DE102012209842A1

DE102012209842A1 - Echtzeitsystem zum Überwachen einer Wasserstofftankausdehnung und ein Verfahren zum Verwenden desselben

Info

Publication number: DE102012209842A1
Application number: DE201210209842
Authority: DE
Inventors: Sang Hyun Kim; Ki Ho Hwang; Ji Hyun Shim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-06-06
Also published as: KR20130061268A; US20130139897A1; JP2013117301A; JP6177505B2; KR101337908B1; CN103133867A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum sicheren Befüllen von Wasserstoff unter Verwendung von Echtzeit-Wasserstofftank-Ausdehnungsdaten bereit. Das System umfasst eine Ausdehnungs-Messeinheit, eine fahrzeugseitige Steuereinheit, eine tankstellenseitige Steuereinheit und eine drahtlose Kommunikationseinheit. Die Ausdehnungs-Messeinheit ist auf einem Wasserstofftank des Fahrzeugs angeordnet und misst den Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Die fahrzeugseitige Steuereinheit wandelt das Ausgangssignal in ein drahtloses Ausgangssignal um. Die tankstellenseitige Steuereinheit stoppt das Wasserstoffnachfüllen durch eine Wasserstoff-Füllvorrichtung, wenn das drahtlose Ausgangssignal einen unsicheren Grad der Tankausdehnung anzeigt. Die drahtlose Kommunikationseinheit ist vorgesehen, um eine drahtlose Datenkommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der tankstellenseitigen Steuereinheit durchzuführen.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum sicheren Nachfüllen von Wasserstoff in einen Wasserstofftank eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Sie betrifft insbesondere ein System und ein Verfahren zum sichereren Nachfüllen von Wasserstoff in einen Wasserstofftank eines Brennstoffzellenfahrzeugs unter Verwendung von Echtzeit-Tankausdehnungsdaten.
(b) Stand der Technik
Im Allgemeinen werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor durch die Rotationskraft eines Verbrennungsmotors angetrieben, die aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen mit Sauerstoff in der Luft erzeugt wird, während Brennstoffzellenfahrzeuge durch die Rotationskraft eines Elektromotor angetrieben werden, der durch von einem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie betrieben wird. Der Brennstoffzellenstapel, der die Antriebsquelle für Brennstoffzellenfahrzeuge darstellt, erzeugt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von aus einem Hochdruck-Wasserstofftank oder Reformer zugeführten Wasserstoff mit Sauerstoff in der Luft, die aus einer Luftversorgungsvorrichtung wie zum Beispiel einem Gebläse oder einem Verdichter zugeführt wird.
In solchen Brennstoffzellenfahrzeugen ist es von großer Bedeutung, den Wasserstoff, der einen Brennstoff für das Fahrzeug darstellt, sicherer und kompakter zu speichern. Demzufolge sind verschiedene Technologien zum Speichern von Wasserstoff entwickelt worden, um die Reichweite und Sicherheit von Brennstoffzellenfahrzeugen zu erhöhen. Zum Beispiel gibt es Verfahren zum Verflüssigen von gasförmigem Wasserstoff in flüssigen Wasserstoff und Verschließen von gasförmigem Wasserstoff in eine Wasserstoff-absorbierende Legierung. Diese Verfahren weisen jedoch gegenwärtig unlösbare Einschränkungen hinsichtlich der natürlichen Verdampfung und der Absorptionsmenge (Okklusionsmenge) auf, die auftreten können. Demzufolge ist es normal, Wasserstoff in einen leichten und hochfesten Wasserstofftank hinzuzufügen, der einem hohen Druck standhalten kann. Wasserstoff kann ebenfalls in einen Hochdrucktank gefüllt werden, um einen ausreichenden Fahrtraum und eine ausreichende Reichweite zu erzielen.
Typische Brennstoffzellenfahrzeuge verwenden 350 bar oder 700 bar Wasserstofftanks. Die Körper der Wasserstofftanks sind aus Kunststoff oder Metall wie zum Beispiel einer Aluminium-Legierung gebildet und werden dann mit Verstärkungsmaterialien wie zum Beispiel Kohlenstofffaser umwickelt, um ausreichende druckbeständige Eigenschaften zu erzielen.
