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Die Erfindung betrifft zwei alternative Verfahren zur Detektion einer Beschädigung an einem Drucktank für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine Drucktankanordnung für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug.
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Drucktanks der hier betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von Brennstoff, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff (H2) für einen Brennstoffzellenantrieb oder zur Speicherung von Erdgas (CNG, LNG) für einen Erdgasantrieb, verwendet, wobei Innendrücke von bis zu 700 bar und mehr vorgesehen sind. Solche Drucktanks sind häufig aus einer Innenhülle (Liner) und einer Ummantelung, insbesondere Umwicklung, aus faserverstärktem Kunststoff gebildet.
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Derartige Drucktanks können z. B. durch äußere Krafteinwirkung, insbesondere infolge einer Kollision, beschädigt werden, wobei solche Beschädigungen häufig unbemerkt bleiben und dadurch die Sicherheit beeinträchtigt wird. Die
DE 10 2006 033 905 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beurteilung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff mittels Schallemissionsprüfung, welches nicht nur für die Produktabnahmeprüfung bzw. Prüfung vor Inbetriebnahme geeignet ist, sondern ebenso bei der Inspektionsprüfung oder dem Health-/Safety-Monitoring auf versagenskritische Schädigungszustände hinweist.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 und des ersten nebengeordneten Patentanspruchs stehen nun zwei weitere, besonders zuverlässige Verfahren zur Verfügung, um eine Beschädigung an einem Drucktank zu detektieren bzw. erkennen zu können, insbesondere als Folge einer Kollision. Mit dem zweiten nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Drucktankanordnung. Weiterbildungen und zusätzliche Merkmale der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
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Das erste erfindungsgemäße Verfahren des Patentanspruchs 1 sieht vor, dass das Schwingungsverhalten des (am Kraftfahrzeug verbauten) Drucktanks erfasst und analysiert bzw. ausgewertet wird, um Abweichungen bzw. Veränderungen im Schwingungsverhalten zu erkennen, welche auf eine Beschädigung des Drucktanks hinweisen.
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Die Erfindung basiert auf der Feststellung, dass das Schwingungsverhalten bzw. die Schwingungscharakteristik eines Drucktanks, insbesondere das Eigenschwingungs- und Dämpfungsverhalten, durch eine Beschädigung, auch durch eine unsichtbare Beschädigung, verändert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein dynamisches bzw. nicht-statisches Verfahren.
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Liegt eine Beschädigung des Drucktanks vor oder ist eine Beschädigung des Drucktanks nicht auszuschließen, so kann eine Warnmeldung ausgegeben werden (bspw. über eine entsprechende Anzeigeeinrichtung, wie z. B. ein Display im Fahrzeugcockpit), sodass der betreffende Drucktank, insbesondere in einer Werkstatt, inspiziert und/oder ausgetauscht werden kann. Als weitere optionale Maßnahmen können die Betankung des Drucktanks und/oder der Fahrzeugstart bzw. der Fahrzeugweiterbetrieb verhindert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind nicht nur Beschädigungen, sondern auch alterungsbedingte Veränderungen, die einen Austausch des Drucktanks nahelegen, ermittelbar. Die Erfindung eignet sich auch für eine Nachrüstung.
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Eine Schwingungsanregung des Drucktanks kann passiv erfolgen. Hierbei können ähnliche Anregungen vorgesehen sein, die bei unterschiedlichen Randbedingungen erfolgen können, bspw. dadurch, dass das Kraftfahrzeug mit einer bestimmten Geschwindigkeit über einen Untergrund mit einer bestimmten Beschaffenheit fährt (was durch eine Mustererkennung des Schwingungsmusters erfasst werden kann). Eine passive Anregung kann auch über den elektrischen Antriebsmotor oder einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Drucktank aktiv zum Schwingen angeregt wird, wobei insbesondere eine höherfrequente aktive Schwingungsanregung im Bereich von 100 Hz bis zu mehreren Kilohertz (bspw. bis zu 5 kHz) vorgesehen ist. Eine aktive Schwingungsanregung kann mithilfe wenigstens eines Magnet- oder Piezoaktors (Shaker), der am Drucktank und/oder an der Drucktankhalterung angeordnet ist, erfolgen. Eine aktive Schwingungsanregung kann auch über ein gesteuertes Schalten (Öffnen und Schließen) eines Drucktanksventils erfolgen. Eine aktive Schwingungsanregung kann aber auch beim Betanken des Drucktanks erfolgen, wobei der Befüllvorgang als solcher eine aktive Schwingungsanregung bewirkt.
