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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein die Kalibrierung von Drucksensoren für ein Wasserstoffspeichersystem und insbesondere ein Verfahren und System zum Kalibrieren von Drucksensoren, die in einem Wasserstoffspeichersystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden, das einen bekannten Druckwert nutzt, der in dem Wasserstoffspeichersystem vorliegt, wenn ein Druckregler eine vollständig offene Stellung erreicht, und alle Drucksensoren in dem Wasserstoffspeichersystem auf den bekannten Reglerdruckwert kalibriert, um das Toleranzband an dem unteren Ende des Bereichs der Sensoren zu reduzieren
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Es wird erwartet, dass sich Brennstoffzellenfahrzeuge in der nahen Zukunft im Automobilmarkt schnell an wachsender Beliebtheit erfreuen werden. Brennstoffzellenfahrzeuge bieten mehrere wünschenswerte Merkmale, wie etwa praktisch schadstofffreie Emissionen und Vermeidung der Nutzung von Kraftstoffen auf Erdölbasis für das Fahrzeug. Eine Schlüsselkomponente von Brennstoffzellenfahrzeugen ist das Wasserstoffspeichersystem, das den von den meisten Brennstoffzellenfahrzeugen als Brennstoff verwendeten Wasserstoff speichert. Wasserstoffspeichersysteme bestehen neben zahlreichen Ventilen, Messgeräten und Einrichtungen, die für den Betrieb des Wasserstoffspeichersystems notwendig sind, typischerweise aus einem oder mehreren miteinander verbundenen Druckbehältern zum Speichern von gasförmigem Wasserstoff. Das Maximieren der Fahrzeugreichweite bei gleichzeitigem Berücksichtigen der Platzbeschränkungen und Erfüllen von gesetzlichen Bestimmungen ist ein ausschlaggebender Gesichtspunkt bei der Konstruktion des Wasserstoffspeichersystems für Brennstoffzellenfahrzeuge.
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Brennstoffzellen benötigen eine zuverlässige Quelle von Wasserstoffgas bei einem vorgeschriebenen Druck. Zum Reduzieren des Wasserstoffgases von dem hohen Druck, bei dem es in den Behältern gespeichert ist, auf den niedrigeren vorgeschriebenen Druck, der von der Brennstoffzelle benötigt wird, wird ein Druckregler verwendet. Die in Wasserstoffspeichersystemen verwendeten Druckbehälter können aber kein schnelles Nachfüllen von einem übermäßig niedrigen Wasserstoffdruck vertragen, so dass die Brennstoffzelle in einem Fahrzeug abgeschaltet werden muss, wenn der Druck in dem Wasserstoffspeichersystem einen zulässigen Mindestwert erreicht. Leider sind Drucksensoren, die die typischerweise in den Behältern auftretenden hohen Wasserstoffdrücke messen können, bei niedrigen Druckbereichen nicht sehr genau. In aktuellen Wasserstoffspeichersystemen kann daher nicht präzis ermittelt werden, wann der Druck in dem Wasserstoffspeichersystem den zulässigen Mindestdruck erreicht hat. Dadurch muss an dem Druckmesswert ein Toleranzband angelegt werden und die Brennstoffzelle muss abgeschaltet werden, wenn der Druckmesswert minus des Toleranzwerts den zulässigen Mindestdruck erreicht.