Da Wasserstoff mit hohem Druck in einen Wasserstofftank eines Brennstoffzellenfahrzeugs an einer Füllstation (Tankstelle) nachgefüllt wird, dehnt sich der Wasserstofftank wiederholt aus und zieht sich wiederholt zusammen, was die Haltbarkeit und Lebensdauer des Wasserstofftanks beeinträchtigt. Der Ausdehnungsgrad eines 750 bar Wasserstofftanks ist größer als der eines 350 bar Wasserstofftanks. Ebenso ist der Ausdehnungsgrad eines Kunststofftanks größer als der eines Metalltanks wie zum Beispiel einem Aluminiumtank. Demzufolge, wenn Wasserstoff in einen Tank mit einem hohen Druck ohne Berücksichtigung der Ausdehnung des Tanks nachgefüllt wird, können Unfälle wie zum Beispiel ein Bersten des Wasserstofftanks und Austreten von Wasserstoff und/oder eine Explosion des Wasserstofftanks auftreten.
Im Stand der Technik werden lediglich die innere Temperatur und der Druck eines Wasserstofftanks während einer Befüllung des Wasserstofftanks überwacht, um die Füllgeschwindigkeit zu steuern oder das Füllen zu unterbrechen, wenn die innere Temperatur oder der Druck einen bestimmten Wert überschreitet. Da die Ausdehnungsdaten eines Wasserstofftanks während der Wasserstofftank-Befüllung nicht berücksichtigt werden, können die Sicherheit beim Befüllen und die Zuverlässigkeit des Tanks nicht sichergestellt werden. Darüber hinaus erfordern die Wasserstofftanks häufig eine umfassende Inspektion, was eine Menge an Kosten für die Tankprüfung bedingt. Darüber hinaus, da die Sicherheit beim Befüllen und die Zuverlässigkeit des Wasserstofftanks nicht in Echtzeit sichergestellt werden können, ist die Massenproduktion von Kunststoff-Wasserstofftanks eingeschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum sicheren Nachfüllen von Wasserstoff in einen Wasserstofftank durch Überwachen der Echtzeit-Ausdehnungsdaten des Wasserstofftanks, während Wasserstoff in den Wasserstofftank eines Brennstoffzellenfahrzeugs nachgefüllt wird.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein System zum sicheren Nachfüllen von Wasserstoff in einen Wasserstofftank unter Verwendung von Echtzeit-Ausdehnungsdaten bereit, umfassend: eine Ausdehnungs-Messeinheit, die an einem Wasserstofftank eines Fahrzeugs angebracht ist und eingerichtet ist, um den Ausdehnungsgrad des Wasserstofftanks zu messen und ein Signal auszugeben; eine fahrzeugseitige Steuereinheit, die eingerichtet ist, um das Ausgangssignal der Ausdehnungs-Messeinheit in drahtlos übertragbare Daten auf den Grad der Wasserstofftankausdehnung umzuwandeln; eine tankstellenseitige Steuereinheit, die eingerichtet ist, um eine Wasserstoffbefüllung durch eine Wasserstoff-Füllvorrichtung zu stoppen, wenn ein unzulässiger Grad der Tankausdehnung basierend auf den von der fahrzeugseitigen Steuereinheit empfangenen Daten des Grades der Wasserstofftankausdehnung erfasst wird; und eine drahtlose Kommunikationseinheit, die bereitgestellt ist, um eine drahtlose Datenkommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der tankstellenseitigen Steuereinheit durchzuführen.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum sicheren Nachfüllen von Wasserstoff unter Verwendung von Echtzeit-Ausdehnungsdaten eines Wasserstofftanks von einem Brennstoffzellenfahrzeug bereit, wobei das System umfasst: Messen, durch eine Ausdehnungs-Messeinheit, die an einem Wasserstofftank des Fahrzeugs angebracht ist, des Grades der Ausdehnung des Wasserstofftanks während der Wasserstoffbefüllung; Übertragen von Daten auf den durch die Ausdehnungs-Messeinheit gemessenen Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks von einer fahrzeugseitigen Steuereinheit zu einer tankstellenseitigen Steuereinheit durch eine drahtlose Kommunikationseinheit; und Unterbrechen/Stoppen durch eine tankstellenseitige Steuereinheit, des Nachfüllens von Wasserstoff durch eine Wasserstoff-Füllvorrichtung, wenn ein unzulässiger Grad der Wasserstofftankausdehnung basierend auf den von der fahrzeugseitigen Steuereinheit empfangenen Daten auf den Grad der Ausdehnung erfasst wird.
Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, wobei:
1 zeigt eine Ansicht, die einen Verbindungszustand zwischen einer Tankstelle und einem Brennstoffzellenfahrzeug während einer Wasserstoffbefüllung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt eine Ansicht, die eine Anordnung von einem Wasserstoff-Sicherheits-Befüllungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Wasserstofftank mit einem Dehnungsmessstreifen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Füllstutzen mit einem IR-Empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 zeigt eine Ansicht, die einen Füllstutzen einer Wasserstoff-Füllvorrichtung, die mit einer Aufnahme eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden ist; und
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Wasserstoff-Sicherheits-Befüllungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie dies weiter unten erläutert wird:
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Wasserstofftank
3: Aufnahme
10: Dehnungsmessstreifen (Ausdehnungs-Messeinheit)
20: fahrzeugseitige Steuereinheit
30: drahtlose Kommunikationseinheit
31: IR-Sender (Funksender)
32: IR-Empfänger (Funkempfänger)
40: Wasserstoff-Füllvorrichtung
41: tankstellenseitige Steuereinheit
42: Wasserstoff-Versorgungseinheit
43: Warneinheit
44: Wasserstoff-Versorgungsschlauch
45: Füllstutzen

Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt. In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoff-angetriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, stellt ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug dar, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl Benzin-angetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum sichereren Nachfüllen von Wasserstoff in einen Wasserstofftank unter Verwendung von Echtzeit-Tank-Ausdehnungsdaten für den Wasserstofftank eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
Ein System und Verfahren zum sicheren Nachfüllen von Wasserstoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, um eine Ausdehnung eines Wasserstofftanks in Echtzeit während einer Wasserstofftankbefüllung zu messen und um zu ermöglichen, dass eine Tankstelle Echtzeit-Ausdehnungsdaten des Tanks von einem Fahrzeug durch eine drahtlose Kommunikation empfängt. Wenn bestimmt wird, dass die Ausdehnungsdaten des Tanks einen bestimmten Wert überschreiten, kann eine Steuerung im abgesicherten Modus wie zum Beispiel Stoppen/Unterbrechen der Wasserstoffbefüllung durchgeführt werden, um eine Gefährdung zu verhindern.
1 zeigt eine Ansicht, die einen Verbindungszustand zwischen einer Tankstelle und einem Brennstoffzellenfahrzeug während einer Wasserstoffbefüllung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Falls ein Füllstutzen 45 eines Wasserstoff-Versorgungsschlauchs 44 mit einem Fahrzeug verbunden ist, kann Wasserstoff von einer Wasserstoff-Füllvorrichtung 40 zu dem Fahrzeug 1 durch den Wasserstoff-Versprgungsschlauch 44 und den Füllstutzen 45 zugeführt werden. In diesem Fall kann Wasserstoff in einen Wasserstofftank (Kraftstofftank), der in dem Fahrzeug 1 montiert ist, mit hohem Druck nachgefüllt werden.
Während dem Nachfüllen von Wasserstoff können typische Messungen wie die Innentemperatur und der Druck des Tanks an die Wasserstoff-Füllvorrichtung 40 übertragen werden und Ausdehnungsdaten (z. B. durch einen Dehnungsmessstreifen gemessene Dehnungsdaten) des Tanks, die in Echtzeit durch eine Ausdehnungs-Messeinheit des Wasserstofftanks gemessen werden, können an die Wasserstoff-Füllvorrichtung 40 übertragen werden.