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Die Schwingungen des Drucktanks bzw. die Drucktankschwingungen werden bevorzugt direkt am Drucktank erfasst bzw. gemessen, insbesondere mithilfe wenigstens eines am Drucktank angeordneten Sensors. Die Schwingungsmessung kann auch indirekt an der Drucktankhalterung erfolgen. Bevorzugt sind mehrere Sensoren zur Schwingungsmessung vorgesehen. Bei einem solchen Sensor handelt es sich bevorzugt um einen Beschleunigungssensor, insbesondere um einen piezoelektrischen oder induktiven Beschleunigungssensor, der außen am Drucktank befestigt oder auch in der Tankwandung implementiert sein kann. Zur Schwingungsmessung können aber auch am Drucktank angebrachte, insbesondere in die Tankwandung integrierte, Dehnungsmessstreifen verwendet werden, welche vorzugsweise eine höherfrequente Abtastung ermöglichen. Bevorzugt erfolgt die Schwingungsmessung mit einer Abtastrate, die wenigstens doppelt so hoch gewählt ist, wie die höchste zu messende Schwingungsfrequenz (Nyquist-Shannon-Abtasttheorem).
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Eine einfache Auswertung gelingt folgendermaßen: Durch eine Fourier-Transformation, insbesondere durch eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), wird der Frequenzverlauf (bzw. das Frequenzspektrum) der Drucktankschwingungen, insbesondere der gemessenen Drucktankschwingungen, ermittelt und daraus werden Eigenfrequenzen (Eigenmoden) bestimmt. Diese Eigenfrequenzen werden dann mit hinterlegten Eigenfrequenzen, die bspw. aus einer vorausgehenden Messung oder einer im Vorfeld durchgeführten experimentellen Modalanalyse stammen, verglichen. Ergeben sich beim Vergleich Abweichungen bzw. Veränderungen bei den Eigenfrequenzen (z. B. bezüglich Frequenz bzw. Frequenzbereich, Schwingungsamplitude und/oder Dämpfung), so kann eine Beschädigung des Drucktanks angenommen werden bzw. auf eine Beschädigung des Drucktanks geschlossen werden. Diese Auswertung basiert auf der Erkenntnis, dass sich bei einer Beschädigung des Drucktanks insbesondere die Eigenfrequenzen verändern.
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Eine besonders zuverlässige Auswertung gelingt folgendermaßen: Durch eine Fourier-Transformation, insbesondere durch eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), wird der Frequenzverlauf einer aktiven Schwingungsanregung ermittelt (hierfür kann bspw. das Zeitsignal zur Ansteuerung des Magnet- oder Piezoaktors bzw. des Drucktanksventils verwendet werden; s. o.) und durch eine Fourier-Transformation, insbesondere durch eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), wird der Frequenzverlauf der Drucktankschwingungen, insbesondere der gemessenen Drucktankschwingungen, ermittelt. Aus diesen beiden Frequenzverläufen wird eine Übertragungsfunktion gebildet, die quasi ein Verhältnis zwischen Eingangssignal (Anregung) und Ausgangssignal (Schwingung) abbildet. Aus der Übertragungsfunktion werden dann Eigenfrequenzen (Eigenmoden) des Drucktanks bestimmt.
