CN102563343B - 在任何容器压力下均有快速加注燃料能力的压缩气体燃料罐系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在任何容器压力下均有快速加注燃料能力的压缩气体燃料罐系统。描述了一种用压缩气体燃料进行燃料加注的方法。在一种实施例中，本方法包括提供压缩气体燃料源；提供带有燃料加注管线的存储罐，以及在燃料加注管线上的喷嘴，这个喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动；在喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或者直至达到最低压力为止；当达到预定时间或最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并在喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注直至燃料加注完成。还公开了包含喷嘴的车辆。

Description

在任何容器压力下均有快速加注燃料能力的压缩气体燃料罐系统
技术领域
本发明主要涉及一种压缩气体燃料罐的加注燃料，特别是涉及用于压缩气体燃料罐的安全加注燃料的方法及设备。
背景技术
车辆应用（如氢气，或压缩天然气（CNG））的高压储存系统的关键部件就是罐容器。有一种用于储存压缩气体燃料的罐容器是用纤维复合材料制成。纤维复合材料容器非常适合，因为它们的存储-重量比非常好。它们通常有双层：外层，例如由碳纤维基体制成，被设计用来承受机械负荷，以及内层，或内衬，由塑料或铝泡沫制成，被设计用来防止泄漏。
内衬和纤维基体层的几何结构通常因材料和工艺的原因而不同。内层通常不能承受应力。为了保证外层能够牢固地支撑内衬，必须一直保持最低压力。当压力低于最低压力时，如小于约20bar，内外两层就会彼此分离。如果燃料在低于最低压力的高压下被快速注入容器内，内层将会猛烈地撞击纤维基体层。内衬有可能破裂，内容物将会通过外层流入外界环境中。另外，残留在两层间的空隙中的燃料也会损害内衬和/或纤维基体层。
罐压评估有一定的容差，这个容差随着时间而增加。比如，容差链是若干部件和转换器的总和。比如压力传感器的容差包括A/D转换器、温度补偿器、D/A转换器，其可为± 13.5bar。比如，车辆控制器的容差可为 ± 18bar。因此，信号容差例如可为 ± 31.5bar。比如，同样还需要考虑随着时间的退化，大约为± 2.25bar/年。因此，例如对于使用了四年的压力传感器来说，容差将会是这些的总和，或 ± 40.5bar。
最差的情况下的容差裕量必须和安全裕量一起加到信号容差。因此，出于安全考虑，在罐压达到65bar的时候可能就需要由车辆控制器停止氢气释放（比如，最低压力20bar + 31.5信号容差 + 9bar退化 + 4.5bar安全裕量 = 65bar）。但是，在达到计算出的关闭压力时，“真实”的罐压可能是20bar到105bar之间的任一值，如图1所示。因此，在所有非最差的情况下，最差的情况下的容差裕量会导致可用氢气量减少，从而导致车辆行驶里程的高达14%的降低。
通常，机动车司机在填充站加注燃料。一些燃料加注站有能力识别容器填充级别，而其他的则不能。如果燃料加注站有红外线（IR）接口、电脑以及变换映像，那么燃料加注站就能够控制适当的燃料加注。车辆存储罐与站的填充喷嘴相连接并在空罐与站的875bar压力之间建立“捷径”。空罐与875bar源之间的“捷径”造成非常大的压力突增以及非常高速的气体燃料流。同正常的快速填充相比，慢速填充具有降低的流动。现在，只有在配备受训人员以及专门装置（氢气瓶、限流器、压力表）的维修中心才可能采用慢速填充。
另外，人们认为快速填充在某些情况下没有被正确执行，比如，缺少知识、缺少追踪、和/或缺少仪器。
发明内容
本发明一方面是一种加注压缩气体燃料的方法。在一种实施例中，本方法包括提供压缩气体燃料源；提供带有燃料加注管线的存储罐，以及安装在燃料加注管线上的喷嘴，这个喷嘴可以在至少减流位置和全燃料流位置之间移动；在喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，这在预设的时间上进行或者直到达到最低压力时为止；当达到预设时间或最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并在喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源向存储罐内加注燃料直至燃料加注完成。
本发明的另一方面是使用压缩气体燃料作为燃料的机动车。在一种实施例中，该机动车包括配有燃料加注管线的燃料罐，安装在燃料加注管线上的喷嘴，这个喷嘴可以在至少减流位置和全燃料流位置之间移动，以及控制喷嘴的控制器。
本发明还提供了如下方案：
方案1. 一种使用压缩气体燃料进行燃料加注的方法，包括：
提供压缩气体燃料源；
提供配有燃料加注管线的存储罐，和安装在该燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动；
