DE102015206782A1 - Verfahren zum Betanken eines kryogenen Druckbehälters eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Betankung von mindestens einem kryogenen Druckbehälter eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: i) Berechnung des Innendruckgrenzwerts basierend auf einer Standzeit des Kraftfahrzeuges; und ii) Abbrechen der Betankung, wenn der Innendruckgrenzwert erreicht wird.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betanken eines kryogenen Druckbehälters eines Kraftfahrzeuges.
  • Kryogene Druckbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines superisolierten (z. B. evakuierten) (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Druck stehender gasförmiger Kraftstoff tiefkalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Die Druckbehälter bedürfen daher einer extrem guten thermischen Isolation, um den unerwünschten Wärmeeinfall in das kryogen gespeicherte Medium so weit wie möglich zu verhindern. Es sind daher hochwirksame Isolationshüllen (z. B. Vakuumhüllen) vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen Druckbehälter.
  • Die Wärmeisolation des Druckbehälters kann den Wärmeeinfall in das Medium nicht vollends vermeiden. Der im kryogenen Druckbehälter gespeicherte Kraftstoff erwärmt sich daher bei längerer Standzeit des Kraftfahrzeuges langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck überschritten, so muss der Kraftstoff über geeignete Sicherheitseinrichtungen entweichen, um ein Bersten des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Hierzu kommt beispielsweise ein sogenanntes Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System (nachstehend: BMS) zum Einsatz. Diese Systeme lassen ein Entweichen von Kraftstoff zu, wobei der abgelassene Kraftstoff beispielsweise in einem Katalysator umgesetzt wird. Ist nachstehend vom Ablassen von Kraftstoff die Rede, so soll hiermit das Umwandeln in einem BMS umfasst sein.
  • Wird ein Druckbehälter voll (= maximale Speicherdichte) betankt, so wird bei einem geparkten Fahrzeug die vorgenannte Sicherheitseinrichtung aktiv. Sofern der abzulassende Kraftstoff durch das BMS umgesetzt wird, wird die Fahrzeugumgebung ungewollt befeuchtet. Wird das Fahrzeug in einem geschlossenen Raum abgestellt, kann sich ferner der Sauerstoffgehalt durch den Betrieb des BMS reduzieren. Wird der Kraftstoff durch das BMS umgesetzt, so kann dieser Kraftstoff nicht sinnvoll genutzt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen kryogenen Druckbehälter zu verbessern oder eine alternative Ausgestaltung bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Insbesondere ist es ein Anliegen der hier gezeigten Technologie, Ablassvorgänge zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausführungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst einen oder mehrere kryogene Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter ist beispielsweise ein kryogener Druckbehälter wie er im einleitenden Teil beschrieben worden ist. Insbesondere ist er geeignet, Kraftstoff, bevorzugt Wasserstoff, im überkritischen Bereich, also bevorzugt im Auslegungs- bzw. Betriebstemperaturfenster von ca. 30K bis ca. 360K, besonders bevorzugt im Temperaturfenster von ca. 40K bis ca. 330K zu speichern. Bevorzugt speichert der kryogene Druckbehälter den Kraftstoff gleichzeitig in einem Druckbereich von ca. 5 bar bis ca. 1000 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von ca. 5 bar bis ca. 700 bar, und besonders bevorzugt von ca. 20 bar bis ca. 350 bar, wobei die oberen Werte den max. Betriebsdruck darstellen.
  • Der kryogene Druckbehälter umfasst u. a. einen ein Fluid speichernden Innenbehälter sowie einen Außenbehälter, der den Innenbehälter umgibt. Der Innenbehälter ist möglichst wärmeisoliert im Außenbehälter gehaltert. Eine Wärmeisolation ist zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordnet. Der Begriff „Wärmeisolation” umfasst hier neben einer idealen bzw. perfekten Isolation ebenfalls eine Wärmedämmung, bei der noch ein geringer Wärmeaustausch stattfindet. Der Wärmeaustausch kann jegliche Art sein, beispielsweise Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wärmekonvektion, etc. Die Wärmeisolation kann beispielsweise als ein evakuierter Raum ausgebildet sein.
  • Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine oder mehrere Steuerung(en). Zumindest eine Steuerung ist ausgebildet, das hier offenbarte Verfahren auszuführen.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Verfahren zur Betankung eines kryogenen Druckbehälters von einem Kraftfahrzeug. Bevorzugt können auch mehrere kryogene Druckbehälter gleichzeitig betankt werden. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Berechnung des Innendruckgrenzwertes basierend auf einer ablassfreien Standzeit des Kraftfahrzeugs; und
    • – Abbrechen der Betankung des Kraftfahrzeuges, wenn der Innendruckgrenzwert des Druckbehälters erreicht wird.
  • Der Innenddruckgrenzwert ist der Druckgrenzwert des im Innenbehälter des kryogenen Druckbehälters zu speichernden Kraftstoffes, bei dem die Betankung abgebrochen werden soll. Sofern nachstehend vom Innendruckgrenzwert des kryogenen Druckbehälters die Rede ist, ist der Innendruckgrenzwert bzw. der Innendruck des Innenbehälters gemeint.
  • Die Standzeit bzw. Abstellzeit bzw. Parkzeit des Kraftfahrzeuges ist diejenige Zeit, die das Fahrzeug still steht, ohne dass ein regulärer Verbraucher, wie bspw. eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem Kraftstoff verbraucht. Mit anderen Worten ist die Standzeit diejenige Zeit, in der das Kraftfahrzeug im abgeschalteten Zustand geparkt ist. Die Standzeit für das Kraftfahrzeug kann vom Benutzer vorgegeben werden oder voreingestellt sein. Alternativ kann auch ein externes Signal (z. B. parkhausseitig) eine max. Standzeit vorgeben. Bevorzugt kann die Standzeit eine ablassfreie bzw. verlustfreie Standzeit sein. Die ablassfreie Standzeit ist die Zeit, die das Kraftfahrzeug abgestellt sein kann, ohne dass Kraftstoff durch eine Sicherheitseinrichtung, wie bspw. ein BMS, abgelassen werden muss. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Standzeit eine Standzeit ist, während der nur geringe Mengen an Kraftstoff, bspw. durch den Gesetzgeber vorgegebenen maximalen Kraftstoffabgaberahmen, abgegeben werden.
  • Die Betankung des kryogenen Druckbehälters ist hier bevorzugt eine Betankung des Druckbehälters mit Kraftstoff mit einer bekannten Kraftstofftemperatur. Der Innendruckgrenzwert kann basierend auf der Standzeit des Kraftfahrzeuges sowie dem Druck und der Temperatur im Innenbehälter berechnet werden.
  • Insbesondere können der Druck im Druckbehälter zu Beginn der Betankung und die Temperatur des einzufüllenden Kraftstoffs zur Berechnung herangezogen werden.
  • Mit der hier offenbarten Technologie ist es vorteilhaft möglich, die mit dem Ablassen des Kraftstoffs einhergehenden Nachteile zu verringern oder zu beseitigen. Wird das Fahrzeug bspw. in einer Garage abgestellt, so kann eine Befeuchtung der Garage oder im unwahrscheinlichen Versagensfall des BMS eine brennbare Gemischbildung vermieden werden. Der Kraftstoff wird vielmehr sinnvoll genutzt und das Gefahrenpotential für den Menschen reduziert.
