(57)【要約】【課題】ビークル内の空気流を制御するための制御システム及び方法の提供。【解決手段】方法、システム、及び制御システムのデバイス。制御システムは燃料電池スタックを備える。制御システムは、ビークル内の全空気流を制御して提供するように構成されたコンプレッサを備える。コンプレッサは空気圧力比及び空気流量を有し、ある速度で動作する。制御システムは、燃料電池スタックとコンプレッサとに結合された電子制御ユニットを含む。電子制御ユニットは、空気圧力比又は空気流量になされる１つ以上の調整と関連のある経路を決定するように構成される。電子制御ユニットは、経路に基づいて、１つ以上の調整と関連のある変化割合を決定し、経路及び変化割合に基づいて、空気圧力比、速度又は空気流量のうちの少なくとも１つを制御して、コンプレッサを動作させる、ように構成される。【選択図】図１
2020126833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビークル内の空気流を制御するための制御システムであって、
電気エネルギを生成するように構成されている燃料電池スタックと、
前記ビークル内の全空気流を制御して提供するように構成され、空気圧力比及び空気流量を有するコンプレッサであって、前記コンプレッサはある速度で動作する、コンプレッサと、
前記燃料電池スタックと前記コンプレッサとに接続された電子制御ユニットであって、
前記空気流量に対する前記空気圧力比になされる１つ以上の調整と関連のある経路を決定し、
前記経路に基づいて、前記空気圧力比又は前記空気流量になされる１つ以上の調整と関連のある変化割合を決定し、
前記経路及び前記変化割合に基づいて、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを制御して、通常動作領域内で前記コンプレッサを動作させる、
ように構成されている電子制御ユニットと、
を具備する制御システム。
【請求項２】
さらに、
空気流を排気口に向かって前記燃料電池スタックから遠ざけるように方向づけるバイパス経路と、
前記全空気流を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成されているバイパス弁であって、前記全空気流の前記第１の部分は前記燃料電池スタック内に方向づけられ、前記全空気流の前記第２の部分はバイパス経路の方に方向づけられる、バイパス弁と、
を具備する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記コンプレッサは、前記燃料電池スタックに、又は前記バイパス弁を介して前記バイパス経路に、送られる前記空気流を提供する、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
さらに、
前記コンプレッサに背圧を発生させるように構成されている背圧弁であって、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを制御して前記通常動作領域内で前記コンプレッサを動作させるために、前記電子制御ユニットが、
前記背圧弁又は前記バイパス弁の１つ以上の位置又は前記コンプレッサの前記速度を制御して前記空気流量を調整する
ように構成されている、背圧弁
をさらに具備する、請求項２に記載の制御システム。
【請求項５】
前記電子制御ユニットは、
前記圧力比と前記空気流量との間の感度を計算するように構成され、前記感度は、一定速度での前記空気流量の変化に対する前記圧力比の変化を示し、前記電子制御ユニットは、前記感度にさらに基づいて、前記経路及び前記変化割合を決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。
【請求項６】
前記電子制御ユニットは、
前記経路及び前記変化割合を最適化して、応答時間を最小化し、
最適化された経路及び最適化された変化割合にさらに基づいて、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを制御する、
ように構成されている、請求項５に記載の制御システム。
【請求項７】
さらに、
前記コンプレッサに背圧を発生させるように構成されている背圧弁と、
前記全空気流を分割するように構成されているバイパス弁と、
を具備し、
前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを制御して前記通常動作領域内で前記コンプレッサを動作させるために、電子制御ユニットは、
前記背圧弁もしくは前記バイパス弁の位置を調整し、又は
前記コンプレッサの速度を調整する、
ように構成されている、請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
ビークル内の空気流を制御する方法であって、
プロセッサによって、１つ以上のセンサを使用して、空気流量、圧力比及び感度を決定することと、
前記プロセッサによって、前記感度に基づいて、感応領域と、不感応領域と、前記感応領域と前記不感応領域との境界を表す感応境界線と、を決定することと、
前記プロセッサによって、目標空気流量及び目標圧力比を決定することと、
前記プロセッサによって、前記空気流量及び前記圧力比から前記目標空気流量及び前記目標圧力比までの経路を決定することと、
前記プロセッサによって、前記経路及び前記感度に基づいて変化割合を決定することと、
前記プロセッサによって、前記変化割合及び前記経路に基づいて、１つ以上のアクチュエータを制御して前記空気流量及び前記圧力比を調整することと、
を含む方法。
【請求項９】
前記空気流量及び前記圧力比から前記目標空気流量及び前記目標圧力比までの経路を決定することは、
経路マッピングに基づいて、感応領域と、不感応領域と、前記感応領域と前記不感応領域との間の感応境界線とを決定することと、
前記空気流量、前記圧力比及び前記感応境界線に基づいて最適勾配を決定することと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記最適勾配を決定することは、
中間圧力比及び中間圧力空気流量に対応する感応境界線上の中間目標点を決定することと、
前記空気流量と、前記圧力比と、前記中間圧力比及び前記中間圧力空気流量と、に基づいて前記最適勾配を決定することと、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記中間目標点を決定することは、経路マッピングに基づくものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、
前記空気流量及び前記圧力比に対応する点と、前記目標空気流量及び前記目標圧力比に対応する目標点とに基づいて収束勾配を決定することと、
前記空気流量が前記目標空気流量の閾量内にあること、又は、前記圧力比が前記目標圧力比の閾量内にあることの少なくとも一方のときに、前記最適勾配を前記収束勾配に移行させることと、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記経路及び前記感度に基づいて前記変化割合を決定することは、
圧力比の最大変化及び対応する流量の変化についての前記最適勾配に沿った第１のステップサイズを決定することと、
流量の最大変化及び対応する圧力比の変化についての前記最適勾配に沿った第２のステップサイズを決定することと、
前記第１のステップサイズが前記第２のステップサイズ以下のときに、前記変化割合の許容ステップサイズとして前記第１のステップサイズを選択し、前記第２のステップサイズが前記第１のステップサイズ未満のときに、前記変化割合の許容ステップサイズとして前記第２のステップサイズを選択することと、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
