CN116357882A - 气体填充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体填充方法，能够在优化后的填充条件下填充气体，以使填充时间和预冷器的消耗电力等方面的浪费较少。所述气体填充方法包括以下步骤：有效热质量计算步骤，在开始填充气体之前，使用所述配管的热容量和所述配管温度感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的临时压力损失相关的有效热质量的值；压力损失参数计算步骤，在开始填充气体之后，使用所述配管内的气体的流量变化时的所述压力感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的压力损失相关的压力损失参数的值；以及填充条件变更步骤，将所述填充条件变更为基于所述压力损失参数的值而规定的条件，并继续填充气体。

Description

气体填充方法
技术领域
本发明涉及一种气体填充方法。更详细地说，涉及一种气体填充方法，是利用配管将压缩气体的供应源与搭载于移动体上的罐连接，并将气体填充在移动体的罐中。
背景技术
近年来，随著车辆排气法规和二氧化碳/燃油效率法规的限制，需要同时实现发动机排气的干净化和提高燃料消耗的效率。在所有国家加强建设安全的城市和人类住区，以加强所有国家的包容和可持续的城市建设、可持续的人类住区规划和管理能力。因此，在所有国家需要加强向所有人提供安全、负担得起的、易于利用、可持续的交通运输系统，改善道路安全，特别是扩大公共交通，减少城市的人均负面环境影响，包括特别关注空气质量，以及城市废物管理等。在交通领域，在车辆的制造业方面，迫切需要采取措施应对环境问题，以开发能够提高全球能源效率的改善率的技术。
燃料电池车辆是由以下方式来行驶，将含氧的空气与燃料气体也就是氢气供应至燃料电池，并利用由此发电的电力来驱动电动机。近年来，利用这种燃料电池作为用以产生动力的能源的燃料电池车辆开始应用于实践中。燃料电池发电需要氢气，但在近年来的燃料电池车辆中，成为主流的是在具备高压罐或储藏合金的氢罐内预先贮存足够量的氢气，并利用罐内的氢气来行驶。并且，与此相应地，也针对在氢站(hydrogen station)中向罐内快速地尽可能填充大量氢气的填充技术，多次开展研究。
氢气在罐内由于压缩而发热。因此近年来，为了抑制填充氢气期间的罐内的温度上升，主流技术是利用设置于氢气流道上的预冷器，将氢气冷却至例如－40℃左右。这样一来，利用预冷器降低氢气的温度，由此，也能够抑制罐内的氢气的温度的上升，因此，能够相应地增快填充氢气。
例如在非专利文献1中示出一种填充方法，使填充期间的升压率可以基于特定的数式而变动地填充氢气。在非专利文献1所述的填充方法中，利用对氢气流道中设置于预冷器下游侧的温度感测器的检测值实施质量平均处理而获得的温度参数的多项式，来表达用以规定升压率的数式，并基于映像(map)来决定温度参数的各次数的系数的值(参照非专利文献1)。并且，在非专利文献1所述的填充方法中，准备多个这种映像，从这些多个映像中选择与罐容量和罐的初始压力对应的合适映像，并利用所选择的映像来决定上述多个系数的值
[现有技术文献]
[非专利文献1]判田圭，Steve Mathison,FCV用MC formula氢填充方式的开发，汽车技术会2015年秋季大会学术演讲会演讲预备稿集
[非专利文献2]SAE J2601-2020,Fueling Protocols for Light Duty GaseousHydrogen Surface Vehicles
发明内容
[发明所要解决的问题]
然而，在填充氢气时，由于氢气流经将氢站的蓄压器与车辆的氢罐连接的配管内，因此，会产生不少压力损失，罐内的氢气的温度也会相应地上升。因此在上述填充方法中，用以决定升压率的映像，是预料到这种压力损失的存在构筑而成。并且填充时实际产生的压力损失，会根据站点侧的配管的形状、车辆侧的配管的形状及插入配管中的滤尘器的状态等各种因素而变化。但是利用现有的填充方法，由于无法推测填充氢气时实际产生的压力损失，因此，如上所述地决定升压率时所使用的多个映像，使用的是预想产生预计大小中最大的压力损失的情况而构筑出来的映像。
这样一来，利用现有的填充方法，由于是预想的最差情况的压损设定，因此，在填充时间和预冷器的设定温度等方面会产生浪费。也就是，若将压力损失预估为比实际的更大，则会使填充速度不必要地降低，到填满氢罐为止可能会多花费些时间。并且作为压力损失使用预想最差情况而构筑的映像，等价于预想由于压力损失而导致的气体的温度上升最为显着的情况、也就是设定多余的温度余量，也就意味着存在可以提高预冷器的设定温度的余地。
除此之外，现有的气体填充方法中，在氢站为燃料电池车辆填充燃料电池发电所需要的氢气时，有考虑市场上各种最糟的情况。例如，配管温度较低时，氢站的气体填充系统还可以提供填充速度更快的映像给消费者作选择，例如利用冷分配器(cold dispenser)进行填充气体。
由于各种最糟的情况可能会同时存在，因此通常所预留的余量(margin)，(例如设定多馀的温度余量)是比实际的更多。被迫使填充速度变慢或者过度对使氢气预冷，都会导致电力消耗上的浪费。通过善用适当的技术，在不影响安全性的情况下减少不必要的余量且提高填充速度，或者可以提高放宽预冷器的设定温度的余量。
此外，现有技术(非专利文献2)中，当利用冷分配器来进行填充气体时，由于冷分配器没有显示准确的温度检测的位置，导致冷分配器的控制无法实际应用在气体填充系统中。
鉴于以上方面，本发明的目的在于提供一种气体填充方法，能够在优化后的填充条件下填充气体，以使填充时间和预冷器的消耗电力等方面的浪费较少。
[解决问题的技术手段]
