CN108779895A - 气体填充方法 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供气体填充方法，划分为初始填充工序和正式填充工序来填充气体，即使在连接了容积小的罐的情况下也能够适当地结束正式填充工序。从开始气体的填充起到结束填充为止的气体填充工序被划分为初始填充工序和正式填充工序，在正式填充工序中，填充气体以实现规定的目标升压率。气体填充方法具有如下工序：估计开始初始填充工序时的所述罐的初始压力P0和初始填充工序中的氢罐的初始升压率ΔP0；将氢罐的压力是初始压力P0的状态作为基点，计算假定从基点起不执行初始填充工序而开始正式填充工序的情况下的氢罐的基准升压率ΔPBS；以及使用初始升压率ΔP0与基准升压率ΔPBS之间的偏差来设定正式填充工序中的目标升压率ΔPST。

Description

气体填充方法
技术领域
本发明涉及气体填充方法。更详细地讲，涉及利用配管对压缩气体的供给源和搭载于移动体的罐进行连接并对移动体的罐填充气体的移动体的气体填充方法。
背景技术
燃料电池车辆将含氧的空气和作为燃料气体的氢气提供给燃料电池，利用由此产生的电力来驱动电动机，从而进行行驶。近年来，将这种燃料电池用作用于产生动力的能量源的燃料电池车辆的实用化得到发展。在利用燃料电池发电时需要氢气，在近年来的燃料电池车辆中，主流是预先在高压罐或具有储氢合金的氢罐内存储足够量的氢气，在行驶时利用罐内的氢气。此外，与此相应地，与尽可能在罐内迅速填充大量氢气的填充技术有关的研究也正在积极进行(例如，参照专利文献1)。
图8是示出填充氢气时的氢罐内的压力的变化的一例的图。如图8所示，从在时刻t0开始填充氢气起到在时刻t5结束填充氢气为止的气体填充工序被划分为开始的初始填充工序和之后的正式填充工序这2个工序。
初始填充工序是如下的工序：为了取得进行之后的正式填充工序所需要的与罐有关的信息而试验性地填充氢气。如图8所示，该初始填充工序中包含用于测定罐的初始压力的预注射填充(时刻t0～t1)、用于测定罐的容积的容积检测填充(时刻t2～t3)等。此外，正式填充工序是如下的工序：在使用初始填充工序中得到的罐的信息和当时的外气温度等的流量控制下填充氢气，直到填充满为止。
这里，当对罐填充氢气时，罐的温度上升，该温度上升会大幅影响填充氢气时的罐的压力上升速度、即升压率。因此，在正式填充工序中，大多数情况下决定目标升压率，并控制对罐提供的氢气的流量，以实现该目标升压率。
如果目标升压率比适当的升压率高，则虽然会相应地迅速填充氢气，但是在填充满之前罐的温度变高，有时需要中断或中止填充本身。此外，如果目标升压率比适当的升压率低，则虽然能够相应地抑制罐的温度上升，但是，到填充满为止花费的时间会延长，便利性变差。因此，为了迅速并适当进行正式填充工序，需要将目标升压率设定为适当的大小。此外，如果使用通过填充的开始时刻和开始时刻的罐的初始压力来确定的基点、罐的容积、外气温度，氢气的温度等，则能够利用已知的算法来计算这种适当的升压率。图8中利用虚线A-B示出在以时刻t0和初始压力P0为基点而得到的适当的升压率下填充氢气的情况下的罐压的变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2011/058782号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，如上所述，近年来提出的气体填充方法中的气体填充工序大多划分为初始填充工序和正式填充工序。该情况下，在开始正式填充工序之前，在初始填充工序中在未知的升压率下填充某种程度的量的氢气，由此罐内的压力和温度也上升。因此，为了将正式填充工序中的目标升压率设定为适当的大小，需要掌握因进行初始填充工序而导致的从开始填充时到结束初始填充工序时的期间内的罐的状态的变化和初始填充工序的结束时刻的罐的状态，并将该初始填充工序的结束时刻的罐的状态作为基点来设定目标升压率。
然而，在现有的气体填充方法中，在设定正式填充工序中的目标升压率时，没有考虑初始填充工序的存在，换言之，没有考虑执行初始填充工序而引起的罐的状态的变化。即，在现有的气体填充方法中，将以初始填充工序的开始时刻为基点而得到的升压率(在图8中为虚线A-B的斜率)设定为正式填充工序中的目标升压率(图8中，线C-D的斜率)。因此，在现有的气体填充方法中，以比初始填充工序中作为基准的升压率高的升压率对氢气进行填充，相应地，罐的压力会迅速上升。即，将初始填充工序和正式填充工序合并后的整体的升压率(图8中，线A-D的斜率)大于通过已知的算法决定的适当的升压率(图8中，线A-B的斜率)，在比适当的升压率下进行填充的情况下的结束时刻t6早的时刻t5上升至相同的压力。因此，在现有的气体填充方法中，罐的温度上升变得剧烈，有时需要在填充满之前中断或中止填充。
另外，如果作为填充对象的罐搭载于一般的四轮燃料电池车辆，则基于初始填充工序的升压量相对于基于正式填充工序的升压量足够小，因此，整体的升压率与适当的升压率之间的偏差也较小。然而，作为填充对象的罐的容积越小，则基于初始填充工序的升压量相比于基于正式填充工序的升压量越大，因此整体的升压率与适当的升压率之间的偏差也越大，上述的的课题更显著。
本发明的目的在于提供如下气体填充方法，该气体填充方法划分为初始填充工序和正式填充工序来填充气体，即使在连接有容积小的罐的情况下，也能够适当地结束正式填充工序。
