CN110319343B - 气体填充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气体填充方法，即使是容量小的气罐也能精度良好地估计气罐的容积。氢填充系统具备：具有压缩的氢气的蓄压器的加氢站；具有受纳氢气的氢气罐的车辆；将蓄压器和氢气罐连接的连接配管；和设于该连接配管的流量传感器以及站压力传感器。氢气填充方法是通过上述氢填充系统从蓄压器向氢气罐填充氢气的方法，在开始从蓄压器向氢气罐的氢气的填充后，基于流量传感器以及站压力传感器的检测值和连接配管的容积值来估计氢气罐的容积。

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，涉及将压缩气体的提供源和搭载于移动体的气罐用配管连接、对移动体的气罐填充气体的气体填充方法。
背景技术
燃料电池车辆通过将含氧的空气和燃料气体即氢气提供到燃料电池，利用由此发电的电力来驱动电动机，从而进行行驶。近年来，将这样的燃料电池作为用于产生动力的能量源利用的燃料电池车辆的实用化在推进。为了在燃料电池中进行发电而需要氢气，但在近年的燃料电池车辆中，在具备高压气罐或储藏合金的氢气罐内预先贮藏足够量的氢气，在行驶中利用气罐内的氢气，这成为主流。另外，与此配合，与在加氢站对气罐内迅速填充尽可能多的量的氢气的填充技术相关的研究也正在推进。
另外，为了向气罐内迅速填充氢气，需要在加氢站侧尽可能快地取得与气罐相关的信息。由此，加氢站中将氢气填充到气罐的工序分为：初始填充工序，为了取得氢气罐的信息而试验性地填充气体；和正式填充工序，使用在该初始填充工序取得的信息确定目标升压率，填充气体使得该目标升压率得以实现。
另外作为要在加氢站侧取得的气罐的信息之一，有气罐的容积。另外作为取得气罐容积的具体的手段而有：1.通过使用从车辆侧发送的红外线通信信号(IR通信信号)来进行估计；2.通过在初始填充工序填充少量的气体来进行估计。另外在不能取得容积的情况下，以最慢的填充速度进行填充。另外，2.的具体例例如在由本申请申请人提出的专利文献1中示出。在专利文献1的方法中，通过联立在2个不同时刻成立的气体方程式来估计气罐容积。因此在用该方法估计气罐的容积的情况下，在初始填充工序填充的氢气的量越多，容积的估计精度就越提升。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/159314号公报
然而近年来，随着燃料电池车辆的进一步普及，巴士那样大型的燃料电池车辆和二轮车这样小型的燃料电池车辆的开发也在推进。这样的大型或小型的燃料电池车辆中所用的气罐想定为超过或低于想定现有的普通乘用车的燃料电池车辆中规定的2.0～10.0kg的范围。另外，以下将2.0～10.0kg的范围内的气罐称作普通气罐，将超过10.0kg的罐称作大型气罐，将低于2.0kg的气罐称作小型气罐。
但在使用现有的估计方法估计这样的大型气罐的容积的情况下，由于填充的氢气量不足而压力几乎不变化，因此作为结果有可能会估计精度降低。另外在使用现有的估计方法估计小型气罐的容积的情况下，填充的氢气量会变得过剩，有可能在估计气罐容积前就达到过升温或过填充。
发明内容
本发明目的在于，提供能对各种大小的气罐精度良好地估计容积的气体填充方法。
(1)气体填充系统具备：具有压缩气体的提供源的气体提供装置；具有受纳气体的气罐的移动体；将所述提供源和所述气罐连接的配管；和设于该配管的流量传感器以及压力传感器。本发明所涉及的气体填充方法通过气体填充系统从所述提供源向所述气罐填充气体，其特征在于，具备容积估计工序，在开始从所述提供源向所述气罐的气体的填充后，基于所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值和所述配管的容积值来估计所述气罐的容积即气罐容积。
(2)在该情况下优选，所述气体填充方法还具备：系数算出工序，基于停止从所述提供源向所述气罐的气体的填充时的所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值来算出与在气体流过所述配管时产生的压力损失相关的系数的值，在所述容积估计工序中，基于所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值、所述配管的容积值和基于所述系数的值算出的压力损失值，来估计所述气罐容积。
(3)优选地，在该情况下，向所述气罐填充气体的工序分为：为了掌握所述气罐的状态而填充气体的初始填充工序；和填充气体使得给定的目标升压率得以实现的正式填充工序，所述容积估计工序基于进行所述正式填充工序期间的所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值来估计所述气罐容积。
(4)优选地，在该情况下，所述气体填充方法还具备：初始压估计工序，在开始所述初始填充工序后，基于所述压力传感器的检测值估计开始所述初始填充工序前的所述气罐的初始压，在所述正式填充工序中，开始气体的填充，使得基于在所述初始压估计工序算出的初始压的估计值而确定的目标升压率得以实现，并在所述初始压估计工序结束后立即开始该正式填充工序。
