DE102012218994B4 - Verfahren zum Bestimmen des Füllstands eines Kryodrucktanks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen des Füllstands eines Kryodrucktanks eines Kraftfahrzeugs aus dem Druck und der Temperatur des im Tank im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindlich Wasserstoffs, wobei die In-Tank-Temperatur des Wasserstoffs aus der Temperatur des aus dem Tank entnommen Wasserstoffs mit einem außerhalb des Tanks angeordneten Temperaturfühler abgeleitet wird und bei fehlender Entnahme von Wasserstoff ein Ersatz für den Füllstand ermittelt wird, der aus dem letzten aus einer Temperatur-Messung hergeleiteten Füllstand sowie einer seit dieser Messung möglicherweise aus Sicherheitsgründen abgeblasenen Blow-off-Menge abgeleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen des Füllstands eines Kryodrucktanks eines Kraftfahrzeugs aus dem Druck und der Temperatur des im Tank im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindlichen Wasserstoffs. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 196 53 048 A1 und zur Technologie der Kryodruck-Speicherung auf die DE 10 2007 011 530 A1 sowie den darin zitierten Stand der Technik verwiesen.
  • In der letztgenannten Schrift ist ein Verfahren zum Befüllen eines für ein tiefkaltes Speichermedium, insbesondere Wasserstoff, vorgesehenen Druckspeichers beschrieben, wobei das Speichermedium, welches vorliegend Wasserstoff ist, in überkritischem Zustand in einen sog. Kryo-Drucktank eingebracht wird. Ein solcher Kryo-Drucktank zeichnet sich durch extreme Isolation mit einer Vakuum-Isolationsschicht gegenüber der Umgebung aus, so dass hierin ein kryogenes Medium bzw. kryogener Wasserstoff unter Temperaturen in der Größenordnung von bspw. 40 Kelvin über längere Zeit gespeichert werden kann, sowie durch eine relativ hohe Druckfestigkeit, die einen Speicherdruck in der Größenordnung von bspw. 350 bar ermöglicht. Insofern kombiniert ein solcher Kryo-Drucktank bzw. ein in der genannten Schrift offenbartes Verfahren die bis dato bekannten Speicher-Möglichkeiten für einen unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Betriebsstoff oder Kraftstoff eines Kraftfahrzeugs, nämlich einerseits unter hohem Druck unter Umgebungstemperatur im gasförmigen Zustand und andererseits tiefkalt quasi im flüssigen bzw. konkret im überkritischen Zustand. Die in der o.g. Schrift zitierte US 6 708 502 B1 erwähnt explizit diese beiden bis dato bekannten Alternativen.
  • Mit dem in der o.g. Schrift beschriebenen Verfahren kann eine größere Masse von Wasserstoff in ein bestimmtes einem gewissen Speicher-Druck standhaltendes Tank-Volumen eingebracht werden als nach dem bis dahin bekannten Stand der Technik mit im flüssigen Zustand eingebrachten kryogenen Wasserstoff. Ein besonderer Vorteil des Befüllens und Speicherns von Wasserstoff im überkritischen Zustand in einem Kryo-Drucktank liegt darin, dass die Zeitspanne, während derer der vollständig befüllte Tank ohne gezielte Entnahme von Wasserstoff zur Versorgung eines Verbrauchers stehen kann, ohne dass eine geringe Menge von Wasserstoff abgeblasen werden muss, um einen unzulässigen Druckanstieg aufgrund des unvermeidbaren Wärmeeintrags in den Tank zu vermeiden (= sog. „Blow-off-Problematik“), gegenüber einer Betankung mit tiefkaltem flüssigem Wasserstoff signifikant gesteigert werden kann.
