DE102016216569A1

DE102016216569A1 - Verfahren zur Prognose der sich in einem kryogenen Druckbehälter nach einer Betankung einstellenden Werte

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Publication number: DE102016216569A1
Application number: DE102016216569.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Movsisyan; Andreas Pelger; Klaus SZOUCSEK
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Verfahren zur Prognose und Anzeige von Werten, die sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellen. Die Verfahren umfassen eine Prognose der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur TH2,m unter Berücksichtigung: – der Brennstoff-Masse mH2,a des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs; – der Restbrennstoff-Temperatur TRH2,a des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs; und – der Restbrennstoff-Masse mRH2,a des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Prognose einer sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Prognose eines sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Füllgrads und/oder eines Drucks.
Kryogene Druckbehältersysteme (auch „CcH2-Systeme” genannt) sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 ein solches System. Der Füllgrad des Innenbehälters wird bei vorbekannten Lösungen anhand von gemessenen Werten für Temperatur und Druck ermittelt. Dabei ist zu beobachten, dass die Füllgradsanzeige während und direkt nach der Betankung Werte anzeigt, die sich nach Abschluss der Betankung noch verändern können.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Genauigkeit der Füllgradbestimmung sowie gegebenenfalls deren Anzeige während oder auch nach der Betankung zu verbessern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Der hier offenbarten Technologie liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei einer kryogenen Betankung eines „erwärmten” kryogenen Druckbehälters (d. h. wärmer als der kryogene Brennstoff der Tankstelle) die Temperatur im Innenbehälter aufgrund von Wärmeaustauschvorgängen zwischen der eingebrachten kalten Brennstoffmasse und dem im Vergleich hierzu vergleichsweise warmen kryogenen Druckbehälter stark verändern kann. Gleichsam kann sich die Innenbehältertemperatur ebenfalls merklich in dem Fall ändern, in dem ein auf kryogene Temperaturen abgekühlter Innenbehälter warmbetankt wird. In beiden Fällen kommt es zu Temperaturaustauschvorgängen zwischen dem bereits im Druckbehälter vorhandenen Brennstoff und der Druckbehälterwand mit dem zusätzlich eingefüllten Brennstoff. Da jedoch Temperatur und Druck i. d. R. zur Berechnung des Füllgrads herangezogen werden, unterliegt die instantane Bestimmung des Füllgrads hier ebenfalls wahrnehmbare Abweichungen, die sich erst nach Abschluss der Wärmeaustauschvorgänge verringern. Die Wärmeaustauschvorgänge können mehrere Minuten dauern. Basierend auf dieser Erkenntnis ist es daher eine weitere bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem sich die Brennstoff-Temperatur im kryogenen Druckbehälter (besser) prognostizieren lässt.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Prognose einer sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur.
Die sich nach der Betankung einstellende Brennstoff-Temperatur sei dabei die (i. d. R. mittlere) Temperatur, die sich nach Abschluss der aus der Betankung resultierenden Wärmeaustauschprozesse im Innenbehälter des kryogenen Druckbehälters einstellt. Vereinfachend können hierbei nicht auf die Betankung zurückführbare Wärmeaustauschprozesse (z. B. Wärmeverluste des kryogenen Druckbehälters durch die nicht perfekte Isolation, Wärmeaustauschprozesse aufgrund der Entnahme von Brennstoff, etc.) unberücksichtigt bleiben, da diese i. d. R. auf die hier zu behebende Abweichung einen vergleichsweise geringen Einfluss haben.
Das Verfahren umfasst den Schritt: Prognostizieren der sich nach der Betankung einstellenden Brennstoff-Temperatur unter Berücksichtigung:

– der Brennstoff-Masse m_H2,a des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs vor dessen Temperaturänderung im Druckbehälter;
– der Restbrennstoff-Temperatur T_RH2,a des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs; und
– der Restbrennstoff-Masse m_RH2,a des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.