(5)优选地，在该情况下，在所述容积估计工序中算出的所述气罐容量的估计值为给定范围外的情况下，停止从所述提供源向所述气罐的气体的填充。
(6)优选地，在该情况下，所述气体提供系统具备接受利用者为了指定气罐种类而进行的操作的输入单元，所述气体填充方法还具备：判定工序，判定经由所述输入单元指定的气罐种类是否是比给定的标准容积小的小型气罐或比所述标准容积大的大型气罐，在所述正式填充工序中，基于气体的填充中的所述压力传感器以及所述流量传感器的检测值算出与从给定的填充开始时刻到填充结束预定时刻的时间相当的填充时间，基于该填充时间决定所述目标升压率，使得在所述填充结束预定时刻所述气罐成为满填充，并在所述判定工序中判定为气罐种类是小型气罐的情况下，将所述填充开始时刻设定为所述初始填充工序的开始时刻。
(7)优选地，在该情况下，在所述容积估计工序中，基于下述式(1)来算出所述气罐容积的估计值V′。
【数学式1】
Figure BDA0002011888610000031
在式(1)中，“ΔM”是在初始填充工序的开始后的任意的2个时刻t0以及t1之间通过所述配管的气体的质量，“Vtube”是所述配管的容积值，“R”是气体常数，“T1”是时刻t1的所述气罐内的气体的温度，“P1”是时刻t1的所述气罐内的压力，“z1”是时刻t1的所述气罐内的气体的压缩系数，“ρ0”是时刻t0的所述气罐内的气体的密度。
发明的效果
(1)在本发明中，在开始从提供源向气罐的气体的填充后，基于设于将提供源和气罐连接的配管的流量传感器以及压力传感器的检测值和配管的容积值来估计气罐容积。从提供源流出的气体的一部分未填充在气罐而留在配管内。因此在本发明中，由于通过使用配管的容积值估计气罐容积，能考虑从提供源流出的气体当中未填充在气罐内而留在配管内的部分，因此能精度良好地估计气罐容积。另外，在气罐的容积小的情况下，相对于该气罐的容积的配管的容积的比例也变大。因此本发明特别适于精度良好地估计容积小的气罐的容积。
(2)在移动体中，搭载向气体提供装置侧发送气罐容积或气罐内的温度、压力等信息的通信单元的情况较多。但在气体提供装置中进行的填充控制基本基于搭载于气体提供装置的比较高精度的传感器来进行的情况较多。但关于搭载于气体提供装置侧的压力传感器的检测值，由于若是填充中且在配管流过气体，则在配管内会产生压力损失，因此气体提供装置侧的压力传感器的检测值示出比实际的移动体的气罐的压力高了这部分的值，作为结果，成为在容积的估计中出现误差的原因。与此相对，在本发明中，基于停止从提供源向气罐的气体的填充时的流量传感器以及压力传感器的检测值来算出在气体的填充时在配管产生的压力损失所相关的系数的值，在估计容积时，基于流量传感器以及压力传感器的检测值、配管的容积值和基于上述系数的值算出的压力损失值来估计气罐容积。因此，根据本发明，由于能基于设于配管的压力传感器的检测值和配管中的压力损失值估计气罐内的压力，因此不用进一步为了容积估计使填充中断就能精度良好地估计气罐容量。
(3)在本发明中，将向气罐填充气体的工序分为为了掌握气罐的状态而填充气体的初始填充工序和填充气体使得目标填充率得以实现的正式填充工序，在容积估计工序中，基于进行正式填充工序之间的流量传感器以及压力传感器的检测值来估计气罐容积。由此在本发明中，由于能基于进行填充以实现已知的目标升压率的期间的流量传感器以及压力传感器的检测值来估计气罐容积，因此能进一步提升估计精度。即，通过从现有手法的填充预先确定的一定量的气体来估计气罐的容积的所谓“定量填充方式”改变为在以适合气罐的流量填充气体的正式填充工序中填充一定时间来估计气罐的容积的所谓“定时间填充方式”，能在填充了分别适合连接的气罐的容积的量的状态下估计气罐容积，因此不管大型、普通、小型，能在全部大小的气罐确保同等的估计精度。
(4)在本发明中，在初始压估计工序中，在估计开始初始填充工序前的气罐的初始压后立即开始正式填充工序。另外在正式填充工序中，填充气体，使得实现基于在初始压估计工序算出的初始压的估计值而确定的目标升压率。
(5)在本发明中，在算出的气罐容积的估计值为给定范围外的情况下，停止从提供源向气罐的气体的填充。由此，检测适于进行填充的气罐的填充模式、或未选择填充映射的状态，进而能避免在错误的目标升压率下继续填充而以至于过升温。
(6)在本发明中，在正式填充工序中，基于气体的填充中的压力传感器以及流量传感器的检测值来算出相当于从给定的填充开始时刻到填充结束预定时刻的时间的填充时间，基于该填充时间来决定目标升压率，使得在填充结束预定时刻气罐成为满填充。另外，在由利用者指定为气罐种类是小型气罐的情况下，在正式填充工序中，将成为正式填充工序的基点的填充开始时刻设定为初始填充工序的开始时刻。由此，由于能考虑在初始填充工序中试验性地填充气罐的量的气体进行正式填充工序，因此能对小的容量的气罐，能不至于过填充而精度良好地将气罐满填充。