[1]为了达成所述目的，本发明是一种气体填充方法，利用气体填充系统，由供应源向罐中填充气体，所述气体填充系统具备：供应源，蓄存有压缩的气体；配管，将所述供应源与搭载于移动体上的罐连接，且所述配管上设置有控制阀、压力感测器、气体温度感测器及流量感测器；以及控制装置，在特定的填充条件下操作所述控制阀，并控制流经所述配管的气体的流量；所述气体填充方法包括以下步骤：有效热质量计算步骤，在开始填充气体之前，使用所述配管的热容量和所述气体温度感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的临时压力损失相关的有效热质量的值；压力损失参数计算步骤，在开始填充气体之后，使用所述配管内的气体的流量变化时的所述压力感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的压力损失相关的压力损失参数的值；以及填充条件变更步骤，将所述填充条件变更为基于所述压力损失参数的值而规定的条件，并继续填充气体。
[2]并且，在本发明中，所述控制装置，在从预定的多个填充控制映像中选择的填充控制映像所规定的填充条件下，操作所述控制阀，并且，在所述填充条件变更步骤中，将所述控制装置所选择的填充控制映像，替换成为所述多个填充控制映像之中的基于所述压力损失参数的值而规定的映像。
[3]并且，在本发明中，在所述压力损失参数计算步骤中，基于下述式(1-1)来计算所述压力损失参数的值，在下述式(1-1)中，“k0”是所述压力损失参数，"dPloss"是气体的流量减少前后的所述配管内的压力差，"ρ"是所述配管内的气体的密度，"dm"是所述配管内的气体的质量流量，
[数式(1-1)]
Figure BDA0003438251340000041
[4]并且，在本发明中，所述控制装置，在从预定的多个填充控制映像中选择的填充控制映像所规定的填充条件下，操作所述控制阀，并且，在所述填充条件变更步骤中，将所述控制装置所选择的填充控制映像，替换成为所述多个填充控制映像之中的基于所述配管所产生的临时压力损失相关的所述热质量的值而规定的映像。
[5]并且，在本发明中，在所述有效热质量计算步骤中，基于下述式(1-2)来计算所述有效热质量的值，在下述式(1-2)中，“Ttube”是所述气体温度感测器所检测的温度，"Tamb"是大气温度，"THE"是热交换器温度，"Tamb"是大气温度，"mi"是所述配管的质量，"Cpi"是所述配管的比热容，"mi x Cpi"是所述配管的热容量，
[数式(1-2)]
Figure BDA0003438251340000042
[6]并且，在本发明中，在所述有效热质量计算步骤中，基于下述式(1-3)来计算所述有效热质量的值，在下述式(1-3)中，“Ttube”是所述气体温度感测器所检测的温度，"Tamb"是大气温度，"THE"是热交换器温度，"Tamb"是大气温度，"mi"是所述配管的质量，"Cpi"是所述配管的比热容，"mi x Cpi"是所述配管的热容量，“k0”是所述压力损失参数，
[数式1-3]
Figure BDA0003438251340000051
[7]并且，在本发明中，在所述压力损失参数计算步骤中，使用所述配管内的气体的流量从大于0的流量减少到0或0附近时的所述压力感测器的检测值，由此，计算所述压力损失参数的值。
[发明的效果]
基于上述，本发明的气体填充方法中，在气体填充时可选择的多个填充控制映像之中，除了基于压力损失参数的值而规定的映像以外，也加入了基于配管的热质量的值而规定的映像，以供选择。由于将配管的热质量的值纳入考量，可放宽预冷器的设定温度的余量，故可减少预冷器的电力消耗。此外，由于提高放宽预冷器的设定温度的余量，故能够延长配管和配管的密封件等零件的寿命，也能够通过降低配管和预冷器的规格，从而降低设备成本。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是示出应用本发明的一实施方式的氢气填充方法的氢填充系统的构造的图。
图2是示出由站点ECU实施的填充流量控制的控制电路的构造的功能框图。
图3A是用以说明在映像选择部中选择填充控制映像的次序的图。
图3B是用以说明在映像选择部中另一种选择填充控制映像的次序的图。
图4是示出在氢填充系统中填充氢气的次序的流程图。
图5是示出压力损失系数计算处理的具体次序的流程图。
图6是示意性地示出由图4的流程图实现的氢气的填充流程的时序图。
[符号的说明]
S：氢填充系统
M：车辆(移动体)
8：站点ECU
9：氢站
31：氢罐(罐)
71：流量感测器
72：站点温度感测器(气体温度感测器)(配管温度感测器)
73：站点压力感测器(压力感测器)
74：大气温度感测器
75：热交换器温度感测器
81：质量平均温度计算部
82：压力损失系数计算部
83：有效热质量计算部
84：目标升压率设定部
841：映像选择部
842：升压率计算部
85：目标填充压计算部
86：反馈控制器
87：填充完成判断部
91：蓄压器(供应源)
93：站点配管(配管)
94：切断阀
95：流量控制阀(控制阀)
96：预冷器
具体实施方式
以下，针对本发明的一实施方式，参照附图加以说明。
图1是示出应用本实施方式的氢气填充方法的氢填充系统S的构造的图。氢填充系统S是将氢站9与燃料电池车辆M(以下，简称为“车辆M”)组合而构成，所述氢站9具有压缩的氢气的供应源，所述燃料电池车辆M具有容纳由此氢站9供应的氢气的氢罐。本实施方式的氢气填充方法，是由氢站9向车辆M的罐填充氢气的方法，利用此氢填充系统S来实现。以下，先说明车辆M侧的构造，再说明氢站9侧的构造。
车辆M是一种燃料电池汽车，具备：罐，其存积有氢气；及，燃料电池系统(未图示)，其将存积于罐中的氢气与空气作为燃料气体而发电；并且，所述车辆M使用此燃料电池系统发电的电力来驱动马达而行驶。以下，针对车辆M为燃料电池汽车的情况加以说明，本发明并非限定于此。本发明是具备存积氢气的罐的移动体即可，可以任意应用。
