阅读说明：本技术 涡轮压缩机的路径和速率控制 (Path and rate control for turbocompressors ) 是由 J·M·法恩斯沃思 D·弗力克 长谷川茂树 直木留 于 2020-01-21 设计创作，主要内容包括：控制系统的方法、系统以及装置。所述控制系统包含燃料电池组。所述控制系统包含被构造成控制并且提供所述车辆内的总空气流量的压缩机。所述压缩机具有空气压力比和空气流速并且以一定速度运行。所述控制系统包含联接至所述燃料电池组和所述压缩机的电子控制单元。所述电子控制单元被构造成确定与对所述空气压力比或所述空气流速的一个或多个调节相关联的路径。所述电子控制单元被构造成基于所述路径确定与所述一个或多个调节相关联的速率,以及基于所述路径和所述速率控制所述空气压力比、所述速度或所述空气流速中的至少一个以运行所述压缩机。(Method, system and apparatus for controlling a system. The control system includes a fuel cell stack. The control system includes a compressor configured to control and provide a total air flow within the vehicle. The compressor has an air pressure ratio and an air flow rate and operates at a speed. The control system includes an electronic control unit coupled to the fuel cell stack and the compressor. The electronic control unit is configured to determine a path associated with one or more adjustments to the air pressure ratio or the air flow rate. The electronic control unit is configured to determine a rate associated with the one or more adjustments based on the path, and control at least one of the air pressure ratio, the speed, or the air flow rate to operate the compressor based on the path and the rate.)

涡轮压缩机的路径和速率控制

技术领域

本公开涉及用于控制涡轮压缩机内的压力和流量的系统和方法。

背景技术

比如电动车辆(EV)的车辆具有燃料电池组以及在比如压力和流速的特定的运行参数内运行的其它构件，以使得车辆以特定的速度运行。常规车辆(比如具有内燃机的车辆)具有常规的涡轮压缩机，该涡轮压缩机在某些特定的参数(比如从无流量到满流量的大约1.5秒的响应时间)内运行，而电动车辆具有电动涡轮压缩机，其更快地运行，具有从无流量到满流量的大约0.5秒的响应时间。

而且，常规的涡轮压缩机在喘振区域和失速区域之外的正常的运行区域内部的窄的范围内运行。然而，电动涡轮压缩机可以在正常的运行区域内部的且更靠近于喘振边界的宽的范围内运行。涡轮压缩机在处于正常运行区域内时在硬件限制内并且以最佳效率运行。当涡轮压缩机在喘振区域或失速区域内运行时，涡轮压缩机在正常运行区域之外运行，并且可能发生损坏和/或不稳定。当在正常运行区域内运行时，车辆以峰值效率运行，并且车辆的构件在硬件限制内运行，以便不损坏构件和/或在生成电能时无效地运行。

因此，需要用来控制所述涡轮压缩机内的压力和空气流量的系统、设备和/或方法，以在正常运行区域内运行所述涡轮压缩机，以满足或超过较高的运行和/或性能参数。

发明内容

通常，本说明书中所描述的主题的一个方面体现于控制系统中。所述控制系统控制车辆内的空气流量。所述控制系统包含燃料电池组。所述燃料电池组被构造成生成电能。所述控制系统包含压缩机，所述压缩机被构造成控制并且提供所述车辆内的总空气流量。所述压缩机具有空气压力比和空气流速并且以一定速度运行。所述控制系统包含联接至所述燃料电池组和所述压缩机的电子控制单元。所述电子控制单元被构造成确定与对所述空气压力比或所述空气流速的一个或多个调节相关联的路径。所述电子控制单元被构造成基于所述路径确定与所述一个或多个调节相关联的速率，以及基于所述路径和所述速率控制所述空气压力比、所述速度或所述空气流速中的至少一个以在正常运行区域内运行所述压缩机。

这些以及其它实施例可以可选地包含以下特征中的一个或多个。所述控制系统可以包含旁通路径和旁通阀。所述旁通路径朝向排放装置并远离所述燃料电池组引导空气流。所述旁通阀被构造成将总空气流量分裂成第一部分和第二部分。所述总空气流量的第一部分被引导至所述燃料电池组中，而所述第二部分被朝向所述旁通路径引导。所述压缩机可以提供被经由所述旁通阀传送至所述燃料电池组或所述旁通路径的空气流量。

所述控制系统可以包含背压阀。所述背压阀可以被构造成产生返回至所述压缩机和燃料电池组的压力。所述电子控制单元可以被构造成控制所述背压阀或所述旁通阀的一个或多个位置或者所述压缩机的速度以调节所述空气压力比或所述空气流速。所述电子控制单元可以被构造成确定敏感度。所述敏感度可以指示所述压力比在恒定速度下相对于所述空气流速的变化的变化，反之亦然。所述电子控制单元可以基于所述敏感度确定所述路径和所述速率。所述电子控制单元可以优化所述路径和所述速率以使响应时间最小化以及进一步基于优化的路径和优化的速率控制所述空气压力比、所述速度或所述空气流速中的至少一个。

