DE102015219766A1 - Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem brenngasbetriebenen Kraftfahrzeug - Google Patents

Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem brenngasbetriebenen Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem solchen System. Das System umfasst: 1) mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas; 2) mindestens ein Druckbehälterventil; und 3) mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, den Durchsatz an Brenngas zumindest zu reduzieren, wenn ein Durchsatzgrenzwert für den Durchsatz an Brenngas und/oder ein Veränderungsratengrenzwert für die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter überschritten wird/werden.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem brenngasbetriebenen Kraftfahrzeug.
  • Ein solches System umfasst einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug. Um beispielsweise im Fall eines Leitungsabrisses zu verhindern, dass große Mengen Brenngas ungehindert ausströmen, werden mechanische Überström-Ventile, auch "Excess Flow Valves" genannt, eingesetzt. Beim Überschreiten eines bestimmten Grenz-Massestroms schließt das Ventil komplett und kann dann erst nach einer manuellen oder elektronischen Betätigung wieder geöffnet werden. Ferner gibt es vorbekannte Ausführungen, bei denen das Überström-Ventil den Massenstrom bis auf einen kleinen Leckagestrom stark abdrosselt und dann erst nach Erreichen eines Druckausgleichs vor und nach dem Ventil wieder öffnet. Diese Überström-Ventile sind als zusätzliche Ventilelemente verbaut. Sie sind mechanisch ausgebildet und auf feste Massenstromschwellen eingestellt. Das Auslösekriterium kann deshalb nicht an die Situation (z.B. Betankung, Betrieb, Parken) angepasst werden. Im Fall von kryogenen Druckbehältern muss dieses mechanische Bauteil auch bei tiefen Temperaturen einsetzbar sein. Je nach Verbraucher, z.B. unterschiedliche Brennstoffzellen, müssen diese mechanischen Elemente unterschiedlich ausgelegt werden. Die Teilevarianz steigt somit.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug. Ein solches System umfasst mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff bzw. Brenngas (diese Begriffe werden nachstehend synonym verwendet) dauerhaft bei einem Druck von über ca. 350 barü, ferner bevorzugt von über ca. 700 barü und besonders bevorzugt von über ca. 1200 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 30 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 1200 barü, bevorzugt bis ca. 875 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 350 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens ein Druckbehälterventil. Die Öffnung des Druckbehälters ist mit dem Druckbehälterventil fluidverbunden. Bevorzugt ist das Druckbehälterventil direkt an der Öffnung ausgebildet. Das Druckbehälterventil ist ausgebildet, den Durchfluss an Brenngas zu verändern. Im Betriebsmodus, in dem der Druckbehälter den mit ihm fluidverbundenen Verbraucher, beispielsweise eine Brennstoffzelle, mit Brenngas versorgt, wird der Durchfluss an Brenngas beispielsweise basierend auf ein Steuersignal einer elektronischen Steuerung verändert (gesteuert bzw. geregelt). Wird der Durchsatzgrenzwert also überschritten, sendet die Steuerung ein entsprechendes Steuersignal an das Druckbehälterventil, das dann den Durchsatz begrenzt. Der Durchsatz und der Durchsatzgrenzwert können beispielsweise ein Massenstrom und/oder ein Volumenstrom an Brenngas sein.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens eine elektronische Steuerung. Die Steuerung ist ausgebildet, den Durchsatz an Brenngas zumindest zu reduzieren, wenn ein Durchsatzgrenzwert für den Durchsatz an Brenngas überschritten wird. Die mindestens eine Steuerung kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter zumindest zu reduzieren, wenn ein Veränderungsratengrenzwert für die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte (nachstehend vereinfachend auch „Veränderungsratengrenzwert“ genannt) überschritten wird. Mit anderen Worten kann die Steuerung ausgebildet sein, direkt oder indirekt die Dichte vom Brenngas im Druckbehälter zu ermitteln. Zur Bestimmung der Dichte können dabei unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Die Veränderungsrate wird zweckmäßig dadurch ermittelt, dass die Dichteveränderung pro Zeiteinheit ermittelt wird. Bevorzugt kommen Dichtebestimmungsverfahren zum Einsatz, die sehr schnell Dichteänderungen erfassen können und die Dichte im Behälter integral messen, also den Mittelwert der Dichte erfassen können.
  • Der Durchsatz an Brennstoff ist bei einem Druckbehälter eine Größe, die i.d.R. indikativ für die zeitl. Dichteänderung im Druckbehälter ist. Je mehr Brennstoff aus dem Druckbehälter ausströmt, desto größer ist auch die zeitl. Veränderungsrate der Dichte im Druckbehälter, (solange gleichzeitig kein neuer Brennstoff in den Druckbehälter einströmen kann und das Behältervolumen unverändert bleibt). Die Steuerung, auch control means genannt, kann hier den Durchsatz steuern (open loop) und/oder regeln (closed loop).