车辆M具备：氢罐31，其贮存由氢站9供应的氢气；车辆配管39，其从此氢罐31延伸；燃料电池系统(未图示)，其利用贮存于氢罐31中的氢气来发电，并利用发电的电力而行驶；红外线通信机5，其将与氢罐31相关的数据信号发送至氢站9；及，通信演算ECU6，其生成由此红外线通信机5发送的数据信号。另外，以下，作为车辆M，针对具备红外线通信机5和通信演算ECU6的车辆加以说明，但本发明并非限定于此。本发明也可以应用于不具备红外线通信机5和通信演算ECU6的车辆M。
车辆配管39具备：插孔38，其嵌合有氢站9的后述的填充喷嘴92；及，逆止阀36，其在车辆配管39之中设置于插孔38附近，用以防止氢气从氢罐31侧朝向插孔38逆流。
在通信演算ECU6上，作为获取上述氢罐31的相关信息的手段，连接有罐内温度感测器41及罐内压力感测器42。罐内温度感测器41检测氢罐31内的氢气的温度，并将与检测值相应的信号发送至通信演算ECU6。罐内压力感测器42检测氢罐31内的压力，并将与检测值相应的信号发送至通信演算ECU6。
通信演算ECU6是一种微型电子计算机，由以下构成：对上述感测器41,42的检测信号进行A/D转换的接口、执行后述信号生成处理的CPU、在由上述处理决定的形态下驱动红外线通信机5的驱动电路、及存储各种数据的存储装置等。
在通信演算ECU6的存储装置中，记录有后述数据信号生成处理的执行的程序、及包括在制造车辆M时搭载的氢罐31的容积值的固有信息。另外，除了氢罐的容积值以外，此固有信息还包含制造时能够特定的氢罐31的相关信息，例如，由容积值利用已知的转换规则导出的容量和氢罐的材质等。
通信演算ECU6的CPU，例如，以保护插孔38的燃料口盖(Fuel lid)被打开为契机，开始信号生成处理，也就是生成由通信机5发送至氢站9的信号。并且通信演算ECU6的CPU，例如以上述喷嘴从插孔38上拆下而成为无法填充氢气的状态为契机，结束信号生成处理。
信号生成处理中，在每个特定的周期中，获取相当于氢罐内的温度的当前值的温度发送值TIR、相当于氢罐内的压力的当前值的压力发送值PIR、及相当于氢罐的容积的当前值的容积发送值VIR，并生成与这些值(TIR,PIR,VIR)相应的数据信号。温度发送值TIR使用此时的罐内温度感测器41的检测值。压力发送值PIR使用此时的罐内压力感测器42的检测值。并且容积发送值VIR使用上述的存储装置中记录的值。
通信演算ECU6的驱动电路，根据上述信号生成处理所生成的数据信号和中断信号而驱动红外线通信机5(使其闪烁)。由此，包括氢罐内的状态相关的状态信息(也就是，温度发送值TIR和压力发送值PIR等)以及固有信息(也就是，容积发送值VIR等)的数据信号被发送至氢站9。
氢站9具备：蓄压器91，其以高压贮存有用以供应至车辆M的氢气；站点配管93，其从蓄压器91达到排出氢气的填充喷嘴92；切断阀94和流量控制阀95，其设置于站点配管93上；及，站点ECU8，其控制这些阀94,95。
站点ECU8是一种电子计算机，在填充喷嘴92连接至设置于车辆M上的插孔38之后，在特定的填充条件下，操作切断阀94和流量控制阀95，由此，控制流经站点配管93的氢气的流量，并将贮存于蓄压器91中的高压氢气填充至车辆M的氢罐31。
在氢填充系统S中，将填充喷嘴92连接至插孔38后，则由构成氢站9的零件也就是站点配管93、及构成车辆M的零件也就是车辆配管39形成一根配管，由此，搭载于车辆M上的氢罐31与蓄压器91，利用此配管而连接。
在站点配管93之中的流量控制阀95与填充喷嘴92之间，设置有冷却氢气的预冷器(亦即热交换器)96。亦即，预冷器96促进在制冷剂与在站点配管93中流动的氢气之间的热交换，利用该预冷器96将经由流量控制阀95而被减压了的氢气冷却至规定的冷却温度(例如约-40℃)。利用这种预冷器96，在马上要填充至氢罐31的位置处将氢气冷却，由此，可以抑制氢罐31内的氢气的温度上升，甚至快速填充。
在站点ECU8上连接有各种感测器71,72,73,74,75，以掌握马上要填充至氢罐31的位置处的氢气的状态。
流量感测器71，设置于站点配管93之中的切断阀94与流量控制阀95之间，将与流经站点配管93的氢气的每单位时间的质量、也就是质量流量相对应的信号，发送至站点ECU8。
站点温度感测器72，设置于站点配管93之中的预冷器96的下游侧，将与站点配管93内的氢气的温度(可作为配管温度Ttube或站点温度TST)相对应的信号发送至站点ECU8。
站点压力感测器73，设置于站点配管93之中的预冷器96的下游侧，将与站点配管93内的氢气的压力相对应的信号发送至站点ECU8。
大气温度感测器74检测大气的温度，并将与检测值相对应的信号发送至站点ECU8。另外，由此大气温度感测器74检测的大气温度，有时可视为填充开始时的车辆M的燃料罐内的氢气的温度。
热交换器温度感测器75，设置于站点配管之中的预冷器96的下游侧，检测预冷器96的温度，并将与检测值THE相对应的信号发送至站点ECU8。另外，由此热交换器温度感测器75检测的预冷器96的温度，用于作为计算配管93的有效热质量的参数。
在填充喷嘴92上，设置有用以与车辆M通信的红外线通信机98。将填充喷嘴92连接至插孔38，如此一来，红外线通信机98与设置于车辆M上的红外线通信机5相对向，可以在这些通信机98,5之间经由红外线来发送并接收数据信号。
图2是示出由站点ECU8实施的填充流量控制的控制电路的构造的功能框图。站点ECU8执行填充流量控制，也就是根据车辆的氢罐的状态来规定目标升压率，并操作流量控制阀95以实现此目标升压率。在图2中，仅示出站点ECU8之中的与此填充流量控制的实现相关的模块81至87。
