DE112011101417B4 - Gasfüllverfahren, Gasfüllsystem, Gasstation und mobile Einheit - Google Patents

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Abstract

Ein Spaltmaß (62) zwischen einer Auskleidung (53) und einer Verstärkungsschicht (55) vor dem Einfüllen von Gas in einen Tank (30) wird auf Basis eines Tankdrucks und einer Tanktemperatur im Tank (30) berechnet. Auf Basis des berechneten Spaltmaßes (62) wird vorhergesagt, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt. Wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, wird eine Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank (30) gefüllt wird verglichen zu einem Fall begrenzt, in welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung (53) wirkt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasfüllverfahren, ein Gasfüllsystem, eine Gasstation und eine mobile Einheit, die Gas von der Gasstation in einen an einem Fahrzeug montierten Tank füllen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Es ist bekannt, dass, wenn Wasserstoffgas in einen Tank gefüllt wird, die Temperatur im Tank ansteigt. Diesbezüglich ist die japanische Patentanmeldung JP 2002-89793 A auf ein Problem gerichtet, dass die Füllrate bestimmt werden muss während die Temperatur geregelt wird, und schlägt einen Aufbau vor, der einen Temperaturanstieg eines Ventils und einer Füllleitung, die stromauf bzw. oberhalb des Tanks angeordnet sind, unterdrückt.
  • Wie in der JP 2002-89793 A offenbart ist, ist der Tankaufbau derart, dass die Außenumfangsfläche einer gasundurchlässigen Auskleidung mit einer Verstärkungsschicht verkleidet ist, die einen Druckwiderstand gewährleistet. Beispielsweise ist die Verstärkungsschicht derart ausgebildet, dass durch Faserwicklung oder dergleichen hergestelltes CFRP um die Außenumfangsfläche der Auskleidung gewickelt wird. Weitere Tankaufbauten zum Speichern von Gas unter hohem Druck sind zudem Gegenstand der JP 2005-315367 A , der JP 2002-188794 A , der JP 2000-266289 A und der JP H10-231998 A . Aus der JP H08-068497 A ist eine Gaszufuhrvorrichtung bekannt und die JP 2006-26511 sowie die JP 2004-127817 A offenbaren schließlich Brennstoffzellensysteme, bei denen einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoffgas von einem Tank zugeführt wird, der das Wasserstoffgas unter Druck speichert.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Wenn jedoch ein Tank, der aus einer Harz- bzw. Kunststoffauskleidung besteht, hergestellt wird, zieht sich die Auskleidung aufgrund unterschiedlicher e-Module (Elastizitätsmodule) und linearer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Auskleidung und dem CFRP zusammen, wodurch eine Lücke bzw. ein Spalt zwischen der Auskleidung und dem CFRP entsteht. Selbst wenn beim Herstellungsvorgang kein Spalt entsteht, zieht sich die Auskleidung aufgrund der verschiedenen e-Module und dergleichen in einem Zustand niedrigen Drucks und niedriger Temperatur zusammen, wodurch ein Spalt zwischen der Auskleidung und dem CFRP entsteht. Hierbei neigt der Spalt dazu größer zu werden, wenn die Temperatur sinkt oder der Druck sinkt.
  • Wenn Wasserstoffgas in den Tank in einem Zustand gefüllt wird, bei dem ein derartiger Spalt ausgebildet ist, verursacht der eingefüllte Wasserstoff eine Ausdehnung der zusammengezogenen Auskleidung, um den Spalt zu füllen. Wenn jedoch der Verformungsbetrag der Auskleidung, der aus dieser Ausdehnung resultiert, groß ist, oder die Verformungsgeschwindigkeit der Auskleidung, die aus dieser Ausdehnung resultiert, groß ist, besteht die Möglichkeit, dass eine große Last auf die Auskleidung wirkt.
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Gasfüllverfahren, ein Gasfüllsystem, eine Gasstation und eine mobile Einheit zu schaffen, die geeignet sind, die auf eine Auskleidung eines Tanks wirkende Last zu verringern. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Gasfüllverfahren nach Anspruch 1, zum Füllen von Gas in einen Tank, der eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung ausgebildet ist. Das Verfahren weist auf: Erfassen eines Tankdrucks und einer Tanktemperatur; Berechnen eines Spaltmaßes zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht vor dem Einfüllen von Gas in den Tank auf Basis des Tankdrucks und der Tanktemperatur im Tank und einem vorab gespeicherten Kennfeld; Berechnen einer Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und Bestimmen, ob die berechnete Ausdehnung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt; Vorhersagen, auf Basis der berechneten Ausdehnung, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt; und, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, Begrenzen einer Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank gefüllt wird, verglichen zu einem Fall, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung wirkt.
  • Mittels der vorstehend genannten Technologie wird keine einheitliche Füllflussrate unabhängig von der Größe des Spalts (dem Spaltmaß) eingestellt, sondern die Füllflussrate wird beschränkt, wenn vorhergesagt wird, dass durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt. Daher wird es möglich, wenn das Gas mit der begrenzten Füllflussrate in den Tank gefüllt wird, eine Verformungsgeschwindigkeit, mit welcher sich die Auskleidung verformt, um den Spalt auszufüllen, zu unterdrücken. Hierdurch wird es möglich, eine auf die Auskleidung wirkende Last zu verringern.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann das Begrenzen der Füllflussrate das Einfüllen von Gas mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne umfassen, während der sich die Auskleidung durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen. Mit dieser Konfiguration verformt sich die Auskleidung während zumindest eines Teils einer Zeitspanne, die zum Ausfüllen des Spalts nötig ist, bei einer begrenzten Füllflussrate, so dass es möglich ist, die auf die Auskleidung wirkende Last zu verringern.
  • Das Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann ferner aufweisen: Einfüllen von Gas in den Tank ohne Begrenzung der Füllflussrate nachdem zumindest die erste Zeitspanne verstrichen ist. Mit der vorstehenden Konfiguration kann, zumindest nachdem der Spalt ausgefüllt bzw. geschlossen ist, Gas mit einer höheren Füllflussrate als der Füllflussrate bis zum Ausfüllen des Spalts in den Tank gefüllt werden, so dass es möglich ist, eine Zeitspanne für das Einfüllen von Gas zu verringern.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann vorhergesagt werden, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, wenn die berechnete Ausdehnung der Auskleidung den vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Mit dieser Konfiguration wird eine Vorhersage auf Basis einer Ausdehnung (Beanspruchung) der Auskleidung, die bezüglich der Verformung der Auskleidung relevant ist, getroffen, so dass die Zuverlässigkeit der Vorhersage zunimmt.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann der vorgegebene Grenzwert eine Bruchdehnung der Auskleidung sein und abhängig von der Tanktemperatur im Tank variieren. Bei der vorstehenden Konfiguration wird die Tatsache, dass die Bruchdehnung von der Temperatur abhängt, bei der Vorhersage berücksichtigt, so dass die Zuverlässigkeit der Prognose bzw. Vorhersage weiter zunimmt.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann das Begrenzen der Füllflussrate das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von der berechneten benötigten Ausdehnung der Auskleidung umfassen. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, sowohl eine Verringerung der Last als auch eine Verkürzung der Zeit für das Befüllen mit Gas zu erreichen. Wenn beispielsweise die berechnete benötigte Ausdehnung gering ist, kann die Füllflussrate verglichen zu einem Fall erhöht werden, wo die berechnete benötigte Ausdehnung groß ist, so dass es möglich wird, die Zeitdauer für das Einfüllen von Gas zu verringern, während gleichzeitig die Last auf die Auskleidung verringert werden kann.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann das Begrenzen der Füllflussrate das Begrenzen der Füllflussrate derart umfassen, dass ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Ausfüllens eines Spalts zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht und einer Bruchdehnung der Auskleidung für die berechnete benötigte Ausdehnung der Auskleidung definiert, konsultiert wird, um eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit einzustellen, die niedriger ist als eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei der eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt. Durch die Verwendung eines derartigen Kennfelds wird es möglich, die Füllflussrate auf eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit zu begrenzen, bei welcher die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung wirkt.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann eine Mehrzahl von Kennfeldern jeweils für die Tanktemperaturen im Tank vorgesehen sein, und das Begrenzen der Füllflussrate kann das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von einer Tanktemperatur im Tank umfassen, derart, dass ein Kennfeld aus der Mehrzahl von Kennfeldern konsultiert wird, das der Tanktemperatur entspricht, die zum Berechnen des Spaltmaßes verwendet wird. Mit der vorstehenden Konfiguration wird die Tatsche, dass die Bruchdehnung von der Temperatur abhängt selbst bei der Bestimmung der Füllflussrate berücksichtigt, so dass es möglich wird, eine Zeitspanne für das Befüllen mit Gas zu verkürzen, während die auf die Auskleidung wirkende Last verringert werden kann. Wenn beispielsweise die Tanktemperatur im Tank hoch ist, kann die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit (Füllflussrate) verglichen zu einem Fall, bei dem die Temperatur im Tank niedrig ist, erhöht sein.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann der Tank an einer mobilen Einheit angebracht sein und derart ausgebildet sein, dass Gas von einer außerhalb der mobilen Einheit installierten Gasstation eingefüllt werden kann, die mobile Einheit kann eine begrenzte Füllflussrate zum Begrenzen der Füllflussrate bestimmen und Information über die bestimmte begrenzte Füllflussrate an die Gasstation übertragen, und die Gasstation kann das Gas auf Basis der Informationen über die begrenzte Füllflussrate, die von der mobilen Einheit empfangen wurden, in den Tank füllen. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Steuerung von Seiten der mobilen Einheit auszuführen, um die Füllflussrate zu begrenzen.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann der Tank an einer mobilen Einheit angebracht sein und derart ausgebildet sein, dass Gas von einer außerhalb der mobilen Einheit installierten Gasstation eingefüllt werden kann, und das Berechnen des Spaltmaßes, das Vorhersagen, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, und das Begrenzen der Füllflussrate kann durch die Gasstation ausgeführt werden. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Steuerung von Seiten der Gasstation auszuführen, um die Füllflussrate zu begrenzen.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann die Gasstation, zum Berechnen des Spaltmaßes, Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank mittels Kommunikation von der mobilen Einheit empfangen. Mit dieser Konfiguration kann die Gasstation schnell Informationen über einen außerhalb der Gasstation liegenden Tank erhalten.
  • Das Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann ferner aufweisen: Untersagen bzw. Verhindern des Einfüllens von Gas, wenn die Füllflussrate auf Null begrenzt ist oder Ausgeben einer Mitteilung, dass das Einfüllen von Gas verhindert ist, wenn die Füllflussrate auf Null begrenzt ist.
  • Bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorstehenden Aspekt kann das Begrenzen der Füllflussrate das Begrenzen der Füllflussrate derart umfassen, dass eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, mit welcher ein Spalt zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht ausgefüllt wird, niedriger ist als eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei der eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, oder kann das Begrenzen der Füllflussrate derart umfassen, dass ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen einer Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit und einer Bruchdehnung der Auskleidung definiert, für eine Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um den berechneten Spalt auf Null zu bringen, konsultiert wird, um dadurch eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit einzustellen, die niedriger ist, als eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei der eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt.
  • Überdies kann, bei dem Gasfüllverfahren nach dem vorgenannten Aspekt, das Begrenzen der Füllflussrate das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank umfassen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Gasfüllsystem nach Anspruch 15 gerichtet, das eine mobilen Einheit aufweist, die mit einem Tank ausgebildet ist, der eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung ausgebildet ist, und eine Gasstation, die außerhalb der mobilen Einheit installiert ist und Gas in den Tank füllt. Bei dem Gasfüllsystem weist zumindest die mobile Einheit und/oder die Gasstation auf: eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank erfasst, eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht vor dem Einfüllen von Gas in den Tank auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld berechnet, eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die auf Basis der berechneten Ausdehnung vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, und eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung wirkt.
  • Bei dem Gasfülsystem nach dem vorstehend genannten Aspekt kann die Gasstation eine Betriebssteuereinheit haben, die das Füllen von Gas in den Tank steuert, und, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, kann die Betriebssteuereinheit das Gas während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne, während der sich die Auskleidung durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen, mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank füllen, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Gasstation nach Anspruch 17, die außerhalb einer mobilen Einheit installiert ist, die mit einem Tank ausgebildet ist, der eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung ausgebildet ist, und die Gas in den Tank füllt. Die Gasstation weist auf eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank erfasst; eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht vor dem Einfüllen von Gas in den Tank auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld berechnet; eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die auf Basis der berechneten Ausdehnung vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt; und eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung wirkt.