在另一个方面中，所述主题体现于一种用于控制车辆内的空气流量的方法中。所述方法包含确定空气流速和压力比。所述方法包含敏感区域、非敏感区域以及敏感边界线。所述敏感边界线代表所述敏感区域和所述非敏感区域的边界。所述方法包含确定目标空气流速和目标压力比。所述方法包含确定所述空气流速和所述压力比与目标空气流速和目标压力比之间的路径。所述方法包含基于所述路径确定压力比和空气流量变化的目标速率。所述方法包含控制一个或多个致动器，以基于所述速率和所述路径来调节所述空气流速和所述压力比。

在另一个方面中，所述主题体现于一种用于控制车辆内的空气流量的控制系统中。所述控制系统包含被构造成生成电能的燃料电池组。所述控制系统包含压缩机，所述压缩机被构造成控制并且提供所述车辆内的总空气流量，并且具有空气压力比和空气流速。所述控制系统包含旁通阀，所述旁通阀被构造成在旁通路径与所述燃料电池组之间使总空气流量分裂。所述控制系统包含连接至所述燃料电池组和所述压缩机的电子控制单元。所述电子控制单元被构造成确定与对所述空气压力比或所述空气流速的一个或多个调节相关联的路径。所述电子控制单元被构造成确定与所述一个或多个调节相关联的压力比和空气流量变化的目标速率。所述电子控制单元被构造成基于所述路径和所述速率控制所述压缩机或所述旁通阀以调节所述空气压力比、速度或所述空气流速中的至少一个，以在正常运行区域内运行所述压缩机。

附图说明

通过检查以下附图和具体描述，本发明的其它系统、方法、特征以及优点对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的或将变得显而易见。旨在将所有这样的另外的系统、方法、特征以及优点包含于本说明书内，本发明的范围内，并且由所附权利要求书保护。附图中所示的组成部件不必按比例绘制，并且可以被扩大以更好地示例说明本发明的重要特征。在附图中，相似的附图标记在不同的视图中表示相似的部件。

图1为根据本发明的一个方面的示例性空气控制系统(“控制系统”)的方框图，所述示例性空气控制系统控制进入车辆的燃料电池组中的空气流量。

图2为图1的根据本发明的一个方面的控制系统的一个或多个构件之间的互连的示意图。

图3为用于控制图1的根据本发明的一个方面的控制系统的一个或多个致动器的示例过程的流程图。

图4为用于确定图1的根据本发明的一个方面的控制系统的路径控制和速率控制的示例过程的流程图。

图5示出图1的根据本发明的一个方面的控制系统的压缩机的不同的运行区域。

图6为图1的根据本发明的一个方面的控制系统的路径映射或流场的示例图。

图7为用于使用图1的根据本发明的一个方面的控制系统基于敏感度解决速率控制(例如，步长)的示例曲线图。

图8示出使用图1的根据本发明的一个方面的控制系统对用于速率控制的容许步长的示例计算。

具体实施方式

在本文中公开用于控制车辆内的空气流量的系统、设备以及方法。控制系统运行包含压缩机(ACP)、旁通阀(APV)或背压阀(AVB)的一个或多个致动器，以控制车辆内的空气流量。在不完全依赖内燃机的电动车辆、混合动力车辆、燃料电池车辆以及其它车辆中，涡轮压缩机可能需要在更快的时间内从无流量变为满流量，以满足性能目标和其它必要的运行条件，并且因此，使用电动涡轮压缩机。传统的涡轮压缩机控制装置不足以满足必要的响应和运行位置要求。因此，控制系统实现改进的速率和路径控制，以满足响应和运行位置要求。这减小涡轮压缩机内的从无流量到满流量的响应时间。

其它益处和优点包含能够控制压缩机内的一个或多个运行参数(包含空气流速(“流速”)、速度和/或空气压力比(压力比))，以将压缩机维持于正常运行区域内以及在燃料电池组内维持相对应的压力比。由于燃料电池组以各种压力比和流速运行，因此压缩机必须能够在整个正常运行区域内而不是仅仅在正常运行区域的固定区域内变化和运行。因此，控制系统在调节或控制运行参数时耦合一个或多个运行参数，这确保压缩机即使在运行状态接近喘振边界时也继续在正常运行区域内运行。这确保压缩机在运行状态接近喘振边界时在硬件限制内运行，这对于燃料电池组高效地运行是必要的。

图1示出空气控制系统(“控制系统”)100，其控制进入和离开燃料电池组116的空气的流量。控制系统100控制各种参数，比如速度、空气压力和/或流速，以使得压缩机110在正常运行区域内运行并且具有满足其它运行要求以运行燃料电池组116的响应时间。控制系统100包含：比如电子控制单元(ECU)104的处理器；存储器106；燃料电池组116；一个或多个传感器118以及一个或多个致动器108。控制系统100可以包含一个或多个其它构件，比如用户界面120，导航单元122，电池124，电池管理控制单元(BMCU)126，马达和/或发电机128和/或发动机130。