ビークル内の空気流を制御するための制御システムであって、
電気エネルギを生成するように構成されている燃料電池スタックと、
前記ビークル内の全空気流を制御して提供するように構成され、空気圧力比及び空気流量を有するコンプレッサであって、前記コンプレッサはある速度で動作する、コンプレッサと、
前記全空気流をバイパス経路と前記燃料電池スタックとの間で分割するように構成されているバイパス弁と、
前記燃料電池スタックと前記コンプレッサとに接続された電子制御ユニットであって、
前記空気流量に対する前記空気圧力比になされる１つ以上の調整と関連のある経路を決定し、
前記経路に基づいて、前記空気圧力比又は前記空気流量になされる前記１つ以上の調整と関連のある変化割合を決定し、
前記経路及び前記変化割合に基づいて、前記コンプレッサ又は前記バイパス弁を制御して、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量の少なくとも１つを調整し、通常動作領域内で前記コンプレッサを動作させる、
ように構成されている電子制御ユニットと、
を具備する制御システム。
【請求項１５】
前記コンプレッサは、前記燃料電池スタックに、又は前記バイパス弁を介して前記バイパス経路に、送られる前記空気流を提供する、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
さらに、
前記コンプレッサに背圧を発生させるように構成されている背圧弁であって、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを制御して前記通常動作領域内で前記コンプレッサを動作させるために、前記電子制御ユニットが、
前記背圧弁又は前記バイパス弁の１つ以上の位置又は前記コンプレッサの前記速度を制御して前記空気流量を調整する
ように構成されている、背圧弁
をさらに具備する、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１７】
前記電子制御ユニットは、
前記圧力比と前記空気流量との間の感度を計算するように構成され、前記感度は、一定速度での前記空気流量の変化に対する前記圧力比の変化を示し、前記電子制御ユニットは、前記感度にさらに基づいて、前記経路及び前記変化割合を決定するように構成されている、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１８】
前記電子制御ユニットは、
前記経路及び前記変化割合を最適化して、応答時間を最小化し、
最適化された経路及び最適化された変化割合にさらに基づいて、前記コンプレッサ又は前記バイパス弁のうちの少なくとも１つを制御して、前記空気圧力比、前記速度又は前記空気流量のうちの少なくとも１つを調整する、
ように構成されている、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１９】
前記電子制御ユニットは、前記変化割合及び前記経路に基づいて、前記バイパス弁の位置を開位置、部分開位置又は閉位置に調整するように構成されている、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項２０】
さらに、
背圧弁
を具備し、
前記電子制御ユニットは、前記変化割合及び前記経路に基づいて、前記背圧弁の位置を調整を含む前記背圧弁の制御を行うように構成されている、
請求項１９に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
１．分野
【０００２】
本開示は、ターボコンプレッサ内の圧力及び流量を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
【０００４】
電気ビークルないし電気自動車（ＥＶ）などのビークル（車両、乗り物、輸送機関）には、圧力及び流量などの特定の動作パラメータ内で動作する燃料電池スタックをはじめとする構成要素が設けられているため、ビークルは特定の速度で動作する。内燃エンジンを搭載したビークルなどの従来のビークルには、無流量からフル流量までの約１．５秒の応答時間など、特定のパラメータ内で動作する従来のターボコンプレッサが設けられる。これに対して、ＥＶには、無流量からフル流量まで約０．５秒の応答時間内でさらに高速に動作する電動ターボコンプレッサが設けられる。
【０００５】
さらに、従来のターボコンプレッサは、サージ領域とストール領域との外側にある通常動作領域内の狭い範囲内で動作する。しかし、電動ターボコンプレッサは、通常の動作領域内でサージ境界付近までの広い範囲で動作する可能性がある。ターボコンプレッサは、ハードウェアの制限内で動作し、通常動作領域内では最適な効率で動作する。ターボコンプレッサがサージ領域内又はストール領域内で動作する場合、ターボコンプレッサは通常動作領域外で動作し、損傷が発生したり、不安定になったりする可能性がある。ビークルは、通常動作領域内で動作する場合、ピーク効率で動作し、ビークルの構成要素は、電気エネルギを生成するときに構成要素を損傷したり、非効率的に動作したりしないようにハードウェアの制限内で動作する。
【発明の概要】
【０００６】
このため、ターボコンプレッサ内の圧力及び空気流を制御して、通常の動作領域内でターボコンプレッサを運転し、さらに高い動作パラメータ及び／又は性能パラメータを満たすか超えるシステム、装置、及び／又は、方法に対するニーズがある。
【０００７】
概要
概して、本明細書で説明される主題の一態様は制御システムにおいて具体化される。制御システムはビークル内の空気流を制御する。制御システムは燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックは電気エネルギを生成するように構成される。制御システムは、ビークル内の全空気流を制御して提供するように構成されたコンプレッサを備える。コンプレッサは空気圧力比及び空気流量を有し、ある速度で動作する。制御システムは、燃料電池スタックとコンプレッサとに結合された電子制御ユニットを備える。電子制御ユニットは、空気圧力比又は空気流量になされる１つ以上（１つ又は複数）の調整と関連のある経路を決定するように構成される。電子制御ユニットは、経路に基づいて、１つ以上の調整と関連のある変化割合ないし移行速度を決定し、経路と変化割合に基づいて、空気圧力比、速度又は空気流量のうちの少なくとも１つを制御して、通常（ノーマル）動作領域内でコンプレッサを動作させるように構成される。
【０００８】
このような実施形態をはじめとする実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を随意に含んでもよい。制御システムは、バイパス経路及びバイパス弁を備えてもよい。バイパス経路は、空気流を排気口の方に向け、燃料電池スタックから遠ざける。バイパス弁は、全空気流を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される。全空気流の第１の部分は燃料電池スタック内に方向づけられ、第２の部分はバイパス経路の方に方向づけられる。コンプレッサは、燃料電池スタックに、又はバイパス弁を介してバイパス経路に、送られる全空気流を提供してもよい。
【０００９】
