DE102017001039A1

DE102017001039A1 - Verfahren zum sicheren Betanken eines Gasspeichers

Info

Publication number: DE102017001039A1
Application number: DE102017001039.0A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Mayer; Stefan Boneberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-02-04
Filing date: 2017-02-04
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betanken eines Gasspeichers (1) in einem Fahrzeug über eine Befülleitung (9) mit einem Befüllstutzen (10), welcher eine abnehmbare Abdeckkappe (11) aufweist, deren aufgesteckter oder abgenommener Zustand detektierbar ist, wobei bei abgenommener Abdeckkappe (11) und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit ist, ein Tanksteuergerät den Tankvorgang freigibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Freigabe über eine Absperrventileinrichtung (8) eine Versorgungsleitung (5) zwischen Druckgasbehältern (2) des Gasspeichers (1) und einem das Gas nutzenden Aggregat (6) geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betanken eines Gasspeichers in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Das sichere Betanken von Gasspeichern, insbesondere von Wasserstoffspeichern in Fahrzeugen spielt eine erhebliche Rolle, da anders als bei der Betankung mit flüssigem Kraftstoff durch austretende Gase zündfähige Gemische, um das Fahrzeug herum, sehr viel leichter entstehen können. Daher wird im Stand der Technik beispielsweise vorgeschlagen einen Verbrennungsmotor oder die Zündung eines Fahrzeugs abzuschalten, wenn gemäß Sensordaten eine Betankung vorliegt und dies durch eine entsprechend geringe Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere durch den Stillstand des Fahrzeugs, plausibilisert wird. In diesem Zusammenhang kann bezüglich des Abschaltens der Zündung auf die DE 10 2012 222 722 A1 sowie hinsichtlich der Abschaltung des Verbrennungsmotors auf die EP 2 189 705 A1 hingewiesen werden.
Wie auch in diesen beiden Schriften ist es typischerweise üblich einen Schalter, insbesondere am Tankdeckel, vorzusehen um die Betankung prinzipiell zu erkennen beziehungsweise die Betankungsbereitschaft des Fahrzeugs zu signalisieren. In diesem Zusammenhang kann ferner auf die DE 10 2010 008 206 A1 verwiesen werden. Dort wird auch vorgeschlagen eine Wegfahrsperre des Fahrzeugs zu aktivieren, während dieses betankt wird.
Typischerweise ist es nun so, dass der Ablauf der Betankung durch entsprechende Normierungen und daraus abgeleitete Gesetze reguliert wird. So schreibt beispielsweise die EU-Verordnung EU 406/2010 in Kapitel 9.5 vor, dass während der Betankung das Antriebssystem oder die Wasserstoffumwandlungsanlage nicht aktiv sein dürfen, und dass das Fahrzeug beim Betanken gegen Wegrollen zu sichern ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Verfahren zum sicheren Betanken eines Gasspeichers an einem Fahrzeug anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass der abgenommene Zustand einer Abdeckkappe auf dem Befüllstutzen der Befülleitung für den Gasspeicher detektiert wird. Bei abgenommener Abdeckkappe und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, welche kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit ist, wird über ein Tanksteuergerät der Tankvorgang freigegeben. Dies entspricht soweit dem Stand der Technik. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, das zu Beginn der Freigabe über eine aktiv angesteuerte Absperrventileinrichtung eine Versorgungsleitung zwischen dem Gasspeicher und einem das Gas nutzenden Aggregat geschlossen wird. Die Verbindung beispielsweise zu einem Verbrennungsmotor oder im Falle von Wasserstoff insbesondere zu einer Brennstoffzelle wird also aktiv geschlossen, wenn die Freigabe für den Tankvorgang erfolgt ist. Hierdurch ergibt sich ein erheblicher Vorteil hinsichtlich der Sicherheit des Aufbaus.