DE102020200682A1 - Method for operating an electromagnetically controllable tank valve, computer program and control device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch ansteuerbaren Tankventils für einen Wasserstofftank in einem Fahrzeug, bei dem zum Öffnen des Tankventils eine elektrische Spannung an einen Elektromagneten des Tankventils angelegt wird. Erfindungsgemäß wird während einer anfänglichen Boostphase (A) eine Boostspannung (U1) angelegt und auf die anfängliche Boostphase (A) folgt mindestens eine weitere Phase (B, C), in dera) das Spannungsniveau reduziert wird und/oderb) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird und/oderc) eine elektrische Spannung abwechselnd zu- und abgeschaltet wird.Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an electromagnetically controllable tank valve for a hydrogen tank in a vehicle, in which an electrical voltage is applied to an electromagnet of the tank valve to open the tank valve. According to the invention, a boost voltage (U1) is applied during an initial boost phase (A) and the initial boost phase (A) is followed by at least one further phase (B, C) in which a) the voltage level is reduced and / or b) between two voltage levels is switched on and / or c) an electrical voltage is alternately switched on and off. The invention also relates to a computer program and a control device for carrying out the method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch ansteuerbaren Tankventils für einen Wasserstofftank in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an electromagnetically controllable tank valve for a hydrogen tank in a vehicle according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a computer program and a control device for executing the method.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. An Bord eines Fahrzeugs wird der für den Betrieb der Brennstoffzellen benötigte Wasserstoff gasförmig und unter Druck in einem oder mehreren Tanks mitgeführt. Zum Befüllen des Tanks und/oder zur Entnahme von Wasserstoff muss ein Ventil geöffnet werden, das gegen Druck öffnet. Somit muss das Ventil aktiv offen gehalten werden.Hydrogen-based fuel cells are considered to be the mobility concept of the future, as they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. On board a vehicle, the hydrogen required to operate the fuel cells is carried in gaseous form and under pressure in one or more tanks. To fill the tank and / or to withdraw hydrogen, a valve must be opened that opens against pressure. Thus, the valve must be kept actively open.
Aus dem Stand der Technik sind Tankventile für Wasserstofftanks bekannt, die mit Hilfe eines Magnetkreises geöffnet werden. Die Magnetkraft des Magnetkreises ist derart ausgelegt, dass das Tankventil gegen eine große Druckdifferenz geöffnet werden kann. Da das anschließende Offenhalten bei ausgeglichenem Druck deutlich weniger Kraft erfordert, ist der Magnetkreis in der Regel überdimensioniert und energetisch nicht optimal ausgelegt.From the prior art, tank valves for hydrogen tanks are known, which are opened with the aid of a magnetic circuit. The magnetic force of the magnetic circuit is designed in such a way that the tank valve can be opened against a large pressure difference. Since the subsequent holding open with balanced pressure requires significantly less force, the magnetic circuit is usually oversized and energetically not optimally designed.