制御システムは背圧弁を備えてもよい。背圧弁はコンプレッサと燃料電池スタックとに背圧を発生させるように構成されてもよい。電子制御ユニットは、空気圧力比又は空気流量を調整するために、背圧弁又はバイパス弁の１つ以上の位置又はコンプレッサの速度（回転数）を制御するように構成されてもよい。電子制御ユニットは感度を決定するように構成されてもよい。感度は、一定速度での空気流量の変化に対する圧力比の変化、あるいはその逆を示してもよい。電子制御ユニットは感度に基づいて経路及び変化割合を決定してもよい。電子制御ユニットは、経路及び変化割合を最適化して応答時間を最小化し、最適化された経路及び最適化された変化割合にさらに基づいて、空気圧力比、速度又は空気流量のうちの少なくとも１つを制御してもよい。
【００１０】
別の態様では、主題はビークル内の空気流を制御する方法において具現化される。この方法は、空気流量及び圧力比を決定することを含む。この方法には、感応領域、不感応領域及び感応境界線が含まれる。感応境界線は、感応領域と不感応領域との境界を表す。この方法は、目標空気流量及び目標圧力比を決定することを含む。この方法は、空気流量及び圧力比と目標空気流量及び目標圧力比との間の経路を決定することを含む。この方法は、経路に基づいて圧力比及び空気流の変化の目標変化割合を決定することを含む。この方法は、１つ以上のアクチュエータを制御して、空気流量及び圧力比を変化割合及び経路に基づいて調整することを含む。
【００１１】
別の態様では、主題は、ビークル内の空気流を制御するための制御システムにおいて具現化される。制御システムには、電気エネルギを生成するように構成された燃料電池スタックが含まれる。制御システムは、ビークル内の全空気流を制御して提供するように構成され、空気圧力比及び空気流量を有するコンプレッサを備える。制御システムは、全空気流をバイパス経路と燃料電池スタックとの間で分割するように構成されたバイパス弁を備える。制御システムは、燃料電池スタックとコンプレッサとに接続された電子制御ユニットを備える。電子制御ユニットは、空気圧力比又は空気流量になされる１つ以上の調整と関連のある経路を決定するように構成される。電子制御ユニットは、１つ以上の調整と関連のある圧力比と空気流の変化の目標変化割合を決定するように構成される。電子制御ユニットは、経路及び変化割合に基づいて、コンプレッサ又はバイパス弁を制御して、空気圧力比、速度又は空気流量のうちの少なくとも１つを調整し、通常動作領域内でコンプレッサを動作させるように構成される。
【００１２】
図面の簡単な説明
本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点は、以下の図及び詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴及び利点はいずれも、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。図面に示す構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の重要な特徴をさらに良好に示すために誇張されている場合がある。図面では、類似する参照番号は、異なる図の全体にわたって類似する部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一態様によるビークルの燃料電池スタックへの空気流を制御する例示的な空気制御システム（「制御システム」）のブロック図。
【００１４】
【図２】本発明の一態様による図１の制御システムの１つ以上の構成要素間の相互接続の概略図。
【００１５】
【図３】本発明の一態様による図１の制御システムの１つ以上のアクチュエータを制御するための例示的なプロセスの流れ図。
【００１６】
【図４】本発明の一態様による図１の制御システムの経路制御及び変化割合制御を決定するための例示的なプロセスの流れ図。
【００１７】
【図５】本発明の一態様による図１の制御システムのコンプレッサのさまざまな動作領域を示す図。
【００１８】
【図６】本発明の一態様による図１の制御システムに対する経路マッピング又は流動場の例示的なグラフ。
【００１９】
【図７】本発明の一態様による図１の制御システムを使用して、感度に基づく変化割合制御（例えば、ステップサイズ）の解を求めるために使用される例示的なグラフ。
【００２０】
【図８】本発明の一態様による図１の制御システムを使用した変化割合制御のための許容可能なステップサイズの計算例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
詳細な説明
本開示には、ビークル内の空気流を制御するためのシステム、装置及び方法が開示される。制御システムは、コンプレッサ（ＡＣＰ）、バイパス弁（ＡＰＶ）又は背圧弁（ＡＶＢ）を含む１つ以上のアクチュエータを操作して、ビークル内の空気流を制御する。内燃エンジンに完全に依存するわけではない電気ビークル、ハイブリッドビークル、燃料電池ビークルをはじめとするビークルでは、ターボコンプレッサは、性能目標をはじめとする必要な動作条件を満たすために、短時間で無流量からフル流量に移行する必要がある場合がある。このため、電動ターボコンプレッサが使用される。従来のターボコンプレッサの制御器は、必要な応答要件及び動作位置要件を満たすには不十分である。そのため、制御システムは、改善された変化割合及び経路の制御を実施して、応答要件及び動作位置要件を満たす。これにより、ターボコンプレッサ内での無流量からフル流量への応答時間が短縮される。
【００２２】
その他の利益と利点には、通常動作領域内でコンプレッサを維持し、燃料電池スタック内の対応する圧力比を維持するために、コンプレッサ内の空気流量（「流量」）、速度、及び／又は、空気圧力比（「圧力比」）（流量、速度、及び圧力比のうちのいずれか１つ以上）を含む１つ以上の動作パラメータを制御する機能が含まれる。燃料電池スタックがさまざまな圧力比及び流量で動作するため、コンプレッサは、通常動作領域の固定領域内だけでなく、通常動作領域の全領域内で変化し、動作することができる必要がある。このため、制御システムは、動作パラメータを調整又は制御するときに、１つ以上の動作パラメータを結合する。これにより、動作状態がサージ境界に近い場合でも、コンプレッサが通常動作領域内で動作し続ける状態を確実なものにすることができる。これにより、燃料電池スタックが効率的に動作するために必要な動作状態がサージ境界に近いときに、コンプレッサがハードウェアの制限内で動作する状態を確実なものにすることができる。
【００２３】
図１は、燃料電池スタック１１６に出入りする空気流を制御する空気制御システム（「制御システム」）１００を示す。制御システム１００は、コンプレッサ１１０が通常動作領域内で動作し、燃料電池スタック１１６を動作させるための他の動作要件を満たす応答時間を有するように、速度、空気圧、及び／又は、流量のようなさまざまなパラメータを制御する。制御システム１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０４などのプロセッサと、メモリ１０６と、燃料電池スタック１１６と、１つ以上のセンサ１１８と、１つ以上のアクチュエータ１０８とを備える。制御システム１００は、ユーザインターフェース１２０、ナビゲーションユニット１２２、バッテリ１２４、バッテリ管理制御ユニット（ＢＭＣＵ）１２６、モータ１２８及び／もしくはジェネレータ１２８、並びに／又は、エンジン１３０、のような１つ以上の他の構成要素を備えてもよい。
【００２４】
制御システム１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０４などの１つ以上のプロセッサを備える。ＥＣＵ１０４は、単一のＥＣＵ又は複数のＥＣＵとして実装されてもよい。ＥＣＵ１０４は、モータ及び／又はジェネレータ１２８、１つ以上のセンサ１１８、並びに／又は、１つ以上のアクチュエータ１０８、のようなビークル１０２の構成要素の一部又は全部に電気的に結合されてもよい。ＥＣＵ１０４は、１つ以上のアクチュエータ１０８を制御しかつ／又は１つ以上のセンサ１１８からデータを取得して、１つ以上のアクチュエータ１０８を制御又は調整してさまざまな目標、例えば、速度、圧力比、コンプレッサ１１０から流出してバイパス経路及び／又は燃料電池スタック１１６に流入する流量、を満たすように特に設計された１つ以上のプロセッサ又はコントローラを備えてもよい。ＥＣＵ１０４は、メモリ１０６に結合され、メモリ１０６に保存された命令を実行してもよい。