  • Insbesondere kann der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert indikativ für eine Leckagestörung sein. Eine Leckagestörung ist dabei insbesondere jede Leckage, die als Störung des funktionsgemäßen Betriebs anzusehen ist. Gemeint ist beispielsweise eine (Störung-)Leckage, bei der Mengen an Brenngas entweichen, die nicht mehr tolerierbar sind. Nicht gemeint sind indes eventuell auftretende Kleinst-Leckagen, die durch beispielsweise leicht undichte Dichtungen erzeugt werden. Beispielsweise könnte von einer Leckageströmung ausgegangen werden, wenn mindestens ca. 30%, bevorzugt mindestens ca. 10%, und ferner bevorzugt mindestens ca. 3% des maximalen Brennstoffdurchsatzes bei funktionsgemäßen Maximalbetriebs des Verbrauchers als Leckage entweicht. Insbesondere kann der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert so gewählt sein, dass der/die Grenzwert(e) mindestens 30%, bevorzugt mindestens 10%, und besonders bevorzugt mindestens 3% über den maximalen Wert(en) für den Durchsatz bzw. der Veränderungsrate beim Betrieb des Druckbehältersystems ohne Störung (= regulärer Betrieb) liegt/liegen.
  • Der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert kann insbesondere indikativ für einen Leitungsabriss sein, beispielsweise wenn sich eine Brennstoffleitung ablöst.
  • Bevorzugt umfasst das Druckbehältersystem einen Drucksensor, der ausgebildet ist, den Druck im Druckbehälter direkt oder indirekt zu ermitteln. Der Drucksensor kann im Druckbehälter und/oder in einer Leitung zum Druckbehälter, zweckmäßig benachbart zum Druckbehälterventil, angeordnet sein. Die Steuerung kann dann beispielsweise den Durchsatz an Brenngas zumindest dann reduzieren, wenn ein zeitlicher Druckabfallgrenzwert im Druckbehälter (nachstehend „Druckabfallgrenzwert“) überschritten wird. Auch ist vorstellbar, dass der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert auf eine andere Weise direkt oder indirekt ermittelt wird.
  • Anstatt (in)direkt die Veränderungsrate der Dichte im Druckbehälter zu bestimmen und/oder den Durchsatz an Brennstoff zu ermitteln kann auch der zeitl. Druckabfall herangezogen werden. Der zeitl. Druckabfall repräsentiert ausreichend genau den Durchsatz an Brennstoff bzw. die zeitliche Veränderungsrate der Dichte im Druckbehälter. Ferner kann der zeitl. Druckabfall vergleichsweise einfach, kostengünstig und/oder zuverlässig ermittelt werden. Bei sprungartigen Druckänderungen, wie sie beispielweise bei Leitungsabrisse vorkommen, kann die Temperaturabhängigkeit der Dichte vernachlässigt werden. Daher kann eine sprungartige Änderung vom Durchsatz bzw. von der zeitl. Veränderungsrate der Dichte ausreichend präzise und vergleichsweise schnell erfasst werden, wenn der zeitl. Druckabfall im Druckbehälter direkt oder indirekt erfasst wird. Die Steuerung kann dann schnell auf einen Leitungsabriss reagieren.
  • Der Druckabfallgrenzwert kann beispielsweise mindestens ca. 30 %, bevorzugt mindestens ca. 10 % und ferner bevorzugt ca. 3 % der maximalen Druckabfallrate bei regulärem Betrieb des Druckbehältersystems (also ohne Störung) betragen
  • Den Durchsatz an Brenngas zumindest zu reduzieren kann bei der hier offenbarten Technologie umfassen, dass der Durchsatz auf mindestens ca. 10 %, bevorzugt mindestens ca. 1 %, und ferner bevorzugt auf ca. 0,1 % des maximalen Durchsatzes reduziert wird. Ferner bevorzugt wird das Druckbehälterventil komplett geschlossen.
  • Der Druckabfallgrenzwert und/oder der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert können einstellbar sein. Beispielsweise können der Druckabfallgrenzwert und/oder der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit von mindestens einen Verbraucher einstellbar sein. Einstellbar bedeutet beispielsweise, dass dasselbe Druckbehälterventil mit verschiedenen unterschiedlichen Brenngasverbrauchern (z.B. verschiedene Brennstoffzellen) kombiniert werden kann und der Fahrzeughersteller lediglich die Grenzwerte in der Steuerung an die unterschiedlichen Betriebscharakteristika der verschiedenen Verbraucher anpasst. Somit lässt sich die Teilevarianz weiter reduzieren.
  • Der zeitliche Druckabfallgrenzwert, der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert können auch in Abhängigkeit vom (insbesondere aktuellen) Brenngasverbrauch von mindestens einem Verbraucher einstellbar sein. Einstellbar bedeutet dann, dass der Grenzwert an die Betriebs-/Entnahmesituation angepasst werden kann. So kann z.B. der erforderliche Wasserstoffmassenstrom aus der aktuellen Leistung der Brennstoffzelle berechnet werden und der Veränderungsratengrenzwert an die Leistungssituation angepasst werden.