Die einzubringende und/oder eingebrachte Brennstoff-Masse ist die Masse an Brennstoff, die während des Betankungsvorgangs neu in den kryogenen Innenbehälter eingefüllt wird. Diese Menge kann näherungsweise vor dem Start der Betankung oder während der Betankung ermittelt werden. Beispielsweise kann hierzu die maximal mögliche Speichermasse an Brennstoff herangezogen werden und von dieser die Restbrennstoff-Masse abgezogen werden. Ebenso ist vorstellbar, dass ein Benutzer des Fahrzeugs vor Beginn des Betankungsvorgangs die Brennstoff-Masse direkt oder indirekt vorgibt. Beendet der Benutzer die Betankung des Kraftfahrzeugs, so kann ein zuvor approximierter Wert für die Brennstoff-Masse ersetzt werden durch den tatsächlichen Wert der Brennstoff-Masse. Dieser kann beispielsweise tankstellenseitig und/oder fahrzeugseitig direkt oder indirekt bestimmt werden.
Der Restbrennstoff ist der Brennstoff, der vor einer Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthalten war. Obwohl bevorzugt immer ein Restbrennstoff im kryogenen Druckbehälter enthalten ist, ist ebenso vorstellbar, dass der kryogene Druckbehälter vollständig entleerbar ist und somit die Restbrennstoff-Masse den Wert Null annimmt.
Die Restbrennstoff-Temperatur ist die Temperatur des im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs. Bevorzugt handelt es sich um die Temperatur des Restbrennstoffs im kryogenen Druckbehälter. Bevorzugt kommt zur Bestimmung Restbrennstoff-Temperatur ein Temperaturmessverfahren zum Einsatz, welches den Mittelwert der Temperatur des Restbrennstoffs direkt oder indirekt ermitteln kann.
Es kann bevorzugt angenommen werden, dass die Restbrennstoff-Temperatur näherungsweise den gleichen Wert aufweist wie die Tank-Temperatur des Innenbehälters. Die Tank-Temperatur T_Tank,a des kryogenen Druckbehälters kann insbesondere am und/oder im Druckbehälter ermittelt werden.
Die Restbrennstoff-Temperatur kann beispielsweise ermittelt werden mit mindestens einen Temperatursensor, der wärmeleitend mit einer Wand des Innenbehälters verbunden ist. Bevorzugt kann hierzu mindestens ein Temperatursensor auf der Innenseite des Liners des Innenbehälters, auf der Außenseite des Liners des Innenbehälters und/oder auf der Außenseite der faserverstärkten Schicht des Innenbehälters vorgesehen sein. Die Temperatur kann auch am Vakuumstopfen des Innenbehälters ermittelt werden. Es sind aber auch andere Lösungen zu Bestimmung der Temperatur des Restbrennstoffs vorstellbar.
Die Restbrennstoff-Masse, die vor der Betankung im kryogenen Druckbehälter gespeichert ist, kann beispielsweise durch vorbekannte Verfahren zur Bestimmung der Restbrennstoff-Masse ermittelt werden. Hierzu kann beispielsweise der Druck im Innenbehälter sowie die Restbrennstoff-Temperatur herangezogen werden. Es sind aber ebenso auch andere Methoden vorstellbar. Beispielsweise kann die Restbrennstoff-Dichte bestimmt werden und aus dieser die Restbrennstoff-Masse berechnet werden.
Die Brennstoff-Temperatur ist die Temperatur des in den Druckbehälter einzubringenden und/oder in den Druckbehälter eingebrachten Brennstoffs vor dessen Temperaturänderung im Druckbehälter. Insbesondere kann die Prognose unter Berücksichtigung der Brennstoff-Temperatur des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs erfolgen.
In einer Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie kann ein Betankungsberechnungsmodell dem Verfahren zu Grunde liegen, in dem von einer Betankung mit einer vorgegebenen kryogenen Betankungstemperatur ausgegangen wird, falls eine kryogene Betankung festgestellt wird. Diese kryogene Betankungstemperatur kann festgelegt sein (beispielsweise in einer Norm), sodass an jeder Tankstelle mit kryogener Betankung der Brennstoff mit gleicher oder annähernd gleicher Temperatur bereitgestellt wird. Ebenso kann ein Temperaturbereich für den einzufüllenden kryogenen Brennstoff vorgegeben sein. Für eine näherungsweise Berechnung kann dieser Temperaturwert bzw. dieser Temperaturbereich ausreichend sein.
