DE102021210516A1 - Method for operating a tank system, control unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Tanksystems mit mindestens einem Druckgasbehälter zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff, bei dem zur Überwachung des Verhaltens des Druckgasbehälters unter thermischer Last mindestens ein Temperaturwert gemessen und an einen digitalen Zwilling des Druckgasbehälters übergeben wird, der anhand eines hinterlegten CAE-Modells berechnet, ob ein für den sicheren Betrieb kritischer Druck- und/oder Temperaturwert überschritten wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a tank system with at least one compressed gas container for storing a gaseous fuel, in particular for storing hydrogen, in which at least one temperature value is measured to monitor the behavior of the compressed gas container under thermal load and is transmitted to a digital twin of the compressed gas container. which uses a stored CAE model to calculate whether a pressure and/or temperature value that is critical for safe operation is being exceeded.The invention also relates to a control device for carrying out the method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Tanksystems mit mindestens einem Druckgasbehälter zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a tank system with at least one compressed gas tank for storing a gaseous fuel, in particular for storing hydrogen. In addition, the invention relates to a control device for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
In mobilen Anwendungen, beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen, kann Wasserstoff tiefkalt in sogenannten Kryotanks oder unter Druck in einem oder mehreren Druckgasbehältern gespeichert werden. Für Anwendungen, in denen nicht sichergestellt ist, dass kontinuierlich Wasserstoff entnommen wird, stellt die Speicherung unter Druck, das heißt in einem oder mehreren Druckgasbehälter, die Vorzugslösung dar.In mobile applications, for example in fuel cell vehicles, hydrogen can be stored at low temperatures in so-called cryogenic tanks or under pressure in one or more compressed gas tanks. For applications in which there is no guarantee that hydrogen will be withdrawn continuously, storage under pressure, i.e. in one or more compressed gas tanks, is the preferred solution.
Werden Druckgasbehälter einer thermischen Belastung ausgesetzt, steigt der Druck in den Behältern, so dass die Gefahr eines Berstens des Behälters besteht. Um dies zu verhindern, wird der Druck in den Behältern mit Hilfe eines Druckbegrenzungsventils (PRD) gesenkt, indem dieses geöffnet und Gas aus dem Behälter abgelassen wird. Das Druckbegrenzungsventil kann dabei insbesondere als thermisch aktivierbares Druckbegrenzungsventil (TPRD) ausgelegt sein. Zur Unterstützung der Funktion des TPRDs können thermosensitive Bauteile und/oder Elemente, beispielsweise Peltier-Elemente, zur Erfassung von Temperaturänderungen im Druckgasbehälter vorhanden sein.If pressurized gas containers are exposed to thermal stress, the pressure in the containers increases, so that there is a risk of the container bursting. To prevent this, the pressure in the tanks is reduced using a pressure relief valve (PRD) by opening it and releasing gas from the tank. The pressure-limiting valve can be designed in particular as a thermally activatable pressure-limiting valve (TPRD). To support the function of the TPRD, there can be thermosensitive components and/or elements, for example Peltier elements, for detecting temperature changes in the compressed gas container.
Bei sehr langen Druckgasbehältern kann aufgrund der inhomogenen Temperaturverteilung der Einsatz mehrerer TPRDs erforderlich sein, weil lokale Temperaturspitzen bereits zum Herabsetzen der Materialfestigkeit und damit zum Bersten des Druckgasbehälters führen können, und zwar selbst dann, wenn der Druck, der sich bei einer relativen mittleren Temperatur einstellt, noch nicht kritisch ist. Somit wäre eine Überwachung der Temperatur nicht nur im Behälterinneren, sondern gleichzeitig am Behälter von Vorteil, um sicherzustellen, dass eine rechtzeitige Aktivierung des TPRDs erfolgt. Denn mit steigenden Temperaturen nimmt nicht nur der Druck im Druckgasbehälter zu, sondern auch der Festigkeitsverlust des Druckgasbehälters.In the case of very long pressurized gas containers, the use of several TPRDs may be necessary due to the inhomogeneous temperature distribution, because local temperature peaks can already lead to a reduction in material strength and thus to the bursting of the pressurized gas container, even if the pressure that occurs at a relatively average temperature , is not yet critical. It would therefore be advantageous to monitor the temperature not only inside the container, but also on the container at the same time, in order to ensure that the TPRD is activated in good time. Because with rising temperatures, not only does the pressure in the compressed gas tank increase, but also the loss of strength of the compressed gas tank.
