DE102021209978A1

DE102021209978A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des in einem Tank herrschenden Druckes

Info

Publication number: DE102021209978A1
Application number: DE102021209978.5A
Authority: DE
Inventors: Sonny Tran
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-03-09
Also published as: WO2023036554A1; CN117940700A

Abstract

Verfahren (20) zum Ermitteln eines in einem Tank herrschenden Tankdruckes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- an eine Magnetspule eines den Tank verschließenden Magnetventiles wird eine vorgegebene Spannung (10) angelegt (21),
- der durch die Magnetspule fließende Strom (11) wird gemessen (22), bis ein für eine Öffnung (12) des Magnetventiles charakteristischer Rückgang (13) des Stromes (11) verzeichnet wird und
- der Tankdruck wird anhand des während des Rückganges (13) gemessenen Stromes (11) berechnet (23).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des in einem Tank herrschenden Druckes. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
In wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen nach dem Stand der Technik werden Drucktanks beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff verwendet, die einem Tankdruck von bis zu 800 bar standhalten. Die resultierende Speicherdichte verleiht dem gattungsmäßigen Fahrzeug eine Reichweite von mehr als 500 km.
DE102006027712A1 offenbart ein elektromagnetisches Sperrventil (shut-off valve), das eine besondere Anwendung zum Öffnen und Schließen eines Druckwasserstoffspeichertanks besitzt. Bei einer Ausführungsform umfasst das Ventil zwei Ventildichtelemente, wobei eine Seite eines Ventildichtelements sich an der Hochdruckseite des Ventils befindet und eine entgegengesetzte Seite des anderen Ventildichtelements sich an der Hochdruckseite des Ventils befindet. Daher wird der Druck, der auf die beiden Ventildichtelemente aufgebracht wird, ausgeglichen, sodass weniger Kraft erforderlich ist, um das Ventil gegen den hohen Druck zu öffnen.
Bekannt sind ferner sogenannte direktgesteuerte Magnetventile, deren Antrieb unmittelbar auf ein Dichtelement in Gestalt eines nadelförmigen Ventilkolbens wirkt. Bei ausgeschaltetem Elektromagnet hält eine Druckfeder das Ventil geschlossen, indem sie den Ventilkolben gegen den Ventilsitz drückt. Die Strömungsrichtung des Mediums durch das Ventil ist bestimmungsgemäß so festgelegt, dass bei geschlossenem Ventil der sich zwischen Zu- und Auslauf des Ventils aufbauende Differenzdruck den Ventilkolben zusätzlich gegen den Ventilsitz drückt. Um das Ventil zu öffnen, muss der Kolben allein durch den elektromagnetischen Antrieb vom Ventilsitz abgehoben werden; der Antrieb muss also gegen die Druckfeder und gegen den am Ventilkolben anliegenden Differenzdruck arbeiten. Die minimale benötigte Kraft des elektromagnetischen Antriebs zum Öffnen eines derartigen Ventils hängt vor allem von der Federkraft, der Ventilsitzgröße und dem maximalen Differenzdruck bei geschlossenem Ventil ab.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln des in einem Tank herrschenden Druckes, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Das vorgeschlagene Verfahren fußt auf der Erkenntnis, dass in Druckgastankbehältern in mobilen Anwendungen, z. B. in Wasserstofftanksystemen, üblicherweise ein Shut-Off-Ventil verwendet wird. Das Ventil soll im Stillstand schließen und damit den Tankbehälter abdichten. Im Betrieb öffnet das Ventil und ermöglicht dadurch die Entnahme von Gas zur Versorgung des Antriebssystems mit Kraftstoff.
Ein Shut-Off-Ventil dieser Gattung kann beispielweise als magnetgesteuertes Regelventil der oben umrissenen Bauart konstruiert werden. Im Stillstand ist das Ventil geschlossen, wobei die Feder wie beschrieben die Ventilnadel auf den Ventilsitz drückt und somit den Tankbehälter abdichtet. Um das Ventil im Betrieb zu öffnen, wird der Magnetspule eine elektrische Spannung angelegt. Die dadurch erzeugte Magnetkraft überwindet die schließende Feder- sowie Druckkraft und öffnet dadurch das Ventil.