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(Die Übertragungsfunktion weist in der Regel mehrere Peaks bzw. Maxima auf, bei denen der Drucktank bei einer vergleichsweise schwachen Anregung mit einer starken Amplitude schwingt. Bei diesen Maxima handelt es sich um die Eigenfrequenzen, die ausgelesen werden können.) Diese Eigenfrequenzen werden dann mit hinterlegten Eigenfrequenzen, die bspw. aus einer vorausgehenden Messung oder einer im Vorfeld durchgeführten experimentellen Modalanalyse stammen, verglichen. Ergeben sich bei diesem Vergleich Abweichungen bzw. Veränderungen (bei einer Beschädigung des Drucktanks kann sich die Lage der Peaks, d. h. die Frequenz oder der Frequenzbereich, und/oder die Form der Peaks, insbesondere der für die Dämpfung relevante Anstieg der Peaks, verändern), so kann eine Beschädigung des Drucktanks angenommen werden bzw. auf eine Beschädigung des Drucktanks geschlossen werden.
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Bevorzugt werden bei der Auswertung nur ausgewählte Eigenfrequenzen verglichen, für die bei einer Beschädigung des Drucktanks deutliche Veränderungen (d. h. große Shifts) zu erwarten sind. Diese Eigenfrequenzen sind im Vorfeld durch (experimentelle) Modalanalysen, die mit unterschiedlichen Schädigungen durchgeführt werden, ermittelbar. Dadurch kann der Rechenaufwand gering gehalten werden.
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Bei der Auswertung können auch die Temperatur, der Tankinnendruck und/oder der Tankfüllstand berücksichtigt werden, da diese Parameter die Charakteristik der Eigenschwingungen, insbesondere die Frequenz, Amplitude und/oder Dämpfung, beeinflussen können (so kann die Temperatur erheblichen Einfluss auf die Frequenzen bzw. Frequenzbereiche der Eigenfrequenzen haben und der Tankinnendruck kann erheblichen Einfluss auf die Amplituden der Eigenfrequenzen haben, was bei genauer Kenntnis, aber auch schon bei allgemeiner Kenntnis wie bspw. der „Richtung“ einer Veränderung, entsprechend berücksichtigt werden kann). In ähnlicher Weise kann auch eine Materialalterung berücksichtigt werden. Um Einflüsse zumindest des Tankinnendrucks und/oder des Tankfüllstands auszuschließen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an einem leeren bzw. vollständig entleerten Drucktank durchgeführt werden.
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Die Auswertung kann automatisiert mittels geeignetem Algorithmus erfolgen. Bevorzugt ist ein Steuergerät oder dergleichen vorgesehen, das mit einem entsprechenden, insbesondere softwarebasierten, Algorithmus ausgestattet ist, d. h., die Auswertung (Onboard-Auswertung) erfolgt bevorzugt in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs (Onboard-Steuergerät). Das Steuergerät kann auch für die aktive Schwingungsanregung (s. o.) verwendet und entsprechend ausgebildet sein. Bevorzugt weist das Steuergerät auch einen Datenspeicher auf, in dem Messwerte, Auswertungsergebnisse, Vergleichsdaten und dergleichen gespeichert werden können. Das Steuergerät kann über entsprechende Schnittstellen mit den Sensoren, den Aktoren, der Anzeigeeinrichtung und dergleichen verbunden sein.
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Die eigentliche Auswertung kann auch in einer Cloud, insbesondere auf einem zentralen Server (bspw. des Drucktankherstellers), erfolgen. Das Steuergerät ist hierzu über eine Mobilfunkverbindung mit der Cloud bzw. dem betreffenden Server verbunden. Bei der Auswertung, insbesondere für den Vergleich der Eigenfrequenzen, kann dann auch auf Daten bzw. Messwerte anderer Kraftfahrzeuge mit gleichen Drucktanks zugegriffen werden, wodurch eine sehr zuverlässige Auswertung gelingt (so können bspw. stets neueste Schwingungsmuster berücksichtigt bzw. verglichen werden).
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Wie vorausgehend dargelegt, kann die Detektion einer Beschädigung an einem Drucktank dadurch gelingen, dass dessen Schwingungsverhalten erfasst und ausgewertet wird. Dabei wird der betreffende Drucktank direkt betrachtet. Die Detektion einer Beschädigung an einem Drucktank kann aber auch, quasi indirekt, dadurch gelingen, dass das Schwingungsverhalten eines Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils für den betreffenden Drucktank erfasst und ausgewertet wird. Dies basiert analog zu den vorausgehenden Erläuterungen darauf, dass sich das Schwingungsverhalten bzw. die Schwingungscharakteristik eines solchen Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils, insbesondere das Eigenschwingungs- und Dämpfungsverhalten, durch eine Beschädigung, insbesondere als Folge einer Kollision, verändert und dass dies dann ein Hinweis darauf ist, dass auch der verkleidete bzw. abgedeckte Drucktank beschädigt ist oder dass eine Beschädigung des Drucktanks nicht ausgeschlossen werden kann. D. h., bei einer Beschädigung des Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils kann auch der Drucktank beschädigt worden sein.