Die innere Temperatur und der Druck des Tanks können typische Daten sein, die durch ein Temperaturerfassungsmittel und ein Druckerfassungsmittel, die an einem Wasserstofftank angebracht sind, erfasst werden. Hierbei können eine Wasserstoff-Füllunterbrechungs-Logik unter Verwendung der Echtzeit-Ausdehnungsdaten des Tanks und eine typische Logik zum Steuern der Füllgeschwindigkeit oder Stoppen/Unterbrechen der Wasserstoffbefüllung basierend auf der inneren Temperatur und den Druck des Tanks zum Einsatz kommen.
Während Wasserstoff mit hohem Druck an einer Tankstelle nachgefüllt wird, kann sich der Wasserstofftank des Fahrzeugs in den Längs- und Umfangsrichtungen ausdehnen. Solch eine Ausdehnung kann nur während einer Wasserstoffbefüllung auftreten. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung eingerichtet sein, um eine Steuerung im Sicherheits-Modus zum Verhindern einer Gefährdung durchzuführen, wenn der Ausdehnungsgrad des Wasserstofftanks eines bestimmten Wert überschreitet, indem der Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks in Echtzeit während dem Nachfüllen von Wasserstoff überwacht wird.
2 zeigt eine Ansicht, die eine. Anordnung von einem Wasserstoff-Sicherheits-Befüllungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Wasserstoff-Sicherheits-Befüllungssystem kann eine Ausdehnungs-Messeinheit 10, eine fahrzeugseitige Steuereinheit 20, eine drahtlose Kommunikationseinheit 30 und eine tankstellenseitige Steuereinheit 41 umfassen. Die Ausdehnungs-Messeinheit 10 kann an den Wasserstofftank 2 angebracht sein und eingerichtet sein, um den Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks 2 in Echtzeit zu messen und auszugeben. Die fahrzeugseitige Steuereinheit 20 kann das Ausgangssignal der Ausdehnungs-Messeinheit 10 in drahtlos übertragbare Daten umwandeln und kann die drahtlos übertragbaren Daten auf den Ausdehnungsgrad des Wasserstofftanks 2 ausgeben. Die drahtlose Kommunikationseinheit 30 kann für eine drahtlose Übertragung von Daten zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 und der tankstellenseitigen Steuereinheit 41 angeordnet sein. Die tankstellenseitige Steuereinheit 41 kann eine Steuerung im Sicherheits-Modus durchführen, wenn die Ausdehnung des Wasserstofftanks 2 einen bestimmten Wert überschreitet, basierend auf den Tankausdehnungsdaten, die durch die drahtlose Kommunikationseinheit 30 empfangen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausdehnungs-Messeinheit 10 zum Beispiel ein Dehnungsmessstreifen sein. Die Ausdehnungs-Messeinheit 10, die an der Wand des Wasserstofftanks 2 angebracht ist, um eine Dehnung der Tankwand während dem Befüllen von Wasserstoff zu erfassen, kann elektrische Signale gemäß durch die Ausdehnungs-Messeinheit 10 gemessenen Dehnungswerten ausgeben. Die Ausdehnungs-Messeinheit 10 kann Dehnungen in zwei Richtungen, zum Beispiel den X- und Y-Achsen des Wasserstofftanks messen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Wasserstofftank mit einem Dehnungsmessstreifen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Beispielsweise kann ein Dehnungsmessstreifen 10 von einem Folien-Typ an dem Wasserstofftank 2 angebracht sein, um die Dehnungen in den Richtungen von X und Y zu messen. Die Dehnung der X-Richtung, die durch den Dehnungsmessstreifen 10 auf dem Wasserstofftank 2 gemessen wird, kann eine Längsdehnung des Wasserstofftanks 2 sein und die Dehnung der Y-Richtung kann eine Umfangsdehnung des Wasserstofftanks 2 sein. Somit können die Ausdehnungsdaten, z. B. Daten über Dehnungen der Längs- und Umfangsrichtungen des Wasserstofftanks 2 in Echtzeit durch den Dehnungsmessstreifen 10 während dem Nachfüllen von Wasserstoff erhalten werden und der Sicherheitszustand des Wasserstofftanks 2 kann unter Verwendung der Dehnungs-/Ausdehnungsdaten überwacht werden.