  • Die Gasstation nach dem vorstehend genannten Aspekt kann weiter eine Betriebssteuereinheit aufweisen, die das Füllen von Gas in den Tank steuert, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, und die Betriebssteuereinheit kann das Gas während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne, während der sich die Auskleidung durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen, mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank füllen, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat, oder kann das Gas ohne Begrenzungen der Füllflussrate in den Tank füllen, nachdem zumindest die erste Zeitspanne verstrichen ist.
  • Überdies kann, bei der Gasstation nach dem vorstehend genannten Aspekt, die Informationserfassungseinheit als Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank mittels Kommunikation von der mobilen Einheit Ergebnisse erfassen, die von einem Temperatursensor und einem Drucksensor erfasst wurden, die an der mobilen Einheit vorgesehen sind.
  • Bei der Gasstation nach dem vorstehend genannten Aspekt kann, wenn die berechnete Ausdehnung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, kann die Vorhersageeinheit vorhersagen, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt.
  • Bei der Gasstation nach dem vorstehend genannten Aspekt kann die Füllflussratenbestimmungseinheit die begrenzte Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank variieren.
  • Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine mobile Einheit nach Anspruch 23 mit einem Tank, in den Gas von einer außerhalb vorgesehenen Gasstation gefüllt wird, wobei der Tank eine Auskleidung und eine Verstärkungsschicht aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung ausgebildet ist. Die mobile Einheit weist auf: eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur erfasst; eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht vor dem Einfüllen von Gas in den Tank auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld berechnet; eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die auf Basis der berechneten Ausdehnung vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt; eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung wirkt; und einen Transmitter, der Informationen über die begrenzte Füllflussrate auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat, an die Gasstation überträgt.
  • Bei der mobilen Einheit nach dem vorstehend genannten Aspekt kann, wenn die berechnete Ausdehnung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, vorhergesagt werden, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung wirkt.
  • Bei der mobilen Einheit nach dem vorstehend genannten Aspekt kann die Füllflussratenbestimmungseinheit die begrenzte Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung der Auskleidung, die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank variieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung dieser Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Gasfüllsystems gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 eine Konfigurationsdarstellung des Gasfüllsystems gemäß der Ausführungsform;
  • 3 eine Schnittdarstellung eines Tanks der Ausführungsform;
  • 4A und 4B Graphen, die eine Variation des Tankdrucks und eine Variation der Tanktemperatur über die Zeit zeigen, wenn die Außenlufttemperatur 20°C ist, wobei 4A den Fall zeigt, wo die Abgaberate des Wasserstoffgases aus dem Tank niedrig ist und 4B den Fall zeigt, wo die Abgaberate des Wasserstoffgases aus dem Tank hoch ist;
  • 5 eine Schnittansicht des Tanks aus 3 in einem Zustand, wo ein Spalt zwischen der Auskleidung und der Verstärkungsschicht ausgebildet ist;
  • 6 einen Graph, der schematisch die Beziehung zwischen der Größe des Spalts und dem Tankdruck für eine Mehrzahl von Tanktemperaturen zeigt;
  • 7 Beispiele von Kennfeldern, die für ein Spaltmaß des Tanks gemäß der Ausführungsform relevant sind;
  • 8 einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Tanktemperatur und der Bruchdehnung der Auskleidung zeigt;
  • 9A und 9B Ansichten eines Verfahrens zur Berechnung einer Ausdehnung der Auskleidung, die benötigt wird, um den Spalt auszufüllen, wobei 9A einen Zustand zeigt, in welchem der Spalt ausgebildet ist und 9B einen Zustand zeigt, in dem kein Spalt ausgebildet ist;
  • 10 ein Schaubild von funktionalen Blöcke zum Realisieren der Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate von Seiten eines Fahrzeugs bei einem Gasfüllverfahren gemäß der Ausführungsform;
  • 11 ein Flußschaubild eines Beispiels für die Steuerung aus 10;
  • 12 ein Schaubild von funktionalen Blöcke zum Realisieren der Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate von Seiten einer Gasstation bei einem Gasfüllverfahren gemäß der Ausführungsform;
  • 13 ein Flußschaubild eines Beispiels für die Steuerung aus 12;
  • 14 eine Ansicht eines Models zur Ermittlung der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit;
  • 15A und 15B Kennfelder, die eine Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit und der Bruchdehnung definieren, wobei 15A das Kennfeld für eine Tanktemperatur zeigt und 15B das Kennfeld für zwei verschiedene Tanktemperaturen zeigt;
  • 16 ein Flußschaubild eines Beispiels einer Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate auf Null von Seiten eines Fahrzeugs bei dem Gasfüllverfahren gemäß der Ausführungsform;
  • 17 ein Flußschaubild eines Beispiels einer Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate auf Null von Seiten einer Gasstation bei dem Gasfüllverfahren gemäß der Ausführungsform; und
  • 18 ein Flußschaubild eines Beispiels einer Steuerung zum Ausgeben einer Warnung von Seiten eines Fahrzeugs, um das Einfüllen von Gas bei dem Gasfüllverfahren gemäß der Ausführungsform zu untersagen bzw. zu verhindern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1. Grundriss des Gasfüllsystems
  • Nachfolgend wird ein Beispiel, in welchem Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffstation bzw. -tankstelle in einen Tank eines Fahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, als Gasfüllsystem beschrieben. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle oder dergleichen, die mittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoffgas) und Osidationsgas (z. B. Luft) Elektrizität bzw. Strom erzeugt, wie allgemein bekannt ist. Hierbei ist das Einfüllen von Wasserstoffgas eine von mehreren Arten zum Zuführen von Wasserstoffgas von der Wasserstoffstation zum Tank.
  • Wie in 1 dargestellt ist, hat das Gasfüllsystem 1 beispielsweise eine Wasserstoffstation 2, die als Gasstation dient, und ein Fahrzeug 3, das mit Wasserstoffgas von der Wasserstoffstation versorgt wird.
  • 1-1. Grundriss des Fahrzeugs
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst das Fahrzeug 3 einen Tank 30, eine Aufnahme 32, einen Drucksensor 36, einen Temperatursensor 38, ein Display 42, ein Kommunikationsinstrument (Komm.-instrument) 44 sowie einen Controller 46. Der Tank 30 ist eine Brenngaszuführquelle zum Zuführen von Brenngas zu einer Brennstoffzelle und ist beispielsweise ein Hochdrucktank, der geeignet ist, Wasserstoffgas mit 35 MPa oder 70 MPa zu speichern. Wenn eine Mehrzahl von Tanks 30 montiert ist, sind die Tanks 30 parallel zueinander mit der Brennstoffzelle verbunden. Wasserstoffgas im Tank 30 wird der Brennstoffzelle über eine (nicht dargestellte) Zufuhrleitung zugeführt. Andererseits wird Wasserstoffgas in eine Einfüllflussleitung 34 über die Aufnahme 32 abgegeben, um Wasserstoffgas von der Wasserstoffstation 2 dem Tank 30 zuzuführen. Die Einfüllflussleitung 34 besteht aus einer Gasleitung außerhalb des Tanks 30 und einem Strömungsleitungsabschnitt in einer (nicht dargestellten) Ventilanordnung, die an einer Öffnung des Tanks 30 angebracht ist. Überdies ist ein Sperrventil 35 zum verhindern eines Rückflusses des Wasserstoffgases an der Einfüllflussleitung 34 vorgesehen.
  • Der Drucksensor 36 ist in der Einfüllflussleitung 34 angeordnet. Der Drucksensor 36 wird dazu verwendet, den Druck des von der Wasserstoffstation 2 aus- bzw. abgegebenen Wasserstoffgases zu erfassen. Beispielsweise ist der Drucksensor 36 an einer Stelle stromab des Sperrventils 35 unmittelbar vor dem Tank 30 in der Gasleitung angeordnet, und erfasst im wesentlichen den Druck, der den Druck des Wasserstoffgases im Tank 30 wiedergibt (nachfolgend als „Tankdruck” bezeichnet). Der Temperatursensor 38 ist im Strömungsleitungsabschnitt in der Ventilanordnung vorgesehen und im Tank 30 angeordnet. Der Temperatursensor 38 erfasst die Temperatur, welche die Temperatur im Tank 30 wiedergibt (nachfolgend als „Tanktemperatur” bezeichnet). Es sei angemerkt, dass bei einer anderen Ausführungsform, der Drucksensor 36 im Tank 30 angeordnet sein kann. Daneben ist die Stelle, an welcher der Temperatursensor 38 im Tank 30 angeordnet ist, nicht besonders begrenzt, solange der Temperatursensor 38 im wesentlichen die Tanktemperatur erfassen kann.
  • Das Display 42 kann beispielsweise als Teil eines Fahrzeugnavigationssystems verwendet werden und zeigt verschiedene Informationen auf seinem Schirm an. Das Kommunikationsinstrument 44 wird dazu verwendet, um eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug 3 und der Wasserstoffstation 2 auszuführen und fungiert als Empfänger und Sender zum Empfangen und Senden von Signalen mit verschiedenen Informationen. Das Kommunikationsinstrument 44 hat beispielsweise ein Kommunikationsinterface, dass eine drahtlose Kommunikation ausführt, zum Beispiel Infrarotkommunikation. Das Kommunikationsinstrument 44 ist in der Aufnahme 32 installiert oder an einem Tankdeckel des Fahrzeugs 3 befestigt, um die Kommunikation in einem Zustand auszuführen, in welchem ein Tankrüssel 12 der Wasserstoffstation 2 mit der Aufnahme 32 verbunden wird.
  • Der Controller 46 ist als Mikrocomputer ausgebildet, der eine CPU, ein ROM und ein RAM enthält und steuert das Fahrzeug 3. Die CPU führt gewünschte Berechnungen entsprechend einem Steuerprogramm aus und führt ferner verschiedene Vorgänge und Steuerprozesse aus. Das ROM speichert Steuerprogramme und Steuerdaten, die in der CPU verarbeitet werden. Das RAM wird hauptsächlich als Arbeitsspeicher für Steuerprozesse verwendet. Der Controller 46 ist mit dem Drucksensor 36, dem Temperatursensor 38, dem Display 42, dem Kommunikationsinstrument 44 und dergleichen verbunden. Der Controller 46 nutzt das Kommunikationsinstrument 44, um Informationen, die vom Fahrzeug 3 erfasst werden können, beispielsweise Informationen, die vom Drucksensor 36 und dem Temperatursensor 38 erfasst werden, an die Wasserstoffstation 2 zu übertragen.
  • Es sei angemerkt, dass Niederspannungs-Hilfsaggregate wie beispielsweise der Drucksensor 36, der Temperatursensor 38, das Display 42 und das Kommunikationsinstrument 44 mit elektrischer Leistung von einer (nicht dargestellten) Niederspannungsbatterie versorgt werden. Daher werden, wenn die Zündung des Fahrzeugs 3 aus ist, die Brennstoffzelle also keinen Strom erzeugt, die Niederspannungs-Hilfsaggregate und die Steuerung 46 mit elektrischer Leistung bzw. Strom von der Niederspannungsbatterie versorgt.
  • 1-2. Grundriss der Gasstation
  • Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die Wasserstoffstation 2 einen Controller 5, ein Kommunikationsinstrument (Komm.-instrument) 6, ein Display 7 sowie einen Außenlufttemperatursensor 8. Der Controller 5 steuert verschiedene Vorrichtungen, die an der Wasserstoffstation 2 angeordnet sind. Das Kommunikationsinstrument 6 wird dazu verwendet, um eine Kommunikation zwischen der Wasserstoffstation 2 und dem Fahrzeug 3 auszuführen. Das Display 7 zeigt verschiedene Informationen auf seinem Schirm an. Der Außenlufttemperatursensor 8 erfasst die Außenlufttemperatur an einem Ort, an dem die Wasserstoffstation 2 installiert ist. Das Kommunikationsinstrument 6 ist kompatibel zum Kommunikationsinstrument 44 des Fahrzeugs 3 und sendet oder empfängt verschiedene Informationen an das oder von dem Kommunikationsinstrument 44. Das Kommunikationsinstrument 6 ist beispielsweise am Tankrüssel 12 vorgesehen. Das Display 7 zeigt Informationen über die Füllflussrate (Füllrate), die Füllmenge und dergleichen während des Einfüllens von Gas. Überdies kann das Display 7 ein Bedienfeld haben, so dass ein Arbeiter oder Anwender (nachfolgend einfach als „Nutzer” bezeichnet) gewünschte Füllbedingungen auf seinem Anzeigeschirm eingeben kann.