Eine kryogene Betankung gemäß der hier offenbarten Technologie ist beispielsweise eine Betankung, bei der der Brennstoff mit einer Brennstoff-Temperatur von ca. 20 K bis ca. 100 K, bevorzugt 30 K bis 40 K von der Tankstelle bereitgestellt wird.
Eine Warmbetankung im Kontext der hier offenbarten Technologie ist beispielsweise eine Betankung gemäß dem Standard SAE J2601 von 2014. Beispielsweise ist eine Warmbetankung eine Betankung, bei der der Brennstoff mit einer Temperatur von ca. –60°C bis –10°C, bevorzugt von ca. –40°C bis –30°C bereitgestellt wird. Insbesondere zeichnet sich eine Warmbetankung dadurch aus, dass der bereitgestellte Brennstoff keine Temperatur aufweist, für die nicht kryogene Hochdruckgasbehälter (=CGH2-Behälter) nicht ausgelegt sind. Anstatt Warmbetankung könnte man diese Betankung auch als Betankung eines nicht kryogenen Druckbehältersystems bzw. Hochdruckgasbehältersystems bezeichnen.
Bevorzugt erfolgt die hier offenbarte Prognose unter der Auswertung eines Signals, welches indikativ für die Art der Betankung ist. Hierzu kann zweckmäßig zwischen der hier offenbarten kryogenen Betankung und der Warmbetankung unterschieden werden. Bevorzugt kann zur Bestimmung der Brennstoff-Temperatur ein Signal ausgewertet werden, welches indikativ für die Art der Betankung ist. Das Signal kann ein Kommunikationssignal sein, welches von einer Tankstelle bereitgestellt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann das Signal eine Information darüber enthalten, welche fahrzeugseitige Tankkupplung der mindestens zwei Tankkupplungen mit der Tankstelle verbunden ist. Hierzu können am Kraftfahrzeug beispielsweise eine kryogene fahrzeugseitige Tankkupplung und eine nicht-kryogene fahrzeugseitige Tankkupplung vorgesehen sein. Wird nun erkannt, dass die nicht-kryogene fahrzeugseitige Tankkupplung, also die Tankkupplung für die Warmbetankung, mit der Tankstelle verbunden ist, so kann für die Prognose angenommen werden, dass die Brennstoff-Temperatur einen Wert aufweist, der für eine Warmbetankung angenommen wird.
Ferner alternativ oder zusätzlich kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen, wonach die Veränderung der Restbrennstoff-Temperatur und/oder die Veränderung der Tank-Temperatur des Innenbehälters ermittelt wird. Anhand der Temperaturveränderung kann bevorzugt festgestellt werden, ob es sich um eine Warmbetankung oder um eine kryogene Betankung handelt. Wird beispielsweise erkannt, dass die Temperatur im Restbrennstoff/Druckbehälter stark ansteigt und ist diese Temperaturänderung nicht auf die Kompressionswärme zurückzuführen, so kann von einer Warmbetankung ausgegangen werden. Verringert sich indes innerhalb einer gewissen Zeit nach Beginn der Betankung die Temperatur des Restbrennstoffs/Druckbehälters, so kann von einer kryogenen Betankung ausgegangen werden. Abhängig von der Art der Betankung kann für die Prognose dann die zutreffende Brennstoff-Temperatur des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs verwendet werden.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung:

– der spezifischen Brennstoff-Wärmekapazität c_H2,a des während der Betankung einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs; und
– der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität c_RH2,a des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.

Die Prognose kann insbesondere erfolgen mit Werten für die spezifische Brennstoff-Wärmekapazität und/oder der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität, die während der Prognose in Abhängigkeit von der Temperatur und des Drucks variieren. Mit anderen Worten kann also bevorzugt für die vorgenannten spezifischen Wärmekapazitäten ein Kennfeld im Steuergerät vorgesehen sein, in welchem die spezifischen Wärmekapazitäten in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck hinterlegt sind. Die spezifische Brennstoff-Wärmekapazität ist dann abhängig von der Betankungstemperatur und dem jeweiligen (steigenden) Druck, mit dem der Brennstoff jeweils eingebracht wird. Die spezifische Restbrennstoff-Wärmekapazität ist dann abhängig der Restbrennstoff-Temperatur und von dem Restbrennstoff-Druck vor Beginn der Betankung.
