EP2798225A2 - Verfahren zum bestimmen einer position eines kolbens in einem kolbendruckspeicher durch widerstandsmessung sowie geeignet ausgebildeter kolbendruckspeicher - Google Patents

Verfahren zum bestimmen einer position eines kolbens in einem kolbendruckspeicher durch widerstandsmessung sowie geeignet ausgebildeter kolbendruckspeicher

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EP2798225A2
EP2798225A2 EP12816300.3A EP12816300A EP2798225A2 EP 2798225 A2 EP2798225 A2 EP 2798225A2 EP 12816300 A EP12816300 A EP 12816300A EP 2798225 A2 EP2798225 A2 EP 2798225A2
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EP
European Patent Office
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piston
housing
accumulator
pressure accumulator
determining
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12816300.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Becker
Christoph Weisser
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2798225A2 publication Critical patent/EP2798225A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/06—Testing internal-combustion engines by monitoring positions of pistons or cranks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/04—Accumulators
    • F15B1/08—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor
    • F15B1/24—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor with rigid separating means, e.g. pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/30—Accumulator separating means
    • F15B2201/31—Accumulator separating means having rigid separating means, e.g. pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/50—Monitoring, detection and testing means for accumulators
    • F15B2201/515—Position detection for separating means

Definitions

  • Piston pressure accumulator by resistance measurement and suitably designed piston accumulator
  • the present invention relates to a method for determining a position of a piston within a piston accumulator.
  • the invention further relates to a method for checking information about a charge state of a piston accumulator.
  • the invention relates to a suitably designed piston accumulator and a monitoring device for monitoring a piston accumulator.
  • Piston accumulators are used to mechanically store energy. For example, in hydraulic hybrid vehicles
  • Piston pressure accumulator used to power for example, the
  • Braking wheels is generated to store and make them available, for example, during subsequent acceleration of the vehicle again.
  • a piston pressure accumulator can be provided as a separating element between two sub-volumes of the piston accumulator in an example cylindrical housing a displaceable piston.
  • Partial volumes a compressible fluid can be introduced.
  • a non-compressible fluid can be introduced.
  • the incompressible fluid can be replaced by a suitable incompressible fluid
  • Piston accumulator can be determined.
  • the position of the piston can be determined, for example, by limit switches, e.g. determine by means of a shift rod, the end position of the piston at one and / or other end of the memory within the housing of the piston accumulator.
  • the path or location of the piston can be sensed within the housing, for example by means of a piston rod, a cable measuring system or a Ultraschallwegmesssystem.
  • a first aspect of the present invention is in a
  • Piston pressure accumulator having a preferably at least partially electrically conductive housing and a displaceable within the housing, also preferably at least partially electrically conductive piston, determines the current position of the piston within the piston accumulator by measuring a distribution of electrical resistance along the housing.
  • an electrical current can be locally induced at a plurality of positions in the region of the housing, and then locally a resulting electrical potential distribution can be determined.
  • the current can be considered as
  • Underground structures used electrical resistance tomography can be determined with two other electrodes, for example, the distribution of electrical potential, as it is due to the induced current and due to the prevailing between the two electrodes electrical resistance.
  • Housing measured electrical resistance or self-adjusting has electrical potential distribution can by determining this
  • Potential distribution information about this position of the piston can be determined.
  • an electrical alternating current can be locally induced at several positions in the region of the housing.
  • This alternating current leads to a time-varying potential distribution on the housing of the piston accumulator.
  • By local measurement of the resulting time-dependent electrical potential distribution can be similar to the electrical impedance tomography even more accurate information about the current position of the piston within the housing of the
  • Piston accumulator can be obtained.
  • Piston accumulator on its housing having an electrode assembly which is adapted to determine a distribution of the electrical resistance along the housing in order to draw conclusions about the current position of the piston in the housing can.
  • Potentials along the housing can be measured using electrodes mounted externally on the housing or integrated into a wall of the housing. Such an external arrangement of
  • Electrodes can greatly facilitate sealing of the storage volume of the piston accumulator.
  • Fiber composite material may be formed. Such a trained
  • Piston pressure accumulator can have a comparatively low weight with high mechanical stability.
  • the fiber composite material can
  • impregnated with a thermosetting resin carbon fiber fabric include.
