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原文传递在状态调解器中实现前馈和反馈控制

专利名称：	在状态调解器中实现前馈和反馈控制
摘要：	本申请的发明名称为“在状态调解器中实现前馈和反馈控制”。用于控制通过燃料电池电路的气流的系统包括燃料电池堆。该系统还包括阀门，该阀门具有影响气体的压力的阀门位置和与气体可以流过的阀门的横截面积对应的阀门面积。该系统还包括存储器，该存储器被设计成存储将阀门面积与阀门位置相关联的图或函数。该系统还包括ECU，以确定或接收气体通过阀门的期望质量流率，并计算实现期望质量流率的期望阀门面积。ECU还被设计成将期望阀门面积与图或函数进行比较，以确定提供期望阀门面积的期望阀门位置，并控制阀门以具有期望阀门位置。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	丰田自动车工程及制造北美公司
发明人：	J·法恩斯沃斯;D·弗力克;长谷川茂树;直木留
专利状态：	有效
申请日期：	2018-11-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201811451187.1
公开号：	CN109895661A
代理机构：	中国国际贸易促进委员会专利商标事务所
代理人：	李玲
分类号：	B60L58/40(2019.01);B;B60;B60L;B60L58
申请人地址：	美国得克萨斯
主权项：	1.一种用于控制通过燃料电池电路的气流的系统，包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆被配置为接收气体并经由使用该气体的反应生成电力；阀门，所述阀门具有影响燃料电池电路中的气体的压力的阀门位置和与气体能够流过的阀门的横截面积对应的阀门面积；存储器，所述存储器被配置为存储将阀门面积与阀门位置相关联的图或函数；以及电子控制单元ECU，耦合到阀门并且被配置为：确定或接收气体通过阀门的期望质量流率，基于期望质量流率计算期望阀门面积，以实现期望质量流率，将期望阀门面积与图或函数进行比较，以确定提供期望阀门面积的期望阀门位置，以及控制阀门以具有期望阀门位置。 2.如权利要求1所述的系统，其中，所述ECU还被配置为：确定流过阀门的气体的当前雷诺数；基于当前雷诺数确定气体通过阀门的当前层流、亚音速流或扼流；以及基于当前层流、亚音速流或扼流来进一步计算期望阀门面积。 3.如权利要求2所述的系统，其中，所述阀门包括高压侧和暴露于比高压侧更小的压力的低压侧，并且其中，所述ECU被进一步配置为使用以下方程计算期望阀门面积：其中是期望质量流率，Cd是放电系数，A是期望阀门面积，Rs是特定的气体常数，Tu是阀门的高压侧的温度，Pu是阀门的高压侧的压力，并且Ψ是当前层流、亚音速流或扼流。 4.如权利要求1所述的系统，还包括旁通分支，所述旁通分支被配置为使气体中的至少一些气体绕过所述燃料电池堆，其中所述阀门是沿着所述旁通分支定位的旁通阀，并且所述期望质量流率与通过旁通分支的气体的期望质量流对应。 5.如权利要求1所述的系统，其中，所述阀门是位于所述燃料电池堆下游的限流阀，并且所述期望质量流率与通过所述燃料电池堆的气体的期望质量流对应。 6.一种用于控制通过燃料电池电路的气流的系统，包括：压缩机，所述压缩机被配置为将气体泵送通过燃料电池电路并且具有压缩机速度和压缩机扭矩，所述压缩机速度和所述压缩机扭矩中的每一个影响通过压缩机的气体的压缩机流率；具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆被配置为接收气体并经由使用该气体的反应生成电力；以及电子控制单元ECU，耦合到压缩机并且被配置为：确定或接收与压缩机速度的期望加速度对应的压缩机的期望加速率，基于期望加速率来确定压缩机的期望加速扭矩，以及基于期望加速扭矩来控制压缩机的压缩机扭矩。 7.如权利要求6所述的系统，其中，所述压缩机具有与压缩机的出口处的压力与压缩机的入口处的压力的比率对应的压缩机压力比率，并且其中，所述ECU还被配置为：基于压缩机流率和压缩机压力比率来确定压缩机的效率；基于压缩机的效率来确定压缩机的压缩扭矩；以及还基于压缩机的压缩扭矩来控制压缩机的压缩机扭矩。 8.如权利要求7所述的系统，其中，所述压缩机具有变速箱和电动机，所述变速箱具有传动比率，并且所述电动机具有电动机速度，并且其中，所述ECU还被配置为：基于传动比率和电动机速度来确定压缩机的摩擦扭矩；基于期望加速扭矩、压缩扭矩和摩擦扭矩来确定要由压缩机施加的总压缩机扭矩；以及控制压缩机以使压缩机扭矩等于总压缩机扭矩。 9.如权利要求6所述的系统，还包括存储器，所述存储器被配置为存储速度图，所述速度图将期望压缩机流率和期望压缩机压力比率与目标压缩机速度相对应，其中，所述ECU还被配置为：确定或接收期望压缩机流率和期望压缩机压力比率；将期望压缩机流率和期望压缩机压力比率与速度图进行比较，以确定期望压缩机速度；以及控制压缩机以使压缩机速度等于期望压缩机速度。 10.