  • Die Wasserstoffstation 2 umfasst ferner eine Gaszylindergruppe (Gaszufuhrquelle) 11, den Tankrüssel 12 und einen Gasströmungskanal 13. Die Gaszylindergruppe 11 speichert Wasserstoffgas. Der Tankrüssel 12 gibt Wasserstoffgas in Richtung zum am Fahrzeug montierten Tank 30 ab. Der Gasströmungskanal 13 verbindet die Gaszylindergruppe 11 mit dem Tankrüssel 12. Der Tankrüssel 12 wird mit der Aufnahme 32 des Fahrzeugs 3 zum Einfüllen von Wasserstoffgas verbunden. Überdies sind ein Drucksensor 9 und ein Temperatursensor 10 am Tankrüssel 12 vorgesehen. Der Drucksensor 9 und der Temperatursensor 10 erfassen jeweils den Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases, welches die Wasserstoffstation 2 dem Tank 30 zuführt.
  • Ein Kompressor 14, ein Speicher 15, ein Vorkühler 16, ein Flussraten-Steuerventil 17, ein Strömungsmesser (Str.-messer) 18 sowie ein Ausgeber 19 sind im Gasströmungskanal 13 angeordnet. Der Kompressor 14 verdichtet Wasserstoffgas von der Gaszylindergruppe 11 und gibt das verdichtete Wasserstoffgas aus bzw. ab. Der Speicher 15 speichert das vom Kompressor 14 auf einen vorgegebenen Druck verdichtete Wasserstoffgas. Der Vorkühler 16 kühlt das Wasserstoffgas von etwa Raumtemperatur vom Speicher 15 auf eine vorgegebene niedrige Temperatur (beispielsweise –20°C oder –40°C). Das Flussraten-Steuerventil 17 ist ein elektrisch betriebenes Ventil und stellt die Flussrate des Wasserstoffgases vom Speicher 15 entsprechend einem Befehl vom Controller 5 ein. Hierdurch wird die Füllflussrate, mit der Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt wird, gesteuert. Die derart gesteuerte Füllflussrate wird vom Strömungsmesser 18 gemessen. Dann regelt der Controller 5 das Flussraten-Steuerventil 17 derart, dass der Controller 5 die gemessene Füllflussrate erfasst und die Füllflussrate auf eine gewünschte Füllflussrate einstellt. Es sei angemerkt, dass ein anderer Flussratencontroller als das Flussraten-Steuerventil 17 verwendet werden kann. Der Ausgeber 19 pumpt Wasserstoffgas zum Tankrüssel 12. Beispielsweise wird, wenn ein Auslösehebel am Tankrüssel 12 betätigt (gezogen) wird, der Ausgeber 19 aktiviert, so dass Wasserstoffgas vom Tankrüssel 12 in Richtung zum Tank 30 ausgegeben werden kann. Es sei angemerkt, dass, obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, ein Sperrventil zum Öffnen des Gasströmungskanals 13 während des Einfüllens von Gas am Speicher 15 oder einem Abschnitt stromab bzw. unterhalb des Speichers 15 angeordnet sein kann.
  • Der Controller 5 ist als Mikrocomputer ausgebildet, der eine CPU, ein ROM und ein RAM umfasst, wie der Controller 46. Die CPU führt gewünschte Berechnungen entsprechend einem Steuerprogramm aus, um verschiedene Prozesse und Steuerungen durchzuführen. Das ROM speichert Steuerprogramme und Steuerdaten, die in der CPU verarbeitet werden. Das RAM wird hauptsächlich als Arbeitsspeicher für die Steuerprozesse verwendet. Der Controller 5 ist elektrisch nicht nur mit dem Kommunikationsinstrument 6, dem Display 7, dem Außenlufttemperatursensor 8, dem Drucksensor 9, dem Temperatursensor 10, dem Flussraten-Steuerventil 17 und dem Strömungsmesser 18 durch Leitungen verbunden, welche durch die strichpunktierte Linie in 2 gezeigt ist, sondern auch mit dem Speicher 15 und dergleichen. Beispielsweise erkennt der Controller 5 den Druck und die Temperatur, welche jeweils durch den Drucksensor 36 und den Temperatursensor 38 erfasst wurden, als Druck und Temperatur im Tank 30 (also als Tankdruck und Tanktemperatur), um das Einfüllen von Wasserstoffgas zu steuern. Insbesondere steuert der Controller 5 den Öffnungsgrad des Flussraten-Steuerventils 17 auf Basis von Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur auf Seiten des Fahrzeugs 3, die vom Kommunikationsinstrument 6 erhalten wurden. Überdies verwendet der Controller 5 das Kommunikationsinstrument 6, um Informationen, die von der Wasserstoffstation 2 erfasst werden können, an das Kommunikationsinstrument 44 des Fahrzeugs 3 zu senden.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Gasfüllsystem 1 wird, wenn Wasserstoffgas in das Fahrzeug 3 gefüllt werden soll, zunächst der Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 verbunden, und dann der Ausgeber 19 in diesem Zustand aktiviert. Dann wird Wasserstoffgas, das zum Tankrüssel 12 ausgegeben wird, in den Tank 30 gefüllt. Bei dem Gasfüllsystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Spaltmaß im Tank 30 vor dem Einfüllen von Gas ermittelt, und eine Last auf die Auskleidung des Tanks 30 wird verringert.
  • 2. Aufbau des Tanks
  • Wie in 3 dargestellt ist, hat der Tank 30 eine Auskleidung 53 und eine Verstärkungsschicht 55. Die Auskleidung 53 hat eine hohle Form, so dass ein Speicherraum 51 darin definiert wird. Die Verstärkungsschicht 55 verkleidet die Außenumfangsfläche der Auskleidung 53. Ein Anschlußstück 57 zum Verbinden der Ventilanordnung ist an zumindest einem Endabschnitt der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 in Axialrichtung vorgesehen.
  • Die Auskleidung 53 hat Gasbarriereeigenschaften und unterdrückt den Gasdurchgang von Wasserstoffgas durch die Auskleidung 53 nach außen. Hierbei ist das Material der Auskleidung 53 nicht besonders bestimmt. So kann das Material für die Auskleidung 53 nicht nur Metall sein, sondern auch ein Polyethylenharz, ein Polypropylenharz oder ein anderes festes Harz.
  • Die Verstärkungsschicht 55 dient als Widerstand für den Druck des gespeicherten Wasserstoffgases. Die Verstärkungsschicht 55 ist derart ausgebildet, dass Fasern, die mit einem Matrixharz imprägniert wurden, um die Außenfläche der Auskleidung 53 gewickelt werden, und das Matrixharz dann durch Erwärmen ausgehärtet wird. Das Matrixharz ist beispielsweise ein Epoxidharz, ein modifiziertes Epoxidharz oder dergleichen. Die Fasern können Carbonfasern oder Aramidfasern sein. Darüber hinaus kann das Wickelverfahren ein Faserwickelverfahren (FW-Verfahren), ein Bandwickelverfahren oder dergleichen sein. Die Art der Wicklung bei dem Wickelverfahren kann eine bekannte Reifenwicklung oder Schraubenwicklung sein.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das FW-Verfahren dazu verwendet, um die Verstärkungsschicht 55 aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFRP) auf der Auskleidung 53 aus Kunstharz auszubilden. CFRP nutzen wärmehärtendes Epoxidharz als Matrixharz und Carbonfasern als Fasern. Es sei angemerkt, dass die Verstärkungsschicht 55 anstelle der CFRP-Schicht, die auf der Außenumfangsfläche der Auskleidung 53 aufgebracht ist, eine andere Schicht verwenden kann. Die anstelle der CFRP-Schicht andere Schicht kann eine Schicht aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFRP) sein, die auf der Außenumfangsfläche der CFRP-Schicht aufgebracht ist.
  • 3. Beziehung zwischen der Ausgaberate von Wasserstoff und dem Tankdruck sowie Beziehung zwischen der Ausgaberate von Wasserstoff und der Tanktemperatur
  • Die 4A und 4B zeigen Graphen, die eine Variation im Tankdruck sowie eine Variation der Tanktemperatur über die Zeit darstellen, wenn die Außenlufttemperatur 20°C ist, wobei 4A den Fall zeigt, wo die Ausgaberate von Wasserstoffgas niedrig ist, und 4B den Fall zeigt, wo die Ausgaberate von Wasserstoffgas hoch ist. Wie aus den 4A und 4B ersichtlich ist, steigt, wenn die Ausgaberate von Wasserstoffgas aus dem Tank 30 (die Zufuhrrate von Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle) ansteigt, die Abnahmerate des Tankdrucks, und die Tanktemperatur nimmt mit einer höheren Rate ab. Nach Abschluss der Ausgabe von Wasserstoffgas (Zeitpunkt t0) steigt die Tanktemperatur durch die Außenluft und erreicht die Außenlufttemperatur (20°C). Dann steigt der Tankdruck leicht an. Es sei angemerkt, dass, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, die Tanktemperatur im Allgemeinen weiter abnimmt.
  • Im Fall des Tanks 30, der am Fahrzeug 3 angeordnet ist, kann Wasserstoffgas in den Tank 30 an der Wasserstoffstation 2 unmittelbar nach Ausgabe des Wasserstoffgases eingefüllt werden. Wenn somit Wasserstoffgas in den Tank 30 eingefüllt wird, ist es hoch wahrscheinlich, dass die Tanktemperatur und der Tankdruck niedrig sind. Daher sind, wenn Gas, unmittelbar nachdem das Fahrzeug mit einer hohen Ausgaberate des Wasserstoffgases gefahren ist (beispielsweise wenn das Fahrzeug beschleunigt hat), eingefüllt wird, der Tankdruck und die Tanktemperatur gering.
  • Es sei angemerkt, dass, wenn die Last des Wasserstoffgases (Tankvolumens) des Tanks 30 verringert ist, wenn Wasserstoffgas in der gleichen Menge wie im Fall vor der Verringerung des Tankvolumens verbraucht wird, die Abnahmerate des Tankdrucks ansteigt. Wenn die Last des Wasserstoffgases (Tankvolumens) somit reduziert ist, neigt die Tanktemperatur dazu, weiter zu sinken.
  • 4. Bildung des Spalts
  • 5 zeigt eine Schnittansicht des Tanks 30, die einen Zustand zeigt, wo ein Spalt 60 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 ausgebildet ist. Der Grund für die Bildung des Spalts 60 wird nachfolgend beschrieben.
  • Erstens wird, infolge des Herstellungsprozesses für den Tank 30, der Spalt bzw. die Lücke 60 gebildet. Insbesondere werden, um die Verstärkungsschicht 55 auszubilden, zunächst Carbonfasern, die mit Epoxidharz imprägniert sind, um die Auskleidung 53 gewickelt, die Raumtemperatur hat, wobei ein Innendruck derart beibehalten wird, dass die Auskleidung 53 sich nicht aufgrund der Spannung des FW-Verfahrens verformt. Bei Abschluss der Wicklung ist noch kein Spalt 60 ausgebildet. In einem nachfolgenden Schritt wird die Auskleidung 53, um welche die Carbonfasern gewickelt wurden, erhitzt, während der Innendruck beibehalten wird, um dadurch das Epoxidharz des CFRP durch einen wärmehärtenden Prozess auszuhärten. Selbst bei diesem Schritt wird noch kein Spalt 60 ausgebildet. Nach dem wärmehärtenden Prozess jedoch zieht sich, wenn der Innendruck gesenkt wird und die Temperatur auf Raumtemperatur zurückkehrt, die Auskleidung 53 zusammen. Als Ergebnis wird, wie in 5 gezeigt ist, der Spalt 60 ausgebildet. Dies geschieht deshalb, weil die Auskleidung 53 im Vergleich zur Verstärkungsschicht 55 aufgrund eines unterschiedlichen Elastizitätsmoduls (e-Moduls) und linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 leichter dazu neigt, sich zusammenzuziehen oder auszudehnen.