In einer Ausgestaltung kann die hier offenbarte Prognose unter Verwendung der folgenden Formel 1 erfolgen:
wobei

T_H2,m: die sich nach der Betankung in dem kryogenen Druckbehälter einstellende Brennstoff-Temperatur;
T_H2,a: die Brennstoff-Temperatur des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs vor dessen Temperaturänderung im Druckbehälter;
m_H2,a: die Brennstoff-Masse des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs vor dessen Temperaturänderung im Druckbehälter;
c_H2,a: die spezifische Brennstoff-Wärmekapazität des während der Betankung einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs;
T_RH2,a: die Restbrennstoff-Temperatur des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs;
m_RH2,a: die Restbrennstoff-Masse des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs; und
c_RH2,a: die spezifische Restbrennstoff-Wärmekapazität des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Prognose unter Berücksichtigung der Kompressionswärme erfolgt, die während der Betankung aufgrund der Drucksteigerung im Druckbehälter in den Druckbehälter eingebracht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie kann die Prognose unter Berücksichtigung der Behälter-Wärmekapazität C_Tank des kryogenen Druckbehälters, insbesondere des Innenbehälters des kryogenen Druckbehälters, erfolgen.
Die Behälter-Wärmekapazität C_Tank des kryogenen Druckbehälters bzw. des Innenbehälters ist das Verhältnis der ihm im Inneren zugeführten Wärme dQ zu der damit bewirkten Temperaturerhöhung dT: C_Tank = dQ / dT (Formel 2)
Die Behälter-Wärmekapazität C_Tank hängt ab von der konkreten Ausgestaltung des kryogenen Druckbehälters und kann durch Versuche anhand der vorgenannten Formel bestimmt werden. Ferner kann die Behälter-Wärmekapazität C_Tank auch anhand der Massen der verwendeten Materialien und deren spezifischen Wärmekapazitäten berechnet werden. Die Bestimmung der Behälter-Wärmekapazität C_Tank des kryogenen Druckbehälters ist einem Fachmann geläufig. Sofern die Behälter-Wärmekapazität ebenfalls berücksichtigt wird, ergibt sich die in dem kryogenen Druckbehälter einstellende Druckbehältertemperatur aus der nachstehenden Formel 3:
sofern die Innendruckbehältertemperatur der Restbrennstoff-Temperatur entspricht.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Prognose eines sich einstellenden Füllgrads bzw. eines sich einstellenden Behälterdrucks nach der Betankung des hier offenbarten kryogenen Druckbehälters. Das Verfahren kann die Schritte umfassen:

– Prognostizieren einer sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur nach einem der hier offenbarten Verfahren; und
– Prognostizieren des sich einstellenden Füllgrads und/oder des sich einstellenden Behälterdrucks basierend auf der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur.

Ist die sich einstellende Brennstoff-Temperatur prognostiziert, so kann anhand geläufiger Gleichungen (Zustandsdiagramme sind bekannt) der sich einstellende Füllgrad/Behälterdruck bestimmt werden.
Der Füllgrad des Druckbehälters (engl. state of charge oder SoC) gibt den Beladungszustand des Druckbehälters an. Der Füllgrad ist in der Regel ein Prozentwert vom maximalen Füllgrad des Druckbehälters.
Der Druck im Brennstoffbehälter ist dabei ein Druck, der zu Beginn der Betankung vorgegeben werden kann, beispielsweise indem der Benutzer zu Beginn der Betankung die einzuführende Brennstoff-Masse oder den maximalen Befülldruck der Betankung vorgibt. Sofern der Benutzer nichts vorgibt, kann die Betankung bei einen vorgegebenen maximalen Wert, beispielsweise dem nominalen Betriebsdruck beendet werden.