Es gibt demnach mindestens zwei Versagensursachen, die zum Bersten des Druckgasbehälter führen können und daher bei der Ansteuerung des TPRDs berücksichtigt werden müssen. Realisieren lässt sich dies mit Hilfe einer Vielzahl an Sensoren zur Erfassung der Temperatur sowohl im Behälterinneren als auch im Bereich der Behälterwand. Möglich ist auch eine Ummantelung des Druckgasbehälters mit thermosensitiven Elementen. Der sensorische Aufwand hierfür ist jedoch nicht gering.There are therefore at least two causes of failure that can lead to the bursting of the compressed gas tank and must therefore be taken into account when controlling the TPRD. This can be achieved with the help of a large number of sensors to record the temperature both inside the container and in the area of the container wall. It is also possible to encase the pressurized gas container with thermosensitive elements. However, the sensory effort for this is not small.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, einen sicheren Betrieb eines mindestens einen Druckgasbehälter umfassenden Tanksystems mit reduziertem sensorischen Aufwand zu ermöglichen. Dabei soll die Temperaturentwicklung sowohl im Druckgasbehälter als auch außen am Druckgasbehälter berücksichtigt werden.The present invention is concerned with the task of enabling safe operation of a tank system comprising at least one pressurized gas container with reduced outlay on sensors. The temperature development both in the compressed gas tank and outside of the compressed gas tank should be taken into account.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät angegeben, das zur Ausführung von Schritten des Verfahrens eingerichtet ist.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is specified. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a control unit is specified, which is set up to carry out steps of the method.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Tanksystems mit mindestens einem Druckgasbehälter zum Speichern eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff, wird zur Überwachung des Verhaltens des Druckgasbehälters unter thermischer Last mindestens ein Temperaturwert gemessen und an einen digitalen Zwilling des Druckgasbehälters übergeben. Dieser berechnet anhand eines hinterlegten CAE-Modells, ob ein für den sicheren Betrieb kritischer Druck- und/oder Temperaturwert überschritten wird.In the proposed method for operating a tank system with at least one compressed gas tank for storing a gaseous fuel, in particular for storing hydrogen, at least one temperature value is measured to monitor the behavior of the compressed gas tank under thermal load and transferred to a digital twin of the compressed gas tank. Using a stored CAE model, this calculates whether a critical pressure and/or temperature value for safe operation is being exceeded.
Mit Hilfe des digitalen Zwillings lässt sich die Beanspruchung des Tanks unter thermischer Last genau vorhersagen, so dass mit Überschreiten eines kritischen Werts mindestens eine gegensteuernde Maßnahme eingeleitet werden kann. Insbesondere kann durch Öffnen eines Sicherheitsventils, beispielsweise eine Druckbegrenzungsventils, Druck aus dem Druckgasbehälter abgelassen werden. Zu großzügig bemessene Sicherheitsfaktoren können auf diese Weise vermieden werden, was einen Gewinn für die konstruktive und operative Marge bedeutet.With the help of the digital twin, the stress on the tank under thermal load can be precisely predicted so that at least one countermeasure can be initiated if a critical value is exceeded. In particular, pressure can be released from the compressed gas tank by opening a safety valve, for example a pressure-limiting valve. Safety factors that are too generous can be avoided in this way, which means a gain for the constructive and operational margin.
Da der digitale Zwilling ein genaues virtuelles Abbild des Druckgasbehälter darstellt, können mit Hilfe des digitalen Zwillings sämtliche das Verhalten des Druckgasbehälters beeinflussende Faktoren berücksichtigt werden. Zu diesen Faktoren zählt beispielsweise die Festigkeit des Druckgasbehälters, die unter anderen davon abhängig ist, aus welchem Material der Druckgasbehälter gefertigt ist. Beispielsweise kann der Druckgasbehälter aus Metall gefertigt sein. Derartige Druckgasbehälter besitzen die Eigenschaft, dass ihre Festigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Darüber hinaus kann der Druckgasbehälter aus einem Verbundwerkstoff hergestellt sein. In diesem Fall ist die Gefahr geringer, dass dramatische Temperaturentwicklungen eintreten. Sie können jedoch schmelzen.Since the digital twin represents an exact virtual image of the compressed gas tank, all factors influencing the behavior of the compressed gas tank can be taken into account with the help of the digital twin. These factors include, for example, the strength of the compressed gas container, which depends, among other things, on the material from which the compressed gas container is made. For example, the compressed gas tank can be made of metal. Such compressed gas tanks have the property that their strength decreases with increasing temperature. In addition, the pressurized gas container can be made of a composite material. In this case, there is less risk that dra matic temperature developments occur. However, they can melt.
Das Verhalten des Druckgasbehälter unter variierender thermischer Last wird vorab physikalisch erfasst und bei der Kalibrierung des digitalen Zwillings im CAE-Modell abgelegt. Später kann dann mit Hilfe des CAE-Modells anhand eines real gemessenen Temperaturwerts ein Druck- und/oder Temperaturwert berechnet werden, aus dem sich das Verhalten des Druckgasbehälter vorhersagen lässt.The behavior of the compressed gas tank under varying thermal loads is physically recorded in advance and stored in the CAE model when the digital twin is calibrated. Later, with the help of the CAE model, a pressure and/or temperature value can be calculated using an actually measured temperature value, from which the behavior of the compressed gas container can be predicted.
