DE102010027683A1

DE102010027683A1 - Tankstelle mit Kommunikation

Info

Publication number: DE102010027683A1
Application number: DE102010027683A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Georg Siebert; Markus Mayer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26
Also published as: KR20130092563A; JP2013538320A; EP2596276A1; US20130268130A1; CN103003616A; WO2012010260A1; BR112013001404A2; CA2802250A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankstelle für ein unter Druck stehendes Gas, wie Wasserstoff oder Erdgas, zum Befüllen eines Fahrzeugtanks, wobei – ein Vorratstank (VT), – ein tankstellenseitiger Rechner (SPS), der ein Abgabeventil öffnen und schließen kann, – eine Tankleitung zwischen Vorratstank (VT) und zu befüllendem Fahrzeugtank und – eine Kommunikationsverbindung (KV) zum Fahrzeug vorgesehen sind. Zur Erhöhung der Sicherheit sind – ein fahrzeugseitiger Rechner zur Berechnung des fahrzeugseitigen Befüllungsgrades (Status of Charge, SOC Fahrzeug), und – ein tankstellenseitiges Druckmessgerät (F-PT) in der Tankleitung vorgesehen, wobei der tankstellenseitige Rechner (SPS) aus einem Messwert des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) und mindestens ein Temperaturwert den anfänglichen SOC Tankstelle berechnet und die Betankung mit der Information des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) bis zum Zieldruck oder Ziel-SOC Tankstelle oder bis zu einem Abbruchsignal, das vom fahrzeugseitigen Rechner kommt, steuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankstelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Gas sind alle Stoffe gemeint, die bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck gasförmig sind. Dazu gehören Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, CO₂ und brennbare Gase wie Propan, Butan, Erdgas, Wasserstoff oder ähnliche Stoffe. Die Gase können auch teilweise im flüssigen oder im superkritischen Zustand (Wasserstoffmatsch, Slush) sein. Unter Fahrzeugen sind Landfahrzeuge, Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge zu verstehen. Der Tank des Fahrzeugs kann ein Transporttank sein, so kann z. B. Stickstoff in einem Trailer zu einem Kunden transportiert werden, oder es kann ein Verbrauchstank sein, so kann der Treibstoff für das Fahrzeug in diesem Tank gespeichert sein, wie z. B. Erdgas oder Wasserstoff für den Antrieb eines modernen Motors oder einer Brennstoffzelle.
Aus der SAE-Norm, SAE TIR J2601 ”Surface Vehicle Technical Information Report: Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicle”, veröffentlicht am 16. März 2010, sind Betankungsverfahren und Vorschriften für komprimierten Wasserstoff (aktuell bis 700 bar) bekannt.
Aus der EP 1 336 795 B1 ist eine Wasserstofftankstelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dabei werden Druck- und Temperaturwerte des Fahrzeugs aus dem Fahrzeugtank für die Berechnung des Status of Charge – Füllgrad, SOC – benutzt. Die Tankstelle übernimmt direkt diese Werte, die aus der Kommunikation des Fahrzeugs ausgelesen werden, mit allen Ungenauigkeiten und Fehlern, die diese Werte beinhalten. Diese Werte werden dann zur Ermittlung des SOC's herangezogen. Die Befüllung läuft so lange, bis die Fahrzeugsensoren einen entsprechenden SOC-Wert melden. Dann wird die Betankung beendet. Die Abschaltparameter werden von dem jeweiligen Fahrzeughersteller einzeln definiert. Es kann dafür aber auch eine entsprechende Herstellernorm, wie z. B. die SAE TIR J2601, herangezogen werden. Zu den Abschaltkriterien zählen auch sog. ”Refuelling Commands” (Befüllstatusmeldungen wie: Car Ready, Abort, usw.).