质量平均温度计算部81，基于站点温度感测器72和流量感测器71的检测值，计算经过预冷器96之后的氢气的质量平均温度MAT。此质量平均温度MAT用以在目标升压率设定部84中设定目标升压率。然而，在刚刚开始填充氢气之后，站点温度感测器72的检测值实际到达从预冷器96流出的气体的温度，需要几十秒左右的时间。因而，利用质量平均温度计算部81，在开始填充后经过几十秒左右(更具体地说，例如30秒)的期间，不使用站点温度感测器72的检测值，而将预先设定的值作为质量平均温度MAT输出。
压力损失系数计算部82计算压力损失系数k0，即氢气流经站点配管93和车辆配管39时，在这些站点配管93和车辆配管39(以下，也将他们统一称为“连接配管”)中产生的压力损失的相关参数。在此，压力损失是指氢气流经上述连接配管内时的连接配管的上流侧的特定位置(例如站点压力感测器73的检测位置)与下游侧的特定位置(例如，氢罐31内)的压力差。
下面，针对有效热质量的值(例如气体填充系统的配管系统的热质量的值)Heatmass的定义与其计算方法加以说明。一般的氢站的配管系统中，在设计时就努力设计为尽量减少配管的热质量，而将设计的配管的热质量的值作为配管的热质量的固定值。然而，连续的填充气体的过程使配管的温度降低(例如作为冷分配器(cold dispenser)的情况)，则配管系统给于氢气的热量被降低，如此，情况则每时每刻都在变化。
在本实施方式中，在气体填充过程中，利用配管温度感测器72(亦即站点温度感测器72)检测配管的温度，亦即检测填充中的流动气体的温度。其中，用来取得配管的温度的配管温度感测器72通常可以是也能够兼用作为气体温度感测器的感测器，因此亦称为气体温度感测器72。当不使用可以共用的气体温度感测器时，也可以将不同的感测器(气体温度感测器和配管温度感测器)分别设置在最恰当的位置。填充完成后，检测在配管里面的气体的温度，但由于氢气的热传导率很高，所以可以作为几乎等于配管的温度。故可以将由气体温度感测器72检测到的配管的温度Ttube作为氢气的温度，将该温度Ttube直接应用于计算配管的热质量的值。如此，当下的实质的热质量的值是根据刚开始进行的气体填充时的配管的温度计算而得出的。
此外，也通过热交换器温度感测器75检测预冷器96的温度THE，用作为未来流动的气体的温度的预期值。如此，通过气体温度感测器72所检测的配管温度Ttube、通过热交换器温度感测器75所检测的热交换器温度THE、大气温度Tamb作为参数，来计算配管系统的有效热质量的值。
换言之，在开始填充气体之前，使用配管的热容量和配管温度感测器的检测值、大气温度检测值和热交换温度感测器的检测值，由此，计算与配管所产生的临时压力损失相关的有效热质量的值。
如此，在进行气体填充时，在填充条件变更步骤中，可将控制装置所选择的填充控制映像，替换成为多个填充控制映像之中的基于配管所产生的临时压力损失相关的值(亦即配管的有效热质量的值)而规定的映像。
除此之外，配管系统是由不同尺寸形状规格等构成。气体填充结束后配管系统的该些配管的温度时时刻刻都在变化。针对诸多种类的配管的温度检测来说，实际上的温度检测并不容易。据此，为了将气体温度感测器72所检测的配管温度Ttube作为代表配管系统的温度，可以提前调整配管系统中的其他配管所配置的隔热材料的结构等，以使其他构件的温度都小于配管温度Ttube。
也可以是，对于温度感测器，也可以不直接检测气体的温度，而是检测与气体的温度具有相关的部分的温度(例如、供气体流通的配管的温度、和/或在预冷器96中对气体进行冷却的制冷剂的温度)。
在下述式(1)中，“Ttube”是所述配管温度感测器所检测的温度，可以利用气体温度感测器72来测定，"Tamb"是大气温度，可以利用大气温度感测器74来测定，"THE"是热交换器温度，可以利用热交换器温度感测器75来测定，"Tamb"是大气温度，"mi"是所述配管的质量(mass)，可以由配管的规格取得，"Cpi"是所述配管的比热容(specific heat capacity)，可以由配管的规格取得(例如制作配管所使用的材料)，"mi x Cpi"是所述配管的热容量，如下述式(1)所示地表示。其中，当各构件的温度不均匀时，也可以不使用此方法，例如可以采用实际测量到的热容量的值。据此，有效热质量计算部83，在启动填充氢气之后，使用连接配管的气体温度感测器72、大气温度感测器74和热交换器温度感测器75氢的检测值等，进行下述式(1)所示的演算，由此，计算有效热质量Heat mass的值。
[数式1]
Figure BDA0003438251340000111
下面，针对压力损失系数k0的定义与其计算方法加以说明。以下仅为举例，也可以使用其他适当的计算方法。一般气体的流道中产生的压力损失dPloss，是使用无量纲的损失系数ζ、气体密度ρ、流速v，如下述式(2)所示地表示。
[数式2]
Figure BDA0003438251340000121
在上述式(2)中，流速v在一般氢站9中并不测定。因而，此流速v，改写成可利用流量感测器71测定的质量流量dm，则由下述式(3)表示。在下述式(3)中，"A"是流道截面面积。
[数式3]
Figure BDA0003438251340000122
在此，本实施方式中的压力损失系数k0，是使用上述式(2)和(3)中的损失系数ζ和流道截面面积A且由下述式(4)来定义。如下述式(4)所示，此压力损失系数k0的值，由形成于连接配管内的氢气流道的形状来决定。下述式(4)仅为计算压力损失系数k0的值的一个例子，本发明并不限于此计算方式。
[数式4]
Figure BDA0003438251340000123
并且根据上述式(2)至(4)，压力损失系数k0是基于压力损失dPloss、气体密度ρ及质量流量dm并由下述式(5)表示。如下述式(5)所示，压力损失系数k0越大，压力损失dPloss就越大。并且在下述式(5)中，压力损失dPloss可以是使用连接配管内的氢气流量减少时的站点压力感测器73的检测值来计算。并且质量流量dm可以利用流量感测器71来测定。并且气体密度ρ由于可以表示为氢气的压力与温度的函数，因此，可以基于站点温度感测器72和站点压力感测器73的检测值来计算。因而压力损失系数计算部82，在开始填充氢气之后，使用连接配管内的氢气流量减少时的站点压力感测器73的检测值和流量感测器71的检测值等，进行下述式(5)所示的演算，由此，计算压力损失系数k0的值。