  • Bevorzugt wird der Innendruckgrenzwert, bspw. von einer Steuerung, so gewählt, dass der Druck im kryogenen Druckbehälter innerhalb der Standzeit nicht über den maximalen Betriebsdruck des Druckbehälters ansteigt bzw. ansteigen kann. Die Isolationsgüte des Druckbehälters ist bekannt bzw. kann errechnet werden. Eine Degradation der Isolationsgüte kann beispielsweise über entsprechende Funktionen zur Bestimmung der Isolationsgüte ermittelt werden. Verfahren zur Bestimmung der Isolationsgüte sind beispielsweise aus der auf die Anmelderin zurückgehende Patentanmeldungen mit der Anmeldenummern DE 10 2015 203 702 und DE 10 2014 226 545 bekannt. Der Inhalt der Patentanmeldung DE 10 2015 203 702 bezüglich der Bestimmung der Isolationsgüte wird hiermit durch Verweis mit in diese Patentanmeldung aufgenommen. Ist die Isolationsgüte des Behälters, insbesondere die Wärmeeintragsfunktion zusammen mit der über Temperatur und Druck bestimmbaren Speicherdichte bekannt, so kann der Temperaturanstieg und somit auch der Druckanstieg während der Standzeit errechnet werden.
  • Bevorzugt kann der Innendruckgrenzwert anhand eines Kennfeldes ermittelt werden, indem für einen kryogenen Drucktank jeder ablassfreien Standzeit D1, D2, D3 für gegebene Temperaturen im Speicherbehälter jeweils ein Innendruckgrenzwert zugeordnet ist. Ferner könnte auch der Druck im Innenbehälter zu Beginn der Betankung mit in die Berechnung des Innendruckgrenzwertes einfließen.
  • Bevorzugt kann die Standzeit und/oder ablassfreie Standzeit individuell für jede Betankung vorgegeben Werden, bspw. durch eine entsprechende Eingabeeinrichtung. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Standard-Standzeit für die Standzeit bzw. ablassfreie Standzeit berücksichtigt werden kann, wenn keine individuelle Standzeit für die jeweilige Betankung vorgegeben wurde. Beispielsweise kann eine solche Standard-Standzeit in der Systemeinstellung des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeugführer vorgegeben werden, z. B. 5 Tage, etc. Der Fahrzeugführer kann somit in Abhängigkeit von seinem Nutzerverhalten einen optimalen Kompromiss aus maximaler Betankung und somit Fahrzeugreichweite und minimalen Kraftstoffverlusten durch Ablassen auswählen. Außerdem kann eine Fahrzeugvoreinstellung die maximale ablassfreie Standzeit vorgeben. Damit würde die maximale Betankungsfreigabe im Regelfall reduziert, könnte aber auf Wunsch wieder aktiviert werden. Das hier offenbarte Verfahren umfasst deshalb auch den Schritt Betanken des Druckbehälters bis zum maximalen Betankungsdruck (maximaler Betriebsdrucks des Speicherbehälters), wenn eine maximale Betankungsfreigabe vorliegt. Eine solche Betankungsfreigabe kann bspw. durch eine geeignete Eingabeeinrichtung vom Fahrzeugführer erteilt werden, wenn er bspw. eine lange Überlandfahrtstrecke zurücklegen muss, während der sich der Druckbehälter nicht erwärmen wird. Ferner kann der Fahrzeugführer diese Option wählen, wenn er sich sicher ist, dass die mit dem Abblasen bzw. Umwandeln von Kraftstoff einhergehenden Nachteile für die Abstellfläche seines Kraftfahrzeuges unbedeutend sind. Der max. Betankungsdruck ist dabei ein Grenzwert. Der Grenzwert kann bei einer Warmgasbetankung beispielsweise gleich dem max. Betriebsdruck des Druckbehälters sein.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst:
    • – mindestens einen kryogenen Druckbehälter mit einem ein Fluid speichernden Innenbehälter, einem Außenbehälter und eine Wärmeisolation, die zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter zumindest bereichsweise angeordnet ist; und
    • – mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, das hier offenbarte Verfahren auszuführen.
  • Das Kraftfahrzeug kann ferner eine Auswahlvorrichtung umfassen, z. B. ein Wahlschalter, mit der eine Betankung mit vorgebbarer Standzeit oder eine maximale Betankungsfreigabe auswählbar ist.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 ein schematisches Flussdiagramm des hier offenbarten Verfahrens; und
  • 2 ein schematisches Kennfeld zur Berechnung des Innendruckgrenzwertes.