  • the housing of the piston accumulator can have a high electrical conductivity due to the electrical conductivity of the carbon fibers. This can on the one hand by attaching an electrode
  • the piston can, like the housing, consist of an electrically conductive material or, at least on its surface facing the housing, have such an electrically conductive material.
  • the piston may be made of metal.
  • Fiber composite material is formed, provided for the measurement of the distribution of the electric potential electrode assembly may be integrated directly into the fiber composite material.
  • electrodes may be integrated in a wall formed by the housing, which surrounds the pressure storage volumes.
  • Carbon fiber composite directly corresponding electrodes are implemented in the housing, for example in the form of metallic wires that can be contacted from outside the housing. Such incorporation of electrodes into the fiber composite material may allow for ease of manufacture of the housing of the piston accumulator as well as a reliable means of determining the position of the piston within the accumulator by means of the integrated electrode assembly.
  • Electrode assembly may include one or a plurality of 4-point measurement electrode pairs. Any 4-point measurement electrode pair can thereby having two electrodes for inducing the electric current and two electrodes for measuring the distribution of the electric potential between the electrodes.
  • the 4-point measurement electrode pairs may be arranged along the direction of movement of the piston on the housing.
  • Point measurement electrode pairs can thus be closed to a current position of the piston.
  • a distance of four-point measurement electrode pairs adjacent to the direction of movement of the piston can preferably be smaller than one
  • Such a small spacing of adjacent 4-point measurement electrode pairs may cause the piston to be adjacent to at least one of the 4-point measurement positions for any ingestible position.
  • Electrode pairs is.
  • the respective adjacent 4-point measuring electrode pair is due to the piston a strong change of
  • the previously described method for determining a position of the piston within a piston accumulator can be advantageously used to determine or check information about the state of charge of the piston accumulator based on the specific position of the piston.
  • Such a method may be carried out in a monitoring device for monitoring the piston accumulator.
  • the state of charge can be simple and generally sufficient
  • Reliability can be determined. However, it may occur at certain intervals or, for example, under certain working conditions
  • Piston accumulator is determined. This additional information allows a more accurate determination of the state of charge of the piston accumulator or a plausibility of the state of charge determined with other measurement methods.
  • Embodiments of the invention and possibly to achieve synergy effects.
  • Figure 1 shows a side sectional view through a piston pressure accumulator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows a cross-sectional view through a piston pressure accumulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a piston pressure accumulator 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the piston pressure accumulator 1 has a housing 3 in a lightweight construction, the majority of carbon fiber reinforced
  • CFRP CFRP
  • these CFRPs consist of electrically conductive carbon fibers and a non-conductive carbon fiber
  • the housing may for example have a cylindrical geometry with a diameter of, for example, 10-30 cm and a length of, for example
  • a piston 5 made of a likewise electrically conductive material such as a metal, e.g. Aluminum, arranged.
  • the piston 5 serves as a separating element between two sub-volumes 7, 9 within the housing 3 and seals them against each other.
  • the piston 5 is displaceable along a direction of movement 23 which corresponds to the center axis of the cylinder of the housing 3, so that the partial volumes 7, 9 can be varied.
  • a non-compressible fluid such as a liquid, in particular oil
  • a compressible fluid such as a gas
  • the piston 5 can depend on the in the
  • Partial volume 7 introduced amount of non-compressible fluid along the direction of movement 23 are displaced and store mechanical energy by building up a pressure in the compressible fluid contained in the second partial volume 9.
  • Due to the electrical conductivity of the material used for the housing 3 can be determined by a determination of the electrical resistance or the impedance at defined locations on the housing 3, a method for determining the position of the piston 5 within the closed housing 3 and, based on this information , a method for determining or
  • an electrode arrangement 15 is provided, which is designed to enable determination of a position of the piston by measuring a distribution of the electrical potential along the housing 3.
  • the electrode assembly 15 in this case have one or a plurality of 4-point measurement electrode pairs 17.
  • Each 4-point measuring electrode pair 17 in this case has two outer electrodes 19, via which a current with a magnitude I can be induced in the conductive housing 3. Due to this current I, a distribution of an electrical potential, which is dependent on the locally prevailing electrical resistance as it is caused by the housing 3 itself and, if appropriate, by an electrically conductive piston 5 adjacent thereto, is formed between the outer electrodes 19.
  • two further inner electrodes 21 are provided, with which a potential difference ⁇ can be measured.