控制系统100包含一个或多个处理器，比如电子控制单元(ECU)104。电子控制单元104可以被实施为单个电子控制单元或多个电子控制单元。电子控制单元104可以电联接至车辆102的某些或全部构件，比如马达和/或发电机128，一个或多个传感器118和/或一个或多个致动器108。电子控制单元104可以包含一个或多个处理器或控制器，其被专门设计用于控制一个或多个致动器108和/或从所述一个或多个传感器118获取数据，以控制或调节所述一个或多个致动器108以满足各种目标，例如，速度、压力比和/或从压缩机110进入旁通路径和/或燃料电池组116中的流速。电子控制单元104可以联接至存储器106并且执行储存于存储器106中的指令。

存储器106可以联接至电子控制单元104并且储存电子控制单元104所执行的指令。存储器106可以包含随机存取存储器(RAM)或其它易失性或非易失性存储器中的一个或多个。存储器106可以为非暂时性存储器或数据存储装置，比如硬盘驱动器，固态硬盘驱动器，混合式硬盘驱动器或其它适当的数据存储装置，并且可以进一步储存机器可读指令，其可以由电子控制单元104加载和执行。

控制系统100可以包含用户界面120。控制系统100可以在用户界面120上显示一个或多个通知，其指示控制系统100的初始化或者在管理和/或控制一个或多个致动器108以控制进入燃料电池组116中和/或压缩机110内的空气的压力和/或流速时所述控制系统100所进行的调节。控制系统100可以显示流动通过压缩机110和/或流动至燃料电池组116中的空气的实际的或估计的压力和/或流速。

控制系统100可以包含一个或多个传感器118，其测量或确定压缩机110的速度的实时值，旁通阀112和/或背压阀114的位置，和/或燃料电池组116和/或压缩机110内的压力和/或流速。例如，所述一个或多个传感器可以包含一个或多个压力传感器，其测量燃料电池组116中的空气压力和/或压缩机110内的空气压力。在另一个示例中，所述一个或多个传感器118可以包含测量压缩机110的速度的速度传感器和/或测量压缩机110内的和/或进入燃料电池组116中的流速的流量传感器。

控制系统100包含燃料电池组116。燃料电池组116具有燃料电池。燃料电池通过氢气与氧气或另一种氧化剂的电化学反应将化学能从比如氢气的燃料转化成电能。只要供应燃料和氧气，燃料电池就需要连续的燃料和氧气源来维持化学反应以连续地产生电力。控制系统100具有旁通分支或路径(“旁通路径”)206。旁通路径206容许空气绕过燃料电池组116。

控制系统100包含一个或多个致动器108。所述一个或多个致动器108包含压缩机110、旁通阀112和/或背压阀114。所述一个或多个致动器108被定位、移动或以其它方式调节以调节或控制压缩机110和燃料电池组116内的压力比和/或流速。控制系统100可以控制压缩机110的速度和/或旁通阀112和/或背压阀114的位置。电子控制单元104可以例如通过发送信号而使所述一个或多个致动器108调节压缩机110内的压力比和/或流速，以在正常运行区域内运行压缩机110。正常运行区域512为压缩机110在硬件限制内并且在喘振区域502和失速区域504之外运行的运行区域，例如，如图5中所示。喘振边界506划定正常运行区域512与喘振区域502之间的边界。如果压缩机110进入喘振区域502，则可能发生倒流，这可能导致对压缩机110的损坏。

图5示出压缩机110的不同的运行区域。当压缩机110在正常运行区域512的右上方运行时，压缩机110可以以最大速度运行，而当压缩机110在失速区域504附近或失速区域504内的左下方运行时，压缩机110已经失速。

压缩机110可以为电动涡轮压缩机，其可以具有更高的性能目标并且可能需要比用于内燃机的传统的涡轮压缩机更快的响应时间。因此，该电动涡轮压缩机可以沿着路径或区域508在喘振边界506附近运行，如图5中所示，以满足响应和运行性能要求。

传统的压缩机更多地在正常运行区域512内(比如中间)运行，比如在内燃机的压缩机的起始点510附近，而与燃料电池组116结合工作的涡轮压缩机可能需要在喘振边界506附近以及以压力比和流量的各种组合运行。在喘振边界506附近，压缩机110的运行可能是敏感的，亦即，当压缩机110的速度恒定时，压力比的小的变化可能导致流速的显著的变化。

压缩机110通过吸入空气并输出加压空气而对空气加压，并且产生被朝向燃料电池组116和旁通路径206引导的总空气流量。压缩机110以一定的压力向燃料电池组116提供空气流量，以使得压缩机110内的空气具有与流动至燃料电池组116中的空气的压力比相同的压力比。压缩机110可以具有主体(可以穿过其抽吸空气)和叶轮，所述叶轮可以包含一个或多个翼面并且可以位于主体内部。马达可以生成具有扭矩的机械功率来使叶轮旋转以对空气加压。压缩机110将加压空气和/或总空气流量提供至旁通阀112，所述旁通阀112具有可调节的阀位置，其容许一部分空气流量穿过以进入旁通路径206，以及另一部分空气流量流动进入燃料电池组116。

