CN114829829B - 压力容器系统和能量供应装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，在此公开的技术涉及一种压力容器系统(10)，其具有用于存储气态的燃料的压力容器(20)、燃料管路(30)以及总压力传感器(40)，所述总压力传感器用于测量燃料在燃料管路(30)内的位置处的总压力，燃料管路(30)是加注管路，总压力传感器(40)测量在燃料朝向压力容器(20)流动时的总压力，并且所述压力容器系统具有电子控制装置(60)，所述电子控制装置用于基于在加注管路中的总压力来计算压力容器(10)的填充度。因此，与仅使用静态压力相比，可以更精确地实施多样化的功能、例如对功率降低的控制。在此公开的技术还涉及一种能量供应装置(5)，其具有这样的压力容器系统(10)和能量转换器(7)、例如燃料电池。

Description

压力容器系统和能量供应装置
技术领域
在此公开的技术涉及一种压力容器系统以及一种具有这样的压力容器系统的能量供应装置。
背景技术
压力容器系统例如具有用于存储气态的燃料的压力容器。此外，所述压力容器系统典型地具有连接在压力容器上的燃料管路。所述燃料管路例如可以与消耗器或能量转换器连接。
在确定的情况下，需要测量在燃料管路中的压力。为此迄今典型地使用静态压力传感器，然而对于一些使用目的而言，所述静态压力传感器被证实不是最佳的。
发明内容
在此公开的技术的优选的任务是，减少或消除已知解决方案的至少一个缺点或提出一种替代的解决方案。在此公开的技术的特别优选的任务是，提供一种具有改进的压力测量的压力容器系统。进一步优选的任务可以由在此公开的技术的有利效果得出。这些任务通过一种按照本发明的压力容器系统和一种按照本发明的能量供应装置来解决。
在此公开的技术涉及一种压力容器系统。所述压力容器系统具有用于存储气态的燃料的至少一个压力容器。所述压力容器系统具有至少一个燃料管路，所述燃料管路连接在压力容器上。所述压力容器系统具有至少一个总压力传感器，所述总压力传感器用于测量燃料在燃料管路内的位置处的总压力。其中，燃料管路是加注管路，总压力传感器测量在燃料朝向压力容器流动时的总压力，并且所述压力容器系统具有电子控制装置，所述电子控制装置用于基于在加注管路中的总压力来计算压力容器的填充度。
所述压力容器系统可以也具有用于存储气态的燃料的多个压力容器。在存在多个压力容器的情况下，燃料管路可以连接在所述压力容器中的每个压力容器上。
总压力传感器是不仅测量静态压力而且测量静态压力和动态压力的组合的传感器。燃料在燃料管路中的流动速度越大，则动态压力就越大。已经表明，在一些应用中，仅测量静态压力导致在使用相应测量的值时，多样化的功能可能较差地实施，因为静态压力的所测量的值与实际上应当用于相应功能的总压力相比终究过低。在燃料管路中的流动速度越高，这种效应就越大，因为动态压力的份额相应地更大。
燃料管路特别是将一个或多个压力容器与一个或多个消耗器相连接。在燃料管路内的位置因此设置在这样的管路内。在那里测量总压力。经由单独的连接管路与燃料管路连接的压力传感器典型地已由于物理原因而不能测量总压力，因为经由连接管路仅传递静态压力。
例如可以规定，在压力容器几乎排空时，降低所连接的消耗器、例如燃料电池系统或其他能量转换器的功率或降低取出质量流，因为气体密度非常低并且由此压力调节器输出压力将变得过低。这样的压力调节器例如可以连接在燃料管路与所连接的能量转换器之间。例如可以这样实现功率降低，即，当压力传感器的测量值小于例如40bar时，燃料箱控制器要求燃料电池控制器降低功率。于是，燃料电池控制器降低燃料电池的功率，从而降低在燃料箱系统中的取出流。
例如，所述燃料可以是氢气，所述氢气可以在燃料电池中使用。
已经表明，在使用传统的静态压力传感器时，在确定的位置处由此所测量的静态压力与质量流有关地波动。在较大的质量流时测量到较小的静态压力。这些测量值波动导致的问题是，在质量流大的情况下，功率降低比所需的更早地开始。在质量流低的情况下，功率降低比在质量流大的情况下稍晚地激活，但仍然比所需的更早。
通过在此公开的技术可以避免上面描述的问题，因为测量总压力而不仅是静态压力。