Der Dehnungsmessstreifen 10 kann auf der Wand des Wasserstofftanks 2 durch verschiedne Verfahren befestigt werden. Beispielsweise kann der Dehnungsmessstreifen 10 in die Schicht der Wand des Wasserstofftanks 2 eingelassen werden. Insbesondere wenn ein Verstärkungsmaterial wie Kohlenstofffaser auf die Außenfläche des Wasserstofftanks 2 gewickelt wird, kann der Dehnungsmessstreifen 10 an den Hauptkörper des Wasserstofftanks 2 oder an eine Innenschicht des Verstärkungsmaterials, das auf den Wasserstofftank 2 gewickelt ist, angebracht werden, und dann kann das Verstärkungsmaterial weiter umwickelt werden, wodurch der Dehnungsmessstreifen 10 an dem Wasserstofftank angebracht wird. In diesem Fall kann eine mit der Signalausgabeeinheit verbundene Leitung des Dehnungsmessstreifens 10 mit der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 verbunden werden, so dass von dem Dehnungsmessstreifen 10 ausgegebene Signale (z. B. ein Dehnungssignal) in die fahrzeugseitige Steuereinheit 20 eingegeben werden können.
Die fahrzeugseitige Steuereinheit 20 kann von dem Dehnungsmessstreifen 10 ausgegebene elektrische Signale, das heißt die während dem Nachfüllen von Wasserstoff gemessenen Dehnungssignale, in Signale umwandeln, die durch einen fahrzeugseitigen Funksender 31 drahtlos übertragen werden können.
Die drahtlose Kommunikationseinheit 30 kann einen fahrzeugseitigen Funksender 31 und einen tankstellenseitigen Funkempfänger 32 umfassen. Die drahtlose Kommunikationseinheit 30 kann die Echtzeit-Tankausdehnungsdaten, z. B. die in Echtzeit durch den Dehnungsmessstreifen 10 gemessenen Dehnungsdaten, und die innere Temperatur und den Druck des Wasserstofftanks in Echtzeit von der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 zu der tankstellenseitigen Steuereinheit 41 drahtlos übertragen. Da die drahtlose Kommunikationseinheit 30 eine Datenkommunikation zwischen der Tankstellenseite und dem Fahrzeug (insbesondere die Wasserstoff-Füllvorrichtung 40 der Tankstelle und dem Fahrzeug) ohne Verbindung eines separaten Kommunikationskabels durchführen kann, kann die drahtlose Kommunikationseinheit 30 die Arbeit für den Anschluss einer Verbindungsvorrichtung eines Kommunikationskabels an dem Fahrzeug sparen, wodurch das Nachfüllen von Wasserstoff erleichtert wird und demzufolge zu der Verbesserung der Marktfähigkeit des Fahrzeugs beigetragen wird.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können der Funksender 31 und der Empfänger 32 ein IR-Sender beziehungsweise ein IR-Empfänger sein, die unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben werden.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Füllstutzen mit einem IR-Empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. 5 zeigt eine Ansicht, die einen Füllstutzen einer Wasserstoff-Füllvorrichtung, die mit einer Aufnahme eines Fahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
Wie in 4 und 5 gezeigt, kann ein Füllstutzen 45 mit dem Endbereich eines mit der Wasserstoff-Füllvorrichtung (40 aus 1 und) an der Tankstelle verbundenen Wasserstoff-Versorgungsschlauchs 44 verbunden werden, um das Fahrzeug 1 mit Wasserstoff zu versorgen. Ein IR-Empfänger 32 kann an einer Seite des Füllstutzens 45 angebracht sein, um Daten von dem Fahrzeug 1 zu empfangen. Ein IR-Sender 31 zum Übertragen von Daten an die Tankstelle kann in dem Fahrzeug 1 angeordnet sein, um drahtlos mit dem IR-Empfänger 32 in Verbindung zu stehen, wenn der Füllstutzen 45 der Wasserstoff-Füllvorrichtung (40 aus 1 und 2) mit dem Fahrzeug während dem Nachfüllen von Wasserstoff verbunden ist.