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es außerdem vorgesehen, das zusammen mit der Absperrventileinrichtung Entnahmeventile an Druckgasbehältern des Gasspeichers geschlossen werden. Der Gasspeicher besteht typischerweise aus mehreren Druckgasbehältern. Jeder dieser Druckgasbehälter verfügt im Allgemeinen über ein so genanntes Tankventil oder On-Tank-Valve (OTV), dieses umfasst ein Entnahmeventil um Gas für den Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle aus dem Gasspeicher entnehmen zu können. Typischerweise ist der mit der Befüllleitung verbundene Pfad nicht identisch zu dem Entnahmepfad, sodass das Entnahmeventil bei der Betankung des Gasspeichers nicht durchströmt wird. Es wird dann in dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfüllungsgemäßen Verfahrens geschlossen, um ein Rückströmen von Gas über die Entnahmeventile sicher auszuschließen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass, wie es im Stand der Technik ebenfalls bekannt ist, in einer Tankmulde mit einem Tankdeckel ein Sensor beziehungsweise Schalter angeordnet ist, über welchen der offene oder geschlossene Zustand des Tankdeckels detektierbar ist. Für diesen Fall ist es vorgesehen, das die Freigabe nur ausgelöst wird, wenn zusätzlich zu der abgenommenen Abdeckkappe auch der Tankdeckel geöffnet ist. Neben der Geschwindigkeit und der abgenommenen Abdeckkappe spielt nun also auch der Tankdeckel eine Rolle. Hierdurch wird die Sicherheit noch weiter verbessert, da die Fehlerwahrscheinlichkeit durch die Auswertung eines weiteren Schalters beziehungsweise Sensors nochmals weiter reduziert werden kann.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass sobald mit Beginn der Betankung ein Druckanstieg um zumindest einen vorgegebenen Prozentsatz erkannt wird, eine gültige Betankung angenommen wird. Eine solche gültige Betankung, welche also tatsächlich stattfindet, nachdem zuvor die Freigabe über die Geschwindigkeit und zumindest die abgenommene Abdeckkappe sowie gegebenenfalls den geöffneten Tankdeckel erfolgt war, wird also nun anhand eines Druckanstiegs bei der Betankung verifiziert. Dies stellt hinsichtlich der Sensorik kein Problem dar, da der Druck in dem Gasspeicher ohnehin überwacht wird. Steigt dieser Druck also um einen gewissen Prozentsatz an, welcher so gewählt wird, dass er nicht mit typischerweise innerhalb kurzer Zeit auftretenden Erwärmungseffekten zusammenhängen kann, dann wird eine gültige Betankung angenommen.
Gemäß einer außerordentlich günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee wird nun im Falle einer Freigabe und einer gültigen Betankung eine Wegfahrsperre des Fahrzeugs aktiviert. Die Wegfahrsperre wird also nicht anhand des Freigabesignals für die Betankung ausgelöst, sondern erst dann wenn gleichzeitig zur Freigabe eine gültige Betankung erkannt worden ist, weil sich der Druck von der Tankanlage in der Befüllungsleitung ausgebreitet hat. Bis zu diesem Zeitpunkt kann rein elektrisch noch mit dem Fahrzeug rangiert werden, beispielsweise um dieses nochmal ein gewisses Wegstück zurückzusetzen, um es präziser gegenüber der Tankanlage in der Tankstelle zu platzieren. Erst mit dem Beginn der gültigen Betankung, welche über den Druckanstieg beim Koppeln des Zapfventils mit dem Befüllstutzen erfasst wird, wird die Wegfahrsperre des Fahrzeugs aktiviert.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die aktivierte Wegfahrsperre durch das Einlegen einer Parksperre in dem Fahrzeuggetriebe aktiviert wird. Eine solche mechanische Parksperre, wie sie ansonsten nur beim geparkten Fahrzeug aktiv ist, verhindert ein Wegfahren beziehungsweise Wegrollen des Fahrzeugs zuverlässig, da sie mechanisch in entsprechende Elemente des Getriebes eingreift und so Elemente des Getriebes blockiert, welche sich beim Fahren oder Rollen zwangsweise bewegen müssten.