所述总压力传感器特别是可以是用于滞止压力的压力传感器。所述总压力传感器可以具有孔，所述孔这样定向，使得所述孔与气体流动方向相反地定向。这样的总压力传感器测量总压力、即静态压力与动态压力之和。总压力与质量流无关。由此不再提前激活功率降低。
所述压力容器例如可以用于存储在环境条件下为气态的燃料。所述压力容器例如可以在机动车中使用，所述机动车以压缩的(也称为Compressed Natural Gas或CNG)或液化的(也称为Liquid Natural Gas或LNG)天然气或以氢气运行。所述压力容器优选与至少一个能量转换器流体连接、特别是通过已经提及的燃料管路流体连接，其中，能量转换器典型地设置为用于将燃料的化学能转换成其他的能量形式。
压力容器例如可以是复合包装压力容器。所述压力容器例如可以是低温压力容器或高压气体容器。高压气体容器构造为用于，在环境温度下在大约350barg(与大气压相比的过压)、此外优选大约700barg或更多的标称运行压力(也称为Nominal WorkingPressure或NWP)时持久地储存燃料。低温压力容器适合于在先前所述的运行压力时且在明显低于机动车运行温度的温度下储存燃料。
根据一种实施方案，燃料管路是取出管路，并且总体压力传感器优选地测量在燃料远离压力容器流动时的总压力。由此例如可以监控取出质量流并且控制相应的功能性、例如如上所述的消耗器的功率降低。取出管路特别是可以与消耗器或能量转换器、例如燃料电池或气体驱动的内燃机连接。
根据一种实施方案，燃料管路是加注管路，并且总压力传感器优选地测量在燃料朝向压力容器流动时的总压力。由此可以监控加注过程。这例如可以用于填充度确定，通过确定总压力来改善所述填充度确定。加注质量流例如可以是取出质量流的十倍大。由此，动态压力占总压力的份额更大并且此所述优点在加注时特别有利地展示出效果。
压力容器的填充度是对存储在压力容器中的燃料的量的度量。填充度或加载状态可以是绝对值、例如存储在压力容器中的燃料的燃料存储压力或燃料存储密度。但是，填充度也可以是百分值，所述百分值由在压力容器中实际存储的量与最大存储量和最小存储量得到。这样的百分值例如可以称为填充度(英语State of Charge或者SOC)。填充度例如可以是最大燃料存储压力或燃料存储密度的百分值，或者是在最大和最小燃料存储压力或燃料存储密度之间的差的百分值。一般在压力容器在标准条件下在标称运行温度(例如15℃)时达到标称运行压力(也称为Nominal Working Pressure或NWP；例如700bar)的情况下，达到最大燃料存储压力。最小燃料存储压力可以是规定的最小压力(一般是特定于容器的)或大气压。同样地，在这些标准条件下得到最大燃料存储密度或最小燃料存储密度。在70MPA-压力容器系统中，在氢气压力容器中的最大存储密度在15℃时例如为大约40.22g/l。填充状态可以直接或间接地确定。
应当指出的是，还可以将总压力传感器在取出管路和在加注管路中的布置组合。于是在此，可以例如使用两个这样的总压力传感器。
优选地，所述压力容器系统具有电子控制装置，所述电子控制装置用于基于在加注管路中的总压力来计算压力容器的填充度。由此，能以特别有利的方式计算填充度，因为使用更好地适于此的总压力而不仅是静态压力。
可以规定，所述总压力传感器能够测量在两个流动方向上的总压力。为此，所述总压力传感器例如可以实施为可转动的，从而进入开口可以在两个流动方向上保持。因此，例如不仅可以在加注过程期间而且也可以在取出过程期间测量总压力。
根据一种实施方案，所述压力容器系统还具有静态压力传感器，所述静态压力传感器用于测量燃料在燃料管路内的位置处的静态压力。由此，附加于总压力也可以测量静态压力。由此可以实现附加的功能性。特别是，可以通过从总压力减去静态压力而计算出动态压力。
所述总压力传感器和所述静态压力传感器可以特别是直接彼此相邻地设置。这例如可以意味着，所述总压力传感器和静态压力传感器具有最高10cm的间距。那么例如可以说，所述总压力传感器和静态压力传感器在相同的位置处进行测量并且可以忽略压力在所述间距上的可能的变化。
总压力传感器和静态压力传感器的组合原则上可以在任何位置处使用、例如如上所述的在加注管路中和在取出管路中使用。
