DE102019120242A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters (30), wobei der Druckbehälter (30) ein von einer Behälterwand umschlossenes Behältervolumen aufweist und wobei die Füllmasse unter Verwendung von an diesem Druckbehälter (30) gemessenen Dimensionsdaten des Druckbehälters (30) ermittelt wird. Dadurch können Fertigungstoleranzen mit berücksichtigt werden. Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ferner ein Kraftfahrzeug (10) mit einem solchen Druckbehälter (30) und einer elektronischen Steuerungseinheit (40).

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters. Der Druckbehälter weist ein von einer Behälterwand umschlossenes Behältervolumen auf.
  • Druckbehälter können beispielsweise zur Speicherung von gasförmigem Kraftstoff verwendet werden. Um einen Verbrauch oder Werte wie beispielsweise eine verbleibende Reichweite zu berechnen ist es häufig erforderlich, eine Füllmasse von in dem Behältervolumen befindlichem Kraftstoff zu kennen.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein zugehöriges Kraftfahrzeug bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
  • Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters, wobei der Druckbehälter ein von einer Behälterwand umschlossenes Behältervolumen aufweist. Die Füllmasse wird unter Verwendung von an diesem Druckbehälter gemessenen Dimensionsdaten des Druckbehälters ermittelt.
  • Durch dieses Verfahren können Dimensionsdaten verwendet werden, welche an einem konkreten Druckbehälter gemessen wurden. Es handelt sich also nicht um Dimensionsdaten, welche nur allgemein für eine bestimmte Serie oder für einen bestimmten Typ von Druckbehältern festgelegt oder an anderen Druckbehältern gemessen wurden. Die Dimensionsdaten charakterisieren somit den Druckbehälter einschließlich etwaiger Fertigungstoleranzen. Dies erlaubt es, die Füllmasse für einen bestimmten Druckbehälter ohne Berücksichtigung solcher Fertigungstoleranzen zu berechnen. Hat beispielsweise ein Druckbehälter aufgrund von Fertigungstoleranzen ein größeres Volumen als ein anderer, so wird dies bei dem hier offenbarten Verfahren berücksichtigt.
  • Druckbehälter werden typischerweise gefertigt und dann in Einheiten wie beispielsweise Kraftfahrzeuge verbaut, in welchen sie als Speicher für gasförmige, unter hohem Druck stehende und/oder verflüssigte Kraftstoffe dienen können, beispielsweise komprimiertes („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtes („Liquified Natural Gas“ = LNG) Erdgas oder Wasserstoff.
  • Das Verfahren kann auch die vorherige Messung der Dimensionsdaten an dem Druckbehälter beinhalten.
  • Es sei erwähnt, dass anstelle einer Füllmasse auch hierzu äquivalente Größen berechnet werden können. Beispielsweise kann eine Stoffmenge berechnet werden, welche sich über eine molare Masse in eine Füllmasse umrechnen lässt.
  • Die Dimensionsdaten können eine Anzahl von Fertigungstoleranzen und/oder eine Anzahl von Abweichungen von Dimensionen des Druckbehälters von Normwerten und/oder eine Anzahl von geometrischen Größen oder Dimensionen des Druckbehälters beinhalten. Derartige Daten haben sich für die Berechnung als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere können die Dimensionsdaten anzeigend dafür sein, wie sich die Dimensionen des Druckbehälters tatsächlich verhalten, wobei hier berücksichtigt wird, dass sich diese Dimensionen von Normwerten unterscheiden können, da Fertigungstoleranzen auftreten können.
  • Bevorzugt werden die Dimensionsdaten bei oder nach einer Herstellung des Druckbehälters gemessen und/oder vor Einbau des Druckbehälters in ein Kraftfahrzeug gemessen. Dies ermöglicht eine Messung der Dimensionsdaten zu einem Zeitpunkt, zu welchem der Druckbehälter noch nicht verbaut ist, was die Messung vereinfachen kann.
  • Die Dimensionsdaten können insbesondere durch einen Drucktest gemessen werden, bei welchem das Behältervolumen mit einem Druck beaufschlagt wird und eine dabei eintretende Volumenveränderung des Behältervolumens gemessen wird. Dadurch kann das Behältervolumen druckabhängig in vorteilhafter Weise ermittelt werden.