在所述喷嘴处于所述减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或直到达到最低压力为止；
当达到预定时间或最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并且
在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注，直至燃料加注完成。
方案2. 根据方案1所述的方法，进一步包括，
提供控制器；
在开始燃料加注之前确定控制器是否处于燃料加注模式。
方案3. 根据方案2所述的方法，进一步包括，
如果控制器处于燃料加注模式，则确定压力是否超过最低压力；
如果压力超过最低压力，则在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，直至燃料加注完成。
方案4. 根据方案2所述的方法，进一步包括，
如果控制器没有处于燃料加注模式，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并保持喷嘴处于减流位置直至燃料加注完成。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，喷嘴为弹簧加载的。
方案6. 根据方案1所述的方法，其中，喷嘴为电动的。
方案7. 根据方案1所述的方法，其中，喷嘴为比例减流阀。
方案8. 根据方案1所述的方法，其中，移动喷嘴是由控制器控制的。
方案9. 根据方案1所述的方法，其中，存储罐在车辆内，并且其中压缩气体燃料为氢气或天然气。
方案10. 一种使用压缩气体燃料进行燃料加注的方法，其中，
提供压缩气体燃料源；
提供配有燃料加注管线的存储罐，在该燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动，以及控制喷嘴的控制器；
在开始燃料加注之前确定控制器是否处于燃料加注模式；
如果控制器没有处于燃料加注模式，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并保持喷嘴处于减流位置直至燃料加注完成；
如果控制器处于燃料加注模式，则确定压力是否超过最低压力；
如果压力超过最低压力，则将喷嘴移至全燃料流位置，并在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，直至燃料加注完成；
如果压力未超过最低压力，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或直到达到最低压力为止；
当达到预定时间或最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并且
在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注，直至燃料加注完成。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，喷嘴为弹簧加载的。
方案12. 根据方案10所述的方法，其中，喷嘴为电动的。
方案13. 根据方案10所述的方法，其中，喷嘴为比例减流阀。
方案14. 根据方案10所述的方法，其中，存储罐在车辆内，并且其中压缩气体燃料为氢气或天然气。
方案15. 一种以氢气作为燃料的车辆，其中，该车辆具有配有燃料加注管线的燃料罐，在燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动，以及控制喷嘴的控制器。
方案16. 根据方案15所述的车辆，其中，该喷嘴为弹簧加载的。
方案17. 根据方案15所述的车辆，其中，该喷嘴为比例减流阀。
方案18. 根据方案15所述的车辆，其中，燃料罐包括内层和由复合材料制成的外层。
方案19. 根据方案18所述的车辆，其中，所述复合材料是碳纤维基体，并且其中内层为塑料或铝。
方案20. 根据方案15所述的车辆，其中，喷嘴为电动的。
附图说明
图1展示了作为容器内压力的函数的里程损失的曲线图。
图2是本发明的一个实施例的示例。
图3展示了现有燃料加注过程与根据本发明的燃料加注过程之间的对比的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了在所有燃料加注站中的安全的压力增加，因为是通过车辆而不是通过燃料加注站来控制燃料加注模式。在最低压力水平以下进行的是慢速填充。阀门利用限定的孔来限制燃料加注。慢速填充仅在规定的时间段上进行，比如20秒左右，或者直至达到最低压力。随后就开始快速填充。如果不了解容器填充，将会自动进行慢速填充。如果存储罐一开始就达到了所要求的最低压力水平，那么从一开始就能进行快速填充。
本发明能够提供安全燃料加注的情形包括但不限于，压力非常低的情形，其中容器的填充水平是未知的，以及在车辆与燃料再加注站之间的连通受损的燃料加注站。
本发明有一种或以上的优势。它可以在任何压力下提供安全的燃料加注，而不仅仅是在高于最低压力的情况下。因此，车辆行驶里程可以增加例如多达约14%。压力信号的容差链对本发明没有影响。可以使用正常的燃料加注操作，即使在驾驶者在出现低水平报警之后继续驾驶车辆从而出现低于最低压力的情况下。对于燃料加注站的要求更少，因为慢速燃料加注和快速燃料加注都是由车辆进行控制的，而不是燃料加注站来控制。在任何燃料加注站都可以进行慢速填充；不需要受训人员或专门装置。在开始燃料加注的时候，限流器在低压情况下减少流动，这维持预设时间或直到达到最低压力。但是，燃料加注时间将会稍微有所增加，并需要额外的喷嘴和任选的相关联的控制装置。
正如图2所示，车辆在燃料加注管线15中安装了喷嘴10，喷嘴可以在至少减流位置20和全燃料流位置25之间进行切换。喷嘴在止回阀之后，止回阀由背压关闭并且在燃料加注过程中由流动打开。比如，喷嘴可是弹簧加载的或电动的。在弹簧加载喷嘴的情况下，在促动器未被供能时的默认位置是减流位置。电动喷嘴将会根据命令开启或闭合。未通电位置则为减流位置。为了减流，将对孔进行标定，使得利用全供应压力（例如800bar）的从最低关闭压力（例如5bar）开始的罐系统加压允许慢速加压到最低压力，其中燃料加注过程中的减流在规定的时间内（例如约20秒）不是必须的（例如，20bar）（见下面计算）。当检测到燃料加注或达到高速燃料加注的罐压时，车辆控制器就将阀门从减流位置切换至全燃料流位置。阀门可以是上述的双位阀。或者，根据需要阀门还可以有一个或多个其他位置，比如关闭位置。或者，阀门可以为比例减流阀，其中从至少减流位置到全燃料流位置孔可以改变。孔也可作为关闭阀并完全关闭流动。
可以避免因不正确燃料加注而导致的损坏。当车辆控制器没有处在燃料加注模式时，喷嘴被设定在减流位置，并且在整个燃料加注过程中一直保持在这个位置。因为燃料加注速度非常慢，就不会导致内衬损坏。
在所有其他燃料加注模式中，车辆控制器都会处于燃料加注模式。在低压条件下开始燃料加注，喷嘴在规定时间内（比如20秒）或直至达到需要的压力水平之前会处于减流位置。车辆控制器通过压力升高检测到燃料加注。在存储罐内可以有若干压力传感器。压力的增加由车辆控制器确定，与压力信号容差无关。压力“移动”的容差要远低于绝对容差结果。当达到低压时安全压力升高的时间或者当压力传感器显示罐压高于用于高流动燃料加注的最低压力时，车辆控制器会将阀门切换至全燃料加注流位置。在空容器内的压力增加不是以利用全流动从低压到高压的大压力突增实现的。在燃料加注开始时的流动峰值被降低，这样就降低了燃料加注的噪音。从基本无应力状态到高应力状态的机械应力增加被延伸在更长的时间范围中。
燃料加注可以持续直至完成，燃料加注站会信号通知罐已满并停止燃料加注。或者，用户可以在任何时间停止或中断燃料加注。这样就不会损坏内衬，并且燃料加注时间也被最小化（时间只由最初的慢速填充时间量（如果有的化）延长）。
图3是通过现有系统进行燃料加注与使用本发明的减流喷嘴进行燃料加注的对比。燃料加注的时间增加为约20秒（或一些其他预设时间长度）。
孔的尺寸可以如下确定：
选择最低假定罐压 — 比如5bar
选择用于全流燃料加注的压力水平 — 比如20bar
在温度下的密度差 — 比如20°C - 1.5克/升
罐容积 — 比如117升
确定氢气量 — 比如约180克
选择慢速加压时间 — 比如20秒
燃料加注压力 — 800bar
确定流动减少孔 — 约0.5毫米
虽然上述讨论针对车辆的存储罐，但是本领域技术人员能够意识到本发明适用于任何压缩气体燃料存储以及再填充应用，无论是移动的还是固定的。
应当注意到“优选地”、“常常”以及“通常”等术语在本文中不是用于限制所要求保护的发明的范围或暗示某些特征对于所要求保护的发明的结构或功能是关键性的、必要的，甚至是重要的。相反，这些术语只是用来强调可以在或不在本发明的特定实施例中使用的替换的或附加的特征。
为了描述并定义本发明，应当注意术语“装置”在这里是用来描述部件的组合或单独的部件，无论这些部件是否与其它部件组合。比如，按照本发明，“装置”可包括电化学转换组件或燃料电池，根据本发明的包括电化学转换组件的车辆，等等。
为了描述并定义本发明，应当注意术语“大体上”在这里是用来描述可能被归因于任何定量比较、值、度量，或其他表述的固有不确定性程度。术语“大体上”还在这里用来描述定量描述可以从所述参考变化而不导致所讨论的主题的基本功能改变的程度。
虽然参照本发明的具体实施例详细地描述了本发明，但是很显然在不脱离所附权利要求中定义的发明范围的情况下可以进行多种修改和变更。更具体地说，虽然本发明的某些方面在此作为优选的或特别有利的，但应当明了本发明并非一定限于发明的这些优选方面。

Claims (19)

1.一种使用压缩气体燃料进行燃料加注的方法，包括：
提供压缩气体燃料源；
提供配有燃料加注管线的存储罐，和安装在该燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动；
提供控制器；
在开始燃料加注之前确定控制器是否处于燃料加注模式；
如果控制器处于燃料加注模式，则确定压力是否超过最低压力；
当所述存储罐内的压力低于最低压力时在所述喷嘴处于所述减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或直到达到所述最低压力为止；
当达到预定时间或所述最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并且
在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注，直至燃料加注完成。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，
如果压力超过最低压力，则在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，直至燃料加注完成。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，
如果控制器没有处于燃料加注模式，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并保持喷嘴处于减流位置直至燃料加注完成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，喷嘴为弹簧加载的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，喷嘴为电动的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，喷嘴为比例减流阀。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，移动喷嘴是由控制器控制的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，存储罐在车辆内，并且其中压缩气体燃料为氢气或天然气。
9.一种使用压缩气体燃料进行燃料加注的方法，其中，
提供压缩气体燃料源；
提供配有燃料加注管线的存储罐，在该燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动，以及控制喷嘴的控制器；
在开始燃料加注之前确定控制器是否处于燃料加注模式；
如果控制器没有处于燃料加注模式，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并保持喷嘴处于减流位置直至燃料加注完成；
如果控制器处于燃料加注模式，则确定压力是否超过最低压力；
如果压力超过最低压力，则将喷嘴移至全燃料流位置，并在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，直至燃料加注完成；
如果压力未超过最低压力，则在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或直到达到最低压力为止；
当达到预定时间或最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并且
在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注，直至燃料加注完成。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，喷嘴为弹簧加载的。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，喷嘴为电动的。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，喷嘴为比例减流阀。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，存储罐在车辆内，并且其中压缩气体燃料为氢气或天然气。
14.一种以氢气作为燃料的车辆，其中，该车辆具有配有燃料加注管线的燃料罐，在燃料加注管线上的喷嘴，该喷嘴可在至少减流位置和全燃料流位置之间移动，以及控制喷嘴的控制器，所述控制器构造成
当燃料罐内的压力未超过最低压力时，当所述控制器处于燃料加注模式时，在所述喷嘴处于减流位置的情况下开始从压缩气体燃料源的燃料加注，并维持预定时间或直到达到所述最低压力为止；
当达到预定时间或所述最低压力时，将喷嘴移至全燃料流位置；并且
在所述喷嘴处于全燃料流位置的情况下从压缩气体燃料源对存储罐进行燃料加注，直至燃料加注完成。
15.根据权利要求14所述的车辆，其中，该喷嘴为弹簧加载的。
16.根据权利要求14所述的车辆，其中，该喷嘴为比例减流阀。
17.根据权利要求14所述的车辆，其中，燃料罐包括内层和由复合材料制成的外层。
18.根据权利要求17所述的车辆，其中，所述复合材料是碳纤维基体，并且其中内层为塑料或铝。
19.根据权利要求14所述的车辆，其中，喷嘴为电动的。
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