(7)在本发明中，通过基于上述式(1)估计气罐容量，能精度良好地估计气罐容量。
附图说明
图1是表示运用本发明的一个实施方式所涉及的氢气填充方法的氢填充系统的结构的图。
图2是表示站ECU进行的填充流量控制的控制电路的结构的功能框图。
图3是用于说明由配管压损估计部算出连接配管中的压力损失值的过程的图。
图4A是表示由氢填充系统填充氢气的过程的流程图。
图4B是表示由氢填充系统填充氢气的过程的流程图。
图5是示意表示通过图4A以及图4B的流程图实现的氢气的填充的流程的时序图。
附图标记的说明
S 氢填充系统(气体填充系统)
M 车辆(移动体)
31 氢气罐(气罐)
39 车辆配管(配管)
72 目标升压率设定部
76 容积估计部
77 初始压估计部
78 配管压损估计部
9 加氢站(气体提供装置)
91 蓄压器(提供源)
93 站配管(配管)
95 站ECU
97a 流量传感器
97c 站压力传感器(压力传感器)
99 操作面板(输入单元)
具体实施方式
以下参考附图来说明本发明的一个实施方式。
图1是表示运用本实施方式所涉及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组合具有压缩的氢气的提供源的加氢站9、和具有受纳从该加氢站9提供的氢气的氢气罐的燃料电池车辆M(以下仅称作“车辆M”)而构成。本实施方式所涉及的氢气填充方法是从加氢站9对车辆M的气罐填充氢气的方法，由该氢填充系统S实现。以下，最初说明车辆M侧的结构，然后说明加氢站9侧的结构。
车辆M具备存积氢气的气罐和将存积于气罐的氢气和空气作为燃料气体进行发电的燃料电池系统(未图示)，是通过使用在该燃料电池系统发电的电力驱动电动机而行驶的燃料电池自动二轮车。以下，对将车辆M设为燃料电池自动二轮车的情况进行说明，但本发明并不限于此。只要是具备存积氢气的气罐的移动体，本发明就能适用于任何移动体。
车辆M具备：贮藏从加氢站9提供的氢气的氢气罐31；从该氢气罐31延伸的车辆配管39；通过贮藏于氢气罐31的氢气发电、利用发电的电力进行行驶的燃料电池系统(未图示)；将与氢气罐31相关的数据信号发送到加氢站9的红外线通信机5；和生成从该红外线通信机5发送的数据信号的通信运算ECU6。另外，以下，作为车辆M而对具备红外线通信机5以及通信运算ECU6的车辆进行说明，但本发明并不限于此。本发明还能运用在没有红外线通信机5以及通信运算ECU6的车辆M中。
车辆配管39具备：加氢站9的后述的填充管嘴92所嵌合的插座38；和设于车辆配管39当中插座38的近旁、防止氢气从氢气罐31侧向插座38倒流的止回阀36。
在通信运算ECU6连接气罐内温度传感器41和气罐内压力传感器42，作为取得上述的关于氢气罐31的信息的手段。气罐内温度传感器41检测氢气罐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ECU6。气罐内压力传感器42检测氢气罐31内的压力，将与检测值对应的信号发送到通信运算ECU6。
通信运算ECU6是由对上述传感器41、42的检测信号进行A/D变换的接口、执行后述的信号生成处理的CPU、用在上述处理下决定的方式驱动红外线通信机5的驱动电路、存储各种数据的存储装置等构成的微型计算机。
在通信运算ECU6的存储装置中记录后述的数据信号生成处理的执行所涉及的程序、包含在制造车辆M的时间点搭载的氢气罐31的容积值的固有信息。另外，除了氢气罐的容积值以外，例如从容积值通过已知的变换法则导出的容量或氢气罐的材质等在制造时间点能确定的关于氢气罐31的信息也包含在该固有信息中。
通信运算ECU6的CPU例如以保护插座38的燃料盖打开为契机，开始生成从通信机5向加氢站9发送的信号的信号生成处理。另外，通信运算ECU6的CPU例如以上述管嘴从插座38拆下而成为变得不再能进行氢气的填充的状态为契机，来结束信号生成处理。
在信号生成处理中，每隔给定的周期取得相当于氢气罐内的温度的当前的值的温度发送值TIR、相当于氢气罐内的压力的当前的值的压力发送值PIR和相当于氢气罐的容积的当前的值的容积发送值VIR，生成与这些值(TIR、PIR、VIR)相应的数据信号。温度发送值TIR使用这时的气罐内温度传感器41的检测值。压力发送值PIR使用这时的气罐内压力传感器42的检测值。另外容积发送值VIR使用记录于上述的存储装置的值。
通信运算ECU6的驱动电路对应于通过上述信号生成处理生成的数据信号以及中止信号使红外线通信机5驱动(亮灭)。由此将包含与氢气罐内的状态相关的状态信息(即温度发送值TIR以及压力发送值PIR等)和固有信息(即容积发送值VIR等)的数据信号发送到加氢站9。
加氢站9具备：以高压贮藏用于提供到车辆M的氢气的蓄压器91；达到从蓄压器91喷出氢气的填充管嘴92的站配管93；设于站配管93的阻断阀94a以及流量控制阀94b；控制这些阀94a、94b的站ECU95；和加氢站9的利用者(例如车辆M的驾驶者)能操作的操作面板99。