【００２５】
メモリ１０６は、ＥＣＵ１０４に結合され、ＥＣＵ１０４が実行する命令を保存してもよい。メモリ１０６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は他の揮発性メモリ又は不揮発性メモリのうちの１つ以上を含んでもよい。メモリ１０６は、ハードディスクドライブ、固体ディスクドライブ、ハイブリッドディスクドライブ又は他の適切なデータ記憶装置などの非一時的メモリ又はデータ記憶装置であってもよく、さらに機械可読命令を保存してもよい。機械可読命令は、ＥＣＵ１０４によって読み込まれ、実行されてもよい。
【００２６】
制御システム１００はユーザインターフェース１２０を備えてもよい。制御システム１００は、１つ以上の通知をユーザインターフェース１２０に表示してもよい。通知は、燃料電池スタック１１６に流入する空気及び／又はコンプレッサ１１０内の空気の圧力及び／又は流量を制御するために１つ以上のアクチュエータ１０８を管理しかつ／又は制御するときに、制御システム１００の初期化又は制御システム１００による調整を示す。制御システム１００は、コンプレッサ１１０を通過する空気及び／又は燃料電池スタック１１６に流入する空気の、実際の又は推定された圧力及び／又は流量を表示してもよい。
【００２７】
制御システム１００は、コンプレッサ１１０の速度、バイパス弁１１２及び／又は背圧弁１１４の位置、燃料電池スタック１１６内及び／又はコンプレッサ１１０内の圧力及び／又は流量の実時間値を測定又は決定する１つ以上のセンサ１１８を備えてもよい。例えば、１つ以上のセンサは、燃料電池スタック１１６内の空気圧及び／又はコンプレッサ１１０内の空気圧を測定する１つ以上の圧力センサを含んでもよい。別の例では、１つ以上のセンサ１１８は、コンプレッサ１１０の速度を測定する速度センサ、及び／又は、コンプレッサ１１０内の流量及び／又は燃料電池スタック１１６へ流入する流量を測定する流量センサ、を含んでもよい。
【００２８】
制御システム１００は燃料電池スタック１１６を備える。燃料電池スタック１１６は燃料電池を有する。燃料電池は、水素ガスと酸素又は別の酸化剤との電気化学反応により、水素ガスなどの燃料からの化学エネルギを電気に変換する。燃料電池は、燃料と酸素が供給される限り、化学反応を継続して電気を連続的に生成するために、燃料と酸素の連続供給源を必要とする。制御システム１００はバイパス分岐又は経路（「バイパス経路」）２０６を有する。バイパス経路２０６は、空気が燃料電池スタック１１６を迂回することを可能にする。
【００２９】
制御システム１００は１つ以上のアクチュエータ１０８を備える。１つ以上のアクチュエータ１０８は、コンプレッサ１１０、バイパス弁１１２、及び／又は、背圧弁１１４を含む。１つ以上のアクチュエータ１０８は位置決めされ、移動され、又は、さもなければ調整されて、コンプレッサ１１０内及び燃料電池スタック１１６内の圧力比及び／又は流量を調整又は制御する。制御システム１００は、コンプレッサ１１０の速度、及び／又は、バイパス弁１１２及び／又は背圧弁１１４の位置を制御してもよい。ＥＣＵ１０４は、例えば、信号を送信することにより、１つ以上のアクチュエータ１０８に、コンプレッサ１１０内の圧力比及び／又は流量を調整させ、通常動作領域内でコンプレッサ１１０を動作させてもよい。通常動作領域５１２は、例えば、図５に示すように、コンプレッサ１１０がハードウェア制限内でサージ領域５０２及びストール領域５０４の外側にて動作する動作領域である。サージ境界５０６は、通常動作領域５１２とサージ領域５０２との間の境界を画定する。コンプレッサ１１０がサージ領域５０２に入ると、流れの逆転が発生し、コンプレッサ１１０に損傷を引き起こす可能性がある。
【００３０】
図５は、コンプレッサ１１０のさまざまな動作領域を示す。コンプレッサ１１０が通常動作領域５１２の右上で動作するとき、コンプレッサ１１０は最大速度で動作することがあるのに対し、コンプレッサ１１０がストール領域５０４の近く又は内部にて左下で動作するとき、コンプレッサ１１０は失速した。
【００３１】
コンプレッサ１１０は、内燃エンジン用の従来のターボコンプレッサよりも高い性能目標を有し、さらに速い応答時間を必要とする可能性がある電動ターボコンプレッサであってもよい。このため、ターボコンプレッサは、応答要件及び動作パフォーマンス要件を満たすために、図５に示すように、経路又は領域５０８に沿ってサージ境界５０６の近くで動作してもよい。
【００３２】
従来のコンプレッサが、内燃エンジンのコンプレッサの開始点５１０の近くなど、通常動作領域５１２の中央のような通常動作領域５１２内で動作することのほうが多いのに対し、燃料電池スタック１１６と組み合わせて動作するターボコンプレッサは、サージ境界５０６付近にて、圧力比及び流量のさまざまな組み合わせで動作する必要がある場合がある。サージ境界５０６付近では、コンプレッサ１１０の速度が一定である場合、コンプレッサ１１０の動作は敏感である場合がある、即ち、圧力比のわずかな変化が流量の著しい変化をもたらす場合がある。
【００３３】
コンプレッサ１１０は、空気を引き込んで加圧空気を出力することにより空気を加圧して、燃料電池スタック１１６及びバイパス経路２０６の方に方向づけられる全空気流を生成する。コンプレッサ１１０は、コンプレッサ１１０内の空気が燃料電池スタック１１６に流入する空気の圧力比と同じ圧力比を有するように、燃料電池スタック１１６に特定の圧力の空気流を提供する。コンプレッサ１１０は、空気を引き込み得る本体と、１つ以上の翼を備えて本体の内部に配置され得る羽根車とを有してもよい。モータが、羽根車を回転させて空気を加圧するトルクを有する機械的動力を生成してもよい。コンプレッサ１１０は、加圧空気及び／又は全空気流をバイパス弁１１２に提供する。バイパス弁１１２は、調整可能な弁位置であって、空気流の一部がバイパス経路２０６を通過し、空気流の別の部分が燃料電池スタック１１６を通過するのを可能にする弁位置を有する。
【００３４】
ＥＣＵ１０４は、コンプレッサ１１０からの空気を分割するバイパス弁１１２の位置を制御する。バイパス弁１１２は、空気流を燃料電池スタック１１６内へのもの及び／又はバイパス経路２０６内へのものに分割し、これにより、コンプレッサ１１０は、燃料電池が必要とするよりも多くの流量にて、特定の圧力比で空気流を提供することが可能になる。バイパス弁１１２は、コンプレッサ１１０が通常動作領域内で動作している間、燃料電池スタック１１６に流入する空気が的確な流量を有するように流量を調整する。例えば、燃料電池スタック１１６が１０００リットル／分及び圧力比３で動作する場合、圧力比と流量の組み合わせにより、コンプレッサ１１０がサージ領域内で動作するかもしれない。これに代わって、コンプレッサ１１０は、コンプレッサの速度を上げることにより、４０００リットル／分の流量にて圧力比３で動作し、バイパス弁１１２は、１０００リットル／分が燃料電池スタック１１６に方向づけられ、３０００リットル／分がバイパス経路２０６に方向づけられるように流量を分割するために開いてもよい。このため、コンプレッサ１１０は、通常動作領域内で４０００リットル／分の流量にて圧力比３で動作してもよい。
【００３５】