Darüber hinaus kann der Fall eintreten, dass der Druck im Tank derart hoch ansteigt, dass das Tankventil mit Hilfe des Magnetkreises nicht mehr geöffnet werden kann, beispielsweise bei einem Unfall mit Brandentstehung. In der Regel wird dann der Tank über eine Sicherheitseinrichtung, die in der Tanköffnung angeordnet ist und auf Hitze reagiert, entleert. Liegt der Brandherd jedoch von der Tanköffnung weiter entfernt, reagiert die Sicherheitseinrichtung nicht und der Tankdruck steigt. Ein Öffnen des Tankventils gegen den ansteigenden Druck ist dann nicht mehr möglich.In addition, it can happen that the pressure in the tank rises so high that the tank valve can no longer be opened with the aid of the magnetic circuit, for example in the event of an accident with a fire. As a rule, the tank is then emptied via a safety device which is arranged in the tank opening and reacts to heat. However, if the source of the fire is further away from the tank opening, the safety device will not react and the tank pressure will rise. It is then no longer possible to open the tank valve against the rising pressure.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines elektromagnetisch ansteuerbaren Tankventils für einen Wasserstofftank energieeffizienter und damit kostengünstiger zu gestalten. Ferner soll eine Notöffnungsfunktion realisierbar sein.The present invention is based on the object of making the operation of an electromagnetically controllable tank valve for a hydrogen tank more energy-efficient and thus more cost-effective. Furthermore, it should be possible to implement an emergency opening function.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Computerprogramm und ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben.To achieve the object, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. In addition, a computer program and a control device for executing the method are specified.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetisch ansteuerbaren Tankventils für einen Wasserstofftank in einem Fahrzeug, bei dem zum Öffnen des Tankventils eine elektrische Spannung an einen Elektromagneten des Tankventils angelegt wird. Erfindungsgemäß wird während einer anfänglichen Boostphase eine Boostspannung angelegt und auf die anfängliche Boostphase folgt mindestens eine weitere Phase, in der
- a) das Spannungsniveau reduziert wird und/oder
- b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird und/oder
- c) eine elektrische Spannung abwechselnd zu- und abgeschaltet wird.
- a) the voltage level is reduced and / or
- b) is switched back and forth between two voltage levels and / or
- c) an electrical voltage is alternately switched on and off.
Das heißt, dass während des Öffnens und Offenhaltens des Tankventils die an den Elektromagneten angelegte Spannung variiert wird. Auf diese Weise kann die Magnetkraft an den jeweiligen Bedarf angepasst werden, so dass die Verlustleistung sinkt und Kosten eingespart werden. Die während der Boostphase angelegte Boostspannung gewährleistet das Öffnen des Tankventils gegen Tankdruck, während in einer darauffolgenden Phase, bei bereits geöffnetem Tankventil und ausgeglichenem Druck, die elektrische Spannung reduziert, variiert und/oder mehrfach unterbrochen wird. Durch Variation der Höhe und/oder der Dauer der Spanungsversorgung wird somit eine energetische Optimierung erreicht, die Kosten einspart.This means that while the tank valve is being opened and held open, the voltage applied to the electromagnet is varied. In this way, the magnetic force can be adapted to the respective requirement, so that the power loss is reduced and costs are saved. The boost voltage applied during the boost phase ensures that the tank valve opens against tank pressure, while in a subsequent phase, when the tank valve is already open and the pressure is balanced, the electrical voltage is reduced, varied and / or interrupted several times. By varying the level and / or the duration of the voltage supply, an energetic optimization is achieved that saves costs.
Die hohe Boostspannung in der Boostphase kann ferner zur Realisierung einer Notöffnungsfunktion genutzt werden, indem die Boostspannung über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird bzw. die Boostphase verlängert wird. Somit kann das Tankventil auch bei ansteigendem Druck im Tank noch geöffnet werden.The high boost voltage in the boost phase can also be used to implement an emergency opening function in that the boost voltage is maintained over a longer period of time or the boost phase is extended. This means that the tank valve can still be opened even when the pressure in the tank rises.
Im Normalbetrieb des Tankventils folgt vorzugsweise auf die Boostphase eine Anzugsphase, in der gemäß Schritt a) eine gegenüber der Boostspannung reduzierte Anzugspannung angelegt wird. Auf die Anzugsphase kann anschließend eine weitere Phase folgen, so dass die Anzugsphase zwischen Boostphase und weiterer Phase vermittelt. Die Boostspannung zum Öffnen des Tankventils kann beispielsweise 65V betragen. Da das Tankventil in deutlich weniger als einer Sekunde geöffnet ist, kann die Boostphase auf wenige Millisekunden, beispielsweise auf 10 ms, beschränkt werden. Die hieran anschließende Anzugsphase kann länger andauern, beispielsweise 30 ms. Die Anzugsspannung kann beispielsweise 12 V betragen.In normal operation of the tank valve, the boost phase is preferably followed by a pull-in phase in which, according to step a), a pull-in voltage that is reduced compared to the boost voltage is applied. The tightening phase can then be followed by a further phase, so that the tightening phase mediates between the boost phase and the next phase. The boost voltage for opening the tank valve can be 65V, for example. Since the tank valve is opened in significantly less than a second, the boost phase can be limited to a few milliseconds, for example to 10 ms. The subsequent tightening phase can last longer, for example 30 ms. The starting voltage can be 12 V, for example.