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass für die Berechnung des Zieldrucks bzw. des SOC's immer Fahrzeugtransmitter benutzt werden. Diese Transmitter weisen für den Anlagenbau eine zu hohe Abweichung bzw. eine zu geringe Genauigkeit auf. Sie sind daher nicht geeignet, um die Befüllung von Speicherbehältern sicherheitstechnisch optimal zu steuern. Da die Werte nicht über ein fehlersicheres System geleitet werden, können diese auch nicht als fehlersichere Werte in die Steuerung übernommen werden. Daher ist der Aufbau eines fehlersicheren Systems auf dieser Basis schwierig. Werte, die vom Fahrzeug der Kommunikation übertragen werden, sind keine Absolutwerte der Sensorik. Diese werden per Fahrzeugprogramm umgerechnet bzw. interpretiert Fehler, die in der Interpretationssoftware des Fahrzeugs liegen, werden so nicht ausgebessert oder erkannt. Auch sitzt die Sensorik der Fahrzeuge nicht bei allen Fahrzeugherstellern am selben Punkt. Daher verändert sich die SOC Auswertung abhängig von der Platzierung. Daraus ergibt sich insgesamt eine relativ unsichere Befüllung der Druckgehälter.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Befüllung für Fahrzeuge mit unter Druck stehendem Gas möglichst sicher zu realisieren. Da die Befüllwerte in sehr hohen Bereichen (700 bar) liegen, kommt der Sicherheit ein sehr hoher Stellenwert zu.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Tankstelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung und Betankungsverfahren sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß sind zwei Rechner vorgesehen, die völlig unabhängig voneinander den Befüllgrad SOC ermitteln. Dies erhöht die Sicherheit. Da der tankstellenseitige Rechner ausschließlich auf eigene Messwerte zugreift, können zum Betanken zuverlässigere Daten verwendet werden, als beim Stand der Technik, wo Druck und Temperaturdaten aus dem Fahrzeug verwendet werden. Da über die Kommunikationsleitung nur der SOC des Fahrzeugs übermittelt wird, können auch deutlich weniger Fehler als beim Stand der Technik auftreten, wo aktuelle Druck- und Temperaturwerte stets übermittelt werden müssen. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass mit der Genauigkeit der Sensoren auch die Sicherheit des Befüllprozesses steigt.
Die erfindungsgemäße Anlage berechnet aus den Anlagesensoren oder Transmittern einen Anlagen SOC. Das Fahrzeug berechnet aus den Fahrzeugsensoren den Fahrzeug SOC. Für einen Abbruch werden beide Systeme herangezogen. Grundsätzlich sollte das Fahrzeug abbrechen (erhöhtes Anlagenfenster). Sollte das Fahrzeug die Betankung nicht innerhalb des Anlagenfensters abbrechen, so wird die Betankung auf jeden Fall durch die Anlage beendet. Das System basiert also auf zwei getrennten Rechnern, und zwei getrennten Sensorensystemen. Daraus folgt ein sicheres Betankungsverfahren, das von beiden Seiten unabhängig überwacht werden kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein Rechner über eine unsichere Verbindung auf ein interpretierendes Sensorsystem im PKW zugreift, wobei als Quelle die relative preiswerten PKW Sensoren dienen, wird hier auf genauere Messdaten der tankstellenseitigen, hochwertigeren Messgeräte zugegriffen.
In einer Ausführung der Erfindung kann ein Temperaturmessgerät für die Gastemperatur in der Tankleitung verwendet werden. Die Gastemperatur in der Tankleitung kann unter bestimmten Umständen (z. B. fixer Vorkühltemperatur) auch durch eine andere Methodik (z. B. Fixwert) ermittelt werden. Ebenso kann ein Umgebungstemperatursensor eingesetzt werden. Dieser kann bei entsprechenden Anlagenparametern auch durch andere Messmethoden bzw. durch einen Fixwert bzw. Temperaturtabellen ersetzt werden. Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nur Anlagendruck und Temperaturinfo (Gastemperatur für die Befüllung, Umgebungstemperaturtransmitter und Drucktransmitter (z. B. in der Befüllleitung oder direkt im Zapfpunkt) und ohne zwischengeschaltete Interpretation einer Software bzw. einer nicht fehlersicheren Übertragung für die Berechnung des Anlagen-SOC's herangezogen. Dieser Wert wird während der Befüllung mit dem Wert aus dem Fahrzeug verglichen, was zu einem Abbruch der Betankung bei Überschreitung des zulässigen SOC-Wertes des Fahrzeuges führt. Wie im Fahrzeug der SOC-Wert berechnet wird, ist dem Fahrzeughersteller überlassen. Die entscheidenden Werte werden ja sowieso vom Tankstellenrechner ermittelt.
Die Kommunikationsleitung muss hier nicht ständig Daten übertragen, sondern es reicht, wenn sie ein Signal bei Füllung des Tanks (SOC = 100%) vom Fahrzeug zum Rechner übermittelt. Die Kommunikationsstelle kann daher relativ einfach gebaut sein, und den bisher üblichen Kommunikationseinrichtungen entsprechen, wie einem Bus, einem WLAN-BUS, einem Profibus F, eine Infrarotverbindung, einer Funkverbindung, einem optischen Kabel, einer Bluetooth-Verbindung oder einem einfachen elektrischen Kabel.