  • Insbesondere bei Einsatz eines Kryodrucktanks in einem Kraftfahrzeug ist es erwünscht, die im Kryodrucktank befindliche bzw. gespeicherte Masse von Wasserstoff, d.h. den sog. Füllstand des Kryorucktanks, möglichst einfach und ausreichend genau bestimmen zu können. Nachdem in einem Kryodrucktank der Wasserstoff nur im gasförmigen (hierzu zählt auch der überkritische) Zustand vorliegt, kann die gespeicherte Masse grundsätzlich einfach aus den aktuellen Werten von Druck und Temperatur des gespeicherten Wasserstoffs bestimmt werden. Hierfür muss also (theoretisch „nur“) ein ausreichend genauer DruckSensor sowie ein ausreichend genauer Temperatur-Sensor im Speichervolumen des Kryodrucktanks installiert sein, deren Messwerte nach außen an eine elektronische Recheneinheit übermittelt werden, wo dann durch einfache Berechnung der aktuelle Füllstand des Kryodrucktanks bestimmt werden kann.
  • Insbesondere der Temperatur-Sensor für die Bestimmung der gespeicherten Wasserstoff-Masse sollte einfach austauschbar sein, da jedenfalls bislang dessen Dauerhaltbarkeit noch nicht gewährleistet ist. Ferner sind die Anforderungen an elektrische Leitungen, über die Messwerte von innerhalb des Kryodrucktanks installierten Sensoren nach außen übermittelt werden, extrem hoch, da diese Leitungen keine nennenswerten Wärmebrücken bilden dürfen, über welche ein unerwünschter Wärmeeintrag in den Innenraum bzw. in das Speichervolumen des Kryodrucktanks gelangen könnte. Will man die Austauschbarkeit des Temperatur-sensors ohne einen Bruch des Vakuums in der Vakuum-Isolationsschicht des Kryodrucktanks gewährleisten, so ergibt sich eine äußerst aufwändige Konstruktion, die selbst wieder eine unerwünschte Wärmebrücke zwischen dem Speichervolumen des Tanks und der Umgebung bilden würde. Ohne eine solche Konstruktion wäre es bei einem Austausch des Temperatur-Sensors erforderlich, das Vakuum in der Vakuumisolationsschicht des Kryodrucktanks neuerlich aufzubauen, was aufwändig und daher (ebenfalls) unerwünscht ist.
  • Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, d.h. es soll aufgezeigt werden, wie der Füllstand eines Kryodrucktanks bzw. die Masse des in diesem gasförmig bzw. in überkritischem Zustand gespeicherten Wasserstoffs ohne einen innerhalb des Speichervolumens des Tanks vorgesehenen Temperatur-Sensor ermittelt werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen des Füllstands eines Kryodrucktanks eines Kraftfahrzeugs aus dem Druck und der Temperatur des im Tank im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindlichen Wasserstoffs, wobei die In-Tank-Temperatur des Wasserstoffs (d.h. die Temperatur des innerhalb des Tanks befindlichen Wasserstoffs) aus der Temperatur des aus dem Tank entnommen Wasserstoffs mit einem außerhalb des Tanks angeordneten Temperaturfühler abgeleitet wird und bei fehlender Entnahme von Wasserstoff ein Ersatz für den Füllstand ermittelt wird, der aus dem letzten aus einer Temperatur-Messung (von entnommenem Wasserstoff) hergeleiteten Füllstand sowie einer seit dieser Messung möglicherweise aus Sicherheitsgründen abgeblasenen Blow-off-Menge abgeleitet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird die Temperatur des aus dem Kryodrucktank entnommenen Wasserstoffs gemessen und es wird dieser Temperaturwert solange, als er ausreichend aktuell ist, als Ersatzwert für die Temperatur des im Speichervolumen des Tanks befindlichen Wasserstoffs für die Bestimmung der im Tank gespeicherten Wasserstoff-Masse verwendet. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des aus dem Tank abgeführten Wasserstoffs in möglichst direkter Nähe zum Tank bestimmt wird, was vorzugsweise mit einer Mess-Stelle bzw. einem geeignet installierten Temperatur-Sensor (= Temperaturfühler) in einer vom Tank bzw. von dessen Speichervolumen wegführenden Entnahmeleitung möglichst direkt neben dem Tank bzw. im Austrittsbereich aus dem Tank erfolgen kann. Eine Temperaturdifferenz, die zwischen dieser Mess-Stelle und dem Speichervolumen des Tanks vorliegen kann, kann entweder vernachlässigt oder in Form einer vorzugsweise additiven Korrekturgröße, die ihrerseits von verschiedenen Randbedingungen, so beispielsweise von der Umgebungstemperatur und/oder von der Größe des an der Mess-Stelle vorbei strömenden Wasserstoff-Massenstromes abhängig sein kann und einmal für die spätere Verwendung in der Serie experimentell ermittelt werden kann, berücksichtigt werden.