根据一种实施方案，所述压力容器系统具有电子控制装置，所述电子控制装置用于由总压力和静态压力来计算作为差的动态压力和/或用于由总压力和静态压力和/或由动态压力来计算流动速度。借助于这样的处理方式，可以特别精确地计算流动速度，因为不仅总压力而且动态压力是已知的。经由流动速度例如可以控制其他功能。控制装置符合目的地地配置用于这种功能亦或其他的、例如以下描述的功能。
根据一种实施方案，所述压力容器系统具有电子控制装置，所述电子控制装置用于基于总压力来触发连接在压力容器系统上的能量转换器的功率降低。如已经提到的那样，通过使用总压力来代替静态压力，能够明显更好地控制功率降低、特别是能够避免提前触发。
应当指出的是，所描述的功能性例如也可以在一个唯一的控制装置中执行。特别是，所述控制装置可以配置为用于实施各个功能性。
例如，当在压力容器中的压力接近预定的下界限时，可以激活功率降低。同样，例如当在压力调节器前的压力小于35bar时，可以触发功率降低。在这种情况下，在压力调节器中的压力损失例如可能由于低的气体密度而增加，并且压力调节器输出压力可能变得过小。
优选地，可以执行温度补偿、例如在已经提到的控制装置中执行温度补偿。如果温度例如在-15℃至+45℃之间波动并且因为没有测量所述温度而将所述温度假定为例如15℃，则可能以例如+/-10％错误地确定氢气密度。这种效应可以通过温度补偿、即通过测量和考虑温度来避免。例如，温度传感器可以安装在压力调节器前，其中，所述温度传感器经由伸入到气流中的管路来测量取出质量流的气体温度。这可以用于例如计算与温度有关的气体密度。
总压力传感器特别是可以安装在如下位置处，在所述位置处流动轮廓在横截面上是尽可能均匀的。这可以优选地通过如下方式实现：在总压力传感器前设置有例如至少20cm的直的管段。
在此公开的技术还涉及一种能量供应装置，所述能量供应装置具有如在此所描述的压力容器系统以及具有能量转换器，所述能量转换器能符合目的地实施为燃料电池，其中，能量转换器连接到燃料管路上。能量转换器或燃料电池特别是可以构造为用于将从压力容器经由燃料管路输送的燃料转换成电能或机械能。在燃料电池中特别是能够利用上述更好地控制功率降低的优点。一般地可以使用能量转换器，所述能量转换器设置为用于将燃料的化学能转换成其他的能量形式、例如转换成电能和/或转换成动能。能量转换器例如可以是内燃发动机或具有至少一个燃料电池的燃料电池系统/燃料电池堆。
质量流密度或质量流例如可以通过以下公式计算：
p_dyn＝p/2＊v^2
在此：
p_dyn：动态压力
v：流动速度
ρ：气体密度
A：流动横截面积
质量流。
确定氢气质量流具有例如这样的优点，即，其能用于借助于卡尔曼滤波器来改善填充度计算。
附图说明
现在借助于附图描述在此公开的技术。图中：
图1示出能量供应装置，和
图2示出总压力传感器。
具体实施方式
图1以纯示意性的视图示出根据一个实施例的能量供应装置5。能量供应装置5具有压力容器系统10以及连接到所述压力容器系统上的以燃料电池7的形式的能量转换器。要提及的是，代替于燃料电池7例如也可以连接有其他的能量转换器、例如气体驱动的内燃机。无论如何，所连接的能量转换器由压力容器系统10如下面所描述的那样供给气态的燃料、例如氢气。
压力容器系统10具有压力容器20。在所述压力容器中存储气态的燃料。压力容器系统10具有燃料管路30，所述燃料管路如图所示地从压力容器20通向燃料电池7。此外，压力容器系统10具有总压力传感器40以及静态压力传感器50。总压力传感器40构造成用于测量在燃料管路30中的总压力、即静态压力和动态压力的组合，其中，后者与流动速度有关。与之相对，静态压力传感器50仅测量静态压力、即总压力扣除动态压力。
压力容器系统10还具有电子控制装置60，所述电子控制装置如图所示地与两个压力传感器40、50连接。
在取出运行期间、即在从压力容器20供给燃料电池7时，总压力传感器40测量总压力并且静态压力传感器50测量静态压力。这两个值被发送给电子控制装置60。所述电子控制装置可以由在这两个压力之间的差计算出质量流并且由此以有利的方式控制取出。通过这种方式也可以推断出填充度。如果总压力下降到预定值(所述预定值例如可以为40bar)以下，则电子控制装置60将要求燃料电池7功率降低，从而减少取出。由于使用总压力而不仅是静态压力，所以与如在现有技术中常见的实施方案那样仅使用静态压力时相比，功率降低在此可以较晚地开始。