站ECU95在填充管嘴92与设于车辆M的插座38连接后，按照之后参考图2～图5说明的过程开闭阻断阀94a以及流量控制阀94b，将贮藏于蓄压器91的高压氢气填充到车辆M的氢气罐31。
在氢填充系统S中，若将填充管嘴92连接到插座38，则由作为构成加氢站9的部件的站配管93和作为构成车辆M的部件的车辆配管39形成一根配管。由该配管将搭载于车辆M的氢气罐31和蓄压器91连接。
在站配管93当中的流量控制阀94b与填充管嘴92之间设有冷却氢气的预冷器96。通过由这样的预冷器96在填充到氢气罐31的近前的位置冷却氢气，来抑制氢气罐31内的氢气的温度上升，进而能进行急速填充。
在站ECU95，为了掌握填充到氢气罐31的近前的位置的氢气的状态而连接各种传感器97a、97b、97c、97d。
流量传感器97a设于站配管93当中阻断阀94a与流量控制阀94b之间，将与流过站配管93的氢气的每单位时间的质量、即质量流量对应的信号发送到站ECU95。
站温度传感器97b设于站配管93当中预冷器96的下游侧，将与站配管93内的氢气的温度对应的信号发送到站ECU95。
站压力传感器97c设于站配管93当中流量控制阀94b与阻断阀94a之间，将与站配管93内的氢气的压力对应的信号发送到站ECU95。
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ECU95。另外，存在能将由该大气温度传感器97d检测的大气温度视作填充开始时间点的车辆M的燃料气罐内的氢气的温度的情况。
在填充管嘴92设有用于与车辆M进行通信的红外线通信机98。若将填充管嘴92连接到插座38，红外线通信机98就与设于车辆M的红外线通信机5对置，能在这些通信机98、5间进行经由红外线的数据信号的收发。
操作面板99是利用者通过氢填充系统S来执行氢气的填充时检测利用者为了指定车辆M的气罐的种类而进行的输入操作的触控面板。在操作面板99显示意味搭载于一般的燃料电池自动二轮车的氢气罐(例如容量不足2.0kg的气罐)的“小型气罐”的文字、意味搭载于一般的四轮的普通乘用车的燃料电池车辆的氢气罐(例如容量2.0kg以上不足10.0kg的气罐)的“普通气罐”的文字、意味搭载于巴士等燃料电池车辆的氢气罐(例如容量10.kg以上的气罐)的“大型气罐”的文字。操作面板99在由利用者触摸显示为“小型气罐”的部分的情况下，将表示利用者指定的气罐种类是“小型气罐”的信号发送到站ECU95。另外，操作面板99在由利用者触摸显示为“普通气罐”的部分的情况下，将表示利用者指定的气罐种类是“普通气罐”的信号发送到站ECU95。另外，操作面板99在由利用者触摸显示为“大型气罐”的部分的情况下，将表示利用者指定的气罐种类是“大型气罐”的信号发送到站ECU95。
图2是表示站ECU95进行的填充流量控制的控制电路的结构的功能框图。加氢站中开始氢气的填充到结束的气体填充工序分为：最初为了掌握车辆的氢气罐的状态而试验性地填充氢气的初始填充工序；和确定目标升压率并在站ECU95的填充流量控制下填充氢气以使该目标升压率得以实现的正式填充工序(参考后述的图4A以及图4B的流程图等)。在图2中，特别图示了用于实现正式填充工序中的填充流量控制的模块71～78。
质量平均温度运算部71基于站温度传感器的检测值以及流量传感器的检测值来算出经过预冷器后的氢气的质量平均温度MAT。该质量平均温度MAT为了在目标升压率设定部72设定目标升压率而用。然而，在刚开始正式填充工序后，直到站温度传感器的检测值实际到达从预冷器流出的气体的温度为止需要数十秒程度的时间。因此，在质量平均温度运算部71中，在开始正式填充工序起直到经过数十秒程度(更具体例如30秒)为止的期间，不使用站温度传感器的检测值，输出预先设定的值作为质量平均温度MAT。
目标升压率设定部72基于由质量平均温度运算部71算出的质量平均温度MAT，来设定相当于针对正式填充工序中的氢气罐的升压率的目标的目标升压率ΔPST。更具体地，目标升压率设定部72通过逐次进行以下所示的运算来设定目标升压率ΔPST。
最初，目标升压率设定部72通过基于质量平均温度MAT以及大气温度传感器97d的检测值Tamb进行下述式(2)所示的运算，来算出相当于从给定的填充开始时刻tini到给定的填充结束预定时刻为止的时间的填充时间tfinal。
【数学式2】
tfinal＝a(Tamb)MAT3+b(Tamb)MAT2+c(Tamb)MAT+d(Tamb) (2)
在上述式(2)中，系数“a”、“b”、“c”以及“d”的值分别通过基于大气温度传感器97d的检测值Tamb检索预先选择的系数值决定映射来算出。系数值决定映射是将大气温度和上述4个系数的值建立关联的映射。在目标升压率设定部72，按氢气罐的每种容积确定多个这样的系数值决定映射。在由后述的容积估计部76得到氢气罐的容积的估计值V′的情况下，目标升压率设定部72选择与该估计值V′相应的系数值决定映射，基于选择的系数值决定映射来算出填充时间tfinal。