[数式5]
Figure BDA0003438251340000131
目标升压率设定部84，基于由质量平均温度计算部81计算的质量平均温度MAT、由压力损失系数计算部82计算的压力损失系数k0、由大气温度感测器74检测的大气温度Tamb、及氢罐31的罐容积V等，设定目标升压率△PST，所述目标升压率△PST相当于针对填充期间的连接配管内的氢气的升压率的目标。更具体地说，目标升压率设定部84使用映像选择部841与升压率计算部842，来设定目标升压率△PST。
在映像选择部841的存储媒介中，存储有多个填充控制映像。填充控制映像，将大气温度Tamb与表征设定目标升压率△PST时所使用的模型式(参照后述式(6))的多个系数(a,b,c,d)的值相关联。也就是，填充控制映像是规定填充流量控制中的填充条件的映像。
图3A是用以说明在映像选择部841中选择填充控制映像的次序的图。用以尽量快速地填满氢罐的填充条件，依据所连接的氢罐的罐容积、连接配管的压力损失系数的大小而有所不同。因而，在本实施方式中，将罐容积分成i阶段(i是2以上的整数)，进一步将压力损失系数分成j阶段(j是2以上的整数)，预先构筑适合于这些容积和压力损失系数的组合的i×j张填充控制映像M11、M12、……、M1j、M21、M22、……、M2j、……、Mi1、Mi2、……、Mij，并将这些i×j张填充控制映像存储至映像选择部841的存储媒介。
图3B是用以说明在映像选择部841中另一种选择填充控制映像的次序的图。用以尽量快速地填满氢罐的填充条件，依据所连接的氢罐的罐容积、连接配管的压力损失系数、连接配管的热容量的大小而有所不同。因而，在本实施方式中，将罐容积分成i阶段(i是2以上的整数)，进一步将压力损失系数和热容量分成j阶段(j是2以上的整数)，预先构筑适合于这些容积、压力损失和热容量的组合的i×j张填充控制映像M11、M12、……、M1j、M21、M22、……、M2j、……、Mi1、Mi2、……、Mij，并将这些i×j张填充控制映像存储至映像选择部841的存储媒介。
图3A与图3B的不同之处在于，图3A是基于连接配管的压力损失系数，而图3B是除了基于连接配管的压力损失系数以外，也考虑了连接配管的热容量。针对大型车辆来说，连接配管的压力损失对填满氢罐的填充条件的影响会很大，但是连接配管的热容量的影响也会存在且不容忽略。
因此，针对大型车辆，提出另一种实施方式，在上述式(1)所述的计算有效热质量Heat mass的值数式1中，也将压力损失系数k0的值纳入考虑。当压力损失和热容量两者都被纳入考虑时，如下述式(1A)所示地表示。例如，有效热质量计算部83，在启动填充氢气之后，使用连接配管的气体温度感测器72、大气温度感测器74和热交换器温度感测器75氢的检测值和压力损失系数的值等，进行下述式(1A)所示的演算，由此，计算有效热质量Heatmass的值。
[数式1A]
Figure BDA0003438251340000141
映像选择部841获取氢罐31的容积V和压力损失系数k0的值，并从上述i×j张填充控制映像中选择与这些容积V和压力损失系数k0的值相应的填充控制映像，将所选择的填充控制映像发送至升压率计算部842。然而，压力损失系数变大，会导致连接配管中产生的压力损失也增大，配管内的氢气的温度上升也增大。因此，压力损失系数计算部82中计算的压力损失系数k0的值越大，映像选择部841选择填充速度越慢的映像，以抑制由于压力损失所导致的温度上升。
如上所述，在映像选择部841中，为了选择合适的填充控制映像，需要氢罐31的容积V的值与压力损失系数k0的值。其中，氢罐31的容积V的值，可以利用例如车辆M的红外线通信机5所发送的容积发送值VIR，在开始填充之后立即在映像选择部841中获取。相对于此，压力损失系数k0的值，是如上所述地在开始填充氢气之后，利用流经连接配管的氢气的流量暂时减少的期间来计算。因此，映像选择部841只有在开始填充并经过一段时间之后，才能获取压力损失系数k0的值。
因而，映像选择部841，在刚刚开始填充之后并且未能获取压力损失系数k0的值的情况下，根据如上所述地利用红外线通信获取的氢罐31的容积V的值、及预定的压力损失系数k0的值，、来选择填充控制映像。另外此时，映像选择部841，将压力损失系数k0的值，假定为大于实际值的估算值、更具体地说例如在正在使用的站点中预想的范围中最大的值，且选择与氢罐31的容积V的值相对应的填充控制映像作为临时映像，并在此临时映像下进行填充。
之后，映像选择部841，在已获取压力损失系数k0的值的情况下，选择与压力损失系数k0的值的大小相应的填充控制映像作为正式映像，在此正式映像下继续填充。由此，可以选择与实际的压力损失相应的合适的填充控制映像，以便能够尽量快速地填满氢罐31。
升压率计算部842，使用质量平均温度MAT、大气温度Tamb、及由映像选择部841选择的填充控制映像，进行下述式(6)所示的演算，由此，计算与从特定的填充开始时刻tini至特定的填充结束预定时刻的时间相当的填充时间tfinal。
[数式6]
tfinal＝a(Tamb)MAT3+b(Tamb)MAT2+c(Tamb)MAT+d(Tamb) (6)
在上述式(6)中，四个系数(a，b，c，d)的值是分别基于由大气温度感测器74检测的大气温度Tamb，来检索由映像选择部841所选择的填充控制映像而计算的。并且升压率计算部842是以从填充开始时刻tini至上述填充时间tfiinal之后填满氢罐31的方式，来设定目标升压率ΔPST。