电子控制单元104控制旁通阀112的位置，所述旁通阀112使来自压缩机110的空气分开。旁通阀112将空气流量分开至燃料电池组116中和/或旁通路径206中，这容许压缩机110以超过燃料电池需求的增加的流速以及以特定的压力比提供空气流量。旁通阀112调节流速，所以进入至燃料电池组116中的空气具有正确的流速，同时压缩机110保持在正常运行区域内运行。例如，如果燃料电池组116以1000l/min以及为3的压力比运行，则此种压力比和流速组合将使压缩机110在喘振区域内运行。相反，通过增加压缩机的速度，压缩机110可以以为3的压力比以4000l/min的流速运行，并且旁通阀112可以打开以使流速分裂，以使得1000l/min被引导至燃料电池组116并且3000l/min被朝向旁通路径206引导。因此，压缩机110可以以为3的压力比以4000l/min的流速在正常运行区域内运行。

旁通阀112可以处于打开、部分打开或关闭位置中。当旁通阀112完全打开时，旁通阀112容许空气完全地流动穿过以进入旁通路径，空气在旁通路径中被排出。当旁通阀112部分打开时，一部分空气被引导至燃料电池组116并且另一部分空气流动穿过以进入旁通路径。这减少进入至燃料电池组116中的以及压缩机110内的空气的流速或量。当旁通阀112完全关闭时，所有空气被引导至或流动通过燃料电池组116。

背压阀114可以类似地具有可调节的阀位置，并且可以被打开、部分打开或关闭。电子控制单元104可以控制背压阀114的位置以调节燃料电池组116内的空气的压力。例如，可以通过关闭或打开背压阀114来分别地增加或减小燃料电池组116内的压力。

控制系统100可以包含用户界面120。用户界面120可以为车辆显示器或例如移动电话、平板电脑、个人计算机的个人装置，该用户界面通过网络经由车辆102的网络访问装置(未示出)连接至电子控制单元104。用户界面120可以包含：能够接收用户输入的任何装置，比如用户界面元件、按钮、拨号盘、麦克风、或触摸屏；以及能够输出的任何装置，比如显示器、扬声器、或可刷新的盲文显示器。用户界面120容许车辆102的驾驶员或乘客与电子控制单元104通信。例如，驾驶员可能能够经由用户界面120将数据提供至电子控制单元104和/或从电子控制单元104接收反馈。

控制系统100可以连接至车辆102、改装至车辆102中和/或包含于车辆102中。车辆102为能够运输人、物体或者永久地或临时地固定的设备的运输工具。车辆102可以为自推进式轮式运输工具，比如汽车，运动型多用途车辆，卡车，公共汽车，厢式车或者其它马达或电池驱动的或者燃料电池驱动的车辆。例如，车辆102可以为电动车辆，混合动力车辆，氢燃料电池车辆，插电式混合动力车辆或者具有燃料电池组116、马达和/或发电机128的任何其它类型的车辆。车辆的其它示例包含自行车、火车、飞机或轮船以及能够运输的任何其它形式的运输工具。车辆102可以为半自主的或自主的。即，车辆102可以为自动操纵的并且在无需人工输入的情况下驾驶。自主车辆可以具有以及使用一个或多个传感器118和/或导航单元122来自主驾驶。

车辆102可以包含马达和/或发电机128。马达和/或发电机128可以为电动机和发电机，其将电能转化成比如扭矩的机械功率以及将机械功率转化成电能。马达和/或发电机128可以联接至电池124。马达和/或发电机128可以将来自电池124的能量转化成机械功率，并且可以例如经由再生制动将能量提供返回至电池124。在某些实施方式中，车辆102可以包含一个或多个另外的动力产生装置，比如发动机130或燃料电池组116。代替马达和/或发电机128所供应的功率和/或除马达和/或发电机128所供应的功率之外，发动机130使燃料燃烧以提供功率。

电池124可以联接至马达和/或发电机128，并且可以向马达和/或发电机128提供电能以及从马达和/或发电机128接收电能。电池124可以包含一个或多个可再充电电池。

电池管理和控制单元(BMCU)126可以联接至电池124，并且控制和管理电池124的充电和放电。例如，电池管理和控制单元126可以使用电池传感器(未示出)测量用来确定电池124的充电状态(SOC)的参数。

车辆102可以包含导航单元122，所述导航单元获取导航地图信息和/或车辆信息以自主地驾驶车辆102和/或通过用户界面120向用户显示路线。导航地图信息可以包含地图，其标示道路、地形以及用户感兴趣的其它位置而用于导航车辆102。导航地图信息可以包含路线信息，其包含起始点、目的地点以及车辆102的从起始点至目的地点的行驶路径。车辆信息可以包含车辆102的当前位置、车辆102的当前行驶方向和/或车辆102的当前速度。