另外，目标升压率设定部72设定目标升压率ΔPST，使得从填充开始时刻tini起上述填充时间tfinal后氢气罐成为满填充。在此，目标升压率设定部72在由利用者指定的氢气罐种类是小型气罐的情况下，将初始填充工序的开始时刻、即后述的预击(preshot)填充的执行时刻设定为填充开始时刻tini。
目标填充压运算部73通过使用由目标升压率设定部72设定的目标升压率ΔPST和站压力传感器的检测值PST(以下也称作“填充压”)，来算出相当于给定时间后的填充压的目标值的目标填充压PTRGT。
反馈控制器74基于已知的反馈控制法则来决定填充压PST成为目标填充压PTRGT那样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，填充氢气，使得由目标升压率设定部72设定的目标升压率ΔPST得以实现。
填充完成判断部75判断氢气的填充是否完成，在判断为填充完成的情况下，为了完成氢气的填充，使指示开度成为0。在填充完成判断部75中，例如定义以下那样2个填充完成条件。
第1填充完成条件是填充压PST超过给定的完成阈值。在由压力传感器检测到的填充压PST超过上述完成阈值的情况下，填充完成判断部75判断为氢气罐达到满填充，为了完成氢气的填充，使指示开度成为0。
第2填充完成条件是：在由利用者指定的氢气罐种类是小型气罐，且由后述的容积估计部76算出的容积估计值V′是给定范围外的情况下，为了防止过填充，使指示开度成为0，以停止氢气的填充。
初始压估计部77估计在开始初始填充工序前、也就是即将开始从加氢站向氢气罐的氢气的填充前的氢气罐的压力即气罐初始压。更具体地，初始压估计部77在执行初始填充工序中所含的后述的预击填充后，利用使用站压力传感器检测到的站配管内的压力、氢气罐的容积等，通过下述式(3)算出气罐初始密度的估计值ρ0 real，进而将该气罐初始密度的估计值ρ0 real输入到气体的状态方程式来算出气罐初始压的估计值P0。
【数学式3】
Figure BDA0002011888610000111
上述式(3)从在预击填充的前后成立的质量保存法则导出。在上述式(3)，“VPRE”是预击填充时暂时升压的贮藏区间(更具体地，是站配管内当中从阻断阀到流量控制阀之间的区间)的容积，使用预先确定的值。在上述式(3)，“ρpre”是预击填充前的上述贮藏区间中的气体密度，例如使用通过基于预击填充前的贮藏区间中的气体的压力以及温度检索给定的映射而算出的值。在上述式(3)，“ρ’pre”是预击填充后的上述贮藏区间中的气体密度，例如使用通过基于预击填充后的贮藏区间中的气体的压力以及温度检索给定的映射而算出的值。在上述式(3)中，“ρ’0”是预击填充后的氢气罐中的气体密度，例如使用与上述“ρ’pre”相同的值。另外“V”是氢气罐的容积，在不能取得从车辆侧发送的容积发送值VIR的情况下，使用该容积发送值VIR。另外，在由利用者指定的氢气罐种类是小型气罐，且不能取得容积发送值VIR的情况下，在上述式(3)中，对“V”使用一般的小型气罐的容积值的预先确定的值。
配管压损估计部78在从蓄压器流出的氢气流过站配管以及车辆配管而流向氢气罐时，算出相当于在这些站配管以及车辆配管(以下也将它们汇总称作“连接配管”)产生的压力损失的估计值的压力损失值。
图3是用于说明由配管压损估计部78算出连接配管中的压力损失值的过程的图。更具体地，图3是表示初始填充工序以及正式填充工序的执行时的压力以及流量的变化的图。在图3中，实线表示由站压力传感器检测的压力的时间变化，虚线表示氢气罐内的压力的时间变化，一点划线表示由流量传感器检测的流量的时间变化。另外，在图3中示出在从时刻t0到时刻t1之间执行初始填充工序(预击填充)后在时刻t1以后执行正式填充工序的情况。特别在时刻t3到t5之间，例如示出为了进行泄漏检查处理而暂时停止填充的情况。
在图3中，若从时刻t1到时刻t3进行正式填充，则由于氢气从蓄压器侧流向氢气罐侧，因此由流量传感器检测的流量如图3所示那样上升。另外，由于通过该填充而连接配管内的压力也上升，因此由站压力传感器检测的压力从时刻t1到t3上升。另外由于通过该填充而氢气流入氢气罐，因此从时刻t1到时刻t3，氢气罐的压力也平缓上升。这时，在氢气流过连接配管内的期间，由于产生与连接配管内的流路的结构相应的大小的压力损失，因此如图3所示那样，氢气罐内的压力低于由站压力传感器检测的压力。
另外，若在时刻t3由于一些理由而暂时停止正式填充，则由于氢气不再流动，因此由流量传感器检测的流量如图3所示那样立即成为0。另外，由于如此地在时刻t3氢气不再流动，因此连接配管中的压力损失也成为0，因此由站压力传感器检测的压力急剧降低，变得与氢气罐内的压力大致相等。即，由站压力传感器检测的压力的时刻t3的减少幅度与正式填充的执行时在连接配管产生的压力损失dPloss大致相等。在此，下述式(4)是压力损失dPloss的理论式。
【数学式4】
Figure BDA0002011888610000131
