DE102022201956A1

DE102022201956A1 - Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems sowie Steuergerät

Info

Publication number: DE102022201956A1
Application number: DE102022201956.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schild
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31
Also published as: WO2023160895A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems (1), das eine Entnahme-Sammelleitung (2) mit integriertem Drucksensor (3) sowie mehrere, an die Entnahme-Sammelleitung (2) angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils (41, 42...4n) absperrbare Druckgasbehälter (51, 52...5n) umfasst, wobei zur Erkennung eines defekten Absperrventils (41, 42...4n) folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System (7) durchgeführt werden:a) Öffnen eines Absperrventils (41) eines Druckgasbehälters (51) und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter (51), während die anderen Absperrventile (42, ...4n) geschlossen gehalten werden, undb) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung (2) mit Hilfe des Drucksensors (3) zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil (41) schließen lässt.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (8) zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems, insbesondere eines Wasserstoff-Tanksystems, umfassend mehrere Druckgasbehälter. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens vorgesch lagen.
Bei dem zu speichernden Druckgas handelt es sich bevorzugt um Wasserstoff, der von Brennstoffzellenfahrzeugen benötigt wird. Das Druckgas kann aber auch komprimiertes Erdgas (CNG, „Compressed Natural Gas“) zum Betreiben eines Erdgasfahrzeugs sein.
Stand der Technik
Ein mobiles Druckgastanksystem kann einen oder mehrere Druckgasbehälter umfassen. Sofern das Tanksystem mehrere Druckgasbehälter aufweist, besteht die Gefahr, dass diese ungleichmäßig befüllt sind und es dadurch zu einem unkontrollierten Überströmen eines vollen Behälters in einen leeren Behälter kommt. Der Druckanstieg kann in diesem Fall zu einer starken Erhöhung der Temperatur führen, möglicherweise über die spezifischen Grenzen hinaus. Diese Problematik ist bekannt, beispielsweise aus der international gültigen Norm SAE J2979.
Ferner ist bekannt, den Druck in einem Druckgasbehälter mit Hilfe eines Drucksensors zu überwachen. Ist in jedem Druckgasbehälter ein entsprechender Druckgassensor vorgesehen, kann von abweichenden Druckwerten auf eine ungleichmäßige Befüllung geschlossen werden. Sofern diese nicht bewusst herbeigeführt wurde, kann die Ursache hierfür nur ein fehlerhaft schließendes Absperrventil sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems mit mehreren Druckgasbehältern anzugeben, das - ohne jeden Druckgasbehälter mit einem Drucksensor ausstatten zu müssen - die Detektion eines defekten Absperrventils ermöglicht. Unter Einhaltung der Sicherheitsanforderungen sollen auf diese Weise die Systemtypologie vereinfacht und Kosten eingespart werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems, das eine Entnahme-Sammelleitung mit integriertem Drucksensor sowie mehrere, an die Entnahme-Sammelleitung angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils absperrbare Druckgasbehälter umfasst. Zur Erkennung eines defekten Absperrventils werden dabei folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System durchgeführt:

a) Öffnen eines Absperrventils eines Druckgasbehälters und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter, während die anderen Absperrventile geschlossen gehalten werden, und
b) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung mit Hilfe des Drucksensors zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil schließen lässt.