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Es besteht Bedarf nach einer Kalibrierungsmethodologie für Drucksensoren in einem Wasserstoffspeichersystem, die die Genauigkeit der Sensoren am unteren Ende ihres Bereichs verbessert. Ein solches Verfahren würde einen präziseren Messwert des Wasserstoffdrucks ermöglichen, wenn die Speicherbehälter nahezu leer sind, was das große Toleranzband um den Druckmesswert beseitigt, das vorzeitige Abschalten der Brennstoffzelle vermeidet und das Nutzen von signifikant mehr Wasserstoffbrennstoff zum Antreiben des Fahrzeugs zulässt. Dadurch hat das Fahrzeug eine größere Reichweite zwischen Tankstopps, was ein echter Vorteil für den Fahrer ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und System zum automatischen Kalibrieren aller Drucksensoren in einem Wasserstoffspeichersystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug offenbart. Ein Druckregler in dem Wasserstoffspeichersystem, der eine viel größere Genauigkeit bei niedrigen Drücken aufweist, wird verwendet, um die in dem Wasserstoffspeichersystem verwendeten Drucksensoren für den oberen Bereich zu kalibrieren. Diese Kalibrierung kann nur erfolgen, wenn sich der Druckregler in einer vollständig offenen Stellung befindet. In einem solchen Zustand können die Drucksensoren auf den Regeldruckwert des Reglers kalibriert werden, wodurch die Genauigkeit der Messwerte der Sensoren für den oberen Bereich am unteren Ende ihres Bereichs stark verbessert wird. Die Kalibrierung kann unter bestimmten Umständen während des Brennstoffzellenbetriebs durchgeführt werden, kann während einer programmierten Abschaltsequenz durchgeführt werden oder kann bei einem Wartungsvorgang durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Wasserstoffspeichersystems für eine Brennstoffzelle;
- 2 ist ein Balkendiagramm, das zeigt, wie die Reichweite eines Brennstoffzellenfahrzeugs durch Drucksensorkalibrierung verbessert werden kann;
- 3 ist ein Graph, der zeigt, wie der Druckabfall zwischen zwei Drucksensoren für verschiedene Durchsatz- und Druckbedingungen berechnet werden kann;
- 4 ist ein Graph, der zeigt, wie die Druckmesswerte an zwei Drucksensoren zueinander kalibriert werden können, wenn ein zwischen den zwei Sensoren befindlicher Druckregler eine vollständig offene Stellung erreicht;
- 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das verwendet werden kann, um alle Drucksensoren für den oberen Bereich in dem Wasserstoffspeichersystem von 1 zu kalibrieren; und
- 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das verwendet werden kann, um unabhängig von der in den Druckbehältern des Wasserstoffspeichersystems enthaltenen Wasserstoffmenge alle Drucksensoren für den oberen Bereich zu kalibrieren.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf die Kalibrierung von Drucksensoren in einem Wasserstoffspeichersystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur. Die offenbarten Verfahren und Systeme finden zum Beispiel besondere Anwendung bei einem Wasserstoffspeichersystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, können aber auch Anwendung bei der Kalibrierung von Drucksensoren in einem beliebigen Gasspeicher- oder Gashandhabungssystem finden.
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Brennstoffzellen können konzipiert werden, um verschiedene Brennstoffe zu nutzen, doch die für die meisten kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen derzeit entwickelten Brennstoffzellen nutzen Wasserstoffgas als Brennstoff. Solche Brennstoffzellen benötigen eine zuverlässige Wasserstoffgasquelle, die typischerweise von einem Wasserstoffspeichersystem vorgesehen wird.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Wasserstoffspeichersystems 100 für eine Brennstoffzelle 130. Druckbehälter 102 speichern Wasserstoffgas bei einem hohen Druck. Es könnten mehr oder weniger der Druckbehälter 102 als die in dem Wasserstoffspeichersystem 100 gezeigten drei verwendet werden. Ein Drucksensor 104 misst den Druck an einer Füllleitung 106, die zum Füllen der Behälter 102 aus einer (nicht gezeigten) externen Zufuhr verwendet wird. Absperrventile 108 befinden sich direkt stromabwärts von jedem der Druckbehälter 102. Die Begriffe stromaufwärts und stromabwärts werden in dieser gesamten Offenbarung bezüglich der Strömungsrichtung von den Druckbehältern 102 zu der Brennstoffzelle 130 verwendet. Ein Drucksensor 110 misst zwischen den Absperrventilen 108 und einem Druckregler 112 den Wasserstoffdruck.
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Der Druckregler 112 wird verwendet, um den Druck des Wasserstoffgases von dem hohen Druck der Behälter 102 hinunter zu einem niedrigeren Druck zu reduzieren, der nahe dem Druck liegt, der von der Brennstoffzelle 130 benötigt wird.