Das Ende des Betankungsvorgangs kann dann durch das Aufstecken der Abdeckkappe und gegebenenfalls das Schließen des Tankdeckels erkannt werden, und zwar immer dann wenn die Abdeckkappe aufgesteckt wird, nachdem eine gültige Betankung erfolgt ist und zuvor eine Freigabe für die Betankung vorlag. Die Freigabe wird dann zurückgenommen. Das Zurücknehmen der Freigabe kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfüllungsgemäßen Verfahrens dazu führen, das ein Lösen der Wegfahrsperre freigegeben wird und das alternativ oder ergänzend hierzu ein Öffnen der Absperrventileinrichtung und sofern vorhanden der Entnahmeventileinrichtungen freigegeben wird, sofern eine solche Öffnung vom Fahrzeug angefordert wird, beispielsweise weil verbrennungsmotorisch oder über die Brennstoffzelle Leistung bereitgestellt werden soll.
Das Verfahren ist außerordentlich effizient und sicher, sodass es sich insbesondere zur Betankung eines Gasspeichers bei entsprechend hohen Drücken von wenigstens 25 MPa oder insbesondere 70 MPa anbietet. Es kann also insbesondere für Gasspeicher eingesetzt werden, welche für komprimiertes Abgas oder besonders bevorzugt für Wasserstoff, welcher derzeit bei einem Nenndruck von 70 MPa gespeichert wird, eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend in der Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei einen Gasspeicher welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Gasspeicher 1, welcher zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa ausgebildet sein soll. Der Gasspeicher 1 verfügt über zwei einzelne Druckgasbehälter 2, welche jeweils ein Tankventil 3 aufweisen. Dieses Tankventil 3 weist einerseits ein Entnahmeventil und anderseits einen hiervon zumindest teilweise unabhängigen Befüllpfad auf. Darüber hinaus sind weitere Elemente wie beispielsweise ein manuelles Entleerventil, ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil oder ähnliches in dem Tankventil 3, vorhanden. Die beiden Druckgasbehälter 2 sind über eine Gasleitung 4 miteinander verbunden. Von der Gasleitung 4 führt eine Versorgungsleitung 5 zu einem Aggregat 6, beispielsweise einem Gasmotor oder einer Brennstoffzelle. In der Versorgungsleitung 5 ist ein Absperrventil 8 sowie ein Drucksensor 7 auf der dem Druckgasbehälter 2 abgewandten Seite des Absperrventils 8 angeordnet. Ferner ist die Gasleitung 4 über eine Befülleitung 9 mit einem Befüllstutzen 10 verbunden. Dieser Befüllstutzen weist eine Abdeckkappe 11 auf, welche auch als Staubschutzkappe bezeichnet werden könnte. Der ganze Aufbau ist dabei in einer angedeuteten Tankmulde 12 des Fahrzeugs, welches den Gasspeicher 1 aufweist angeordnet. Im Bereich der Abdeckkappe 11 befindet sich über einen Schalter 13 angedeutet eine Vorrichtung um beispielsweise elektrisch, oder über magnetische Sensoren oder Ähnliches zu detektieren ob die Abdeckkappe 11 auf dem Befüllstutzen 10 aufgesteckt ist, oder nicht. Ein vergleichbarer Schalter 14 ist im Bereich einer angedeuteten Tankklappe 15 angedeutet, welche die Tankmulde 12 des Fahrzeugs immer dann verschließt, wenn das Fahrzeug nicht betankt werden soll. Das Fahrzeug selbst weist in an sich bekannter Weise ein Fahrzeugsteuergerät auf, und ein Steuergerät für die Tankanlage, welche beispielsweise über den CAN-Bus untereinander in Kommunikationsverbindung stehen.