Wird in Schritt b) ein Druckabfall in der Entnahme-Sammelleitung detektiert, kann dieser auf eine kurzfristig erhöhte Durchflussrate durch das geöffnete Absperrventil zurückzuführen sein oder aber auf einen Defekt des Absperrventils, der verhindert, dass das Absperrventil korrekt geöffnet werden kann. Im letztgenannten Fall ist der Druckabfall jedoch deutlich und andauernd, so dass ein entsprechender Rückschluss zulässig ist. Dies gilt insbesondere, wenn der Druck in der Entnahme-Sammelleitung auf das Druckniveau des nachgelagerten abnehmenden Systems fällt, da dies ein untrügliches Zeichen für ein nicht korrekt öffnendes Absperrventil ist.
Bei dem nachgelagerten System kann es sich insbesondere um einen Anodenkreis zur Versorgung einer Anode eines Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff handeln. In diesem Fall liegt das Druckniveau typischerweise unter 3 MPa. Wird demnach in Schritt b) des Verfahrens ein Druck unter 3 MPa gemessen, kann dies als Indiz dafür gesehen werden, dass das Absperrventil defekt ist.
Zur Sicherstellung, dass ein etwaiger Druckabfall nicht auf eine kurzzeitig erhöhte Durchflussrate, sondern auf ein defektes Absperrventil zurückzuführen ist, kann in Schritt a) das geöffnete Absperrventil für eine vorab definierte Mindestdauer offengehalten werden, beispielsweise für mehrere Hundert Millisekunden.
Das Verfahren kann unter Berücksichtigung der besonderen Charakteristik des zu prüfenden Absperrventils durchgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Steuergeräts, das entsprechend kalibriert ist, so dass eine kurzzeitig erhöhte Durchflussrate nicht als defektes Ventil erkannt wird. Erfolgt nach einigen Hundert Millisekunden kein deutlicher/anhaltender Druckabfall, obwohl das nachgelagerte System Druckgas abnimmt, ist das Absperrventil nicht defekt.
Das Verfahren besitzt den Vorteil, dass mit nur einem Drucksensor eine Vielzahl von Absperrventilen geprüft werden können. Zwar nicht zeitgleich, aber nacheinander. Die Systemtopologie kann dadurch vereinfacht werden. Ferner können Kosten eingespart werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schritte a) und b) jeweils mit einem anderen Absperrventil wiederholt werden, so dass nacheinander alle Absperrventile einmal geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei mit Wiederholung von Schritt a) das zuvor geöffnete Absperrventil wieder geschlossen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Durchführung des Verfahrens immer nur ein Absperrventil geöffnet ist. Auf diese Weise können nacheinander alle Absperrventile geprüft werden.
Bevorzugt wird das Verfahren durchgeführt, wenn sich das Druckgas abnehmende nachgelagerte System in einem Teillast-Betriebszustand befindet. Denn in diesem Fall ist die Durchflussrate durch das geöffnete Absperrventil so gering, dass die benötigte Druckgasmenge einem einzigen Druckgasbehälter entnommen werden kann. Ist dieser noch recht voll, kann das Verfahren über einen entsprechend großen Betriebsbereich des nachgelagerten Systems durchgeführt werden.
Der aktuelle Betriebszustand des nachgelagerten Systems wird vorzugsweise anhand der aktuell abgenommenen und/oder angeforderten Druckgasmenge bestimmt. Hierzu kann eine entsprechende Information von dem nachgelagerten System an das Druckgastanksystem übermittelt werden. In Kenntnis des aktuellen Betriebszustands des nachgelagerten Systems kann dann zum richtigen Zeitpunkt Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingeleitet werden.
Des Weiteren bevorzugt wird das Verfahren unterbrochen, wenn durch das nachgelagerte System eine Druckgasmenge abgenommen und/oder angefordert wird, die unter einem definierten Minimalwert oder über einem definierten Maximalwert liegt. Sinkt die abgenommene/angeforderte Druckgasmenge unter den Minimalwert, ist die Durchflussrate durch das zu prüfende Absperrventil so gering, dass ggf. ein Defekt nicht mehr erkennbar ist. Steigt die abgenommene/angeforderte Druckgasmenge über den Maximalwert, kann sie ggf. nicht mehr über einen einzigen Druckgasbehälter zur Verfügung gestellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn dieser nicht mehr ganz voll ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einer Unterbrechung des Verfahrens die bisherigen Ergebnisse der Prüfung gespeichert werden, vorzugsweise in einem Steuergerät. Sobald dann die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens wieder vorliegen, kann dann die Prüfung mit einem Absperrventil fortgesetzt werden, das noch keiner Prüfung unterzogen worden ist.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere die zu prüfenden Absperrventile einzeln angesteuert werden, so dass diese nacheinander einer Prüfung unterzogen werden können. Mit Hilfe des Steuergeräts können zudem die Messdaten des Drucksensors ausgewertet werden, so dass ein auf ein defektes Ventil zurückzuführender Druckabfall erkannt wird. Das Steuergerät kann hierzu in der Weise kalibriert sein, dass eine bestimmte Absperrventil-Charakteristik bei der Auswertung Berücksichtigung findet. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts überwacht werden, ob die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen. Ist dies nicht oder nicht mehr der Fall, kann das Verfahren mit Hilfe des Steuergeräts unterbrochen werden. In einem Speicher des Steuergeräts können dann die Ergebnisse der bisherigen Prüfung gespeichert werden. Wenn dann die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens wieder vorliegen, weiß das Steuergerät, welches Absperrventil noch zu prüfen ist. Zur Prüfung, ob die Bedingungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen, können im Steuergerät ein Minimalwert und ein Maximalwert einer abgenommenen/angeforderten Druckgasmenge hinterlegt sein.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Druckgastanksystems, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das dargestellte Druckgastanksystem 1 umfasst mehrere Druckgasbehälter 5₁, 5₂, ...5_n, die jeweils über ein Absperrventil 4₁, 4₂, ...4_n an eine gemeinsame Entnahme-Sammelleitung 2 angeschlossen sind. In der Entnahme-Sammelleitung 2 ist ein Drucksensor 3 integriert. Über einen Druckminderer 6 ist die Entnahme-Sammelleitung 2 mit einem nachgelagerten System 7 verbunden, das über das Druckgastanksystem 1 mit Druckgas, beispielsweise mit Wasserstoff, versorgt wird. Bei dem nachgelagerten System 7 kann es sich beispielsweise um einen Anodenkreis eines Brennstoffzellenstapels (nicht dargestellt) handeln, der zur Erzeugung elektrischer Energie unter anderem Wasserstoff benötigt. Abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels benötigt das nachgelagerte System 7 mehr oder weniger Wasserstoff. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, dass die benötigte Menge aus einem einzigen Druckgasbehälter 5₁, 5₂, ...5_n zur Verfügung gestellt werden kann, da während der durchzuführenden Prüfung immer nur ein Absperrventil 4₁, 4₂, ...4_n geöffnet sein darf.
Das dargestellte Druckgastanksystem 1 umfasst darüber hinaus ein Steuergerät 8, mit dessen Hilfe die Absperrventile 4₁, 4₂, ...4_n einzeln angesteuert werden können. Ferner übermittelt der Drucksensor 3 seine Messdaten an das Steuergerät 8 zur Auswertung. Von dem nachgelagerten System 7 erhält das Steuergerät 8 zudem Informationen über die aktuell abgenommene/angeforderte Druckgasmenge. Anhand dieser Informationen kann das Steuergerät 8 prüfen, ob die Bedingungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegen. Diese Prüfung nimmt das Steuergerät 8 vorzugsweise nicht nur vor, sondern auch während der Durchführung des Verfahrens vor, so dass rechtzeitig erkannt wird, ob das Verfahren ggf. unterbrochen werden muss.
Auf diese Weise kann mit nur einem in der Entnahme-Sammelleitung 2 angeordneten Drucksensor 3 die Funktion jedes einzelnen Absperrventils 4₁, 4₂, ...4_n geprüft werden. Die Prüfung wird für jedes Absperrventil 4₁, 4₂, ...4_n einzeln durchgeführt, und zwar nacheinander. Da nur ein einziger Drucksensor 3 für die Prüfung benötigt wird, kann die Systemtopologie vereinfacht werden. In der Folge können auch die Kosten gesenkt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Druckgastanksystems (1), das eine Entnahme-Sammelleitung (2) mit integriertem Drucksensor (3) sowie mehrere, an die Entnahme-Sammelleitung (2) angeschlossene und jeweils mittels eines Absperrventils (4₁, 4₂ ...4_n) absperrbare Druckgasbehälter (5₁, 5₂ ...5_n) umfasst, wobei zur Erkennung eines defekten Absperrventils (4₁, 4₂ ...4_n) folgende Schritte bei gleichzeitiger Abnahme von Druckgas durch ein nachgelagertes System (7) durchgeführt werden: a) Öffnen eines Absperrventils (4₁) eines Druckgasbehälters (5₁) und Entnahme von Druckgas aus diesem Druckgasbehälter (5₁), während die anderen Absperrventile (4₂, ...4_n) geschlossen gehalten werden, und b) Überwachen des Drucks in der Entnahme-Sammelleitung (2) mit Hilfe des Drucksensors (3) zur Detektion eines Druckabfalls, der auf ein defektes Absperrventil (4₁) schließen lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wiederholen der Schritte a) und b) jeweils mit einem anderen Absperrventil (4₂), so dass nacheinander alle Absperrventile (4₁, 4₂, ...4_n) einmal geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei mit Wiederholung von Schritt a) das zuvor geöffnete Absperrventil (4₁) wieder geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich das nachgelagerte System (7) in einem Teillast-Betriebszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Betriebszustand des nachgelagerten Systems (7) anhand der aktuell abgenommenen und/oder angeforderten Druckgasmenge bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unterbrochen wird, wenn durch das nachgelagerte System eine Druckgasmenge abgenommen und/oder angefordert wird, die unter einem definierten Minimalwert oder über einem definierten Maximalwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterbrechung des Verfahrens die bisherigen Ergebnisse der Prüfung gespeichert werden, vorzugsweise in einem Steuergerät (8).
Steuergerät (8), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.