AT525900B1

AT525900B1 - Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb und Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb

Info

Publication number: AT525900B1
Application number: ATA50415/2022A
Authority: AT
Inventors: Krause Dipl -Ing Bernd; Bischof Dipl -Ing David; Buchner Dipl -Ing Michael
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2023-09-15
Also published as: AT525900A4

Abstract

Es wird ein Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb vorgeschlagen, welches einen fahrzeugexternen Gasbehälter (24), eine Zuführleitung (18), die vom Gasbehälter (24) zur Brennstoffzelleneinheit (12) führt, eine fahrzeugexterne, in einer bezüglich des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur kontrollierten Kammer (50) an einem definierten Ort installierte und kalibrierte gravimetrische Messeinheit (52), eine fahrzeugexterne Durchflussmesseinheit (26), die in der Zuführleitung (18) angeordnet ist, und eine fahrzeugexterne Druck- und Temperaturmesseinheit (40), über die ein Druck und eine Temperatur im Gasbehälter (24) messbar ist, aufweist. Ein solches Verbrauchsmesssystem arbeitet hochgenau und es können Fehler ausgeschlossen werden, indem die drei aus den drei verschiedenen Messverfahren gewonnenen Verbrauchsmassen miteinander verglichen werden.

Description

Beschreibung

VERBRAUCHSMESSSYSTEM FÜR FAHRZEUGE MIT EINER BRENNSTOFFZELLENEINHEIT ODER EINEM MIT ERDGAS BETRIEBENEN ANTRIEB UND VERFAHREN ZUR VERBRAUCHSMESSUNG AN FAHRZEUGEN MIT EINER BRENNSTOFFZELLENEINHEIT ODER EINEM MIT ERDGAS BETRIEBENEN ANTRIEB

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb sowie ein Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb, für das ein derartiges Verbrauchsmesssystem genutzt werden kann.

[0002] Solche Gasverbrauchsmesssysteme dienen insbesondere zur Messung des Wasserstoffverbrauchs an elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit Brennstoffzelleneinheiten oder des Erdgasverbrauchs an Fahrzeugen, welche als Kraftstoff Erdgas verwenden, können aber auch für wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren genutzt werden. Diese Fahrzeuge weisen einen Wasserstoff- oder Erdgastank auf, über den die Brennstoffzelle während der Fahrt mit dem Gas versorgt wird. Eine genaue Messung des Verbrauchs kann jedoch während der Fahrt nicht garantiert werden, da neben Temperatur- und Druckschwankungen auch Vibrationen auftreten, die zu einer Verfälschung der Messergebnisse verschiedener Sensoren führen können. Des Weiteren ändert sich in diesen Systemen häufig auch die Dichte des Gases, was die Messungen ebenfalls erschwert.

[0003] Es ist jedoch erforderlich, die Brennstoffzelleneinheiten auf ihren genauen Gasverbrauch testen zu können. Insbesondere bei Brennstoffzellenfahrzeugen ist es im Rahmen der Typprüfung gesetzlich vorgeschrieben, den Wasserstoffverbrauch zu bestimmen. Hierzu sind verschiedene Testverfahren zugelassen. Neben der gravimetrischen ist auch eine durchflussbasierte Messmethode oder eine Druck- und Temperaturmessung zur Verbrauchsbestimmung zugelassen. Es ist jedoch schwierig sicherzustellen, dass die so durchgeführten Messungen eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Des Weiteren können Messfehler durch geänderte Umgebungsbedingungen, wie der Dichte, dem Druck, der Temperatur oder durch auftretende Schwingungen nicht vollständig vermieden werden.

[0004] Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verbrauchsmesssystem sowie ein Verfahren zur Verbrauchsmessung bereit zu stellen, mit denen hochgenau der Verbrauch bestimmt werden kann und Fehler der Messeinheiten detektiert und gegebenenfalls in der Berechnung eliminiert werden können. Fehlmessungen durch fahrzeuginterne Anderungen der Umgebungsbedingungen sollen vermieden werden.

[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelleneinheit mit einem derartigen Verbrauchsmesssystem nach Anspruch 9 gelöst.

[0006] Das erfindungsgemäße Verbrauchsmesssystem weist einen fahrzeugexternen Gasbehälter auf, in dem das zuzuführende Gas, insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff oder ein Gasgemisch, wie Erdgas zur Messung bevorratet ist. Dieser Gasbehälter ist mit einer Zuführleitung verbindbar, die vom Gasbehälter zur Brennstoffzelleneinheit oder zum mit Erdgas betriebenen Antrieb führt, die insbesondere im Fahrzeug angeordnet sind. Des Weiteren weist das Verbrauchsmesssystem eine fahrzeugexterne, in einer bezüglich des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur kontrollierten Kammer an einem definierten Ort installierte und kalibrierte gravimetrische Messeinheit, insbesondere in Form einer Waage, auf, die an ihrem Aufstellungsort kalibriert ist. Durch die Anordnung dieser Massenmesseinheit in der umgebungsdruckgeregelten Kammer und der Kalibrierung vor Ort, wird eine Messmethode zur Verfügung gestellt, welche hochgenau und fehlerfrei den Gesamtverbrauch während eines Probelaufs messen kann. Zusätzlich wird in der Zuführleitung fahrzeugextern eine Durchflussmesseinheit angeordnet, welche beispielsweise ein oder mehrere Coriolisdurchflussmesser aufweisen kann. Diese Durchfluss-