如权利要求6所述的系统，其中，所述ECU还被配置为：确定或接收与当前时间步长对应的当前期望压缩机速度；确定或接收与未来时间步长对应的未来期望压缩机速度；计算当前期望压缩机速度与未来期望压缩机速度之间的速度差值；确定当前时间步长与未来时间步长之间的时间延迟；以及通过将速度差值除以时间延迟来计算压缩机的期望加速率。 11.如权利要求6所述的系统，其中，所述ECU包括被配置为确定期望加速率的路径控制器。 12.一种用于控制通过燃料电池电路的气流的系统，包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆被配置为接收气体并经由使用该气体的反应生成电力；阀门，所述阀门具有影响燃料电池电路中的气体的压力的阀门位置；存储器，所述存储器被配置为存储将燃料电池电路内的压力值与对应的阀门位置相关联的压力图；以及电子控制单元ECU，耦合到阀门并且被配置为：确定或接收燃料电池电路中的气体的期望压力值，并确定或接收燃料电池电路中的气体的当前压力值，将期望压力值应用于压力图以确定与期望压力值相关联的期望阀门位置，并将当前压力值应用于压力图以确定与当前压力值相关联的当前阀门位置，识别与期望阀门位置和当前阀门位置之间的差值对应的差值信号，以及基于差值信号调节阀门的阀门位置。 13.如权利要求12所述的系统，其中，所述ECU还被配置为将比例-积分-微分PID控制器应用于差值信号以确定对阀门位置的期望调节，并通过将阀门位置改变对阀门位置的期望调节来进一步调节阀门位置。 14.如权利要求13所述的系统，其中，以下中的至少一个：所述ECU还被配置为延迟并入PID控制器的积分项，直到差值信号的值已减小预定阈值量为止，以减小对阀门位置的期望调节的过冲；或者所述存储器还被配置为，当当前压力值与第一期望压力值一起收敛时，存储PID控制器的最终积分项，并且所述ECU还被配置为使PID控制器使用存储的最终积分项作为起始积分项来开始到第一期望压力值的后续收敛。 15.如权利要求11所述的系统，还包括：旁通分支，所述旁通分支被配置为使气体绕过所述燃料电池堆；以及压缩机，所述压缩机被配置为将气体泵送通过所述燃料电池电路并且具有入口和出口，所述入口具有入口压力并且所述出口具有出口压力，其中，以下中的至少一个：所述阀门是位于所述燃料电池堆下游的限流阀，并且所述期望压力值是与所述燃料电池堆的燃料电池入口对应的入口压力值，或者所述阀门是位于沿着旁通分支的旁通阀，并且所述期望压力值是与出口压力和入口压力的比率对应的压力比率。 16.一种用于控制通过燃料电池电路的气流的系统，包括：压缩机，所述压缩机具有压缩机速度并且被配置为以压缩机流率将气体泵送通过燃料电池电路；具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆被配置为接收气体并经由使用该气体的反应生成电力；存储器，所述存储器被配置为存储将压缩机流率与对应的压缩机速度相关联的气流图；以及电子控制单元ECU，耦合到压缩机并且被配置为：确定或接收期望压缩机流率，并且确定或接收当前压缩机流率，将期望压缩机流率应用于气流图以确定与期望压缩机流率相关联的期望压缩机速度，并将当前压缩机流率应用于气流图以确定与当前压缩机流率相关联的当前压缩机速度，识别与期望压缩机速度和当前压缩机速度之间的差值对应的差值信号，以及基于差值信号调节压缩机的压缩机速度。 17.如权利要求16所述的系统，其中，所述ECU还被配置为将比例-积分-微分PID控制器应用于差值信号以确定对压缩机速度的期望调节，并且通过将压缩机速度改变对压缩机速度的期望调节来进一步调节压缩机速度。 18.如权利要求17所述的系统，其中，以下中的至少一个：所述ECU还被配置为延迟并入PID控制器的积分项，直到差值信号的值已减小预定阈值量为止，以减少对压缩机速度的期望调节的过冲；或者所述存储器还被配置为，当当前压缩机流率与第一期望压缩机流率一起收敛时，存储PID控制器的最终积分项，并且所述ECU还被配置为使PID控制器使用存储的最终积分项作为起始积分项来开始到第一期望压缩机流率的后续收敛。 19.如权利要求16所述的系统，其中：所述压缩机还具有压缩机扭矩值；所述存储器还被配置为存储将压缩机速度与压缩机扭矩值相关联的扭矩图；以及所述ECU还被配置为：将期望压缩机速度应用于扭矩图以确定与期望压缩机速度相关联的期望压缩机扭矩值，并将当前压缩机速度应用于扭矩图以确定与当前压缩机速度相关联的当前压缩机扭矩值，识别与期望压缩机扭矩值和当前压缩机扭矩值之间的扭矩差值对应的扭矩差值信号，以及基于扭矩差值信号调节压缩机的压缩机扭矩值。 20.如权利要求19所述的系统，其中，所述ECU还被配置为将比例-积分-微分PID控制器应用于扭矩差值信号，以确定对压缩机扭矩值的期望调节，并通过将压缩机扭矩值改变对压缩机扭矩值的期望调节来进一步调节压缩机扭矩值，以及以下中的至少一个：所述ECU还被配置为延迟并入PID控制器的积分项，直到扭矩差值信号的值已减小预定阈值量为止，以减小对压缩机扭矩值的期望调节的过冲；或者所述存储器还被配置为，当当前压缩机扭矩值与第一期望压缩机扭矩值一起收敛时，存储PID控制器的最终积分项，并且所述ECU还被配置为使PID控制器使用存储的最终积分项作为起始积分项来开始到第一期望压缩机扭矩值的后续收敛。
所属类别：	发明专利