用于解决问题的手段
(1)气体填充方法利用配管(例如，后述的站配管93和车辆配管39)对压缩气体的供给源(例如，后述的蓄压器91)和搭载于移动体(例如，后述的车辆V)的罐(例如，后述的氢罐31)进行连接，对该罐填充气体，从开始气体的填充起到结束结束填充为止的气体填充工序被划分为：初始填充工序(例如，后述的图5的S1～S7，或图7的S21～S28)，填充气体，以得到与所述罐有关的信息；以及正式填充工序(例如，后述的图5的S8～S12，或图7的S29)，使用在执行所述初始填充工序的期间内得到的信息来填充气体，使得实现所决定的目标升压率。气体填充方法具有：初始升压率估计工序(例如，后述的图5的S4～S5，或图7的S25～S26)，估计开始所述初始填充工序时的所述罐的初始压力(例如，后述的初始压力P0)和该初始填充工序中的所述罐的初始升压率(例如，后述的初始升压率ΔP0)；基准升压率计算工序(例如，后述的图5的S6，或图7的S27)，将所述罐的压力是所述初始压力的状态作为基点，计算假定从该基点起不执行所述初始填充工序而开始所述正式填充工序的情况下的所述罐的基准升压率(例如，后述的基准升压率ΔPBS)；以及目标升压率设定工序(例如，后述的图5的S7，或图7的S28)，使用所述初始升压率与所述基准升压率之间的偏差来设定所述正式填充工序中的所述目标升压率。
(2)该情况下，优选的是，在所述目标升压率设定工序中，在所述初始升压率比所述基准升压率高的情况下，使所述目标升压率低于所述基准升压率。
(3)该情况下，优选的是，在所述配管上设有开闭阀(例如，后述的流量控制阀94b)和对比该开闭阀靠上游侧的位置处的压力进行检测的压力传感器(例如，后述的第1站压力传感器97c)，在所述初始填充工序中，在关闭所述开闭阀的状态下使所述配管中的比所述开闭阀靠上游侧的规定的储存区间(例如，后述的站配管93中的从流量控制阀94b到切断阀94a的区间)内的压力升压后，打开所述开闭阀，进行向所述罐填充在所述储存区间内被压缩的气体的预注射填充(例如，后述的图5的S1或图7的S21)，在所述初始升压率估计工序中，根据在执行了所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力、所述储存区间的容积和所述罐的容积，估计所述初始压力和所述初始升压率。
(4)该情况下，优选的是，在所述初始升压率估计工序中，根据在执行所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力、所述储存区间的容积和所述罐的容积来估计所述初始压力，进而，根据估计出的该初始压力、在执行所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力和所述预注射填充所花费的时间，估计所述初始升压率。
(5)该情况下，优选的是，所述气体填充方法还具有容积估计工序(例如，后述的图5的S9，或图7的S24)，在该容积估计工序中，取得在固定的升压率下在规定的期间内对所述罐填充的气体的量，使用取得的该气体的量来估计所述罐的容积。
(6)该情况下，优选的是，在所述初始升压率估计工序中，利用所述供给源与所述移动体之间的通信来取得所述罐的容积，使用取得的该容积(例如，后述的容积发送值VIR)估计所述初始压力和所述初始升压率，所述初始升压率估计工序、所述基准升压率计算工序和所述目标升压率设定工序是在开始所述正式填充工序之前执行的，在所述容积估计工序中，利用在通过所述目标升压率设定工序设定的目标升压率下刚开始所述正式填充工序后的期间来估计所述罐的容积。
(7)该情况下，优选的是，所述气体填充方法还具有罐容积检验工序(例如，后述的图5的S10)，在该罐容积检验工序中，对所述初始升压率估计工序中为了估计所述初始压力和所述初始升压率而利用通信取得的所述罐的容积与所述容积估计工序中估计出的所述罐的容积进行比较。
(8)该情况下，优选的是，在所述罐容积检验工序中，利用所述通信取得的容积与所述容积估计工序中估计出的容积之差的相对误差为规定的值以上的情况下，对通过所述目标升压率设定工序设定的所述目标升压率进行修正，使用修正后的该目标升压率继续执行所述正式填充工序。
(9)该情况下，优选的是，在所述容积估计工序中，利用在所述初始填充工序中以预先决定的固定的升压率填充气体的期间来估计所述罐的容积，在所述初始升压率估计工序中，利用所述容积估计工序中估计出的所述罐的容积来估计所述初始压力和所述初始升压率。
(10)该情况下，优选的是，在所述目标升压率设定工序中，对所述目标升压率进行设定，使得所述正式填充工序的结束预想时刻与从所述基点起不执行所述初始填充工序而在所述基准升压率下执行所述正式填充工序的情况下的该正式填充工序的结束预想时刻(例如，后述的图6的结束预想时刻tend)成为相同时刻。
发明的效果