In einem Ausführungsbeispiel kann der IR-Sender 31 wie in 5 gezeigt, in der Nähe einer Wasserstoff-Füllöffnung des Fahrzeugs 1, z. B. in der Nähe einer Aufnahme 3 des Fahrzeugs angebracht werden, die mit dem Füllstutzen 45 verbunden wird. Somit werden, wenn der Füllstutzen 45 mit der Aufnahme 3 des Fahrzeugs 1 verbunden wird, der IR-Sender 31 und der IR-Empfänger 32 in eine wechselseitige Kommunikationsverbindung gebracht. In diesem Fall können die Tankausdehnungsdaten von der fahrzeugseitigen Steuereinheit 20 zu der tankstellenseitigen Steuereinheit 41 durch eine drahtlose Datenkommunikation unter Verwendung des IR-Senders 31 und des IR-Empfängers 32 übertragen werden.
Die tankstellenseitige Steuereinheit 41 kann in der Wasserstoff-Füllvorrichtung 40 angeordnet werden und kann einen bestimmten Steuerungsprozess im Sicherheitsmodus durchführen, wenn die durch den IR-Empfänger 32 empfangenen Echtzeit-Tankausdehnungsdaten empfangen werden, um zu bestimmen, ob die Tankausdehnung einen bestimmten Wert überschritten hat.
Die tankstellenseitige Steuereinheit 41 kann vorgesehen sein, um den Betrieb der Wasserstoffversorgungseinheit 42 zum Zuführen von Wasserstoff zu einem Fahrzeug zu steuern und kann mit dem IR-Empfänger 32 durch ein Kabel verbunden sein, ähnlich wie die fahrzeugseitige Steuereinheit 20, die mit dem IR-Sender 31 durch ein Kabel verbunden ist.
Die tankstellenseitige Steuereinheit kann bestimmen, ob eine unzulässige Tankausdehnung auftritt, indem die Dehnungsdaten (z. B. die Echtzeit-Tankausdehnungsdaten), die von einem Fahrzeug übertragen werden, mit einem vorbestimmten kritischen Wert für das Fahrzeug oder den speziellen Wasserstofftank verglichen werden. Wenn die Dehnungsdaten des Wasserstofftanks, die durch den Dehnungsmessstreifen 10 in Echtzeit erfasst werden, den vorbestimmten kritischen Wert überschreiten, wird es bestimmt, dass eine unzulässige Tankausdehnung aufgetreten ist. In diesem Fall kann die tankstellenseitige Steuereinheit 41 einen Steuerungsprozess im Sicherheitsmodus zum Stoppen/Unterbrechen des Nachfüllbetriebs der Wasserstoffversorgungseinheit 42 und Betreiben einer Warneinheit 43, um eine Warnung auszugeben, durchführen.
Wie in 6 gezeigt, wenn die Dehnung des Tanks geringer als ein kritischer Wert ist, kann das Befüllen von Wasserstoff beibehalten werden. Wenn jedoch die Dehnung des Tanks gleich oder größer als der kritische Wert ist, kann der Betrieb der Wasserstoffbefüllung der Wasserstoffversorgungseinheit 42 unterbrochen werden und gleichzeitig kann die Warneinheit 43 in Betrieb gesetzt werden, um den Wasserstofftank 2 zu kontrollieren.
Der kritische Wert kann durch einen Stresstest festgelegt werden, in dem Dehnungen durch einen Dehnungsmessstreifen gemessen werden, bis ein Tank mit denselben Spezifikationen aufgrund einer Befüllung von Wasserstoff mit hohem Druck berstet. Der kritische Wert, der bei einer Füllunterbrechungs-Logik eine Anwendung findet, kann basierend auf der tatsächlichen Berstdehnung bestimmt werden und eine Toleranz für eine sichere Befüllung umfassen.