图2为示出图1的控制系统的多个构件的方框图。图2示出图1的控制系统的另外的细节。特别地，控制系统100可以包含进气口202，压缩机110，中间冷却器204，燃料电池入口阀208，燃料电池组116，背压阀114以及沿着旁通路径206定位的旁通阀112。

控制系统可以包含进气口202。进气口202可以从周围环境(比如图1的车辆102的外部)接收空气。压缩机110可以从进气口202接收空气并且对空气加压。压缩机110可以将加压空气提供至中间冷却器204。在某些实施方式中，进气口202可以包含用于从所接收的空气过滤碎屑的过滤器。控制系统100可以包含中间冷却器204。中间冷却器204可以接收来自压缩机110的空气并且可以接收热交换介质，比如冷却剂。中间冷却器204可以改变流动通过控制系统100的空气的温度。

旁通阀112可以将来自中间冷却器204的空气分裂至燃料电池组116和旁通路径206中。旁通阀112可以具有可调节的阀位置，其如上所述控制流动至燃料电池组116中的和/或通过旁通路径206的空气的量。通过打开或部分打开旁通阀112，控制系统100容许燃料电池组116以这样的压力比运行：该压力比通常会致使压缩机110在喘振区域内运行，但是由于旁通阀112容许一部分空气流量通过旁通路径206转移并且被排出，所以压缩机110以较高的流速并且在正常运行区域内运行。流动至燃料电池组116中的空气可以穿过燃料电池入口阀208。燃料电池入口阀208可以控制进入至燃料电池组116中的空气流量。

控制系统100包含背压阀114。背压阀114可以具有可调节的阀位置，可以控制所述阀位置以调节燃料电池组116内的空气的压力。例如，可以通过关闭背压阀114来增加燃料电池组116内的压力，并且可以通过打开背压阀114来减小燃料电池组116内的压力。电子控制单元104可以控制包含压缩机110、旁通阀112和/或背压阀114的所述一个或多个致动器108。

图3为用于控制所述一个或多个致动器108的过程300的流程图。控制系统100使用一个或多个致动器108来调节压缩机110内的以及进入燃料电池组116中的压力比和/或流速。一台或多台计算机或者一个或多个数据处理设备(例如，一个或多个处理器，比如电子控制单元104)可以实施过程300。

控制系统100确定、测量或获取压缩机110内的当前速度、当前流速以及当前压力(附图标记302所指示)。控制系统100将当前流速和当前压力与压缩机110和/或燃料电池组116内的流速和压力比的当前状态的起始值相关联。速度、压力比和流速高度地耦合，并且如果没有实时地响应于其它因素中的每一个动态地调节速度、压力比和空气流速，则可能发生过冲或下冲。

控制系统100可以使用压力传感器来测量、检测或以其它方式获取压缩机110内的空气的当前压力。控制系统100可以基于当前压力确定或计算当前压力比。控制系统100可以使用流量传感器来测量、检测或以其它方式获取流速，并且可以使用速度传感器来测量、检测或以其它方式获取压缩机110的马达的当前速度。压缩机110的马达的速度可以为压缩机110的叶轮的旋转速度。

控制系统100确定目标流速和目标压力比(附图标记304所指示)。目标流速和目标压力比对应于压缩机110和燃料电池组116内的流速和压力比的最终状态的最终值。最终值可以基于燃料电池组116的功率要求，所述功率要求可以对应于驾驶员输入(比如加速踏板被踩下)或者对应于自动或半自动车辆中的电子控制单元104的控制。

控制系统100可以获取敏感度映射和/或数据库(“敏感度映射”)，其示出流速和/或压力比的各种组合以及与流速和/或压力比组合或对的区域相关联的敏感度(附图标记306所指示)。敏感度映射可以由控制系统100预先确定或建模，或者可以从远程设备接收并且储存于存储器106中。

控制系统100确定敏感区域、非敏感区域以及敏感边界线(附图标记308所指示)。控制系统100确定各种流速和/或压力比组合或对的敏感度。可以将用于各种流速和/或压力比的敏感度储存于敏感度映射中。控制系统100可以实时地确定敏感度或者预先确定敏感度并将敏感度储存于敏感度映射中。敏感度指的是当空气压缩机速度恒定时，在一个或多个时间步长内，流速相对于压力比的改变量的变化量。时间步长指的是由处理器(比如电子控制单元104)所执行的计算或测量之间的时间量度。例如，时间步长可以为大约16ms。敏感度映射储存各种流速和/或压力比下的敏感度。控制系统100使用敏感度映射来确定特定的流速和/或压力比下的敏感度以及围绕特定的流速和/或压力比的不同的敏感度。敏感度映射还可以指示从一个流速和/或压力比到另一个流速和/或压力比的敏感度变化。敏感度映射使不同的区域(例如，流速和压力比的不同的组合)与不同的敏感度相关联。