Der erfindungsgemäße Ansatz trägt ferner dem Bedürfnis Rechnung, zur Kontrolle bzw. Überwachung des Zustands des Tankbehälters dessen Gastemperatur und -druck zu messen. In herkömmlichen Tanksystemen mit mehreren Tankbehältern ist jedoch mitunter nicht jeder Behälter mit einem Drucksensor ausgestattet. Vielmehr wird oftmals nur ein einziger Hochdrucksensor in der Hochdruckleitung installiert, der den Druck darin misst. Im Betrieb, bei dem Tankventile von allen Tankbehältern geöffnet sind, kann aus dem gemessenen Druck in der Hochdruckleitung der Druck in den Tankbehältern berechnet oder dieser zumindest abgeschätzt werden. Bevor die Tankventile geöffnet werden, z. B. beim Start des Fahrzeugs, ist der Druck in den Tankbehältern ohne Drucksensor jedoch unbekannt. Dies ist besonders nachteilig, wenn beim Start in den einzelnen Tankbehältern unterschiedlicher Druck herrscht. In einer solchen Situation können aufgrund starker Druckunterschiede zwischen Tankbehältern und Hochdruckleitung manche Tankventile verzögert geöffnet werden, was möglicherweise den Start des Fahrzeuges insgesamt verzögert.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren indes gestattet es, beim Start des Fahrzeugs, während die Tankventile noch geschlossen sind, in Kenntnis des Druckes in einzelnen Tankbehältern deren Tankventile in einer bestimmten Reihenfolge zu öffnen und das Tanksystem somit reibungslos in Betrieb zu nehmen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So mag es auch vorteilhaft sein, beim Start den Druck in den einzelnen Tankbehältern ohne Drucksensoren zu erkennen, um den genauen Füllstand des Kraftstoffs im jeweiligen Tankbehälter zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, eine Software-Funktion zu erstellen, die den Druck in einem Tankbehälter, in dem kein Drucksensor installiert ist, zu ermitteln, bevor das als magnetgesteuertes Shut-Off-Ventil ausgebildete Tankventil geöffnet wird. Diese Funktion kann einen Drucksensor im Tankbehälter teilweise ersetzen, um die reibungslose Öffnung des Tanksystems sowie Ermittlung des Füllstands des Tanksystems beim Start zu ermöglichen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen für die Öffnung eines Magnetventiles charakteristischen Rückgang des Stromes durch die Magnetspule.
2 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 schematisch ein Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert einen für die Öffnung (12) eines Shut-Off-Magnetventiles charakteristischen Rückgang (13) des Stromes (11) durch die Magnetspule. Im geschlossenen Zustand des Shut-Off-Ventils herrschen die Federkraft, die die Ventilnadel auf den Ventilsitz drückt, und die Druckkraft. Wenn der Magnetspule eine elektrische Spannung (10) angelegt wird, wird eine Magnetkraft aufgebaut. Sobald diese die Feder- sowie Druckkraft überwindet, beginnt das Ventil, sich zu öffnen.
Der Zeitpunkt dieses ersten Ventilnadelhubs lässt sich im Diagramm gemäß 1 anhand eines Knickes im Graphen der Stromstärke (11) erkennen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Druckkraft durch eine Zusammenschau der Feder-, Druck- und Magnetkraft ermittelbar. Die Federkraft ist als Auslegungsgröße grundsätzlich bekannt; die Magnetkraft lässt sich aus dem elektrischen Strom (11) und den Parametern der Magnetspule ermitteln. Aus der auf diese Weise berechneten Druckkraft und dem in der Hochdruckleitung gemessenen Druck lässt sich somit der Tankdruck ermitteln.
Auf Grundlage dieses Wirkzusammenhangs kann insbesondere die Inbetriebnahme eines wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeuges mit mehreren durch eine gemeinsame Druckleitung verbundenen Tanks optimiert werden, die in unterschiedlichem Maße mit Kraftstoff gefüllt und jeweils durch ein Magnetventil verschlossen sind. Dieses Anwendungsbeispiel sei nunmehr anhand des Flussdiagrammes gemäß 2 erläutert.
Zunächst wird an die Magnetspule jedes Magnetventiles eine vorgegebene Spannung (10 - 1) angelegt (Prozess 21) und der durch die Magnetspule fließende Strom (11 - 1) gemessen (Prozess 22), bis ein für die Öffnung (12 - 1) des Magnetventiles charakteristischer Rückgang (13) des Stromes (11 - 1) verzeichnet wird, welcher auf die einsetzende Hubbewegung der Ventilnadel entgegen der von der Ventilfeder ausgeübten Federkraft hindeutet. Zudem wird einmalig der in der gemeinsamen Druckleitung herrschende Leitungsdruck mittels des hierzu vorgesehenen Drucksensors gemessen.
Anhand des während des Rückganges (13 - 1) gemessenen Stromes (11 - 1) durch die Spule einerseits und der baulich bedingten und somit im Wesentlichen bekannten Kraft der das Ventil belastenden Feder andererseits wird nunmehr die Druckdifferenz zwischen jeweiligem Tank und Druckleitung berechnet, aus der sich angesichts des bekannten Leitungsdruckes unmittelbar der Tankdruck ableiten lässt (Prozess 23). Vom derart berechneten Tankdruck wiederum kann auf den Füllstand des Kraftstoffes im jeweiligen Tank geschlossen oder die Reihenfolge festgelegt werden, in welcher die Öffnung (12 - 1) der Magnetventile zum Zwecke der Kraftstoffzufuhr an Brennstoffzelle bzw. Motor erfolgt.
Dieses Verfahren (20) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät (30) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der 3 verdeutlicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006027712 A1 [0003]