  • the outer electrodes 19 and the inner electrodes 21 of a 4-point measuring electrode pair 17 may be arranged along a line which is transverse, preferably perpendicular, to the
  • Movement direction 23 of the piston 5 extends.
  • a distance s between adjacent 4-point measuring electrode pairs 17 may in this case preferably less than or equal to a length L of the piston 5 in the direction parallel to the Movement direction 23 may be selected.
  • the piston 5 adjoins one of the 4-point measuring electrode pairs 17 provided on the housing 3 for each position which it is capable of receiving within the housing 3.
  • Electrode pairs 17 each measured a self-adjusting between the inner electrodes 21 potential difference and thus a distribution of the electrical potential along the housing 3 are determined.
  • an external monitoring device 25 has both a controllable current source 27 and a
  • the power source 27 is electrically connected to the outer electrodes 19.
  • the voltage measuring device 29 is connected to the inner electrodes 21.
  • Housing 3 a A potential difference between two inner electrodes 21 can be determined with the aid of the voltage measuring device 29.
  • the information obtainable with the aid of the described method of a current position of the piston 5 within the housing 3 can be used inter alia to directly determine the SOC from the measured piston position, or a calculation model for calculating the current charge state of the piston accumulator 1 from the Initialize and / or correct measured variables pressure and temperature during operation.
  • a significantly higher accuracy of the calculated state of charge value can be achieved, in particular under dynamic operating conditions.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens (5) innerhalb eines Kolbendruckspeichers (1) sowie ein entsprechend ausgebildeter Kolbendruckspeicher (1) beschrieben. In einem Gehäuse (3) befindet sich hierbei ein verlagerbarer Kolben (5). An dem elektrisch leitfähigen Gehäuse (3) ist eine Elektrodenanordnung (15) mit einer Vielzahl von 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaaren (17) vorgesehen und dazu ausgebildet, eine Position des Kolbens (5) innerhalb des Gehäuses (3) durch Messen einer Verteilung eines elektrischen Widerstandes bzw. eines Potentials zwischen inneren Elektroden (21) bei Anlegen eines Stromes an äußere Elektroden (19) abhängig von einer Position entlang des Gehäuses (3) zu bestimmen. Die aufgrund der Messung der Potentialverteilung ermittelte Position des Kolbens kann zur Bestimmung oder Überprüfung eines Ladezustands des Kolbendruckspeichers (1) verwendet werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens in einem
Kolbendruckspeicher durch Widerstandsmessung sowie geeignet ausgebildeter Kolbendruckspeicher
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überprüfen einer Information über einen Ladezustand eines Kolbendruckspeichers. Ferner betrifft die Erfindung einen geeignet ausgebildeten Kolbendruckspeicher sowie eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines Kolbendruckspeichers.
Stand der Technik
Kolbendruckspeicher werden dazu verwendet, Energie mechanisch zu speichern. Beispielsweise werden bei Hydraulikhybridfahrzeugen
Kolbendruckspeicher dazu verwendet, Energie, die beispielsweise beim
Abbremsen von Rädern erzeugt wird, zu speichern und diese beispielsweise beim nachfolgenden Beschleunigen des Fahrzeugs wieder zur Verfügung zu stellen.
Bei einem Kolbendruckspeicher kann in einem beispielsweise zylindrischen Gehäuse ein darin verlagerbarer Kolben als Trennelement zwischen zwei Teilvolumina des Kolbendruckspeichers vorgesehen sein. In eines der
Teilvolumina kann ein komprimierbares Fluid eingeleitet werden. In das andere Teilvolumen kann ein nicht komprimierbares Fluid eingeleitet werden.
Insbesondere das nicht komprimierbare Fluid kann durch ein geeignetes
Ventilsystem in das entsprechende Teilvolumen ein- und daraus wieder abgeleitet werden, um Energie mechanisch durch Komprimieren des
komprimierbaren Fluids zu speichern bzw. wieder freizusetzen.
DE 10 2010 001 200 AI beschreibt einen herkömmlichen Kolbendruckspeicher.