messeinheit misst sehr genau vor allem bei hohen Durchflüssen kontinuierlich die vorhandenen Durchflüsse, die in eine Gesamtverbrauchsmasse umgerechnet werden können. Es können hochdynamisch die Verbrauchsverläufe bestimmt werden. Entsprechend können auch Aussagen zu den Verbrauchsverläufen getroffen werden, wobei die Genauigkeit der Messungen bezüglich der verbrauchten Gesamtmasse etwas geringer ist als die der gravimetrischen Messmethode. Des Weiteren weist das Verbrauchsmesssystem eine fahrzeugexterne Druck- und Temperaturmesseinheit auf, über die ein Druck und eine Temperatur im Gasbehälter messbar ist. Selbstverständlich kann es sich dabei auch um getrennte Temperatur- und Drucksensoren handeln. Uber den Druck und die Temperatur kann, wenn das Gas, und damit dessen Dichte, bei verschiedenen Drücken und Temperaturen bekannt ist, ebenfalls eine Verbrauchsmasse berechnet werden, und zwar sowohl eine Gesamtverbrauchsmasse als auch ein Verbrauchsverlauf, der vor allem bei geringen Verbräuchen sehr exakt ist. Durch die Kombination dieser verschiedenen Messverfahren können sowohl deren Messwerte validiert werden als auch die Messwerte der weniger genauen Messmethoden über die gravimetrische Messmethode zuverlässig korrigiert werden. So können sowohl Fehler an einzelnen Messgeräten durch Plausibilisierung erkannt und im Gesamtergebnis ausgeschlossen werden als auch die übrigen Messungen einschließlich der Messverläufe verbessert werden. Messfehler durch auftretende Schwingungen und Vibrationen des Fahrzeugs sowie veränderte Umgebungsbedingungen bezüglich dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur sowie Fehler durch äußere Einflüsse auf die Massenmesseinheit werden vermieden.

[0007] Entsprechend wird die vorliegende Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb gelöst, bei dem zunächst eine Brennstoffzelleneinheit oder ein mit Erdgas betriebener Antrieb, eine Zuführleitung und ein Gasbehälter mit einem Gas befüllt werden. So werden ein entsprechender Vordruck und Betriebsdruck im System hergestellt. Anschließend wird der befüllte Gasbehälter auf einer gravimetrischen Messeinheit gewogen, um eine Anfangsmasse für den Prüflauf hochgenau festzulegen. Zusätzlich werden zumindest zu Beginn der Messung beziehungsweise unmittelbar vor dem Starten der Messung eine Temperatur und ein Druck im Gasbehälter mittels einer Druck- und Temperaturmesseinheit gemessen und gespeichert. Nun wird der eigentliche Prüflauf gestartet, während dessen die Messwerte einer Durchflussmesseinheit aufgenommen werden, über die kontinuierlich ein Durchfluss und damit ein Massenstrom gemessen werden. Sind alle Messungen vorgenommen beziehungsweise der festgelegte Ablauf vollendet, wird der Prüflauf gestoppt und die Aufnahme der Messdaten unterbrochen. Es wird erneut die Temperatur und der Druck im Gasbehälter mittels der Druck- und Temperaturmesseinheit gemessen und gespeichert und der Gasbehälter wird auf der gravimetrischen Messeinheit gewogen. Die Massenmessung kann dabei ebenso wie die Druck- und Temperaturmessung selbstverständlich auch kontinuierlich während des Prüflaufs fortgesetzt werden. Es können aber auch lediglich die zwei Messungen unmittelbar vor dem Beginn und nach dem Ende des Prüflaufs durchgeführt werden. Insbesondere die Massenmessungen werden vorzugsweise bei abgekoppeltem Gasbehälter in einem druck- und temperaturkonditionierten Raum durchgeführt. Im Folgenden wird eine erste Verbrauchsmasse durch Differenzbildung der ersten Messung der gravimetrischen Messeinheit und der zweiten Messung der gravimetrischen Messeinheit berechnet. So wird hochgenau eine Gesamtverbrauchsmasse während des Prüflaufs bestimmt. Eine zweite Verbrauchsmasse wird durch Differenzbildung einer berechneten Masse aus der ersten Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit zu Beginn des Prüflaufs und der zweiten Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit zum Abschluss des Prüflaufs berechnet. Die Berechnung der beiden Massen erfolgt mittels der idealen Gasgleichung, wobei bei Reingasen die Dichte bekannt ist und bei Mischgasen entsprechend bestimmt werden muss. Eine dritte Verbrauchsmasse wird durch Integration der Messwerte der Durchflussmesseinheit berechnet. Diese Messdaten können zur Korrektur, Verbesserung der Genauigkeit und Fehlererkennung genutzt werden. Auch ist eine Kalibrierung des Durchflusssensors möglich. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass immer ausreichend korrekte Messwerte zur korrekten Auswertung des Prüflaufs vorliegen, auch wenn eine der Messeinheiten nicht korrekt oder aufgrund äußerer Einflüsse ungenau arbeitet. Entsprechend können Wiederholungen von Prüfläufen auf ein Minimum reduziert werden. Die Messwerte

können entsprechend zur Plausibilisierung, Korrektur oder Kalibrierung genutzt werden. Des Weiteren ist neben der Bestimmung der Gesamtverbrauchsmasse auch eine Bestimmung des Verbrauchsverlaufs mit hoher Genauigkeit ableitbar.