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Ein Drucksensor 114 misst den Wasserstoffdruck stromabwärts des Reglers 112 und stromaufwärts eines Absperrventils 116. Das Absperrventil 116 kann geschlossen werden, um das Wasserstoffspeichersystem 100 vollständig von der Brennstoffzelle 130 zu isolieren. Ein zweiter Druckregler 118 wird verwendet, um den Wasserstoffgasdruck hinunter auf den von der Brennstoffzelle 130 benötigten niedrigen Druck zu reduzieren. Eine Brennstoffversorgungsleitung 120 verbindet das Wasserstoffspeichersystem 100 mit der Brennstoffzelle 130. Ein Steuergerät 122 - das mit den Ventilen 108, den Sensoren 104, 110 und 114, den Reglern 112 und 118, dem Ventil 116 und der Brennstoffzelle 130 in Verbindung steht - kann genutzt werden, um Bedingungen in dem Wasserstoffspeichersystem 100 und in der Brennstoffzelle 130 zu überwachen und wie nachstehend erläutert eine Kalibrierungssequenz zu steuern. Der Einfachheit halber wird auf die Einzelheiten der Komponenten der Brennstoffzelle 130 verzichtet, wie etwa verschiedene Filter, Rückschlagventile, Entlastungsventile und andere Komponenten des Wasserstoffspeichersystems 100.
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Der Druck des in den Druckbehältern 102 enthaltenen Wasserstoffgases kann bei 700 Bar oder sogar noch höher liegen. Dadurch muss zumindest für die Drucksensoren 104 und 110 ein Wandler oder Sensor für einen hohen Bereich verwendet werden, und Sensoren für hohe Bereiche weisen inhärent ein hohes Toleranzband um ihre Druckmesswerte auf, was insbesondere bei Druckmesswerten am unteren Ende ihres Bereichs problematisch sein kann. Ein typischer Druckwandler oder Drucksensor, wie etwa die Drucksensoren 104, 110 und 114, besteht aus einer Membran und möglicherweise mehreren elektronischen Komponenten, die so konfiguriert sind, dass ein Ausgangsspannungssignal erzeugt wird, das proportional zu der von der Membran erfahrenen Druckdifferenz ist. Jede der Komponenten der Sensoren 104, 110 und 114 hat eine Grundtoleranz, die als Plus- oder Minusdruckvarianz dargestellt werden kann. Ferner erfährt auch jede der Komponenten eine langfristige Drift, die sich weiter auf die Genauigkeit der Sensoren 104, 110 und 114 auswirkt. Wenn alle Toleranzen der Komponenten addiert werden, kann ein typischer Druckwandler oder -sensor für den hohen Bereich, wie etwa die Drucksensoren 104, 110 und 114, Toleranzen von +/- 30 Bar oder höher aufweisen.
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Das hohe Toleranzband erzeugt ein Problem für das Wasserstoffspeichersystem 100, da es das hohe Toleranzband an den Druckmesswerten an den Drucksensoren 104, 110 und 114 erschweren, genau zu bestimmen, wie viel Wasserstoff tatsächlich in den Behältern 102 verbleibt. Aus Gründen der Zuverlässigkeit sind die Druckbehälter 102 so konzipiert, dass sie einmal auf einen bestimmten Wert mit Druck beaufschlagt werden, und ab dann darf der Druck in den Behältern 102 nicht unter einen bestimmten zulässigen Mindestdruck fallen. Die Behälter 102 können zum Beispiel einen zulässigen Mindestdruck von 20 Bar aufweisen. Wenn der Drucksensor 104 eine Toleranz von +/- 30 Bar aufweist, dann könnte der zulässige Mindestdruck von 20 Bar möglicherweise erreicht werden, wenn der Drucksensor 104 50 Bar liest (20 Bar tatsächlicher Druck plus 30 Bar Toleranz). Bei einer Toleranz von +/- 30 Bar um Messwerte an dem Sensor 104 würde das Wasserstoffspeichersystem 100 daher so konzipiert werden müssen, dass es abschaltet, um die Behälter 102 zu schützen, wenn der Druckmesswert an dem Sensor 104 50 Bar erreicht. Aufgrund der Unsicherheit des Druckmesswerts an dem Sensor 104 kann aber in einer solchen Situation der in den Behältern 102 verbleibende tatsächliche Druck bei 80 Bar liegen (der Messwert 50 Bar plus die Toleranz von 30 Bar). Dies alles führt dazu, dass das Wasserstoffspeichersystem 100 und die Brennstoffzelle 130 so ausgelegt werden müssen, dass sie abgeschaltet werden, wenn in den meisten Fällen eine signifikante nutzbare Menge an Wasserstoff noch in den Behältern 102 verbleibt.
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Der zulässige Mindestdruck von 20 Bar wird auch vorgeschrieben, um den Volumendurchsatz unterhalb eines angemessenen Grenzwerts zu halten, während ein Massendurchsatz erreicht wird, der zum Betreiben der Brennstoffzelle 130 bei voller Leistung erforderlich ist. Ohne den zulässigen Mindestdruckgrenzwert würden die während niedriger Behälterdruckbedingungen erfahrenen hohen Volumendurchsätze im gesamten Wasserstoffspeichersystem 100 größere Rohre und Rohrverbindungsstücke erfordern.
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Wie vorstehend erläutert sind die Drucksensoren 104, 110 und 114 für einen hohen Bereich ausgelegt und haben typischerweise eine Toleranz von etwa +/- 30 Bar, was die Genauigkeit von Druckmesswerten signifikant beeinflusst und besonders an dem unteren Ende des Bereichs der Sensoren problematisch wird. Ein Druckregler wie etwa der Regler 112, kann jedoch eine Toleranz von nur etwa +/- 5 Bar um seinen Regeldruck aufweisen. Diese Tatsache kann zum Vorteil des Wasserstoffspeichersystems 100 genutzt werden, indem die Drucksensoren 104, 110 und 114 gegen den Druckregler 112 kalibriert werden. Dies kann in dem Moment erfolgen, da der Druckregler 112 unter Bedingungen niedrigen Drucks eine vollständig offene Stellung erreicht.
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Im Fall einer Toleranz von +/- 30 Bar könnte der tatsächliche Druck in den Behältern 102 irgendwo zwischen 20 und 80 Bar liegen, wenn die Brennstoffzelle 130 aufgrund des zulässigen Mindestdrucks abgeschaltet werden muss. Im Fall einer Toleranz von +/- 5 Bar, wie sie nach Kalibrierung der Drucksensoren 104, 110 und 114 gegen den Druckregler 112 erreicht würde, könnte dagegen der tatsächliche Druck in den Behältern 102 irgendwo zwischen 20 und 30 Bar liegen, wenn ein Abschalten erforderlich ist. Die zusätzlichen 50 Bar an nutzbarem Wasserstoffdruck (80 Bar minus 30 Bar) stellen eine signifikante zusätzliche Reichweite für das Fahrzeug dar, das von der Brennstoffzelle 130 angetrieben wird.
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2 ist ein Balkendiagramm 40, das zeigt, wie die Reichweite eines Brennstoffzellenfahrzeugs durch Drucksensorkalibrierung verbessert werden kann. Die vertikale Achse 42 stellt die Reichweite dar. Der Balken 44 zeigt den aufgrund hoher Toleranzen bei den Druckmesswerten erfahrenen Verlust an Reichweite in einem typischen Brennstoffzellenfahrzeug ohne Drucksensorkalibrierung. Der Balken 46 zeigt die gesamte Reichweite des gleichen typischen Brennstoffzellenfahrzeugs. Der Balken 48 zeigt den Verlust an Reichweite, der von einem Brennstoffzellenfahrzeug erfahren würde, bei dem eine Drucksensorkalibrierung wie vorstehend erläutert ausgeführt wird. Der Balken 50 zeigt die gesamte Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs, bei dem eine Drucksensorkalibrierung ausgeführt wird. Es ist ersichtlich, dass der Reichweitenverlust zwischen dem Balken 44 und dem Balken 48 signifikant verringert ist, während die gesamte Reichweite von Balken 46 bis Balken 50 um den gleichen Betrag vergrö-ßert ist. Während das Balkendiagramm 40 ohne Laufleistungsskala vorgesehen ist, wird angemerkt, dass in einem Fahrzeug mit einer Nennreichweite von 350 - 400 Meilen (563, 27 bis 643,74 km) eine Reichweitenzunahme von 50 Meilen (80,47 km) durch Drucksensorkalibrierung möglich ist.
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Die Kalibrierung der Drucksensoren 104, 110 und 114 kann in dem Fall, da der Regler 112 gerade eine vollständig offene Stellung erreicht hat, durch das Festlegen der Drucksensorwerte gleich dem bekannten Regeldruck des Reglers 112 verwirklicht werden. Dieser Fall tritt ein, wenn die in den Behältern 102 verbleibende Wasserstoffmenge gering genug ist, um den Druck an dem Sensor 110 auf den Regeldruck des Reglers 112 fallen zu lassen. In diesem Moment können die Sensoren 110 und 114 auf den Regeldruck des Reglers 112 kalibriert werden, da der Druckabfall zwischen den Sensoren 110 und 114 vernachlässigbar ist. Dann kann der Sensor 104 das nächste Mal, da die Brennstoffzelle 130 durch Schließen des Absperrventils 116 abgeschaltet wird, statisch auf den Sensor 110 kalibriert werden.
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Wie der Fachmann verstehen wird, bedeutet das Kalibrieren eines ersten Drucksensors gegen oder auf einen zweiten Drucksensor das Anpassen des Messwerts des ersten Drucksensors, so dass er dem Messwert des zweiten Drucksensors entspricht. Es wird mit anderen Worten angenommen, dass der zweite Drucksensor genauer ist, so dass der erste Drucksensor angepasst wird, um ihm zu entsprechen.
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Selbst wenn die Brennstoffzelle 130 nicht abgeschaltet wird und Wasserstoffgas durch den Regler 112 strömt, kann der Drucksensor 104 durch Berücksichtigen des Druckabfalls zwischen den beiden auf den Drucksensor 110 kalibriert werden. 3 ist ein Graph 60, der zeigt, wie der Druckabfall zwischen dem Drucksensor 104 und dem Drucksensor 110 für verschiedene Durchsatz- und Druckbedingungen berechnet werden kann. Die horizontale Achse 62 stellt einen Massendurchsatz von Wasserstoffgas durch den Regler 112 dar. Die vertikale Achse 64 stellt den Druckabfall zwischen dem Sensor 104 und dem Sensor 110 dar. Die Kurve 66 zeigt den Druckabfall als Funktion von Massendurchsatz, wenn der Druck an dem Sensor 110 30 Bar beträgt. Die Kurve 68 zeigt den Druckabfall als Funktion von Massendurchsatz, wenn der Druck an dem Sensor 110 50 Bar beträgt. Die in dem Graphen 60 enthaltenen Daten können über dem Bereich von Drücken und Massendurchsätzen berechnet werden, die an dem Drucksensor 110 erwartet werden, was die Kalibrierung des Drucksensors 104 ermöglicht, während Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle 130 strömt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kurven 66 und 68 theoretische Druckabfälle aufgrund von Strömung darstellen; gemessene Druckabfälle können einen statischen Versatz (Druckmesswertdifferenz bei null Strömung) aufgrund der vorstehend beschriebenen Toleranzbänder aufweisen. Schließlich können die Rückschlagventile in dem Wasserstoffspeichersystem 100 eine echte statische Druckdifferenz zwischen den Sensoren 104 und 110 bewirken.
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4 ist ein Graph 140, der Druckmesswerte an den Drucksensoren 110 und 114 zeigt, wenn der Druckregler 112 eine vollständig offene Stellung erreicht. Die horizontale Achse 142 stellt Zeit dar, während die vertikale Achse 144 Druck darstellt. Die Kurve 146 zeigt den Druckmesswert an dem Drucksensor 110, d.h. den Druck stromaufwärts des Druckreglers 112. Die Kurve 148 zeigt den Druckmesswert an dem Drucksensor 114, d.h. den Druck stromabwärts des Druckreglers 112. An der linken Seite des Graphen 140 - links der Zeitmarke 150 - liegt der Druck an dem Sensor 110, der durch die Kurve 146 gezeigt wird, etwas über dem Regeldruck des Reglers 112 und nimmt langsam ab; dies würde auftreten, wenn die Druckbehälter 102 nur eine kleine Menge an verbleibendem Wasserstoff aufweisen und die Brennstoffzelle 130 arbeitet und Wasserstoffbrennstoff verbraucht. Der Druck an dem Sensor 114, der durch die Kurve 148 gezeigt ist, bleibt indessen konstant bei dem Regeldruck des Reglers 112, was durch die Druckmarke 152 bezeichnet ist.
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An der Zeitmarke 150 erreicht der Druck an dem Sensor 110 den Regeldruck des Reglers 112. In diesem Moment ist der Regler 112 vollständig offen und der durch die Kurve 148 gezeigte Druck an dem Sensor 114 beginnt zu fallen. In dem Moment, da der Druck an dem Sensor 114 zu fallen beginnt, d.h. an der Zeitmarke 150, können die Druckmesswerte an den Sensoren 110 und 114 auf den bekannten Regeldruck des Reglers 112 kalibriert werden, d.h. den durch die Druckmarke 152 gezeigten Wert. Wie vorstehend erwähnt kann der Regler 112 zum Beispiel einen Regeldruck von 30 +/- 5 Bar aufweisen, was signifikant genauer als das Toleranzband von +/- 30 Bar ist, das für die Drucksensoren 104, 110 und 114 typisch ist.
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In dem Graph 140 stellt die Linie 154 den zulässigen Mindestdruck in dem Wasserstoffspeichersystem 100 dar, der durch die Druckmarke 156 angezeigt wird. In einem typischen Beispiel weist die Druckmarke 152 einen Wert von etwa 30 Bar auf, während die Druckmarke 156 einen Wert von etwa 20 Bar hat. Dies zeigt an, dass die vorstehend beschriebene Kalibrierung ausgeführt werden kann, während die Brennstoffzelle 130 arbeitet.
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Auch wenn die Kurven 146 und 148 in dem Graph 140 der Klarheit halber etwas getrennt gezeigt sind, liegt in der Situation, da der Druckregler 112 vollständig offen ist, sehr wenig Druckabfall zwischen den Drucksensoren 110 und 114 vor, selbst wenn Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle 130 strömt. Daher können die Druckmesswerte an den Sensoren 110 und 114 präzis dem Regeldruck des Reglers 112 gleichgesetzt werden
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5 ist ein Flussdiagramm 160 eines Verfahrens, das zum Kalibrieren der Drucksensoren 104, 110 und 114 gegen den Regeldruck des Reglers 112 verwendet werden kann. In Feld 162 wird das Wasserstoffspeichersystem 100 mit den Ventilen 108 und 116 offen betrieben, was der Brennstoffzelle 130 Wasserstoffbrennstoff liefert. In Feld 164 wird der Druck an den Sensoren 110 und 114 von dem Steuergerät 122 überwacht. In Feld 166 darf der Druck an dem Sensor 110 auf den Regeldruck des Reglers 112 fallen, wie es geschehen würde, wenn die Behälter 102 nahezu leer wären. In Feld 168 prüft das Steuergerät 122, ob der Regler 112 vollständig offen ist, indem eine Druckabnahme von dem zuvor konstanten Wert an dem Sensor 114 detektiert wird. In Feld 170 werden die Drucksensoren 110 und 114 durch Festlegen ihrer Ausgabewerte gleich dem bekannten Regeldruck des Reglers 112 kalibriert. Die Maßnahmen der Felder 162-170 können alle erfolgen, während die Brennstoffzelle 130 arbeitet und das Trägerfahrzeug gefahren wird, wenn der Druck in den Behältern 102 auf den Regeldruck des Reglers 112 fällt.
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Der Kalibrierungsprozess kann ausgeführt werden, während die Brennstoffzelle 130 arbeitet und Wasserstoffgas strömt. In diesem Fall kann die Kalibrierung des Drucksensors 104 bei Feld 172 durch das vorstehend beschriebene Berücksichtigen des Druckabfalls zwischen den Sensoren 104 und 110 abgeschlossen werden. Wenn eine statische Kalibrierung des Drucksensors 104 erwünscht ist, dann können wie folgt zusätzliche Schritte ausgeführt werden. Bei Feld 174 wird das Absperrventil 116 geschlossen, um die Strömung von Wasserstoffgas von dem Wasserstoffspeichersystem 100 zu der Brennstoffzelle 130 zu stoppen. Die Ventile 108 müssen in dem Feld 174 offen bleiben. In Feld 176 wird der Drucksensor 104 durch Festlegen seines Ausgabewerts gleich dem Druckmesswert des Drucksensors 110 plus nach Bedarf einem statischen Druckversatz kalibriert. Eine Wartezeit, wie etwa 5 - 10 Sekunden, kann in dem Feld 176 enthalten sein, um das Erreichen eines statischen Gleichgewichtsdrucks im gesamten Wasserstoffspeichersystem 100 zu ermöglichen. Die statische Kalibrierung des Drucksensors 104 kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach dem Kalibrieren des Drucksensors 110 ausgeführt werden. Zum Beispiel könnte die Kalibrierung in Feld 176 erfolgen, nachdem die Brennstoffzelle 130 aufgrund Inaktivität des Fahrzeugs abgeschaltet wurde. Daher ist es wichtig, dass der Sensor 104 gegen den Sensor 110, nicht gegen den Regeldruck des Reglers 112, kalibriert wird, da sich der Systemdruck zu dem Zeitpunkt , da die Kalibrierung in dem Feld 176 beendet ist, gegenüber dem Regeldruck geändert haben kann
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Es ist möglich, dass manche Fahrer von Brennstoffzellenfahrzeugen es selten oder nie zulassen, dass der Stand an Wasserstoffbrennstoff in ihrem Fahrzeug auf einen niedrigen Stand fällt. Daher kann bei diesen Fahrzeugen selten, wenn überhaupt, die Möglichkeit bestehen, dass der Druck in den Behältern 102 auf den Regeldruck des Reglers 112 fällt. Um die Vorteile der Drucksensorkalibrierung zu erreichen, ist ein Kalibrierungsverfahren erforderlich, das nicht erfordert, dass die Druckbehälter 102 nahezu leer sind. Ein solches Verfahren kann durch Schließen der Absperrventile 108 und Weiterarbeitenlassen der Brennstoffzelle 130 entwickelt werden; dies verbraucht den Wasserstoffbrennstoff stromabwärts der Absperrventile 108, was den Druck an dem Sensor 110 durch den Regeldruck des Reglers 112 fallen lässt.
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6 ist ein Flussdiagramm 180 eines Verfahrens, das unabhängig von der in den Druckbehältern 102 enthaltenen Wasserstoffmenge zum Kalibrieren der Drucksensoren 104, 110 und 114 verwendet werden kann. In Feld 182 wird das Wasserstoffspeichersystem 100 mit den Ventilen 108 und 116 offen betrieben, was der Brennstoffzelle 130 Wasserstoffbrennstoff liefert. In Feld 184 wird der Druck an den Sensoren 110 und 114 von dem Steuergerät 122 überwacht. In Feld 186 werden die Absperrventile 108 geschlossen, was das Strömen von Wasserstoff stromabwärts von den Behältern 102 verhindert. In Feld 188 darf der Druck an dem Sensor 110 auf den Regeldruck des Reglers 112 fallen, was bei geschlossenen Ventilen 108 schnell geschieht. In Feld 190 prüft das Steuergerät 122, ob der Regler 112 vollständig offen ist, indem eine Druckabnahme von dem zuvor konstanten Wert an dem Sensor 114 detektiert wird. In Feld 192 werden die Drucksensoren 110 und 114 durch Festlegen ihrer Ausgabewerte gleich dem bekannten Regeldruck des Reglers 112 kalibriert. Die Maßnahmen der Felder 182-192 könnten praktischerweise abgeschlossen werden, während die Brennstoffzelle 130 abgeschaltet wird, nachdem das Trägerfahrzeug geparkt wurde.
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An diesem Punkt im Prozess werden die Ventile 108 geschlossen, so dass der Drucksensor 104 nicht auf den Wert des Drucksensors 110 kalibriert werden kann. Weitere Schritte sind erforderlich, um den Sensor 104 zu kalibrieren. Bei Feld 194 wird das Absperrventil 116 geschlossen, um das Strömen von Wasserstoffgas von dem Wasserstoffspeichersystem 100 zu der Brennstoffzelle 130 zu stoppen. Bei Feld 196 werden die Ventile 108 geöffnet, was den Sensor 104 und die Behälter 102 zurück in Fluidverbindung mit dem Sensor 110 versetzt. In Feld 198 wird der Drucksensor 104 durch Festlegen seines Ausgabewerts gleich dem Druckmesswert des Drucksensors 110 plus nach Bedarf einem statischen Druckversatz gesetzt. Eine Wartezeit, wie etwa 5 - 10 Sekunden, kann in dem Feld 198 enthalten sein, um das Erreichen eines statischen Gleichgewichtsdrucks im gesamten Wasserstoffspeichersystem 100 zu ermöglichen. Die statische Kalibrierung des Drucksensors 104 kann zu jeder beliebigen Zeit nach dem Kalibrieren des Drucksensors 110 ausgeführt werden, einschließlich unmittelbar danach, während das Ventil 116 geschlossen ist.
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Es kann wünschenswert sein, das Steuergerät 122 so zu konfigurieren, dass die Kalibrierung des Drucksensors 104 zu einem Zeitpunkt ausgeführt wird, da der Druck in den Behältern 102 relativ niedrig ist. Dies würde den Vorteil des Kalibrierens des Sensors 104 nahe dem unteren Ende seines Bereichs bieten, was die Genauigkeit der Messwerte des unteren Endes verbessert, die zum Verhindern des Abfallens des Drucks in den Behältern 102 unter den zulässigen Mindestdruck wichtig sind. In diesem Fall würden die in den Feldern 194-198 enthaltenen Schritte die gleichen bleiben, doch würden sie ausgelöst werden, wenn der Druck in den Behältern 102 geeignet niedrig ist - zum Beispiel unter 100 Bar.
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Während der gesamten Beschreibung der in den Flussdiagrammen 160 und 180 gezeigten Kalibrierungsprozesse versteht sich, dass die Drucksensoren 104, 110 und 114 von einer Ausführung sind, die in nicht manueller Weise kalibriert werden kann, wie etwa durch das Steuergerät 122. Zum Beispiel würde das Steuergerät 122 den Regeldruck des Reglers 112 kennen, da dies ein fester Wert mit einer relativ kleinen Toleranz ist. Zu einem geeigneten Zeitpunkt könnte das Steuergerät 122 in Feld 170 zum Beispiel ein Signal zu den Drucksensoren 110 und 114 senden, um ihre Ausgangsdruck-Messwerte gleich dem bekannten Regeldruck zu setzen. Digital- oder Analog/Digital-Druckwandlervorrichtungen mit dieser Art von Kalibrierungsvermögen sind allgemein erhältlich.
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Es sind auch andere Kalibrierungsszenarien möglich - einschließlich Kalibrieren des Drucksensors 104 gegen einen bekannten externen Referenzwert während Tank- oder Wartungsvorgängen. Diese anderen Szenarien erreichen das Ziel der Drucksensorkalibrierung, doch können sie von den an Bord befindlichen Fahrzeugsystemen nicht autonom ausgeführt werden. In einem Szenario für eine Drucksensorkalibrierung des Wasserstoffspeichersystems 100 würde die externe Hochdruckwasserstoffversorgung (in den Figuren nicht gezeigt) an der Füllleitung 106 angebracht werden, so dass die Behälter 102 auf einen hohen Druck mit Wasserstoff gefüllt werden könnten. Entweder vor oder nach dem Füllen der Behälter 102 könnte, wenn das externe Versorgungssystem mit einem präzis kalibrierten Drucksensor (nicht gezeigt) ausgestattet ist, der Sensor des externen Versorgungssystems verwendet werden, um den Drucksensor 104 zu kalibrieren. Der Drucksensor 104 könnte dann verwendet werden, um die Sensoren 110 und 114 zu kalibrieren.
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In einem anderen Szenario, das das Wasserstoffspeichersystem 100 beinhaltet, könnte ein Wartungsvorgang ausgeführt werden, wobei ein präzis kalibrierter externer Drucksensor (in den Figuren nicht gezeigt) an der Füllleitung 106 angebracht wird und der Drucksensor 104 gegen den Wert des externen Sensors kalibriert wird. Dieser Wartungsvorgang könnte darauf ausgeweitet werden, das Schließen des Absperrventils 116 anzuordnen, so dass alle drei Drucksensoren (104, 110 und 114) statisch gegen den externen Drucksensor kalibriert werden können. Der Wartungsvorgang könnte das Absinken des Drucks in dem Wasserstoffspeichersystem 100 vor Kalibrierung auf den zulässigen Mindestdruck umfassen, so dass an dem unteren Ende des Bereichs der Sensoren die größte Drucksensorgenauigkeit vorgesehen wird.
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Unter Verwenden eines der vorstehend beschriebenen Kalibrierungsverfahren kann die Genauigkeit der in Wasserstoffspeichersystemen für Brennstoffzellenfahrzeuge verwendeten Drucksensoren stark verbessert werden. Insbesondere ermöglichen die offenbarten vollständig autonomen Verfahren und Systeme eine Kalibrierung der an Bord befindlichen Drucksensoren bedarfsweise ohne externes Eingreifen. Die erhöhte Genauigkeit der Drucksensoren ermöglicht das Nutzen eines größeren Prozentsatzes des an Bord befindlichen Wasserstoffbrennstoffvorrats, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs und die Kundenzufriedenheit verbessert werden.
