DE102017204672A1 - Method and system for refueling a vehicle with hydrogen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs (1) mit Wasserstoff, wobei der Wasserstoff mittels einer Kompressionseinrichtung (15) verdichtet und über eine Verbindung (17) in einen Speichertank (5) des Fahrzeugs (1) gefördert wird, bis der Ist-Druck (P) in dem Speichertank (5) einem Soll-Druck (P) entspricht.The invention relates to a method for refueling a vehicle (1) with hydrogen, wherein the hydrogen is compressed by means of a compression device (15) and conveyed via a connection (17) in a storage tank (5) of the vehicle (1) until the actual Pressure (P) in the storage tank (5) corresponds to a desired pressure (P).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein System zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for refueling a vehicle with hydrogen according to the preamble of
Ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
Weiterhin ist es aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es einen geringen vorrichtungstechnischen Aufwand benötigt, da insbesondere auf eine Einrichtung zur Herabkühlung des Wasserstoffs beim bzw. vor dem Betanken verzichtet werden kann. Hierzu schlägt es die Erfindung sinngemäß vor, den zur Betankung des Speichertanks im Fahrzeug vorgesehenen Druck des Wasserstoffs in mehreren Schritten zu erhöhen, bis dieser dem Soll-Druck entspricht, der charakteristisch für einen vollen Speichertank ist. Dadurch findet die Betankung in mehreren Teilbetankungsschritten statt, bei denen jeweils eine Teilmenge von verdichtetem Wasserstoff in den Speichertank gefördert wird, wobei der Druck der Teilmenge jeweils um einen gewissen Betrag höher ist als der im Speicherdruck augenblicklich herrschende Ist-Druck des Wasserstoffs. Dies hat zur Folge, dass aufgrund der jeweils geringen Druckerhöhung im Speichertank bei dem jeweiligen Teilbetankungsschritt der Wasserstoff nicht heruntergekühlt werden muss, da die Erwärmung insbesondere des Speichertanks beim Befüllen relativ gering ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vorzugsweise einsetzbar, wenn die Betankung des Speichertanks des Fahrzeugs eine längere Zeitspanne in Anspruch nehmen kann, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn sich das Fahrzeug im häuslichen Umfeld, insbesondere in einer Garage, befindet. Dadurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Betankung des Fahrzeugs über die Zeitdauer einer Nacht einzusetzen.The inventive method for refueling a vehicle with hydrogen having the features of
Die Anzahl der Teilbetankungsschritte kann u.a. von der Differenz zwischen dem vorhandenen Ist-Druck im Speichertank und dem Soll-Druck abhängen, sowie von anderen, beispielsweise vorrichtungstechnisch verursachten Randbedingungen. Die Anzahl der Teilbetankungsschritte beträgt typischerweise wenigstens zwei bis beispielsweise zwanzig Teilschritte, wobei auch die zeitliche Dauer, in denen die Teilschritte erfolgen bzw. die die Teilschritte benötigen, unterschiedlich sein kann.The number of partial refueling steps may include i.a. depend on the difference between the existing actual pressure in the storage tank and the desired pressure, as well as other, for example, device-technically caused boundary conditions. The number of partial refueling steps is typically at least two to, for example, twenty sub-steps, whereby the time duration in which the sub-steps take place or which require the sub-steps may also be different.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous developments of the method according to the invention are listed in the subclaims.
In einer ersten Ausgestaltung des soweit beschriebenen allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Druckerhöhung bei den einzelnen Teilbetankungsschritten der Betankung jeweils gleich groß ist. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass der vorrichtungstechnische bzw. steuerungstechnische Aufwand relativ gering ist, da die Kompressionseinrichtung den Wasserstoff jeweils nur um die jeweils gleiche Druckdifferenz (in Bezug zum zuletzt vorhandenen Druck des Wasserstoffs) verdichten muss.In a first embodiment of the general inventive concept described so far, it is provided that the pressure increase in the individual partial refueling steps of the refueling is in each case the same. Such a method has the advantage that the device-technical or control-technical effort is relatively low, since the compression device has to compress the hydrogen only by the same pressure difference (in relation to the last existing pressure of the hydrogen).
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Druckerhöhung bei den einzelnen Teilbetankungsschritten in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Ist-Druck und dem Soll-Druck im Speichertank erfolgt, wobei die Druckerhöhung bei geringer werdender Differenz zwischen dem Ist-Druck und dem Soll-Druck verringert wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass zu Beginn des Betankungsvorgangs, bei dem der Ist-Druck im Speichertank relativ gering ist, der Wasserstoff gegenüber diesem Ist-Druck um eine relativ hohe Druckdifferenz verdichtet wird, und dass diese Druckdifferenz in den folgenden Teilbetankungsschritten, mit zunehmender Betankung des Speichertanks bzw. steigendem Ist-Druck, verringert wird. Dadurch wird ein asymptotisches Betankungsverhalten erzeugt, bei dem insbesondere schon nach relativ geringer Zeit eine relativ große Menge von Wasserstoff in dem Speichertank getankt ist. Weiterhin ermöglicht es das soweit beschriebene Verfahren, nichtsdestotrotz auf eine Herabkühlung des Wasserstoffs zu verzichten, da zu Beginn des Betankungsvorgangs die betroffenen Bauteile noch relativ kalt sind bzw. eine relativ tiefe Temperatur aufweisen und somit thermisch relativ stark belastbar sind.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the pressure increase takes place in the individual partial refueling steps in dependence on the difference between the actual pressure and the target pressure in the storage tank, wherein the pressure increase with decreasing difference between the actual pressure and the target pressure is reduced. In other words, this means that at the beginning of the refueling process, in which the actual pressure in the storage tank is relatively low, the hydrogen is compressed relative to this actual pressure by a relatively high pressure difference, and that this pressure difference in the following partial refueling steps, with increasing refueling of the storage tank or increasing actual pressure is reduced. As a result, an asymptotic refueling behavior is generated in which, in particular, after a relatively short time a relatively large amount of hydrogen is stored in the storage tank. Furthermore, the method described so far, nonetheless allows to dispense with a cooling down of the hydrogen, since at the beginning of the refueling process, the affected components are still relatively cold or have a relatively low temperature and thus thermally relatively strong load.
Zur Optimierung des Betankungsvorgangs sowie aus Gründen der Betriebssicherheit sieht es eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Temperatur in dem Speichertank des Fahrzeugs erfasst wird, und dass der Tankvorgang bei Überschreiten einer Grenztemperatur unterbrochen wird.To optimize the refueling process and for reasons of operational safety, it provides an advantageous variant of the method according to the invention, that the temperature is detected in the storage tank of the vehicle, and that the refueling process is interrupted when a limit temperature is exceeded.
Alternativ bzw. zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur in dem Speichertank erfasst wird, und dass die Druckerhöhung für einen nachfolgenden Teilbetankungsschritt bei Überschreitung eines vorgegebenen Temperaturgradienten reduziert wird. Auch dadurch wird die thermische Belastung des Speichertanks beim Betankungsvorgang reduziert bzw. optimal an den Betankungsvorgang angepasst, so dass beispielsweise die Tankzeit minimiert wird.Alternatively or additionally, it may be provided that the temperature is detected in the storage tank, and that the pressure increase for a subsequent partial refueling step is reduced if a predetermined temperature gradient is exceeded. This also reduces the thermal load on the storage tank during the refueling process or optimally adapts it to the refueling process so that, for example, the refueling time is minimized.
Wie bereits eingangs erwähnt, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren durch die Durchführung von mehreren Teilbetankungsschritten, den Wasserstoff vor dem Einbringen in den Speichertank nicht mittels einer Kühleinrichtung kühlen zu müssen. Somit wird der Energiebedarf durch die fehlende Kühleinrichtung beim Betankungsvorgang minimiert und der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert.As already mentioned, the method according to the invention makes it possible, by carrying out several partial refueling steps, not to have to cool the hydrogen by means of a cooling device before it is introduced into the storage tank. Thus, the energy requirement is minimized by the lack of cooling device during refueling and reduces the technical complexity.
Um auf besonders einfache Art und Weise den zeitlichen Verlauf eines Teilbetankungsschritts zu steuern, so dass anschließend der Ist-Druck in dem Speichertank wieder erfasst wird und die Verdichtungseinrichtung nachfolgend eine weitere Teilmenge mit erhöhtem Druck des Wasserstoffs bereitstellt, ist es vorgesehen, dass die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank jeweils nach einer bestimmten Zeitspanne unterbrochen wird. Diese Zeitspanne soll insbesondere sicherstellen, dass sich der Druck in dem Speichertank zumindest annähernd auf den von der Kompressionseinrichtung bereitgestellten Druck des Wasserstoffs für die Teilbetankungsmenge erhöht hat.In order to control in a particularly simple manner the time course of a partial refueling step, so that subsequently the actual pressure in the storage tank is detected again and the compression device subsequently provides a further subset with increased pressure of the hydrogen, it is provided that the connection between the compression device and the storage tank are each interrupted after a certain period of time. In particular, this period of time is intended to ensure that the pressure in the storage tank has increased at least approximately to the pressure of the hydrogen provided by the compression device for the partial refueling amount.
Die Erfindung umfasst auch ein System zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff, eine Kompressionseinrichtung zum Verdichten des Wasserstoffs, eine Verbindung zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in den Speichertank eines Fahrzeugs und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kompressionseinrichtung und der Strömung durch die Verbindung aufweist. The invention also includes a system for fueling a vehicle with hydrogen, the apparatus comprising means for providing hydrogen, compression means for compressing the hydrogen, a connection for introducing the compressed hydrogen into the storage tank of a vehicle and control means for controlling the compression means and having the flow through the connection.
Hinsichtlich der Einrichtung zur Bereitstellung des Wasserstoffs für die Verdichtungseinrichtung bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit, die die Nutzung einer ggf. vorhandenen Erdgasleitung als Transportmittel für den dem Erdgas beigefügten Wasserstoff ermöglicht, sieht vor, dass die Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff eine Protonenpumpe umfasst, die mit einer Erdgasleitung verbunden ist.There are different possibilities with regard to the device for providing the hydrogen for the compression device. A first possibility, which allows the use of a possibly existing natural gas line as a means of transport for the hydrogen added to the natural gas, provides that the device for providing hydrogen comprises a proton pump, which is connected to a natural gas line.
Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Elektrolyseur umfasst, der mit einer Wasserquelle verbunden ist. Bei der Wasserquelle kann es sich hierbei entweder um einen Speichertank handeln, oder aber um eine Wasserleitung.Alternatively, however, it can also be provided that the device for providing hydrogen comprises an electrolyzer which is connected to a water source. The water source can either be a storage tank or a water pipe.
Zum Öffnen bzw. Unterbrechen des Betankungsvorgangs während des Durchführens der einzelnen Teilbetankungsschritte weist die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank ein Sperrventil auf, das von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist.For opening or interrupting the refueling process during the execution of the individual partial refueling steps, the connection between the compression device and the storage tank has a check valve which can be activated by the control device.
Weiterhin umfasst das System vorzugsweise zusätzliche Mittel zur Erfassung des Drucks des Wasserstoffs und ggf. der Temperatur des Wasserstoffs in dem Speichertank des Fahrzeugs. Auch umfasst das System Kommunikationsmittel zwischen dem Fahrzeug bzw. dem Speichertank und der Steuereinrichtung zur Übermittlung des Drucks und ggf. der Temperatur. Aufgrund des Drucks bzw. der Temperatur des in dem Speichertank befindlichen Wasserstoffs kann die Steuereinrichtung somit insbesondere die Einrichtung zur Bereitstellung des Wasserstoffs und die Kompressionseinrichtung zur Durchführung der einzelnen Teilbetankungsschritte bedarfsgerecht ansteuern.Furthermore, the system preferably comprises additional means for detecting the pressure of the hydrogen and possibly the temperature of the hydrogen in the storage tank of the vehicle. The system also comprises communication means between the vehicle or the storage tank and the control device for transmitting the pressure and optionally the temperature. Due to the pressure or the temperature of the hydrogen present in the storage tank, the control device can thus control, in particular, the device for providing the hydrogen and the compression device for carrying out the individual partial refueling steps as required.
Um den Betankungsvorgang unabhängig von einer Tankstelle im häuslichen Umfeld durchführen zu können, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn zumindest die Kompressionseinrichtung zum Verdichten des Wasserstoffs und die Verbindung zum Einbringen des verdichteten Wasserstoffs in den Speichertank des Fahrzeugs in einer Garage angeordnet sind, die gleichzeitig der Aufnahme des zu betankenden Fahrzeugs dient. Dadurch ist es möglich, beispielsweise abends das Fahrzeug in die Garage zu stellen, die Verbindung zwischen der Kompressionseinrichtung und dem Speichertank herzustellen und bei abgeschlossener Garage den Betankungsvorgang über Nacht durchführen zu können.In order to carry out the refueling process independently of a gas station in a domestic environment, it is also advantageous if at least the compression device for compressing the hydrogen and the connection for introducing the compressed hydrogen are arranged in the storage tank of the vehicle in a garage, the same time the admission of the refueling vehicle serves. This makes it possible, for example, to put the vehicle into the garage in the evening, to establish the connection between the compression device and the storage tank and to be able to carry out the refueling operation overnight when the garage is closed.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.
Diese zeigt in:
-
1 bis3 jeweils in vereinfachten Darstellungen unterschiedliche Betankungssysteme zur Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff und -
4 bis6 jeweils Ablaufdiagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betankungsverfahrens.
-
1 to3 in simplified representations different refueling systems for refueling a vehicle with hydrogen and -
4 to6 each flowchart for explaining the refueling method according to the invention.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.
In der
Der von der Einrichtung
Im Bereich des Speichertanks
Alternativ kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Verbindungsleitung 17 eine entsprechende Schnittstelle aufweist, die eine im Bereich einer Einfüllöffnung für den Wasserstoff im Bereich des Fahrzeugs
In der
Bei dem in der
Mittels des soweit beschriebenen Systems
Mit Blick auf den Betankungsvorgang wird nachfolgend zunächst auf das Ablaufdiagramm der
Anschließend wird in einem Schritt
In dem anschließenden Schritt
Die Druckerhöhung erfolgt dabei erfindungsgemäß nicht in einem einzigen Schritt auf den Soll-Druck PSoll, der charakteristisch für einen vollen Speichertank
Ist hingegen der Druck P für den ersten Teilbetankungsschritt erreicht, so wird in einem Schritt
Anschließend wird erneut in dem Schritt
In der
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es auch denkbar, die Geschwindigkeit, mit der sich der Wasserstoff in dem Speichertank
Das soweit beschriebene System
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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