  • Wesentlich ist für die Richtigkeit bzw. Verwendbarkeit des solchermaßen gemessenen Temperaturwertes jedoch, dass dieser Messwert ausreichend aktuell ist, was nur dann gewährleistet ist, solange eine gewisse Mindestmenge von Wasserstoff am wie beschrieben außerhalb des Tanks installierten Temperatur-Sensor bzw. Temperaturfühler vorbei strömt. Ist letzteres nicht der Fall, so könnte zwar grundsätzlich ein Ersatzwert für den aktuellen Füllstand verwendet und beispielsweise dem Fahrer des mit dem Kryodrucktank ausgerüsteten Kraftfahrzeugs angezeigt werden, welcher Ersatzwert dem letzten aus einem gemessenen Temperaturwert ermittelten Füllstand entspricht. Jedoch wäre dieses Vorgehen nur solange ausreichend genau, als kein Wasserstoff aus dem Kryodrucktank heraus gelangen kann. Letzteres ist aber durchaus möglich, und zwar in Form einer eingangs bereits genannten Blow-off-Menge. Zwar ist die Blow-off-Menge als diejenige Menge (oder Masse) von Wasserstoff, die aus einem Kryodrucktank abgeblasen werden muss, um in einer (längeren) Phase ohne Entnahme von Wasserstoff einen unzulässig starken Druckanstieg im Speichervolumen des Tanks, bedingt durch den wenn auch nur geringen, jedoch unvermeidbaren Wärmeeintrag in den Tank zu vermeiden, absolut betrachtet nennenswert geringer als die sog. Boil-off-Menge bei Kryotanks, in denen der Wasserstoff im tiefkalten flüssigen Zustand bei nur geringen Druckwerten gespeichert wird; vollständig auszuschließen ist die Notwendigkeit einer kontrollierten Abfuhr einer geringen Wasserstoffmenge zur Vermeidung eines unzulässig hohen Druckaufbaus im Tank aber auch bei einem Kryodrucktank nicht. Üblicherweise ist aber bei einem Kryodrucktank für die Abfuhr einer geringen Blow-off-Menge von Wasserstoff ein eigenständiges System vorgesehen, so dass diese Blow-off-Menge nicht durch die Entnahmeleitung und somit nicht am besagten Temperatur-Sensor vorbeiströmt und somit deren Temperatur nicht einfach für die aktuelle Ermittlung des Tank-Füllstands verwendet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird daher bei fehlender Entnahme von Wasserstoff zur gezielten Versorgung eines Verbrauchers, so insbesondere einer Brennstoffzelle, ein Ersatz für den Füllstand ermittelt, der aus dem letzten aus einer Temperatur-Messung hergeleiteten Füllstand sowie einer seit dieser Messung möglicherweise aus Sicherheitsgründen abgeblasenen Blow-off-Menge abgeleitet wird. Es wird also nicht nur der letzte rechnerisch aus der Temperatur des gezielt zur Versorgung eines Verbrauchers abgeführten Wasserstoffs abgeleitete Füllstand als Ersatzwert herangezogen, sondern es wird dieser zuletzt rechnerisch ermittelte Füllstand um eine zwischenzeitlich möglicherweise abgeführte Blow-off-Menge korrigiert.