In einer einfachsten Ausführungsvariante der Erfindung kann auf den Schalter 14 im Bereich des Tankdeckels 15 verzichtet werden. Durch das Abziehen der Abdeckkappe 11 durch eine Person, welche den Gasspeicher 1 betanken will, erhält das Steuergerät des Tanksystems einen ersten Impuls, welcher diesem signalisiert, dass die Abdeckkappe abgenommen ist. Falls das Steuergerät des Tanksystems bisher nicht aktivert war kann es durch diesen Impuls aktiviert beziehungsweise aufgeweckt werden. Über das Steuergerät des Fahrzeugs und die Kommunikationsverbindung zwischen dem Fahrzeugsteuergerät und dem Tanksteuergerät wird nun die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Ist diese kleiner als eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit, welche entsprechend gering gewählt wird, sodass also davon ausgegangen werden kann, dass das Fahrzeug steht oder allenfalls noch mit minimaler Restgeschwindigkeit rollt und unmittelbar danach zu stehen kommt, dann werden bei aktivem Impuls aufgrund der abgezogenen Abdeckkappe über das Tanksteuergerät die Entnahmeventile in den Tankventilen 3 und das Absperrventil 8 in der Versorgungsleitung 5 geschlossen. Damit ist ein weiterer Betrieb des Aggregats 6 nicht mehr möglich, sodass dieses entsprechend abgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Rangieren des Fahrzeugs im rein batterieelektrischen Betrieb, welcher zumindest bei einem Brennstoffzellenfahrzeug existiert, noch möglich. Das Fahrzeug kann also nochmals umrangiert werden, beispielsweise um dieses möglichst präzise vor einer Betankungsanlage der Tankstelle zu platzieren.
Beginnt nun die Betankung durch die Person, welche auch die Abdeckkappe 11 abgezogen hat, dann kommt es in dem Gasspeicher 1 und hier insbesondere in der Befülleitung 9, der Gasleitung 4 und dem zwischen der Gasleitung 4 und dem Absperrventil 8 liegenden Teil der Versorgungsleitung 5 zu einem Druckanstieg. Wird ein solcher Druckanstieg um einige Prozent über den Drucksensor 7 erkannt, dann kann davon ausgegangen werden, dass dies mit einer Betankung zusammenhängt. Der Grenzwert ist dabei so zu wählen, dass ein Druckanstieg beispielsweise durch eine Erwärmung des Gasspeichers 1, beispielsweise aufgrund einer Sonneneinstrahlung oder ähnlichen nicht als relevanter Druckanstieg interpretiert wird. Das Steuergerät des Tanksystems wertet dann die Betankung als gültig, geht also von einer tatsächlich begonnenen Betankung nach der erfolgten Freigabe, mit dem Schließen des Absperrventils 8 und der Entnahmeventile in den Tankventilen 3 aus. Neben der Freigabe, welche anhand des Sensors/Schalters 13 der Abdeckkappe 11 und der nicht mehr vorliegenden oder nur noch außerordentlich geringen Fahrgeschwindigkeit, welche das Tanksteuergerät vom Fahrzeugsteuergerät übermittelt bekam, erfolgt war, liegt also nun als weitere Information eine gültige Betankung vor. In diesem Fall gibt das Tanksteuergerät ein entsprechendes Signal an das Fahrzeugsteuergerät, welches ein Wegrollen des Fahrzeugs verhindert. Beim Brennstoffzellenfahrzeug wird nun auch der Batterieelektrische Vortrieb unterbunden. Dies kann prinzipiell rein elektronisch erfolgen, vorzugsweise kann jedoch das Einlegen einer mechanischen Parksperre im Getriebe ausgelöst werden, sodass ein Bewegen des Fahrzeugs sicher und zuverlässig unterbunden wird. Dies bezieht sich dann nicht nur auf das pure Wegfahren des Fahrzeugs sondern verhindert auch, ähnlich wie beispielsweise eine angezogene Handbremse, welche bei elektronischer Betätigung eine alternative Möglichkeit zum Verhindern des Wegfahrens beziehungsweise Wegrollens darstellt, dass das Fahrzeug auch nicht wegrollen kann. Die Betankung kann dann in einem sicheren Zustand des Fahrzeugs erfolgen.
Wenn die Person nach der Beendigung des Tankvorgangs die Abdeckkappe 11 wieder auf dem Befüllstutzen steckt dann wird die Freigabe zurückgenommen. Durch dieses Zurücknehmen der Freigabe wird ein Signal vom Tanksteuergerät an das Fahrzeugsteuergerät gesandt beziehungsweise das zuvor gesendete Signal nun nicht mehr aufrechterhalten, sodass über das Fahrzeugsteuergerät die Wegfahrsperre wieder aufgehoben wird. Gleichzeitig kann nach dem Wegfallen der Freigabe ein Öffnen des Absperrventils 8 und der Entnahmeventile in den Tankventilen 4 erfolgen, sofern dies vom Fahrzeug entsprechend angefordert wird. Darüber hinaus ist mit dem Wegfallen der Wegfahrsperrfunktion das rein batterieelektrische Verfahren sofort wieder möglich, das Fahren mit Gasmotor oder Brennstoffzelle nach dem erneuten Start des Aggregats 6.