  • Die Dimensionsdaten können durch einen Drucktest gemessen werden, bei welchem das Behältervolumen mit einem Druck beaufschlagt wird und eine dafür verwendete Masse eines Fluids gemessen wird. Auch eine solche Masse eines Fluids, welches für den Drucktest benötigt wird, beispielsweise um einen bestimmten Druck in dem Druckbehälter aufzubauen, kann anzeigend für die Dimensionsdaten bzw. für die tatsächlichen Dimensionen des Druckbehälters sein.
  • Ein Drucktest kann beispielsweise bei 0,5 bar Überdruck durchgeführt werden, er kann aber beispielsweise auch bei 1.050 bar oder bei einem anderen Druck durchgeführt werden. Es kann beispielsweise eine Umrechnung auf einen Druck erfolgen, mit welchem der Druckbehälter typischerweise im Betrieb beaufschlagt wird, beispielsweise 700 bar, was einen typischen Betriebsdruck eines Druckbehälters darstellt, welcher für Wasserstoff verwendet wird.
  • Die Dimensionsdaten können durch Vermessen einer zur Herstellung des Druckbehälters verwendeten Komponente gemessen werden. Dabei kann beispielsweise eine geometrische Länge der Komponente oder eine andere Art von Ausdehnung oder sonstigem Parameter der Komponente gemessen werden. Dies kann insbesondere nach Produktionsschritten erfolgen, in welchen Fertigungstoleranzen auftreten, so dass derartige Fertigungstoleranzen bereits für einen konkreten Druckbehälter berücksichtigt werden. Die Komponente kann beispielsweise ein Verbund aus Liner und Verstärkung sein, insbesondere in einem Verfahrensstadium, in welchem der Verbund aus Liner und Verstärker abgeschnitten wurde und bevor er in die endgültige Form eines Druckbehälters gebracht wird. Die Komponente kann auch ein separater Liner sein, welcher beispielsweise in einem wie eben beschriebenen Verfahrensstadium vermessen werden kann.
  • Ein Liner kann insbesondere einen Hohlkörper ausbilden, in dem Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Es kann jedoch ebenso auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.
  • Die Dimensionsdaten können in einer das Verfahren ausführenden elektronischen Steuerungseinheit hinterlegt sein. Dadurch kann sichergestellt sein, dass die Steuerungseinheit jederzeit auf diese Dimensionsdaten zurückgreifen kann, wobei die Dimensionsdaten beispielsweise nach einer Fertigung des Druckbehälters in der Steuerungseinheit hinterlegt werden können. Die Dimensionsdaten können beispielsweise während einer Herstellung eines Kraftfahrzeugs abgespeichert werden, in welches der Druckbehälter verbaut wird. Sie können jedoch auch auf oder an dem Druckbehälter gespeichert sein, beispielsweise über ein zugeordnetes Speichermedium oder einen auf dem Druckbehälter angebrachten Code, beispielsweise einen QR-Code. Die Dimensionsdaten können auch in einer Cloud oder in einem anderen externen Speicher gespeichert sein und von der Steuerungseinheit abgerufen werden.
  • Die Füllmasse kann ferner unter Verwendung einer Abhängigkeit des Behältervolumens von aktuellem Druck, aktueller Temperatur und/oder weiteren Parametern berechnet werden. Derartige Parameter können ebenfalls bestimmen, welche Füllmasse in einem konkreten Druckbehälter vorhanden ist, wobei beispielsweise bei höherem Druck eine höhere Füllmasse vorhanden sein kann. Dies erlaubt eine noch genauere Bestimmung der Füllmasse. Anders ausgedrückt können Parameter wie Druck, Temperatur oder andere Parameter in die Berechnung eingehen.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist einen Druckbehälter mit einem von einer Behälterwand umschlossenen Behältervolumen auf. Es weist auch eine elektronische Steuerungseinheit auf, welche dazu konfiguriert ist, ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen. Dabei kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein hierin beschriebenes Verfahren ausführt. Dabei kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
  • Bei dem Kraftfahrzeug kann der Druckbehälter wesentlich genauer als im Stand der Technik überwacht werden, da dessen Fertigungstoleranzen konkret berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der Füllmasse und damit eine genauere Berechnung von Parametern wie beispielsweise Verbrauch oder Reichweite.
  • Es sei verstanden, dass anstelle eines Kraftfahrzeugs hier auch grundsätzlich jede andere Einheit verwendet werden kann, in welcher ein solcher Druckbehälter verbaut werden kann, beispielsweise ein Schiff, ein Flugzeug oder eine stationäre energieverbrauchende Einrichtung.
  • Druckbehälter können während der Fertigung auch getestet werden. Eine Prüfung kann beispielsweise vorsehen, den Druckbehälter einem hydraulischen Drucktest von 1.050 bar zu unterziehen. Hierbei kann der Druckbehälter beispielsweise mit Wasser bedrückt werden. Abhängig vom Enddruck und der Temperatur des Mediums ergibt sich ein bestimmtes Volumen, welches bei Wasser der Füllmenge in Liter entspricht. Diese Füllmenge kann mit geeigneten Durchflussmessern genau ermittelt werden und beispielsweise auf den Druck von 700 bar umgerechnet werden. Die Füllmenge kann beim Drucktest auch kontinuierlich gemessen werden. Damit lässt sich das Volumen bei den jeweiligen Drücken bestimmen, unter anderem auch bei beispielsweise 700 bar. Somit ist eine Umrechnung nicht zwingend notwendig. Ein entsprechender Wert kann bei einer Inbetriebnahme eines Druckbehälters in einem Fahrzeug in einer Steuerungseinrichtung hinterlegt werden und kann für eine Füllmassenberechnung verwendet werden. Die Füllmassenberechnung kann beispielsweise durch die Formel Volumen × Dichte erfolgen. Ein Kennfeld kann damit präzisiert und an einen spezifischen Druckbehälter angepasst werden. Es ist auch möglich, eine pneumatische Dichtheitsprüfung nach der Fertigung des Druckbehälters zu nutzen, um mit geeigneten Messmitteln das Volumen des Druckbehälters zu ermitteln. Es können auch mechanische Fertigungstoleranzen, beispielsweise Liner und/oder fertig gewickelte Behälter, verwendet werden, um das Volumen zu bestimmen. Dabei können beispielsweise optische Messverfahren zum Einsatz kommen. Somit kann auch eine genaue Volumenangabe erfolgen. Eine optische Inline-Überwachung des Liners oder des Druckbehälters während der Fertigung des Druckbehälters ist ebenfalls möglich. In der Regel ermöglicht es dies, die Qualität des Fertigungsprozesses zu überwachen und/oder Fertigungsfehler zu detektieren. Es kann jedoch auch über eine Zusatzfunktion ergänzt werden, dass die Außenabmessungen des mit geringem Innendruck, beispielsweise 0,5 bar, befüllten Liners gemessen werden. Über eine entsprechende, zuvor erstellte Datenbasis können Rückschlüsse auf das Volumen des Druckbehälters beispielsweise bei 700 bar oder bei einem anderen Druck gezogen werden.
  • Durch die hier offenbarte Technologie können beispielsweise genauere Füllmassenberechnungen und dadurch genauere Reichweitenberechnungen oder genauere Daten für die Betankung erreicht werden. Es kann eine hohe Prozesssicherheit für die Fertigung erreicht werden, da Maße direkt bei dem Test ermittelt werden. Es kann auch ein integrierter Test durchgeführt werden, so dass beispielsweise ein Drucktest gleichzeitig dem Test für die Fertigungstoleranzen dient. Außerdem kann sichergestellt werden, dass die Maßhaltigkeit für den Verbau in einem Fahrzeug gegeben ist, beispielsweise hinsichtlich Konstruktionsvorgaben wie Mindestabstände zu anderen Karosserieteilen, Funktion, Kosten, Lebensdauer, Gewicht oder Verschleiß.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figur erläutert. Es zeigt:
    • 1: ein Kraftfahrzeug mit Druckbehälter.
  • 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Kraftfahrzeug 10 weist vier Räder 20, 21, 22, 23 auf, um sich in üblicher Weise auf einem Untergrund fortzubewegen.
  • Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Druckbehälter 30 auf. An diesem ist ein Drucksensor 35 angebracht. Der Druckbehälter 30 dient im vorliegenden Fall dazu, Wasserstoff unter hohem Druck zu lagern. Dieser dient dem Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 über einen nicht dargestellten Motor.
  • Das Kraftfahrzeug 10 weist eine schematisch dargestellte elektronische Steuerungseinheit 40 auf, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren wie hierin beschrieben gemäß einem Ausführungsbeispiel auszuführen.
  • Die elektronische Steuerungseinheit 40 ist wie gezeigt mit dem Drucksensor 35 verbunden. Dadurch kann der aktuelle Druck in dem Druckbehälter 30 gemessen werden. Die elektronische Steuerungseinheit 40 ist grundsätzlich dazu konfiguriert, basierend auf diesem Druck die tatsächliche Füllmasse des Druckbehälters 30 zu berechnen. Hierfür wird jedoch nicht nur der Druck verwendet, sondern es werden zusätzlich auch Dimensionsdaten des Druckbehälters 30 verwendet, welche in der Steuerungseinheit 40 abgespeichert sind. Die Dimensionsdaten können beispielsweise während einer Herstellung des Kraftfahrzeugs 10 abgespeichert werden. Sie können jedoch auch auf oder an dem Druckbehälter 30 gespeichert sein, beispielsweise über ein zugeordnetes Speichermedium oder einen auf dem Druckbehälter 30 angebrachten Code, beispielsweise einen QR-Code. Die Dimensionsdaten können auch in einer Cloud oder in einem anderen externen Speicher gespeichert sein und von der Steuerungseinheit 40 abgerufen werden.
  • Bei den Dimensionsdaten handelt es sich um Daten, welche unmittelbar nach der Herstellung des Druckbehälters 30 gemessen wurden, d.h. noch vor Einbau in das Kraftfahrzeug 10. Diese Dimensionsdaten geben die exakten Dimensionen des Druckbehälters 30 an, soweit sie zur Füllmassenberechnung erforderlich sind. Sie berücksichtigen somit auch Fertigungstoleranzen und somit Abweichungen des Druckbehälters 30 von einer vorgegebenen Norm. Dies erlaubt eine wesentlich genauere Berechnung der Füllmasse des Druckbehälters 30.
  • Es sei verstanden, dass auch weitere Daten verwendet werden können, beispielsweise über eine aktuelle Temperatur, welche Einfluss auf die Beziehung zwischen Druck und Füllmasse haben kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer Füllmasse eines Druckbehälters (30), wobei der Druckbehälter (30) ein von einer Behälterwand umschlossenes Behältervolumen aufweist, wobei die Füllmasse unter Verwendung von an diesem Druckbehälter (30) gemessenen Dimensionsdaten des Druckbehälters (30) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dimensionsdaten eine Anzahl von Fertigungstoleranzen und/oder eine Anzahl von Abweichungen von Dimensionen des Druckbehälters (30) von Normwerten und/oder eine Anzahl von geometrischen Größen oder Dimensionen des Druckbehälters (30) beinhalten.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dimensionsdaten bei oder nach einer Herstellung des Druckbehälters (30) gemessen wurden und/oder vor Einbau des Druckbehälters (30) in ein Kraftfahrzeug (10) gemessen wurden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dimensionsdaten durch einen Drucktest gemessen wurden, bei welchem das Behältervolumen mit einem Druck beaufschlagt wird und eine dabei eintretende Volumenveränderung des Behältervolumens gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dimensionsdaten durch einen Drucktest gemessen wurden, bei welchem das Behältervolumen mit einem Druck beaufschlagt wird und eine dafür verwendete Masse eines Fluids gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dimensionsdaten durch Vermessen einer zur Herstellung des Druckbehälters (30) verwendeten Komponente gemessen wurden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Komponente ein Verbund aus Liner und Verstärkung ist, oder wobei die Komponente ein separater Liner ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dimensionsdaten in einer das Verfahren ausführenden elektronischen Steuerungseinheit (40) hinterlegt sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Füllmasse ferner unter Verwendung einer Abhängigkeit des Behältervolumens von aktuellem Druck, aktueller Temperatur und/oder weiteren Parametern berechnet wird.
  10. Kraftfahrzeug (10), aufweisend - einen Druckbehälter (30) mit einem von einer Behälterwand umschlossenen Behältervolumen, und - eine elektronische Steuerungseinheit (40), welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014131547A1 (de) * 2013-02-26 2014-09-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der füllmasse eines kryogen gespeicherten gases in einem behälter
DE102014219716A1 (de) * 2014-09-29 2016-03-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Ermitteln der Füllmasse eines Kraftstoff-Behälters mit einem unter hohem Druck und/oder unter niedriger Temperatur gespeicherten Fluid

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