Um eine Ladezustand (State Of Charge, SOC) des Kolbendruckspeichers bestimmen zu können, d.h. um bestimmen zu können, wie viel Energie aktuell in dem Kolbendruckspeicher mechanisch gespeichert ist, können Messgrößen, die den Energiegehalt determinieren, wie zum Beispiel der in dem
Kolbendruckspeicher herrschende Druck und die dabei vorherrschende
Temperatur, gemessen werden. Eine solche Druck- und Temperaturmessung ist mit einfachen Sensoren möglich.
Allerdings wurde beobachtet, dass insbesondere unter dynamischen
Betriebsbedingungen aufgrund z.B. einer Latenzzeit der Temperaturmessung zum Teil große Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Ladezustands auftreten können.
Alternativ kann der Ladezustand eines Kolbendruckspeichers anhand der aktuellen Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses des
Kolbendruckspeichers ermittelt werden. Die Position des Kolbens kann beispielsweise durch Endlagenschalter ermittelt werden, die z.B. mittels einer Schaltstange die Endposition des Kolbens am einen und/oder anderen Ende der Speichers innerhalb des Gehäuses des Kolbendruckspeichers ermitteln.
Alternativ kann der Weg bzw. Ort des Kolbens innerhalb des Gehäuses beispielsweise mittels einer Kolbenstange, einem Seilzugmesssystem oder einem Ultraschallwegmesssystem sensiert werden.
Derartige Systeme zum Bestimmen der aktuellen Position des Kolbens erfordern jedoch einen hohen baulichen Aufwand. Insbesondere kann es nötig sein,
Bauteile wie zum Beispiel Endlagenschalter oder eine Kolbenstange in das Innenvolumen des Kolbendruckspeichers zu integrieren, wobei es nötig sein kann, solche Bauteile nach außen hin mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden.
Offenbarung der Erfindung Das hierin vorgeschlagene Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers sowie ein entsprechend ausgestatteter Kolbendruckspeicher können es ermöglichen, die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers mit hoher Genauigkeit und trotzdem geringem baulichen Aufwand zu bestimmen.
Außerdem kann anhand der derart bestimmten Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers eine Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers ermittelt und damit eine auf andere Weise erhaltene
Information über diesen Ladezustand überprüft werden. Die Ladezustandsüberwachung des Kolbendruckspeichers kann damit zuverlässiger werden. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem
Kolbendruckspeicher, der ein vorzugsweise zumindest in Teilbereichen elektrisch leitfähiges Gehäuse und einen innerhalb des Gehäuses verlagerbaren, ebenfalls vorzugsweise zumindest in Teilbereichen elektrisch leitfähigen Kolben aufweist, die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers durch Messen einer Verteilung eines elektrischen Widerstandes entlang des Gehäuses bestimmt.
Hierzu kann an mehreren Positionen im Bereich des Gehäuses lokal ein elektrischer Strom induziert werden und daraufhin lokal eine resultierende elektrische Potentialverteilung bestimmt werden. Der Strom kann dabei als
Gleichstrom durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen zwei Elektroden erzeugt werden. Ähnlich wie bei der in der Geophysik zur Darstellung
unterirdischer Strukturen verwendeten elektrischen Widerstandstomografie kann beispielsweise mit zwei weiteren Elektroden die Verteilung des elektrischen Potentials, wie es sich aufgrund des induzierten Stroms und aufgrund des zwischen den beiden Elektroden vorherrschenden elektrischen Widerstands einstellt, bestimmt werden.
Da die Position des zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Kolbens innerhalb des Gehäuses des Kolbendruckspeichers einen Einfluss auf den an dem
Gehäuse gemessenen elektrischen Widerstand bzw. die sich einstellende elektrische Potentialverteilung hat, kann durch Bestimmen dieser
Potentialverteilung eine Information über diese Position des Kolbens ermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Messprinzips kann an mehreren Positionen im Bereich des Gehäuses lokal ein elektrischer Wechselstrom induziert werden. Dieser Wechselstrom führt zu einer sich zeitlich verändernden Potentialverteilung an dem Gehäuse des Kolbendruckspeichers. Durch lokale Messung der resultierenden zeitabhängigen elektrischen Potentialverteilung kann ähnlich wie bei der elektrischen Impedanztomographie eine noch genauere Information über die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses des
Kolbendruckspeichers erhalten werden.