目标填充压计算部85，使用由目标升压率设定部84所设定的目标升压率ΔPST与站点压力感测器73的检测值PST(以下，也称为“填充压”)，由此，计算相当于特定时间后的填充压的目标值的目标填充压PTRGT。
反馈控制器86基于已知的反馈控制法则，决定使填充压PST成为目标填充压PTRGT的流量控制阀的指示开度，并将其输入至流量控制阀95的驱动装置(未图示)。驱动装置调整流量控制阀95的开度，以实现此指示开度。由此，将氢气填充在氢罐31中，以实现由目标升压率设定部84所设定的目标升压率ΔPST。
填充完成判断部87判断氢气的填充是否已完成，当判断为填充完成时，使指示开度为0，以完成氢气的填充。更具体地说，填充完成判断部87，当由站点压力感测器73所检测的填充压PST超出特定的完成阈值(threshold value)时，判断氢罐31已实现填满，使指示开度为0，以完成氢气的填充。
下面，说明在如上所述的氢填充系统S中，将氢气填充至氢罐31的具体次序。
图4示出在氢填充系统S中填充氢气的次序的流程图。此处理，与氢站9的填充喷嘴92连接至车辆M的插孔38并成为可以填充氢气的状态相应地开始。
在步骤S0中，首先，站点ECU8执行启动填充。更具体地说，在将设置于站点配管93上的流量控制阀95紧闭的状态下，打开设置于其上流侧的切断阀94，并将站点配管93内升压，直至设置于流量控制阀95下流侧的站点压力感测器73的检测值示出特定值，然后，关闭切断阀94。由此，在站点配管93内的从流量控制阀95至切断阀94之间的贮存区间内，填充有与压力相应量的氢气。下面，在关闭切断阀94的状态下打开流量控制阀95。由此，在上述贮存区间内压缩的氢气，瞬间流入氢罐31内，于是氢罐31内与站点配管93内变得均匀。并且在步骤S0中，如上所述地执行启动填充，并将开始此启动填充的时刻，设定为在上述的目标升压率设定部84中决定填充时间tfinal时所需的填充开始时刻tini，但本发明并非限定于此。
在步骤S1中，站点ECU8，在由有效热质量计算部83执行计算有效热质量Heat mass(图2中为HM)的值的有效热质量计算处理之后，移至步骤S2，选择合适的映像。
在步骤S2中，站点ECU8利用红外线通信获取氢罐31的容积V的值，并从预定的i×j张填充控制映像中选择与此容积V的值相应的临时映像。为了如上所述地选择合适的映像，除了容积V的值以外还需要压力损失系数k0的值。但是此时，站点ECU8无法获取压力损失系数k0的值。因而站点ECU8如上所述地，作为压力损失系数k0的值，假定大于实际值的估算值、更具体地说例如在正在使用的站点中预想的范围中最大的值，并选择与氢罐31的容积V的值相对应的填充控制映像作为临时映像，并发送至升压率计算部842。
在步骤S3中，站点ECU8，在步骤S2中选择作为临时映像的填充控制映像下开始正式填充。更具体地说，在步骤S2所选择的临时映像下设定目标升压率△PST，并填充氢气以实现此目标升压率△PST。另外在步骤S3中，在开始正式填充后经过几十秒左右(例如，30秒)期间，无法使用站点温度感测器的检测值。因此，开始填充后至经过上述时间之期间，目标升压率设定部84基于预定的质量平均温度MAT检索填充控制映像，由此，决定填充时间tfinal、以及目标升压率△PST。
在步骤S4中，站点ECU8，在执行计算压力损失系数k0的值的压力损失系数计算处理之后，移至步骤S5。
图5是示出压力损失系数计算处理的具体次序的流程图。
首先，在步骤S41中，站点ECU8使用站点压力感测器73、站点温度感测器72及流量感测器71，由此，获取在后述的步骤S42中即将停止填充氢气之前的连接配管内的压力PST(i)、温度TST(i)及流量dm(i)的值，并移至步骤S42。
在步骤S42中，站点ECU8暂时停止填充氢气，以进行确认是否有填充泄漏的泄漏检查，并移至步骤S43。更具体地说，站点ECU8完全关闭切断阀94，由此，暂时停止填充氢气。另外以下，针对下述情况加以说明，即当计算压力损失系数k0的值时暂时停止填充氢气的情况，也就是将连接配管内的氢气的流量减少至0的情况，但本发明并非限定于此。此步骤S42中，也可以并非完全停止填充氢气。也就是，也可以使氢气的流量减少至0附近。
在步骤S43中，站点ECU8，在步骤S42中停止填充氢气并经过特定的测定等待时间(例如，3秒左右)之后，站点ECU8，使用站点压力感测器73，由此，获取从停止填充至经过特定的等待时间后的连接配管内的压力PST(i+n)的值，并移至步骤S44。
在步骤S44中，站点ECU8，使用如上所述地连接配管内的氢气的流量从大于0的流量减少至0的前后所获取的压力PST(i)、PST(i+n)、温度Tst(i)及流量dm(i)的值、与上述式(5)，由此，计算压力损失系数k0的值，并移至步骤S45。
更具体地说，关于上述式(5)中的压力损失dPloss的值，如下述式(7-1)所示地，从填充停止后的压力PST(i+n)中减去停止前的压力PST(i)来计算。并且关于上述式(5)中的气体密度ρ的值，使用将压力PST(i)、PST(i+n)和温度Tst(i)的值，输入压力x、温度y的函数也就是密度函数ρ[x，y]而计算的值。更具体地说，如下述式(7-2)所示地，使用流量减少之前的压力PST(i)与流量减少之后的压力PST(i+n)的平均值，由此，计算气体密度ρ的值。
[数式7]
dPloss＝PST(i)-PST(i+n) (7-1)
Figure BDA0003438251340000181
在步骤S45中，根据需求站点ECU8在执行确认是否有填充泄漏的泄漏检查之后，移至图4的步骤S5。