Um das Tankventil über die Boost- und Anzugsphase hinaus offen zu halten, kann vorgesehen sein, dass auf die Anzugsphase eine Offenhaltephase folgt, in der gemäß Schritt b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird oder gemäß Schritt c) eine elektrische Spannung abwechselnd zu- und abgeschaltet wird.In order to keep the tank valve open beyond the boost and pull-in phase, provision can be made for the pull-in phase to be followed by a hold-open phase in which, according to step b), switching back and forth between two voltage levels or, according to step c), an electrical voltage is alternately applied - and is switched off.
Zum Offenhalten des Tankventils in der Offenhaltephase kann das Spannungsniveau der Anzugsspannung beibehalten, aber mehrfach abgeschaltet bzw. die Spannungsversorgung unterbrochen werden. Die elektrische Spannung beträgt in diesem Fall 12 V und 0 V im Wechsel. Auf diese Weise kann eine weitere energetische Optimierung erreicht werden. Das Einsparpotential in dieser Phase ist besonders groß, da die Offenhaltephase die längste Phase ist bzw. über einen deutlich längeren Zeitraum andauert als die Boost- und die Anzugsphase. Dies macht sich auch dann bemerkbar, wenn in der Offenhaltephase gemäß Schritt b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird, wobei vorzugsweise beide Spannungsniveaus deutlich unter dem Niveau der Boostspannung liegen.To keep the tank valve open in the hold-open phase, the voltage level of the pick-up voltage can be maintained, but switched off several times or the voltage supply interrupted. The electrical voltage in this case is 12 V and 0 V alternately. In this way, a further energetic optimization can be achieved. The savings potential in this phase is particularly great, as the hold-open phase is the longest phase or lasts for a significantly longer period than the boost and tightening phases. This is also noticeable when switching back and forth between two voltage levels in the hold-open phase according to step b), both voltage levels preferably being significantly below the level of the boost voltage.
Im Notfallbetrieb, insbesondere zum Notöffnen des Tankventils, folgt vorzugsweise auf die Boostphase eine Offenhaltephase, in der gemäß Schritt b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird oder gemäß Schritt c) eine elektrische Spannung abwechselnd zu- und abgeschaltet wird. Die Boostphase dauert in diesem Fall jedoch deutlich länger als 10 ms an, die es normalerweise zum Öffnen des Tankventils braucht. Das heißt, dass die Boostphase verlängert wird, um mit Hilfe der hohen Boostspannung das Tankventil notfalls gegen einen Druckanstieg im Wasserstofftank zu öffnen.In emergency operation, in particular for emergency opening of the tank valve, the boost phase is preferably followed by a hold-open phase in which, according to step b), there is a switch between two voltage levels or according to step c) an electrical voltage is alternately switched on and off. In this case, however, the boost phase lasts significantly longer than 10 ms, which is normally required to open the tank valve. This means that the boost phase is extended in order to use the high boost voltage to open the tank valve against a pressure increase in the hydrogen tank if necessary.
In der Offenhaltephase, die im Notfallbetrieb auf die Boostphase folgt, entspricht vorzugsweise die elektrische Spannung der Boostspannung. Das heißt, dass die Boostspannung das höhere Spannungsniveau darstellt, wenn gemäß Schritt b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird, oder die Boostspannung gemäß Schritt c) zu- und abgeschaltet wird. Die Boostspannung wird demnach in gewisser Weise beibehalten. Die energetische Optimierung wird in diesem Fall weniger über die Stromhöhe als über die Dauer bzw. die mehrfachen Unterbrechungen erreicht.In the hold-open phase, which follows the boost phase in emergency operation, the electrical voltage preferably corresponds to the boost voltage. This means that the boost voltage represents the higher voltage level when switching back and forth between two voltage levels in accordance with step b) or the boost voltage is switched on and off in accordance with step c). The boost voltage is therefore retained in a certain way. In this case, the energetic optimization is achieved less via the current level than via the duration or the multiple interruptions.