[0008] In einer bevorzugten Ausführung des Verbrauchsmesssystems ist zwischen der Zuführleitung und dem Gasbehälter ein 3/2-Wege-Ventil angeordnet, dessen erster Anschluss mit einer Gasquelle verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Gasbehälter verbunden ist und dessen dritter Anschluss mit der Zuführleitung verbunden ist. Entsprechend kann über das Ventil zunächst die gesamte Anlage mit Gas befüllt werden und in der zweiten Stellung die Verbindung zur Gasquelle unterbrochen werden und die Brennstoffzelleneinheit oder der mit Erdgas betriebene Antrieb im Folgenden mit dem Gas aus dem Gasbehälter während des Prüflaufs versorgt werden. Dies vereinfacht den Aufbau der Anlage und ermöglicht ein Befüllen und Versorgen der Anlage während des Prüflaufs, ohne zusätzliches An- und Abkoppeln der einzelnen Teile des Systems.

[0009] Vorzugsweise weist das Verbrauchsmesssystem eine Dichtemesseinheit auf, über welche eine Dichte des Gases im Gasbehälter messbar ist. Dies ermöglicht die Berechnung der verbrauchten Gasmenge von Gasen, deren Dichte nicht bekannt ist, insbesondere bei der Verwendung von Mischgasen, wie Erdgas, mithilfe der zusätzlichen Messungen der Druck- und Temperaturmesseinheit.

[0010] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Gasbehälter über zumindest eine gasdichte Kupplung mit der Zuführleitung und der Gasquelle verbindbar ist. So kann der Gasbehälter nach der Füllung aus dem Verbrauchsmesssystem entfernt und auf eine externe gravimetrische Messeinheit verbracht werden, um dort unter definierten Umgebungsbedingungen bezüglich des Drucks und der Temperatur und an einem definierten Ort, an dem die Massenmesseinheit kalibriert wurde, die vorhandene Masse exakt zu bestimmen. Ein Gasverlust aus dem System oder dem Gasbehälter wird durch die Gasdichtigkeit der Kupplungen sichergestellt, so dass die ermittelten Verbräuche weiterhin ein hohe Genauigkeit aufweisen. Es können sowohl zwei Kupplungen vorgesehen werden, wovon eine der Gasquelle zugeordnet ist und eine der Zuführleitung zugeordnet ist oder die Verbindung des Gasbehälters erfolgt wahlweise zur Gasquelle oder zur Zuführleitung über eine einzelne Kupplung.

[0011] Vorzugsweise ist in der Zuführleitung zwischen dem Gasbehälter und der Durchflussmesseinheit ein erster Ausgangsdruckregler angeordnet. Uber diesen Ausgangsdruckregler kann der notwendige Versorgungsdruck der Durchflussmesseinheit korrekt eingestellt werden.

[0012] Des Weiteren ist vorzugsweise zwischen der Durchflussmesseinheit und der Brennstoffzelleneinheit oder dem mit Erdgas betriebenen Antrieb ein zweiter Ausgangsdruckregler in der Zuführleitung angeordnet, der dazu dient, den Vordruck für die Brennstoffzelleneinheit oder den mit Erdgas betriebenen Antrieb einzustellen, so dass diese von Beginn des Prüflaufs an korrekt arbeitet, und zwar unabhängig vom Druckverlust, der an der Durchflussmesseinheit auftritt. Selbstverständlich kann über entsprechende Anzeigeeinheiten der Vordruck und der Versorgungsdruck auch vom Nutzer kontrolliert werden.

[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem zweiten Ausgangsdruckregler und der Brennstoffzelleneinheit oder dem mit Erdgas betriebenen Antrieb in der Zuführleitung ein Ausgangsdrucksensor angeordnet. Uber diesen Ausgangsdrucksensor kann der Regeldruck des zweiten Ausgangsdruckreglers kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden, um einen präzisen Vordruck an der Brennstoffzelleneinheit oder dem mit Erdgas betriebenen Antrieb einzustellen.

[0014] Vorteilhaft ist es, wenn die Durchflussmesseinheit ein oder mehrere Coriolisdurchflussmesser aufweist. Diese messen direkt den Massendurchfluss bei sehr hoher Genauigkeit.

[0015] In einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Temperatur und der Druck mittels der Druck- und Temperaturmesseinheit während des Prüflaufs kontinuierlich gemessen, aus den Daten ein Massenstromverlauf berechnet, und mit dem Massenstromverlauf der Durchflussmesseinheit verglichen. Durch diesen Vergleich kann auf Fehler oder Abweichun-

gen aufgrund von Trägheit der Messungen geschlossen werden und so die Ergebnisse korrigiert werden.

[0016] Der Vergleich der drei berechneten Verbrauchsmassen kann vorteilhaft auch genutzt werden, um bei einer Abweichung der ermittelten zweiten Verbrauchsmasse von der ersten Verbrauchsmasse und der dritten Verbrauchsmasse auf einen Fehler der Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit zu schließen und bei einer Abweichung der ermittelten dritten Verbrauchsmasse von der ersten Verbrauchsmasse und der zweiten Verbrauchsmasse auf einen Fehler bei der Durchflussmessung zu schließen. Entsprechend reicht auch bei Messfehlern einer der Messeinheiten ein Prüflauf, um zuverlässige Messwerte für die Verbrauchsmassen zu ermitteln.