回到图4，在步骤S5中，站点ECU8从多个填充控制映像中，选择与在步骤S4中计算出来的压力损失系数k0的值相应的映像作为正式映像，并移至步骤S6。如上所述地在步骤S2中，站点ECU8，选择在与氢罐31的容积V的值相应的j张填充控制映像(Mk1、......、Mkj)(″k″是1至i的任意整数)之中的压力损失最大的映像、也就是填充控制映像Mkj作为临时映像。因而，在步骤S5中，站点ECU8，选择在上述j张填充控制映像(Mk1、......、Mkj)之中的与压力损失系数k0的值相应的映像作为正式映像。由此。得以选择与连接配管的压力损失相应的合适的填充控制映像。
在步骤S6中，站点ECU8，在步骤S5中选择作为正式映像的填充控制映像下，重新进行正式填充。更具体地说，在步骤S5所选择的正式映像下设定目标升压率ΔPST，并填充氢气以实现此目标升压率ΔPST。
在步骤S7中，站点ECU8，判定氢气的填充是否已完成、也就是氢罐31是否实现填满。站点ECU8，当步骤S7中的判定结果为NO(否)时回到步骤S6并继续正式填充，当为YES(是)时结束氢气的填充。
图6是示意性地示出由图4的流程图实现的氢气的填充流程的时序图。在图6中，实线示出由站点压力感测器73所检测的压力的时间变化，虚线示出氢罐31内的压力的时间变化，单点划线示出由流量感测器71所检测的流量的时间变化。
首先，站点ECU8在时刻t0至t1执行启动填充(参照图4的步骤S1)，并将此开始预注射填充的时刻t0设定为填充开始时刻tini。并且在时刻t1，站点ECU8基于氢罐31的容积V的值来选择临时映像，在此时刻t1至t3期间，在临时映像下进行正式填充。由此，在由临时映像设定的目标升压率ΔPST下，连接配管中的压力上升。另外在连接配管内，由于产生压力损失，因此，在时刻t1至t3的氢气流动期间，连接配管之中的站点压力感测器73的检测位置中的压力(在图6中实线所示的部分)高于其下游侧的氢罐内的压力(在图6中虚线所示的部分)。另外以下，针对将开始预注射填充的时刻t0作为填充开始时刻tini的情况加以说明，本发明并非限定于此。启动填充结束后，也可以将在临时映像下开始正式填充的时刻t1设定为填充开始时刻tini。
然后，站点ECU8在时刻t2，获取马上要暂时停止填充氢气之前的连接配管内的压力PST(i)、流量dm(i)及温度TST(i)的值，然后，在时刻t3，暂时停止填充氢气，以执行泄漏检查。然后在时刻t4，站点ECU8与经过测定等待时间相应地，再次获取连接配管内的压力PST(i+n)的值。并且站点ECU8使用在时刻t3暂时停止填充氢气前后获取的压力PST(i)、PST(i+n)、温度Tst(i)及流量dm(i)，由此，计算压力损失系数k0的值。
然后在时刻t5，站点ECU8基于由时刻t2至t5期间的压力损失系数计算处理所计所算出的压力损失系数k0的值，再次选择填充控制映像作为正式映像，在此正式映像下重新进行正式填充。由此，填充控制映像替换成为与此时的连接配管的状态相应的合适的映像。
依据本实施方式的氢气填充方法，起到以下的效果。
(1)利用氢气填充方法，在开始填充气体之前且在选择临时映像之前，使用由气体温度感测器72检测的配管温度和配管的既有的设定值(配管的质量和比热容等)，计算与配管所产生的临时压力损失相关的有效热质量Heat mass的值。在氢气填充方法中，如此地将配管系统的有效热质量纳入考量，来变更填充控制映像，并选择合适的临时映像，进行在临时映像下正式填充的步骤。由此，可减少预冷器的电力消耗。此外，由于提高放宽预冷器的设定温度的余量，故能够延长配管和配管的密封件等零件的寿命，也能够通过降低配管和预冷器的规格，从而降低设备成本。在临时映像下开始填充氢气之后，使用连接配管内的氢气流量减少时的站点压力感测器73的检测值，由此，计算压力损失系数k0的值。在氢气填充方法中，如此地使用氢气流量减少时的站点压力感测器73的检测值，由此，能够高精度地计算压力损失系数k0的值。并且利用氢气填充方法，基于计算出来的压力损失系数k0的值来变更填充控制映像，并在变更后的填充控制映像下继续填充氢气。在氢气填充方法中，如此基于压力损失系数k0的值来变更填充控制映像，由此，可以优化填充控制映像以减少填充时间和预冷器96的设定温度等方面的浪费，并在此优化后的填充控制映像下填充气体。
(2)氢气填充方法所使用的站点ECU8，从预定的多个映像M11、……、Mij中选择合适的填充控制映像，进一步在此填充控制映像所规定的填充条件下操作流量控制阀95，控制流经连接配管的氢气的流量。并且在氢气填充方法中，将站点ECU8中选择作为临时映像的填充控制映像，替换成基于如上所述地计算出来的压力损失系数k0的值而规定的填充控制映像，由此，变更填充条件。这样一来，在氢气填充方法中，基于压力损失系数k0的值来替换填充控制映像。因此，由于能够将预先规定在站点ECU8中的多个填充控制映像，根据压力损失系数k0的值进行优化，因而，可以根据实际产生的压力损失尽量缩短填充时间，并进一步提高预冷器96的设定温度。
(3)利用氢气填充方法，使用氢气的流量减少前后的压力差dPloss、配管内的气体密度ρ、及连接配管内的气体的质量流量dm，由此，计算上述式(5)定义的压力损失系数k0的值。因此，利用氢气填充方法，能够以简单的演算来计算压力损失系数k0的值。
(4)利用氢气填充方法，使用连接配管内的氢气的流量从大于0的流量减少到0或0附近时的站点压力感测器73的检测值，由此，计算压力损失系数k0的值。因此，利用氢气填充方法，能够高精度地计算压力损失系数k0的值，而且能够替换成与连接配管的状态相应的合适的填充控制映像。
以上，针对本发明的一实施方式加以说明，但本发明并非限定于此。在本发明的宗旨的范围内，也可以适当变更细节构造。
在例如上述实施方式中，针对以下情况加以说明，即在开始填充氢气之后，利用暂时停止填充氢气以执行泄漏检查的机会，来执行压力损失系数计算处理(参照图5)，并计算压力损失dPloss和压力损失系数k0的值，但计算压力损失dPloss和压力损失系数k0的值的时机并非限定于此。这些计算压力损失dPloss和压力损失系数k0的值的时机，是在开始填充氢气之后使连接配管内的氢气的流量暂时减少的时期或者减少之后再增加的时期即可，无论任何理由都可以是任何时期。