在上述式(4)，“dm”是流过连接配管的氢气的质量流量，例如使用流量传感器的检测值。另外“ρ”是氢气的密度，例如使用通过将站压力传感器的检测值以及站温度传感器的检测值输入到已知的函数而算出的值。另外“k0”是与连接配管中产生的压力损失相关的系数，以下称作形状因子系数。该形状因子系数k0是主要由形成在连接配管内的氢气的流路的形状确定的系数。在配管压损估计部78中，利用在正式填充工序中暂时停止填充的某些机会来决定上述形状因子系数k0的值，并通过使用该决定的形状因子系数k0、流量传感器的检测值和氢气的密度的估计值，来基于上述式(4)估计任意的时刻的压力损失dPloss。
在此，所谓在正式填充工序中暂时停止填充的机会，例如在根据法规而有义务在正式填充工序中进行泄漏检查处理的情况下，能利用该泄漏检查处理的执行时。
另外，即使是根据法规没有义务在正式填充工序中进行泄漏检查处理的情况下，也有例如在正式填充工序中为了交换站侧的氢气罐而暂时停止填充的情况，能利用这样的气罐交换的执行时。另外有如下情况：在开始正式填充工序起到经过数十秒(例如30秒)的期间，作为站配管的温度变得与预冷器相等为止的期间而在一定升压率下进行填充后，在可变升压率下进行填充。因此，在不像上述那样进行气罐交换的情况下，可以利用对应于上述那样开始正式填充工序起经过数十秒来切换填充控制方法的定时而暂时停止填充，如上述那样估计形状因子系数k0。
另外，在没有如以上那样在正式填充工序中暂时停止填充的机会的情况下，上述形状因子系数k0可以是通过进行预备试验等而预先确定的值、在前次的正式填充工序的结束时通过上述算法取得的值。
在此，在配管压损估计部78中，基于从上述式(4)导出的下述式(5-1)来算出上述形状因子系数k0的值。在下述式(5-1)中，“ΔPPRE”如图3所示那样，是在时刻t3暂时停止正式填充时的连接配管内的压力的减少幅度，例如通过使用暂时停止正式填充的前后的站压力传感器的检测值来算出。另外“dmPRE”是正式填充中(暂时停止填充前)流过连接配管的氢气的质量流量，例如使用紧挨时刻t3前的时刻t2的流量传感器的检测值。另外“ρPRE”是正式填充中(暂时停止填充前)的连接配管内的氢气的密度，如下述式(5-2)所示那样，使用通过将紧挨时刻t3前的时刻t2的站压力传感器的检测值P(t2)与紧接时刻t3后的时刻t4的站压力传感器的检测值P(t4)的平均值、和时刻t3的站温度传感器的检测值T输入到已知的密度函数ρ而算出的值。
【数学式5】
Figure BDA0002011888610000141
Figure BDA0002011888610000142
回到图2，容积估计部76估计与加氢站连接的氢气罐的容积。更具体地，容积估计部76基于流量传感器的检测值、站压力传感器的检测值、预先确定的连接配管的容积值、和由配管压损估计部78算出的压力损失值进行下述式(6)所示的运算，来算出氢气罐的容积的估计值V′。如之后说明的那样，下述式(6)基于在氢气的填充中的任意的时刻t1成立的实际存在气体方程式而导出。
【数学式6】
Figure BDA0002011888610000143
在上述式(6)，“ΔM”是例如在初始压估计部77的初始压的估计时刻t0到t1之间通过连接配管的氢气的质量，例如使用通过对流量传感器的检测值进行积分得到的值。“Vtube”是连接配管的容积值，使用预先确定的值。如上述那样，连接配管将其容积值已知的站配管和其容积值未知的车辆配管连接而构成。但在连接配管整体，由于车辆配管所占的比例小，因此在上述“Vtube”中使用站配管的容积值。在上述式(6)，“T1”是时刻t1的氢气罐内的氢气的温度，例如使用大气温度传感器的检测值。在上述式(6)，“R”是气体常数，使用预先确定的值。
在上述式(6)中，“P1”是时刻t1的氢气罐内的压力，其值按照下述式(7)算出。在下述式(7)中，“Pst”是时刻t1的连接配管内的压力，例如使用时刻t1的站压力传感器的检测值。另外，“dPloss est”是在时刻t0到t1之间在连接配管产生的压力损失，使用在时刻t0到t1之间由配管压损估计部78算出的压力损失值。
【数学式7】
P1＝Pst-dPloss est (7)
在上述式(6)中，“z1”是时刻t1的氢气罐内的氢气的压缩系数。在该压缩系数z1的值中，例如使用通过将时刻t1的氢气罐内的氢气的温度即“T1”以及时刻t1的氢气罐内的压力即“P1”如下述式(8)所示那样输入到已知的函数f而算出的值。
【数学式8】
z1＝f(T1，P1) (8)
在上述式(6)中，“ρ0”是时刻t0的氢气罐内的氢气的密度，使用将由初始压估计部77算出的初始压P0和时刻t0的氢气罐内的氢气的温度T0如下述式(9)所示那样输入到已知的密度函数ρ而算出的值。另外，时刻t0的氢气罐内的氢气的温度T0例如使用大气温度传感器的检测值。
【数学式9】
ρ0＝ρ(P0，T0) (9)
另外，用于估计气罐容积的上述式(6)通过对在任意的时刻t1成立的状态方程式(参考下述式(10-1))使用下述式(10-2)以及(10-3)所示的近似式而导出。
【数学式10】
P1Vtank＝z1M1RT1 (10-1)
Figure BDA0002011888610000161
M0＝ρ0Vtank (10-3)
接下来，说明在以上那样的氢填充系统中填充氢气的具体的过程。
图4A以及图4B是表示由氢填充系统填充氢气的过程的流程图。该处理对应于加氢站的填充管嘴连接到车辆的插座、成为能填充氢气的填充的状态而开始。如图4所示那样，从开始氢气的填充到结束的工序分为：试验性地填充氢气的初始填充工序(参考S5～S7)和在给定的目标升压率下填充氢气的正式填充工序(参考S8～S13)。
在S1，站ECU判别由利用者指定的氢气罐种类是否是小型气罐或大型气罐。在S1的判别为否的情况下，即所指定的氢气罐种类是普通气罐的情况下，站ECU按照确定为普通气罐用的算法来进行氢气的填充(参考S2)。另外，关于该普通气罐用的氢气的填充过程的细节，由于例如本申请申请人的国际公开第2017/159314号公报有所记载，因此省略详细的说明。
在S1的判别为“是”的情况下，站ECU判别当前连接的车辆是否能进行通信(参考S3)。在S3的判别为“是”的情况下，站ECU判别是否能接收到从车辆发送的容积发送值VIR(参考S4)。在S4的判别为“是”的情况下，站ECU移转到S5，在S4的判别为“否”的情况下，站ECU填充停止(参考S13)。另外在S3的判别为“否”的情况下，站ECU移转到S5。
在S5，站ECU执行预击填充。更具体地，将设于站配管的流量控制阀保持紧闭不变，将设于其上游侧的阻断阀打开，在由流量控制阀将站配管内升压到设于上游侧的站压力传感器的检测值示出给定值后，将阻断阀关闭。由此，对站配管内当中从流量控制阀到阻断阀之间的贮藏区间内填充与压力相应的量的氢气。接下来，保持阻断阀关闭不变地打开流量控制阀。由此在上述贮藏区间内被压缩的氢气一下子流入氢气罐内，氢气罐内和站配管内被均匀化。另外，在S5，如上述那样执行预击填充，将开始该预击填充的时刻设定为上述的目标升压率设定部中决定填充时间tfinal时所需的填充开始时刻tini。
在S6，站ECU暂时停止氢气的填充，执行确认有无填充泄漏的泄漏检查。
在S7，站ECU的初始压估计部通过进行上述式(3)所示的运算，来算出即将开始预击填充前的氢气罐的压力即气罐初始压的估计值P0。
在S8，站ECU开始正式填充。即，在S8之后，填充氢气，使得目标升压率设定部中确定的目标升压率得以实现。另外，在S8开始正式填充起到经过数十秒(例如30秒)为止的期间，如上述那样不能使用站温度传感器的检测值。由此，在开始填充起到经过30秒为止的期间，目标升压率设定部通过基于预先确定的质量平均温度MAT检索系数值决定映射来决定填充时间tfinal。另外，在S8开始正式填充的时间点，氢气罐的容积并未确定。由此，目标升压率设定部根据通过通信得到的容积值来选择系数值决定映射。另外，在未通过通信得到容积值的情况下，选择预先规定的多个系数决定映射当中确定为填充速度最慢的映射。
在S9，站ECU的配管压损估计部取得算出任意的时刻的压力损失值时所需的形状因子系数k0的值。如上述那样，在使用预先确定的值作为形状因子系数k0的值的情况下，配管压损估计部通过存放于读入未图示的存储器的值来取得形状因子系数k0的值。另外，在能在正式填充中确保暂时停止填充的机会的情况下，配管压损估计部暂时停止氢气的填充，并利用暂时停止氢气的填充的期间来算出形状因子系数k0的值。
在S10，站ECU的容积估计部估计连接的氢气罐的容积。更具体地，容积估计部基于开始预击填充起到正式填充的开始后经过30秒为止的期间的任意的2个时刻t0～t1的流量传感器、站压力传感器的检测值进行上述式(6)所示的运算，来算出氢气罐的容积的估计值V′。
在S11，站ECU的填充完成判断部判别算出的气罐容积的估计值V′是否是给定的误差范围内。在此，在取得容积发送值VIR的情况下，误差范围设定为以从容积发送值VIR减去容许误差Δ而得到的值为下限、以在容积发送值VIR加上容许误差Δ而得到的值为上限的范围[VIR-Δ，VIR+Δ]。另外在未取得容积发送值VIR的情况下，误差范围设定为预先确定的范围，使其包含一般的小型气罐的容积。
在S11的判别为“否”的情况下，站ECU停止填充(参考S14)。另外，在S11的判别为“是”的情况下，站ECU的目标升压率设定部基于取得的气罐容积的估计值V′再度选择系数值决定映射(参考S12)。
在S13，站ECU对应于在S8开始正式填充起经过30秒，在S12中再度选择系数值决定映射下继续正式填充。
图5是示意表示由图4A以及图4B的流程图实现的氢气的填充的流程的时序图。在图5中，实线表示氢气罐内的压力的变化。
最初，加氢站在时刻t0～t1执行预击填充(参考图4A的S5)，并将开始该预击填充的时刻t0设定为填充开始时刻tini。
接下来，加氢站在时刻t1～t2执行泄漏检查(参考图4A的S6)。另外，加氢站通过在时刻t1～t2执行泄漏检查，来利用停止氢气的填充的期间，算出为了估计任意的时刻的压力损失值所需的形状因子系数k0(参考图4A的S9)，进而估计氢气罐的初始压P0(参考图4A的S7)。