[0017] Des Weiteren kann zur Erhöhung der Genauigkeit bei einer Abweichung der drei ermittelten Verbrauchsmassen voneinander, die innerhalb der Genauigkeit der gravimetrischen Messeinheit, der Durchflussmesseinheit und der Druck- und Temperaturmesseinheit liegt, ein Mittelwert aus den drei ermittelten Verbrauchsmassen gebildet werden. Hier können auch die jeweiligen Messwerte um die jeweilige erlaubte Toleranzabweichung der jeweiligen Messeinheit zuvor korrigiert werden, um Abweichungen zwischen den Messverfahren zu glätten.

[0018] Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich, vorab die ermittelten Verbrauchsmassen der gravimetrischen Messeinheit und der Druck- und Temperaturmesseinheit zur Kalibrierung der Durchflussmesseinheit zu nutzen. Hierzu kann auch eine Brennstoffzelleneinheit verwendet werden, die nicht im Fahrzeug verbaut ist, so dass die Einflüsse durch das Fahrzeug entfallen.

[0019] Vorzugsweise wird zur Messung der Masse im Gasbehälter mittels der gravimetrischen Messeinheit, der Gasbehälter über die Kupplungen vor dem Prüflauf abgekoppelt und gewogen, daraufhin wieder angekoppelt und nach dem Prüflauf wieder abgekoppelt und erneut gewogen. So kann der Gasbehälter in einen druck- und temperaturgeregelten Raum gebracht werden, wodurch die Genauigkeit der Messungen verbessert wird.

[0020] Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch während des Prüflaufs die Masse des Gasbehälters kontinuierlich gemessen werden, indem der Gasbehälter auf der gravimetrischen Messeinheit verbleibt. Auf diese Weise kann auch ein Verbrauchsverlauf aufgezeichnet werden, allerdings besteht bei der reinen online-Messung das Problem, dass die gravimetrische Messeinheit durch auftretende Vibrationen oder Druckunterschiede nicht mehr so hochgenaue Messwerte liefert.

[0021] Die Messwerte der Dichtemesseinheit werden bevorzugt zur Berechnung der Verbrauchsmasse mit den Werten der Druck- und Temperaturmesseinheit verwendet, so dass auch für Mischgase hochgenau eine verbrauchte Masse berechnet werden kann.

[0022] Vor dem Durchführen der ersten Massenmessung und damit auch vor dem Prüflauf wird der Gasbehälter über die Kupplungen mit der Zuführleitung und der Gasquelle verbunden und die Zuführleitung, die Brennstoffzelleneinheit oder der mit Erdgas betriebene Antrieb und der Gasbehälter werden über das 3/2-Wegeventil gefüllt, bis der gewünschte Versorgungsdruck der Durchflussmesseinheit mittels des ersten Ausgangsdruckreglers hergestellt ist und der gewünschte Vordruck zur Brennstoffzelleneinheit oder zum mit Erdgas betriebenen Antrieb mittels des zweiten Ausgangsdruckreglers hergestellt ist. Entsprechend entstehen keine Messfehler durch das Hochfahren des Systems.

[0023] Nach dem Füllen des Systems wird der Gasbehälter über die Kupplungen abgekoppelt und gewogen und anschließend über die Kupplung zur Zuführleitung wieder mit der Zuführleitung verbunden, wobei zum Starten des Prüflaufs über das 3/2-Wegeventil der Pfad zur Zuführleitung freigegeben wird. Durch die Verwendung des 3/2-Wegeventils kann automatisch zwischen der Auffüllposition und der Prüflaufposition geschaltet werden, ohne einen Umbau vornehmen zu müssen. Entsprechend wird die Bedienung des Systems vereinfacht.

[0024] Das erfindungsgemäße Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb und das Verfahren zur Verbrauchsmessung

an Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelleneinheit oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb zeichnen sich durch hochgenau zu bestimmende Verbrauchsmassen aus. Der Aufbau wird dabei einfach und redundant ausgeführt, so dass Fehlmessungen und daraus folgende Messwiederholungen vermieden werden. Bei einwandfrei funktionierenden Messeinheiten ist eine Gewichtung der verschiedenen Messungen zum Erhalt einer Verbrauchsmasse möglich, so dass die Verläufe durch die Werte der hochgenauen gravimetrischen Messeinheit korrigiert werden können oder jeweils das im entsprechenden Bereich bessere Verfahren, als das mit der im entsprechenden Bereich geringeren möglichen Toleranzabweichung genutzt werden kann.

[0025] Zwei nicht einschränkende Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verbrauchsmesssysteme für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend mit den zugehörigen Verfahren zur Verbrauchsmessung beschrieben.

[0026] Die Figur 1 zeigt ein Schema des prinzipiellen Aufbaus eines ersten erfindungsgemäßen Verbrauchsmesssystems für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit.

[0027] Die Figur 2 zeigt ein Schema des prinzipiellen Aufbaus eines zweiten erfindungsgemäßen Verbrauchsmesssystems für Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelleneinheit.