流速和压力比组合或对的位置的敏感度的量受流速和压力比对的位置至喘振线边界的距离影响。随着流速和压力比对的位置更靠近于喘振线边界，敏感度的量增加。即，压力比的较小的变化导致流速的较大的变化。因此，敏感区域对压力比的变化的容忍度比具有更高的容忍度的非敏感区域低。在相对于另一个状态改变一个状态期间，这种敏感度有效地量化容许误差量。

较靠近于喘振线边界的区域在越过喘振线边界进入喘振区域中之前具有较小的误差容忍度，并且在恒定速度下对压力比的变化更敏感，因此，控制系统100需要更小心并且对压力比进行较小的改变，以防止压缩机110内的压力比和流速对超过喘振线边界进入至喘振区域中。类似地，离喘振线边界更远的区域具有较大的误差容忍度，因此，控制系统100可以对压力比和/或流速进行较大的改变而无需担心超过喘振线边界。

非敏感区域为具有不同的流速和压力比组合的区域，其中流速的变化和/或压力比的变化分别不会引起另一个因素的显著的变化。可以被认为是显著的或不显著的变化的量可以由非敏感区域与敏感区域之间的敏感边界线表示。敏感边界线表示这样的压力比和流速的组合：该压力比和流速与两个区域接界并且对应于被预先构造的或以其它方式确定的阈值变化。敏感区域为具有不同的流速和压力比组合的区域，其中流速的变化和/或压力比的变化的确会分别地引起另一个因素的显著的变化。敏感区域更靠近于喘振线边界。

控制系统100确定将压力和流速转变为目标压力和目标流速的路径以及速率(附图标记310所指示)。控制系统100可以基于压力和流速、目标压力和目标流速、不同的敏感度区域、敏感边界线以及路径映射来确定从压力和流速至目标压力和目标流速的转变的路径和速率。控制系统100利用路径控制和/或速率控制来确定最佳路径和/或最佳速率，以转变压缩机110和燃料电池组116内的压力比和流速。路径控制标示从流速和压力比至目标流速和目标压力比的理想的二维(2-D)空间瞬变路径。速率控制标示单个时间步长的理想的容许步长(亦即，流速的变化以及压力比的变化)，以满足瞬变响应时间目标，同时维持压缩机110在正常运行区域内运行的可控性。路径控制确保空气流量和压力比状态在瞬变期间相对于彼此保持耦合，并且速率控制确保这些状态在瞬变期间相对于时间保持耦合。图4进一步描述路径控制和速率控制以确定最优路径和最优速率。路径控制、速率控制以及敏感度(亦即压缩机(ACP)敏感度)为控制压力和流速的转变的关键要素，并且可以为映射、校准常数、动态计算或用来控制和/或指示控制系统100转变压力和流速的方式的其它方式。通过确定在不同状态之间转变的最佳路径和最佳速率，控制系统100提高压缩机110从无流量到满流量的响应时间。这容许压缩机110超过当前响应时间并满足性能目标和必要的运行条件。

一旦确定路径和速率，控制系统100就基于所述路径和速率控制、移动、定位或以其它方式调节一个或多个致动器108以控制流速、压缩机110的速度和/或压力比(附图标记312所指示)。在每个时间步长下，基于所期望的路径和速率计算新的“中间”目标压力比和流量。然后，控制器运作以使系统前进至这些“中间状态”中的每一个，最终达到空气流量和压力比的最终的所期望的状态组合。控制系统100控制一个或多个致动器108以调节、管理或以其它方式控制流速、压缩机110的速度和/或压力比。

例如，控制系统100可以增加或降低压缩机110的速度。增加的量或降低的量可以基于流速的所需的变化量。通过增加压缩机110的速度，控制系统100增加进入燃料电池组116和/或旁通路径206并且在其间被分裂的空气的流速和量。通过降低压缩机110的速度，控制系统100减少进入燃料电池组116和/或旁通路径206并且在其间被分裂的空气的流速和量。

在另一个示例中，控制系统100可以移动、调节、定位或以其它方式控制旁通阀112的位置，所述旁通阀在燃料电池组116与旁通路径206之间使空气流量分裂。旁通阀112具有可调节的阀位置，其可以为打开的、关闭的或部分打开的。控制系统100可以基于流速的所需的变化量调节阀位置。打开旁通阀可以减小总背压，并且实际上在相同的压缩机速度下导致压缩机流量的净增加。为了达到某一流量分裂目标，通常需要一起操纵旁通阀、背压阀以及速度。通过打开或进一步打开旁通阀112，流动至旁通路径206中的空气的流速和/或量增加，并且流动至燃料电池组116中的空气的流速和/或量减少。通过关闭或进一步关闭旁通阀112，流动至旁通路径206中的空气的流速和/或量减少，并且流动至燃料电池组116中的空气的流速和/或量增加。这容许压缩机110在旁通阀112打开时以更高的速度运行。