Bevorzugt wird bei der Durchführung des Verfahrens anhand mindestens einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds das Überschreiten eines kritischen Druck- und/oder Temperaturwerts erkannt. Mit Hilfe der Kennlinie und/oder des Kennfelds kann insbesondere ein Sicherheitskorridor festgelegt werden, der auf einen sicheren Betrieb des Tanksystems schließen lässt. In diesem Fall kann das Öffnen eines Sicherheitsventils, beispielsweise eines Druckbegrenzungsventils, unterbleiben.When the method is carried out, the exceeding of a critical pressure and/or temperature value is preferably detected on the basis of at least one characteristic curve and/or a characteristic map. With the help of the characteristic curve and/or the characteristic map, a safety corridor can be specified in particular, which suggests safe operation of the tank system. In this case, the opening of a safety valve, for example a pressure relief valve, can be omitted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Umgebungstemperatur gemessen und an den digitalen Zwilling übergeben, der anhand des hinterlegten CAE-Modells aus der Umgebungstemperatur die Wandtemperatur des Druckgasbehälters herleitet. Für die Erfassung der Umgebungstemperatur genügen wenige reale Messungen bzw. Messpunkte, so dass sich die Anzahl der Sensoren deutlich reduziert. Ferner kann von der Wandtemperatur auf den Druck und/oder die Temperatur im Inneren des Druckgasbehälter geschlossen werden.According to a preferred embodiment of the invention, the ambient temperature is measured and transferred to the digital twin, which uses the stored CAE model to derive the wall temperature of the compressed gas container from the ambient temperature. A few real measurements or measuring points are sufficient to record the ambient temperature, so that the number of sensors is significantly reduced. Furthermore, conclusions can be drawn about the pressure and/or the temperature inside the compressed gas container from the wall temperature.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Wandtemperatur des Druckgasbehälters gemessen und an den digitalen Zwilling übergeben wird, der anhand des hinterlegten CAE-Modells die Temperatur und/oder den Druck im Druckgasbehälter herleitet. Die Herleitung der Temperatur und/oder des Drucks im Inneren des Druckgasbehälters beruht in diesem Fall auf mindestens einer real gemessenen Wandtemperatur. Vorteilhafterweise werden zu Berücksichtigung einer gegebenenfalls inhomogenen Temperaturverteilung mehrere Wandtemperaturen an unterschiedlichen Stellen gemessen und an den digitalen Zwilling übergeben.Alternatively or additionally, it is proposed that the wall temperature of the compressed gas container is measured and transferred to the digital twin, which uses the stored CAE model to derive the temperature and/or the pressure in the compressed gas container. In this case, the derivation of the temperature and/or the pressure inside the compressed gas container is based on at least one actually measured wall temperature. Advantageously, to take account of any inhomogeneous temperature distribution, several wall temperatures are measured at different points and transferred to the digital twin.
Bei der Herleitung der Druck- und/oder Temperaturwerte nutzt vorzugsweise das CAE-Modell Druck- und/oder Temperaturwerte, die vorab physikalisch am und/oder im Druckgasbehälter zur Kalibrierung des digitalen Zwillings gemessen wurden. Das heißt, dass die hergeleiteten Druck- und/oder Temperaturwerte auf real gemessenen Werten basieren. Dadurch ist sichergestellt, dass der digitale Zwilling ein genaues virtuelles Abbild des Druckgasbehälters darstellt.When deriving the pressure and/or temperature values, the CAE model preferably uses pressure and/or temperature values that have previously been physically measured on and/or in the compressed gas tank to calibrate the digital twin. This means that the pressure and/or temperature values derived are based on actually measured values. This ensures that the digital twin represents an exact virtual image of the compressed gas tank.
