであるが、本明細書で保証される特許の範囲内に入るよう意図されているのは、本明細書が寄与する進歩の範囲内に合理的に入る全ての実施形態であること、そして、この範囲は、添付のクレームおよびそれらの等価物に照らして以外制限を受けるものではないことが理解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図19】

【図20A】

【図20B】

【外国語明細書】

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