在另一个示例中，控制系统100可以移动、调节、定位或以其它方式控制背压阀114的位置。背压阀114产生返回至压缩机110的压力和/或调节燃料电池组116内的空气的压力。背压阀114具有可调节的阀位置，其可以为打开的、关闭的或部分打开的。控制系统100可以基于压力比的所需的变化量调节阀位置。当控制系统100打开或进一步打开背压阀114时，燃料电池组116内的和/或返回至压缩机110的压力比减小，并且当控制系统100关闭或进一步关闭背压阀114时，燃料电池组116内的和/或返回至压缩机110的压力比增加。

图4为用于确定将压力和流速转变为目标压力和目标流速的路径和速率的过程400的流程图。控制系统100使用前一个流速、前一个压力比、目标压力比、目标流速以及不同区域(比如非敏感区域和敏感区域)的路径映射来调节压缩机110的速度、燃料电池组116和压缩机110内的压力比和/或流速。控制系统100使用一个或多个致动器108来控制这些参数。一台或多台计算机或者一个或多个数据处理设备(例如，所述一个或多个处理器，比如电子控制单元104)可以实施过程400。

控制系统100获取或确定前一个压力比PR_n-1、前一个流速ACP_{AFR_n-1}、目标压力比PR_tgt、目标流速ACP_{AFR_tgt}、不同的敏感度区域以及敏感边界线，如上所述(附图标记402所指示)。所述前一个压力比和/或前一个流速指的是前一个时间步长值的压力比和/或流速。在第一时间步长中，先前的值可以为当前值或测量结果。为了确定2-D路径控制，控制系统100确定前一个压力比和前一个流速对与目标流速和目标压力比对之间的收敛斜率(附图标记404所指示)。收敛斜率为从前一个压力比和流速对至目标压力比和流速对的未经优化的最直接的线性路径的斜率。斜率表示针对每单位流速的压力比的变化量，并且为压力比随流速的变化的变化。即，

控制系统100确定所述路径的沿中间压力比和中间流速的方向的方向(附图标记406所指示)。中间压力比和中间流速对为沿着敏感边界线的点，最佳斜率在该点处相交。控制系统100使用所述方向来确定沿着敏感边界线的点的中间压力比和中间流速，其中朝向沿着所述敏感边界线的点调节前一个压力比和前一个流速。控制系统100基于前一个压力比和前一个流速对以及目标压力比和目标流速对确定路径的相对方向。控制系统100确定相对方向，该相对方向被朝向目标压力比和目标流速对引导，同时朝向敏感边界线并离开敏感区域(比如沿中间压力比和中间流速的方向)转变，以降低敏感度。

例如，如果压力比和流速都需要增加，则所述方向可以为第一方向702，如图7中所示。在另一个示例中，如果压力比和流速都需要减小，则所述方向可以为第二方向704。在其它示例中，如果压力比需要增加并且流速需要减小，则所述方向可以为第三方向706，并且如果压力比需要减小并且流速需要增加，则所述方向可以为第四方向708。这还容许控制系统100在沿远离喘振边界的方向运动时在时间步长期间进行更大的压力比和流速变化，以及使总响应时间最小化。

控制系统100基于所述方向选择、确定或获取例如如图6中所示的路径映射(附图标记408所指示)。存储器106可以包含多个路径映射，并且基于所述路径需要行进的方向而选择路径映射。每个方向可以对应于不同的路径映射。路径映射可以储存于存储器106中，或者以其它方式实时地计算。路径映射显示从前一个流速和前一个压力比至敏感边界线同时接近目标流速和目标压力比的行进方向。在沿一定方向行进时，路径映射将各种压力比和流速对的敏感度考虑在内。路径映射可以将其它因素考虑在内，比如压缩机110和/或燃料电池组116的运行的效率、压缩机110和/或燃料电池组116的运行路径的安全性，和/或所述一个或多个致动器108的其它容忍因子。控制系统100使用路径映射来确定压力比和流速的二维路径控制。

控制系统100确定最佳斜率(附图标记410所指示)。最佳斜率可以基于路径映射和/或其它额外因素。最佳斜率为最直接的路径的斜率，所述最直接的路径使总响应时间最小化并且优化前一个压力比和流速对至另一个压力比和流速对(比如中间压力比和中间流速对)的转变。最佳斜率遵循至中间压力比和中间流速的路径的方向。最佳斜率表示压力比每单位流速的变化量，并且为压力比随前一个压力比、前一个流速与中间压力比和中间流速之间的流速的变化的变化。即，或MAP(ACP_{AFR_n-1},PR_n-1)。该斜率为对目标流速的、针对压力比的给定的目标变化的容许的变化的最佳计算，反之亦然，以确保系统按照期望响应。

控制系统100确定前一个压力比与目标压力比之间的差以及前一个流速与目标流速之间的差(附图标记412所指示)。控制系统100计算所述差以确定是否要使用收敛斜率、最佳斜率或两者的组合来计算中间压力比和中间流速以在下一时间步长中转变。