バイパス弁１１２は、開いた位置、部分的に開いた位置又は閉じた位置にあってもよい。バイパス弁１１２が完全に開いているとき、バイパス弁１１２は、空気を排出するバイパス経路を空気が全体的に通過することを可能にする。バイパス弁１１２が部分的に開いているとき、空気の一部が燃料電池スタック１１６に方向づけられ、空気の別の部分がバイパス経路を通過する。これにより、燃料電池スタック１１６に流入する空気及びコンプレッサ１１０内の空気の流量又は量が減少する。バイパス弁１１２が完全に閉じられると、全空気が燃料電池スタック１１６に方向づけられ、又は、燃料電池スタック１１６を通過する。
【００３６】
同じように、背圧弁１１４は、調節可能な弁位置を有してもよく、開いていても、部分的に開いていても、閉じていてもよい。ＥＣＵ１０４は、背圧弁１１４の位置を制御して、燃料電池スタック１１６内の空気の圧力を調整してもよい。例えば、燃料電池スタック１１６内の圧力は、背圧弁１１４を閉じる又は開くことにより、上昇又は低下してもよい。
【００３７】
制御システム１００はユーザインターフェース１２０を備えてもよい。ユーザインターフェース１２０は、ネットワークを通じてビークル１０２の（図示しない）ネットワークアクセス装置を介してＥＣＵ１０４に接続されるビークルディスプレイ又はパーソナルデバイス、例えば、携帯電話、タブレット、パーソナルコンピュータであってもよい。ユーザインターフェース１２０は、ユーザインターフェース要素、ボタン、ダイヤル、マイク又はタッチスクリーンなど、ユーザ入力を受信することができる任意の装置と、ディスプレイ、スピーカ又は更新可能な点字ディスプレイなど、出力が可能な任意の装置とを含んでもよい。ユーザインターフェース１２０により、ビークル１０２の運転者又は乗員はＥＣＵ１０４と通信することができる。例えば、運転者は、ユーザインターフェース１２０を介して、ＥＣＵ１０４にデータを提供したり、ＥＣＵ１０４からフィードバックを受信したりすることが可能であってもよい。
【００３８】
制御システム１００は、ビークル１０２に接続されたり、後付けされたり、搭載されたりしてもよい。ビークル１０２は、人、物体、あるいは永久的又は一時的に取り付けられた装置を搬送することができる搬送手段である。ビークル１０２は、自動車、スポーツユーティリティビークル、トラック、バス、バン、あるいは他のモータ駆動又はバッテリ駆動又は燃料電池駆動のビークルなど、自走式の車輪付き搬送手段であってもよい。例えば、ビークル１０２は、電気ビークル、ハイブリッドビークル、水素燃料電池ビークル、プラグインハイブリッドビークル、あるいは、燃料電池スタック１１６、モータ、及び／又はジェネレータ１２８を有する他の種類のビークル、であってもよい。ビークルの他の例には、自転車、電車、飛行機又はボートをはじめ、搬送可能な任意の形態の搬送手段が挙げられる。ビークル１０２は、半自律的であっても自律的であってもよい。即ち、ビークル１０２は自己操縦することができ、人間の入力なしで進行する場合がある。自律ビークルは、１つ以上のセンサ１１８及び／又はナビゲーションユニット１２２を有して使用し、自律的に運転されてもよい。
【００３９】
ビークル１０２はモータ及び／又はジェネレータ１２８を備えてもよい。モータ及び／又はジェネレータ１２８は、電気モータと、電気エネルギをトルクなどの機械的動力に変換し、機械的動力を電気エネルギに変換するジェネレータと、であってもよい。モータ及び／又はジェネレータ１２８はバッテリ１２４に結合されてもよい。モータ及び／又はジェネレータ１２８は、バッテリ１２４からのエネルギを機械的動力に変換し、例えば、回生ブレーキを介してバッテリ１２４にエネルギを戻してもよい。いくつかの実施例では、ビークル１０２は、エンジン１３０又は燃料電池スタック１１６などの１つ以上の追加の発電装置を備えてもよい。エンジン１３０は、モータ及び／又はジェネレータ１２８によって供給される電力の代わりに、かつ／又は、これに加えて、燃料を燃焼させて電力を提供する。
【００４０】
バッテリ１２４は、モータ及び／又はジェネレータ１２８に結合されてもよく、モータ及び／又はジェネレータ１２８に電気エネルギを提供し、モータ及び／又はジェネレータ１２８から電気エネルギを受け取ってもよい。バッテリ１２４は、１つ以上の充電式バッテリを含んでもよい。
【００４１】
バッテリ管理制御ユニット（ＢＭＣＵ）１２６は、バッテリ１２４に結合され、バッテリ１２４の充電及び放電を制御して管理してもよい。例えば、ＢＭＣＵ１２６は、（図示しない）バッテリセンサを使用して、バッテリ１２４の充電状態（ＳＯＣ）を決定するのに使用されるパラメータを測定してもよい。
【００４２】
ビークル１０２は、ナビゲーションユニット１２２であって、ナビゲーションマップ情報及び／又はビークル情報を取得して、ビークル１０２を自律的にナビゲートし、かつ／又は、ユーザインターフェース１２０を介してユーザにルートを表示するナビゲーションユニット１２２を備えてもよい。ナビゲーションマップ情報は、ビークル１０２をナビゲートするための道路、地形をはじめとする関心のあるポイントを識別するマップを含んでもよい。ナビゲーションマップ情報は、ビークル１０２の出発点と、目的点と、出発点から目的点までの移動経路とを含む経路情報を含んでもよい。ビークル情報は、ビークル１０２の現在の位置、ビークル１０２の現在の進行方向、及び／又は、ビークル１０２の現在の速度を含んでもよい。
【００４３】
図２は、図１の制御システムのさまざまな構成要素を示すブロック図である。図２は、図１の制御システムの追加の詳細を示す。特に、制御システム１００は、吸気口２０２と、コンプレッサ１１０と、インタクーラ２０４と、ＦＣ入口弁２０８と、燃料電池スタック１１６と、背圧弁１１４と、バイパス経路２０６に沿って位置決めされたバイパス弁１１２とを備えてもよい。
【００４４】
制御システムは吸気口２０２を備えてもよい。吸気口２０２は、図１のビークル１０２の外部などの周囲環境から空気を受け取ってもよい。コンプレッサ１１０は、吸気口２０２から空気を受け取り、空気を加圧してもよい。コンプレッサ１１０は、加圧空気をインタクーラ２０４に提供してもよい。いくつかの実施例では、吸気口２０２は、受け取った空気から破片を濾過するためのフィルタを備えてもよい。制御システム１００はインタクーラ２０４を備えてもよい。インタクーラ２０４は、コンプレッサ１１０から空気を受け取ってもよく、冷却剤などの熱交換媒体を受け取ってもよい。インタクーラ２０４は、制御システム１００を通って流れる空気の温度を変化させてもよい。
【００４５】
バイパス弁１１２は、インタクーラ２０４からの空気を燃料電池スタック１１６内へのものとバイパス経路２０６内へのものとに分割してもよい。バイパス弁１１２は、上記で考察したように、燃料電池スタック１１６に流入する空気の量及び／又はバイパス経路２０６を通って流れる空気の量を制御する調整可能な弁位置を有してもよい。制御システム１００は、バイパス弁１１２を開くか部分的に開くことにより、燃料電池スタック１１６がサージ領域内でコンプレッサ１１０を正常に動作させることになる圧力比にて動作することを可能にするが、バイパス弁１１２は、空気流の一部がバイパス経路２０６を迂回して排出されることを可能にするため、コンプレッサ１１０は、さらに高い流量にて、通常動作領域内で動作する。燃料電池スタック１１６に流入する空気は、ＦＣ入口弁２０８を通過してもよい。ＦＣ入口弁２０８は、燃料電池スタック１１６への空気流を制御してもよい。
【００４６】
制御システム１００は背圧弁１１４を備える。背圧弁１１４は、燃料電池スタック１１６内の空気の圧力を調整するために制御され得る調整可能な弁位置を有してもよい。例えば、燃料電池スタック１１６内の圧力は、背圧弁１１４を閉じることにより増大してもよく、背圧弁１１４を開くことにより減少してもよい。ＥＣＵ１０４は、コンプレッサ１１０、バイパス弁１１２、及び／又は背圧弁１１４を含む１つ以上のアクチュエータ１０８を制御してもよい。