Um das vorgeschlagene Verfahren ausführen zu können, kann ein
Kolbendruckspeicher an seinem Gehäuse eine Elektrodenanordnung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, eine Verteilung des elektrischen Widerstandes entlang des Gehäuses zu bestimmen, um daraus Rückschlüsse über die aktuelle Position des Kolbens in dem Gehäuse ziehen zu können.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Positionsbestimmungsverfahrens bzw. eines entsprechend ausgestalteten Kolbendruckspeichers kann darin gesehen werden, dass keine Messsensoren oder andere Bauelemente innerhalb des
Speichervolumens des Kolbendruckspeichers angeordnet zu werden brauchen. Die zu messende Verteilung des elektrischen Widerstandes bzw. des sich aufgrund des induzierten elektrischen Stroms einstellenden elektrischen
Potentials entlang des Gehäuses kann mithilfe von Elektroden gemessen werden, die außen an dem Gehäuse angebracht sind oder in eine Wandung des Gehäuses integriert sein können. Eine solche äußerliche Anordnung der
Elektroden kann ein Abdichten des Speichervolumens des Kolbendruckspeichers erheblich erleichtern.
Insbesondere kann das Gehäuse des Kolbendruckspeichers aus einem
Faserverbundmaterial ausgebildet sein. Derart ausgebildete
Kolbendruckspeicher können ein vergleichsweise geringes Gewicht bei hoher mechanischer Stabilität aufweisen. Das Faserverbundmaterial kann
beispielsweise ein mit einem aushärtenden Harz getränktes Kohlefasergewebe beinhalten. Insbesondere bei Kohlefaserverbundmaterialien (kohlefaserverstärkte Kunststoffe, CFK) kann das Gehäuse des Kolbendruckspeichers aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlefasern eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit kann einerseits durch Anbringen von Elektroden ein
elektrischer Strom innerhalb des Kohlefaser-Gehäuses induziert werden und andererseits durch Anbringen weiterer Elektroden eine Verteilung eines sich daraufhin einstellenden elektrischen Potentials bestimmt werden. Ein sich einstellendes lokales elektrisches Potential wird dabei von einer Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses abhängen, da der Kolben aufgrund seiner eigenen elektrischen Leitfähigkeit und der Tatsache, dass er an dem Gehäuse lokal anliegt, den elektrischen Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit in dem Bereich des Gehäuses, in dem er sich aktuell befindet, signifikant verändert. Der Kolben kann dabei ebenso wie das Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen oder zumindest an seiner zu dem Gehäuse gerichteten Oberfläche ein solches elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Beispielsweise kann der Kolben aus Metall bestehen.
Insbesondere wenn das Gehäuse des Kolbendruckspeichers mit einem
Faserverbundmaterial ausgebildet ist, kann die für die Messung der Verteilung des elektrischen Potentials vorgesehene Elektrodenanordnung direkt in das Faserverbundmaterial integriert sein. Mit anderen Worten können Elektroden in einer von dem Gehäuse gebildeten Wandung, die die Druckspeichervolumina umgibt, integriert sein.
Beispielsweise können bei einer Herstellung des Gehäuses mit einem
Kohlefaser- Verbundmaterial direkt entsprechende Elektroden in das Gehäuse implementiert werden, beispielsweise in Form von metallischen Drähten, die von außerhalb des Gehäuses kontaktiert werden können. Ein solches Integrieren von Elektroden in das Faserverbundmaterial kann sowohl eine einfache Herstellung des Gehäuses des Kolbendruckspeichers als auch eine zuverlässige Möglichkeit zur Bestimmung der Position des Kolbens innerhalb des Druckspeichers mit Hilfe der integrierten Elektrodenanordnung ermöglichen.
Die an dem Gehäuse des Kolbendruckspeichers vorgesehene
Elektrodenanordnung kann eine oder eine Vielzahl von 4-Punkt-Messung- Elektrodenpaaren aufweisen. Jedes 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaar kann dabei zwei Elektroden zum Induzieren des elektrischen Stromes und zwei Elektroden zum Messen der Verteilung des elektrischen Potentials zwischen den Elektroden aufweisen. Die 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaare können entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens an dem Gehäuse angeordnet sein.
Mit Hilfe der Vielzahl von 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaaren kann somit jeweils eine Verteilung eines elektrischen Widerstandes bzw. eines elektrischen Potentials in einem Teilbereich des Gehäuses des Kolbendruckspeichers entlang des Verfahrwegs des Kolbens innerhalb des Gehäuses bestimmt werden. Durch eine simultane oder sukzessive Messung des elektrischen Potentials an allen 4-
Punkt-Messung-Elektrodenpaaren kann damit auf eine aktuelle Position des Kolbens geschlossen werden.