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Das zweite erfindungsgemäße Verfahren des nebengeordneten Patentanspruchs sieht vor, dass das Schwingungsverhalten eines Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils des Drucktanks erfasst und ausgewertet wird, um Veränderungen im Schwingungsverhalten (des Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils) zu erkennen, welche auf eine Beschädigung des Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteils und folglich auch auf eine Beschädigung des verkleideten bzw. abgedeckten Drucktanks hinweisen. Dieses Verfahren kann auch in Kombination mit dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden, wodurch eine besonders zuverlässige (nämlich direkte und indirekte) Detektion einer etwaigen Beschädigung des Drucktanks gelingt.
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Weiterbildungen des zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zum ersten erfindungsgemäßen Verfahren (wie vorausgehend erläutert), wobei die betreffenden Weiterbildungen im Wesentlichen identisch auf das Verkleidungs- bzw. Abdeckungsbauteil angewendet werden, d. h., das Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteil kann passiv oder aktiv zum Schwingen angeregt werden, die Schwingungen (d. h. die Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteilschwingungen) können direkt am Verkleidungs- oder Abdeckungsbauteil gemessen werden, die Auswertung kann mittels Fourier-Transformation und Bestimmung der Eigenfrequenzen erfolgen etc.
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Die erfindungsgemäße Drucktankanordnung für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug umfasst zumindest folgende Komponenten bzw. Einrichtungen:
- - wenigstens einen Drucktank sowie gegebenenfalls auch eine Drucktankhalterung;
- - gegebenenfalls wenigstens ein Abdeckungs- oder Verkleidungsbauteil für den Drucktank;
- - gegebenenfalls wenigstens einen Aktor bzw. Aktuator, mit dem der Drucktank oder das Abdeckungs- bzw. Verkleidungsbauteil aktiv zum Schwingen anregbar ist;
- - wenigstens einen Sensor, mit dem Schwingungen des Drucktanks erfassbar bzw. messbar sind, und/oder wenigstens einen Sensor, mit dem Schwingungen eines Abdeckungs- oder Verkleidungsbauteils für den Drucktank messbar sind; und
- - ein Steuergerät (Onboard-Steuergerät), welches dafür vorgesehen bzw. dazu ausgebildet ist, (automatisch) das Schwingungsverhalten, insbesondere das mittels des Sensors gemessene Schwingungsverhalten, des Drucktanks und/oder des Abdeckungs- oder Verkleidungsbauteils auszuwerten bzw. zu analysieren und Veränderungen bzw. Abweichungen im Schwingungsverhalten, welche auf eine Beschädigung des Drucktanks hinweisen, zu erkennen sowie gegebenenfalls auch die Ausgabe einer Warnmeldung oder dergleichen zu veranlassen.
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Das Steuergerät kann ferner dazu ausgebildet sein, eine aktive Schwingungsanregung zu veranlassen bzw. zu steuern, wie oben beschrieben. Bevorzugt ist das Steuergerät auch dazu ausgebildet, permanent oder regelmäßig das Schwingungsverhalten des Drucktanks zu überprüfen bzw. zu überwachen, also ein automatisches Health-/Safety-Monitoring durchzuführen. Mit dem Steuergerät können auch mehrere Drucktanks überwacht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Drucktankanordnung.
- 2 veranschaulicht schematisch eine erfindungsgemäße Auswertung.