Die Anlage kann fehlersicher dargestellt werden. Es gibt keinen Unterschied in der SOC Berechnung in Abhängigkeit von der Interpretation/Position der verschiedenen Fahrzeugsensoren. Ein fehlersicheres System wird mit einem zweiten System verglichen, wodurch eine höhere Sicherheit des Gesamtsystems resultiert. Durch die Fehlersicherheit des ersten Systems kann auch das verbesserte Gesamtsystem als Fehlersicher angesehen werden. Dabei können einige oder alle Sensoren in F-Variante ausgeführt werden. Sensoren, die nicht in einer entsprechenden Sicherheitsklasse verfügbar sind, können auch durch andere Methoden fehlersicher gemacht werden. (z. B. doppelte Ausführung). Damit kann ein fehlersicheres System dargestellt werden, welche fehlersichere Rechner (Speicherprogrammierbare Steuerung, SPS) fehlersichere Sensoren oder fehlersichere Busssysteme verwendet. Zusätzlich wird das Tankstellensystem erfindungsgemäß mit einem zweiten System verglichen bzw. von diesem überwacht. Das Refuelling Command aus der SOC-Berechnung im Fahrzeug gibt ein Abbruchsignal. So kann das ganze System als fehlersicher angesehen werden. Als Basis für die Berechnung des Fülldruckes (und damit verbunden, dem SOC) dienen z. B. die Umgebungstemperatur, die Gastemperatur und der anfängliche Fahrzeugtankdruck. Mit Hilfe dieser Werte und mit Hilfe von hinterlegten Stoffeigenschaften des Gases, wie z. B. Wasserstoff (aus einer Stoffdatentabelle wie der NIST-Tabelle oder einer SAE-Tabelle) wird eine aus der Betankung resultierende Tanktemperatur errechnet. Diese Temperatur ergibt einen Solldruck für die Betankung. Bei diesem Druck wird die geforderte Wasserstofffüllung im Betankungssystem erreicht, d. h. 100% SOC oder Erreichen des Enddrucks, der beispielsweise in modernen Fahrzeugen bei 700 bar liegt. Dieser Wert wird für die Betankung um einen Prozentsatz X verringert, bei einer Kommunikationsbetankung wird der Solldruck um genau diesen Prozentsatz erhöht, so dass 100% SOC erreicht werden. Das Fahrzeug errechnet auch den 100% SOC mit den Daten aus dem fahrzeugeigenen, zuverlässigen Sensoren. Sollte bei der Betankung der Soll SOC des Fahrzeugs überschritten werden, so bricht das Fahrzeug mittels Refuelling Command ab. Mit dieser doppelten Überwachung ist sichergestellt, dass das Fahrzeug nicht überfüllt werden kann. Sollte es zu Problemen innerhalb des Fahrzeugs kommen, kann so die Betankung ebenfalls durch das Tankstellenseitig vorhandene fehlersichere System abgebrochen werden.
Eine Ausführung der Erfindung wird anhand einer Figur näher beschrieben.
Die Figur zeigt auf der linken Seite schematisch die für die Betankung wichtigen Elemente der Tankstelle und auf der rechten Seite die für die Betankung wichtigen Elemente des Fahrzeugs. Zwischen beiden befindet sich unten die Tankleitung oder der Schlauch für das Übertragen des Gases aus dem Vorratstank VT in den Fahrzeugtank und oben in der Zeichnung die Kommunikationsverbindung KV, die bevorzugt als Infrarotbus dargestellt wird. Im Fahrzeugtank sitzt ein Temperatursensor TT und ein Drucksensor PT, aus welchen ein Rechner im Fahrzeug den SOC Fahrzeug, also den fahrzeugmäßig ermittelten Fülldruck oder das Befüllverhältnis, errechnet. Die Information ”Refuelling Commands” (Ref. Com.) geht über die Kommunikationsverbindung KV zum Rechner der Tankstelle (SPS der Befüllanlage).
In der Tankstelle sind neben dem Vorratstank VT hier die fehlersicheren Messgeräte F-UT für die Umgebungstemperatur, F-TT für die Temperatur des Gases und F-PT für den Druck des Gases (die beiden letzteren bevorzugt in der Befüllleitung) angeordnet. Aus diesen Messwerten wird im Rechner der Tankstelle (SPS der Befüllanlage) die Betankung berechnet und/oder überwacht. Als Eingangsdaten für den Rechner können Daten aus der NIST- oder SAE-Tabelle verwendet werden, welche aus Druck und Temperatur den aktuellen Füllgrat (SOC Tankstelle) berechnen. Diese SOC Tankstelle zeichnet sich durch eine deutlich höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber dem SOC Fahrzeugaus.
Die Befüllung läuft wie bereits in der SAE TIR J2601 beschrieben, mit dem Verbinden des Fahrzeugs mit der Tankleitung und mit der Kommunikationsverbindung KV. Über die Tankleitung wird dann ein Druckpuls an den Fahrzeugtank geschickt, welcher einerseits zum Testen der Dichtheit der gesamten Anlage und andererseits hier erfindungsgemäß dazu verwendet wird, dass das Druckmessgerät F-PT ermittelt, wie viel Gas noch im Fahrzeugtank ist. Der Rechner nimmt z. B. als Zieldruck 700 bar bei 15°C an und nimmt dies als SOC 100%, oder volle Füllung des Tanks. Aus den im Tankstellenrechner gespeicherten Werten wird beispielsweise die erwartete Endtemperatur 85°C nach dem Betanken ermittelt. Daraus berechnet der Rechner einen Zieldruck und verwendet diesen zur Steuerung der Befüllung. Die Befüllung läuft dann solange, bis dieser Zieldruck erreicht ist oder bis der Rechner des Fahrzeugs ein Signal über die Kommunikationsverbindung KV gibt, das sein SOC Fahrzeug bei 100% ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1336795 B1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE-Norm, SAE TIR J2601 [0002]
SAE TIR J2601 [0003]
SAE TIR J2601 [0015]

Claims

Tankstelle für ein unter Druck stehendes Gas, wie Wasserstoff oder Erdgas, zum Befüllen eines Fahrzeugtanks, wobei – ein Vorratstank (VT), – ein tankstellenseitiger Rechner (SPS), der ein Abgabeventil öffnen und schließen kann, – eine Tankleitung zwischen Vorratstank (VT) und zu befüllendem Fahrzeugtank und – eine Kommunikationsverbindung (KV) zum Fahrzeug vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – ein fahrzeugseitiger Rechner zur Berechnung des fahrzeugseitigen Befüllungsgrades (Status of Charge, SOC Fahrzeug), und – ein tankstellenseitiges Druckmessgerät (F-PT) in der Tankleitung vorgesehen sind, wobei der tankstellenseitige Rechner (SPS) aus einem Messwert des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) und mindestens einem Temperaturwert den anfänglichen SOC Tankstelle berechnet und die Betankung mit der Information des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) bis zum Zieldruck oder Ziel-SOC Tankstelle oder bis zu einem Abbruchsignal, das vom fahrzeugseitigen Rechner kommt, steuert.
Tankstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturbestimmung ein tankstellenseitiges Temperaturmessgerät (F-TT) in der Tankleitung, ein Umgebungstemperaturmessgerät (F-UT) und/oder ein Erfahrungswert bzw. eine andere Methode zur Ermittlung dieser Werte verwendet wird.
Tankstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsverbindung (KV) ein Bus, ein WLAN-BUS, ein Profi-Bus F, eine Infrarotverbindung, ein optisches Kabel, eine Funk-Verbindung, eine Bluetooth-Verbindung oder elektrisches Kabel ist.
Tankstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das tankstellenseitige Temperaturmessgerät (F-TT), das tankstellenseitige Druckmessgerät (F-PT) und/oder das Umgebungstemperaturmessgerät (F-UT) fehlersicher sind.
Tankstelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des SOC Tankstelle eine Stoffdatentabelle (SAE oder NIST Tabelle) verwendet wird.
Verfahren zum Befüllen eines Fahrzeugtanks an einer Tankstelle mit einem unter Druck stehenden Gas, wie Wasserstoff oder Erdgas, wobei – ein Vorratstank (VT), – ein tankstellenseitiger Rechner (SPS), der ein Abgabeventil öffnen und schließen kann, – eine Tankleitung zwischen Vorratstank (VT) und zu befüllendem Fahrzeugtank und – eine Kommunikationsverbindung (KV) zum Fahrzeug verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – ein fahrzeugseitiger Rechner zur Berechnung des fahrzeugseitigen Befüllungsgrades (Status of Charge, SOC Fahrzeug) und – ein tankstellenseitiges Druckmessgerät (F-PT) in der Tankleitung verwendet werden und der tankstellenseitige Rechner (SPS) aus einem Messwert des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) und mindestens einem Temperaturwert den anfänglichen SOC Tankstelle berechnet und die Betankung mit der Information des tankstellenseitigen Druckmessgeräts (F-PT) bis zum Zieldruck oder dem Ziel-SOC Tankstelle oder bis zum Abbruchsignal, das vom fahrzeugseitigen Rechner kommt, steuert.