Ein Abstand von entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens benachbarten 4- Punkt-Messung-Elektrodenpaaren kann dabei vorzugsweise kleiner sein als eine
Länge des Kolbens in einer Richtung parallel zu dieser Bewegungsrichtung.
Eine solche geringe Beabstandung von benachbarten 4-Punkt-Messung- Elektrodenpaaren kann dazu führen, dass der Kolben für jede beliebige einnehmbare Position benachbart zu zumindest einem der 4-Punkt-Messung-
Elektrodenpaare ist. Das jeweilige benachbarte 4-Punkt-Messung- Elektrodenpaar wird aufgrund des Kolbens eine starke Änderung des
gemessenen elektrischen Potentials zwischen zwei Elektroden des 4- Punkt- Messung- Elektrodenpaares erkennen, woraus sich auf die Präsenz des Kolbens in der Nähe dieser Position schließen lässt.
Das zuvor beschriebene Verfahren zum Bestimmen einer Position des Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um basierend auf der bestimmten Position des Kolbens eine Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers zu bestimmen oder zu überprüfen.
Ein solches Verfahren kann in einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Kolbendruckspeichers ausgeführt werden.
Beispielsweise kann im Normalbetrieb des Kolbendruckspeichers dessen Ladezustand lediglich aufgrund anderer Messgrößen wie zum Beispiel einem Druck und einer Temperatur des in dem Kolbendruckspeicher gespeicherten Fluides bestimmt werden. Anhand solcher einfach zu ermittelnden Messgrößen kann der Ladezustand einfach und mit im Allgemeinen ausreichender
Zuverlässigkeit bestimmt werden. Allerdings kann es in gewissen Zeitabständen oder beispielsweise bei bestimmten Arbeitsbedingungen des
Kolbendruckspeichers vorteilhaft sein, die derart durchgeführte
Ladezustandsmessung zu überwachen oder zu kalibrieren, indem zusätzlich eine Information über die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des
Kolbendruckspeichers ermittelt wird. Diese zusätzliche Information erlaubt eine genauere Bestimmung des Ladezustands des Kolbendruckspeichers bzw. eine Plausibilisierung des mit anderen Messverfahren ermittelten Ladezustands.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von
Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf das Verfahren zum Bestimmen der Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers, teilweise mit Bezug auf das Verfahren zum Überprüfen der Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers und teilweise mit Bezug auf einen entsprechend ausgestalteten Kolbendruckspeicher, beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Form miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren
Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise zu Synergieeffekten zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Zeichnungen sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
Figur 1 zeigt eine Seitenschnittansicht durch einen Kolbendruckspeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt eine Querschnittansicht durch einen Kolbendruckspeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Kolbendruckspeicher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kolbendruckspeicher 1 weist ein Gehäuse 3 in Leichtbauausführung auf, das zum Großteil aus kohlenstofffaserverstärkten
Kunststoffen (CFK) besteht. Diese CFK setzen sich im Wesentlichen aus elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern und einer nicht-leitfähigen
Kunststoffmatrix, beispielsweise in Form eines Kunstharzes, zusammen. Das Gehäuse kann beispielsweise eine zylindrische Geometrie aufweisen mit einem Durchmesser von beispielsweise 10-30 cm und einer Länge von beispielsweise
50-300 cm.
Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Kolben 5 aus einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Material wie zum Beispiel einem Metall, z.B. Aluminium, angeordnet. Der Kolben 5 dient als Trennelement zwischen zwei Teilvolumina 7, 9 innerhalb des Gehäuses 3 und dichtet diese gegeneinander ab. Der Kolben 5 ist dabei entlang einer Bewegungsrichtung 23, die der Mittelachse des Zylinders des Gehäuses 3 entspricht, verlagerbar, so dass die Teilvolumina 7, 9 variiert werden können.
In ein erstes Teilvolumen 7 kann beispielsweise über ein Ventilsystem 11 ein nicht-komprimierbares Fluid wie beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Öl, eingeleitet oder abgeleitet werden. In das andere Teilvolumen 9 kann über ein Ventilsystem 13 ein komprimierbares Fluid wie zum Beispiel ein Gas ein- bzw. abgeleitet werden. Der Kolben 5 kann dabei abhängig von der in das
Teilvolumen 7 eingeleiteten Menge an nicht-komprimierbarem Fluid entlang der Bewegungsrichtung 23 verlagert werden und durch Aufbauen eines Drucks in dem in dem zweiten Teilvolumen 9 enthaltenen komprimierbaren Fluid mechanische Energie speichern.
Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des für das Gehäuse 3 verwendeten Materials lässt sich durch eine Bestimmung des elektrischen Widerstands bzw. der Impedanz an definierten Stellen an dem Gehäuse 3 ein Verfahren zum Bestimmen der Position des Kolbens 5 innerhalb des geschlossenen Gehäuses 3 und, basierend auf dieser Information, ein Verfahren zum Bestimmen oder
Überprüfen eines Ladezustands des Kolbendruckspeichers 1 realisieren. Dabei wird genutzt, dass sich der elektrische Widerstand bzw. das elektrische Potential entlang des Gehäuses 3 sich unterscheidet, je nachdem, ob sich der Kolben 5 an der jeweiligen Messposition befindet oder nicht. Das vorgeschlagene Verfahren ähnelt dabei demjenigen der elektrischen
Widerstandstomografie bzw. der elektrischen Impedanztomografie, wie es in der Geophysik verwendet wird, um beispielsweise über elektrische
Spannungsmessungen zwischen einzelnen Elektroden Aussagen über eine Beschaffenheit von Schichten in einem Untergrund zu erhalten.
Entlang einer Oberfläche des Gehäuses 3 ist hierzu eine Elektrodenanordnung 15 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, ein Bestimmen einer Position des Kolbens durch Messen einer Verteilung des elektrischen Potentials entlang des Gehäuses 3 zu ermöglichen. Zur Bestimmung dieses sich einstellenden elektrischen Potentials bzw. des eine solche Potentialverteilung bewirkenden elektrischen Widerstandes entlang des Gehäuses des Kolbendruckspeichers kann die Elektrodenanordnung 15 hierbei eine oder eine Vielzahl von 4-Punkt- Messung- Elektrodenpaaren 17 aufweisen.
Jedes 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaar 17 weist hierbei zwei äußere Elektroden 19 auf, über die in dem leitfähigen Gehäuse 3 ein Strom mit einer Stärke I induziert werden kann. Aufgrund dieses Stromes I bildet sich zwischen den äußeren Elektroden 19 eine Verteilung eines elektrischen Potentials aus, welche abhängig ist von dem lokal vorherrschenden elektrischen Widerstand, wie er von dem Gehäuse 3 selbst sowie, gegebenenfalls, von einem daran angrenzenden elektrisch leitfähigen Kolben 5 bewirkt wird.
Zwischen den äußeren Elektroden 19 sind zwei weitere innere Elektroden 21 vorgesehen, mit denen eine Potentialdifferenz ΔΙΙ gemessen werden kann.
Die äußeren Elektroden 19 und die inneren Elektroden 21 eines 4-Punkt- Messung- Elektrodenpaars 17 können, wie in Figur 1 dargestellt, entlang einer Linie angeordnet sein, die sich quer, vorzugsweise senkrecht, zu der
Bewegungsrichtung 23 des Kolbens 5 erstreckt. Ein Abstand s zwischen benachbarten 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaaren 17 kann hierbei vorzugsweise kleiner oder gleich einer Länge L des Kolbens 5 in Richtung parallel zu der Bewegungsrichtung 23 gewählt sein. In diesem Fall grenzt der Kolben 5 für jede von ihm einnehmbare Position innerhalb des Gehäuses 3 an eines der an dem Gehäuse 3 vorgesehenen 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaare 17. Während des Betriebes des Kolbendruckspeichers 1 kann somit an allen 4-Punkt-Messung- Elektrodenpaaren 17 jeweils eine sich zwischen den inneren Elektroden 21 einstellende Potentialdifferenz gemessen und damit eine Verteilung des elektrischen Potentials entlang des Gehäuses 3 bestimmt werden. Je nach Beschaffenheit beispielsweise des Inneren des Gehäuses 3 ergibt sich hierbei eine spezifische Potentialdifferenz, die mit der An- bzw. Abwesenheit des Kolbens 5 korreliert. Mit einer Vielzahl von über die Länge des Gehäuses 3 verteilten 4-Punkt-Messung-Elektrodenpaaren 17 kann so die Kolbenposition diskret bestimmt werden.
Wie in Figur 2 dargestellt, weist eine externe Überwachungsvorrichtung 25 sowohl eine steuerbare Stromquelle 27 als auch eine
Spannungsmessvorrichtung 29 auf. Die Stromquelle 27 ist mit den äußeren Elektroden 19 elektrisch verbunden. Die Spannungsmessvorrichtung 29 ist mit den inneren Elektroden 21 verbunden. Durch Anlegen eines vorgebbaren Stroms I von der Stromquelle 27 über die äußeren Elektroden 19 auf das Gehäuse 3 stellt sich eine widerstandsabhängige Potentialverteilung innerhalb des
Gehäuses 3 ein. Ein Potentialunterschied zwischen zwei inneren Elektroden 21 kann mit Hilfe der Spannungsmessvorrichtung 29 bestimmt werden.
Die mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens erhältliche Information über eine aktuelle Position des Kolbens 5 innerhalb des Gehäuses 3 kann unter anderem dafür genutzt werden, den SOC aus der gemessenen Kolbenpostition direkt zu bestimmen, oder aber ein Berechnungsmodell zur Berechnung des aktuellen Ladezustands des Kolbendruckspeichers 1 aus den Messgrößen Druck und Temperatur zu initialisieren bzw. während des Betriebs abzugleichen und zu korrigieren. Hierdurch kann eine deutlich höhere Genauigkeit des berechneten Ladezustandswerts insbesondere unter dynamischen Betriebsbedingungen erreicht werden.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens (5) innerhalb eines Kolbendruckspeichers (1), wobei der Kolbendruckspeicher (1) ein Gehäuse (3) und einen innerhalb des Gehäuses (5) verlagerbaren Kolben (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren aufweist:
Bestimmen der Position des Kolbens (5) durch Messen einer Verteilung eines elektrischen Widerstandes entlang des Gehäuses (3).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei an einer oder mehreren Positionen im Bereich des Gehäuses (3) lokal ein elektrischer Strom (I) induziert wird und lokal eine resultierende elektrische Potentialverteilung (ΔΙΙ) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei an einer oder mehreren Positionen im Bereich des Gehäuses (3) lokal elektrischer Wechselstrom induziert wird und lokal eine resultierende zeitabhängige elektrische Potentialverteilung bestimmt wird.
Verfahren zum Bestimmen oder Überprüfen einer Information über einen
Ladezustand eines Kolbendruckspeichers (1),
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen einer Position eines Kolbens (5) innerhalb des
Kolbendruckspeichers (1) gemäß einem Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, und
Bestimmen bzw. Überprüfen der Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers (1) berücksichtigend die bestimmte Position des Kolbens (5).
Überwachungsvorrichtung (25) zum Überwachen eines
Kolbendruckspeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Uberwachungsvorrichtung (25) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
Kolbendruckspeicher (1) aufweisend:
ein Gehäuse (3), und
einen innerhalb des Gehäuses (3) verlagerbaren Kolben (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Gehäuse (3) eine Elektrodenanordnung (15) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, ein Bestimmen einer Position eines Kolbens (5) durch Messen einer Verteilung eines elektrischen Widerstandes entlang des Gehäuses (3) zu ermöglichen.
Kolbendruckspeicher nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse (3) aus einem Faserverbundmaterial ausgebildet ist.
Kolbendruckspeicher nach Anspruch 7, wobei die Elektrodenanordnung (15) in das Faserverbundmaterial integriert ist.
Kolbendruckspeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die
Elektrodenanordnung (15) ein oder eine Vielzahl von 4-Punkt-Messung- Elektrodenpaaren (17) aufweist, die entlang einer Linie parallel zu einer Bewegungsrichtung (23) des Kolbens (5) an dem Gehäuse (3) angeordnet sind.
10. Kolbendruckspeicher nach Anspruch 9, wobei ein Abstand (s) von parallel zu der Bewegungsrichtung (23) des Kolbens (5) benachbarten 4-Punkt- Messung-Elektrodenpaaren (17) kleiner ist als eine Länge (L) des Kolbens (5) in einer Richtung parallel zu dieser Bewegungsrichtung (23).
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