  • Zweitens kann, selbst wenn kein Spalt 60 bei der Herstellung ausgebildet wird, da eine Niederdruckbedingung oder Niedertemperaturbedingung erfüllt ist, der Spalt 60 ausgebildet werden. Beispielsweise wird, wenn der Tankdruck von einem Zustand, in welchem kein Spalt ausgebildet ist, wie in 3 dargestellt, abnimmt, der in 5 gezeigte Spalt 60 ausgebildet. Dies geschieht dadurch, weil sich aufgrund des unterschiedlichen e-Moduls und dergleichen die Auskleidung 53 zusammen zieht, die Verstärkungsschicht 55 sich jedoch kaum verformt. In ähnlicher Weise wird, wenn die Tanktemperatur von einem Zustand abnimmt, in welchem kein Spalt ausgebildet ist, wie in 3 dargestellt, der in 5 gezeigte Spalt 60 ausgebildet. Hierbei nimmt die Größe des Spalts 60 zu, wenn der Tankdruck oder die Tanktemperatur sinkt. Das bedeutet, wenn die Ausgaberate von Wasserstoffgas zunimmt (siehe die 4A und 4B) neigt die Größe des Spalts 60 dazu, zuzunehmen.
  • 6 zeigt einen Graph, der schematisch die Beziehung zwischen der Größe des Spalts 60 und dem Tankdruck für eine Mehrzahl von Tanktemperaturen T1 bis T4 (T1 < T2 < T3 < T4) zeigt. Wie in 6 dargestellt ist, sinkt, solange die Tanktemperatur gleich ist, die Größe des Spalts 60 wenn der Tankdruck steigt. In ähnlicher Weise verringert sich, solange der Tankdruck gleich ist, die Größe des Spalts 60, wenn die Tanktemperatur steigt. Somit verringert sich, selbst wenn kein Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt wird, der Spalt 60 wenn die Tanktemperatur durch die Außenlufttemperatur ansteigt. Überdies wurde herausgefunden, dass, unter der Annahme dass die Größe des Spalts 60 gleich ist, wenn die Tanktemperatur abnimmt, ein höherer Tankdruck notwendig ist, um den Spalt 60 auszufüllen.
  • 5. Messung und Speicherung des Spaltmaßes
  • Die Größe des Spalts 60 hängt nicht nur von der Tanktemperatur und dem Tankdruck ab, sondern variiert abhängig von den Spezifikationen des Tanks 30. Beispielsweise variiert die Größe des Spalts 60 abhängig vom Material, das den Tank bildet (dem Material für die Auskleidung 53 und dem Material für die Verstärkungsschicht 55) oder der Körpergröße (Länge, Durchmesser, Volumen und dergleichen) des Tanks 30.
  • Ein Spaltmaß 62, das dem Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 entspricht, wie in 5 gezeigt, wird als Index verwendet, der die Größe des Spalts 60 anzeigt. Es sei angemerkt, dass angenommen wird, dass das Spaltmaß 62 dem Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 entspricht, wenn das Spaltmaß 62 über den gesamten Bereich der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 einheitlich ist, und das Spaltmaß 62 ferner dem längsten Abstand bzw. größten Abstand zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 entspricht, wenn das Spaltmaß 62 nicht einheitlich ist.
  • Das Spaltmaß 62 kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden. Beispielsweise wird der Tank 30 geröntgt, um das Innere des Tanks 30 darzustellen, um es dadurch möglich zu machen, das Spaltmaß 62 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 zu messen. Bei einem anderen Verfahren wird ferner ein Loch bzw. eine Öffnung durch die Verstärkungsschicht 55 des Tanks 30 gebohrt und ein Messfühler eines Abstandsmessers wird durch die Öffnung eingeführt, um das Spaltmaß 62 mechanisch zu erfassen bzw. messen. Eine derartige Messung des Spaltmaßes 62 wird im Entwicklungsstadium des Tanks 30 ausgeführt, und das Spaltmaß 62 wird durch das vorstehend beschriebene Verfahren nicht während des Einfüllens von Gas gemessen. Somit ist, bei dem Gasfüllsystem 1, das Spaltmaß 62 des Zieltanks 30 bereits bekannt und beispielsweise als Kennfeld hinterlegt.
  • 7 zeigt Beispiele von Kennfeldern M die relevant für das Spaltmaß 62 sind. Wie vorstehend beschrieben ist, variiert das Spaltmaß 62 abhängig von den Spezifikationen des Tanks 30, so dass Kennfelder M1 bis M3 für die jeweiligen Spezifikationen (Tank 30 1, Tank 30 2 und Tank 30 3) vorbereitet sind. Beispielsweise unterscheiden sich das Kennfeld M1 und das Kennfeld M2 voneinander hinsichtlich des Materials der Auskleidung 53. Da das Spaltmaß 62 zudem, wie vorstehend dargestellt, abhängig vom Tankdruck und der Tanktemperatur variiert, definiert jedes der für das Spaltmaß 62 relevanten Kennfelder M ein Spaltmaß entsprechend einem jedem Zustand, wobei die Ordinatenachse den Tankdruck und die Abszissenachse die Tanktemperatur darstellt. Beispielsweise nehmen, bei der Tanktemperatur T1, die Spaltmaße 62, die jeweils als B1 bis E1 in 7 dargestellt sind, sequentiell ab, wenn der Tankdruck steigt. Zudem nehmen, bei einem Tankdruck von 0 MPa, die Spaltmaße 62, die jeweils als A2 bis A5 in 7 dargestellt sind, sequentiell ab, wenn die Tanktemperatur steigt.
  • Hierbei sind die Kennfelder M in zumindest der Speichereinheit (ROM und dergleichen) des Controllers 46 des Fahrzeugs 3 und/oder der Speichereinheit (ROM und dergleichen) des Controllers 5 der Wasserstoffstation 2 gespeichert. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, wird, vor dem Einfüllen von Wasserstoffgas in den Tank 30, ein Kennfeld M, das dem Zieltank 30 entspricht, aus der Speichereinheit geladen, und das geladene Kennfeld M wird für den Tankdruck und die Tanktemperatur vor dem Einfüllen von Gas konsultiert. Hierdurch wird das Spaltmaß 62 vor dem Einfüllen von Gas berechnet. Dann wird auf Basis des berechneten Spaltmaßes 62 prognostiziert bzw. vorhergesagt oder bestimmt, ob eine Last, die größer oder gleich einem zulässigen Wert ist, beim anschließenden Einfüllen von Gas auf die Auskleidung 53 wirkt.
  • 6. Spaltindexwert
  • Ein Spaltindexwert ist einer von verschiedenen Indizes, die bei der Gasfüllsteuerung unter Berücksichtigung des Spaltmaßes im nachfolgenden Kapitel 7 verwendet werden (siehe die Schritte S5, S18 und dergleichen in 11). Der Spaltindexwert bezeichnet die Bruchdehnung δ der Auskleidung 53 oder einen Wert, der durch Multiplizieren der Bruchdehnung δ mit einem Sicherheitsfaktor erhalten wird. Die Bruchdehnung δ ist als Materialeigenschaft der Auskleidung 53 definiert und variiert abhängig von der Tanktemperatur. Insbesondere steigt, wie in 8 dargestellt, die Bruchdehnung δ, wenn die Tanktemperatur steigt. Der für den am Fahrzeug 3 angebrachten Tank 30 relevante Spaltindexwert ist, wie die Kennfelder M, in zumindest der Speichereinheit des Controllers 46 des Fahrzeugs 3 und/oder der Speichereinheit des Controllers 5 der Wasserstoffstation 2 gespeichert.
  • Es sei angemerkt, dass die Bruchdehnung δ anhand der Ergebnisse eines Zugversuchs erhalten werden kann und durch den folgenden mathematischen Ausdruck (1) ausgedrückt ist. δ = 100 × (lf – l0)/l0 (1)
  • Wobei die einzelnen Parameter folgendes bedeuten:
    • l0:
    Ausgangslänge der Auskleidung 53
    lf:
    permanente Ausdehnung der gebrochenen Auskleidung 53
  • 6-1. Mit dem Spaltindexwert zu vergleichender Wert
  • Bei der Gasfüllsteuerung im nachfolgend beschriebenen Kapitel 7 ist ein mit dem Spaltindexwert zu vergleichender Wert die Ausdehnung ε der Auskleidung 53, die notwendig ist, um den Spalt 60 auszufüllen.
  • Wenn Wasserstoffgas in den Tank 30 bei einem Zustand eingefüllt wird, wo der Spalt 60 zwischen der Auskleidung 53 und der Verstärkungsschicht 55 ausgebildet ist, wie in 9A dargestellt, dehnt sich die Auskleidung 53 aus, um, wie in 9B gezeigt, den Spalt 60 auszufüllen. Dies geschieht, weil der Tankdruck und die Tanktemperatur durch das Einfüllen von Gas zunehmen und sich die zusammengezogene Auskleidung 53 ausdehnt, bis die Auskleidung 53 mit der Verstärkungsschicht 55 in Kontakt tritt. Die Ausdehnung der Auskleidung 53 gegen den Spalt 60, das bedeutet die Ausdehnung ε der Auskleidung 53, die notwendig ist, um den Spalt 60 zu füllen, wird beispielsweise anhand des folgenden mathematischen Ausdrucks (2) berechnet. ε = 100 × (rf – r0)/r0 (2)
  • Wobei die einzelnen Parameter folgendes bedeuten:
    • r0:
    Anfangsaußendurchmesser der Auskleidung 53
    rf:
    Außendurchmesser der Auskleidung 53 wenn der Spalt 60 ausgefüllt ist
  • Wenn beispielsweise r0 = 50 mm ist, und das Spaltmaß 5 mm ist, ist rf = 55 mm, so dass die benötigte Ausdehnung ε der Auskleidung 53 gleich 10% ist.
  • Bei der Gasfüllsteuerung sind das berechnete Spaltmaß 62 und der Außendurchmesser rf der Auskleidung 53 bekannt, so dass die Ausdehnung ε, die notwendig ist um den Spalt 60 zu füllen, anhand des vorstehenden mathematischen Ausdrucks (2) berechnet werden kann. Die berechnete benötigte Ausdehnung ε wird dann mit dem Spaltindexwert verglichen. Wenn die benötigte Ausdehnung ε den Spaltindexwert übersteigt, wird vorhergesagt bzw. bestimmt, dass eine Last, die größer oder gleich einem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt.
  • Hierbei ist der Spaltindexwert (ein vorgegebener Grenzwert), der mit der berechneten benötigten Ausdehnung ε verglichen wird, der Wert entsprechend der Tanktemperatur zum Zeitpunkt des Vergleichs. Dies liegt daran, dass die Bruchdehnung δ von der Tanktemperatur abhängt, wie vorstehend beschrieben (siehe 8). Wenn daher die Tanktemperatur zunimmt, nimmt auch der eingestellte Spaltindexwert zu.
  • 7. Gasfüllsteuerung unter Berücksichtigung des Spaltmaßes
  • Nachfolgend wird eine Mehrzahl von Beispielen einer Steuerung hinsichtlich des Einfüllens von Wasserstoff, die durch das Gasfüllsystem 1 unter Berücksichtigung des Spaltmaßes 62 ausgeführt werden, beschrieben.
  • 7-1. Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate von Seiten des Fahrzeugs
  • 10 zeigt ein Blockschaubild, das funktionale Blöcke der Controller 5 und 46 zum Realisieren der Gasfüllsteuerung zeigt. Der Controller 46 des Fahrzeugs 3 hat eine Speichereinheit 70, eine Spaltmaßberechnungseinheit 71, eine Vorhersageeinheit 72 sowie einen Flussratenbestimmungseinheit 73. Überdies hat der Controller 5 der Wasserstoffstation 2 eine Betriebssteuereinheit 75, die das Einfüllen von Wasserstoffgas in den Tank 30 steuert.
  • Die Speichereinheit 70 speichert eines der vorstehend beschriebenen Kennfelder M entsprechend dem Tank 30, der am Fahrzeug 3 montiert ist, und speichert ferner die vorstehend beschriebenen Spaltindexwerte und dergleichen entsprechend dem Tank 30. Die Spaltmaßberechnungseinheit 71 konsultiert das Kennfeld M der Speichereinheit 70 für den erfassten Tankdruck und die erfasste Tanktemperatur, um dadurch das Spaltmaß 62 zu berechnen. Die Vorhersageeinheit 72 sagt auf Basis des berechneten Spaltmaßes 62 vorher, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die größer oder gleich einem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt. Die Flussratenbestimmungseinheit 73 bestimmt die Füllflussrate, mit der Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt wird. Insbesondere bestimmt, wenn die Vorhersageeinheit 72 vorhersagt, dass eine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, die Flussratenbestimmungseinheit 73, die Füllflussrate zu begrenzen. Informationen über die Füllflussrate, die durch die Füllflussratenbestimmungseinheit 73 bestimmt wird, werden an die Wasserstoffstation 2 durch Kommunikation zwischen dem Kommunikationsinstrument 44 und dem Kommunikationsinstrument 6 übertragen. Die Betriebssteuereinheit 75 steuert verschiedene Vorrichtungen (das Flussraten-Steuerventil 17 und dergleichen) der Wasserstoffstation 2, um die vom Fahrzeug 3 erhaltene Füllflussrate zu erzielen.
  • 11 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel einer Gasfüllsteuerung zeigt. Zuerst wird, wenn ein Tankdeckel des Fahrzeugs 3 geöffnet wird (Schritt S1) die Tatsache, dass der Tankdeckel geöffnet wird, durch einen (nicht dargestellten) Sensor erfasst, und der Controller (ECU) 46 des Fahrzeugs 3 startet (Schritt S2). Danach starten der Drucksensor 36, der Temperatursensor 38 und das Kommunikationsinstrument 44 (Schritt S3). Um diese Vorrichtungen zu starten wird elektrische Leistung bzw. Strom von der Niederspannungsbatterie zugeführt. Es sei angemerkt, dass das Erfassen der Verbindung des Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 durch einen Sensor als Auslöser für das Starten des Controllers 46 und dergleichen verwendet werden kann.
  • Anschließend wird das Spaltmaß 62 vor dem Einfüllen von Gas aus dem Tankdruck und der Tanktemperatur, die vom Drucksensor 36 und Temperatursensor 38 erfasst wurden (nachfolgend als „Tankanfangsdruck” und „Tankanfangstemperatur” bezeichnet), vor dem Einfüllen von Gas berechnet (Schritt S4). Insbesondere konsultiert, da Informationsteile über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur zeitweilig zum Beispiel im RAM des Controllers 46 gespeichert werden, die Spaltmaßberechnungseinheit 71 das Kennfeld M in der Speichereinheit 70 hinsichtlich der zeitweilig gespeicherten Informationen, um dadurch das Spaltmaß 62 zu berechnen.
  • Im nachfolgenden Schritt S5 wird die Ausdehnung ε der Auskleidung 53, die notwendig ist um den Spalt 60 auszufüllen, basierend auf dem berechneten Spaltmaß 62 berechnet, und dann wird bestimmt, ob die berechnete benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt bzw. unter diesem liegt. Durch diese Bestimmung wird vorhergesagt, ob eine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, aufgrund des nachfolgenden Einfüllens von Gas auf die Auskleidung 53 wirkt. Diese Vorhersage wird durch die Vorhersageeinheit 72 getroffen, und der mit der berechneten benötigten Ausdehnung ε zu vergleichende Spaltindexwert entspricht dem für die Tankanfangstemperatur.
  • Wenn die berechnete benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt (JA in Schritt S5) wird vorhergesagt, dass durch das Einfüllen von Gas keine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, so dass der Vorgang mit dem Ablauf zum normalen Wasserstoffgaseinfüllen fortfährt (Schritte S6 bis S13). Wenn dagegen die berechnete benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S5) wird vorhergesagt, dass durch das Einfüllen von Gas eine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, so dass der Vorgang mit dem Ablauf zum Begrenzen der Füllflussrate fortfährt (Schritte S14 bis S20).
  • Bei dem Ablauf zum normalen Wasserstoffgaseinfüllen verbindet zunächst ein Nutzer den Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 (Schritt S6). Wenn dieser Schritt bereits ausgeführt wurde, wird Schritt S6 übersprungen. Anschließend werden Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur an den Controller 5 der Wasserstoffstation 2 mittels Kommunikation übertragen (Schritt S7). Die Betriebssteuereinheit 75 des Controllers 5 konsultiert ein Füllflussratenkennfeld für den erhaltenen Tankanfangsdruck und die erhaltene Tankanfangstemperatur, um eine Füllflussrate zu bestimmen und startet dann das Einfüllen von Gas (Schritt S8). Es sei angemerkt, dass das Füllflussratenkennfeld zumindest die Beziehung zwischen dem Tankdruck und der Füllflussrate und die Beziehung zwischen der Tanktemperatur und der Füllflussrate definiert, und in der Speichereinheit des Controllers 5 hinterlegt ist. Während des Einfüllens von Gas werden der Tankdruck und die Tanktemperatur erfasst und bei Bedarf übertragen, und das Füllflussratenkennfeld wird bezüglich des erfassten Tankdrucks und der erfassten Tanktemperatur konsultiert, um dadurch die Füllflussrate zu ändern.
  • Als ein Ergebnis des Einfüllens von Gas endet, wenn Gas vollständig in den Tank 30 eingefüllt wurde, oder gemäß dem durch den Nutzer gewünschten Füllzustand in den Tank 30 eingefüllt wurde, das Einfüllen von Gas (Schritt S9). Danach entfernt der Nutzer den Tankrüssel 12 aus der Aufnahme 32 (Schritt S10) und schließt den Tankdeckel (Schritt S11). Dann wird die Stromversorgung des Drucksensors 36, des Temperatursensors 38 und des Kommunikationsinstruments 44 deaktiviert (Schritt S12), und die Stromversorgung des Controllers 46 wird deaktiviert (Schritt S13). Auf diese Weise endet der Ablauf zum normalen Wasserstoffgaseinfüllen.
  • Dagegen verbindet, bei dem Ablauf zum Begrenzen der Füllflussrate der Nutzer zunächst den Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 (Schritt S14), wenn der Nutzer den Tankrüssel 12 noch nicht mit der Aufnahme 32 verbunden hat. Anschließend werden, zusätzlich zu den Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur, Informationen über die begrenzte Füllflussrate, auf welche die Flussratenbestimmungseinheit 73 entschieden hat, die Füllflussrate zu begrenzen, an den Controller 5 der Wasserstoffstation 2 mittels Kommunikation übertragen (Schritt S15). In Reaktion hierauf startet die Betriebssteuereinheit 75 des Controllers 5 das Einfüllen von Gas mit der durch die Flussratenbestimmungseinheit 73 bestimmte, begrenzte Füllflussrate (Schritt S16). Es sei angemerkt, dass die Füllflussrate, auf welche die Flussratenbestimmungseinheit 73 die Füllflussrate begrenzt hat, niedriger ist, als die Füllflussrate, die zum Zeitpunkt des Starts des normalen Wasserstoffgaseinfüllens verwendet wird.
  • Während des Einfüllens von Gas mit der begrenzten Füllflussrate werden der Tankdruck und die Tanktemperatur bei Bedarf erfasst, und das Spaltmaß 62 zu diesem Moment wird berechnet (Schritt S17). Darüber hinaus wird die benötigte Ausdehnung ε der Auskleidung 53 auf Basis des berechneten Spaltmaßes 62 erneut berechnet, und dann wird die benötigte Ausdehnung ε mit dem Spaltindexwert verglichen (Schritt S18). Wenn, als Ergebnis, die benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S18) wird das Einfüllen von Gas mit der begrenzten Füllflussrate fortgesetzt (Schritt S19). Wenn dagegen die benötigte Ausdehnung ε durch das Einfüllen von Gas unter den Spaltindexwert fällt (JA in Schritt S18) wird Wasserstoffgas ohne Begrenzung der Füllflussrate in den Tank 30 gefüllt (Schritt S20).
  • Das bedeutet, während des Einfüllens von Gas mit der begrenzten Füllflussrate konsultiert die Spaltmaßberechnungseinheit 71 bei Bedarf das Kennfeld M für den Tankdruck und die Tanktemperatur während des Einfüllens von Gas, um das Spaltmaß 62 zu berechnen. Darüber hinaus bestimmt, auf Basis des bei Bedarf berechneten Spaltmaßes 62, die Vorhersageeinheit 72, ob es möglich ist, die Begrenzung der Füllflussrate aufzuheben. Wenn festgestellt wird, dass es möglich ist, die Begrenzung der Füllflussrate aufzuheben, wird daher ein Signal, das die Aufhebung der Begrenzung der Füllflussrate anzeigt, an die Wasserstoffstation 2 mittels Kommunikation übertragen, und die Betriebssteuereinheit 75 schaltet von einem Gaseinfüllen bei begrenzter Füllflussrate auf ein normales Wasserstoffgaseinfüllen um, in welchem das entsprechende Füllflussratenkennfeld konsultiert wird.
  • Bei einem Beispiel dieser Schritte S16 bis S20 wird, während einer Zeitspanne vom Start des Einfüllens von Gas, über die Ausdehnung der Auskleidung 53, bis das Spaltmaß 62 Null wird, Wasserstoffgas mit der begrenzten Füllflussrate in den Tank 30 gefüllt. Dann wird, nachdem das Spaltmaß 62 aufgrund des Einfüllens von Gas Null wird, Wasserstoffgas ohne Begrenzung der Füllflussrate in den Tank 30 gefüllt. Wenn das Spaltmaß 62 Null ist, tritt nämlich keine weitere Ausdehnung der Auskleidung 53 auf und keine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, wirkt auf die Auskleidung 53. Es sei angemerkt, dass, bei einem anderen Beispiel, wenn vorhergesagt wird, dass keine Last die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, während dem vorgenannten Zeitraum auf die Auskleidung 53 wirkt, die Begrenzung der Füllflussrate aufgehoben werden kann. Ein weiteres spezifisches Beispiel der Steuerung zum begrenzen der Füllflussrate wird im späteren Kapitel 7-3 beschrieben.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Gasfüllsteuerung wird das Spaltmaß 62 im Tank 30 vor dem Einfüllen von Gas berechnet, es wird vorhergesagt, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die größer oder gleich einem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, und, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung wirkt, wird Wasserstoffgas mit der begrenzten Füllflussrate in den Tank 30 gefüllt. Hierdurch ist es möglich, die Deformationsgeschwindigkeit bzw. Verformungsgeschwindigkeit (Ausdehnungsgeschwindigkeit) der Auskleidung 53 während des Einfüllens von Gas zu unterdrücken, so dass es möglich ist, eine Last auf die Auskleidung 53 zu verringern. Darüber hinaus kann, verglichen zu einem Fall, wo das Einfüllen von Gas verhindert wird und der Anstieg der Tanktemperatur durch die Außenlufttemperatur erwartet wird, der Spalt 60 in kurzer Zeit verschlossen werden.
  • Überdies wird, selbst wenn die Füllflussrate begrenzt ist, Wasserstoffgas ohne Begrenzung der Füllflussrate in den Tank 30 eingefüllt, nachdem der Spalt 60 ausgefüllt ist, so dass es möglich ist, die Zeitspanne für das Einfüllen von Gas als ganzes zu verringern. Wenn dagegen vorhergesagt wird, dass keine Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, wird die Füllflussrate nicht begrenzt, so dass es möglich ist, ein schnelles Betanken mit Gas auszuführen. Das bedeutet, mit der Gasfüllsteuerung wird die Füllflussrate nur begrenzt, wenn die benötigte Ausdehnung ε auf oder über den Spaltindexwert fällt, so dass es möglich ist, sowohl eine Verringerung der Last auf die Auskleidung 53 als auch eine Verringerung der Zeitspanne für das Einfüllen von Gas zu erzielen.
  • Überdies wird auf Seiten des Fahrzeugs 3 bestimmt, ob die Füllflussrate begrenzt werden soll, und diese Information wird dann zu der Wasserstoffstation 2 übertragen, so dass es möglich ist, die Steuerung zur Begrenzung der Füllflussrate auf Seiten des Fahrzeugs 3 auszuführen. Hierdurch können das vorab gespeicherte Kennfeld M und die vorab gespeicherten Spaltindexwerte nur dergestalt sein, dass sie dem Tank 30 entsprechen, der am Fahrzeug 3 montiert ist. In anderen Worten: Die Wasserstoffstation 2 muss keine Kennfelder M und Spaltindexwerte speichern, die den Tanks aller Fahrzeuge entsprechen oder die Software aktualisieren.
  • 7-2. Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate von Seiten der Gasstation
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 12 und 13 ein Beispiel beschrieben, in welchem die Wasserstoffstation 2 die Initiative zum Ausführen der Gasfüllsteuerung nach dem vorstehenden Kapitel 7-1 ergreift. Es sei angemerkt, dass auf ähnliche Beschreibungsteile wie beim vorgenannten Kapitel 7-1 an geeigneter Stelle verzichtet wird.