  • Im Regelfall umfasst eine Kraftstoffversorgungsanlage für Gasanwendungen in Fahrzeugen bereits einen Druckbehälter mit stromlos geschlossenem Druckbehälterventil, einen Drucksensor und ein Steuergerät. Öffnet das Steuergerät das Druckbehälterventil, wird die Drucküberwachungs-Phase gestartet. Über den Drucksensor registriert das Steuergerät den Behälterdruck. Im Falle eines Leitungsabrisses würde der gemessene Druck dann sehr stark abfallen, insbesondere viel schneller als bei einer normalen Entnahme. Steigt der zeitl. Abfall über den zeitl. Druckabfallgrenzwert, so wird das Steuergerät aktiv. Die Software im Steuergerät erkennt diesen Zustand am transienten Druckverhalten und kann dann das Behälterventil schließen. Die Funktion des mechanischen Überströmventils ist hier also elektronisch mit bestehenden Komponenten nachgebildet. Sie kommt völlig ohne zusätzliche Hardware aus. Der Auslösewert muss nicht fest sein, sondern kann an die Bedingungen angepasst werden: z.B. kann bei einem durch Kommunikation mit der Brennstoffzelle bekannt großen Entnahmestrom die Auslöseschwelle angepasst werden. Umgekehrt, wenn der Entnahmestrom sehr gering ist, natürlich auch.
  • Insbesondere umfasst die hier offenbarte Technologie auch folgende Verfahren: Ein Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend den Schritt: Reduzieren vom Durchsatz an Brenngas, der aus mindestens einem Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas durch mindestens ein Druckbehälterventil ausströmt, wenn ein Durchsatzgrenzwert für den Durchsatz an Brenngas bzw. der Veränderungsratengrenzwert überschritten wird. Ein Verfahren, bei dem der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert indikativ für die Leckagestörung, insbesondere für den Leitungsabriss, sein kann. Ein Verfahren, bei dem der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit vom mit dem Druckbehältersystem verbundenen Verbraucher einstellbar sein kann. Ein Verfahren, bei dem der Drucksensor den Druck im Druckbehälter ermittelt, und wobei die Steuerung den Durchsatz an Brenngas zumindest reduziert, wenn der Druckabfallgrenzwert überschritten wird. Ein Verfahren, bei dem der Druckabfallgrenzwert und/oder der Durchsatzgrenzwert bzw. der Veränderungsratengrenzwert einstellbar sind. Ein Verfahren, bei dem das Druckbehälterventil ein elektromechanisch verstellbares Druckbehälterventil ist.
  • 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.

Claims (13)

  1. Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend: – mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas; – mindestens ein Druckbehälterventil; und – mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter zumindest zu reduzieren, wenn ein Veränderungsratengrenzwert für die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter überschritten wird.
  2. Druckbehältersystem für ein brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend: – mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas; – mindestens ein Druckbehälterventil; und – mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung ausgebildet ist, den Durchsatz an Brenngas zumindest zu reduzieren, wenn ein Durchsatzgrenzwert für den Durchsatz an Brenngas überschritten wird.
  3. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert indikativ für eine Leckagestörung ist/sind.
  4. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert indikativ für einen Leitungsabriss ist/sind.
  5. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Drucksensor, der ausgebildet ist, den Druck im Druckbehälter zu ermitteln, und wobei die Steuerung den Durchsatz an Brenngas zumindest reduziert, wenn ein zeitlicher Druckabfallgrenzwert überschritten wird.
  6. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Druckbehälterventil ein elektromechanisch verstellbares Druckbehälterventil ist.
  7. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zeitliche Druckabfallgrenzwert, der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert einstellbar ist/sind.
  8. Druckbehältersystem nach Anspruch 7, wobei der zeitliche Druckabfallgrenzwert, der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit von mindestens einem mit dem Druckbehältersystem verbundenen Verbraucher einstellbar ist/sind.
  9. Druckbehältersystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zeitliche Druckabfallgrenzwert, der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit vom Brenngasverbrauch von mindestens einem Verbraucher einstellbar ist/sind.
  10. Verfahren zur Überströmreduzierung bei einem brenngasbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend den Schritt: – Reduzieren von einem Durchsatz an Brenngas, der aus mindestens einem Druckbehälter zur Speicherung von Brenngas durch mindestens ein Druckbehälterventil ausströmt, wenn ein Durchsatzgrenzwert für den Durchsatz an Brenngas und/oder ein Veränderungsratengrenzwert für die zeitliche Veränderungsrate der Brenngasdichte im Druckbehälter überschritten wird/werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Durchsatzgrenzwert indikativ für eine Leckagestörung, insbesondere für einen Leitungsabriss, ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit vom mit dem Druckbehältersystem verbundenen Verbraucher und/oder der Verbrauchssituation einstellbar ist/sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei der Durchsatzgrenzwert und/oder der Veränderungsratengrenzwert in Abhängigkeit vom Brenngasverbrauch von mindestens einem Verbraucher einstellbar ist/sind.
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DE102020207253A1 (de) 2020-06-10 2021-12-16 Argo Gmbh Ventileinrichtung, Intankventil und Gasdruckspeichersystem, insbesondere für Brennstoffzellensysteme, sowie Verfahren zum Detektieren einer Leckage
WO2023025515A1 (de) 2021-08-26 2023-03-02 Robert Bosch Gmbh Druckbehältersystem
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