  • Was die Größe der Blow-Off-menge betrifft, die zumindest annähernd genau bekannt sein muss, um ein ausreichend genaues Ergebnis für den Füllstand bzw. die Masse des im Kryodrucktank gespeicherten Wasserstoffs auf die beschriebene Weise zu erhalten, so kann diese geeignet geschätzt oder ihrerseits gemessen bzw. aus geeigneten Messwerten bestimmt werden. Ein wesentlicher Einflussfaktor zur Schätzung der Blow-off-Menge ist die Abstellzeit bzw. Standzeit, die seit der letzten Entnahme von Wasserstoff aus dem Tank verstrichen ist und während derer kein Wasserstoff aus dem Tank entnommen wurde. In Kenntnis des Tankzustands, d.h. der zuletzt gemessenen Temperatur des (aus dem Tank entnommenen) Wasserstoffs und dem dabei herrschenden Druck im Speichervolumen des Tanks kann aus Erfahrungswerten darauf geschlossen werden, nach welchem Zeitraum ein derart hoher unvermeidbarer Wärmeeintrag in den Tank erfolgte, dass eine geringe Menge von Wasserstoff, die selbstverständlich definiert begrenzt und somit grundsätzlich bekannt ist, abgeblasen werden muss. Selbstverständlich können weitere relevante Randbedingungen, so beispielsweise die Umgebungsbedingungen, geeignet mit berücksichtigt werden.
  • Weiter verfeinert werden kann die Schätzung der abgeblasenen Blow-off-Menge, wenn zusätzlich der zeitliche Druckverlauf im Tank bzw. im Speichervolumen desselben bei der Abschätzung der Blow-off-Menge berücksichtigt wird. Insbesondere anhand des Druckabbaus in Verbindung mit einem Blow-off-Vorgang, bei welchem eine geringe Menge von Wasserstoff sicherheitshalber aus dem Tank abgeblasen wird, lässt sich mit ausreichender Genauigkeit auf diese Blow-off-Menge schließen.
  • Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann insbesondere über längere Zeiträume betrachtet quasi fortlaufend ein Korrekturfaktor für die Ermittlung des Wärmeeintrags in den Tank bestimmt und bei der Abschätzung der Blow-off-Menge berücksichtigt werden. Über eine Nachverfolgung des Blow-off-Verhaltens des jeweiligen (spezifischen) Kryodrucktanks in Verbindung mit den jeweiligen Randbedingungen können Rückschlüsse über die Isolationsgüte der Vakuum-Isolationsschicht des jeweiligen Kryodrucktanks gezogen werden und es kann diese Isolationsgüte bei der Schätzung der Blow-off-Menge geeignet mit berücksichtigt werden.
  • Neben der soweit beschriebenen Schätzung der Blow-off-Mengen können diese auch aus geeigneten Messwerten eines sog. Blow-off-Managementsystems abgeleitet werden. Beispielsweise kann die mögliche zeitliche Durchflussmenge des Blow-off-Systems eines Kryodrucktanks bekannt sein, so dass aus der Öffnungszeit dieses Systems ggf. in Verbindung mit weiteren Werten, so insbesondere dem Druck im Speichervolumen des Tanks und einem geschätzten Temperaturwert für den abgeblasenen Wasserstoff mit ausreichender Genauigkeit auf die abgeblasene Menge von Wasserstoff geschlossen werden kann.

Claims (5)

  1. Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen des Füllstands eines Kryodrucktanks eines Kraftfahrzeugs aus dem Druck und der Temperatur des im Tank im gasförmigen oder überkritischen Zustand befindlich Wasserstoffs, wobei die In-Tank-Temperatur des Wasserstoffs aus der Temperatur des aus dem Tank entnommen Wasserstoffs mit einem außerhalb des Tanks angeordneten Temperaturfühler abgeleitet wird und bei fehlender Entnahme von Wasserstoff ein Ersatz für den Füllstand ermittelt wird, der aus dem letzten aus einer Temperatur-Messung hergeleiteten Füllstand sowie einer seit dieser Messung möglicherweise aus Sicherheitsgründen abgeblasenen Blow-off-Menge abgeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blow-off-Menge ausgehend vom Tankzustand beim Abstellen des Fahrzeugs unter Berücksichtigung zumindest der Abstellzeit geschätzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin der zeitliche Druckverlauf im Tank bei der Abschätzung der Blow-off-Menge berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass über längere Zeiträume betrachtet quasi fortlaufend ein Korrekturfaktor für die Ermittlung des Wärmeeintrags in den Tank bestimmt und bei der Abschätzung der Blow-off-Menge berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blow-off-Menge näherungsweise aus geeigneten Messwerten eines Blow-off-Managementsystems ermittelt wird.
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