  • 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des hier offenbarten Verfahrens, das mit dem Schritt S100 beginnt. Im Schritt S110 wird zunächst abgefragt, ob eine maximale Betankungsfreigabe vorliegt. Ist dies der Fall, so wird im Schritt S200 eine Betankung bis zum maximalen Betankungsdruck des Behälters zugelassen. Der maximale Betankungsdruck hängt dann i. d. R. ab von der Temperatur des in den Druckbehälter einzufüllenden Kraftstoffs und dem maximalen Betriebsdruck, für den der kryogene Druckbehälter bzw. der Innenbehälter ausgelegt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung dazu im Berechnungsalgorithmus die Standzeit auf null Sekunden herabsetzen.
  • Sofern eine maximale Betankungsfreigabe nicht erteilt wird bzw. wurde, wird in einem Schritt S300 die Betankung bis zum Innendruckgrenzwert durchgeführt. Dazu wird zunächst in einem Schritt S310 die gewünschte Standzeit ermittelt. Die Standzeit kann bspw. von dem Benutzer durch eine geeignete Eingabe individuell vorgenommen werden oder in den Fahrzeugeinstellungen als generelle Standard-Standzeit hinterlegt sein. Im Anschluss an diese Ermittlung bzw. dieses Auslesen der gewünschten Standzeit folgt in einem Schritt S320 die Berechnung des Innendruckgrenzwertes, die anhand der 2 noch näher erläutert wird. Mit dem Schritt S330 wird dann die Betankung bis zum Innendruckgrenzwert zugelassen.
  • Die Betankung kann dann durch geeignete Maßnahmen durch das Kraftfahrzeug und/oder durch die Betankungseinrichtung unterbrochen werden, wenn die Grenzwerte erreicht werden.
  • 2 zeigt schematisch ein Druck-Temperatur Schaubild des Kraftstoffs im Innenbehälter des kryogenen Druckbehälters. Die strichpunktierten Linien zeigen Linien konstanter Dichte ρi, ρii, wobei die Dichte ρii größer ist als die Dichte ρi. Ferner sind Kurven mit konstanter Standzeit D1, D2, D3 eingetragen, wobei die Standzeit D1 länger ist als die Standzeit D2 und die Standzeit D2 wiederum länger ist als die Standzeit D3. Die Kurven konstanter Standzeit D1, D2, D3 ergeben sich aus dem von der Isolationsgüte und den geometrischen Randbedingungen des Druckbehälters abhängenden Wärmeeintrag in den isolierten Innenbehälter. Das vollständige Kennfeld kann empirisch ermittelt und im Steuerungssystem hinterlegt werden, um zum Ermittlungszeitpunkt mit Hilfe der vor dem Start einer Betankung gemessenen Speichertemperatur und des gemessenen Speicherdrucks, sowie der vorgegebenen ablassfreien Standzeit einen maximalen Betankungsdruck zu ermitteln. Zur Erreichung der vorgegebenen ablassfreien Standzeit wird die Betankung dann nur bis zu diesem Druck freigeschaltet.
  • Wird kalter Kraftstoff mit einer Betankungstemperatur von TTA in einen Drucktank mit einer Innentemperatur oberhalb von TTA eingefüllt, so kann der Innenbehälter bis zum ersten Innendruckgrenzwert PTD1 gefüllt werden, wenn eine Standzeit D1 erzielt werden soll. Muss indes lediglich die kürzere Standzeit D2 ohne Betrieb des Fahrzeuges überbrückt werden, so kann der Druckbehälter bis zum zweiten Innendruckgrenzwert PTD2 betankt werden, der höher ist als der erste Innendruckgrenzwert PTD1. Gleichsam gehen mit der wiederum kürzeren Standzeit D3 höhere dritte Innendruckgrenzwerte PTD3 einher. Exemplarisch ist hier für die Befüllung mit einer Betankungstemperatur TTA und der Standzeit D3 punktiert die Linie konstanter Dichte dargestellt. Wird das Kraftfahrzeug direkt nach der Betankung abgestellt, so erwärmt sich der Drucktank während der Standzeit D3 langsam. In dem hier dargestellten Beispiel wird von einer ablassfreien Standzeit ausgegangen. Daher erwärmt sich der Drucktank während der Standzeit D3 maximal auf die Temperatur TSD3. Durch diese Erwärmung stellt sich im Innenbehälter ein Druck ein, der dem max. Betriebsdruck des Innenbehälters PBe,max entspricht oder darunter liegt. Die Kurven D1, D2, D3 könnten auch dergestalt sein, dass es während der Standzeiten D1, D2, D3 zu einem tolerierbaren Ablassen kommt. Die Kurven D1, D2, D3 würden dann vergleichsweise höhere Innendruckgrenzwerte PTD1, PTD2, PTD3 ausweisen.