Claims

Verfahren (20) zum Ermitteln eines in einem Tank herrschenden Tankdruckes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - an eine Magnetspule eines den Tank verschließenden Magnetventiles wird eine vorgegebene Spannung (10) angelegt (21), - der durch die Magnetspule fließende Strom (11) wird gemessen (22), bis ein für eine Öffnung (12) des Magnetventiles charakteristischer Rückgang (13) des Stromes (11) verzeichnet wird und - der Tankdruck wird anhand des während des Rückganges (13) gemessenen Stromes (11) berechnet (23).
Verfahren (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Magnetventil wird durch eine Ventilfeder belastet und - das Berechnen (23) erfolgt ferner anhand einer baulich bedingten, von der Ventilfeder ausgeübten Federkraft.
Verfahren (20) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Federkraft wirkt auf eine Ventilnadel des Magnetventiles und - der Rückgang (13) erfolgt bei einer Hubbewegung der Ventilnadel.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Magnetventil verbindet den Tank mit einer Druckleitung, - der in der Druckleitung herrschende Leitungsdruck wird gemessen und - das Berechnen (23) erfolgt, indem zunächst die Druckdifferenz zwischen dem Tank und der Druckleitung und sodann aus dem Leitungsdruck und der Druckdifferenz der Tankdruck berechnet wird.
Verfahren (20) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Druckleitung ist durch weitere Magnetventile mit weiteren Tanks verbunden und - das Verfahren (20) wird nacheinander auf jeden der Tanks angewendet.
Verfahren (20) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Tanks sind zumindest teilweise mit einem Kraftstoff gefüllt und - vom berechneten Tankdruck wird auf den Füllstand des Kraftstoffes im jeweiligen Tank geschlossen.
Verfahren (20) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - mittels des Kraftstoffes wird ein Kraftfahrzeug angetrieben und - die Öffnung (12) der Magnetventile der Tanks bei einer Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges erfolgt in einer vom jeweils ermittelten Tankdruck abhängigen Reihenfolge.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Vorrichtung (30), die eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.