(1)在本发明中，划分为初始填充工序和正式填充工序从而从供给源向移动体的罐填充气体。在初始升压率估计工序中，估计开始初始填充工序时的罐的初始压力和初始填充工序中的罐的初始升压率，进而在基准升压率计算工序中，使用所估计出的罐的初始压力来计算基准升压率。更具体而言，将罐的压力是初始升压率估计工序中估计出的初始压力的状态作为基点，计算假定从该基点起不执行初始填充工序而开始正式填充工序的情况下的升压率作为基准升压率。然后，在目标升压率设定工序中，使用初始升压率估计工序中估计出的初始升压率与基准升压率计算工序中计算出的基准升压率之间的偏差，设定正式填充工序中的目标升压率。这里，如果直接采用基准升压率作为正式填充工序中的目标升压率，则在初始升压率比基准升压率高的情况下，如参照图8说明的那样，罐的温度上升会大于在基准升压率下预想的温度上升，罐会过度升温，可能无法适当结束正式填充工序。对此，在本发明中，对以往没有掌握的初始升压率进行估计，使用其与基准升压率之间的偏差来设定目标升压率，由此，在初始升压率比基准升压率高的情况下，能够为了修正该偏差而使目标升压率低于基准升压率，因此，能够将正式填充工序中的罐的温度上升抑制成接近在基准升压率下预想的温度上升。因此，根据本发明，即使在连接了容积小的罐的情况下，也能够防止罐的过度升温，能够适当地结束正式填充工序。
(2)在本发明中，在初始升压率比基准升压率高的情况下，使目标升压率低于基准升压率。即在本发明中，使用以往没有掌握的初始升压率，使正式填充工序中的目标升压率相对于基准升压率而后退，由此，即使在连接了容积小的罐的情况下，也能够防止罐的过度升温，能够适当地结束正式填充工序。
(3)在初始填充工序中，在关闭设于配管的开闭阀的状态下使比开闭阀靠上游侧的存储区间内的压力升压后，打开开闭阀，进行使存储区间内压缩的气体向罐猛烈填充的预注射填充。此外，在初始升压率估计工序中，如上所述，通过执行预注射填充而使从配管到罐为止的压力均匀化后，使用设于配管的压力传感器来检测配管内的压力，通过使用该压力、存储区间的容积、罐的容积来估计初始压力和初始升压率。由此，能够高精度地估计初始压力和初始升压率，因此，能够将使用这些初始压力和初始升压率设定的目标升压率设定为适当的大小。
(4)在初始升压率估计工序中，如上所述，通过执行预注射填充而使从配管到罐为止的压力均匀化后，根据使用压力传感器检测到的配管内的压力、存储区间的容积、罐的容积来估计初始压力。此外，根据这样得到的初始压力、执行预注射填充后的配管内的压力、预注射填充所花费的时间来估计初始升压率。由此，能够高精度地估计初始压力和初始升压率，因此，能够将使用这些初始压力和初始升压率设定的目标升压率设定为适当的大小。
(5)在容积估计工序中，取得在固定的升压率下在规定的期间内对罐填充的气体的量，使用该气体的量来估计罐的容积。在如上所述估计初始压力和初始升压率的情况下，需要与罐的容积有关的信息。因此，在本发明中，通过容积估计工序来估计罐的容积，由此，能够使用估计出的罐的容积来估计初始压力和初始升压率等。另外，关于与罐的容积有关的信息，能够利用在填充过程中在移动体与供给源之间构建的通信，在供给源侧在初始填充工序中掌握该信息。在这种情况下，能够在检验利用通信而取得的结果的可靠性时使用在容积估计工序中估计出的结果。
(6)在初始升压率估计工序中利用通信来取得罐的容积，使用取得的罐的容积来估计初始压力和初始升压率。此外，在到开始正式填充工序为止的期间内执行该初始升压率估计工序、使用该初始升压率估计工序中得到的结果的基准升压率计算工序和目标升压率设定工序。然后，在通过目标升压率设定工序设定的目标升压率下开始正式填充工序，在上述容积估计工序中，利用刚开始该正式填充工序后的期间来估计罐的容积。即，在本发明中，通过并行地执行正式填充工序和容积估计工序，能够不等待容积估计工序的结果而迅速地开始正式填充工序，因此能够防止填充时间变长。
(7)在本发明中，利用通过通信得到的罐的容积而暂定地设定目标升压率，在该目标升压率下开始正式填充工序后，与该正式填充工序并行地执行容积估计工序，由此，利用通信以外的途径来估计罐的容积。而且，在罐容积检验工序中，对用于暂定地设定目标升压率的通过通信得到的罐的容积与通过执行容积估计工序估计出的罐的容积进行比较。由此，能够在迅速开始正式填充工序的同时，检验与通过通信得到的罐的容积有关的信息的可靠性。
(8)在本发明中，在罐容积检验工序中利用通信取得的容积与容积估计工序中估计出的容积之差的相对误差为规定的值以上的情况下，对执行中的正式填充工序中的目标升压率进行修正，使用修正后的目标升压率继续执行正式填充工序。由此，即使在为了设定当初的目标升压率而利用通信取得的容积错误的情况下，也能够防止罐的过升温并继续填充。
(9)在本发明中，利用在初始填充工序中以固定的升压率填充气体期间来估计罐的容积，使用估计出的罐的容积来估计初始压力和初始升压率。由此，在无法利用通信来取得罐的容积的情况下，也能够估计初始压力和初始升压率，进而，使用初始压力和初始升压率来设定之后的正式填充工序中的目标升压率。
(10)在本发明中，对目标升压率进行设定，使得正式填充工序的结束预想时刻与假定将罐的压力是初始压力状态作为基点而在基准升压率下执行初始填充工序的情况下的正式填充工序的结束预想时刻成为相同时刻。由此，即使在初始升压率比基准升压率高的情况下，目标升压率也被设定为低于基准升压率，因此，即使在连接了容积小的罐的情况下，也能够防止罐的过度升温，能够适当地结束正式填充工序。
附图说明
图1是示出应用了本发明的第1实施方式的氢气填充方法的氢填充系统的结构的图。
图2是示出填充流量控制的控制电路的结构的功能框图。
图3是示出设定目标升压率的具体运算步骤的图。
图4是用于对设定目标升压率的步骤进行说明的图。
图5是示出在氢填充系统中填充氢气的步骤的流程图。
图6是示意地示出通过图5的流程图实现的氢气的填充的流程的时序图。