Das im digitalen Zwilling hinterlegte CAE-Modell kann den kritischen Druck- und/oder Temperaturwert beispielsweise anhand FSI-Analyse berechnen. Im Ergebnis lässt sich somit das Verhalten des Druckgasbehälters sehr genau vorhersagen.The CAE model stored in the digital twin can calculate the critical pressure and/or temperature value using FSI analysis, for example. As a result, the behavior of the compressed gas tank can be predicted very precisely.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf Basis gemessener Druck- und/oder Temperaturwerte eine fortlaufende Erweiterung des CAE-Modells durchgeführt wird, vorzugsweise mit Hilfe künstlicher Intelligenz, wie beispielsweise neuronale Netze. Auf diese Weise können weitere das Verhalten des Druckgasbehälters beeinflussende Faktoren, wie beispielsweise der Einfluss des im Druckgasbehälter gespeicherten Wasserstoffs auf die Materialfestigkeit des Druckgasbehälters, berücksichtigt und/oder nachgeführt werden. Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz kann der digitale Zwilling in Echtzeit betrieben werden, so dass eine permanente Überwachung des Druckgasbehälters, sei es beim Betanken oder unter äußerer thermischer Last, möglich ist.In a development of the invention, it is proposed that the CAE model be continuously expanded on the basis of measured pressure and/or temperature values, preferably with the aid of artificial intelligence, such as neural networks. In this way, other factors influencing the behavior of the compressed gas container, such as the influence of the hydrogen stored in the compressed gas container on the material strength of the compressed gas container, can be taken into account and/or tracked. With the help of artificial intelligence, the digital twin can be operated in real time, so that permanent monitoring of the compressed gas tank is possible, whether during refueling or under an external thermal load.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei Überschreiten eines kritischen Druck- und/oder Temperaturwerts eine Sicherheitseinrichtung, beispielsweise ein Sicherheitsventil, betätigt wird. Das Sicherheitsventil kann beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil sein, das zum Ablassen von Gas aus dem Druckgasbehälter geöffnet wird, so dass der Druck im Druckgasbehälter fällt. Sofern es sich um ein thermisch aktivierbares Druckbegrenzungsventil handelt, kann die Aktivierung mit Hilfe eines virtuellen Temperaturwerts realisiert werden, der von dem digitalen Zwilling bereitgestellt wird bzw. von dem im digitalen Zwilling hinterlegten CAE-Modell berechnet wurde. Der virtuelle Temperaturwert kann sich dabei auf die Temperatur der Umgebung, des Behälterinneren und/oder die Behälterwand beziehen. Der virtuelle Wert wird somit zurück in die reale Welt geführt.Furthermore, it is proposed that a safety device, for example a safety valve, be actuated when a critical pressure and/or temperature value is exceeded. The safety valve can be, for example, a pressure-limiting valve that is opened to release gas from the compressed-gas container, so that the pressure in the compressed-gas container falls. If the pressure relief valve can be activated thermally, it can be activated using a virtual temperature value that is provided by the digital twin or calculated by the CAE model stored in the digital twin. The virtual temperature value can relate to the temperature of the environment, the interior of the container and/or the container wall. The virtual value is thus fed back into the real world.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann im Steuergerät der digitale Zwilling des Druckgasbehälter abgelegt sein. Dem Steuergerät wird dann zur Durchführung von Schritten des Verfahrens mindestens ein gemessener Temperaturwert zur Verfügung gestellt. Aus dem gemessenen Temperaturwert kann dann mit Hilfe des im digitalen Zwilling hinterlegten CAE-Modells berechnet werden, ob ein für den sicheren Betrieb kritischer Druck- und/oder Temperaturwert überschritten wird. Bevorzugt ist das Steuergerät zugleich mit einer Sicherheitseinrichtung, insbesondere einem Sicherheitsventil verbunden, so dass bei Überschreiten eines kritischen Druck- und/oder Temperaturwerts diese mit Hilfe des Steuergeräts betätigt werden kann.In addition, a control unit is proposed that is set up to carry out steps of the method. In particular, the digital twin of the compressed gas tank can be stored in the control unit. At least one measured temperature value is then made available to the control unit for carrying out steps of the method. From the measured temperature value, the CAE model stored in the digital twin can then be used to calculate whether a pressure and/or temperature value that is critical for safe operation is being exceeded. The control device is preferably also connected to a safety device, in particular a safety valve, so that when a critical pressure and/or temperature value, this can be actuated using the control unit.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Sicherheitskonzepts für ein Tanksystem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und -
2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung eines typischen Sicherheits-Kennfelds.
-
1 a schematic representation of a safety concept for a tank system according to the method according to the invention and -
2 a diagram for the graphical representation of a typical safety map.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in der
Wie beispielhaft in der
Sofern mit Hilfe des digitalen Zwillings 5 ein kritischer Druck- und/oder Temperaturwert ermittelt wurde, kann dieser über die vorhandene Verbindung 4 zur Daten- und Informationsübertragung aus einem virtuellen Raum 2 zurück an den realen Raum 1 übermittelt werden, um mindestens eine gegensteuernde Maßnahme einzuleiten. Beispielsweise kann ein kritischer Temperaturwert zur Aktivierung eines thermisch aktivierbaren Druckbegrenzungsventils genutzt werden. Man könnte daher bei dem digitalen Zwilling 5 auch von einer virtuellen Sensorik sprechen, als Pendent zur Sensorik 3.If a critical pressure and/or temperature value was determined with the help of the digital twin 5, this can be transmitted back to the real room 1 from a
Claims (9)
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