  • Vereinfachend sind in der 2 die Betankungstemperaturen TA, TB angeführt. Werden für die Berechnung die tatsächlichen Temperaturen und Drücke herangezogen, die sich im Innenbehälter während der Betankung einstellen, so ergeben sich andere Verläufe. Im Falle einer Betankung mit kälterem Kraftstoff, z. B. mit der Kraftstofftemperatur TB, nimmt die Temperatur TIT im Innenbehälter während der Betankung langsam ab und nähert sich der Temperatur TB des einströmenden Kraftstoffs an. In der 2 ist dies exemplarisch doppelt strichpunktiert für die Innenbehältertemperatur TIT gezeigt. Zu Beginn der Betankung beträgt die Temperatur im Innenbehälter TIT. Mit zunehmendem Innenbehälterdruck krümmt sich die strichpunktierte Linie langsam zu niedrigen Temperaturen hin. Wird eine Standzeit D1 angestrebt, so wird die Betankung bei einem Innendruckgrenzwert PTIT abgebrochen.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. Auch wenn die Beschreibung hauptsächlich auf Wasserstoff als Kraftstoff gerichtet ist, sind ebenfalls andere gasförmige Speichermedien mit ähnlichen Eigenschaften, mit umfasst. Die genannten Zahlenwerte sind lediglich bevorzugte Werte. Ebenso ist es beispielsweise möglich, Innenbehälter mit höheren oder niedrigen Auslegungsdrücken vorzusehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102015203702 [0015, 0015]
    • DE 102014226545 [0015]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Betankung von mindestens einem kryogenen Druckbehälter eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: – Berechnung des Innendruckgrenzwerts basierend auf einer Standzeit des Kraftfahrzeuges; und – Abbrechen der Betankung, wenn der Innendruckgrenzwert erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Innendruckgrenzwert basierend auf der Standzeit des Kraftfahrzeugs, dem Druck im Druckbehälter und der Kraftstofftemperatur berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Standzeit eine ablassfreie Standzeit ist, während der kein Kraftstoff zur Druckminderung durch eine Sicherheitseinrichtung umgesetzt und/oder abgelassen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innendruckgrenzwert so gewählt ist, dass der Druck im Druckbehälter innerhalb der Standzeit nicht über den maximalen Betriebsdruck des Druckbehälters ansteigt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Innendruckgrenzwert anhand eines Kennfeldes ermittelt wird, in dem jeder ablassfreien Standzeit für gegebene Temperaturen des einzufüllenden Kraftstoffs jeweils ein Innendruckgrenzwert zugeordnet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Standzeit eine individuell für jede Betankung vorgebbare Standzeit ist und/oder wobei eine Standard-Standzeit berücksichtigt wird, wenn keine individuelle Standzeit vorgegeben wurde.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: Betanken des Druckbehälters bis zum maximalen Betankungsdruck, wenn eine maximale Betankungsfreigabe vorliegt.
  8. Kraftfahrzeug, umfassend: – mindestens einen kryogenen Druckbehälter mit einem ein Fluid speichernden Innenbehälter, einem Außenbehälter und eine Wärmeisolation, die zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter zumindest bereichsweise angeordnet ist; und – mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, ferner mit einer Auswahlvorrichtung, mit der eine Betankung mit vorgebbarer Standzeit oder eine maximale Betankungsfreigabe auswählbar ist.
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