接下来，加氢站在时刻t2开始正式填充(参考图4A的S8)。另外，如上述那样，在时刻t2开始正式填充起到经过数十秒为止的期间，目标升压率设定部基于固定的质量平均温度MAT，在一定的目标升压率下进行填充。另外，在时刻t2开始正式填充后，加氢站估计氢气罐的容积(参考图4A的S10)，进而使用估计的容积再度选择系数值决定映射(参考图4B的S12)。
接下来，加氢站对应于在时刻t3开始正式填充起经过数十秒，如上述那样在再度选择的系数值决定映射下设定目标升压率，并进行氢气的填充，使得该目标升压率得以实现。在此，在目标升压率设定部中，通过基于质量平均温度MAT检索系数值决定映射来算出填充时间tfinal，并设定目标升压率，使得在从上述那样设定为时刻t0的填充开始时刻tini起经过填充时间tfinal的时刻t4，氢气罐成为满填充。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于此。可以在本发明的主旨的范围内适当变更细节部分的结构。

Claims (7)

1.一种气体填充方法，通过气体填充系统从提供源向气罐填充气体，所述气体填充系统具备：
具有压缩气体的所述提供源的气体提供装置；
具有受纳气体的所述气罐的移动体；
将所述提供源和所述气罐连接的配管；和
设于该配管的流量传感器以及压力传感器，
所述气体填充方法的特征在于具备：
容积估计工序，在开始从所述提供源向所述气罐的气体的填充后，基于所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值和所述配管的容积值来估计所述气罐的容积即气罐容积，
在所述容积估计工序中，所述配管的容积值是考虑从提供源流出的气体当中未填充在气罐内而留在配管内的部分的容积值。
2.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
所述气体填充方法还具备：
系数算出工序，基于停止从所述提供源向所述气罐的气体的填充时的所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值来算出与在气体流过所述配管时产生的压力损失相关的系数的值，
在所述容积估计工序中，基于所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值、所述配管的容积值、以及基于所述系数的值算出的压力损失值，来估计所述气罐容积。
3.根据权利要求1或2所述的气体填充方法，其特征在于，
向所述气罐填充气体的工序分为：为了掌握所述气罐的状态而填充气体的初始填充工序；和填充气体使得给定的目标升压率得以实现的正式填充工序，
所述容积估计工序基于进行所述正式填充工序期间的所述流量传感器以及所述压力传感器的检测值来估计所述气罐容积。
4.根据权利要求3所述的气体填充方法，其特征在于，
所述气体填充方法还具备：
初始压估计工序，在开始所述初始填充工序后，基于所述压力传感器的检测值估计开始所述初始填充工序前的所述气罐的初始压，
在所述正式填充工序中，开始气体的填充，使得基于在所述初始压估计工序算出的初始压的估计值而确定的目标升压率得以实现，并在所述初始压估计工序结束后立即开始该正式填充工序。
5.根据权利要求1或2所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述容积估计工序中算出的所述气罐容积的估计值为给定范围外的情况下，停止从所述提供源向所述气罐的气体的填充。
6.根据权利要求3所述的气体填充方法，其特征在于，
所述气体填充系统具备接受利用者为了指定气罐种类而进行的操作的输入单元，
所述气体填充方法还具备：
判定工序，判定经由所述输入单元指定的气罐种类是否是比给定的标准容积小的小型气罐或比所述标准容积大的大型气罐，
在所述正式填充工序中，基于气体的填充中的所述压力传感器以及所述流量传感器的检测值来算出与从给定的填充开始时刻到填充结束预定时刻的时间相当的填充时间，基于该填充时间决定所述目标升压率，使得在所述填充结束预定时刻所述气罐成为满填充，并在所述判定工序中判定为气罐种类是小型气罐的情况下，将所述填充开始时刻设定为所述初始填充工序的开始时刻。
7.根据权利要求1或2所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述容积估计工序中，基于下述式(1)算出所述气罐容积的估计值V′，
【数学式1】
Figure FDA0002935556750000021
在式(1)中，“ΔM”是在初始填充工序的开始后的任意的2个时刻t0以及t1之间通过了所述配管的气体的质量，“Vtube”是所述配管的容积值，“R”是气体常数，“T1”是时刻t1的所述气罐内的气体的温度，“P1”是时刻t1的所述气罐内的压力，“z1”是时刻t1的所述气罐内的气体的压缩系数，“ρ0”是时刻t0的所述气罐内的气体的密度。
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