Eine alternative Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun vor, dass zusätzlich zu dem Impuls, welcher durch das Abziehen der Abdeckkappe und den Schalter 13 ausgelöst wird, für die Freigabe der Betankung auch ein Signal der Tankklappe 15, ausgelöst durch den Schalter 14, vorliegen muss. In diesem Fall kann für den Fall, dass das Tanksteuergerät nicht aktiviert war dieses bereits beim Öffnen des Tankdeckels 15, welches ja typischerweise vor dem Abziehen der Abdeckkappe 11 erfolgt, entsprechend aktiviert werden. Dies ermöglicht eine gewisse Redundanz, da im Falle, dass einer der Schalter 13, 14 ein falsch positives Signal liefert die Freigabe der Betankung nicht ohne das Vorhandensein des anderen Signals erfolgt. Der Ablauf ist ansonsten derselbe wie oben beschrieben. Lediglich bei der Beendigung des Tankvorgangs wird wiederum geprüft ob sowohl die Abdeckkappe 11 auf dem Befüllstutzen 10 sicher aufgesteckt ist und gleichzeitig die Tankklappe 15 geschlossen ist. Also nur wenn sowohl über den Schalter 13 als auch über den Schalter 14 der gewünschte Zustand detektiert wird, wird die Tankfreigabe entsprechend beendet und die Wegfahrsperre aufgehoben, sodass das Fahrzeug wieder bewegt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012222722 A1 [0002]
EP 2189705 A1 [0002]
DE 102010008206 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum sicheren Betanken eines Gasspeichers (1) in einem Fahrzeug über eine Befülleitung (9) mit einem Befüllstutzen (10), welcher eine abnehmbare Abdeckkappe (11) aufweist, deren aufgesteckter oder abgenommener Zustand detektierbar ist, wobei bei abgenommener Abdeckkappe (11) und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit ist, ein Tanksteuergerät den Tankvorgang freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Freigabe über eine Absperrventileinrichtung (8) eine Versorgungsleitung (5) zwischen Druckgasbehältern (2) des Gasspeichers (1) und einem das Gas nutzenden Aggregat (6) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit der Absperrventileinrichtung (8) Entnahmeventile in Tankventilen (3) der Druckgasbehälter (2) geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllstutzen (10) in einer Tankmulde (12) mit einem Tankdeckel (15) angeordnet ist, wobei der offene oder geschlossene Zustand des Tankdeckels (15) detektierbar ist, wobei zusätzlich zu der abgenommenen Abdeckkappe (11) auch der Tankdeckel (15) geöffnet sein muss, um die Freigabe auszulösen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sobald mit Beginn der Betankung ein Druckanstieg um zumindest einen vorgegebenen Prozentsatz erkannt wird, eine gültige Betankung angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Freigabe und einer gültigen Betankung eine Wegfahrsperre des Fahrzeugs aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aktivieren der Wegfahrsperre eine mechanische Parksperre im Fahrzeuggetriebe eingelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Tankvorgangs durch eine nach erfolgter Freigabe und gültiger Betankung aufgesteckte Abdeckkappe (11) erkannt wird, wonach die Freigabe zurückgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Zurücknehmen der Freigabe ein Lösen der Wegfahrsperre auslöst sofern diese aktiviert war
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Rücknahme der Freigabe ein Öffnen der Absperrventileinrichtung (8) und sofern vorhanden der Entnahmeventileinrichtungen freigegeben wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Betankung eines Gasspeichers (1) mit komprimierten Erdgas oder Wasserstoff bei einem Nenndruck von wenigstens 25 MPa, insbesondere 70 MPa.