Insbesondere betrifft die hier offenbarte Technologie einen kryogenen Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt von ca. 500 barü, und besonders bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr. Im Innenbehälter ist der Brennstoff gespeichert. Der Außenbehälter schließt den Druckbehälter bevorzugt nach außen hin ab. 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, dass zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter in einem evakuierten (Zwischen)Raum bzw. Vakuum V angeordnet ist. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Druckbehältersystem mit einem Steuergerät und mit mindestens einem kryogenen Druckbehälter, wie er hier offenbart ist.
Der Innenbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Der Innenbehälter kann mindestens eine faserverstärkte Schicht umfassen. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen i. d. R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK).
Das hier offenbarte Druckbehältersystem kann insbesondere durch einen oder mehrere der nachstehenden Aspekte beschrieben werden.

1. Druckbehältersystem mit mindestens einen kryogenen Druckbehälter und mit einem Steuergerät; wobei das Steuergerät ausgebildet ist eine sich nach einer Betankung einstellende Brennstoff-Temperatur (T_{H2, m}) zu prognostizieren, wobei die Prognose der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_{H2, m}) erfolgt unter Berücksichtigung:
– der Brennstoff-Masse (m_H2,a) des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs;
– der Restbrennstoff-Temperatur (T_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs; und
– der Restbrennstoff-Masse (m_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.
2. Druckbehältersystem nach Aspekt 1, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, die sich einstellende Brennstoff-Temperatur (T_{H2, m}) unter Berücksichtigung der Brennstoff-Temperatur (T_H2,a) des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs zu prognostizieren.
3. Druckbehältersystem nach Aspekt 2, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, zur Bestimmung der Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) ein Signal auszuwerten, welches indikativ für die Art der Betankung ist.
4. Druckbehältersystem nach Aspekt 3, wobei das Druckbehältersystem eine Kommunikationseinrichtung zur Tankstelle umfasst, und wobei das Signal ein Kommunikationssignal ist, welches von einer Tankstelle bereitgestellt und von der Kommunikationseinrichtung empfangen wird.
5. Druckbehälter nach Aspekt 3 oder 4; wobei das Druckbehältersystem mindestens zwei unterschiedliche fahrzeugseitige Tankkupplungen umfasst, insbesondere eine Tankkupplung für eine kryogene Betankung und eine weitere Tankkupplung für eine Warmbetankung; wobei das Druckbehältersystem ferner ausgebildet ist, zu ermitteln, welche Tankkupplung an eine Tankstelle angeschlossen ist; und wobei das Steuergerät ausgebildet ist, jeder der Tankkupplungen eine unterschiedliche Brennstoff-Temperatur zuzuordnen.
6. Druckbehälter nach einem der Aspekte 3 bis 5, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, anhand einer Veränderung der Restbrennstoff-Temperatur und/oder anhand einer Veränderung der Temperatur des Druckbehälters die Art der Betankung zu bestimmen.
7. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung – der spezifischen Brennstoff-Wärmekapazität (c_H2,a) des während der Betankung einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs; und – der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität (c_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.
8. Druckbehältersystem nach Aspekt 5, wobei in einem Speicher des Druckbehältersystems ein Kennfeld für spezifische Brennstoff-Wärmekapazitäten in Abhängigkeit von der Temperatur und des Drucks hinterlegt ist, und wobei das Steuergerät die sich einstellende Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) prognostiziert mit Werten für die spezifische Brennstoff-Wärmekapazität (c_H2,a) und/oder der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität (c_RH2,a) aus diesem Kennfeld.
9. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung der Behälter-Wärmekapazität (C_Tank) des kryogenen Druckbehälters.
10. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Aspekte, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung der Kompressionswärme, die während der Betankung aufgrund der Drucksteigerung im Druckbehälter in den Druckbehälter eingebracht wird.
11. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Druckbehältersystem ferner mindestens einen Temperatursensor zur Bestimmung der Restbrennstoff-Temperatur (T_RH2,a) umfasst, der wärmeleitend mit einer Wand eines den Brennstoff speichernden Innendruckbehälters verbunden ist.
12. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Aspekte, wobei das Steuergerät des Druckbehältersystems ausgebildet ist, den sich einstellenden Füllgrads und/oder des sich einstellenden Behälterdrucks basierend auf der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur zu prognostizieren und/oder anzuzeigen.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
Mit dem Schritt S100 beginnt der hier offenbarte Prozess. Im Schritt S200 wird überprüft, ob eine kryogene Betankung (CcH2-Betankung) stattfindet. Wird eine kryogene Betankung erkannt, so erfolgt die weitere Prognose unter der Annahme einer kryogenen Betankung (Schritt S400). Ist dies nicht der Fall, so wird von einer Warmbetankung (CGH2-Betankung) ausgegangen (Schritt S300).
Für die Bestimmung, ob eine kryogene Betankung vorliegt, kann beispielsweise ein am Innenbehälter des kryogenen Druckbehälters vorgesehener Temperatursensor eingesetzt werden, der die Temperaturveränderung des Brennstoffs im Innenbehälter bzw. die Temperaturveränderung des Innenbehälters selbst erfasst.
Es sind aber auch andere Wege zur Erkennung der Art der Betankung vorstellbar. Beispielsweise anhand der belegten Tankkupplung und/oder anhand eines Kommunikationssignals von der Tankstelle und/oder vom Benutzer.
Für die Warmbetankung und/oder für die kryogene Betankung wird dann hier die Brennstoff-Temperatur T_H2,a in Abhängigkeit von der Betankungsart festgelegt bzw. ausgewählt. Die Brennstoff-Temperaturen für die verschiedenen Betankungsarten können beispielsweise als Richtwerte in einem Speicher des Brennstoffzellensystems abgespeichert sein. Beispielsweise kann für die Warmbetankung als Richtwert für die Brennstoff-Temperatur T_H2,a des von der Tankstelle bereitgestellten Brennstoffs ein Wert von ca. –40°C bis –30°C angenommen werden. Hierzu können entsprechende Standards für die Tankstellen einen Richtwert sowie geeignete Toleranzen vorgeben. Ebenso kann für die kryogene Betankung ein Richtwert angenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennstoff-Temperatur T_H2,a auch von der Tankstelle selbst mitgeteilt werden.
Für eine näherungsweise Prognose kann eine so erfasste Brennstoff-Temperatur T_H2,a ausreichend sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennstoff-Temperatur T_H2,a des von der Tankstelle bereitgestellten Brennstoffs auch direkt oder indirekt gemessen werden. Bevorzugt kann anschließend basierend auf der Brennstoff-Temperatur T_H2,a mit einer der vorgenannten Formeln 1–3 die sich nach der Betankung einstellende Brennstoff-Temperatur, der sich nach der Betankung einstellende Füllgrad und/oder der sich nach der Betankung einstellende Innenbehälterdruck genauer prognostiziert werden. Hierauf wiederum basierend können diese Werte auch einem Benutzer entsprechend angezeigt werden.
Mit anderen Worten kann bei der hier offenbarten Technologie zuerst anhand der Abkühlung der Wandtemperatur erkannt werden, dass es sich um eine kryogene Betankung bzw. Kaltbetankung handelt. Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann auch warmbetankt werden. Dann würde die Wandtemperatur steigen. Um direkt nach der Betankung eine bessere Aussage bzgl. der Temperatur im Druckbehälter und somit bzgl. des Füllstandes treffen zu können, kann mit Hilfe eines thermodynamischen Modells und der zugehörigen Algorithmen ausgehend von der gemessenen Temperatur an der Außenseite der Tankwand berechnet werden, wie sich die Gastemperatur entwickelt haben muss bzw. entwickeln wird. Das Modell zur Prognose der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur kann in einem Steuergerät bzw. Rechner des Fahrzeuges hinterlegt sein. Mit anderen Worten kann gemäß der hier offenbarten Technologie die im Druckbehälter gemessene Temperatur korrigiert und die Füllmasse mit der korrigierten Temperatur berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich zur Messung an der Druckbehälterwand kann die Brennstoff-Temperatur im Druckbehälterinneren selbst und/oder an der Befüllleitung gemessen werden. Auch hier kann der Einfluss der Wärmekapazität bzw. thermischen Masse des Innenbehälters bei der Temperaturermittlung (wie oben beschrieben, jedoch mit angepassten Algorithmen) in einer bevorzugten Ausführung mit berücksichtigt werden.