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Die in 1 gezeigte Drucktankanordnung 100 umfasst einen Drucktank 110, der in einem Kraftfahrzeug verbaut ist, wenigstens einen am Drucktank 110 angeordneten Aktor 120, mit dem der Drucktank 110 aktiv zum Schwingen anregbar ist, wenigstens einen am Drucktank 110 angeordneten Sensor 130, mit dem Schwingungen des Drucktanks 110 messbar sind, und ein Onboard-Steuergerät 140, welches mit dem Aktor 120 und dem Sensor 130 verbunden ist, insbesondere über ein Bussystem des Kraftfahrzeugs. Die Drucktankanordnung 100 umfasst ferner ein Abdeckungs- oder Verkleidungsbauteil 150 für den Drucktank 110, wobei es sich bspw. um eine Unterbodenverkleidung, die insbesondere aus einem Faserkunststoffverbundmaterial gefertigt ist, handelt. Am Abdeckungs- bzw. Verkleidungsbauteil 150 sind ebenfalls wenigstens ein Aktor 160, mit dem das Abdeckungs- bzw. Verkleidungsbauteil 150 aktiv zum Schwingen anregbar ist, und wenigstens ein Sensor 170, mit dem Schwingungen des Abdeckungs- bzw. Verkleidungsbauteils 150 messbar sind, angeordnet und mit dem Steuergerät 140 verbunden. Die Aktoren 120, 160 und die Sensoren 130, 170 können außen am betreffenden Bauteil befestigt oder in die Bauteilstruktur implementiert sein.
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Zur Detektion einer Beschädigung am Drucktank 110 kann dessen Schwingungsverhalten erfasst und ausgewertet werden. Hierzu wird der Drucktank 110 durch den Aktor 120 aktiv zum Schwingen angeregt. Die dadurch erzeugten Drucktankschwingungen werden mit dem Sensor 130 erfasst bzw. gemessen. Die Messergebnisse werden dann im Steuergerät 140 ausgewertet, um Veränderungen im Schwingungsverhalten des Drucktanks 110 zu erkennen, die auf eine Beschädigung hinweisen.
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2 zeigt exemplarisch den durch eine Fourier-Transformation ermittelten Frequenzverlauf A (Volllinie) einer Schwingungsmessung am Drucktank 110, d. h., die Linie A zeigt die Frequenzanteile der gemessenen Drucktankschwingungen. Aus dem Frequenzverlauf A werden die Eigenfrequenzen bestimmt (dies sind in der Regel die Peaks bzw. Maxima) und mit den Eigenfrequenzen eines hinterlegten Frequenzverlaufs B (Strichlinie), der bspw. aus einer vorausgehenden Messung oder einer Modalanalyse stammt, verglichen. Mit anderen Worten: die beiden Linien A und B werden zumindest im Bereich der Eigenfrequenzen miteinander verglichen. Bei diesem Vergleich ergeben sich bei wenigstens zwei Eigenfrequenzen F1 und F2 Veränderungen bzw. Abweichungen. Bei der Eigenfrequenz F1 ergibt sich eine deutlich geringere Dämpfung und bei der Eigenfrequenz F2 ergibt sich eine geringe Verschiebung des Frequenzbereichs. (Falls erforderlich, können die Abweichungen auch quantifiziert werden.) Beides kann jeweils für sich genommen, insbesondere jedoch in der auftretenden Kombination, auf eine Beschädigung des Drucktanks 110 hinweisen.
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Wie oben erläutert, besteht auch die Möglichkeit, aus den Frequenzverläufen der aktiven Schwingungsanregung und der gemessenen Drucktankschwingungen eine Übertragungsfunktion zu bilden und diese auszuwerten bzw. zu analysieren.
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In analoger Weise zu den vorausgehenden Erläuterungen kann zur Detektion einer Beschädigung des Drucktanks 110 auch das Schwingungsverhalten des Abdeckungs- bzw. Verkleidungsbauteil 150 betrachtet werden, wie weiter oben beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Drucktankanordnung
- 110
- Drucktank
- 120
- Aktor
- 130
- Sensor
- 140
- Steuergerät
- 150
- Abdeckungs- oder Verkleidungsbauteil
- 160
- Aktor
- 170
- Sensor
- A
- Frequenzverlauf
- B
- Frequenzverlauf
- F1
- Eigenfrequenz
- F2
- Eigenfrequenz
- a
- Beschleunigung
- f
- Frequenz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006033905 A1 [0003]