  • 12 zeigt ein Blockschaubild, das funktionale Blöcke bzw. Funktionsblöcke des Controllers 5 der Wasserstoffstation 2 zum Realisieren der Gasfüllsteuerung zeigt. Der Controller 5 umfasst nicht nur die Betriebssteuereinheit 75 sondern auch die Speichereinheit 70, die Spaltmaßberechnungseinheit 71, die Vorhersageeinheit 72 sowie die Flussratenbestimmungseinheit 73, die als funktionale Blöcke auf Seiten des Fahrzeugs 3 in 10 dargestellt sind. In diesem Fall speichert die Speichereinheit 70 Kennfelder M und Spaltindexwerte für Tanks, die wahrscheinlich an der Wasserstoffstation 2 gefüllt werden.
  • 13 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel einer Steuerung zeigt, die durch die Wasserstoffstation 2 ausgeführt wird. Zunächst verbindet der Nutzer den Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 (Schritt S31). Dann starten, auf Seiten des Fahrzeugs 3, der Drucksensor 36, der Temperatursensor 38, das Kommunikationsinstrument 44 und der Controller 46 (siehe Schritte S2 und S3 aus 11), und der Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur werden durch den Drucksensor 36 und den Temperatursensor 38 erfasst. Die erfassten Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur werden zeitweilig zum Beispiel im RAM des Controllers 46 hinterlegt.
  • Anschließend empfängt das Kommunikationsinstrument 6 auf Seiten des Tankrüssels 12 die Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur vom Kommunikationsinstrument 44 auf Seiten des Fahrzeugs 3 (Schritt S32). Das bedeutet, das Kommunikationsinstrument 6 der Wasserstoffstation 2 dient als Informationsbeschaffungseinheit, die durch den Drucksensor 36 und den Temperatursensor 38 am Fahrzeug 3 erfasste Ergebnisse als Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur mittels Kommunikation erfasst. Zum Zeitpunkt des Empfangs der Informationen empfängt das Kommunikationsinstrument 6 auch Informationen über die Spezifikationen des Tanks 30, beispielsweise das Volumen des Tanks 30.
  • Danach konsultiert die Spaltmaßberechnungseinheit 71 in der Wasserstoffstation 2 eines der in der Speichereinheit 70 hinterlegten Kennfelder M entsprechend den Tank 30 für die erhaltenen Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur, um dadurch das Spaltmaß 62 zu berechnen (Schritt S33). Dann berechnet, wie im vorstehend beschriebenen Fall, die Vorhersageeinheit 72 die Ausdehnung ε der Auskleidung 53, die notwendig ist, um den Spalt 60 zu füllen, auf Basis des berechneten Spaltmaßes 62, und vergleicht die berechnete benötigte Ausdehnung ε mit dem Spaltindexwert (Schritt S34).
  • Wenn die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt (JA in Schritt S34), fährt das Verfahren mit den Ablauf des normalen Wasserstoffgaseinfüllens wie im vorstehend beschriebenen Fall fort (Schritte S35 und S36). Zudem endet dieser Ablauf, wenn der Nutzer den Tankrüssel 12 von der Aufnahme 32 trennt (Schritt S37).
  • Wenn dagegen die benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S34), fährt das Verfahren mit dem Ablauf zum begrenzen der Füllflussrate wie im vorstehend beschriebenen Fall fort (Schritte S38 bis S40). Zu diesem Zeitpunkt startet die Betriebssteuereinheit 75 das Einfüllen von Gas mit der begrenzten Füllflussrate, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit entschieden hat, die Füllflussrate zu begrenzen (Schritt S38). Dann wird, während des Einfüllens von Gas, die bei Bedarf berechnete benötigte Ausdehnung ε ebenso mit dem Spaltindexwert verglichen, wie im vorstehend beschriebenen Fall (Schritt S39). Wenn die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt (JA in Schritt S39) wird die Begrenzung der Füllflussrate aufgehoben (Schritt S41) und ein normales Gaseinfüllen wird ausgeführt; wohingegen, wenn die benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S39), das Einfüllen von Gas mit der begrenzten Füllflussrate fortgesetzt wird (Schritt S40).
  • Obgleich in 13 nicht dargestellt, basiert Schritt S32 auf der Annahme, dass, während des Einfüllens von Gas, der erfasste Tankdruck und die erfasste Tanktemperatur mittels Kommunikation an die Wasserstoffstation 2 übertragen werden, und auf Seiten der Wasserstoffstation 2 das Echtzeit-Spaltmaß 62 berechnet wird (ähnlich dem Schritt S16 in 11) und die benötigte Echtzeit-Ausdehnung ε anhand des berechneten Spaltmaßes 62 berechnet wird.
  • Selbst mit der vorstehend beschriebenen Gasfüllsteuerung ist es, wie im Fall der in Kapitel 7-1 beschriebenen Gasfüllsteuerung, möglich, sowohl eine Verringerung der Last auf die Auskleidung 53 während des Einfüllens von Gas, als auch eine Verringerung der Zeitspanne für das Einfüllen von Gas zu erzielen. Insbesondere ist es mit der Gasfüllsteuerung möglich, die Steuerung derart auszuführen, um die Füllflussrate unter der Initiative der Wasserstoffstation 2 zu begrenzen, so dass es nicht notwendig ist, eine Bestimmung- bzw. Erfassungsfunktion auf Seiten des Fahrzeugs 3 vorzusehen.
  • 7-3. Spezifisches Beispiel einer Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate
  • Nachfolgend wird ein spezifisches Beispiel einer Steuerung zum Begrenzen der Füllflussrate unter Bezugnahme auf die 14 bis 15B beschrieben. Das Beispiel der Steuerung wird ausgeführt, wenn die benötigte Ausdehnung ε auf oder über den Spaltindexwert fällt (beispielsweise bei den Schritten S14 bis S20 in 11 und den Schritten S38 bis S41 in 13). Bei dem Beispiel der Steuerung wird ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit und der Bruchdehnung definiert, wie in 15 gezeigt, für die benötigte Ausdehnung ε konsultiert, die mit dem Spaltindexwert verglichen werden soll, und dadurch wird die Füllflussrate begrenzt, um eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit zu erreichen, die geringer ist als die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei welcher die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt. Es sei angemerkt, dass die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit bedeutet, mit welcher sich die Auskleidung 53 ausdehnt, um den Spalt 60 zu füllen. Darüber hinaus ist die Bruchdehnung die Bruchdehnung δ der Auskleidung 53 und ist ein Referenzwert des Spaltindexwerts, wie vorstehend beschrieben.
  • Zuerst wird ein Verfahren zum Bestimmen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit unter Bezugnahme auf das Modell aus 14 beschrieben. In diesem Modell wird angenommen, dass die Auskleidung 53 ein dünnwandiges zylindrisches Druckgefäß ist, und die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' in Umfangsrichtung (Auskleidungsverformungsbetrag in Umfangsrichtung pro Zeiteinheit) wird bestimmt. Hierbei gelten die nachfolgenden mathematischen Ausdrücke (3) und (4) auf Basis der Definition der Beanspruchung. Darüber hinaus gilt der folgende mathematische Ausdruck (5) auf Basis des Kräftegleichgewichts in Radialrichtung, und der folgenden mathematische Ausdruck (6) gilt zudem bei der Zustandsgleichung für Gas. l' = ε'Di (3) ε' = σθ'/E (4) σθ' = p'Di/2t (5) p' = n'RT/V (6)
  • Die Bedeutung der einzelnen Parameter ist dabei wie folgt:
    • l':
    Auskleidungsverform ungsbetrag in Umfangsrichtung pro Zeiteinheit [m/min]
    ε':
    Auskleidungsbeanspruchungszunahme in Umfangsrichtung pro Zeiteinheit [1/min]
    σθ':
    Belastungsznahme in Umfangsrichtung pro Zeiteinheit [Pa/min]
    Di:
    Auskleidungsinnendurchmesser [m]
    t:
    Auskleidungsdicke [m]
    E:
    e-Modul der Auskleidung [Pa]
    p':
    Auskleidungsinnendruckanstieg [Pa/min]
    n':
    Füllmenge pro Zeiteinheit [mol/min]
    R:
    Gaskonstante von Wasserstoffgas [J/(mol·K)]
    T:
    Tanktemperatur [K]
    V:
    Tankvolumen (Auskleidungsvolumen) [m3]
  • Ausgehend von den vorstehend dargestellten mathematischen Ausdrücken (3) bis (6) kann die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' wie folgt dargestellt werden: l' = Di 2n'RT/2EtV (7)
  • Wie in dem mathematischen Ausdruck (7) dargestellt ist, wurde herausgefunden, dass die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' anhand der Füllmenge pro Zeiteinheit n', d. h. der Füllflussrate, berechnet werden kann. Die 15A und 15B zeigen beispielhaft Kennfelder, welche die Beziehung zwischen der derart berechneten Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' und der Bruchdehnung δ für den Tank 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigen.
  • 15A zeigt das Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' und der Bruchdehnung δ für eine Tanktemperatur zeigt, wobei die Bereiche auf beiden Seiten der Kurve Sa sich im Vorliegen oder Fehlen des Bruchs der Auskleidung 53 unterscheiden. Das bedeutet, wenn sich die Auskleidung 53 mit der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' ausdehnt, die in den Bereich über der Kurve Sa fällt, bricht die Auskleidung 53, wohingegen, wenn die Auskleidung 53 sich mit der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' ausdehnt, die in den Bereich unter der Kurve Sa fällt, die Auskleidung 53 nicht bricht.
  • Ein Beispiel zum Begrenzen der Füllflussrate wird nun beschrieben. Zunächst wird, wenn ein normales Wasserstoffgaseinfüllen (ohne Begrenzung der Füllflussrate) ausgeführt wird (siehe Schritt S8 in 11 und Schritt S35 in 13), wenn die benötigte Ausdehnung ε der Auskleidung 53, die vor dem Einfüllen von Gas berechnet wurde, ε1 ist, die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l2', und die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, wirkt auf die Auskleidung 53. Dem gegenüber sollte, um die Füllflussrate derart zu begrenzen, dass die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, nicht auf die Auskleidung 53 wirkt, die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit geringer als die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l1' sein. Der Maximalwert (nmax') der begrenzten Füllflussrate kann wie folgt ausgedrückt werden, wenn der vorstehend genannte mathematische Ausdruck (7) umgewandelt wird, so dass Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt wird, ohne den Maximalwert (nmax') zu übersteigen: nmax' = 2EtV·l1'/Di 2RT
  • Hierbei variiert, wie aus 15A ersichtlich ist, der Maximalwert der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l', der während des Einfüllens von Gas verwendet werden kann, abhängig von der benötigten Ausdehnung ε, die vor dem Einfüllen von Gas berechnet wurde. Das bedeutet, die begrenzte Menge oder maximale Menge der Füllflussrate variiert abhängig von der benötigten Ausdehnung ε, die vor dem Einfüllen von Gas berechnet wurde, oder dem Spaltmaß 62. Wenn die benötigte Ausdehnung ε vor dem Einfüllen von Gas beispielsweise ε2 ist, wirkt, verglichen zu dem Fall, wo die benötigte Ausdehnung ε vor dem Einfüllen von Gas ε1 ist (wobei ε1 > ε2), die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, nicht auf die Auskleidung 53, selbst wenn eine größere Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit (zumindest l2') verwendet wird, so dass die Füllflussrate erhöht werden kann (die begrenzte Menge bzw. Begrenzungsmenge verringert werden kann).
  • 15B zeigt die Kurve Sa für die Tanktemperatur Ta und die Kurve Sb für die Tanktemperatur Sb (wobei Ta < Tb) als ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l' und der Bruchdehnung δ definiert. Wenn das Kennfeld für die benötigte Ausdehnung ε konsultiert wird, die vor dem Einfüllen von Gas berechnet wurde, wird die Kurve Sa verwendet, wenn die Tanktemperatur Ta ist, und die Kurve Sb wird verwendet, wenn die Tanktemperatur Tb ist. Das bedeutet, wenn die Tanktemperatur hoch ist, steigt der Maximalwert der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l', die während dem Einfüllen von Gas verwendet werden kann, an, so dass die Füllflussrate erhöht werden kann (die Begrenzungsmenge verringert werden kann).
  • Die Füllflussrate kann erhöht werden, während die Füllflussrate begrenzt ist. Dies liegt daran, dass die Tanktemperatur aufgrund des Einfüllens von Gas ansteigt und daher der Maximalwert der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l', die während des Einfüllens von Gas verwendet werden kann, ansteigt. Ein Beispiel wird Bezug nehmend auf 15B beschrieben. Wenn als Ergebnis des Einfüllens von Wasserstoffgas mit der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l1' bei der Bedingung vor dem Einfüllen von Gas (die benötigte Ausdehnung ε ist ε1 und die Tanktemperatur ist Ta) die Bedingung (die benötigte Ausdehnung ε ist ε2 und die Tanktemperatur ist Tb) erfüllt ist, kann Wasserstoffgas mit der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l2' in den Tank 30 eingefüllt werden, die höher ist als die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit l1'. Somit kann, während des Einfüllens von Gas mit der begrenzten Füllflussrate, vor dem Wegnehmen der Begrenzung (siehe Schritt S20 in 11 und Schritt S41 in 13), die Füllflussrate erhöht werden, um die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit zu erhöhen, um das Einfüllen von Gas fortzusetzen.
  • Wie vorstehend beschrieben ist es, durch Begrenzen der Füllflussrate mit Fokus auf die Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit möglich, das Einfüllen von Gas so schnell wie möglich bei der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit durchzuführen, bei welcher die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, nicht auf die Auskleidung 53 wirkt. Es sei angemerkt, dass, zum Begrenzen der Füllflussrate in dem Beispiel der Steuerung, die Begrenzungsmenge bzw. begrenzte Menge der Füllflussrate durch die Füllflussratenbestimmungseinheit 73 abhängig von der berechneten benötigten Ausdehnung ε, dem berechneten Spaltmaß 62 und der Tanktemperatur bestimmt wird, und die Füllflussrate durch die Betriebssteuereinheit 75 während des Einfüllens von Gas begrenzt wird.
  • 7-4. Begrenzen der Füllflussrate auf Null
  • Nachfolgend wird ein Beispiel einer Steuerung beschrieben, bei welcher die Füllflussrate als Ergebnis der Berücksichtigung des Spaltmaßes 62 für das Einfüllen von Wasserstoffgas auf Null begrenzt wird.
  • (1) Steuerung von Seiten des Fahrzeugs
  • 16 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel der Ausführung der Steuerung von Seiten des Fahrzeugs 3 zeigt, um das Einfüllen von Gas zu verhindern. Der Unterschied zu der im vorstehenden Kapitel 7-1 beschriebenen 11 liegt darin, dass statt der Schritte S14 bis S20 in 11 die Schritte S51 bis S53 verwendet werden. Es sei angemerkt, dass die funktionalen Blöcke zum Realisieren der Gasfüllsteuerung die gleichen wie in 10 sind.
  • Wie in 16 gezeigt ist, bestimmt, wenn die berechnete benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S5) Die Flussratenbestimmungseinheit 73 auf Seiten des Fahrzeugs 3 die Begrenzung der Füllflussrate auf Null, und das Verfahren fährt mit dem Ablauf zum Verhindern des Einfüllens von Gas fort (Schritte S51 bis S53). In dem Ablauf zum Verhindern des Einfüllens von Gas verbindet der Nutzer, wenn er den Tankrüssel 12 noch nicht mit der Aufnahme 32 verbunden hat, den Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 (Schritt S51).
  • Anschließend werden Informationen über den Tankanfangsdruck und die Tankanfangstemperatur von Seiten des Fahrzeugs 3 auf Seiten der Wasserstoffstation 2 mittels Kommunikation übertragen, und Informationen über die begrenzte Füllflussrate, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit 73 bestimmt hat, die Füllflussrate zu begrenzen, d. h. Informationen bezüglich des Verringerns des Einfüllens von Gas, werden mittels Kommunikation zur Wasserstoffstation 2 übertragen (Schritt S52). In Reaktion hierauf beginnt die Betriebssteuereinheit 75 der Wasserstoffstation 2 nicht mit dem Einfüllen von Gas. Ein Signal, das Informationen über das Verhindern des Einfüllens von Gas anzeigt, ist hierbei ein Signal, das anzeigt, dass das Einfüllen von Gas nicht zulässig ist, oder ein Signal, das anzeigt, dass das Gaseinfüllen zeitweilig gestoppt ist (verzögerter Start des Gaseinfüllens).
  • Hiernach wird, wenn ein (nicht dargestellter) Sensor wahrnimmt, dass der Nutzer den Tankrüssel 12 von der Aufnahme 32 getrennt hat (JA in Schritt S53) der Strom zum Controller 46 und dergleichen allmählich ausgeschaltet, und das Verfahren endet ohne das Einfüllen von Wasserstoffgas (Schritte S11 bis S13). Dagegen wird, bis der Sensor die Trennung des Tankrüssels 12 erfasst (NEIN in Schritt S53), das Spaltmaß 62 bei Bedarf berechnet, um die benötigte Ausdehnung ε zu erhalten, und die benötigte Ausdehnung ε wird dann mit dem Spaltindexwert verglichen (Schritte S4 und S5). Da die Möglichkeit besteht, dass die Tanktemperatur oder dergleichen aufgrund des Verstreichens von Zeit zunimmt, und als Ergebnis die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt, wird die Bestimmung, ob Wasserstoffgas in den Tank 30 gefüllt werden soll, wiederholt, bis der Tankrüssel 12 entfernt wird.
  • Mit der vorstehend beschriebenen Gasfüllsteuerung wird, wenn vorhergesagt wird, dass die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, aufgrund des Einfüllens von Gas auf die Auskleidung 53 wirkt, das Einfüllen von Gas untersagt, so dass es möglich ist, eine auf die Auskleidung 53 wirkende Last zu unterdrücken.
  • Es sei angemerkt, dass, wenn das Einfüllen von Gas untersagt ist, der Nutzer über die Tatsache, dass das Einfüllen von Gas untersagt ist, informiert werden kann. Ein entsprechender Anzeigezeitpunkt kann der Zeitpunkt sein, wenn bestimmt wird, dass die benötigte Ausdehnung ε auf oder über den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S5), der Zeitpunkt, wenn der Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 verbunden wird (Schritt S51), der Zeitpunkt, wenn die Information über das Untersagen des Einfüllens von Gas mittels Kommunikation übertragen wird (Schritt S52), oder nicht der Zeitpunkt unmittelbar nachdem die Information über das Untersagen des Einfüllens von Gas übertragen wurde, sondern der Zeitpunkt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne (beispielsweise 30 Sekunden) verstrichen ist, nachdem die Information über das Untersagen des Einfüllens von Gas übertragen wurde. Überdies kann, wenn der Hinweis ausgegeben wird, der Hinweis über das Untersagen des Einfüllens von Gas nicht nur auf dem Display 42 des Fahrzeugs 3 oder dem Display 7 der Wasserstoffstation 2 ausgegeben werden, sondern es kann auch ein Hinweis- bzw. Alarmton ausgegeben werden. Es sei angemerkt, dass, wenn der Hinweis auf Seiten der Wasserstoffstation 2 ausgegeben wird, ein Signal, welches das Untersagen des Einfüllens von Gas anzeigt, in einem Übertragungssignal zum Zeitpunkt der Übertragung in Schritt S52 enthalten sein kann.
  • (2) Steuerung von Seiten der Gasstation
  • 17 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel der Ausführung der Steuerung von Seiten der Wasserstoffstation 2 zum Untersagen bzw. Verhindern des Einfüllens von Gas zeigt. Der Unterschied zur vorstehend in Kapitel 7-2 beschriebenen 13 liegt darin, dass anstelle der Schritte S38 bis S41 aus 13 die Schritte S61 und S62 verwendet werden. Die funktionalen Blöcke zum Realisieren der Gasfüllsteuerung sind die gleichen wie in 12.
  • Wie in 17 gezeigt ist, entscheidet, wenn die benötigte Ausdehnung ε nicht unter den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S34), die Flussratenbestimmungseinheit 73 auf Seiten der Wasserstoffstation 2, die Füllflussrate auf Null zu begrenzen, und das Verfahren fährt dann mit dem Ablauf zum Untersagen des Einfüllens von Gas fort (Schritte S61 und S62). Bei dem Ablauf zum Untersagen des Einfüllens von endet ändert, wenn eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist (JA in Schritt S61), das Verfahren, ohne dass Wasserstoffgas eingefüllt wird (Schritte S36 und S37). Dagegen wird, bis die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist (NEIN in Schritt S61), die Steuerung derart ausgeführt, als würde sie auf den Start des Einfüllens von Gas warten (Schritt S62). Dann wird erneut die benötigte Ausdehnung ε durch Berechnung des Spaltmaßes 62 erfasst, und es wird bestimmt, ob die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt (Schritte S32 und S33). Dies liegt daran, dass es möglich ist, dass die Tanktemperatur oder dergleichen aufgrund des Verstreichens von Zeit zunimmt, und daher die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt, wie vorstehend beschrieben.
  • Hierbei kann die vorgegebene Zeitspanne in Schritt S61 auf einen gewählten Wert (beispielsweise 30 Sekunden oder 1 Minute) eingestellt sein. Die vorgegebene Zeitspanne kann ein fester Wert sein, oder kann in Reaktion auf die Außenlufttemperatur variabel sein. Überdies kann der Start der vorgegebenen Zeitspanne auf den Zeitpunkt eingestellt sein, bei welchem der Tankrüssel 12 mit der Aufnahme 32 verbunden wurde (zum Zeitpunkt des Abschlusses von Schritt S31), oder kann auf den Zeitpunkt eingestellt sein, bei welchem Informationen über die Tankanfangstemperatur, den Tankanfangsdruck und dergleichen mittels Kommunikation empfangen wurden (zum Zeitpunkt des Abschlusses von Schritt S32). Der Start der vorgegebenen Zeitspanne kann in geeigneter Weise eingestellt werden.
  • Auch mit der vorstehend beschriebenen Gasfüllsteuerung wird, wenn vorhergesagt wird, dass die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, aufgrund des Einfüllens von Gas auf die Auskleidung 53 wirkt, das Einfüllen von Gas untersagt, so dass es möglich ist, eine Last auf die Auskleidung 53 zu vermeiden.
  • Es sei angemerkt, dass, wenn das Einfüllen von Gas untersagt ist, es bevorzugt ist, den Nutzer mittels einer Anzeige auf dem Display 7 oder 42 oder einem Alarm, wie im vorstehenden Fall (1), darüber zu informieren, dass das Einfüllen von Gas untersagt ist. In diesem Fall ist es möglich, dass der Hinweis ausgegeben wird, wenn die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist (JA in Schritt S61). Darüber hinaus ist es, wenn der Hinweis auf Seiten des Fahrzeugs 3 ausgegeben wird, denkbar, dass ein Signal, welches anzeigt, dass das Einfüllen von Gas untersagt ist, von der Wasserstoffstation 2 zum Fahrzeug 3 übertragen wird.
  • (3) Anderes Beispiel zum Ausgeben eines Hinweises, dass das Einfüllen von Gas untersagt ist
  • 18 zeigt ein Flussschaubild, das ein Beispiel zum Ausführen einer Steuerung zum ausgeben einer Warnung auf Seiten des Fahrzeugs 3 zeigt, um das Einfüllen von Gas zu verhindern. Der Hauptunterschied zu 16 ist, dass statt der Schritte S51 bis S53 aus 16 die Schritte S71 bis S73 verwendet werden.
  • Wie in 18 dargestellt ist, zeigt, wenn das Verfahren mit dem Ablauf zum Verhindern bzw. Untersagen des Einfüllens von Gas fortfährt (Schritte S71 bis S73), da die benötigte Ausdehnung ε auf oder über den Spaltindexwert fällt (NEIN in Schritt S5), das Display 42 des Fahrzeugs 3 eine Warnung zum Untersagen des Einfüllens von Gas (Schritt S71). Ein Beispiel dieser Warnmeldung ist beispielsweise „führe das Einfüllen von Gas aus, wenn die Tanktemperatur höher oder gleich als XX°C ist”. Es sei angemerkt, dass statt der Warnanzeige ein Hinweiston aus einer (nicht dargestellten) Warnvorrichtung des Fahrzeugs 3 ausgegeben werden kann.
  • Hiernach wird, wenn der Nutzer den Tankdeckel schließt (JA in Schritt S42), die Warnung gestoppt (Schritt S73). Wenn ferner die Stromversorgung zum Controller 46 und dergleichen endet, endet das Verfahren, ohne dass Wasserstoffgas eingefüllt wird (Schritte S11 bis S13). Dagegen wird, bis der Tankdeckel geschlossen wird (NEIN in Schritt S27), das Spaltmaß 62 berechnet, um die benötigte Ausdehnung ε erneut zu erhalten, und die benötigte Ausdehnung ε wird mit dem Spaltindexwert verglichen (Schritte S4 und S5). Dies liegt daran, dass es möglich ist, dass die Tanktemperatur oder dergleichen aufgrund des Verstreichens von Zeit ansteigt, und als Ergebnis die benötigte Ausdehnung ε unter den Spaltindexwert fällt.
  • Auf diese Weise ist es, mit dem Beispiel der Gasfüllsteuerung, wenn vorhergesagt wird, das durch das Einfüllen von Gas die Last, die größer oder gleich dem zulässigen Wert ist, auf die Auskleidung 53 wirkt, möglich, den Nutzer auf Seiten des Fahrzeugs 3 darauf hinzuweisen, kein Brenngas einzufüllen, so dass es möglich ist, die Last auf die Auskleidung 53 zu unterdrücken. Ein derartiges Verfahren zum Untersagen von Einfüllen von Gas ist insbesondere nützlich, wenn es unmöglich ist, eine Kommunikation zwischen der Wasserstoffstation 2 und dem Fahrzeug 3 herzustellen. Es sei angemerkt, dass das Schließen des Tankdeckels ein Auslöser zum Stoppen der Warnmeldung ist, die Anmeldung hierauf jedoch nicht beschränkt ist.
  • Das Gasfüllverfahren, das Gasfüllsystem, die Gasstation und das Fahrzeug gemäß den Aspekten der Erfindung sind nicht auf die Anwendung von Wasserstoffgas begrenzt sondern können auch für anderes Brenngas, beispielsweise Erdgas verwendet werden.
  • Darüber hinaus können das Gasfüllverfahren, das Gasfüllsystem, die Gasstation und das Fahrzeug nicht nur für ein Fahrzeug sondern auch für eine andere mobile Einheit verwendet werden, die mit einem Tank als Ziel einer Gasfüllung von außen ausgestattet ist, beispielsweise für ein Schiff, ein Flugzeug oder einen Roboter.
  • Bei der vorstehenden Ausführungsform werden die Spaltmaße 62 als Kennfeld M zum Zeitpunkt des Starts des Einfüllens von Gas zum Ausführen der Steuerung geladen; jedoch kann es auch möglich sein, dass die vorstehende Steuerung nur durch Erfassen der Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur ausgeführt wird.
  • Obgleich Ausführungsformen der Erfindung vorstehend beschrieben wurden ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Details der dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern mit unterschiedlichen Änderungen, Modifikationen oder Verbesserungen ausführbar ist, welche für den Fachmann ersichtlich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (25)

  1. Gasfüllverfahren zum Füllen von Gas in einen Tank (30), der eine Auskleidung (53) und eine Verstärkungsschicht (55) aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung (53) ausgebildet ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es aufweist: Erfassen (S2) eines Tankdrucks und einer Tanktemperatur; Berechnen (S3) eines Spaltmaßes zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) vor dem Einfüllen von Gas in den Tank (30) auf Basis des Tankdrucks und der Tanktemperatur und einem vorab gespeicherten Kennfeld (M); Berechnen (55) einer Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und Bestimmen, ob die berechnete Ausdehnung (ε) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt; Vorhersagen, auf Basis der berechneten Ausdehnung (ε), ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt; und, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt (S5: NEIN), Begrenzen einer Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank (30) gefüllt wird, verglichen zu einem Fall, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung (53) wirkt (S5: JA).
  2. Gasfüllverfahren nach Anspruch 1, wobei das Begrenzen der Füllflussrate das Einfüllen von Gas mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank (30) während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne umfasst, während der sich die Auskleidung (53) durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen.
  3. Gasfüllverfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend: Einfüllen von Gas in den Tank (30) ohne Begrenzung der Füllflussrate nachdem zumindest die erste Zeitspanne verstrichen ist.
  4. Gasfüllverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, wenn die berechnete Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53) den vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
  5. Gasfüllverfahren nach Anspruch 4, wobei der vorgegebene Grenzwert eine Bruchdehnung (ε) der Auskleidung (53) ist und abhängig von der Tanktemperatur im Tank (30) variiert.
  6. Gasfüllverfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Begrenzen der Füllflussrate das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von der berechneten benötigten Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53) umfasst.
  7. Gasfüllverfahren nach Anspruch 6, wobei das Begrenzen der Füllflussrate das Begrenzen der Füllflussrate derart umfasst, dass ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen der Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Ausfüllens eines Spalts zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) und einer Bruchdehnung (ε) der Auskleidung (53) für die berechnete benötigte Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53) definiert, konsultiert wird, um eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit einzustellen, die niedriger ist als eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei der eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt.
  8. Gasfüllverfahren nach Anspruch 7, wobei eine Mehrzahl von Kennfeldern jeweils für die Tanktemperaturen im Tank (30) vorgesehen sind; und das Begrenzen der Füllflussrate das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von einer Tanktemperatur im Tank (30) umfasst, derart, dass ein Kennfeld aus der Mehrzahl von Kennfeldern konsultiert wird, das der Tanktemperatur entspricht, die zum Berechnen des Spaltmaßes verwendet wird.
  9. Gasfüllverfahren nach Anspruch 2, wobei das Begrenzen der Füllflussrate das Begrenzen der Füllflussrate derart umfasst, dass eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, mit welcher ein Spalt zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) ausgefüllt wird, niedriger ist als eine Auskleidungsverformungsgeschwindigkeit, bei der eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt.
  10. Gasfüllverfahren nach Anspruch 2, wobei das Begrenzen der Füllflussrate das Variieren einer begrenzten Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank (30) umfasst.
  11. Gasfüllverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Tank (30) an einer mobilen Einheit (3) angebracht ist und derart ausgebildet ist, dass Gas von einer außerhalb der mobilen Einheit (3) installierten Gasstation (2) eingefüllt werden kann, die mobile Einheit (3) eine begrenzte Füllflussrate zum Begrenzen der Füllflussrate bestimmt und Information über die bestimmte begrenzte Füllflussrate an die Gasstation (2) überträgt, und die Gasstation (2) das Gas auf Basis der Informationen über die begrenzte Füllflussrate, die von der mobilen Einheit (3) empfangen wurden, in den Tank (30) füllt.
  12. Gasfüllverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Tank (30) an einer mobilen Einheit (3) angebracht ist und derart ausgebildet ist, dass Gas von einer außerhalb der mobilen Einheit (3) installierten Gasstation (2) eingefüllt werden kann, das Berechnen des Spaltmaßes, das Vorhersagen, ob durch das Einfüllen von Gas eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, und das Begrenzen der Füllflussrate durch die Gasstation (2) ausgeführt werden.
  13. Gasfüllverfahren nach Anspruch 12, wobei die Gasstation (2), zum Berechnen des Spaltmaßes, Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank (30) mittels Kommunikation von der mobilen Einheit (3) empfängt.
  14. Gasfüllverfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend das Verhindern des Einfüllens von Gas, wenn die Füllflussrate auf Null begrenzt ist.
  15. Gasfüllsystem (1) mit einer mobilen Einheit (3), die mit einem Tank (30) ausgebildet ist, der eine Auskleidung (53) und eine Verstärkungsschicht (55) aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung (53) ausgebildet ist, und einer Gasstation (2), die außerhalb der mobilen Einheit (3) installiert ist und Gas in den Tank (30) füllt, dadurch gekennzeichnet, dass: zumindest die mobile Einheit (3) und/oder die Gasstation (2) aufweist: eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank (30) erfasst (S2), eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) vor dem Einfüllen von Gas in den Tank (30) auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld (M) berechnet (S3), eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet (S5) und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung (ε) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die, auf Basis der berechneten Ausdehnung (ε) vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank (30) eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, und eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird (S5: NEIN), dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank (30) gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung (53) wirkt (S5: JA).
  16. Gasfüllsystem (1) nach Anspruch 15, wobei die Gasstation (2) eine Betriebssteuereinheit hat, die das Füllen von Gas in den Tank (30) steuert, und, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, die Betriebssteuereinheit das Gas während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne, während der sich die Auskleidung (53) durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen, mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank (30) füllt, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat.
  17. Gasstation (2), die außerhalb einer mobilen Einheit (3) installiert ist, die mit einem Tank (30) ausgebildet ist, der eine Auskleidung (53) und eine Verstärkungsschicht (55) aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung (53) ausgebildet ist, und die Gas in den Tank (30) füllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstation (2) aufweist: eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank (30) erfasst (S2); eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) vor dem Einfüllen von Gas in den Tank (30) auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld (M) berechnet (S3); eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet (S5) und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung (ε) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die, auf Basis der berechneten Ausdehnung (ε) vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank (30) eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt; und eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird (S5: NEIN), dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank (30) gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird (S5: JA), dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung (53) wirkt.
  18. Gasstation (2) nach Anspruch 17, weiter aufweisend eine Betriebssteuereinheit, die das Füllen von Gas in den Tank (30) steuert, wobei, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt, die Betriebssteuereinheit das Gas während zumindest eines Teils einer ersten Zeitspanne, während der sich die Auskleidung (53) durch das Einfüllen von Gas verformt, um das Spaltmaß auf Null zu bringen, mit einer begrenzten Füllflussrate in den Tank (30) füllt, auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat.
  19. Gasstation (2) nach Anspruch 18, wobei die Betriebssteuereinheit das Gas ohne Begrenzungen der Füllflussrate in den Tank (30) füllt, nachdem zumindest die erste Zeitspanne verstrichen ist.
  20. Gasstation (2) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Informationserfassungseinheit als Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur im Tank (30) mittels Kommunikation von der mobilen Einheit (3) Ergebnisse erfasst, die von einem Temperatursensor und einem Drucksensor erfasst wurden, die an der mobilen Einheit (3) vorgesehen sind.
  21. Gasstation (2) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei, wenn die berechnete Ausdehnung (ε) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, die Vorhersageeinheit vorhersagt, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt.
  22. Gasstation (2) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Füllflussratenbestimmungseinheit die begrenzte Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank (30) variiert.
  23. Mobile Einheit (3) mit einem Tank (30), in den Gas von einer außerhalb vorgesehenen Gasstation (2) gefüllt wird, wobei der Tank (30) eine Auskleidung (53) und eine Verstärkungsschicht (55) aufweist, die auf einer Außenumfangsseite der Auskleidung (53) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Einheit (3) aufweist: eine Informationserfassungseinheit, die Informationen über den Tankdruck und die Tanktemperatur erfasst; eine Berechnungseinheit, die ein Spaltmaß zwischen der Auskleidung (53) und der Verstärkungsschicht (55) vor dem Einfüllen von Gas in den Tank (30) auf Basis der von der Informationserfassungseinheit erfassten Informationen und einem vorab gespeicherten Kennfeld (M) berechnet (S3); eine Vorhersageeinheit, die eine Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen, berechnet (S5) und bestimmt, ob die berechnete Ausdehnung (ε) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die, auf Basis der berechneten Ausdehnung (ε) vorhersagt, ob durch das Einfüllen von Gas in den Tank (30) eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt; eine Füllflussratenbestimmungseinheit, die, wenn vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt (S5: NEIN), bestimmt, die Füllflussrate, mit welcher das Gas in den Tank (30) gefüllt wird, verglichen zu einem Fall zu begrenzen, bei welchem vorhergesagt wird, dass die Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, nicht auf die Auskleidung (53) wirkt (S5: JA); und einen Transmitter, der Informationen über die begrenzte Füllflussrate auf welche die Füllflussratenbestimmungseinheit die Füllflussrate begrenzt hat, an die Gasstation (2) überträgt.
  24. Mobile Einheit (3) nach Anspruch 23, wobei, wenn die berechnete Ausdehnung (ε) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, vorhergesagt wird, dass eine Last, die gleich oder größer als ein zulässiger Wert ist, auf die Auskleidung (53) wirkt.
  25. Mobile Einheit (3) nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die Füllflussratenbestimmungseinheit die begrenzte Menge der Füllflussrate abhängig von zumindest dem berechneten Spaltmaß, einer Ausdehnung (ε) der Auskleidung (53), die notwendig ist, um das berechnete Spaltmaß auf Null zu bringen und/oder der Tanktemperatur im Tank (30) variiert.
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