In dem stresstest wurde der Tankkörper unter Verwendung einer Aluminiumlegierung hergestellt und dann mit Kohlenstofffaser als ein Verstärkungsmaterial umwickelt, um einen Wasserstofftank von 700 bar herzustellen. Wie in 3 gezeigt, wurde der Dehnungsmessstreifen in der Kohlenstofffaserschicht des Wasserstofftanks eingelassen und dann wurde Wasserstoff mit hohem Druck in den Wasserstofftank 2 nachgefüllt, bis der Wasserstofftank 2 geborsten ist. Ebenso wurden der innere Druck (Berstdruck) des Tanks und die Berstdehnung gemessen, wenn der Wasserstofftank 2 geborsten ist.
Als ein Beispiel des Messergebnisses wurde gemessen, dass der Berstdruck ungefähr 1,388 bar betrug, und es wurde gemessen, dass die Berstdehnung ungefähr 1,38% betrug. Demzufolge kann ein geeigneter Dehnungswert, der niedriger als 1,38% ist, auf den kritischen Wert eingestellt werden.
Anstelle der Bestimmung des kritischen Werts unter Verwendung der Berstdehnung, die aus dem obigen Test an einem Wasserstofftank mit denselben Spezifikationen erhalten wird, kann der kritische Wert ebenfalls aus Daten bestimmt werden, die aus einer numerischen Analyse unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens abgeleitet werden. Wenn ein Dehnungsmessstreifen, mit dem Dehnungen in der Längsrichtung (X-Richtung) und Umfangsrichtung (Y-Richtung) eines Wasserstofftanks messbar sind, verwendet wird, kann der kritische Wert auf Werte mit Bezug auf jede Richtung separat eingestellt werden. Wenn entweder die Dehnung in X-Richtung oder die Dehnung in Y-Richtung einen vorbestimmten kritischen Wert erreicht, kann der Sicherheitsmodus betrieben werden, um die Wasserstoffbefüllung zu unterbrechen und um die Warneinheit in Gang zu bringen.
Auch wenn der Innendruck des Tanks einen bestimmten Wert überschreitet, kann eine Logik zum Unterbrechen der Wasserstoffbefüllung und Betätigen der Warneinheit gleichzeitig zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann der bestimmte kritische Wert ebenfalls auf einen Druckwert eingestellt werden, der aus einem Test erhalten wird, zum Beispiel ein Wert, der weniger als ungefähr 1,388 bar beträgt. Obwohl für eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, dass ein Dehnungsmessstreifen als eine Ausdehnungs-Messeinheit verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt (Seite 10, Zeile 27ff: bitte überprüfen. Zum Beispiel können irgendeine einer Vielzahl von bekannten Dehnungsmessvorrichtungen, die unzulässige Grade einer Ausdehnung durch Vergleichen eines Ausdehnungsgrades eines Tanks mit einem anfänglichen Wert davon erfassen können, eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt sein, das ausführbare Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuervorrichtung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disk(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart-Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise, z. B. durch einen Telematik-Server oder einem Controller Area Network (CAN) gespeichert und ausgeführt wird.
Ein System und ein Verfahren zum sicheren Befüllen von Wasserstoff gemäß einem Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist eingerichtet, um eine Ausdehnung eines Wasserstofftanks in Echtzeit während einem Nachfüllen von Wasserstoff zu messen, um zu ermöglichen, dass eine Tankstelle Echtzeit-Ausdehnungsdaten des Tanks von einem Fahrzeug durch eine drahtlose Kommunikation empfängt. Wenn bestimmt wird, dass die Ausdehnungsdaten des Tanks einen kritischen Wert überschreiten, kann eine Steuerung im abgesicherten Modus wie eine Unterbrechung der Befüllung durchgeführt werden, um eine Gefährdung zu verhindern. Auf diese Weise kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Wasserstoff durch Stoppen/Unterbrechen der Wasserstoffbefüllung sicherer befüllt werden, wenn es bestimmt wird, dass die Tankausdehnungsdaten, die von einer Tankstelle durch eine drahtlose Kommunikation empfangen werden, einen kritischen Wert überschreiten. Ebenso können die Befüllungssicherheit und die Tankzuverlässigkeit erhöht werden, und da die Zeitdauer zwischen umfassenden Wasserstofftanküberprüfungen erhöht werden kann, können die Kosten für die Gesamtüberprüfung verringert werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Allerdings wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, wobei deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.