图7是示出示出第2实施方式的氢填充系统中填充氢气的步骤的流程图。
图8是示出填充氢气时的氢罐内的压力变化的一例的图。
具体实施方式
＜第1实施方式＞
以下，参照附图对本发明的第1实施方式进行说明。
图1是示出应用了本实施方式的氢气填充方法的氢填充系统S的结构的图。氢填充系统S是组合燃料电池车辆V和氢站9而构成的，该燃料电池车辆V将氢气作为燃料气体来进行行驶，该氢站9对该车辆V的氢罐提供氢气。以下，首先对车辆V侧的结构进行说明，接着对站9侧的结构进行说明。
车辆V具有：存储从站9提供的氢气的氢罐31；从该氢罐31延伸的车辆配管39；通过氢罐31中存储的氢气进行发电，利用发出的电力来运行的燃料电池系统(未图示)；将与氢罐31有关的数据信号发送到氢站9的红外线通信机5；以及生成从该红外线通信机5发送的数据信号的通信运算ECU 6。
车辆配管39具有：插座(receptacle)38，其供氢站9的后述的填充喷嘴92嵌合；止回阀36，其设于车辆配管39中的插座38附近，用于防止氢气从氢罐31侧向插座38逆流。
在通信运算ECU 6中连接有罐内温度传感器41和罐内压力传感器42，作为取得与上述的氢罐31有关的信息的单元。罐内温度传感器41检测氢罐31内的氢气的温度，将与检测值对应的信号发送到通信运算ECU 6。罐内压力传感器42检测氢罐31内的压力，将与检测值对应的信号发送到通信运算ECU 6。
通信运算ECU 6是由以下部分等构成的微计算机：对上述传感器41、42的检测信号进行A/D转换的接口；执行后述的信号生成处理的CPU；通过在上述处理下决定的方式对红外线通信机5进行驱动的驱动电路；存储各种数据的存储装置。
在通信运算ECU 6的存储装置中记录有与后述的数据信号生成处理的执行有关的程序、以及包含在制造车辆V时搭载的氢罐31的容积值在内的固有信息。另外，除了氢罐的容积值以外，例如，根据已知的转换规则由容积值导出的容量、氢罐的材质等能够在制造时确定的与氢罐31有关的信息也包含在该固有信息中。
通信运算ECU 6的CPU例如以包护插座38的燃料盖被打开为契机，开始生成从通信机5向氢站9发送的信号的信号生成处理。此外，通信运算ECU 6的CPU例如以检测到上述喷嘴被从插座38取下的情况或检测到燃料盖被关闭的情况等成为不能填充氢气的状态为契机，结束信号生成处理。
在信号生成处理中，按照每个规定的周期取得与氢罐内的温度的当前值相当的温度发送值TIR、与氢罐内的压力的当前值相当的压力发送值PIR、与氢罐的容积的当前值相当的容积发送值VIR，生成与这些值(TIR、PIR、VIR)对应的数据信号。使用当时的罐内温度传感器41的检测值作为温度发送值TIR。使用当时的罐内压力传感器42的检测值作为压力发送值PIR。此外，使用上述的存储装置中记录的容积值作为容积发送值VIR。
此外，在信号生成处理中，对如上所述周期性地取得的温度发送值TIR和压力发送值PIR与针对各发送值预先决定的放弃阈值进行比较，在填充过程中这些发送值的中的任意发送值超过了放弃阈值的情况下，生成用于针对氢站9请求结束填充的放弃信号。
通信运算ECU 6的驱动电路根据通过上述信号生成处理生成的数据信号和放弃信号，使红外线通信机5驱动(闪烁)。由此，向氢站9发送包含与氢罐内的状态有关的状态信息(即，温度发送值TIR和压力发送值PIR等)以及固有信息(即，容积发送值VIR等)在内的数据信号或放弃信号。
氢站9具有：以高压存储有用于对车辆V提供的氢气的蓄压器91；到达从蓄压器91排出氢气的填充喷嘴92的站配管93；设于站配管93的切断阀94a和流量控制阀94b；以及控制这些阀94a、94b的站ECU 95。
站ECU 95在填充喷嘴92与设于车辆V的插座38连接后，按照后面参照图2～图6说明的步骤对切断阀94a和流量控制阀94b进行开闭，将蓄压器91中存储的高压氢气填充到车辆V的氢罐31。
在站配管93中的流量控制阀94b与填充喷嘴92之间，设有对氢气进行冷却的冷却器96。通过这种冷却器96在对氢罐31进行填充的近前的位置处对氢气进行冷却，由此，能够抑制氢罐31内的氢气的温度上升，进而能够进行急速填充。
站ECU 95上连接有各种传感器97a、97b、97c、97d、97e，以掌握对氢罐31进行填充的近前的位置处的氢气的状态。
流量计97a设于站配管93中的切断阀94a与流量控制阀94b之间，向站ECU 95发送与站配管93中流过的氢气的每单位时间的质量、即质量流量对应的信号。站温度传感器97b设于站配管93中的冷却器96的下游侧，向站ECU 95发送与站配管93内的氢气的温度对应的信号。大气温度传感器97d检测大气的温度，将与检测值对应的信号发送到站ECU 95。另外，有时能够将通过该大气温度传感器97d检测到的大气温度视为填充开始时刻的车辆V的燃料罐内的氢气的温度。
第1站压力传感器97c设于站配管93中的流量控制阀94b与切断阀94a之间，向站ECU 95发送与站配管93内的氢气的压力对应的信号。第2站压力传感器97e设于站配管93中的比流量控制阀94b和冷却器96靠下游侧的位置，向站ECU 95发送与站配管93内的氢气的压力对应的信号。
在填充喷嘴92上设有用于与车辆V通信的红外线通信机98。红外线通信机98在将填充喷嘴92与插座38连接后，与设于车辆V的红外线通信机5对置，能够在这些通信机98、5之间经由红外线进行数据信号的收发。
图2是示出站ECU 95的填充流量控制的控制电路的结构的功能框图。在氢站中从开始填充氢气到结束填充氢气为止的气体填充工序被划分为：初始填充工序，首先试验性地填充氢气，以得到与车辆的氢罐有关的信息；以及正式填充工序，使用初始填充工序中得到的信息，在站ECU 95的填充流量控制下填充氢气(参照后述的图5的流程图等)。图2中特别图示用于实现正式填充工序中的填充流量控制的模块71～76。
平均预冷温度运算部71根据温度传感器97b的检测值TPC和流量计97a的检测值mST，计算经过预冷器后的氢气的平均温度即平均预冷温度TPC_AV。目标升压率设定部72设定目标升压率ΔPST，该目标升压率ΔPST相当于针对正式填充工序中的氢罐的升压率的目标。另外，后面参照图3来说明设定目标升压率ΔPST的具体的步骤。
目标填充压力运算部73通过使用由目标升压率设定部72设定的目标升压率ΔPST和第2站压力传感器的检测值PST2(以下也称作“填充压力”)，计算与规定时间后的填充压力的目标值相当的目标填充压力PTRGT。
反馈控制器74根据已知的反馈控制规则，决定使得填充压力PST2成为目标填充压力PTRGT的流量控制阀的指示开度，将其输入到流量控制阀的驱动装置(未图示)。驱动装置调整流量控制阀的开度，以实现该指示开度。由此，在正式填充工序中，以实现由目标升压率设定部72设定的目标升压率ΔPST的方式填充氢气。
填充完成判断部75判断氢气的填充是否完成，在判断为填充已完成的情况下，为了使氢气的填充完成，使指示开度为0或关闭切断阀94a。在填充完成判断部75中，例如定义了以下的3个填充完成条件。
第1填充完成条件是从车辆侧接收到放弃信号。填充完成判断部75在判断为满足该第1填充完成条件的情况下，为了使氢气的填充完成，使指示开度为0或关闭切断阀94a。
第2填充完成条件是填充中的氢罐的氢SOC超过规定的完成阈值。这里，氢SOC以相对于氢罐中能够存储的氢气的最大量的百分率来表示氢罐所存储的氢气的余量。填充完成判断部75将来自车辆侧的温度发送值TIR和填充压力PST2输入到已知的估计式，计算填充中的氢SOC，在该氢SOC超过上述完成阈值的情况下，为了使氢气的填充完成，使指示开度为0或关闭切断阀94a。
第3填充完成条件是填充压力PST2超过规定的完成阈值。填充完成判断部75在通过压力传感器检测到的填充压力PST2超过上述完成阈值的情况下，为了使氢气的填充完成，使指示开度为0或关闭切断阀94a。
容积估计部76使用从车辆侧发送的容积发送值VIR以外的信息，计算氢罐的容积的估计值V′。更具体而言，使用从在固定的升压率下开始填充氢气起到经过规定的时间为止的期间内的2个不同的第1时刻ta和第2时刻tb取得的值，根据下述式(1)计算氢罐的容积的估计值V′。下述式(1)是通过在上述第1时刻和第2时刻分别成立的实际存在气体方程式而导出的。
【数学式1】
在上述式(1)中，“R”是气体常数，是固定值。“dm”是上述的第1时刻与第2时刻之间的氢气的填充量的值，例如，使用通过对第1时刻至第2时刻的期间内的流量计97a的检测值进行积分而计算出的值。
“Ta”和“Tb”分别是第1时刻和第2时刻的氢罐内的氢气的温度的值。更具体而言，“Ta”例如使用第1时刻的大气温度传感器的检测值Tam。此外，“Tb”是通过对预先决定的温度预测式输入大气温度传感器的检测值、气体温度传感器的检测值等而计算的。
“Pa”和“Pb”分别是第1时刻和第2时刻的氢罐内的氢气的压力的值。更具体而言，例如“Pa”和“Pb”中分别使用第1时刻和第2时刻的第2站压力传感器的检测值PST2。但是，由于在站与车辆之间的氢气的流路中产生压损，因此在氢气的填充过程中，站侧的压力高于氢罐内的压力。因此，在如上述使用站侧的压力传感器的输出来估计“Pa”和“Pb”的情况下，由于在对其进行估计的时刻、即第1时刻和第2时刻，暂时停止氢气的填充，或者减少流量而降低压损。
此外，“Za(Pa)”和“Zb(Pb)”分别是第1时刻和第2时刻的氢罐内的氢气的压缩率因子的值。更具体而言，是通过在作为氢罐内的氢气的压力的函数而预先决定的压缩率因子的估计式中带入各时刻的压力的值“Pa”和“Pb”、各时刻的温度的值“Ta”和“Tb”等而计算的。
图3是示出在目标升压率设定部72中设定目标升压率的具体的运算步骤的图。图4是用于说明设定目标升压率的步骤的图。
初始压力估计部721在从开始初始填充工序起到开始正式填充工序为止的期间内，估计开始初始填充工序时的氢罐的压力即初始压力P0。更具体而言，初始压力估计部721在执行初始填充工序所包含的预注射填充后，在使用利用第1站压力传感器检测出的站配管内的压力、氢罐的容积等根据下述式(2)估计出开始初始填充工序时的氢罐的密度即初始密度ρ0后，通过使用该初始密度ρ0和与开始初始填充工序时的氢罐的温度相当的初始温度，根据已知的运算式来估计初始压力P0。另外，认为开始初始填充工序时的氢罐的温度大致等于外气温度，因此，在该初始温度中，例如直接使用通过大气温度传感器检测出的温度Tamb。
【数学式2】
在上述式(2)中，“VPRE”是预注射填充时暂时升压的存储区间(更具体而言，站配管内的从切断阀到流量控制阀之间的区间)的容积，使用预先决定的值。此外，“ρPRE”是在即将开始预注射填充时的在上述存储区间内封入的气体的密度。使用在即将开始预注射填充时使用第1站压力传感器检测出的存储区间内的压力PST1和即将开始预注射填充时的存储区间内的温度，来计算该密度ρPRE。另外，即将开始该预注射填充时的存储区间内的温度可以使用未图示的温度传感器而直接取得，或者也可以使用已知的运算式来进行估计。
此外，在上述式(2)中，“ρ1”是预注射填充后的氢罐中填充的气体的密度。该密度ρ1使用在紧接着预注射填充后使用第1或第2站压力传感器检测到的站配管内的压力和紧接着预注射填充后的氢罐内的温度。另外，关于紧接着该预注射填充后的氢罐的温度，例如能够使用氢罐的初始温度T0、即将开始上述的预注射填充时的存储区间内的温度等，根据已知的运算式进行估计。此外，“V”是氢罐的容积，使用从车辆侧发送的容积发送值VIR或通过上述容积估计部76计算出的估计值V′。此外，上述式(2)是根据在预注射填充的前后成立的质量守恒定律而导出的。
另外，在预注射填充的前后氢罐的温度基本相同这样的假定妥当的情况下，与上述式(2)同样的下述式(3)对于初始压力P0成立。因此，在这种假定妥当的情况下，也可以不如上所述经过初始密度ρ0的计算，而是使用下述式(3)直接计算初始压力P0。另外，在下述式(3)中，“PPRE”是即将开始预注射填充时的上述存储区间内的压力，使用在即将开始预注射填充时使用第1站压力传感器检测出的存储区间内的压力PST1。此外，“P1”是预注射填充后的氢罐的压力，使用在紧接着预注射填充后使用第1或第2站压力传感器检测到的站配管内的压力。另外，认为在接着预注射填充后，站配管内的压力在第1站压力传感器的检测部位和第2站压力传感器的检测部位大致相等，因此，上述压力P1也可以使用第1站压力传感器，也可以使用第2站压力传感器。
【数学式3】
初始升压率估计部722在从开始初始填充工序起到开始正式填充工序为止的期间内，估计从开始初始填充工序起到结束初始填充工序为止的期间的氢罐的升压率即初始升压率ΔP0。更具体而言，在初始升压率估计部722中，使用由初始压力估计部721估计出的初始压力P0、预注射填充后的氢罐的压力P1以及初始填充工序所花费的时间tPRE(＝t1-t0)，通过下述式(4)来估计初始升压率ΔP0。该初始升压率ΔP0在图3的例中相对于单点划线A-C的斜率。
【数学式4】
基准升压率运算部723计算在设定正式填充工序中的目标升压率ΔPST时作为基准的基准升压率ΔPBS。该基准升压率是如下的理想的升压率：该升压率被决定为，使得在假定不执行初始填充工序而在固定的升压率下开始正式填充工序的情况下，在填充满之前氢罐的温度不会超过规定的上限并且能够在尽可能短的时间内填充满。基准升压率运算部723在输入了根据填充的开始时刻和开始时刻的氢罐的初始压力来确定的基点、氢罐的容积、外气温度以及氢气温度后，根据这些参数来检索预先决定的映射图(未图示)，从而计算上述的理想升压率。
更具体而言，在基准升压率运算部723中，将基点(图4的标记A)用作计算基准升压率ΔPBS时的输入参数，该基点是根据初始填充工序的开始时刻(图4的时刻t0)和由初始压力估计部721估计出的初始压力P0来确定的。由此，计算与图4中虚线A-B的斜率相当的基准升压率ΔPBS。此外，关于作为计算基准升压率ΔPBS时使用的输入参数的氢罐的容积，使用从车辆侧发送的容积发送值VIR或由容积估计部76计算出的估计值V′，使用由大气温度传感器检测出的大气温度Tamb作为外气温度，使用由平均预冷温度运算部71计算出的平均预冷温度TPC_AV作为氢气温度。
后退运算部724通过使用基准升压率ΔPBS与初始升压率ΔP0之间的偏差来在基准升压率ΔPBS的附近设定目标升压率ΔPST。更具体而言，在后退运算部724中，在初始升压率为基准升压率以下的情况下(ΔP0≦ΔPBS)，直接采用基准升压率ΔPBS作为目标升压率ΔPST(ΔPBS＝ΔPST)。与此相对，在初始升压率为基准升压率以上的情况下(ΔP0＞ΔPBS)，为了对该偏差进行补偿而将目标升压率ΔPST设定为低于基准升压率ΔPBS。更具体而言，在后退运算部724中将目标升压率ΔPST设定为低于基准升压率ΔPBS，使得正式填充工序的结束预想时刻与从基点A起不执行初始填充工序而在基准升压率ΔPBS下执行正式填充工序的情况下的该假定的正式填充工序的结束预想时刻tend成为相同时刻。
接着，对在以上那样的氢填充系统中填充氢气的具体步骤进行说明。
图5是示出在氢填充系统中填充氢气的步骤的流程图。对应于氢站的填充喷嘴被连接至车辆的插座且成为能够填充氢气和进行通信的状态而开始该处理。如图5所示，从开始氢气的填充起到结束填充为止的气体填充工序被划分为试验性地填充氢气的初始填充工序(S1至S7)和在规定的目标升压率下填充氢气的正式填充工序(S8以后)。
在S1中，氢站执行预注射填充。更具体而言，在将设于站配管的流量控制阀关紧的状态下，打开设于其上游侧的切断阀，将站配管内升压至设于比流量控制阀靠上游侧的位置的第1站压力传感器的检测值示出规定的值后，关闭切断阀。由此，在站配管内的从流量控制阀到切断阀为止的存储区间内，填充与压力对应的量的氢气。接着，在关闭切断阀的状态下打开流量控制阀。由此，在上述存储区间内压缩的氢气一下流入氢罐内，氢罐内和站配管内被均匀化。
在S2中，氢站暂时停止填充，执行确认有无填充泄漏的泄漏检查。在S3中，氢站通过利用通信而从车辆取得容积发送值VIR。在S4中，氢站使用S3中取得的容积发送值VIR，按照参照上述式(2)说明的步骤，估计开始初始填充工序时的氢罐的初始密度ρ0和初始压力P0。在S5中，氢站使用S4中估计出的初始压力P0，按照参照上述式(4)说明的步骤来估计初始填充工序中的初始升压率ΔP0。