【００４７】
図３は、１つ以上のアクチュエータ１０８を制御するプロセス３００の流れ図である。制御システム１００は、１つ以上のアクチュエータ１０８を使用して、コンプレッサ１１０内の圧力比及び／又は流量と、燃料電池スタック１１６に流入する圧力比及び／又は流量とを調整する。１つ以上のコンピュータ又は１つ以上のデータ処理装置、例えば、ＥＣＵ１０４などの１つ以上のプロセッサが、プロセス３００を実施してもよい。
【００４８】
制御システム１００は、コンプレッサ１１０内の現在の速度、現在の流量及び現在の圧力を決定し、測定し、又は取得する（３０２）。制御システム１００は、現在の流量及び現在の圧力を、コンプレッサ１１０内及び／又は燃料電池スタック１１６内の流量及び圧力比の現在の状態の開始値と関連付ける。速度と圧力比と流量とは高度に連動しており、速度と圧力比と空気流とが他の各因子に実時間で動的に調整されなければ、オーバーシュート又はアンダーシュートが発生する可能性がある。
【００４９】
制御システム１００は、圧力センサを使用して、コンプレッサ１１０内の空気の現在の圧力を測定し、検出し、又は、さもなければ取得してもよい。制御システム１００は、現在の圧力に基づいて現在の圧力比を決定又は計算してもよい。制御システム１００は、流量センサを使用して流量を測定し、検出し、又は、さもなければ取得し、速度センサを使用してコンプレッサ１１０のモータの現在の速度を測定し、検出し、又は、さもなければ取得してもよい。コンプレッサ１１０のモータの速度は、コンプレッサ１１０の羽根車の回転速度であってもよい。
【００５０】
制御システム１００は、目標流量及び目標圧力比を決定する（３０４）。目標流量及び目標圧力比は、コンプレッサ１１０内及び燃料電池スタック１１６内の流量及び圧力比の最終状態の最終値に対応する。最終値は、燃料電池スタック１１６の電力要求に基づいてもよい。これは、アクセルペダルの踏み込みなどの運転者入力に対応してもよく、あるいは自律ビークル又は半自律ビークルのＥＣＵ１０４による制御に対応してもよい。
【００５１】
制御システム１００は、流量及び／又は圧力比と、流量及び／又は圧力比の組み合わせ又は対の領域と関連のある感度とのさまざまな組み合わせを示す感度マッピング及び／又はデータベース（「感度マッピング」）を取得してもよい（３０６）。感度マッピングは、制御システム１００によって事前に決定され又はモデル化されてもよく、あるいは遠隔装置から受信されてメモリ１０６に保存されてもよい。
【００５２】
制御システム１００は、感応領域、不感応領域及び感応境界線を決定する（３０８）。制御システム１００は、さまざまな流量及び／又は圧力比の組み合わせ又は対に対する感度を決定する。さまざまな流量及び／又は圧力比に対する感度は、感度マッピングに保存されてもよい。制御システム１００は、感度を実時間で又は事前に決定し、感度マッピングに保存してもよい。感度とは、空気コンプレッサの速度が一定の場合の１つ以上の時間ステップでの圧力比の変化量に対する流量の変化量を指す。時間ステップとは、ＥＣＵ１０４などのプロセッサによって実行される計算と計算の間又は測定と測定の間の時間の測定値を指す。時間ステップは、例えば約１６ミリ秒であってもよい。感度マッピングは、さまざまな流量及び／又は圧力比での感度を保存する。制御システム１００は、感度マッピングを使用して、特定の流量及び／又は圧力比での感度と、特定の流量及び／又は圧力比の周囲の異なる感度とを決定する。感度マッピングはこのほか、ある流量及び／又は圧力比から別の流量及び／又は圧力比への感度の変化を示してもよい。感度マッピングは、さまざまな領域、例えば、流量と圧力比とのさまざまな組み合わせを、さまざまな感度に関連づける。
【００５３】
流量と圧力比との組み合わせ又は対の位置の感度の量は、流量と圧力比との対の位置からサージライン境界までの距離の影響を受ける。流量と圧力比との対の位置がサージライン境界に近づくにつれて、感度の量が増大する。即ち、圧力比の小さな変化が、流量の大きな変化をもたらす。このため、圧力比の変化に対する感応領域の許容度は、許容度が高めの不感応領域よりも低くなる。この感度は、１つの状態を他の状態に対して変更する際の許容可能なエラー量を効果的に定量化する。
【００５４】
サージライン境界付近の領域では、サージライン境界に近づくほど、サージライン境界を越えてサージ領域に入る前の許容誤差が小さくなり、一定速度での圧力比の変化に対する感度が増大するため、制御システム１００は、コンプレッサ１１０内の圧力比と流量との対がサージライン境界を超えてサージ領域に入るのを防ぐために、さらに注意深く圧力比になされる変更を小さくする必要がある。同じように、サージライン境界から離れた領域では、サージライン境界から離れるほど、誤差許容度が大きくなるため、制御システム１００は、サージライン境界を超えることを懸念することなく、圧力比及び／又は流量の変更を大きくしてもよい。
【００５５】
不感応領域は、流量の変化及び／又は圧力比の変化がそれぞれ、他の因子の有意な変化を引き起こすことのない、さまざまな流量と圧力比との組み合わせの領域である。有意である又は有意ではないと考えられる可能性のある変化の量を、不感応領域と感応領域との間の感応境界線で表してもよい。感応境界線は、２つの領域に隣接する圧力比と流量との組み合わせを表し、事前に設定され又はさもなければ決定された閾値の変化に対応する。感応領域は、流量の変化及び／又は圧力比の変化がそれぞれ、他の因子の有意な変化を引き起こす、さまざまな流量と圧力比との組み合わせの領域である。感応領域はサージライン境界に近い方の領域である。
【００５６】
制御システム１００は、圧力及び流量を目標圧力及び目標流量に移行させる経路及び変化割合を決定する（３１０）。制御システム１００は、圧力及び流量、目標圧力及び目標流量、感応についての種々の領域、感応境界線、及び経路マッピングに基づいて、圧力及び流量から目標圧力及び目標流量への移行の経路及び変化割合を決定してもよい。制御システム１００は、経路制御及び／又は変化割合制御を利用して、最適な経路及び／又は最適な変化割合を決定し、コンプレッサ１１０内及び燃料電池スタック１１６内の圧力比及び流量を移行する。経路制御は、流量及び圧力比から目標流量及び目標圧力比までの理想的な２次元（２Ｄ）空間過渡経路を特定する。変化割合制御は、通常動作領域内で動作するためにコンプレッサ１１０の制御性を維持している間に、単一の時間ステップに対する理想的な許容ステップサイズ、即ち、流量の変化及び圧力比の変化を特定して、過渡応答時間の目標を達成する。経路制御により、遷移動作中の気流の状態及び圧力比の状態が相互に連結した状態を維持することが確実になり、変化割合制御により、遷移動作中の時間に対してこのような状態が連結した状態を維持することが確実になる。図４は、最適な経路と最適な変化割合を決定するための経路制御及び変化割合制御をさらに説明する。経路制御、変化割合制御、及び感度、即ち、ＡＣＰ感度は、圧力及び流量の移行の制御の重要な要素であり、マップ較正定数、動的計算、あるいは制御システム１００が圧力及び流量を移行させる方法を制御し及び／又は指示するために使用される他の手段であってもよい。異なる状態間の移行のための最適な経路及び最適な変化割合を決定することにより、制御システム１００は、コンプレッサ１１０の応答時間を増大させて、無流量から全流量に移行させる。これにより、コンプレッサ１１０が現在の応答時間を上回り、性能目標及び必要な動作条件を満たすことが可能になる。
【００５７】
経路及び変化割合が決定された時点で、制御システム１００は、経路及び変化割合に基づいてコンプレッサ１１０の速度及び／又は圧力比を制御するために１つ以上のアクチュエータ１０８を制御し、移動し、位置決めし、又は、さもなければ調整する（３１２）。各時間ステップでは、新たな「中間」目標圧力比及び流量が、所望の経路及び変化割合に基づいて計算される。次に、コントローラは、システムをこのような「中間状態」のそれぞれに移動させ、最終的に空気流及び圧力比の最終的な望ましい状態の組み合わせに到達するように稼働する。制御システム１００は、１つ以上のアクチュエータ１０８を制御して、流量、コンプレッサ１１０の速度及び／又は圧力比を調整し、管理し、又はさもなければ制御する。
【００５８】
例えば、制御システム１００は、コンプレッサ１１０の速度を増大させてもよく又は減少させてもよい。増大量又は減少量は、必要な流量の変化の量に基づいてもよい。コンプレッサ１１０の速度を上げることにより、制御システム１００は、燃料電池スタック１１６及び／又はバイパス経路２０６に流入して燃料電池スタック１１６及び／又はバイパス経路２０６の間で分割された空気の流量及び空気量を増大させる。コンプレッサ１１０の速度を低下させることにより、制御システム１００は、燃料電池スタック１１６及び／又はバイパス経路２０６に流入して燃料電池スタック１１６及び／又はバイパス経路２０６の間で分割された空気の流量及び空気量を減少させる。
【００５９】
別の例では、制御システム１００は、空気流を燃料電池スタック１１６とバイパス経路２０６との間で分割するバイパス弁１１２の位置を移動し、調整し、位置決めし、又はさもなければ制御してもよい。バイパス弁１１２は、開けられ、閉じられ、又は部分的に開けられ得る、調節可能な弁位置を有する。制御システム１００は、必要な流量の変化割合に基づいて弁位置を調整してもよい。バイパスを開くと、全体的な背圧を低下させることができ、実際には、同一のコンプレッサ速度に対するコンプレッサ流量の純増加をもたらす。いくつかの分割空気流の目標に到達するには、バイパス弁、背圧弁及び速度の操作を通常は同時に実施する必要がある。バイパス弁１１２を開く又はさらに開くことにより、バイパス経路２０６に流入する空気の流量及び／又は空気量が増大し、燃料電池スタック１１６に流入する空気の流量及び／又は空気量が減少する。バイパス弁１１２を閉じる又はさらに閉じることにより、バイパス経路２０６に流入する空気の流量及び／又は空気量が減少し、燃料電池スタック１１６に流入する空気の流量及び／又は空気量が増大する。このことにより、バイパス弁１１２が開くと、コンプレッサ１１０がさらに高速で動作することが可能になる。
【００６０】
別の例では、制御システム１００は、背圧弁１１４の位置を移動し、調整し、位置決めし、又はさもなければ制御してもよい。背圧弁１１４は、コンプレッサ１１０の背圧を発生させ、かつ／又は、燃料電池スタック１１６内の空気の圧力を調整する。背圧弁１１４は、開けられ、閉じられ、又は部分的に開かれ得る、調節可能な弁位置を有する。制御システム１００は、必要な圧力比の変化割合に基づいて弁位置を調整してもよい。制御システム１００が背圧弁１１４を開く又はさらに開くと、燃料電池スタック１１６内の圧力比及び／又はコンプレッサ１１０の背圧が低下し、制御システム１００が背圧弁１１４を閉じる又はさらに閉じると、燃料電池スタック１１６内の圧力比及び／又はコンプレッサ１１０の背圧が上昇する。
【００６１】
図４は、圧力及び流量を目標圧力及び目標流量に移行させる経路及び変化割合を決定するためのプロセス４００の流れ図である。制御システム１００は、以前（前回）の流量と、以前の圧力比と、目標圧力比と、目標流量と、不感応領域及び感応領域などのさまざまな領域の経路マッピングとを使用して、コンプレッサ１１０の速度と、燃料電池スタック１１６内及びコンプレッサ１１０内の圧力比及び／又は流量とを調整する。制御システム１００は、１つ以上のアクチュエータ１０８を使用してこのようなパラメータを制御する。１つ以上のコンピュータ又は１つ以上のデータ処理装置、例えば、ＥＣＵ１０４などの１つ以上のプロセッサがプロセス４００を実施してもよい。
【００６２】
制御システム１００は、以前の圧力比ＰＲｎ−１と、以前の流量ＡＣＰＡＦＲ＿ｎ−１と、目標圧力比ＰＲｔｇｔと、目標流量ＡＣＰＡＦＲ＿ｔｇｔと、感度についてのさまざまな領域と、感応境界線とを、上記のように取得し決定する（４０２）。以前の圧力比及び／又は以前の流量は、以前の時間ステップ値の圧力比及び／又は流量を指す。第１の時間ステップでは、以前の値は現在の値又は測定値であってもよい。２Ｄ経路制御を決定するために、制御システム１００は、以前の圧力比及び以前の流量の対と、目標流量及び目標圧力比の対との間の収束勾配を決定する（４０４）。収束勾配は、以前の圧力比及び流量の対から目標圧力比及び流量の対への、最適化なしの、最も直接的な線形経路の勾配である。勾配は、単位流量あたりの圧力比の変化の量を表し、流量の変化に対する圧力比の変化である。即ち、（ＰＲｔｇｔ−ＰＲｎ−１）／（ＡＣＰＡＦＲ_ｔｇｔ−ＡＣＰＡＦＲ_ｎ-１）である。
【００６３】
制御システム１００は、経路の方向を、中間圧力比及び中間流量の方向に決定する（４０６）。中間圧力比及び中間流量の対は、最適勾配が交差する、感応境界線に沿った点である。制御システム１００は、当該方向を使用して、感応境界線に沿った点の中間圧力比及び中間流量を決定する。以前の圧力比及び以前の流量は、当該点に向かって調整される。制御システム１００は、以前の圧力比及び以前の流量の対と、目標圧力比及び目標流量の対とに基づいて、経路に対する相対方向を決定する。制御システム１００は、中間圧力比及び中間圧力の方向など、感応境界線に向かい感応領域の外に移行して感度を下げながら、目標圧力比及び目標流量の対に向かう相対方向を決定する。
【００６４】
例えば、圧力比も流量も増大させる必要がある場合、図７に示すように、方向は第１の方向７０２であってもよい。別の例では、圧力比も流量も減少させる必要がある場合、方向は第２の方向７０４であってもよい。他の例では、圧力比を増大させる必要があり、流量を減少させる必要がある場合、方向は第３の方向７０６であってもよく、圧力比を減少させる必要があり、流量を増大させる必要がある場合、方向は第４の方向７０８であってもよい。このことは、また、制御システム１００が、サージ境界から離れる方向に移動するとき、時間ステップ中に圧力比及び流量を大きく変化させ、全体の応答時間を最小化するのを可能にする。
【００６５】
制御システム１００は、方向に基づいて、例えば図６に示すような、経路マッピングを選択し、決定し、又は取得する（４０８）。メモリ１０６は、複数の経路マッピングを含み、経路が移動する必要がある方向に基づいて経路マッピングを選択してもよい。各方向は、異なる経路マッピングに対応してもよい。経路マッピングは、メモリ１０６に保存されてもよく、さもなければ実時間で計算されてもよい。経路マッピングは、目標流量及び目標圧力比に近づきながら、以前の流量及び以前の圧力比から感応境界線までの移動方向を示す。経路マッピングは、ある方向に移動するときのさまざまな圧力比及び流量の対の感度を織り込む。経路マッピングは、コンプレッサ１１０及び／又は燃料電池スタック１１６の動作の効率、コンプレッサ１１０及び／又は燃料電池スタック１１６の動作のための経路の安全性、及び／又は、１つ以上のアクチュエータ１０８の他の許容因子、などの他の因子を織り込んでもよい。制御システム１００は、経路マッピングを使用して、圧力比及び流量の２Ｄ経路制御を決定する。
【００６６】
制御システム１００は最適勾配を決定する（４１０）。最適勾配は、経路マッピング及び／又は他の追加因子に基づくものであってもよい。最適勾配は、全体的な応答時間を最小化し、以前の圧力比及び流量の対から、中間圧力比及び中間流量の対などの別の圧力比及び流量対への移行を最適化する、最も直接的な経路の勾配である。最適勾配は、中間圧力比及び中間流量への経路の方向に追従する。最適勾配は、単位流量あたりの圧力比の変化の量を表し、以前の圧力比及び以前の流量と中間圧力比及び中間流量との間の流量の変化に対する圧力比の変化である。即ち、（ＰＲｉｎｔ−ＰＲｎ−１）／（ＡＣＰＡＦＲ＿ｉｎｔ−ＡＣＰＡＦＲ＿ｎ−１）又はＭＡＰ（ＡＣＰＡＦＲ＿ｎ−１，ＰＲｎ−１）である。この勾配は、圧力比の所与の目標変化に対する目標流量の許容変化又はその逆の最適化された計算値であり、システムが希望どおりに応答することを確実なものにする。
【００６７】
制御システム１００は、以前の圧力比と目標圧力比との間の差と、以前の流量と目標流量との間の差とを決定する（４１２）。制御システム１００は、差を計算して、収束勾配、最適勾配、又はこれら両方の組み合わせを使用して次の時間ステップで移行する中間圧力比及び中間流量を計算するかどうかを決定する。
【００６８】
制御システム１００は、以前の圧力比と目標圧力比との間の差又は以前の流量と目標流量との間の差が第１の閾量及び／又は第２の閾量よりも小さいかどうかを決定する（４１４）。以前の圧力比と目標圧力比との間の差が第１の閾値圧力比よりも小さい場合、あるいは、以前の流量と目標流量との間の差が第１の閾値流量よりも小さい場合であって、第２の閾値圧力比又は第２の閾値流量以上である場合、制御システム１００は、最適勾配と収束勾配とを混合し、経路として使用される混合最適勾配を形成してもよい（４１６）。第１の閾値圧力比又は第１の閾値流量はそれぞれ、目標圧力比又は目標流量から約５つの時間ステップだけ離れた圧力比又は流量であってもよい。第２の閾値圧力比又は第２の閾値流量はそれぞれ、目標圧力比又は目標流量から約２つの時間ステップだけ離れた圧力比又は流量であってもよい。制御システム１００が最適勾配と収束勾配とを混合するとき、制御システム１００は、以下のように、混合された最適勾配を決定してもよい。
Ｓｌｏｐｅｔｇｔ＝Ｓｌｏｐｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ×Ｒａｔｉｏｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ＋Ｓｌｏｐｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ×Ｒａｔｉｏｏｐｔｉｍｉｚｅｄ
ここで、Ｒａｔｉｏｏｐｔｉｍｉｚｅｄ＝目標値からの時間ステップ／目標値からの閾値の時間ステップであり、Ｒａｔｉｏｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ＝１−Ｒａｔｉｏｏｐｔｉｍｉｚｅｄである。制御システム１００は、混合された最適勾配を経路として使用してもよい。
【００６９】
以前の圧力比と目標圧力比との間の差又は以前の流量と目標流量との間の差がそれぞれ、第２の閾値圧力比又は第２の閾値流量以下である場合、制御システム１００は、圧力比及び流量が目標圧力比及び目標流量に等しくなるまで、残りの時間ステップの経路として収束勾配を使用する（４１８）。例えば、制御システム１００は、最後の２つの時間ステップの経路として収束勾配の使用を必要としてもよい。あるいは、以前の圧力比と目標圧力比との間の差が、閾値圧力比又は以前の流量と目標流量との間の差よりも大きい場合、制御システム１００は、最適勾配を次の時間ステップの経路として使用し続ける（４２０）。
【００７０】
経路制御が決定された時点で、制御システム１００は、圧力比及び流量の変化割合制御、即ち、圧力比及び流量の変化の割合ないし速度を決定する。流量及び圧力比の変化割合制御に対する許容ステップサイズは、感度及び移行の方向の関数として定義される。図７は、感度に基づいた変化割合制御（例えば、許容可能なステップサイズ）の解を求めるために使用され得るグラフを示す。圧力比及び流量が方向７０２、７０８に移行するにつれて、許容可能なステップサイズが増大する。一方、圧力比及び流量が方向７０４、７０６に移行すると、許容ステップサイズは減少する。図８は、図１の制御システム１００を使用した変化割合制御、例えば、許容ステップサイズの計算を示す。これについては以下で説明する。
【００７１】
制御システム１００は、変化割合制御を決定するために、応答時間マッピングに基づいて、無流量からフル流量までの理想的な応答時間が与えられた最大流量及び最大圧力比を決定する（４２２）。理想的な応答時間は、応答時間マッピングを使用して、対応する最大流量及び／又は最大圧力比にマッピングしてもよい。しかし、制御システム１００は、圧力比及び／又は流量を変更する感度のために、経路に基づいて変化割合を制限する（４２４）。変化割合とは、１時間ステップの変化割合、あるいは１時間ステップの圧力比及び流量の変化を指す。例えば、変化割合制御は、経路に沿った圧力比及び流量の対の位置の感度に基づいてもよい。圧力比及び流量の対の経路が感度の低い領域にある場合、制御システム１００は、圧力比及び流量の対に適用する変化の割合を大きくしてもよい。圧力比及び流量の対の経路が感度の高い領域にある場合、制御システム１００は、圧力比及び流量との対に適用する変化の割合を小さくしてもよい。
【００７２】
制御システム１００は、感度に基づいて経路に沿って実施され得る圧力比の最大変化に対する第１のステップサイズと、感度に基づいて経路に沿って実施され得る流量の最大変化に対する第２のステップサイズとを決定する。圧力比の最大変化は、対応する流量の変化に起因するものであり、流量の最大変化は、対応する圧力比の変化に起因するものである。制御システム１００は、圧力比の最大変化及び対応する流量の変化と関連のある第１のステップサイズか、流量の最大変化及び対応する変化割合としての圧力比の変化と関連のある第２のステップサイズのいずれか小さい方の許容ステップサイズを選択する。この計算では最初に、経路制御を使用して状態間の関係を特定する。次に、１つの状態が（時間に対する）変化割合制御を使用して特定され、これにより、状態が時間に対して固定され、状態同士が相互に固定される。
【００７３】
制御システム１００は、上記のように、変化割合及び経路に基づいて、上記で考察したように、１つ以上のアクチュエータ１０８を制御し又は調整する（４２６）。制御システム１００は、圧力比及び流量を経路に沿った変化割合で単一の時間ステップだけ進め、次に、圧力比及び流量の対が目標圧力比及び目標流量の対に到達するまで、次の時間ステップの間、経路制御及び変化割合制御を再計算する。１つ以上のアクチュエータ１０８の制御又は調整は、他の制限又は公差などの他の因子によってさらに制限され又は仲介されてもよい。例えば、コンプレッサ１１０からの流量は、燃料電池スタック１１６への流量以上である必要がある。
【００７４】
明細書及び特許請求の範囲を通して使用される場合、「Ａ又はＢの少なくとも１つ」には、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、あるいは「Ａ及びＢ」が含まれる。方法／システムの例示的な実施形態を、例示的な形式で開示した。このため、全体を通して使用される用語は、非限定的なものとして解釈される必要がある。本開示の教示に対する軽微な修正が当業者には想到されるであろうが、本開示で保証される特許の範囲内に含まれることを意図するものはいずれも、本開示が寄与する技術の進歩の範囲内に合理的に含まれるような実施形態であり、その範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物を考慮する場合を除き、制限を受けるものではないことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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