Claims

System zum Überwachen einer Echtzeit-Wasserstofftankausdehnung, aufweisend: eine Ausdehnungs-Messeinheit, die auf einem Wasserstofftank angeordnet ist, wobei die Ausdehnungs-Messeinheit eingerichtet ist, um den Grad der Wasserstofftankausdehnung zu messen und ein Ausdehnungswertsignal auszugeben; eine fahrzeugseitige Steuereinheit, die eingerichtet ist, um das Ausdehnungswertsignal in ein drahtloses Ausdehnungswertsignal umzuwandeln; eine tankstellenseitige Steuereinheit, die eingerichtet ist, um ein Wasserstoffnachfüllen zu stoppen, wenn das drahtlose Ausdehnungswertsignal einen unsicheren Grad der Tankausdehnung anzeigt; und eine drahtlose Kommunikationseinheit, die vorgesehen ist, um eine drahtlose Datenkommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der tankstellenseitigen Steuereinheit durchzuführen.
System nach Anspruch 1, wobei die Ausdehnungs-Messeinheit einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
System nach Anspruch 2, wobei der Dehnungsmessstreifen auf einer Wand des Wasserstofftanks angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Dehnungsmessstreifen Dehnungen in einer Längsrichtung und einer Umfangsrichtung des Wasserstofftanks misst.
System nach Anspruch 1, wobei die tankstellenseitige Steuereinheit bestimmt, dass der unsichere Grad der Tankausdehnung aufgetreten ist, wenn das drahtlose Ausdehnungswertsignal einen vorbestimmten kritischen Wert erreicht.
System nach Anspruch 1, wobei die drahtlose Kommunikationseinheit aufweist: einen Funksender, der eingerichtet ist, um das drahtlose Ausdehnungswertsignal von der fahrzeugseitigen Steuereinheit zu übertragen; und einen Funkempfänger zum Empfangen des drahtlosen Ausdehnungswertsignals von dem Funksender und Eingeben des drahtlosen Ausdehnungswertsignals an die tankstellenseitige Steuereinheit.
System nach Anspruch 6, wobei der Funksender ein IR-Sender ist und der Funkempfänger ein IR-Empfänger ist.
System nach Anspruch 7, wobei der IR-Sender in der Nähe einer Wasserstoff aufnehmenden Aufnahme des Fahrzeugs angeordnet ist.
System nach Anspruch 7, wobei der IR-Empfänger auf einer Seite eines Wasserstoff abgebenden Stutzens der Tankstelle angeordnet ist.
Verfahren zum Überwachen einer Echtzeit-Wasserstofftankausdehnung, aufweisend: Messen eines Ausdehnungswertes des Grades der Wasserstofftankausdehnung während einem Wasserstofftanknachfüllen mit einer Ausdehnungs-Messeinheit, die auf einem Wasserstofftank eines Fahrzeugs angebracht ist; Übertragen des Ausdehnungswertes von einer fahrzeugseitigen Steuereinheit an eine tankstellenseitige Steuereinheit mit einer drahtlosen Kommunikationseinheit; und Stoppen des Wasserstoffnachfüllens durch eine tankstellenseitige Steuereinheit, wenn der Ausdehnungswert einen unsicheren Grad der Tankausdehnung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ausdehnungs-Messeinheit einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Dehnungsmessstreifen auf einer Wand des Wasserstofftanks angeordnet ist und eingerichtet ist, um eine Dehnung der Wand des Wasserstofftanks während dem Wasserstoffnachfüllen zu messen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Dehnungsmessstreifen Dehnungen in einer Längsrichtung und einer Umfangsrichtung des Wasserstofftanks misst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die tankstellenseitige Steuereinheit bestimmt, dass der unsichere Grad der Tankausdehnung aufgetreten ist, wenn das drahtlose Ausdehnungswertsignal einen vorbestimmten kritischen Wert erreicht.
System nach Anspruch 14, wobei die tankstellenseitige Steuereinheit das Wasserstoffnachfüllen stoppt.