控制系统100确定前一个压力比与目标压力比或前一个流速与目标流速之间的差是否小于第一和/或第二阈限量(附图标记414所指示)。如果前一个压力比与目标压力比之间的差小于第一阈值压力比或者前一个流速与目标流速之间的差小于第一阈值流速，但是分别大于或等于第二阈值压力比或第二阈值流速，则控制系统100可以混合最佳斜率和收敛斜率并且形成混合的最佳斜率以用作路径(附图标记416所指示)。第一阈值压力比或第一阈值流速可以分别为远离目标压力比或目标流速大约5个时间步长的压力比或流速。第二阈值压力比或第二阈值流速可以分别为远离目标压力比或目标流速大约2个时间步长的压力比或流速。当控制系统100混合最佳斜率和收敛斜率时，控制系统100可以按如下方式确定混合的最佳斜率：斜率_tgt＝斜率_收敛×比率_收敛+斜率_优化的×比率_优化的，其中比率_优化的＝距目标的时间步长/阈值的距目标的时间步长并且比率_收敛＝1-比率_优化的。控制系统100可以使用混合的最佳斜率作为路径。

如果前一个压力比与目标压力比之间的差或前一个流速与目标流速之间的差分别地小于或等于第二阈值压力比或第二阈值流速，则控制系统100使用收敛斜率作为剩余的时间步长的路径，直至压力比和流速等于目标压力比和目标流速(附图标记418所指示)。例如，控制系统100可能需要使用收敛斜率作为最后2个时间步长的路径。否则，如果前一个压力比与目标压力比之间的差大于阈值压力比或者前一个流速与目标流速之间的差大于阈值流速，则控制系统100继续使用最佳斜率作为下一个时间步长的路径(附图标记420所指示)。

一旦确定路径控制，控制系统100就确定压力比和流速的速率控制，亦即，压力比和流速的变化速率。用于流速和压力比的速率控制的容许步长被限定为敏感度和转变方向的函数。图7示出可以用于基于敏感度解决速率控制(例如，容许步长)的曲线图。随着压力比和流速沿方向702、708转变，所述容许步长增加。然而，当压力比和流速沿方向704、706转变时，所述容许步长减小。图8示出使用图1的控制系统100对速率控制(例如，所述容许步长)的计算，并且其将在下面描述。

为了确定速率控制，控制系统100在给定从无流量到满流量的理想的响应时间的情况下基于响应时间映射确定最大流速和最大压力比(附图标记422所指示)。理想的响应时间可以使用响应时间映射而映射至相对应的最大流速和/或最大压力比。然而，由于改变压力比和/或流速的敏感度，控制系统100基于路径限制速率(附图标记424所指示)。速率指的是时间步长的速率，或者压力比和流速针对时间步长的变化。例如，速率控制可以基于压力比和流速对的沿着路径的位置的敏感度。当压力比和流速对的路径处于不太敏感的区域中时，控制系统100可以对压力比和流速对施加较大的变化速率。当压力比和流速对的路径处于更敏感的区域中时，控制系统100可以对压力比和流速对施加较小的变化速率。

控制系统100确定压力比的最大的变化(其可以基于敏感度沿着路径进行)的第一步长，以及流速的最大的变化(其可以基于敏感度沿着路径进行)的第二步长。压力比的最大的变化与流速的相对应的变化相关联，并且流速的最大的变化与压力比的相对应的变化相关联。控制系统100选择与压力比的最大的变化以及流速的相对应的变化相关联的第一步长或者与流速的最大的变化以及压力比的相对应的变化相关联的第二步长二者中的较小的容许步长作为速率。该计算首先使用路径控制来指定状态之间的关系。然后，使用速率控制(相对于时间)指定一个状态，从而相对于时间并且相对于彼此固定所述状态。

控制系统100基于如上所述的速率和路径控制或调节如上所述的一个或多个致动器108(附图标记426所指示)。控制系统100使压力比和流速沿着路径以一定的速率前进单个时间步长，然后重新计算下一时间步长的路径控制和速率控制，直至压力比和流速对达到目标压力比和目标流速对。可以通过其它因素(比如其它约束或容差)进一步限制或调整对所述一个或多个致动器108的控制或调节。例如，来自压缩机110的流速必须大于或等于进入燃料电池组116中的流速。

在整个说明书和权利要求书中使用的情况下，“A或B中的至少一个”包含仅仅“A”，仅仅“B”或“A和B”。已经以示例说明性方式公开方法/系统的示例性实施例。因此，应当以非限制性方式阅读所采用的术语。尽管本领域的技术人员将想到对本文中的教导的较小的修改，但是应当理解的是，旨在限定于在此担保的专利范围内的实施例为合理地落入由此对技术的改进的范围内的所有这样的实施例，并且所述范围不应当受到限制，除非从所附权利要求以及它们的等同形式的观点来看。