特表 2024-546051 ワインドアップ防止のためのＰＩ制御偏微分ベースのＩ項

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-17

(54)【発明の名称】ワインドアップ防止のためのＰＩ制御偏微分ベースのＩ項

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04701 20160101AFI20241210BHJP

   H01M 8/04992 20160101ALI20241210BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20241210BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20241210BHJP

   B60L 58/32 20190101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04701

H01M8/04992

H01M8/00 Z

H01M8/04007

B60L58/32

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024529120

(86)(22)【出願日】2022-11-16

(85)【翻訳文提出日】2024-07-08

(86)【国際出願番号】 US2022050137

(87)【国際公開番号】W WO2023091508

(87)【国際公開日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】17/527,749

(32)【優先日】2021-11-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508108718

【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，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100104499

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 達人

(74)【代理人】

【識別番号】100101203

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100129838

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 典輝

(72)【発明者】

【氏名】ファーンズワース ジャレッド エム．

(72)【発明者】

【氏名】フォリック ダニエル シー．

【テーマコード（参考）】

5H125

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125AC07

5H125AC08

5H125AC12

5H125BD04

5H125CD05

5H125CD09

5H125EE37

5H127AB04

5H127AB29

5H127CC07

5H127DB74

5H127DC72

5H127DC79

5H127DC85

(57)【要約】

本明細書に記載されるシステム、装置、および方法は、自動車用燃料電池の加熱および冷却に関する。比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを使用して、燃料電池内の流体の温度を制御することができる。ＰＩＤは、積分ワインドアップを低減するために、ＰＩＤコントローラのＩ項の飽和限界を計算および制御するように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両の燃料電池スタックを加熱または冷却するためのシステムであって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、
アクチュエータ位置を有し、かつ、前記複数の燃料電池内の流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されているアクチュエータと、
前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、を備え、前記ＥＣＵは、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含み、ここで、前記ＥＣＵは、
前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定し、
前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して、前記アクチュエータに前記流体温度を前記流体の前記目標温度に向かって上昇または低下させ、
前記ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信し、前記フィードバック制御信号は、温度差を減少させるために前記流体温度を上昇または低下させる前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号に基づき、前記フィードバック制御信号は、Ｉ項飽和限界を適用し、
前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号の合計に基づいて前記アクチュエータを制御するように構成されている、システム。

【請求項2】

前記ＰＩＤコントローラは、前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して前記フィードバック制御信号を生成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ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従ってＩ項飽和限界を適用するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【数1】

【請求項4】

前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って、前記Ｉ項飽和限界を最終ＰＩ結合フィードバック項に適用するように構成されている、請求項３に記載のシステム。

【数2】

【請求項5】

前記アクチュエータが三方弁である、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口における前記流体に対応する、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

車両の燃料電池スタックを加熱または冷却するための方法であって、
複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを提供し、
アクチュエータ位置を有し、かつ、前記複数の燃料電池内の流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されているアクチュエータを提供し、
前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）を提供し、前記ＥＣＵは、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含み、
前記ＥＣＵにより、前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定し、
前記ＥＣＵにより、前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して、前記アクチュエータに前記流体温度を前記流体の前記目標温度に向かって上昇または低下させ、
前記ＥＣＵにより、前記ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信し、前記フィードバック制御信号は、温度差を減少させるために前記流体温度を上昇または低下させる前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号に基づき、前記フィードバック制御信号は、Ｉ項飽和限界を適用し、
前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号の合計に基づいて前記アクチュエータを制御する、方法。

【請求項8】

前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して、前記ＰＩＤコントローラにより、前記フィードバック制御信号を生成することをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

次の方程式に従って前記ＰＩＤコントローラによりＩ項飽和限界を適用することをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【数3】

【請求項10】

次の方程式に従って前記ＰＩＤコントローラにより前記Ｉ項飽和限界を最終ＰＩ結合フィードバック項に適用することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

【数4】

【請求項11】

前記アクチュエータが三方弁である、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口における前記流体に対応する、請求項７に記載の方法。

【請求項13】

車両の燃料電池回路を加熱または冷却するためのシステムであって、
複数の燃料電池を有し、かつ、流体を受け入れて前記流体を加熱するように構成されている燃料電池スタックと、
アクチュエータ位置を有し、かつ、前記流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されているアクチュエータと、
前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、を備え、ここで、前記ＥＣＵは、
前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定し、
前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して、前記アクチュエータに前記流体温度を前記流体の前記目標温度に向かって上昇または低下させ、
前記流体の前記流体温度と前記流体の前記目標温度との間の温度差を決定し、
パラメータ値または前記アクチュエータ位置の変化を前記流体温度の変化に対応させる感度を決定し、
前記温度差に対する前記感度を適用して、前記温度差を減少させるために前記流体温度を上昇または低下させる前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号を決定し、
ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信し、前記フィードバック制御信号は前記誤差信号に基づいており、前記フィードバック制御信号はＩ項飽和限界を適用し、
前記誤差信号に基づいて前記アクチュエータを制御するように構成されている、システム。

【請求項14】

前記ＰＩＤコントローラが前記ＥＣＵの一部である、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記ＰＩＤコントローラは、前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して前記フィードバック制御信号を生成するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。

【請求項16】

前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って前記Ｉ項飽和限界を適用するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。

【数5】

【請求項17】

前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って、前記Ｉ項飽和限界を最終ＰＩ結合フィードバック項に適用するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。

【数6】

【請求項18】

前記アクチュエータが三方弁である、請求項１３に記載のシステム。

【請求項19】

前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口における前記流体に対応する、請求項１３に記載のシステム。

【請求項20】

前記ＥＣＵは、前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号との合計に基づいて、前記アクチュエータを制御するようにさらに構成される、請求項１３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、比例積分微分（ＰＩＤまたはＰＩ）コントローラの制御を提供するためのシステム、デバイス、および方法に関する。より具体的には、本開示は、積分ワインドアップを低減するためにＰＩＤコントローラのＩ項の飽和限界を計算し、制御することに関する。

【背景技術】

【0002】

新しい燃料電池技術の出現により、車両設計に新たな進歩がもたらされた。これらの進歩には、燃費をさらに向上させるためにエンジンとモータ発電機を組み合わせて作動する新しいハイブリッド車両、バッテリに蓄えられた電力に基づいて作動する完全電気自動車、化学反応を促進することによって電気を生成する燃料電池車両が含まれる。

【0003】

多くの車両は、燃料電池スタックに複数の燃料電池を採用している。これらの燃料電池は、通常、水素を含む燃料と、酸素または他の酸化剤を受け取る。燃料電池スタックは、水素と酸素の化学反応を促進する。この化学反応により、電気と副産物として水が生成される。燃料電池スタックによって生成された電気は、バッテリに蓄えられるか、またはモータジェネレータに直接供給されて、車両を推進するための機械的な動力を生成する。燃料電池車両は自動車業界における画期的な進歩であるが、この技術は比較的新しいため、技術の改善の余地がある。

【0004】

燃料電池は所定の温度範囲内で作動することが望ましい。温度が低すぎると、燃料電池の出力も同様に比較的低くなる可能性がある。温度が高すぎると、燃料電池が乾燥し、燃料電池が損傷または破壊される可能性がある。既存の燃料電池システムの中には、比例積分微分（ＰＩＤまたはＰＩ）コントローラを使用して燃料電池の温度を最適な温度範囲内に維持しているものがある。しかし、これらのシステムは、燃料電池システムで一般的に発生するような高度に非線形な条件には最適化されていない。特に、積分（Ｉ項）ワインドアップは、これらのシステムにとって深刻な課題となる。

【0005】

したがって、当該技術分野では、ＰＩＤコントローラを使用して車両で使用される燃料電池スタックの温度を正確に制御するためのシステムおよび方法、特に、積分ワインドアップを防止するためのシステムおよび方法が求められている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

いくつかの例示的な側面では、本開示は、車両の燃料電池スタックを加熱または冷却するためのシステムを導入する。このシステムは、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、アクチュエータ位置を有し、かつ、前記複数の燃料電池内の流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されたアクチュエータと、前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）であって、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含むＥＣＵを含み得る。ここで、前記ＥＣＵは、前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定するように構成され、前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して、前記アクチュエータが前記流体の前記目標温度に向かって前記流体温度を上昇または低下させるようにし、前記ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信し、前記フィードバック制御信号は、前記流体温度を上昇または低下させて温度差を減少させる前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号に基づき、前記フィードバック制御信号はＩ項飽和限界を適用し、前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号の合計に基づいて前記アクチュエータを制御するように構成される。

【0007】

いくつかの実施形態では、前記ＰＩＤコントローラは、前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して前記フィードバック制御信号を生成するように構成されている。前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従ってＩ項飽和限界を適用するように構成されてもよい。

【0008】

【数1】

【0009】

前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って、前記Ｉ項飽和限界を最終ＰＩ結合フィードバック項に適用するように構成することができる。

【0010】

【数2】

【0011】

前記アクチュエータは三方弁であってもよく、前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口における前記流体に対応する。

【0012】

車両の燃料電池スタックを加熱または冷却するための例示的な方法も提供され、これには、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを提供すること、アクチュエータ位置を有し、かつ、前記複数の燃料電池内の流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されたアクチュエータを提供すること、前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）を提供すること、前記ＥＣＵは比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラを含むこと、前記ＥＣＵが前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定すること、前記ＥＣＵが前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して前記アクチュエータが前記流体の前記目標温度に向かって前記流体温度を上昇または低下させること、前記ＥＣＵが前記ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信すること、前記フィードバック制御信号は前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号に基づいて前記流体温度を上昇または低下させて温度差を減少させ、前記フィードバック制御信号がＩ項飽和限界を適用すること、および前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号の合計に基づいて前記アクチュエータを制御すること、が含まれる。

【0013】

いくつかの実施形態では、この方法は、前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して、前記ＰＩＤコントローラで前記フィードバック制御信号を生成することをさらに含む。この方法は、次の方程式に従って前記ＰＩＤコントローラでＩ項飽和限界を適用することを含むことができる。

【0014】

【数3】

【0015】

この方法は、次の方程式に従って、前記ＰＩＤコントローラを使用して、最終ＰＩ結合フィードバック項に前記Ｉ項飽和限界を適用することを含むことができる。

【0016】

【数4】

【0017】

いくつかの実施形態では、前記アクチュエータは三方弁であり、前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口における前記流体に対応してもよい。

【0018】

車両の燃料電池回路を加熱または冷却するための例示的なシステムも提供され、これには、複数の燃料電池を有し、かつ、流体を受け入れて前記流体を加熱するように構成されている燃料電池スタックと、アクチュエータ位置を有し、かつ、前記流体の流体温度を上昇または低下させるように構成されているアクチュエータと、前記アクチュエータに接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）が含まれ、前記ＥＣＵは、前記流体の目標温度に対応する温度制御信号を決定するように構成され、前記アクチュエータのフィードフォワード制御を実行して、前記アクチュエータが前記流体温度を前記流体の前記目標温度に向かって上昇または低下させるようにし、前記流体の前記流体温度と前記流体の前記目標温度との間の温度差を決定するように構成され、パラメータ値または前記アクチュエータ位置の変化を前記流体温度の変化に対応する感度を決定するように構成され、前記温度差に対する前記感度を適用して、前記アクチュエータ位置の追加の変化に対応する誤差信号を決定し、前記流体温度を上昇または低下させて前記温度差を減少させ、ＰＩＤコントローラからフィードバック制御信号を受信し、前記フィードバック制御信号は前記誤差信号に基づき、前記フィードバック制御信号はＩ項飽和限界を適用するように構成され、前記誤差信号に基づいて前記アクチュエータを制御する。

【0019】

いくつかの実施形態では、前記ＰＩＤコントローラは前記ＥＣＵの一部である。前記ＰＩＤコントローラは、前記誤差信号の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して前記フィードバック制御信号を生成するように構成することができる。前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って前記Ｉ項飽和限界を適用するように構成することができる。

【0020】

【数5】

【0021】

前記ＰＩＤコントローラは、次の方程式に従って、前記Ｉ項飽和限界を最終ＰＩ結合フィードバック項に適用するように構成することができる。

【0022】

【数6】

【0023】

いくつかの実施形態では、前記アクチュエータは三方弁である。前記流体の前記目標温度および前記流体温度は、前記燃料電池スタックの入口の前記流体に対応してもよい。前記ＥＣＵは、前記フィードフォワード制御信号と前記フィードバック制御信号の合計に基づいて前記アクチュエータを制御するようにさらに構成されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0024】

本発明の他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかになるであろう。このような追加のシステム、方法、特徴、および利点はすべて、この説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。図面に示される構成部品は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の重要な特徴をよりよく示すために誇張されている場合がある。図面では、異なる図を通して同じ参照番号は同じ部品を示す。

【0025】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る化学反応に基づいて発電可能な燃料電池回路を備えた車両の各構成要素を示すブロック図である。

【0026】

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る図１の燃料電池回路の様々な特徴を示すブロック図である。

【0027】

【図3】図３は、本発明の一実施形態による燃料電池回路内の流体の温度を上昇または低下させるための図１の車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）の様々な論理コンポーネントを示すブロック図である。

【0028】

【図4】図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池回路を加熱または冷却する方法を示すフローチャートである。

【0029】

【図5】図５は、本発明の一実施形態に係る燃料電池回路の３バルブをフィードバック制御する３方バルブコントローラを示すブロック図である。

【0030】

【図6】図６は、本発明の一実施形態による燃料電池回路を加熱または冷却するための制御ロジックを示すブロック図である。

【図7】図７は、本発明の一実施形態による燃料電池回路を加熱または冷却するための制御ロジックを示すブロック図である。

【図8】図８は、本発明の一実施形態による燃料電池回路を加熱または冷却するための制御ロジックを示すブロック図である。

【図9】図９は、本発明の一実施形態による燃料電池回路を加熱または冷却するための制御ロジックを示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本開示は、燃料電池回路の燃料電池を加熱および冷却するためのシステムおよび方法を説明する。特に、本開示は、流体温度を上昇または低下させるために燃料電池回路のアクチュエータのフィードバック制御を提供するシステムおよび方法を説明する。システムは、異なる場所の温度の相違に基づいて異なるアクチュエータの制御を調整するなど、さまざまな利益および利点を提供し、その結果、アクチュエータをより正確に制御できる。システムはさらに、本明細書で説明するように、Ｉ項を計算して制御することにより、Ｉ項のワインドアップを有利に防止する。特に、Ｉ項の飽和は、システム感度（偏微分）に基づくことができ、制限がシステム応答に比例して増加／減少することを可能にする。制御される状態に基づく許容学習制限を定義することができ、偏微分は、制御された状態の制限をＰＩ制御状態に変換する。Ｉ項の飽和だけでなく、偏微分スケーリング法は、最終的なＰＩ結合フィードバック項にも適用できる。

【0032】

例示的なシステムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを流れる流体の温度を上昇または低下させることができるアクチュエータとを含む。システムはさらに、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を含む。ＥＣＵは、ＰＩＤコントローラを含むことができる。ＥＣＵは、流体の所望の温度、およびアクチュエータを制御して流体温度を所望の温度に近づけるためのフィードフォワード制御信号を決定することができる。ＥＣＵは、ある場所の流体温度とその場所の所望の温度との間の温度差、ならびに感度を決定することもできる。次に、ＥＣＵは、温度差に感度を適用して、アクチュエータ位置の誤差に対応する誤差信号を決定し、次に、誤差信号に基づいてアクチュエータを制御して、流体温度を所望の温度に近づける。ＥＣＵは、積分ワインドアップを防止するための偏微分に基づくＩ項を含む、ＰＩＤコントローラからのフィードバックも受信することができる。ＰＩＤのフィードバック制御については、米国特許第１０，７２０，６５５号で詳細に説明されており、その全体が本明細書に参照により組み込まれている。車両の燃料電池回路を加熱および冷却するためのさらなる方法は、米国特許第１０，７７７，８３１号に記載されており、その全文は本明細書に参照により組み込まれている。

【0033】

図１は、車両１００の燃料電池の温度を制御するシステム１０１の構成要素を含む車両１００の図を示す。いくつかの実施形態では、車両１００およびシステム１０１には、ＥＣＵ１０２、メモリ１０４、速度センサ１０６、および温度センサ１０８が含まれる。車両１００には、エンジン１１２、モータ／ジェネレータ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電源１１０も含まれる。

【0034】

ＥＣＵ１０２は、車両１００の各コンポーネントに接続され、自動車システム用に特別に設計された１つ以上のプロセッサまたはコントローラを含むことができる。ＥＣＵ１０２の機能は、単一のＥＣＵまたは複数のＥＣＵで実装することができる。ＥＣＵ１０２は、車両１００のコンポーネントからデータを受信し、受信したデータに基づいて判断を行い、その判断に基づいてコンポーネントの動作を制御することができる。その点で、ＥＣＵ１０２は、システム１０１のさまざまな側面だけでなく、車両自体の側面（ステアリング、ブレーキ、加速など）も制御することができる。

【0035】

メモリ１０４は、当該技術分野で知られている任意の非一時的メモリを含むことができる。その点において、メモリ１０４は、ＥＣＵ１０２が使用可能な機械可読命令を記憶することができ、また、ＥＣＵ１０２の要求に応じて他のデータを記憶することができる。

【0036】

速度センサ１０６は、車両１００の速度を決定するために使用可能なデータを検出できる任意の速度センサであってよい。例えば、速度センサ１０６は、ＧＰＳセンサまたはＩＭＵセンサを含んでよい。速度センサ１０６は、車両１００の車輪またはエンジンの角速度を検出するように構成された角速度センサ、速度計などをさらにまたは代わりに含んでもよい。

【0037】

温度センサ１０８は、車両１００の一部の内部または車両１００の外部の周囲温度を決定するために使用可能なデータを検出することができる１つ以上の温度センサを含み得る。例えば、温度センサ１０８は、熱電対、温度計、赤外線温度センサ、サーミスタなどを含み得る。

【0038】

エンジン１１２は、燃料を機械力に変換することができる。この点で、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る。バッテリ１１６は、電気エネルギーを蓄えることができる。いくつかの実施形態では、バッテリ１１６には、バッテリ、フライホイール、スーパーキャパシタ、蓄熱装置、またはその他のエネルギー貯蔵装置を含む１つ以上のエネルギー貯蔵装置が含まれる。

【0039】

燃料電池回路１１８は、化学反応を促進して電気エネルギーを生成する複数の燃料電池を含むことができる。その点において、燃料電池回路１１８によって生成された電気エネルギーは、バッテリ１１６に蓄えられることができる。いくつかの実施形態では、車両１００は、燃料電池回路１１８を含む複数の燃料電池回路を含むことができる。

【0040】

モータ／ジェネレータ１１４は、バッテリに蓄えられた電気エネルギー（または燃料電池回路１１８から直接受け取った電気エネルギー）を、車両を推進するために使用できる機械力に変換することができる。モータ／ジェネレータ１１４は、さらに、エンジン１１２または車両の車輪から受け取った機械力を電気に変換することができ、この電気は、エネルギーとしてバッテリ１１６に蓄えられ、および／または車両の他のコンポーネントによって使用される。いくつかの実施形態では、モータ／ジェネレータ１１４は、タービンまたは推力を発生できる他の装置をさらにまたは代わりに含むことができる。

【0041】

燃料電池回路１１８のさらなる詳細は、図２に示されている。いくつかの実施形態では、燃料電池回路１１８は、複数の燃料電池を有する燃料電池スタック２００を含む。燃料電池はそれぞれ、電気を生成するための化学反応を促進することができる。反応により熱が発生する可能性がある。さらに、流体が燃料電池スタック２００を流れ、少なくとも一部の熱を燃料電池スタック２００から逃がすことができる。この点で、燃料電池スタック２００は、流体を受け取るための入口２２８と、流体が燃料電池スタック２００から排出される出口２３０を含むことができる。

【0042】

燃料電池スタック２００は、所定の温度範囲内で作動することが望ましい場合がある。例えば、燃料電池スタック２００の燃料電池は、摂氏５０度（５０℃、華氏１２２度（１２２°Ｆ））～８０℃（１７６°Ｆ）の範囲で作動することが望ましい場合がある。

【0043】

燃料電池スタック２００は、比較的高温（すなわち、温度が５０℃よりも８０℃に近い場合）でより多くの電気エネルギーを生成することができる。しかし、燃料電池スタック２００は、これらの比較的高温で動作する場合、望ましくない水分の損失（すなわち、乾燥）が発生する可能性がある。この点で、比較的大量の電気エネルギーが要求される場合は燃料電池スタック２００を８０℃に近い温度で動作させ、比較的少量の電気エネルギーが要求される場合は５０℃に近い温度で動作させることが望ましい。燃料電池回路１１８には、燃料電池スタック２００の温度を上昇または下降させるためのさまざまな機能が含まれている。

【0044】

燃料電池回路１１８には、インタークーラー２０２がさらに含まれていてもよい。インタークーラー２０２は、燃料電池スタック２００と平行に配置されていてもよい。インタークーラー２０２は、高温の空気流２０３（すなわち、インタークーラー２０２内の流体の温度よりも高い温度の空気流）を受け取り、高温の空気流２０３から流体に熱を伝達してもよい。したがって、燃料電池スタック２００とインタークーラー２０２は、どちらも流体の温度を上昇させるため、燃料電池回路１１８の加熱要素とみなすことができる。燃料電池回路１１８内のすべての流体は、矢印２０５で示すように、最終的に燃料電池スタック２００とインタークーラー２０２の組み合わせを通って流れる。

【0045】

燃料電池回路１１８は、アクチュエータをさらに含み、アクチュエータは三方弁２０４であってもよい。燃料電池回路１１８は、１つ以上のラジエータ２１０と、１つ以上のラジエータ２１０をバイパスするバイパス分岐２０６も含み得る。三方弁２０４は、三方弁２０４の弁位置に基づいて、ラジエータ２１０とバイパス分岐２０６との間で流体を分割し得る。三方弁２０４は、バイパス分岐２０６とラジエータ２１０との間で流量を異なる比率で分割する複数の弁位置を有し得る。

【0046】

例えば、三方弁２０４は、流体の８０％がバイパス分岐２０６を流れ（矢印２０７で示す）、流体の２０％がラジエータ２１０を流れる（矢印２０９で示す）第１の位置を持つことができる。三方弁２０４は、さらに、流体の７０％がバイパス分岐２０６を流れ、流体の３０％がラジエータ２１０を流れる第２の位置を持つことができる。三方弁２０４は、複数の個別の弁位置を持つことができるか、または無限の連続した弁位置を持つことができる（すなわち、バイパス分岐２０６またはラジエータ２１０のそれぞれに流体の０％から１００％の間の任意の値を流すことができる）。

【0047】

バイパス分岐２０６を流れる流体は、ラジエータ２１０を回避し、流体内の熱の大部分を流体内に留めることができる。イオン化装置２０８は、バイパス分岐２０６を流れる流体の一部を受け取ることができる。イオン化装置２０８はイオン交換装置として機能し、流体からイオンを除去して導電性を低下させることができる。この点で、イオン化装置は脱イオン装置と呼ばれることがある。

【0048】

ラジエータ２１０は、流体からラジエータ２１０の上またはラジエータ２１０を通過するガス（空気など）に熱を伝達することができる。この点で、ラジエータ２１０は、燃料電池回路１１８の冷却要素と呼ばれることがある。

【0049】

いくつかの実施形態では、ラジエータ２１０は、メインラジエータ２１２と２つのサブラジエータ２１４、２１６とを含むことができる。ファン２１８は、ラジエータ２１０上をガス２１９が流れるように配向されることができる。いくつかの実施形態では、ファン２１８は、メインラジエータ２１２上をガス２１９が流れるようにのみ配向されることができる。メインラジエータ２１２は、流体がメインラジエータ２１２に流入する流体入口２３２と、流体がメインラジエータ２１２から流出する流体出口２３４とを有する。メインラジエータ２１２は、ファン２１８からガス２１９（すなわち、空気流）を受け取る空気入口２３６と、空気流がメインラジエータ２１２から流出する空気出口２３８とをさらに含むことができる。

【0050】

図１および図２を参照すると、ラジエータ２１０の１つまたは複数は、車両１００のグリル１２０を介して受け取った空気流１２２をさらに受け取ることができる。上述のように、空気流１２２の速度は、車両１００の速度に対応する。車両１００の速度が増加すると、空気流１２２の速度がさらに増加し、流体からの熱の伝達が増加する。

【0051】

図２に戻ると、燃料電池回路１１８は、さらにポンプ２２０を含むことができる。ポンプ２２０は、燃料電池回路１１８を通して流体を強制的に流すことができる任意のポンプを含むことができる。例えば、ポンプ２２０は、油圧ポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、ロータリーギアポンプなどを含むことができる。

【0052】

燃料電池回路１１８は、さらにリザーバ２４０を含むことができる。リザーバは、冷却剤などの流体を貯蔵する容積を含むことができる。流体は、リザーバ２４０から燃料電池回路１１８に供給されることができる。いくつかの実施形態では、リザーバ２４０は、車両のユーザがリザーバ２４０に流体を供給するためのポートを含むことができる。

【0053】

燃料電池回路１１８は、第１温度センサ２２４と第２温度センサ２２６を含む２つの温度センサをさらに含んでもよい。第１温度センサ２２４は、燃料電池スタック２００の出口２３０から排出される流体の温度を検出することができる。第２温度センサ２２６は、ラジエータ２１０から排出される混合流体の温度を検出することができる。実施形態によっては、より多くのまたはより少ない温度センサが使用される場合があり、温度センサは追加または代替の場所に配置される場合がある。

【0054】

図１および図２を再度参照すると、ＥＣＵ１０２は、車両１００の受信した電力要求に基づいて、燃料電池スタック２００の目標温度を決定することができる。上述のように、燃料電池スタック２００から比較的大量の電力が要求される場合、燃料電池スタック２００の温度が上昇することが望ましい場合がある。これは、温度の上昇が燃料電池スタック２００の電力出力の増加に対応するためである。同様に、燃料電池スタック２００から比較的少量の電力が要求される場合、燃料電池スタック２００内の水分を保持するために、燃料電池スタック２００の温度が低下することが望ましい場合がある。

【0055】

ＥＣＵ１０２は、第１温度センサ２２４および第２温度センサ２２６から検出された温度も受信する。ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路１１８のアクチュエータ（三方弁２０４、ファン２１８、およびポンプ２２０）を制御して、燃料電池スタック２００の温度（出口２３０の流体の温度など）を上昇または下降させる。ＥＣＵ１０２は、目標温度および検出された温度に基づいて、目標温度に向かって温度を上昇または下降させる。

【0056】

三方弁２０４は、より多くの流体をバイパス分岐２０６またはラジエータ２１０に流すことによって流体の温度を調節するために使用することができる。例えば、三方弁２０４がバイパス分岐２０６を通る流体の流量を増加させると、流体は大きな熱損失なしに加熱要素に逆流するため、流体の全体的な温度が上昇する可能性がある。同様に、三方弁２０４がラジエータ２１０を通る流体の流量を増加させると、より多くの流体がラジエータ２１０に流され、流体から熱エネルギーが除去されるため、流体の全体的な温度が下がる可能性がある。

【0057】

いくつかの実施形態では、三方弁はＥＣＵ１０２によって駆動され、特に、フィードフォワード信号およびフィードバック信号の１つ以上に従って駆動される。フィードバック信号は、図３を参照してより具体的に示されるように、加熱または冷却プロセス中の積分ワインドアップを低減または防止するために、偏微分Ｉ項を実装するＰＩＤコントローラによって計算されてもよい。

【0058】

ファン２１８は、同様に、メインラジエータ２１２上のガス２１９の流量を増減させることによって流体の温度を調節するために使用されてもよい。例えば、ファン２１８の速度が増加すると（メインラジエータ２１２上を流れるガス２１９の量が増える）、流体から伝達される熱エネルギーが増えるため、流体の温度が下がる可能性がある。同様に、ファン２１８の速度が低下すると、流体から伝達される熱エネルギーが少なくなるため、流体の温度が上がる可能性がある。

【0059】

ポンプ２２０は、燃料電池回路１１８を通る流体の流量、例えば質量流量を増加または減少させることによって、流体の温度を間接的に調整するためにも使用される。流量が増加すると、流体とさまざまなコンポーネント間の熱伝達が増加し、バイパス分岐２０６またはラジエータ２１０を通過する流体の量と、燃料電池スタック２００の温度に基づいて、温度が上昇または低下する可能性がある。したがって、流体の温度は、流体の流量に対応する可能性がある。

【0060】

ここで図２および図３を参照すると、ＥＣＵ１０２は、燃料電池回路１１８の温度を制御する温度制御システム３０３を含むことができる。温度制御システム３０３は、ＥＣＵ１０２の特別に指定されたハードウェアを使用して実装されてもよいし、ＥＣＵ１０２の一般的なハードウェアを使用して実装されてもよい。

【0061】

温度制御システム３０３は、上位コントローラ３００、状態メディエーター３０４、状態ガバナー３０８、フィードフォワード制御３１２、フィードバック制御３１６、状態推定器３２０、オブザーバ３２２、およびアクチュエータ制御３３０を含み得る。温度制御システム３０３は、電力要求３０１などの入力を受信し、アクチュエータ制御信号３３４などの出力を生成することができる。

【0062】

上部コントローラ３００は、電力要求３０１を受信する。上部コントローラ３００は、電力要求３０１に基づいて燃料電池スタック２００の目標温度を特定する。たとえば、電力要求が比較的大きい場合、上部コントローラ３００は、目標温度を７５℃（１６７°Ｆ）などの比較的高い温度に設定する。同様に、電力要求が比較的小さい場合、上部コントローラ３００は、目標温度を５５℃（１３１°Ｆ）などの比較的低い温度に設定する。上部コントローラ３００は、フィルタリングされていない目標燃料電池温度３０２を出力する。

【0063】

状態メディエーター３０４は、フィルタリングされていない目標燃料電池温度３０２を受信することができる。状態メディエーター３０４は、受信した信号をフィルタリングし、目標燃料電池温度３０６を出力することができる。状態メディエーター３０４は、さまざまな理由で、フィルタリングされていない目標燃料電池温度３０２をフィルタリングすることができる。たとえば、フィルタリングによって、信号上のノイズが除去されるか、バンドパスフィルターとして機能して、目標燃料電池温度３０６が安全な温度範囲内にあることが保証されるなどである。安全な温度範囲は、燃料電池回路１１８のコンポーネントに損傷を与える可能性が低い（つまり、過熱または乾燥による）温度範囲であり、燃料電池回路１１８が電力を生成できる温度範囲に対応することができる。

【0064】

状態ガバナー３０８は、目標燃料電池温度３０６を受信することができる。状態ガバナー３０８は、一般的に、燃料電池回路１１８内の流体の温度が温度変化要求に応答する速度（つまり、温度が上昇または下降する速度）を指示することができる。状態ガバナー３０８は、流体の所望の温度変化率（燃料電池スタック２００の入口２２８または出口２３０など）に対応する温度変化率３１０を出力することができる。たとえば、温度変化率３１０は、１秒あたりの度数（たとえば、摂氏度数）で測定することができる。

【0065】

状態推定器３２０は、センサ値３２６および現在のアクチュエータ位置３２８（または指令されたアクチュエータ位置）を含む入力を受信し、燃料電池回路１１８のさまざまな場所の状態を推定することができる。センサ値には、例えば、第１の温度センサ２２４および第２の温度センサ２２６から検出された温度が含まれる。アクチュエータ位置３２８は、アクチュエータ３３２自体（ポンプ２２０、３方弁２０４、およびファン２１８）から、またはアクチュエータ制御信号３３４から受信することができる。

【0066】

燃料電池回路１１８には、比較的少数のセンサが含まれている。アクチュエータ３３２を最適に制御するためには、追加のデータが必要である。この点で、状態推定器３２０は、センサ値３２６とアクチュエータ位置３２８に基づいて、追加のデータ（つまり、現在の状態）を計算または予測できる。たとえば、状態推定器３２０は、温度センサが存在しない燃料電池回路１１８の位置の温度を計算または予測できる。別の例として、状態推定器３２０は、燃料電池回路１１８のさまざまな位置の流体の圧力を計算または予測できる。さらに別の例として、状態推定器３２０は、燃料電池回路１１８のさまざまな要素によって流体に加算または減算される熱量をさらに計算または予測できる。状態推定器３２０は、燃料電池回路１１８の現在の状態に対応する計算値または予測値３２４を出力できる。

【0067】

フィードフォワード制御３１２は、状態ガバナー３０８からの温度変化率３１０と、状態推定器３２０からの計算値または予測値３２４とを受信することができる。いくつかの実施形態では、フィードフォワード制御３１２は、温度センサから検出された温度をさらに受信することができる。フィードフォワード制御３１２は、燃料電池回路１１８の流体の所望の温度変化率３１０を達成するために、アクチュエータ３３２の所望の位置を決定することができる。フィードフォワード制御３１２は、受信した温度変化率３１０と計算値または予測値３２４に基づいて、これらの所望の位置を決定することができる。フィードフォワード制御３１２は、アクチュエータ３３２の決定された所望の位置に対応するフィードフォワード制御信号３１４を出力することができる。

【0068】

フィードバック制御３１６は、状態推定器３２０からの計算値または予測値３２４とともに、状態ガバナー３０８から温度変化率３１０を受信することもできる。いくつかの実施形態では、フィードバック制御３１６は、温度センサから検出された温度をさらに受信することができる。フィードバック制御３１６は、アクチュエータ３３２が所望の温度変化率３１０を達成しているかどうかを識別してもよい。フィードバック制御３１６は、測定された温度変化率と所望の温度変化率３１０との間のギャップを埋めるためにアクチュエータ３３２の調整に対応するフィードバック制御信号３１８をさらに生成してもよい。

【0069】

オブザーバ３２２は、ラジエータ２１０のフィードバック制御として動作することができる。その点において、オブザーバは、ラジエータ２１０の出口２２７における検出された温度と、状態推定器３２０によって決定された出口２２７における推定温度との差を決定することができる。その後、オブザーバ３２２は、状態推定器３２０によって決定された値を変更して、推定温度が検出された温度に近づくようにすることができる。

【0070】

アクチュエータ制御３３０は、フィードフォワード制御信号３１４およびフィードバック制御信号３１８を受信し、フィードフォワード制御信号３１４およびフィードバック制御信号３１８の組み合わせに基づいてアクチュエータ制御信号３３４を生成することができる。アクチュエータ制御信号３３４の１つ以上が、各アクチュエータ３３２に送信されることができる。例えば、アクチュエータ制御信号３３４には、三方弁２０４の弁位置を制御する第１の信号、ファン２１８のファン速度を制御する第２の信号、およびポンプ２２０のポンプ速度を制御する第３の信号が含まれることができる。いくつかの実施形態では、アクチュエータ制御３３０は、フィードフォワード制御信号３１４およびフィードバック制御信号３１８を加算することによってアクチュエータ制御信号３３４を生成することができる。

【0071】

図４は、燃料電池回路のフィードバックベースの加熱または冷却のための方法４００を示す。燃料電池回路は、図１および図２に示す燃料電池回路であってもよい。いくつかの実施形態では、方法４００は、図３のフィードバック制御３１６などのフィードバック制御によって実行される。

【0072】

方法４００には、ＥＣＵが燃料電池回路内の流体の所望の温度に対応する温度制御信号を決定するステップ４０２が含まれる場合がある。たとえば、温度制御信号は流体の所望の温度に対応し、たとえば温度変化率を含む場合がある。一部の実施形態では、温度制御信号は、燃料電池スタックの入口などの１つ以上の場所における流体の所望の温度に基づいて決定される。温度制御信号は、図３の状態ガバナー３０８などの状態ガバナーを使用して決定される。

【0073】

方法４００には、温度制御信号に基づいて流体温度を上昇または低下させるために、ＥＣＵがアクチュエータのフィードフォワード制御を実行するステップ４０４が含まれ得る。たとえば、ＥＣＵは、図３のフィードフォワード制御３１２などのフィードフォワード制御を使用して、フィードフォワード制御信号を決定することができる。フィードフォワード制御は、温度制御信号と、状態推定器（図３の状態推定器３２０など）を使用して計算された推定値とに基づいていてもよい。いくつかの実施形態では、ＥＣＵは、フィードフォワード制御を使用して、燃料電池回路の１つ以上のアクチュエータを直接制御する。いくつかの実施形態では、ＥＣＵは、フィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせを使用して、１つ以上のアクチュエータを直接制御する。

【0074】

方法４００は、１つ以上の位置における流体の流体温度を温度センサによって検出するか、または状態推定器などのＥＣＵによって計算するステップ４０６を含むことができる。

【0075】

方法４００は、ＥＣＵが、１つ以上の位置における流体の検出または計算された温度と流体の所望の温度との間の温度差を決定するステップ４０８を含むことができる。例えば、ＥＣＵは、燃料電池スタックの出口における検出または計算された温度と燃料電池スタックの出口における流体の所望の温度との間の温度差を決定することができる。

【0076】

方法４００には、ＥＣＵが感度を決定または計算するステップ４１０が含まれる場合がある。感度は、アクチュエータ位置の変化（アクチュエータ位置の物理的な変化、アクチュエータ制御信号の変化、またはアクチュエータ制御信号を決定するために使用されるパラメータ値の変化を含む）と流体温度の変化に対応または関連付けることができる。たとえば、感度は、アクチュエータのアクチュエータ位置の変化が流体の流体温度を１度変化させる程度を示す。別の例として、感度は、質量流量の変化が流体の流体温度を１度変化させる程度を示す。

【0077】

方法４００には、ＥＣＵが感度を時間遅延で割るオプションのステップ４１２を含めることができる。これは、流体の温度がセンサによって検出される場合に特に役立つ。これは、センサによって検出された流体の温度が１秒以上、たとえば１秒から５秒遅れる可能性があるためである。この点で、アクチュエータの制御が時間遅延センサ読み取り値に基づいている場合、アクチュエータ制御は遅延読み取り値のために振動する可能性がある。感度を時間遅延で割ると、アクチュエータ制御の変化がより緩やかになり、アクチュエータ制御の振動の可能性が減る。

【0078】

いくつかの実施形態では、特に流体温度が時間遅延を有するセンサによって検出されるのではなく、ＥＣＵによって計算される場合、ステップ４１２はスキップされてもよい。これは、流体温度の計算には、遅延があったとしても比較的小さな遅延がある可能性があるためである。したがって、アクチュエータ制御は、より現在の読み取り値に基づいて行われるため、時間遅延操作は不要である。

【0079】

ステップ４０８で決定された温度差は、温度誤差に対応する可能性がある。言い換えれば、温度差は、その場所の所望の温度と実際の温度との差であるため、誤差に対応する。この点に関して、ステップ４１４では、温度差に感度を適用して誤差信号を決定することができる。誤差信号は、アクチュエータ位置の誤差、または温度差の原因となったアクチュエータ位置の計算に使用されるパラメータの誤差に対応するか、またはそれを示す可能性がある。たとえば、誤差信号は、ポンプが低すぎるか高すぎる質量流量で燃料電池回路を通して流体を送り出していることを示している可能性がある。誤差信号はさらに、流体の実際の温度が流体の所望の温度と比較的等しくなるような質量流量の差を示すか、またはそれに対応している可能性がある。

【0080】

方法４００には、ＥＣＵが誤差信号を比例積分微分（ＰＩＤまたはＰＩ）コントローラに渡してフィードバック制御信号を生成するステップ４１６が含まれ得る。ＰＩＤコントローラは、誤差信号の過去および現在の値を分析し、これらの値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。特に、ＰＩＤコントローラは、誤差信号の現在の値に比例する比例項（Ｐ項）、誤差信号の過去の値を考慮し、それらを時間とともに積分する積分項（Ｉ項）、および誤差信号の現在の変化率に基づいて誤差信号の潜在的な将来の誤差を提供する微分項（Ｄ項）を分析し得る。コントローラは、Ｐ項、Ｉ項、およびＤ項の効果のバランスを取り、それらの制御機能を最適化することができる。

【0081】

積分ワインドアップは、多くのＰＩＤコントローラ、特に燃料電池の温度制御などの高度に非線形なシステムにとって課題となる問題である。これらのシステムは、従来の方法では十分に捉えられない高度に非線形な動作をする場合がある。ＰＩＤコントローラを使用して温度を管理する既存のシステムでは、通常、学習値を含めずに静的な上限と下限が設定されており、これが積分ワインドアップの問題を悪化させる可能性がある。特に、この現象は設定値の大きな変化によって引き起こされる可能性があり、Ｉ項に時間の経過とともに大きな誤差が蓄積され、大幅なオーバーシュートまたはアンダーシュートを引き起こす可能性がある。

【0082】

いくつかの実施形態では、Ｉ項および総ＰＩフィードバック量（Ｐ項とＩ項の合計を含む）は、偏微分計算を使用して飽和され、システムの感度および非線形性を捕捉する。これらの実施形態では、ＰＩＤコントローラのＩ項は、従来の方法および／または偏微分法によって計算することができる。これにより、システム感度に基づいてＩ項飽和がスケーリングされ、上限と下限がシステム応答に比例して増加または減少する可能性がある。Ｉ項飽和限界を定義すると、非線形システム用にシステムを最適化する効果があり、本明細書で説明するように、燃料電池制御システムにおける積分ワインドアップを防ぐのに役立つ可能性がある。Ｉ項飽和限界の設定は、次の式を使用して行うことができる。

【0083】

【数7】

【0084】

上記の式１～３の偏微分項（（∂Ｉ－ｔｅｒｍ_{ｓｔａｔｅ}）／（∂Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ_{ｓｔａｔｅ}））は、システム状態に基づいてリアルタイムで計算できる。偏微分項は、現在のシステム状態におけるシステム感度を表し、システムの非線形性を捉えることができる。

【0085】

上記の式１～２のΔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ_{ｓｔａｔｅ ａｌｌｏｗｅｄ}項は、Ｉ項が制御状態誤差の解消にどの程度貢献できるかを表す。これにより、計算プロセス中にＩ項の誤差の蓄積を制限することで、積分ワインドアップを防ぐことができる。たとえば、制御状態が燃料電池（ＦＣ）入口温度の場合、ΔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ_{ｓｔａｔｅ ａｌｌｏｗｅｄ}＝１０に設定すると、Ｉ項は±１０℃のＦＣ入口温度誤差を解消するのに十分なだけしか成長できない。この例では、偏微分項（（∂Ｉ－ｔｅｒｍ_{ｓｔａｔｅ}）／（∂Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ_{ｓｔａｔｅ}））によってＩ項の制限が動的にスケーリングされるため、Ｉ項は制御状態で±１０℃の誤差と同等のものしか蓄積できない。

【0086】

いくつかの実施形態では、Ｉ項をスケーリングする同じ方法（たとえば、式１～３に従って）を、最終的な合計ＰＩ結合フィードバック項（ＰＩ制御値とも呼ばれ、Ｐ項とＩ項の合計を含む場合がある）に適用することができ、たとえば次の式を使用する。

【0087】

【数8】

【0088】

方法４００には、ＥＣＵがフィードバック制御信号に基づいてアクチュエータを制御するステップ４１８が含まれてもよい。たとえば、ＥＣＵは、フィードフォワード制御信号とフィードバック制御信号の合計を生成し、その合計に基づいてアクチュエータを制御してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＣＵは、フィードバック制御信号のみに基づいてアクチュエータを制御してもよい。いくつかの例示的な実施形態では、方法４００には、ステップ４１８の完了後にステップ４０２に戻って、ステップを再度実行することが含まれていてもよい。

【0089】

図５を参照すると、３方向コントローラ５００が示されている。いくつかの実施形態では、３方向コントローラ５００は図２のＥＣＵ１０２に含まれ、特に、フィードバック制御３１６を実行することができる。３方向バルブコントローラ５００は、図４の方法４００と同様の方法を実行して３方向バルブのフィードバック制御を実行するように設計されたロジックまたは専用ハードウェアを含むことができる。

【0090】

三方弁コントローラ５００には、さまざまな入力信号および出力信号を受信する多数の計算ブロック５０２、５１０、５２４、５３２が含まれる場合がある。これらの計算ブロックには、図２の燃料電池スタック２００などの燃料電池スタックの入口で測定または計算された流体温度（Ｔ_{ＦＣ ｉｎ}）５０４を受信する差分ブロック５０２が含まれる場合がある。たとえば、流体温度５０４は、ＥＣＵ１０２の状態推定器によって計算される場合がある。差分ブロック５０２は、燃料電池スタックの入口での流体の所望の温度に対応する所望の温度（Ｔ_{ＦＣ ｉｎ＿ｃｍｄ}）５０６をさらに受信する場合がある。差分ブロック５０２は、流体温度５０４と所望の温度５０６との差に対応する温度差（ΔＴ_{ＦＣ ｉｎ ｅｒｒｏｒ}）５０８を出力することができる。一部の実装では、温度差５０２は、予想される流体温度と比較した誤差の量を表す。

【0091】

三方弁コントローラ５００は、第２の差分ブロック５１０をさらに含むことができる。第２の差分ブロック５１０は、ラジエータの出口における流体の温度に対応するラジエータ温度 （Ｔ_{ｒａｄ ｏｕｔ}）５１２を受信することができる。第２の差分ブロック５１０は、燃料電池回路のバイパス分岐に沿った位置における流体の温度に対応するバイパス流体温度（Ｔ_{ｂｙｐａｓｓ}）５１４をさらに受信することができる。いくつかの実施形態では、第２の差分ブロック５１０は、ラジエータ温度５１２とバイパス流体温度５１４との差５１６を出力する。

【0092】

三方弁コントローラ５００は、感度ブロック５１８をさらに含んでもよい。感度ブロック５１８は、ラジエータ温度５１２とバイパス流体温度５１４との差５１６と、ポンプの入口の流体の温度に対応するポンプ流体温度（Ｔ_{ｐｕｍｐ ｉｎ}）５２０とを受信する。感度ブロック５１８は、三方弁のバルブ位置の変化を、燃料電池スタックの入口の流体温度などの流体の流体温度の変化に対応する感度５２２を決定する。たとえば、感度５２２は、バルブ位置（Ｚ）の変化が燃料電池スタックの入口の流体温度の１℃の変化をもたらす量を示す。感度５２２は、前述のように偏微分Ｉ項を使用して計算することができ、特に、前述の式１～３に基づいて計算することができる。この感度５２２を実装すると、上限と下限をシステム応答に比例して増加または減少させることができ、その結果、Ｉ項のワインドアップを防ぐのに役立つ。感度ブロック５１８に関連付けられた制御ロジック６００を図６に示す。

【0093】

三方弁コントローラ５００は、さらに乗算ブロック５２４を含むことができる。乗算ブロック５２４は、感度５２２を温度差５０８に適用することができる。例えば、乗算ブロック５２４は、温度差５０８に感度５２２を乗算することができる。乗算ブロック５２４の結果は、誤差信号５２６であり、三方弁の位置の誤差（例えば、流体分割比に対応する値で測定される）を示すことができる。

【0094】

三方弁コントローラ５００は、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ５２８をさらに含んでもよい。ＰＩＤコントローラ５２８は、誤差信号５２６を受信し、誤差信号５２６の現在の誤差値、過去の誤差値、および潜在的な将来の誤差を考慮して、フィードバック制御信号５３０を生成することができる。一部の実装では、ＰＩＤコントローラ５２８は、状態誤差の許容される寄与の合計を制限することによってＩ項ワインドアップを防止するために、方法４００のステップを適用するように構成されている。ＰＩＤコントローラ５２８は、上記の式４～７を誤差信号５２６に適用して、フィードバック制御信号（ΔＺ_ＦＢ）５３０を生成することができる。ＰＩＤコントローラ５２８に関連付けられた制御ロジック７００を図７に示す。

【0095】

ＥＣＵ１０２は、フィードバック制御信号５３０とフィードフォワード制御信号５３４を受信する組み合わせブロック５３２をさらに含んでもよい。フィードフォワード制御信号５３４は、図３のフィードフォワード制御３１２などのフィードフォワード制御によって決定または計算された３方弁のフィードフォワード制御に対応してもよい。

【0096】

組み合わせブロック５３２は、フィードバック制御信号５３０とフィードフォワード制御信号５３４の合計を生成することができる。組み合わせブロック５３２は、フィードフォワード制御とフィードバック制御に基づいて、三方弁５００の最終的な所望の弁位置に対応する組み合わせ制御信号５３６を出力することができる。ＥＣＵ１０２は、最終的な所望の弁位置に基づいて三方弁を制御することができる。

【0097】

図６を参照すると、図５の感度ブロック５１８の制御ロジック６００が示されている。この例では、バイパス経路の流量抵抗（Ｚ）の補正を表す式が示されている。次に、流量抵抗（Ｚ）を使用して、バルブの流量抵抗を計算する。そこから、バルブ抵抗は、同等のバルブ位置に変換される。制御ロジック６００には、その他の関連する入力６０２、６０４、６０６、６１４、６１６、６１８、出力６１７、６２４、および比較ブロック６１０、６１２も示されている。

【0098】

図７を参照すると、図５のＰＩＤコントローラ５２８の制御ロジック７００が示されている。この制御ロジック７００には、制御ロジック６００によって生成された偏微分フィードバック項が入力７０２として含まれる。制御ロジックには、上記の式５および６のΔ制御状態許容項を表す入力７０４、ならびに入力７０６、７０８、７１３、７１４、７２４、７２６、７２８、比較ブロック７１０、乗算ブロック７１２、および計算ブロック７１１も含まれる。いくつかの実装では、計算ブロック７２０は偏微分ベースのＩ項ワインドアップ防止を表し、計算ブロック７３０は偏微分項に基づくＰＩ項最大および最小制限を表す。

【0099】

図８および図９を参照すると、フィードバック禁止、ホールド、およびリセット機能に関連する制御ロジック８００と、フィードフォワード値の通過に関連する制御ロジック９００が示されている。いくつかの実施形態では、制御ロジック８００は、図３のフィードフォワードブロック３１２を決定し、制御ロジック９００は、フィードバックブロック３１６を決定する。

【0100】

上記は、当業者が本開示の側面をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説したものである。このような特徴は、多数の同等の代替物のいずれかに置き換えることができるが、本明細書ではそのうちのいくつかのみを開示している。当業者は、本明細書で紹介した実施形態と同じ目的を達成し、および／または同じ利点を達成するために、他のプロセスおよび構造を設計または変更するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解するはずである。当業者はまた、このような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書にさまざまな変更、置換、および改変を加えることができることを理解するはずである。

【0101】

本開示の末尾にある要約は、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に準拠して、読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるようにするために提供されている。要約は、請求項の範囲または意味を解釈または制限するために使用されるものではないという理解のもとに提出されている。

【0102】

さらに、出願人は、請求項が「手段」という語を関連する機能と共に明示的に使用している場合を除き、本明細書の請求項のいずれの制限についても、米国特許法第１１２条（ｆ）を適用しないことを明確に意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】