[0028] Das in der Figur dargestellte Verbrauchsmesssystem besteht aus einem Fahrzeug 10, in dem eine in bekannter Weise Strom erzeugende Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet ist, die mit einem Elektromotor 14 zum Antrieb des Fahrzeugs 10 elektrisch verbunden ist. Im Fahrbetrieb wird die Brennstoffzelleneinheit 12 über einen Tank 16 mit Wasserstoff oder Erdgas versorgt.

[0029] Zur Messung des tatsächlichen Gasverbrauchs der Brennstoffzelleneinheit 12 wird die Brennstoffzelleneinheit mit einer Zuführleitung 18 verbunden, über die Gas von außen der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt werden kann. Diese ist an ihrem entgegengesetzten Ende über ein 3/2-Wegeventil 20, dessen erster Anschluss 21 mit einer Gasquelle 22, dessen zweiter Anschluss 23 mit einem Gasbehälter 24 und dessen dritter Anschluss 25 mit der Zuführleitung 18 verbunden ist. In der Zuführleitung 18 in Strömungsrichtung zwischen dem Gasbehälter 24 und der Brennstoffzelleneinheit 12 ist eine Durchflussmesseinheit 26 fahrzeugextern angeordnet. Diese Durchflussmesseinheit 26 kann ein oder mehrere entsprechend verschaltete Coriolisdurchflussmesser 28 beinhalten und dient zur Massenstrombestimmung in der Zuführleitung 18.

[0030] In Strömungsrichtung zwischen dem dritten Anschluss 25 des 3/2- Wegeventils 20 und der Durchflussmesseinheit 26 ist in der Zuführleitung 18 ein erster Ausgangsdruckregler 30 angeordnet, der zur Einstellung eines Versorgungsdruckes der Durchflussmesseinheit 26 dient. Der Eingangsdruck und der Ausgangsdruck des ersten Ausgangdruckreglers 30 können über eine Druckanzeige 32 stromaufwärts und eine Druckanzeige 34 stromabwärts des Ausgangsdruckreglers 30 kontrolliert werden.

[0031] Des Weiteren ist stromabwärts der Durchflussmesseinheit 26 und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 12 in der Zuführleitung ein zweiter Ausgangsdruckregler 36 angeordnet, dessen Ausgangsdruck über einen Drucksensor 38 stromabwärts des zweiten Ausgangsdruckreglers 36 kontrollierbar und falls gewünscht über diesen automatisch nachregelbar ist.

[0032] Am Gasbehälter 24 ist eine Druck- und Temperaturmesseinheit 40 ausgebildet, über die der Druck und die Temperatur im Innern des Gasbehälters 24 kontinuierlich gemessen werden kann. Des Weiteren ist am Gasbehälter 24 eine Dichtemesseinheit 42 zur Bestimmung der Dichte im Gasbehälter 24 angeordnet.

[0033] In der Zuführleitung 18 ist hinter dem 3/2-Wegeventil, jedoch noch vor der ersten Druckanzeige 32, eine gasdichte Kupplung 44 angeordnet, über die der Gasbehälter 24 von der Zuführleitung 18 gelöst oder mit dieser verbunden werden kann. Auch stromaufwärts des ersten Anschlusses 21 des 3/2-Wegeventils 20 ist in einer Versorgungsleitung 46, über die die Gasquelle 22 mit dem 3/2-Wegeventil verbunden ist eine gasdichte Kupplung 48 ausgebildet, so dass durch Lösen dieser beiden Kupplungen 44, 48 der Gasbehälter 24 vollständig ohne Gasverlust aus dem Verbrauchsmesssystem herausgelöst werden kann.

[0034] Der Gasbehälter 24 kann nach dem Lösen der Kupplungen 44, 48, wie dies in der Figur 1

dargestellt ist, in eine bezüglich des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur kontrollierten Kammer 50 gebracht werden, in der eine gravimetrische Messeinheit 52 angeordnet ist, welche in dieser Kammer 50 vor Ort kalibriert wurde. Entsprechend kann hier hochgenau die Masse des Gasbehälters 24 bestimmt werden.

[0035] Soll nun eine Verbrauchsmasse bestimmt werden, so wird zunächst der Gasbehälter 24 mit dem 3/2-Wegeventil 20 über die Kupplungen 44, 48 mit der Zuführleitung 18 und der Versorgungsleitung 46 verbunden. In diesem Zustand sollte an der Durchflussmesseinheit 26 ein Nulldurchfluss vorliegen und die Werte der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 konstant sein, so dass auf eine Dichtigkeit des Systems geschlossen werden kann. Das 3/2- Wegeventil 20 wird so geschaltet, dass eine Verbindung der Gasquelle 22 zum Gasbehälter 24 und zur Zuführleitung 18 und damit zur Brennstoffzelleneinheit 12 besteht. Sobald der gewünschte Vordruck am ersten Ausgangsdruckregler 30 und der gewünschte Versorgungsdruck am zweiten Ausgangsdruckregler 36 sowie eine ausreichende Füllung des Gasbehälters 24 erreicht ist, was über die Druck- und Temperaturmesseinheit 40 überprüfbar ist, ist der Füllvorgang abgeschlossen.