Analog gilt, dass vorzugsweise in der Offenhaltephase, die im Normalbetrieb auf die Anzugsphase folgt, die elektrische Spannung der Anzugspannung entspricht. Das heißt, dass die Anzugsspannung das höhere Spannungsniveau darstellt, wenn gemäß Schritt b) zwischen zwei Spannungsniveaus hin und her geschaltet wird, oder die Anzugsspannung gemäß Schritt c) zu- und abgeschaltet wird.Analogously, it is true that in the hold-open phase, which follows the pull-in phase in normal operation, the electrical voltage corresponds to the pull-in voltage. This means that the pull-in voltage represents the higher voltage level when switching back and forth between two voltage levels in accordance with step b) or the pull-in voltage is switched on and off in accordance with step c).
Da mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens das Tankventil selbst bei hohem Gegendruck geöffnet werden kann, wird das Verfahren bevorzugt in einem Notfall, beispielsweise bei Brandgefahr, durchgeführt. Über das geöffnete Tankventil kann dann im Notfall der Wasserstofftank entleert werden. Ein Notfall ist insbesondere gegeben, wenn ein Brand entstanden ist und sonstige Sicherungsmittel zur Tankentleerung versagen.Since, with the aid of the method according to the invention, the tank valve can be opened even in the event of high counterpressure, the method is preferably carried out in an emergency, for example when there is a risk of fire. In an emergency, the hydrogen tank can then be emptied via the open tank valve. An emergency is particularly given if a fire has broken out and other means of securing the tank fail.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren nach Maßgabe eines Programmcodes eines auf einem Steuergerät ablaufenden Computerprogramms ausgeführt. Der Programmcode ist hierzu im Steuergerät hinterlegt oder auf einem separaten Speichermedium gespeichert sein.The method is advantageously carried out in accordance with a program code of a computer program running on a control device. For this purpose, the program code is stored in the control unit or stored on a separate storage medium.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ferner ein Computerprogramm mit einem Programmcode vorgeschlagen, der in einem Steuergerät hinterlegt oder auf einem separaten Speichermedium gespeichert ist sowie ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.To carry out the method according to the invention, a computer program with a program code that is stored in a control unit or is stored on a separate storage medium and a control unit that is set up to carry out the method according to the invention are therefore also proposed.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 ein erstes Bestromungsprofil gemäß der Erfindung und -
2 ein zweites Bestromungsprofil gemäß der Erfindung.
-
1 a first current flow profile according to the invention and -
2 a second current flow profile according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Mit Hilfe der in den
Die Höhe und Dauer der Spannungsversorgung hängt von weiteren Betriebsparametern, wie beispielsweise Gegendruck, Temperatur und dergleichen ab und sind daher entsprechend anzupassen. Die vorliegend genannten Werte sind daher nur beispielhaft gewählt und können variieren.The level and duration of the voltage supply depends on other operating parameters, such as counter pressure, temperature and the like, and must therefore be adapted accordingly. The values mentioned here are therefore only selected as examples and can vary.
Ferner kann im Notfallbetrieb während der Offenhaltephase C auch zwischen der Boostspannung U1 und 0 V oder zwischen einem mittleren Spannungsniveau und 0 V hin und her geschaltet bzw. die Spannung abwechselnd zu- und abgeschaltet werden.Furthermore, in emergency mode during the hold-open phase C, it is also possible to switch back and forth between the boost voltage U 1 and 0 V or between an average voltage level and 0 V or the voltage can be switched on and off alternately.
Claims (9)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F17C0005000000 Ipc: H01F0007180000 |