Mit der hier offenbarten Technologie kann sich vorteilhaft die Genauigkeit einer Prognose der sich im kryogenen Druckbehälter nach der Betankung einstellenden Werte für die Brennstoff-Temperatur, für den Füllgrad und/oder für den Druck verbessern. Diese genaueren Daten können gegebenenfalls für die Betankung selbst genutzt werden. Ferner können die Daten genutzt werden, um schon während der Betankung oder auch kurz danach dem Benutzer die Werte anzuzeigen, die sich nach den Temperaturaustauschvorgängen einstellen werden. Etwaige Abweichungen, die aus Abweichung der augenblicklich gemessenen Temperaturen und den sich tatsächlich nach Abschluss der Wärmeaustauschvorgänge einstellenden Temperaturen resultieren, würden dann den Benutzer nicht irritieren.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1546601 B1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard SAE J2601 von 2014 [0017]

Claims

Verfahren zur Prognose einer sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_H2,m), wobei die Prognose der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) erfolgt unter Berücksichtigung: – der Brennstoff-Masse (m_H2,a) des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs; – der Restbrennstoff-Temperatur (T_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs; und – der Restbrennstoff-Masse (m_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung der Brennstoff-Temperatur (T_H2,a) des einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Bestimmung der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) ein Signal ausgewertet wird, welches indikativ für die Art der Betankung ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Signal ein Kommunikationssignal ist, welches von einer Tankstelle bereitgestellt wird; und/oder wobei das Signal eine Information darüber enthält, welche fahrzeugseitige Tankkupplung mit der Tankstelle verbunden ist; und/oder wobei das Signal auf einer Veränderung der Restbrennstoff-Temperatur (T_RH2,a) beruht; und/oder wobei das Signal auf einer Veränderung der Temperatur des Druckbehälters beruht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung – der spezifischen Brennstoff-Wärmekapazität (c_H2,a) des während der Betankung einzubringenden und/oder eingebrachten Brennstoffs; und – der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität (c_RH2,a) des vor der Betankung bereits im kryogenen Druckbehälter enthaltenen Brennstoffs.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Prognose erfolgt mit Werten für die spezifische Brennstoff-Wärmekapazität (c_H2,a) und/oder der spezifischen Restbrennstoff-Wärmekapazität (c_RH2,a), die in Abhängigkeit von der Temperatur und des Drucks variieren.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung der Behälter-Wärmekapazität (C_Tank) des kryogenen Druckbehälters.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prognose erfolgt unter Berücksichtigung der Kompressionswärme, die während der Betankung aufgrund der Drucksteigerung im Druckbehälter in den Druckbehälter eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Restbrennstoff-Temperatur (T_RH2,a) ermittelt wird mit mindestens einem Temperatursensor, der wärmeleitend mit einer Wand eines den Brennstoff speichernden Innendruckbehälters verbunden ist.
Verfahren zur Prognose eines sich nach der Betankung einstellenden Füllgrads und/oder eines sich nach der Betankung einstellenden Behälterdrucks eines kryogenen Druckbehälters, umfassend die Schritte: – Prognostizieren einer sich nach einer Betankung in dem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) nach einem Verfahren der vorherigen Ansprüche; und – Prognostizieren des sich einstellenden Füllgrads und/oder des sich einstellenden Behälterdrucks basierend auf der sich einstellenden Brennstoff-Temperatur.
Verfahren zum Anzeigen eines Füllgrads und/oder eines Behälterdrucks eines kryogenen Druckbehälters, umfassend die Schritte: – Prognostizieren einer sich nach einer Betankung in einem kryogenen Druckbehälter einstellenden Brennstoff-Temperatur (T_H2,m) nach einem Verfahren der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 oder Prognostizieren eines sich nach der Betankung einstellenden Füllgrads und/oder eines sich nach der Betankung einstellenden Behälterdrucks des kryogenen Druckbehälters nach Anspruch 10; und – Anzeigen des sich einstellenden Füllgrads und/oder des sich einstellenden Behälterdrucks basierend auf der Prognose.