[0036] Nach dem Erreichen der gewünschten Füllung wird das 3/2-Wegeventil 20 umgeschaltet und die Kupplungen 44, 48 gelöst. Hierbei dürfen keine relevanten Gasmengen entweichen, weswegen die Kupplungen 44, 48 gasdicht auszuführen sind. Der Gasbehälter 24 wird entnommen und in die Kammer 50 auf die gravimetrische Messeinheit 52 gebracht und gewogen. Die ermittelte Masse wird ebenso wie die statischen Messwerte der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 gespeichert. Bei der Verwendung eines Mischgases werden zusätzlich die Messwerte der Dichtemesseinheit 42 gespeichert.

[0037] Anschließend wird der Gasbehälter 24 wieder zurückgebracht und über die Kupplung 44 wieder mit der Zuführleitung 18 verbunden. Daraufhin kann der Prüflauf begonnen werden. Während des Prüflaufs werden die Messdaten der Durchflussmesseinheit 26 sowie der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 kontinuierlich aufgezeichnet. Mit Beendigung des Prüflaufs wird auch die Datenaufzeichnung beendet. Die Kupplung 44 wird erneut gelöst und der Gasbehälter 24 ein zweites Mal auf der gravimetrischen Messeinheit 52 gewogen. Auch wird erneut eine statische Messung über die Druck- und Temperaturmesseinheit 40 durchgeführt und die Messdaten aufgezeichnet.

[0038] In einer Recheneinheit, die in den Figuren nicht dargestellt ist, über die jedoch alle Messwerte gespeichert und verarbeitet werden können, wird nunmehr eine Differenz zwischen dem ermittelten offline-Messwert nach dem Prüflauf und dem ermittelten offline-Messwert vor dem Prüflauf zur Errechnung einer ersten Verbrauchsmasse während des Prüflaufs gebildet.

[0039] Eine zweite Verbrauchsmasse wird durch Differenzbildung der beiden Messdaten und daraus in bekannter Weise über die allgemeine Zustandsgleichung für ideale Gase berechneten Massen nach und vor dem Prüflauf der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 und gegebenenfalls der Dichtemesseinheit 42 bestimmt. Wird keine Dichtemesseinheit verwendet, kann dieser Wert über hinterlegte Kennfelder zu reinen Gasen aus den Wertepaaren des Druckes und der Temperatur bestimmt werden.

[0040] Eine dritte Verbrauchsmasse wird aus den kontinuierlich gesammelten Massenstromdaten der Durchflussmesseinheit 32 durch Integration errechnet.

[0041] Diese drei Verbrauchsmassen können nun miteinander verglichen werden. Hinzu kommt, dass auch die kontinuierlich gesammelten Daten der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 mit den kontinuierlich gesammelten Daten der Durchflussmesseinheit 26 verglichen werden können. Liegen alle gemessenen Werte innerhalb des üblichen Genauigkeitsbereiches der jeweils verwendeten Messeinheit 26, 40, 52 so kann der Wert der Messeinheit mit der geringsten Regelabweichung verwendet werden. Dies ist üblicherweise die gravimetrische Messeinheit 52. Die Messwerte des Durchflussmessers 26, wie auch die Messwerte der kontinuierlichen Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 können dann, falls eine Aussage zum zeitlich aufgelösten Massenverbrauch gewünscht ist, entsprechend korrigiert werden, um noch bessere Messergebnisse zu erzielen. Sollten die Messwerte einer der Messeinheiten 26, 40, 52 von den beiden Arten

der Messung abweichen, kann auch auf einen Fehler der entsprechenden Messeinheit 26, 40, 52 geschlossen werden. Dennoch muss die Messung nicht wiederholt werden, da ausreichend Messdaten vorliegen.

[0042] Das Verbrauchsmesssystem gemäß der Figur 2 unterscheidet sich von dem der Figur 1 durch die Anordnung der gravimetrischen Messeinheit 52. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die gravimetrische Messeinheit 52 am Prüfstand in einer über einen Ausgangsdruckregler 54 bezüglich des Umgebungsdrucks geregelten und über eine Temperaturkonditionierung 56 bezüglich der darin herrschenden Temperatur geregelten Kammer 50, deren Innendruck und Temperatur über einen Temperatursensor 58 und einen Drucksensor 60 kontrolliert wird. Durch diese Konditionierung der Umgebung kann über den gesamten Verlauf der Messungen, und zwar sowohl für die Offline-Messungen vor und nach dem Prüflauf als auch für die online-Messungen während des Prüflaufs eine konstante Temperatur und ein konstanter Druck eingestellt werden, wodurch die Messgenauigkeit der gravimetrischen Massenmesseinheit 52 sichergestellt werden kann. Bei der Verwendung von Erdgas kann die Kammer 50 auch mit einem trockenen Gas gefüllt werden, um Kondensation an der Wand des Gasbehälters 24, aufgrund seiner durch den JouleThomson-Effekt verursachten Abkühlung, zu vermeiden.

[0043] Zur Durchführung der Offline-Massenmessung ist dennoch der Gasbehälter über die Kupplungen 44, 48 vom System zu lösen, um Einflüsse des Systems auf die gravimetrische Messeinheit 52 zu vermeiden.

[0044] Im Vergleich zum in Figur 1 beschriebenen Verfahren können bei dieser Ausführungsform auch kontinuierlich Messdaten der gravimetrischen Messeinheit 52 aufgenommen werden und mit den online-Messdaten der Durchflussmesseinheit 26 und der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 verglichen werden und falls gewünscht hieraus auch ein Massenstromverlauf gebildet werden.