在S6中，氢站将在S1的预注射填充的开始时刻、氢罐的压力是S3中估计出的初始压力P0的状态作为基点，按照参照图3说明的步骤来计算基准升压率ΔPBS。在S7中，氢站使用S6中计算出的基准升压率ΔPBS与S5中估计出的初始升压率ΔP0之间的偏差，由此，按照参照图3说明的步骤来设定正式填充工序中的目标升压率ΔPST。
在S8中，氢站在S7中设定的目标升压率ΔPST下开始正式填充工序。在S9中，利用在目标升压率ΔPST下刚开始正式填充工序后的期间，按照参照上述式(1)说明步骤来计算氢罐的容积的估计值V′。
在S10中，判定S9中取得的容积估计值V′与容积发送值VIR之差的相对误差(|V′-VIR|/V′)是否为正的规定的值以上，该容积发送值VIR是为了在初始压力P0的估计和目标升压率ΔPST的设定等中使用而在S3中取得的。在S10的判定为否的情况下，检验为利用通信取得的容积发送值VIR是正确的，接着继续执行正式填充工序(参照S11)。此外，在S10的判定为是的情况下，利用通信的取得的容积发送值VIR不正确，因此判断为使用该容积发送值VIR而设定的初始压力P0、初始升压率ΔP0和基准升压率ΔPBS以及使用它们而设定的目标升压率ΔPST是不妥当的，对目标升压率ΔPST进行修正，使用修正后的该目标升压率ΔPST′继续执行正式填充工序(参照S12)。这里，新的目标升压率ΔPST′使用如下的值，该值是使用S9中取得的容积估计值V′再次计算初始压力、初始升压率和基准升压率，并使用它们来重新设定的值。
图6是示意地示出通过图5的流程图而实现的氢气的填充的流程的时序图。在图6中，实线表示实际的罐内的压力的变化，虚线表示在基准升压率下填充氢气的情况下的罐内的压力的变化。
首先，在时刻t0～t1，执行预注射填充和泄漏检查(图5的S1～S2参照)。由此，氢罐内的压力从P0上升至P1。
接着，在时刻t1，取得容积发送值VIR(参照S3)，使用该容积发送值VIR来估计开始预注射填充的时刻的氢罐的初始压力P0(参照S4)。此外，在时刻t1，使用估计出的初始压力P0，对由预注射填充和泄漏检查构成的初始填充工序中的初始升压率ΔP0(＝(P1-P0)/(t1-t0))进行估计，计算以时刻t0和初始压力P0为基点的基准升压率ΔPBS(参照S6)。此外，在时刻t1，使用初始升压率ΔP0与基准升压率ΔPBS之间的偏差来设定目标升压率ΔPST，在该目标升压率ΔPST下开始正式填充工序(参照S8)。这里，如图6所示，在初始升压率ΔP0大于基准升压率ΔPBS的情况下，将目标升压率ΔPST设定为低于基准升压率ΔPBS，使得正式填充工序在与结束预想时刻tend相同的时刻结束，该结束预想时刻tend是在基准升压率ΔPBS下不执行初始填充工序而开始正式填充工序的情况下的结束预想时刻。
在开始正式填充工序后，在时刻t2，利用在时刻t1～t2的期间内在目标升压率ΔPST下填充氢气的期间，计算容积估计值V′(参照S9)，进而对该容积估计值V′和之前利用通信取得的容积发送值VIR进行比较，检验为了最终设定目标升压率ΔPST而取得的容积发送值VIR是否妥当(参照S10)。这里，在检验为容积发送值VIR妥当后，接着继续执行正式填充工序，正式填充工序在结束预想时刻tend结束。
＜第2实施方式＞
接着，参照附图对本发明的第2实施方式进行说明。另外，在以下的本实施方式的说明中，针对与第1实施方式之间的不同点，省略图示及其说明。在第1实施方式的氢填充系统中，针对通过利用车辆与氢站之间构筑的通信能够在氢站侧取得氢罐的容积发送值VIR的情况进行了说明(参照图5的S3)。与此相对，在本实施方式的氢填充系统中，针对由于某些理由而无法在氢站侧取得氢罐的容积发送值VIR的情况进行说明。
图7是示出在本实施方式的氢填充系统中填充氢气的步骤的流程图。对应于氢站的填充喷嘴连接至车辆的插座且成为能够填充氢气和进行通信的状态而开始。如图7所示，从开始氢气的填充起到结束填充为止的气体填充工序被划分为试验性地填充氢气的初始填充工序(S21至S28)和在规定的目标升压率下填充氢气的正式填充工序(S29以后)。
在S21和S22中，氢站与图5的S1和S2同样地执行预注射填充和泄漏检查。在S23中，氢站为了估计氢罐的容积，以预先决定的固定的升压率在规定的期间内填充氢气。另外，在该时刻，氢站无法掌握氢罐的容积，因此，将目标升压率设定为预想的值中的最低值。
在S24中，氢站利用S23中在规定的升压率下在规定的期间内填充氢气的期间，按照参照上述式(1)说明的步骤来计算氢罐的容积的估计值V′。
在S25中，氢站使用容积估计值V′，按照参照上述式(2)说明的步骤，估计开始初始填充工序时的氢罐的初始密度ρ0和初始压力P0。在S26中，氢站使用S25中估计出的初始压力P0，按照参照上述式(4)说明的步骤，估计初始填充工序中的初始升压率ΔP0。
在S27中，氢站将在S1的预注射填充的开始时刻、氢罐的压力是S25中估计出的初始压力P0的状态作为基点，按照参照图3说明的步骤来计算基准升压率ΔPBS。在S28中，氢站通过使用S27中计算出的基准升压率ΔPBS和S26中估计出的初始升压率ΔP0之间的偏差，按照参照图3说明的步骤，设定正式填充工序中的目标升压率ΔPST。在S29中，氢站在S28中设定的目标升压率ΔPST下执行正式填充工序。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于此。在本发明的主旨的范围内，能够适当变更细部的结构。
标号说明
S…氢填充系统；V…燃料电池车辆(移动体)；31…氢罐(罐)；39…车辆配管(配管)；9…氢站；91…蓄压器(供给源)；93…站配管(配管)；94b…流量控制阀(开闭阀)；97c…第1站压力传感器(压力传感器)。

Claims (10)

1.一种移动体的气体填充方法，利用配管对压缩气体的供给源和搭载于移动体的罐进行连接，对该罐填充气体，其特征在于，
从开始气体的填充起到结束填充为止的气体填充工序被划分为：
初始填充工序，填充气体，以得到与所述罐有关的信息；以及
正式填充工序，使用在执行所述初始填充工序的期间内得到的信息来填充气体，使得实现所决定的目标升压率，
该气体填充方法具有：
初始升压率估计工序，估计开始所述初始填充工序时的所述罐的初始压力和该初始填充工序中的所述罐的初始升压率；
基准升压率计算工序，将所述罐的压力是所述初始压力的状态作为基点，计算假定从该基点起不执行所述初始填充工序而开始所述正式填充工序的情况下的所述罐的基准升压率；以及
目标升压率设定工序，使用所述初始升压率与所述基准升压率之间的偏差来设定所述正式填充工序中的所述目标升压率。
2.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述目标升压率设定工序中，在所述初始升压率比所述基准升压率高的情况下，使所述目标升压率低于所述基准升压率。
3.根据权利要求1或2所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述配管上设有开闭阀和对比该开闭阀靠上游侧的位置处的压力进行检测的压力传感器，
在所述初始填充工序中，在关闭所述开闭阀的状态下使所述配管中的比所述开闭阀靠上游侧的规定的储存区间内的压力升压后，打开所述开闭阀，进行向所述罐填充在所述储存区间内被压缩的气体的预注射填充，
在所述初始升压率估计工序中，根据在执行了所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力、所述储存区间的容积和所述罐的容积，估计所述初始压力和所述初始升压率。
4.根据权利要求3所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述初始升压率估计工序中，根据在执行所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力、所述储存区间的容积和所述罐的容积来估计所述初始压力，进而，根据估计出的该初始压力、在执行所述预注射填充后使用所述压力传感器检测到的所述配管内的压力和所述预注射填充所花费的时间，估计所述初始升压率。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的气体填充方法，其特征在于，
所述气体填充方法还具有容积估计工序，在该容积估计工序中，取得在固定的升压率下在规定的期间内对所述罐填充的气体的量，使用取得的该气体的量来估计所述罐的容积。
6.根据权利要求5所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述初始升压率估计工序中，利用所述供给源与所述移动体之间的通信来取得所述罐的容积，使用取得的该容积估计所述初始压力和所述初始升压率，
所述初始升压率估计工序、所述基准升压率计算工序和所述目标升压率设定工序是在开始所述正式填充工序之前执行的，
在所述容积估计工序中，利用在通过所述目标升压率设定工序设定的目标升压率下刚开始所述正式填充工序后的期间来估计所述罐的容积。
7.根据权利要求6所述的气体填充方法，其特征在于，
所述气体填充方法还具有罐容积检验工序，在该罐容积检验工序中，对所述初始升压率估计工序中为了估计所述初始压力和所述初始升压率而利用通信取得的所述罐的容积与所述容积估计工序中估计出的所述罐的容积进行比较。
8.根据权利要求7所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述罐容积检验工序中，利用所述通信取得的容积与所述容积估计工序中估计出的容积之差的相对误差为规定的值以上的情况下，对通过所述目标升压率设定工序设定的所述目标升压率进行修正，使用修正后的该目标升压率继续执行所述正式填充工序。
9.根据权利要求5所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述容积估计工序中，利用在所述初始填充工序中以预先决定的固定的升压率填充气体的期间来估计所述罐的容积，
在所述初始升压率估计工序中，利用所述容积估计工序中估计出的所述罐的容积来估计所述初始压力和所述初始升压率。
10.根据权利要求1至8中的任意一项所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述目标升压率设定工序中，对所述目标升压率进行设定，使得所述正式填充工序的结束预想时刻与从所述基点起不执行所述初始填充工序而在所述基准升压率下执行所述正式填充工序的情况下的该正式填充工序的结束预想时刻成为相同时刻。
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