图2更详细地示出总压力传感器40。在此也示出所述总压力传感器到已经提及的燃料管路30上的连接。在典型的取出运行中，气体如通过箭头所示地在燃料管路30中流动。总压力传感器40具有块体41，所述块体与燃料管路30连接并且承载总压力传感器40的其他部件。总压力传感器40具有管42，所述管伸入到燃料管路30中。在燃料管路30中，管42具有开口43，所述开口与流动方向相反地指向并且因此负责使流动的气体在压力下进入到管42中。
在外侧，总压力传感器40具有锁紧螺母45以及支撑环46，所述锁紧螺母以及所述支撑环将其他部件保持在块体41上并且负责稳定性。
与燃料管路30相对置地，在管42上构造有膜片47，所述膜片与压力相关地变形。分析电路48设置为直接邻接在所述膜片上，所述分析电路接收变形并且经由集成在所述分析电路上的向右指向的引脚44输出与所述变形相关的信号。因此，所述信号指示膜片47的变形并且因此最终指示总压力。由于管42和开口43的已经提及的构造，在此不仅测量静态压力，而且测量总压力。如果开口43不是定向的，而是仅侧向地邻接到燃料管路30上，则仅测量静态压力。
分析电路48由插头壳体49承载，已经提及的引脚44也固定在所述插头壳体中。所述插头壳体与总压力传感器40的其余部分夹紧。
为了易读性，已经简化地部分省略了用语“至少一个”。只要在此公开的技术的特征以单数或不定的方式来描述(例如所述压力容器/一个压力容器、所述传感器/一个传感器等)，那么同时其复数(例如至少一个压力容器、至少一个传感器等)也应当是一起公开的。
本发明的上述描述仅用于说明目的，而不是用于限制本发明。在本发明的范畴内可以进行各种变化和修改，而不脱离本发明及其等同方案的范围。
附图标记列表
5:能量供应装置
7：燃料电池
10：压力容器系统
20：压力容器
30：燃料管路
40：总压力传感器
41：块体
42：管
43：开口
44：引脚
45：锁紧螺母
46：支撑环
47：膜片
48：分析电路
49：插头壳体
50：静态压力传感器
60：电子控制装置

Claims (8)

1.一种压力容器系统(10)，所述压力容器系统包括：
-用于存储气态的燃料的至少一个压力容器(20)，
-至少一个燃料管路(30)，所述燃料管路连接在压力容器(20)上，
-至少一个总压力传感器(40)，所述总压力传感器用于测量燃料在燃料管路(30)内的位置处的总压力，
其中，燃料管路(30)是加注管路，总压力传感器(40)测量在燃料朝向压力容器(20)流动时的总压力，并且所述压力容器系统(10)具有电子控制装置(60)，所述电子控制装置用于基于在加注管路中的总压力来计算压力容器(20)的填充度。
2.根据权利要求1所述的压力容器系统(10)，其中，
-燃料管路(30)是取出管路，并且
-总压力传感器(40)测量在燃料远离压力容器(20)流动时的总压力。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器系统(10)，其中，所述总压力传感器(40)能够测量在两个流动方向上的总压力。
4.根据权利要求1所述的压力容器系统(10)，所述压力容器系统具有静态压力传感器(50)，所述静态压力传感器用于测量燃料在燃料管路(30)内的位置处的静态压力。
5.根据权利要求4所述的压力容器系统(10)，其中，所述总压力传感器(40)和所述静态压力传感器(50)直接彼此相邻。
6.根据权利要求4或5所述的压力容器系统(10)，所述压力容器系统具有电子控制装置(60)，所述电子控制装置用于由总压力和静态压力来计算作为差的动态压力和/或用于由总压力和静态压力和/或由动态压力来计算流动速度。
7.根据权利要求1或2所述的压力容器系统(10)，所述压力容器系统具有电子控制装置(60)，所述电子控制装置用于基于总压力来触发连接在压力容器系统(10)上的能量转换器(7)的功率降低。
8.一种能量供应装置，所述能量供应装置包括：
-根据权利要求1至7之一所述的压力容器系统(10)，
-能量转换器(7)，所述能量转换器连接到燃料管路(30)上。
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