例如，上述泄漏检查处理在有些国家并未以法规强行规定。在这种国家，在填充氢气期间有时也不会进行泄漏检查，因此，有时会错失计算压力损失dPloss和压力损失系数k0的值的机会。但是，即使在并未强行规定泄漏检查处理的情况下，例如，在正式填充期间有时会暂时停止填充氢气，以更换氢站9侧的氢罐。因此，在这种情况下，也可以利用执行氢站9侧的罐更换时来计算压力损失dPloss和压力损失系数k0的值。
并且在例如上述实施方式中，针对以下情况加以说明，也就是将罐容积V、压力损失系数k0及大气温度Tamb的值与四个系数(a,b,c,d)的值，利用图3A和图3B例示的多个填充控制映像来相关联，但本发明并非限定于此。罐容积V、压力损失系数k0及大气温度Tamb的值与四个系数(a,b,c,d)的值也可以利用除了映像以外的手段，更具体地说，利用数式和神经网络等来相关联。
综合上述，本发明的气体填充方法中，在气体填充系统中，仅需在既有的控制中，利用既有的构件和零件(例如既有的配管和热交换器和及温度感测器等)的参数，通过既有的控制装置来计算配管系统的有效热质量的值，以使将配管的热质量的值纳入考量，在选择临时映像的步骤中，能够选择基于配管的有效热质量的值而规定的映像，来进行气体的填充，从而减少预冷器的电力消耗。此外，由于提高放宽预冷器的设定温度的余量，故能够延长配管和配管的密封件等零件的寿命，也能够通过降低配管和预冷器的规格，从而降低设备成本。
最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施方式的技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种气体填充方法，其特征在于，利用气体填充系统，由供应源向罐中填充气体，
所述气体填充系统具备：
供应源，蓄存有压缩的气体；
配管，将所述供应源与搭载于移动体上的罐连接，且所述配管上设置有控制阀、压力感测器、气体温度感测器及流量感测器；以及
控制装置，在特定的填充条件下操作所述控制阀，并控制流经所述配管的气体的流量；
所述气体填充方法包括以下步骤：
有效热质量计算步骤，在开始填充气体之前，使用所述配管的热容量和所述气体温度感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的临时压力损失相关的有效热质量的值；
压力损失参数计算步骤，在开始填充气体之后，使用所述配管内的气体的流量变化时的所述压力感测器的检测值，由此，计算与所述配管所产生的压力损失相关的压力损失参数的值；以及
填充条件变更步骤，将所述填充条件变更为基于所述压力损失参数的值而规定的条件，并继续填充气体。
2.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
所述控制装置，在从预定的多个填充控制映像中选择的填充控制映像所规定的填充条件下，操作所述控制阀，
并且，在所述填充条件变更步骤中，将所述控制装置所选择的填充控制映像，替换成为所述多个填充控制映像之中的基于所述压力损失参数的值而规定的映像。
3.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述压力损失参数计算步骤中，基于下述式(1-1)来计算所述压力损失参数的值，
在下述式(1-1)中，“k0”是所述压力损失参数，"dPloss"是气体的流量减少前后的所述配管内的压力差，"ρ"是所述配管内的气体的密度，"dm"是所述配管内的气体的质量流量，
[数式1-1]
Figure FDA0003438251330000021
4.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
所述控制装置，在从预定的多个填充控制映像中选择的填充控制映像所规定的填充条件下，操作所述控制阀，
并且，在所述填充条件变更步骤中，将所述控制装置所选择的填充控制映像，替换成为所述多个填充控制映像之中的基于所述配管所产生的临时压力损失相关的所述热质量的值而规定的映像。
5.根据权利要求1所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述有效热质量计算步骤中，基于下述式(1-2)来计算所述有效热质量的值，
在下述式(1-2)中，“Ttube”是所述气体温度感测器所检测的温度，"Tamb"是大气温度，"THE"是热交换器温度，"mi"是所述配管的质量，"Cpi"是所述配管的比热容，"mi x Cpi"是所述配管的热容量，
[数式1-2]
Figure FDA0003438251330000022
6.根据权利要求5所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述有效热质量计算步骤中，基于下述式(1-3)来计算所述有效热质量的值，
在下述式(1-3)中，“Ttube”是所述气体温度感测器所检测的温度，"Tamb"是大气温度，"THE"是热交换器温度，"mi"是所述配管的质量，"Cpi"是所述配管的比热容，"mi x Cpi"是所述配管的热容量，“k0”是所述压力损失参数，
[数式1-3]
Figure FDA0003438251330000023
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体填充方法，其特征在于，
在所述压力损失参数计算步骤中，使用所述配管内的气体的流量从大于0的流量减少到0或0附近时的所述压力感测器的检测值，由此，计算所述压力损失参数的值。
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