[0045] Auf diese Weise können alle Messergebnisse durch Vergleich plausibilisiert werden, wodurch eventuelle Fehlerquellen, wie defekte Sensoren oder geänderte Umgebungsbedingungen wie auftretende Temperaturschwankungen oder Vibrationen ausgeschlossen werden können. Zu beachten ist auch, dass die möglichen Toleranzabweichungen für die verschiedenen Sensoren unterschiedlich sind. So weist die Druck- und Temperaturmesseinheit 40 bei geringen momentanen Verbräuchen eine hohe Genauigkeit auf, während die Durchflussmesseinheit 26 bei hohen momentanen Verbräuchen gute Messwerte liefert und auch bei größeren Verbrauchssprüngen gute Ergebnisse liefert, während die Massenmesseinheit gerade bei der online-Messung und sich schnell ändernden Verbräuchen träge reagiert beziehungsweise Messschwankungen anzeigt. Zur Messung der Gesamtverbräuche liefern jedoch die Massenmesseinheit 52 und die Druckund Temperaturmesseinheit 40 sehr genaue Messwerte, sobald eine Beruhigung des Systems ohne Durchflüsse und Vibrationen vorliegt. Somit können über den Verlauf auch verschiedene Gewichtungen bezüglich der Relevanz der verschiedenen Messeinheiten bestimmt werden, um einen Gesamtverbrauch zu bestimmen.

[0046] Das Verbrauchsmesssystem kann auch genutzt werden, um die Durchflussmesseinheit 26 zu kalibrieren, indem eine den Verbrauch einstellende Einheit, wie ein Nadelventil oder eine Brennstoffzelleneinheit an das Verbrauchsmesssystem angeschlossen wird und die Daten der Durchflussmesseinheit 26 mit den online-Daten der gravimetrischen Messeinheit 52 und der Druck- und Temperaturmesseinheit 40 verglichen werden, um die Durchflussmesseinheit im Folgenden in bekannter Weise zu justieren und kalibrieren. So könnte die Durchflussmesseinheit 26 auch im Fahrzeug 10 zur online-Messung genutzt werden.

[0047] Es wird noch darauf hingewiesen, dass diese Messungen auch mit einem Gasbehälter 24 ausgeführt werden können, in dem sich teilweise flüssiges Medium befindet, allerdings ist dann zusätzlich ein Füllstandssensor vorzusehen. Für die Messung mit der Durchflussmesseinheit 26 hätte das keine Auswirkung da nur gasförmiges Medium den Gasbehälter 24 verlässt. Für die gravimetrische Bestimmung mit der gravimetrischen Messeinheit 52 ist es ebenfalls unerheblich in welchem Aggregatzustand sich das Medium befindet. Lediglich für die Messungen mit Druckund Temperaturmesseinheit 40 ist der Aggregatzustand zu beachten, so dass für diesen Fall die

Druck- und Temperaturmesseinheit 40 und die Dichtemesseinheit 42 am oberen Ende des Gasbehälters 24 angebracht werden, um sicherzustellen, dass sie immer von gasförmigem Medium umgeben sind. Mithilfe der Füllstandsmessung kann dann das Volumen des flüssigen Mediums und damit durch Differenzbildung auch das Volumen des gasförmigen Mediums gemessen werden. Mit diesem Messwert und dem Wissen einer Volumenzunahme des Mediums bei dem Ubergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, kann die verbrauchte Menge des gasförmigen Mediums daraufhin wieder korrekt berechnet werden.

[0048] Durch das beschriebene Verbrauchsmesssystem und das beschriebene Verfahren zur Verbrauchsmessung können somit hochgenau Gesamtverbräuche aber auch Momentanverbräuche ermittelt werden und Fehler im System identifiziert und die Werte des Systems plausibilisiert werden. Fehlmessungen werden ausgeschlossen.

Claims

Patentansprüche

1. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb mit einem fahrzeugexternen Gasbehälter (24), einer Zuführleitung (18), die vom Gasbehälter (24) zur Brennstoffzelleneinheit (12) führt, einer fahrzeugexternen, in einer bezüglich des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur kontrollierten Kammer (50) an einem definierten Ort installierten und kalibrierten gravimetrischen Messeinheit (52), einer fahrzeugexternen Durchflussmesseinheit (26), die in der Zuführleitung (18) angeordnet ist, einer fahrzeugexternen Druck- und Temperaturmesseinheit (40), über die ein Druck und eine Temperatur im Gasbehälter (24) messbar ist.

2, Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuführleitung (18) und dem Gasbehälter (24) ein 3/2- Wegeventil (20) angeordnet ist, dessen erster Anschluss (21) mit einer Gasquelle (22) verbunden ist, dessen zweiter Anschluss (23) mit dem Gasbehälter (24) verbunden ist und dessen dritter Anschluss (25) mit der Zuführleitung (18) verbunden ist.

3. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrauchsmesssystem eine Dichtemesseinheit (42) aufweist, über welche eine Dichte des Gases im Gasbehälter (24) messbar ist.

4. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbehälter (24) über zumindest eine gasdichte Kupplung (44, 48) mit der Zuführleitung (18) und der Gasquelle (22) verbindbar ist.

5. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (18) zwischen dem Gasbehälter (24) und der Durchflussmesseinheit (26) ein erster Ausgangsdruckregler (30) angeordnet ist.

6. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Durchflussmesseinheit (26) und der Brennstoffzelleneinheit (12) oder dem mit Erdgas betriebenen Antrieb ein zweiter Ausgangsdruckregler (36) in der Zuführleitung (18) angeordnet ist.

7. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Ausgangsdruckregler (36) und der Brennstoffzelleneinheit (12) in der Zuführleitung (18) ein Ausgangsdrucksensor (38) angeordnet ist.

8. Verbrauchsmesssystem für Fahrzeuge (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmesseinheit (26) zumindest einen Coriolisdurchflussmesser (28) aufweist.

10.

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12.

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Ästerreichisches AT 525 900 B1 2023-09-15

Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb, bei dem

zunächst eine Brennstoffzelleneinheit (12) oder der mit Erdgas betriebene Antrieb, eine Zuführleitung (18) und ein Gasbehälter (24) mit einem Gas befüllt werden,

anschließend der befüllte Gasbehälter (24) auf einer gravimetrischen Messeinheit (52) gewogen wird,

eine Temperatur und ein Druck im Gasbehälter (24) mittels einer Druck- und Temperaturmesseinheit (40) gemessen werden,

daraufhin der Prüflauf gestartet wird,

wobei während des Prüflaufs die Messwerte einer Durchflussmesseinheit (26) aufgenommen werden,

daraufhin der Prüflauf gestoppt und die Aufnahme der Messdaten unterbrochen wird,

die Temperatur und der Druck im Gasbehälter (24) mittels der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) erneut gemessen werden,

der Gasbehälter (24) auf der gravimetrischen Messeinheit (52) gewogen wird,

eine erste Verbrauchsmasse durch Differenzbildung der ersten Messung der gravimetrischen Messeinheit (52) und der zweiten Messung der gravimetrischen Messeinheit (52) berechnet wird,

eine zweite Verbrauchsmasse durch Differenzbildung einer berechneten Masse aus der ersten Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) zu Beginn des Prüflaufs und der zweiten Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) zum Abschluss des Prüflaufs berechnet wird,

eine dritte Verbrauchsmasse durch Integration der Messwerte der Durchflussmesseinheit (26) berechnet wird.

Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Temperatur und der Druck mittels der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) während des Prüflaufs kontinuierlich gemessen werden, aus den Daten ein Massenstromverlauf berechnet wird und mit dem Massenstromverlauf der Durchflussmesseinheit (26) verglichen wird.

Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass

der Vergleich der drei berechneten Verbrauchsmassen genutzt wird, um bei einer Abweichung der ermittelten zweiten Verbrauchsmasse von der ersten Verbrauchsmasse und der dritten Verbrauchsmasse auf einen Fehler der Messung der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) geschlossen wird und bei einer Abweichung der ermittelten dritten Verbrauchsmasse von der ersten Verbrauchsmasse und der zweiten Verbrauchsmasse auf einen Fehler der Durchflussmesseinheit (26) geschlossen wird.

Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer Abweichung der drei ermittelten Verbrauchsmassen voneinander, die innerhalb der Genauigkeit der gravimetrischen Messeinheit (52), der Durchflussmesseinheit (26) und der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) liegt, ein Mittelwert aus den drei ermittelten Verbrauchsmassen gebildet wird.

Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die ermittelten Verbrauchsmassen der gravimetrischen Messeinheit (52) und der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) zur Kalibrierung der Durchflussmesseinheit (26) genutzt werden.

14. Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Masse im Gasbehälter (24) mittels der gravimetrischen Messeinheit (52), der Gasbehälter (24) über die Kupplungen (44, 48) vor dem Prüflauf abgekoppelt und gewogen wird, daraufhin wieder angekoppelt wird und nach dem Prüflauf wieder abgekoppelt und erneut gewogen wird.

15. Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Prüflaufs die Masse des Gasbehälters (24) kontinuierlich gemessen wird.

16. Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der Dichtemesseinheit (42) zur Berechnung der Verbrauchsmasse mit den Werten der Druck- und Temperaturmesseinheit (40) verwendet werden.

17. Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Durchführen der ersten Massenmessung der Gasbehälter (24) über die Kupplungen mit der Zuführleitung (18) und der Gasquelle (22) verbunden wird und die Zuführleitung (18), die Brennstoffzelleneinheit (12) oder der mit Erdgas betriebene Antrieb und der Gasbehälter (24) über das 3/2-Wegeventil (20) gefüllt werden, bis der gewünschte Versorgungsdruck der Durchflussmesseinheit (26) mittels des ersten Ausgangsdruckreglers (30) hergestellt ist und der gewünschte Vordruck zur Brennstoffzelleneinheit (12) oder zum mit Erdgas betriebenen Antrieb mittels des zweiten Ausgangsdruckreglers (36) hergestellt ist.

18. Verfahren zur Verbrauchsmessung an Fahrzeugen (10) mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) oder einem mit Erdgas betriebenen Antrieb nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Füllen des Systems der Gasbehälter (24) über die Kupplungen (44, 48) abgekoppelt und gewogen wird und anschließend über die Kupplung (44) zur Zuführleitung (18) wieder mit der Zuführleitung (18) verbunden wird, wobei zum Starten des Prüflaufs über das 3/2-Wegeventil (20) der Pfad zur Zuführleitung (18) freigegeben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen