WO2017159314A1 - ガス充填方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a gas filling method. More specifically, the present invention relates to a gas filling method for a moving body in which a compressed gas supply source and a tank mounted on the moving body are connected by piping, and the tank of the moving body is filled with gas.
  • the fuel cell vehicle travels by supplying oxygen-containing air and hydrogen gas, which is a fuel gas, to the fuel cell and driving the electric motor using the electric power generated thereby.
  • hydrogen gas is required to generate electricity with a fuel cell.
  • a sufficient amount of hydrogen gas is stored in advance in a hydrogen tank equipped with a high-pressure tank or a storage alloy.
  • One that uses hydrogen gas in the tank is the mainstream.
  • research on a filling technique for quickly filling a tank with as much hydrogen gas as possible is being actively pursued (see, for example, Patent Document 1).
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a change in pressure in the hydrogen tank when hydrogen gas is charged.
  • the gas filling process from the start of hydrogen gas filling at time t0 to the end at time t5 is divided into two processes: an initial initial filling process and a subsequent main filling process. It is done.
  • the initial filling step is a step of filling hydrogen gas on a trial basis in order to obtain information on the tank necessary for performing the subsequent main filling step.
  • pre-shot filling time t0 to t1 for measuring the initial pressure of the tank and volume detection filling (time t2 to t3) for measuring the volume of the tank are performed.
  • Etc. are included.
  • the main filling step is a step of filling hydrogen gas under full flow control under the flow rate control using the information on the tank obtained in the initial filling step and the temperature of the outside air at that time.
  • the temperature of the tank rises, but this temperature rise is greatly influenced by the rate of pressure increase of the tank when filling with hydrogen gas, that is, the pressure increase rate. For this reason, in this filling process, a target pressure increase rate is often determined, and the flow rate of hydrogen gas supplied to the tank is often controlled so that this target pressure increase rate is realized.
  • the target pressure increase rate is higher than the appropriate pressure increase rate, hydrogen gas will be quickly filled by that amount, but the tank temperature will rise before full filling, and it may be necessary to interrupt or stop filling itself. is there. Also, if the target pressure increase rate is lower than the appropriate pressure increase rate, the temperature rise of the tank can be suppressed by that amount, but the time required to reach full charge is extended, and convenience is deteriorated. For this reason, in order to perform this filling process quickly and appropriately, it is necessary to set the target pressure increase rate to an appropriate size.
  • such an appropriate pressure increase rate can be obtained by using a known algorithm by using a starting point specified by the start time of the filling and the initial pressure of the tank at the start time, a tank volume, an outside air temperature, a hydrogen gas temperature, and the like. Can be calculated.
  • the change in tank pressure when filled with hydrogen gas at an appropriate pressure increase rate obtained with time t0 and initial pressure P0 as a base point is indicated by broken lines AB.
  • the gas filling step in the gas filling method proposed in recent years is often divided into the initial filling step and the main filling step as described above.
  • the pressure and temperature in the tank also increase. Therefore, in order to set the target pressure increase rate in the main filling process to an appropriate size, the change in the state of the tank between the start of filling by the initial filling process and the end of the initial filling process or the initial filling process It is necessary to grasp the state of the tank at the end of the initial stage and set the target pressure increase rate based on the state of the tank at the end of the initial filling process.
  • the pressurization rate (the slope of the broken line AB in FIG. 8) obtained from the starting point of the initial filling step is used as the target pressurization rate (the line C-- in FIG. 8). D slope).
  • the tank pressure rises faster as much as hydrogen gas is filled at a pressure increase rate higher than the reference pressure increase rate in the initial filling step. That is, the total pressure increase rate (inclination of line AD in FIG.
  • the pressure increase in the initial filling process is sufficiently smaller than the pressure increase in the main filling process.
  • the deviation between the boost rate and the appropriate boost rate is also small.
  • the pressure increase in the initial filling process becomes larger than the pressure increase in the main filling process, so the difference between the overall pressure increase rate and the appropriate pressure increase rate also increases. The above problems become more prominent.
  • the present invention is a gas filling method in which gas is filled in an initial filling step and a main filling step, and the gas can be properly finished even when a tank with a small volume is connected.
  • An object is to provide a filling method.
  • the gas filling method includes piping a compressed gas supply source (for example, a pressure accumulator 91 described later) and a tank (for example, a hydrogen tank 31 described later) mounted on a moving body (for example, a vehicle V described later).
  • a station pipe 93 and a vehicle pipe 39, which will be described later are connected to fill the tank with gas, and the gas filling process from the start to the end of gas filling is information on the tank.
  • an initial filling step for example, S1 to S7 in FIG. 5 or S21 to S28 in FIG. 7 described later
  • a main filling step for example, S8 to S12 in FIG. 5 or S29 in FIG.
  • the gas filling method includes an initial pressure of the tank at the start of the initial filling step (for example, an initial pressure P 0 described later) and an initial pressure increase rate of the tank at the initial filling step (for example, an initial pressure rising rate ⁇ P 0 described later). ) To estimate an initial pressure increase rate (for example, S4 to S5 in FIG. 5 described later, or S25 to S26 in FIG. 7), and a state where the pressure of the tank is the initial pressure.
  • an initial pressure increase rate for example, S4 to S5 in FIG. 5 described later, or S25 to S26 in FIG. 7
  • a reference boosting rate calculating step (for example, a diagram to be described later) that calculates a reference boosting rate (for example, a reference boosting rate ⁇ P BS to be described later) of the tank when it is assumed that the main filling step is started without performing the initial filling step. 5 (S6 in FIG. 7 or S27 in FIG. 7) and a target boosting rate setting step (for example, a post boosting rate setting step) for setting the target boosting rate in the main filling step using a difference between the initial boosting rate and the reference boosting rate. S7 in FIG. 5 or S28 in FIG. 7).
  • the target step-up rate setting step when the initial step-up rate is higher than the reference step-up rate, the target step-up rate is preferably made lower than the reference step-up rate.
  • the piping includes an opening / closing valve (for example, a flow control valve 94b described later) and a pressure sensor (for example, a first station pressure sensor 97c described later) for detecting pressure upstream from the opening / closing valve.
  • a predetermined storage section upstream of the on-off valve in the pipe with the on-off valve closed for example, from a flow control valve 94b in a station pipe 93 to be described later
  • the on-off valve is opened, and pre-shot filling (for example, S1 in FIG. 5 described later, or FIG. 5) is performed to fill the tank with the gas compressed in the storage section.
  • the pressure in the pipe detected using the pressure sensor after the pre-shot filling is performed, the volume of the storage section, The volume of the tank, it is preferable to estimate the initial pressure and the initial boost rate based on the.
  • the initial step-up rate estimating step the pressure in the pipe detected by using the pressure sensor after executing the pre-shot filling, the volume of the storage section, the volume of the tank, The initial pressure was estimated on the basis of the pressure, and the estimated initial pressure, the pressure in the pipe detected using the pressure sensor after executing the pre-shot filling, and the pre-shot filling were applied. It is preferable to estimate the initial step-up rate based on time.
  • the gas filling method obtains the amount of gas filled in the tank during a predetermined period under a constant pressure increase rate, and uses the obtained amount of gas to volume the tank. It is preferable to further include a volume estimation step (e.g., S9 in FIG. 5 or S24 in FIG. 7 described later) for estimating.
  • a volume estimation step e.g., S9 in FIG. 5 or S24 in FIG. 7 described later
  • the volume of the tank is acquired using communication between the supply source and the moving body, and the acquired volume (for example, a volume transmission value described later) V IR ) is used to estimate the initial pressure and the initial pressure increase rate, and the initial pressure increase rate estimation step, the reference pressure increase rate calculation step, and the target pressure increase rate setting step are performed until the main filling step is started.
  • the volume estimation step estimates the volume of the tank using a period immediately after starting the main filling step under the target pressure increase rate set in the target pressure increase rate setting step.
  • the volume of the tank acquired using communication for estimating the initial pressure and the initial pressure increase rate in the initial pressure increase rate estimation step, and the tank volume estimated in the volume estimation step It is preferable to further include a tank volume verification step (for example, S10 in FIG. 5 described later) for comparing the volume.
  • the target pressure increase it is preferable that the target boosting rate set in the rate setting step is corrected, and the main filling step is continued using the corrected target boosting rate.
  • the volume of the tank is estimated using a period during which the gas is filled at a predetermined pressure increase rate determined in advance during the initial filling step, and the initial pressure increase rate
  • the initial pressure and the initial pressure increase rate are preferably estimated using the volume of the tank estimated in the volume estimation step.
  • the expected completion time of the main filling step is that the main filling step is executed under the reference pressure increasing rate without executing the initial filling step from the base point.
  • gas is filled into the tank of the moving body from the supply source in the initial filling step and the main filling step.
  • the initial pressurization rate estimation step the initial pressure of the tank at the start of the initial filling step and the initial pressurization rate of the tank in the initial filling step are estimated, and in the reference boosting rate calculation step, the estimated initial pressure of the tank is used.
  • a reference boosting rate is calculated. More specifically, the pressure increase rate when it is assumed that the tank pressure is the initial pressure estimated in the initial pressure increase rate estimation process, and the main charge process is started from this basic point without executing the initial charge process. Is calculated as a reference boost rate.
  • the target boosting rate in the main filling step is set using a difference between the initial boosting rate estimated in the initial boosting rate estimation step and the reference boosting rate calculated in the reference boosting rate calculation step.
  • the reference pressure increase rate is used as it is as the target pressure increase rate in the main filling process, when the initial pressure increase rate is higher than the reference pressure increase rate, as described with reference to FIG. It becomes larger than what is assumed below, and the tank may reach an excessive temperature rise, which may make it impossible to properly complete the filling process.
  • the initial step-up rate which has not been grasped in the past, is estimated, and the target step-up rate is set using the difference between the initial step-up rate and the reference step-up rate. If it is high, the target pressure increase rate can be lowered below the reference pressure increase rate to correct this deviation, so the tank temperature rise in this filling process should be kept close to what is expected under the reference pressure increase rate. Can do. Therefore, according to this invention, even if it is a case where a tank with a small capacity
  • the target boost rate is set lower than the reference boost rate. That is, in the present invention, even when a tank with a small volume is connected by falling back the target pressure increase rate in the main filling step with respect to the reference pressure increase rate using the initial pressure increase rate that has not been grasped in the past.
  • the tank can be prevented from overheating and the main filling process can be appropriately completed.
  • the on-off valve is opened and the gas compressed in the storage section is removed.
  • the pressure from the pipe to the tank is made uniform by executing pre-shot filling as described above, and then the pressure in the pipe is detected using a pressure sensor provided in the pipe.
  • the initial pressure and the initial pressure increase rate are estimated by using this pressure, the volume of the storage section, and the volume of the tank. Thereby, since the initial pressure and the initial pressure increase rate can be estimated with high accuracy, the target pressure increase rate set using these can be set to an appropriate size.
  • the initial pressurization rate estimation step the pressure in the pipe detected by using the pressure sensor after equalizing the pressure from the pipe to the tank by executing pre-shot filling as described above, and the volume of the storage section And the initial pressure is estimated based on the volume of the tank. Furthermore, the initial pressure increase rate is estimated based on the initial pressure thus obtained, the pressure in the pipe after the pre-shot filling is performed, and the time taken for the pre-shot filling. Thereby, since the initial pressure and the initial pressure increase rate can be estimated with high accuracy, the target pressure increase rate set using these can be set to an appropriate size.
  • the volume estimation step the amount of gas filled in the tank during a predetermined period under a certain pressure increase rate is acquired, and the volume of the tank is estimated using this.
  • the initial pressure or the initial pressure increase rate information on the volume of the tank is required. Therefore, in the present invention, by estimating the volume of the tank in the volume estimation step, it is possible to estimate the initial pressure, the initial pressure increase rate, and the like using this.
  • information regarding the volume of the tank can be grasped during the initial filling process on the supply side using communication established between the moving body and the supply source during filling. In such a case, the result estimated in the volume estimation step can be used to verify the credibility of the result obtained using communication.
  • the initial pressurization rate estimation step the volume of the tank is acquired using communication, and the initial pressure and the initial pressurization rate are estimated using this. Further, the initial step-up rate estimating step, the reference step-up rate calculating step using the result obtained in this step, and the target step-up rate setting step are executed until the main filling step is started. Then, the main filling step is started under the target pressure increasing rate set in the target pressure increasing rate setting step, and in the volume estimation step, the volume of the tank is estimated using a period immediately after the start of the main filling step. In other words, in the present invention, the main filling step and the volume estimation step are executed in parallel, so that the main filling step can be started quickly without waiting for the result of the volume estimation step. Can be prevented.
  • the target pressure increase rate is provisionally set using the volume of the tank obtained by communication, the main filling step is started under this target pressure increasing rate, and then the main filling step is performed in parallel.
  • the tank volume is estimated by a route different from the communication.
  • the tank volume verification process the tank volume obtained by communication used to provisionally set the target pressure increase rate is compared with the tank volume estimated by executing the volume estimation process. Thereby, it is possible to verify the credibility of the information regarding the volume of the tank obtained by communication while promptly starting the main filling process.
  • the tank volume is estimated using the period during which the gas is filled at a constant pressure increase rate during the initial filling step, and the initial pressure and the initial pressure increase rate are estimated using this.
  • the completion of the main filling process is assumed when the estimated completion time of the main filling process is assumed to have been executed under the reference pressure increase rate with the tank pressure being the initial pressure.
  • the target pressure increase rate is set so that it is the same time as the expected time.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a hydrogen filling system S to which a hydrogen gas filling method according to this embodiment is applied.
  • the hydrogen filling system S is configured by combining a fuel cell vehicle V that travels using hydrogen gas as fuel gas and a hydrogen station 9 that supplies hydrogen gas to a hydrogen tank of the vehicle V.
  • the configuration on the vehicle V side will be described first, and then the configuration on the station 9 side will be described.
  • the vehicle V generates power using the hydrogen tank 31 that stores the hydrogen gas supplied from the station 9, the vehicle piping 39 extending from the hydrogen tank 31, and the hydrogen gas stored in the hydrogen tank 31, and uses the generated power.
  • a fuel cell system (not shown) that travels, an infrared communication device 5 that transmits a data signal related to the hydrogen tank 31 to the hydrogen station 9, a communication arithmetic ECU 6 that generates a data signal transmitted from the infrared communication device 5, Is provided.
  • the vehicle piping 39 prevents a hydrogen gas from flowing backward from the hydrogen tank 31 side to the receptacle 38 provided in the vicinity of the receptacle 38 in the vehicle piping 39 and a receptacle 38 that will be described later in the hydrogen station 9.
  • a check valve 36 is provided in the vicinity of the receptacle 38 in the vehicle piping 39 and a receptacle 38 that will be described later in the hydrogen station 9.
  • the communication calculation ECU 6 is connected with a tank internal temperature sensor 41 and a tank internal pressure sensor 42 as means for acquiring information related to the hydrogen tank 31 described above.
  • the tank internal temperature sensor 41 detects the temperature of the hydrogen gas in the hydrogen tank 31 and transmits a signal corresponding to the detected value to the communication calculation ECU 6.
  • the tank internal pressure sensor 42 detects the pressure in the hydrogen tank 31 and transmits a signal corresponding to the detected value to the communication arithmetic ECU 6.
  • the communication calculation ECU 6 drives the infrared communication device 5 in an aspect determined under the above-described processing, an interface that performs A / D conversion on the detection signals of the sensors 41 and 42, a CPU that executes signal generation processing that will be described later, and the like.
  • the microcomputer includes a circuit and a storage device for storing various data.
  • the storage device of the communication arithmetic ECU 6 stores a program related to execution of a data signal generation process, which will be described later, and unique information including the volume value of the hydrogen tank 31 mounted when the vehicle V is manufactured.
  • unique information including the volume value of the hydrogen tank 31 mounted when the vehicle V is manufactured.
  • information related to the hydrogen tank 31 that can be specified at the time of manufacture such as the capacity derived from the volume value by a known conversion rule and the material of the hydrogen tank, is included in this specific information.
  • the CPU of the communication calculation ECU 6 starts signal generation processing for generating a signal transmitted from the communication device 5 to the hydrogen station 9 when the fuel lid that protects the receptacle 38 is opened, for example. Further, the CPU of the communication calculation ECU 6 has become unable to charge hydrogen gas, for example, when detecting that the nozzle is removed from the receptacle 38 or when detecting that the fuel lid is closed. As a trigger, the signal generation process is terminated.
  • the temperature transmission value TIR corresponding to the current value of the temperature in the hydrogen tank, the pressure transmission value PIR corresponding to the current value of the pressure in the hydrogen tank, and the current volume of the hydrogen tank The volume transmission value V IR corresponding to the value is acquired every predetermined period, and a data signal corresponding to these values (T IR , P IR , V IR ) is generated.
  • the temperature transmission value TIR the detection value of the temperature sensor 41 in the tank at that time is used.
  • the detected value of the tank pressure sensor 42 at that time is used as the pressure transmission value PIR .
  • the volume transmission value V IR are those recorded in the above storage device is used.
  • the signal generation processing is compared with a predetermined abort threshold for the temperature transmission value T IR and the pressure transmission value P IR and the transmission value is periodically obtained as described above, during the filling If any of these transmission values exceeds the abort threshold, an abort signal for requesting the hydrogen station 9 to end filling is generated.
  • the drive circuit of the communication arithmetic ECU 6 drives (flashes) the infrared communication device 5 in accordance with the data signal and the abort signal generated by the signal generation process.
  • the data signal including the state information (that is, the temperature transmission value TIR, the pressure transmission value PIR, etc.) and the unique information (that is, the volume transmission value VIR, etc.) regarding the state in the hydrogen tank, It is transmitted to the hydrogen station 9.
  • the hydrogen station 9 is provided in a pressure accumulator 91 in which hydrogen gas to be supplied to the vehicle V is stored at a high pressure, a station pipe 93 extending from the pressure accumulator 91 to a filling nozzle 92 for discharging the hydrogen gas, and the station pipe 93.
  • the shut-off valve 94a and the flow rate control valve 94b, and a station ECU 95 that controls the valves 94a and 94b are provided.
  • the station ECU 95 opens and closes the shut-off valve 94a and the flow control valve 94b according to the procedure described later with reference to FIGS.
  • the hydrogen tank 31 of the vehicle V is filled with the high-pressure hydrogen gas stored in 91.
  • a cooler 96 for cooling the hydrogen gas is provided between the flow control valve 94 b and the filling nozzle 92 in the station pipe 93.
  • Various sensors 97a, 97b, 97c, 97d, and 97e are connected to the station ECU 95 in order to grasp the state of the hydrogen gas at a position just before the hydrogen tank 31 is filled.
  • the flow meter 97a is provided between the shutoff valve 94a and the flow control valve 94b in the station pipe 93, and sends a signal corresponding to the mass per unit time of the hydrogen gas flowing through the station pipe 93, that is, a mass flow rate, to the station ECU 95.
  • the station temperature sensor 97 b is provided on the downstream side of the cooler 96 in the station pipe 93 and transmits a signal corresponding to the temperature of the hydrogen gas in the station pipe 93 to the station ECU 95.
  • the atmospheric temperature sensor 97d detects the atmospheric temperature and transmits a signal corresponding to the detected value to the station ECU 95. In some cases, the atmospheric temperature detected by the atmospheric temperature sensor 97d can be regarded as the temperature of hydrogen gas in the fuel tank of the vehicle V at the start of filling.
  • the first station pressure sensor 97c is provided between the flow control valve 94b and the shutoff valve 94a in the station pipe 93, and transmits a signal corresponding to the hydrogen gas pressure in the station pipe 93 to the station ECU 95.
  • the second station pressure sensor 97e is provided on the downstream side of the flow rate control valve 94b and the cooler 96 in the station pipe 93, and transmits a signal corresponding to the pressure of the hydrogen gas in the station pipe 93 to the station ECU 95.
  • the filling nozzle 92 is provided with an infrared communication device 98 for communicating with the vehicle V.
  • the infrared communication device 98 faces the infrared communication device 5 provided in the vehicle V, and data signals can be transmitted and received between these communication devices 98 and 5 via infrared rays. .
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration of a control circuit for filling flow rate control by the station ECU 95.
  • the gas filling process from the start to the end of the hydrogen gas filling at the hydrogen station includes an initial filling process in which hydrogen gas is experimentally filled to obtain information on the hydrogen tank of the vehicle, and an initial filling process.
  • the obtained information is divided into a main filling step in which hydrogen gas is filled under the filling flow rate control by the station ECU 95 (see the flowchart in FIG. 5 described later).
  • FIG. 2 particularly shows modules 71 to 76 for realizing the filling flow rate control in the main filling step.
  • Mean Purekuru temperature calculation unit 71 based on the detection value m ST of the temperature sensor 97b of the detection values T PC and flow meters 97a, calculates the average Purekuru temperature T PC_AV the average temperature of the hydrogen gas after a precooler.
  • the target pressure increase rate setting unit 72 sets a target pressure increase rate ⁇ P ST corresponding to the target for the pressure increase rate of the hydrogen tank during the main filling process. A specific procedure for setting the target boost ratio [Delta] P ST, referring to FIG. 3 will be described later.
  • the target charge pressure calculation unit 73 A target filling pressure P TRGT corresponding to the target value of the filling pressure after a predetermined time is calculated.
  • the feedback controller 74 determines an instruction opening degree of the flow rate control valve based on a known feedback control law so that the filling pressure P ST2 becomes the target filling pressure P TRGT , and this is determined based on the driving device for the flow rate control valve (see FIG. (Not shown).
  • the drive device adjusts the opening degree of the flow control valve so as to realize the indicated opening degree.
  • hydrogen gas is filled as set target boosting rate [Delta] P ST by the target boost ratio setting unit 72 is realized.
  • the filling completion determination unit 75 determines whether or not the filling of hydrogen gas is completed. If it is determined that the filling is completed, the filling completion determining unit 75 sets the instruction opening to 0 to complete the filling of the hydrogen gas, or The shut-off valve 94a is closed. In the filling completion determination unit 75, for example, the following three filling completion conditions are defined.
  • the first filling completion condition is that an abort signal has been received from the vehicle side.
  • the filling completion determination unit 75 determines that the first filling completion condition is satisfied, the instruction opening is set to 0 or the shutoff valve 94a is closed to complete the filling of hydrogen gas.
  • the second filling completion condition is that the hydrogen SOC of the hydrogen tank being filled has exceeded a predetermined completion threshold.
  • the hydrogen SOC indicates the remaining amount of hydrogen gas stored in the hydrogen tank as a percentage of the maximum amount of hydrogen gas that can be stored in the hydrogen tank.
  • the filling completion determination unit 75 calculates the hydrogen SOC during filling by inputting the temperature transmission value TIR from the vehicle side and the filling pressure PST2 into a known estimation formula, and this hydrogen SOC is calculated as the completion threshold value. Is exceeded, the indicated opening is set to 0 or the shut-off valve 94a is closed in order to complete the filling of hydrogen gas.
  • the third filling completion condition is that the filling pressure PST2 exceeds a predetermined completion threshold.
  • the filling completion determining unit 75 sets the indicated opening to 0 or shuts off the valve 94a to complete the filling of hydrogen gas. Is closed.
  • the volume estimation unit 76 calculates an estimated value V ′ of the volume of the hydrogen tank using information other than the volume transmission value V IR transmitted from the vehicle side. More specifically, values obtained at two different first time ta and second time tb from when hydrogen gas filling is started under a constant pressure increase rate until a predetermined time elapses are used. Then, the estimated value V ′ of the volume of the hydrogen tank is calculated by the following formula (1).
  • the following equation (1) is derived by simultaneous real gas equations established at each of the first time and the second time.
  • R is a gas constant and a fixed value.
  • Dm is a value of the hydrogen gas filling amount between the first time and the second time described above. For example, the detection value of the flow meter 97a between the first time and the second time is integrated. The value calculated by this is used.
  • T a and T b are values of the temperature of the hydrogen gas in the hydrogen tank at the first time and the second time, respectively. More specifically, “T a ” is, for example, the detection value T am of the atmospheric temperature sensor at the first time. “T b ” is calculated by inputting the detection value of the atmospheric temperature sensor, the detection value of the gas temperature sensor, or the like into a predetermined temperature prediction formula.
  • “P a ” and “P b ” are values of the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen tank at the first time and the second time, respectively. More specifically, for example, the detected value P ST2 of the second station pressure sensor at the first time and the second time is used for “P a ” and “P b ”, respectively.
  • the pressure on the station side is higher than that in the hydrogen tank during the filling of the hydrogen gas. Therefore, when “P a ” and “P b ” are estimated using the output of the pressure sensor on the station side as described above, the hydrogen gas filling is performed at the estimated time, that is, at the first time and the second time. Is preferably temporarily stopped or the flow rate is reduced to reduce the pressure loss.
  • Z a (P a )” and “Z b (P b )” are values of the compressibility factor of the hydrogen gas in the hydrogen tank at the first time and the second time, respectively. More specifically, the estimation formula of a predetermined compressibility factor as a function of the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen tank, a pressure value of "P a" and “P b" and each time, the temperature at each time Is calculated by inputting “T a ” and “T b ”.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific calculation procedure for setting the target boost rate in the target boost rate setting unit 72.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure for setting the target boost rate.
  • the initial pressure estimation unit 721 estimates the initial pressure P 0 that is the pressure of the hydrogen tank at the start of the initial filling process between the start of the initial filling process and the start of the main filling process. More specifically, the initial pressure estimating unit 721 executes the pre-shot filling included in the initial filling step, and then detects the pressure in the station pipe detected by using the first station pressure sensor, the volume of the hydrogen tank, and the like.
  • the initial density ⁇ 0 which is the density of the hydrogen tank at the start of the initial filling process, by the following equation (2), and then to the initial density ⁇ 0 and the temperature of the hydrogen tank at the start of the initial filling process
  • the initial pressure P 0 is estimated by a known arithmetic expression. Since the temperature of the hydrogen tank at the start of the initial filling process is considered to be substantially equal to the outside air temperature, for example, the temperature T amb detected by the atmospheric temperature sensor is used as it is.
  • V PRE is a storage section (more specifically, a section between the shutoff valve and the flow control valve in the station piping) that is temporarily boosted during pre-shot filling.
  • the volume is a predetermined value.
  • ⁇ PRE is the density of the gas enclosed in the storage section immediately before the start of pre-shot filling. This density ⁇ PRE is calculated by using the pressure P ST1 in the storage section detected using the first station pressure sensor just before the pre-shot filling and the temperature in the storage section just before starting the pre-shot filling. The Note that the temperature in the storage section immediately before the start of pre-shot filling may be directly acquired using a temperature sensor (not shown), or may be estimated using a known arithmetic expression.
  • “ ⁇ 1 ” is the density of the gas filled in the hydrogen tank after pre-shot filling.
  • the density ⁇ 1 the pressure in the station pipe detected by using the first or second station pressure sensor immediately after the pre-shot filling and the temperature in the hydrogen tank immediately after the pre-shot filling are used.
  • the temperature of the hydrogen tank immediately after the pre-shot filling can be estimated by a known arithmetic expression using, for example, the initial temperature T 0 of the hydrogen tank or the temperature in the storage section immediately before the start of the above-described pre-shot filling.
  • “V” is the volume of the hydrogen tank, and the volume transmission value V IR transmitted from the vehicle side or the estimated value V ′ calculated by the volume estimation unit 76 described above is used.
  • said Formula (2) is derived
  • the initial pressure P 0 may be directly calculated using the following formula (3) without calculating the initial density ⁇ 0 as described above.
  • P PRE is the pressure in the storage section immediately before the start of pre-shot filling, and is within the storage section detected using the first station pressure sensor immediately before pre-shot filling.
  • the pressure PST1 is used.
  • P 1 is the hydrogen tank pressure after the pre-shot filling, and the pressure in the station pipe detected using the first or second station pressure sensor immediately after the pre-shot filling is used.
  • the pressure in the station piping since it is considered to be approximately equal between the detection portion and the detection portion of the second station pressure sensor of the first station pressure sensor, the pressure P 1 is the first station A pressure sensor may be used, or a second station pressure sensor may be used.
  • Reference boost ratio calculation unit 723 calculates a reference boosting rate [Delta] P BS serving as a reference at the time of setting a target step-up ratio [Delta] P ST in the filling process.
  • This reference pressure increase rate means that when the main filling step is started under a certain pressure increasing rate without performing the initial filling step, the temperature of the hydrogen tank does not exceed a predetermined upper limit before full filling is reached. Thus, it is an ideal boosting rate determined so as to reach full filling in as short a time as possible.
  • the reference pressure increase rate calculation unit 723 By searching a predetermined map (not shown) based on the parameters, the ideal boost rate as described above is calculated.
  • the mark A) is used as an input parameter when calculating the reference boost rate ⁇ P BS .
  • the reference boosting rate ⁇ P BS corresponding to the slope of the broken line AB in FIG. 4 is calculated.
  • the volume of the hydrogen tank as an input parameter used to calculate the reference boosting rate [Delta] P BS is the estimated value calculated by the volume transmission value V IR or volume estimating unit 76 is transmitted from the vehicle V'is used
  • the ambient temperature T amb detected by the ambient temperature sensor is used as the outside air temperature
  • the average precool temperature T PC_AV calculated by the average precool temperature calculator 71 is used as the hydrogen gas temperature.
  • the fallback operation unit 724 this in the case of termination predicted time of the filling process has executed this filling process under standard boosting rate [Delta] P BS without performing the initial filling step from the base point A the target booster ratio [Delta] P ST to be terminated predicted time t end at the same time of the temporary present filling process, is set lower than the reference boost rate [Delta] P BS.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for filling hydrogen gas in the hydrogen filling system. This process starts when the filling nozzle of the hydrogen station is connected to the receptacle of the vehicle and the hydrogen gas can be filled and communicated.
  • the gas filling process from the start to the end of the filling of hydrogen gas includes an initial filling process (S1 to S7) for filling hydrogen gas experimentally, and a predetermined target pressure increase rate. And the main filling step (S8 and after) in which hydrogen gas is filled.
  • the hydrogen station performs pre-shot filling. More specifically, the shutoff valve provided on the upstream side is opened while the flow control valve provided in the station pipe is closed, and the detection value of the first station pressure sensor provided on the upstream side from the flow control valve. After the pressure in the station piping is increased until shows a predetermined value, the shutoff valve is closed. As a result, the storage section between the flow control valve and the shutoff valve in the station pipe is filled with an amount of hydrogen gas corresponding to the pressure. Next, the flow control valve is opened while the shutoff valve is closed. Thereby, the hydrogen gas compressed in the storage section flows into the hydrogen tank at once, and the inside of the hydrogen tank and the station pipe are made uniform.
  • the hydrogen station temporarily stops filling, and performs a leak check to confirm the presence or absence of filling leakage.
  • the hydrogen station acquires the volume transmission value VIR from the vehicle by using communication.
  • the hydrogen station uses the volume transmission value V IR acquired in S3, and the initial density ⁇ 0 and initial pressure of the hydrogen tank at the start of the initial filling process according to the procedure described with reference to the above formula (2).
  • Estimate P 0 the initial pressure of the hydrogen tank at the start of the initial filling process according to the procedure described with reference to the above formula (2).
  • Estimate P 0 In S5, hydrogen station, using the initial pressure P 0 estimated in S4, estimating the initial boost ratio [Delta] P 0 in the initial filling process according to the procedure described with reference the above equation (4).
  • the hydrogen station uses the reference pressure increase rate according to the procedure described with reference to FIG. 3 based on the state in which the pressure of the hydrogen tank is the initial pressure P 0 estimated in S3 at the start time of the pre-shot filling in S1.
  • ⁇ P BS is calculated.
  • the hydrogen station uses the difference between the reference pressure increase rate ⁇ P BS calculated in S6 and the initial pressure increase rate ⁇ P 0 estimated in S5, and then follows the procedure described with reference to FIG. set in the step-up ratio ⁇ P ST.
  • the hydrogen station starts the filling process under the target step-up ratio [Delta] P ST set in S7.
  • S9 using the period immediately after the start of the filling process under the target step-up ratio [Delta] P ST, calculates an estimated value V'volume of the hydrogen tank according to the procedure described above with reference to formula (1) .
  • the volume transmission value V IR acquired by using the communication incorrect and thus the initial pressure P 0 set by using this initial boosting rate [Delta] P 0 and the reference boost rate It is determined that ⁇ P BS and the target pressure increase rate ⁇ P ST set using them are not appropriate, the target pressure increase rate ⁇ P ST is corrected, and the main filling process is continued using the corrected target pressure increase rate ⁇ P ST ′. (See S12).
  • the initial pressure, the initial pressure increase rate, and the reference pressure increase rate are calculated again using the volume estimated value V ′ acquired in S9, and the values that are set anew using these are calculated. Used.
  • FIG. 6 is a time chart schematically showing the flow of hydrogen gas filling realized by the flowchart of FIG.
  • the solid line indicates the actual change in pressure in the tank
  • the broken line indicates the change in pressure in the tank when hydrogen gas is filled at the reference pressure increase rate.
  • a target boost rate ⁇ P ST is set using a difference between the initial boost rate ⁇ P 0 and the reference boost rate ⁇ P BS, and the main filling process is started under the target boost rate ⁇ P ST (see S8). ).
  • the initial boost ratio [Delta] P 0 is the greater than the reference boost rate [Delta] P BS is that initiated this filling process without performing the initial filling process under standard boosting rate [Delta] P BS
  • the target pressure increase rate ⁇ P ST is set lower than the reference pressure increase rate ⁇ P BS so that the main filling process ends at the same time as the expected end time t end at.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for filling hydrogen gas in the hydrogen filling system according to the present embodiment.
  • the hydrogen station filling nozzle is connected to the vehicle receptacle and starts in response to the hydrogen gas filling and communication.
  • the gas filling process from the start to the end of the filling of hydrogen gas includes an initial filling process (S21 to S28) in which hydrogen gas is experimentally filled, and a predetermined target pressure increase rate.
  • the main filling step (S29 and later) in which hydrogen gas is filled.
  • the hydrogen station executes pre-shot filling and leak check as in S1 and S2 of FIG.
  • the hydrogen station is charged with hydrogen gas over a predetermined period at a predetermined constant pressure increase rate in order to estimate the volume of the hydrogen tank.
  • the target pressure increase rate is set to the lowest one of those assumed.
  • the hydrogen station uses the period in which hydrogen gas is filled for a predetermined period at a predetermined pressure increase rate in S23, and the volume of the hydrogen tank according to the procedure described with reference to the above formula (1).
  • An estimated value V ′ is calculated.
  • the hydrogen station estimates the initial density ⁇ 0 and initial pressure P 0 of the hydrogen tank at the start of the initial filling process according to the procedure described with reference to the above equation (2) using the volume estimated value V ′. To do.
  • the hydrogen station sets the reference pressure increase rate according to the procedure described with reference to FIG. 3 based on the state in which the pressure of the hydrogen tank is the initial pressure P 0 estimated in S25 at the start time of the pre-shot filling in S1.
  • ⁇ P BS is calculated.
  • the hydrogen station by using the deviation between the initial boosting rate [Delta] P 0 estimated in reference boosting rate [Delta] P BS and S26 calculated in S27, according to the procedure described with reference to FIG. 3, the target in the present filling process set in the step-up ratio ⁇ P ST.
  • the hydrogen station executes the filling process under the target step-up ratio [Delta] P ST set in S28.

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Abstract

初期充填工程と本充填工程とに分けてガスを充填するガス充填方法であって、容積の小さなタンクが接続された場合であっても適切に本充填工程を終えることができるガス充填方法を提供することを目的とする。　ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、初期充填工程と、所定の目標昇圧率が実現されるようにガスを充填する本充填工程と、に分けられる。ガス充填方法は、初期充填工程の開始時における前記タンクの初期圧Ｐ０及び初期充填工程における水素タンクの初期昇圧率ΔＰ０を推定する工程と、水素タンクの圧力が初期圧Ｐ０である状態を基点とし、基点から初期充填工程を実行せずに本充填工程を開始すると仮定した場合における水素タンクの基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する工程と、初期昇圧率ΔＰ０と基準昇圧率ΔＰＢＳとのずれを用いて本充填工程における目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する工程と、を備える。

Description

ガス充填方法
　本発明は、ガス充填方法に関する。より詳しくは、圧縮ガスの供給源と移動体に搭載されたタンクとを配管で接続し、移動体のタンクにガスを充填する移動体のガス充填方法に関する。
　燃料電池車両は、含酸素の空気と燃料ガスである水素ガスとを燃料電池に供給し、これによって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。近年、このような燃料電池を、動力を発生するためのエネルギー源として利用した燃料電池車両の実用化が進められている。燃料電池で発電するには水素ガスが必要となるが、近年の燃料電池車両では、高圧タンクや吸蔵合金を備えた水素タンク内に予め十分な量の水素ガスを貯蔵しておき、走行にはタンク内の水素ガスを利用するものが主流となっている。また、これに合わせて、タンク内にできるだけ多くの量の水素ガスを速やかに充填する充填技術に関する研究も盛んに進められている（例えば、特許文献１参照）。
　図８は、水素ガスの充填時における水素タンク内の圧力の変化の一例を示す図である。図８に示すように、水素ガスの充填を時刻ｔ０において開始してから、時刻ｔ５において終了するまでのガス充填工程は、始めの初期充填工程とその後の本充填工程との２つの工程に分けられる。
　初期充填工程とは、その後の本充填工程を行うために必要となるタンクに関する情報を取得するために試験的に水素ガスを充填する工程である。図８に示すように、この初期充填工程には、タンクの初期圧を測定するためのプレショット充填（時刻ｔ０～ｔ１）や、タンクの容積を測定するための容積検知充填（時刻ｔ２～ｔ３）等が含まれる。また本充填工程とは、初期充填工程において得られたタンクの情報やその時の外気の温度等を用いた流量制御の下で満充填になるまで水素ガスを充填する工程である。
　ここでタンクに水素ガスを充填するとタンクの温度が上昇するが、この温度上昇は水素ガスの充填時におけるタンクの圧力上昇速度、すなわち昇圧率が大きく影響する。このため本充填工程では、目標昇圧率を定め、この目標昇圧率が実現されるようにタンクに供給される水素ガスの流量を制御する場合が多い。
　目標昇圧率が適切な昇圧率より高ければ、その分だけ水素ガスが速やかに充填されるものの、満充填に至る前にタンクの温度が高くなり、充填そのものを中断又は中止する必要が生じる場合がある。また目標昇圧率が適切な昇圧率より低ければ、その分だけタンクの温度上昇を抑えることができるものの満充填に至るまでにかかる時間が延びてしまい、利便性が悪化する。このため、本充填工程を速やかかつ適切に行うには、目標昇圧率を適切な大きさに設定する必要がある。また、このような適切な昇圧率は、充填の開始時刻及び開始時刻におけるタンクの初期圧によって特定される基点、タンクの容積、外気温度、水素ガスの温度等を用いれば既知のアルゴリズムを利用して算出することができる。図８には、時刻ｔ０及び初期圧Ｐ０を基点として得られた適切な昇圧率の下で水素ガスを充填した場合におけるタンク圧の変化を破線Ａ－Ｂで示す。
国際公開第２０１１／０５８７８２号公報
　ところで、近年提案されているガス充填方法におけるガス充填工程は、上述のように初期充填工程と本充填工程とに分けられるものが多い。この場合、本充填工程を開始する前に、初期充填工程において未知の昇圧率の下である程度の量の水素ガスが充填されるので、これによってタンク内の圧力や温度も上昇する。したがって、本充填工程における目標昇圧率を適切な大きさに設定するためは、初期充填工程を行うことによる充填開始時から初期充填工程の終了時までの間のタンクの状態の変化や初期充填工程の終了時点におけるタンクの状態を把握し、この初期充填工程の終了時点におけるタンクの状態を基点として目標昇圧率を設定する必要がある。
　しかしながら従来のガス充填方法では、本充填工程における目標昇圧率を設定するにあたり、初期充填工程の存在、換言すれば初期充填工程を実行することによるタンクの状態の変化を考慮していない。すなわち、従来のガス充填方法では、初期充填工程の開始時点を基点として得られる昇圧率（図８中、破線Ａ－Ｂの傾き）を本充填工程における目標昇圧率（図８中、線Ｃ－Ｄの傾き）として設定していた。このため従来のガス充填方法では、初期充填工程において基準となる昇圧率よりも高い昇圧率で水素ガスを充填した分だけ、タンクの圧力が速く上昇してしまう。すなわち、初期充填工程と本充填工程とを合わせた全体での昇圧率（図８中、線Ａ－Ｄの傾き）は、既知のアルゴリズムによって定められる適切な昇圧率（図８中、線Ａ－Ｂの傾き）よりも大きくなってしまい、適切な昇圧率の下で充填した場合の終了時刻ｔ６よりも速い時刻ｔ５で同じ圧力まで上昇してしまう。このため従来のガス充填方法では、タンクの温度上昇が大きくなってしまい、満充填に至る前に充填を中断又は中止する必要が生じてしまう場合がある。
　なお、充填対象とするタンクが一般的な四輪の燃料電池車両に搭載されるものであれば、初期充填工程による昇圧分は本充填工程による昇圧分に対して十分に小さいため、全体での昇圧率と適切な昇圧率とのずれも小さい。しかしながら、充填対象とするタンクの容積が小さくなるほど、初期充填工程による昇圧分は本充填工程による昇圧分と比較して大きくなるため、全体での昇圧率と適切な昇圧率とのずれも大きくなり、上記のような課題がより顕著になる。
　本発明は、初期充填工程と本充填工程とに分けてガスを充填するガス充填方法であって、容積の小さなタンクが接続された場合であっても適切に本充填工程を終えることができるガス充填方法を提供することを目的とする。
　（１）ガス充填方法は、圧縮ガスの供給源（例えば、後述の蓄圧器９１）と移動体（例えば、後述の車両Ｖ）に搭載されたタンク（例えば、後述の水素タンク３１）とを配管（例えば、後述のステーション配管９３及び車両配管３９）で接続し、当該タンクにガスを充填するものであって、ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、前記タンクに関する情報を得るためにガスを充填する初期充填工程（例えば、後述の図５のＳ１～Ｓ７、又は図７のＳ２１～Ｓ２８）と、前記初期充填工程を実行している間に得られた情報を用いて定められた目標昇圧率が実現されるようにガスを充填する本充填工程（例えば、後述の図５のＳ８～Ｓ１２、又は図７のＳ２９）と、に分けられる。ガス充填方法は、前記初期充填工程の開始時における前記タンクの初期圧（例えば、後述の初期圧Ｐ０）及び当該初期充填工程における前記タンクの初期昇圧率（例えば、後述の初期昇圧率ΔＰ０）を推定する初期昇圧率推定工程（例えば、後述の図５のＳ４～Ｓ５、又は図７のＳ２５～Ｓ２６）と、前記タンクの圧力が前記初期圧である状態を基点とし、当該基点から前記初期充填工程を実行せずに前記本充填工程を開始すると仮定した場合における前記タンクの基準昇圧率（例えば、後述の基準昇圧率ΔＰＢＳ）を算出する基準昇圧率算出工程（例えば、後述の図５のＳ６、又は図７のＳ２７）と、前記初期昇圧率と前記基準昇圧率とのずれを用いて前記本充填工程における前記目標昇圧率を設定する目標昇圧率設定工程（例えば、後述の図５のＳ７、又は図７のＳ２８）と、を備える。
　（２）この場合、前記目標昇圧率設定工程では、前記初期昇圧率が前記基準昇圧率より高い場合には、前記目標昇圧率を前記基準昇圧率より低くすることが好ましい。
　（３）この場合、前記配管には、開閉弁（例えば、後述の流量制御弁９４ｂ）と、当該開閉弁より上流側の圧力を検出する圧力センサ（例えば、後述の第１ステーション圧力センサ９７ｃ）と、が設けられ、前記初期充填工程では、前記開閉弁を閉じた状態で前記配管のうち前記開閉弁より上流側の所定の貯蔵区間（例えば、後述のステーション配管９３のうち流量制御弁９４ｂから遮断弁９４ａの区間）内の圧力を昇圧した後、前記開閉弁を開き、前記貯蔵区間内で圧縮されたガスを前記タンクへ充填するプレショット充填（例えば、後述の図５のＳ１、又は図７のＳ２１）を行い、前記初期昇圧率推定工程では、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記貯蔵区間の容積と、前記タンクの容積と、に基づいて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定することが好ましい。
　（４）この場合、前記初期昇圧率推定工程では、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記貯蔵区間の容積と、前記タンクの容積と、に基づいて前記初期圧を推定し、さらに当該推定した初期圧と、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記プレショット充填にかかった時間と、に基づいて前記初期昇圧率を推定することが好ましい。
　（５）この場合、ガス充填方法は、一定の昇圧率の下で所定の期間の間に前記タンクに充填されたガスの量を取得し、当該取得したガスの量を用いて前記タンクの容積を推定する容積推定工程（例えば、後述の図５のＳ９、又は図７のＳ２４）をさらに備えることが好ましい。
　（６）この場合、前記初期昇圧率推定工程では、前記供給源と前記移動体との間の通信を利用して前記タンクの容積を取得し、当該取得した容積（例えば、後述の容積送信値ＶＩＲ）を用いて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定し、前記初期昇圧率推定工程と前記基準昇圧率算出工程と前記目標昇圧率設定工程とは、前記本充填工程を開始する前までに実行し、前記容積推定工程は、前記目標昇圧率設定工程で設定した目標昇圧率の下で前記本充填工程を開始した直後の期間を利用して前記タンクの容積を推定することが好ましい。
　（７）この場合、前記初期昇圧率推定工程において前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定するために通信を利用して取得した前記タンクの容積と、前記容積推定工程において推定された前記タンクの容積とを比較するタンク容積検証工程（例えば、後述の図５のＳ１０）をさらに備えることが好ましい。
　（８）この場合、前記タンク容積検証工程において、前記通信を利用して取得した容積と前記容積推定工程において推定した容積との差の相対誤差が所定値以上である場合には、前記目標昇圧率設定工程で設定した前記目標昇圧率を修正し、当該修正した目標昇圧率を用いて前記本充填工程を継続することが好ましい。
　（９）この場合、前記容積推定工程では、前記初期充填工程中に予め定められた一定の昇圧率でガスが充填されている期間を利用して前記タンクの容積を推定し、前記初期昇圧率推定工程では、前記容積推定工程において推定された前記タンクの容積を用いて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定することが好ましい。
　（１０）この場合、前記目標昇圧率設定工程では、前記本充填工程の終了予想時刻が、前記基点から前記初期充填工程を実行せずに前記本充填工程を前記基準昇圧率の下で実行した場合における当該本充填工程の終了予想時刻（例えば、後述の図６の終了予想時刻ｔｅｎｄ）と同時刻になるように前記目標昇圧率を設定することが好ましい。
　（１）本発明では、初期充填工程と本充填工程とに分けて供給源から移動体のタンクにガスを充填する。初期昇圧率推定工程では、初期充填工程の開始時におけるタンクの初期圧と初期充填工程におけるタンクの初期昇圧率とを推定し、さらに基準昇圧率算出工程では、推定したタンクの初期圧を用いて基準昇圧率を算出する。より具体的には、タンクの圧力が初期昇圧率推定工程で推定した初期圧である状態を基点とし、この基点から初期充填工程を実行せずに本充填工程を開始すると仮定した場合における昇圧率を基準昇圧率として算出する。そして目標昇圧率設定工程では、初期昇圧率推定工程で推定した初期昇圧率と基準昇圧率算出工程で算出した基準昇圧率とのずれを用いて、本充填工程における目標昇圧率を設定する。ここで、基準昇圧率をそのまま本充填工程における目標昇圧率として採用すると、初期昇圧率が基準昇圧率よりも高い場合、図８を参照して説明したようにタンクの温度上昇が基準昇圧率の下で想定されるものよりも大きくなり、タンクが過昇温に至ってしまい、本充填工程を適切に終えることができなくなるおそれがある。これに対し本発明では、従来では把握していなかった初期昇圧率を推定し、これと基準昇圧率とのずれを用いて目標昇圧率を設定することにより、初期昇圧率が基準昇圧率よりも高い場合にはこのずれを修正すべく目標昇圧率を基準昇圧率よりも下げることができるので、本充填工程におけるタンクの温度上昇を基準昇圧率の下で想定されるものに近づけるように抑えることができる。よって本発明によれば、容積の小さなタンクが接続された場合であっても、タンクの過昇温を防止し、適切に本充填工程を終えることができる。
　（２）本発明では、初期昇圧率が基準昇圧率より高い場合には、目標昇圧率を基準昇圧率より低くする。すなわち本発明では、従来では把握していなかった初期昇圧率を用いて本充填工程における目標昇圧率を基準昇圧率に対しフォールバックすることにより、容積の小さなタンクが接続された場合であっても、タンクの過昇温を防止し、適切に本充填工程を終えることができる。
　（３）初期充填工程では、配管に設けられた開閉弁を閉じた状態で開閉弁より上流側の貯蔵区間内の圧力を昇圧した後、開閉弁を開き、貯蔵区間内で圧縮されたガスをタンクへ勢いよく充填するプレショット充填を行う。また初期昇圧率推定工程では、上記のようにプレショット充填を実行することによって配管からタンクまでの圧力を均一化した後に、配管に設けられた圧力センサを用いて配管内の圧力を検出し、この圧力と、貯蔵区間の容積と、タンクの容積と、を用いることによって初期圧及び初期昇圧率を推定する。これにより、初期圧及び初期昇圧率を精度良く推定できるので、これらを用いて設定される目標昇圧率を適切な大きさに設定できる。
　（４）初期昇圧率推定工程では、上述のようにプレショット充填を実行することによって配管からタンクまでの圧力を均一化した後に圧力センサを用いて検出した配管内の圧力と、貯蔵区間の容積と、タンクの容積とに基づいて初期圧を推定する。またさらに、このようにして得られた初期圧と、プレショット充填を実行した後の配管内の圧力と、プレショット充填にかかった時間と、に基づいて初期昇圧率を推定する。これにより、初期圧及び初期昇圧率を精度良く推定できるので、これらを用いて設定される目標昇圧率を適切な大きさに設定できる。
　（５）容積推定工程では、一定の昇圧率の下で所定の期間の間にタンクに充填されたガスの量を取得し、これを用いてタンクの容積を推定する。上述のように初期圧や初期昇圧率を推定する場合、タンクの容積に関する情報が必要となる。よって本発明では容積推定工程によってタンクの容積を推定することにより、これを用いて初期圧や初期昇圧率等を推定することができる。なおタンクの容積に関する情報は、充填中に移動体と供給源との間で構築される通信を利用して供給源側で初期充填工程中に把握できる場合がある。このような場合には、容積推定工程で推定した結果は、通信を利用して取得した結果の信憑性を検証するために用いることができる。
　（６）初期昇圧率推定工程では通信を利用してタンクの容積を取得し、これを用いて初期圧及び初期昇圧率を推定する。またこの初期昇圧率推定工程と、この工程で得られた結果を用いる基準昇圧率算出工程と目標昇圧率設定工程とを、本充填工程を開始するまでの間に実行する。そして目標昇圧率設定工程で設定した目標昇圧率の下で本充填工程を開始し、上記容積推定工程では、この本充填工程を開始した直後の期間を利用してタンクの容積を推定する。すなわち本発明では、本充填工程と容積推定工程とを並行して実行することにより、容積推定工程の結果を待たずに速やかに本充填工程を開始することができるので、充填時間が長くなるのを防止できる。
　（７）本発明では、通信によって得られたタンクの容積を利用して暫定的に目標昇圧率を設定し、この目標昇圧率の下で本充填工程を開始した後、この本充填工程と並行して容積推定工程を実行することによって通信とは別のルートでタンクの容積を推定する。そしてタンク容積検証工程では、目標昇圧率を暫定的に設定するために利用した通信によって得られたタンクの容積と、容積推定工程を実行することによって推定されたタンクの容積とを比較する。これにより、本充填工程を速やかに開始しながら、通信によって得られたタンクの容積に関する情報の信憑性を検証することができる。
　（８）本発明では、タンク容積検証工程において通信を利用して取得した容積と容積推定工程において推定した容積との差の相対誤差が所定値以上である場合には、実行中の本充填工程における目標昇圧率を修正し、修正したものを用いて本充填工程を継続する。これにより、当初の目標昇圧率を設定するために通信を利用して取得した容積が誤っていた場合であっても、タンクの過昇温を防止しつつ充填を継続することができる。
　（９）本発明では、初期充填工程中に一定の昇圧率でガスを充填している期間を利用してタンクの容積を推定し、これを用いて初期圧及び初期昇圧率を推定する。これにより、通信を利用してタンクの容積を取得できない場合であっても初期圧及び初期昇圧率を推定し、ひいてはこれらを用いてその後の本充填工程における目標昇圧率を設定することができる。
　（１０）本発明では、本充填工程の終了予想時刻が、タンクの圧力が初期圧である状態を基点として基準昇圧率の下で初期充填工程を実行したと仮定した場合における本充填工程の終了予想時刻と同時刻になるように目標昇圧率を設定する。これにより、初期昇圧率が基準昇圧率より高い場合であっても、目標昇圧率は基準昇圧率よりも低くなるように設定されるので、容積の小さなタンクが接続された場合であっても、タンクの過昇温を防止し、適切に本充填工程を終えることができる。
本発明の第１実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムの構成を示す図である。 充填流量制御の制御回路の構成を示す機能ブロック図である。 目標昇圧率を設定する具体的な演算手順を示す図である。 目標昇圧率を設定する手順を説明するための図である。 水素充填システムにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。 図５のフローチャートによって実現される水素ガスの充填の流れを模式的に示したタイムチャートである。 第２実施形態に係る水素充填システムにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。 水素ガスの充填時における水素タンク内の圧力の変化の一例を示す図である。
＜第１実施形態＞
　以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本実施形態に係る水素ガス充填方法が適用された水素充填システムＳの構成を示す図である。水素充填システムＳは、水素ガスを燃料ガスとして走行する燃料電池車両Ｖと、この車両Ｖの水素タンクに水素ガスを供給する水素ステーション９と、を組み合わせて構成される。以下では、始めに車両Ｖ側の構成について説明し、次にステーション９側の構成について説明する。
　車両Ｖは、ステーション９から供給された水素ガスを貯蔵する水素タンク３１と、この水素タンク３１から延びる車両配管３９と、水素タンク３１に貯蔵された水素ガスによって発電し、発電した電力を利用して走行する燃料電池システム（図示せず）と、水素タンク３１に関するデータ信号を水素ステーション９へ送信する赤外線通信機５と、この赤外線通信機５から送信するデータ信号を生成する通信演算ＥＣＵ６と、を備える。
　車両配管３９は、水素ステーション９の後述の充填ノズル９２が篏合するレセプタクル３８と、車両配管３９のうちレセプタクル３８の近傍に設けられ水素タンク３１側からレセプタクル３８へ水素ガスが逆流するのを防止するための逆止弁３６と、を備える。
　通信演算ＥＣＵ６には、上述の水素タンク３１に関する情報を取得する手段として、タンク内温度センサ４１と、タンク内圧力センサ４２と、が接続されている。タンク内温度センサ４１は、水素タンク３１内の水素ガスの温度を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。タンク内圧力センサ４２は、水素タンク３１内の圧力を検出し、検出値に対応した信号を通信演算ＥＣＵ６に送信する。
　通信演算ＥＣＵ６は、上記センサ４１，４２の検出信号をＡ／Ｄ変換するインターフェースや、後述の信号生成処理を実行するＣＰＵや、上記処理の下で決定した態様で赤外線通信機５を駆動する駆動回路や、各種データを記憶する記憶装置等で構成されるマイクロコンピュータである。
　通信演算ＥＣＵ６の記憶装置には、後述のデータ信号生成処理の実行に係るプログラムや、車両Ｖが製造された時点で搭載されていた水素タンク３１の容積値を含む固有情報が記録されている。なお水素タンクの容積値の他、例えば、容積値から既知の変換則によって導出される容量や水素タンクの材質等、製造時点で特定できる水素タンク３１に関する情報は、この固有情報に含まれる。
　通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば、レセプタクル３８を保護するフューエルリッドが開かれたことを契機として、通信機５から水素ステーション９へ送信される信号を生成する信号生成処理を開始する。また通信演算ＥＣＵ６のＣＰＵは、例えば上記ノズルがレセプタクル３８から取り外されたことを検出した場合や、フューエルリッドが閉じられたことを検出した場合等、水素ガスの充填が不可能な状態になったことを契機として、信号生成処理を終了する。
　信号生成処理では、水素タンク内の温度の現在の値に相当する温度送信値ＴＩＲと、水素タンク内の圧力の現在の値に相当する圧力送信値ＰＩＲと、水素タンクの容積の現在の値に相当する容積送信値ＶＩＲと、が所定の周期毎に取得され、これら値（ＴＩＲ，ＰＩＲ，ＶＩＲ）に応じたデータ信号を生成する。温度送信値ＴＩＲは、その時のタンク内温度センサ４１の検出値が用いられる。圧力送信値ＰＩＲは、その時のタンク内圧力センサ４２の検出値が用いられる。また容積送信値ＶＩＲは、上述の記憶装置に記録されたものが用いられる。
　また信号生成処理では、上述のように周期的に取得される温度送信値ＴＩＲ及び圧力送信値ＰＩＲと各送信値に対して予め定められたアボート閾値とを比較しており、充填中にこれら送信値の何れかがアボート閾値を超えた場合には、水素ステーション９に対して充填の終了を要請するためのアボート信号を生成する。
　通信演算ＥＣＵ６の駆動回路は、上記信号生成処理によって生成されたデータ信号及びアボート信号に応じて赤外線通信機５を駆動（点滅）させる。これにより、水素タンク内の状態に関する状態情報（すなわち、温度送信値ＴＩＲ及び圧力送信値ＰＩＲ等）並びに固有情報（すなわち、容積送信値ＶＩＲ等）を含んだデータ信号や、アボート信号が水素ステーション９へ送信される。
　水素ステーション９は、車両Ｖに供給するための水素ガスが高圧で貯蔵されている蓄圧器９１と、蓄圧器９１から水素ガスを吐出する充填ノズル９２に至るステーション配管９３と、ステーション配管９３に設けられた遮断弁９４ａ及び流量制御弁９４ｂと、これら弁９４ａ，９４ｂを制御するステーションＥＣＵ９５と、を備える。
　ステーションＥＣＵ９５は、充填ノズル９２が車両Ｖに設けられたレセプタクル３８に接続された後、後に図２～図６を参照して説明する手順に従って遮断弁９４ａ及び流量制御弁９４ｂを開閉し、蓄圧器９１に貯蔵された高圧水素ガスを車両Ｖの水素タンク３１に充填する。
　ステーション配管９３のうち流量制御弁９４ｂと充填ノズル９２の間には、水素ガスを冷却する冷却器９６が設けられる。このような冷却器９６によって、水素タンク３１に充填される手前の位置で水素ガスを冷却することにより、水素タンク３１内の水素ガスの温度上昇を抑制し、ひいては急速充填が可能となる。
　ステーションＥＣＵ９５には、水素タンク３１に充填される手前の位置における水素ガスの状態を把握するため、各種センサ９７ａ，９７ｂ，９７ｃ，９７ｄ，９７ｅが接続されている。
　流量計９７ａは、ステーション配管９３のうち遮断弁９４ａと流量制御弁９４ｂとの間に設けられ、ステーション配管９３を流れる水素ガスの単位時間当たりの質量、すなわち質量流量に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。ステーション温度センサ９７ｂは、ステーション配管９３のうち冷却器９６の下流側に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの温度に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。大気温度センサ９７ｄは、大気の温度を検出し、検出値に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。なお、この大気温度センサ９７ｄによって検出される大気温度は、充填開始時点における車両Ｖの燃料タンク内の水素ガスの温度とみなすことができる場合がある。
　第１ステーション圧力センサ９７ｃは、ステーション配管９３のうち流量制御弁９４ｂと遮断弁９４ａとの間に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの圧力に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。第２ステーション圧力センサ９７ｅは、ステーション配管９３のうち流量制御弁９４ｂ及び冷却器９６より下流側に設けられ、ステーション配管９３内の水素ガスの圧力に対応した信号をステーションＥＣＵ９５に送信する。
　充填ノズル９２には、車両Ｖと通信するための赤外線通信機９８が設けられている。赤外線通信機９８は、充填ノズル９２をレセプタクル３８に接続すると、車両Ｖに設けられた赤外線通信機５に対向し、これら通信機９８，５間で赤外線を介したデータ信号の送受信が可能となる。
　図２は、ステーションＥＣＵ９５による充填流量制御の制御回路の構成を示す機能ブロック図である。水素ステーションにおいて水素ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、始めに車両の水素タンクに関する情報を得るために試験的に水素ガスを充填する初期充填工程と、初期充填工程において得られた情報を用いてステーションＥＣＵ９５による充填流量制御の下で水素ガスを充填する本充填工程と、に分けられる（後述の図５のフローチャート等参照）。図２には、特に本充填工程における充填流量制御を実現するためのモジュール７１～７６を図示する。
　平均プレクール温度演算部７１は、温度センサ９７ｂの検出値ＴＰＣ及び流量計９７ａの検出値ｍＳＴに基づいて、プレクーラを経た後の水素ガスの平均温度である平均プレクール温度ＴＰＣ＿ＡＶを算出する。目標昇圧率設定部７２は、本充填工程中における水素タンクの昇圧率に対する目標に相当する目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する。なお、目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する具体的な手順については、後に図３を参照して説明する。
　目標充填圧演算部７３は、目標昇圧率設定部７２によって設定された目標昇圧率ΔＰＳＴと第２ステーション圧力センサの検出値ＰＳＴ２（以下、「充填圧」ともいう）とを用いることによって、所定時間後の充填圧の目標値に相当する目標充填圧ＰＴＲＧＴを算出する。
　フィードバック制御器７４は、既知のフィードバック制御則に基づいて、充填圧ＰＳＴ２が目標充填圧ＰＴＲＧＴになるような流量制御弁の指示開度を決定し、これを流量制御弁の駆動装置（図示せず）に入力する。駆動装置は、この指示開度を実現するように流量制御弁の開度を調整する。これにより本充填工程では、目標昇圧率設定部７２によって設定された目標昇圧率ΔＰＳＴが実現されるように水素ガスが充填される。
　充填完了判断部７５は、水素ガスの充填が完了したか否かを判断し、充填が完了したと判断した場合には、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にするか或いは遮断弁９４ａを閉弁する。充填完了判断部７５では、例えば、以下のような３つの充填完了条件が定義されている。
　第１の充填完了条件は、車両側からアボート信号を受信したこと、である。充填完了判断部７５は、この第１の充填完了条件が満たされたと判断した場合には、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にするか或いは遮断弁９４ａを閉弁する。
　第２の充填完了条件は、充填中の水素タンクの水素ＳＯＣが、所定の完了閾値を超えたこと、である。ここで、水素ＳＯＣとは、水素タンクに貯蔵されている水素ガスの残量を、水素タンクで貯蔵できる水素ガスの最大量に対する百分率で示したものである。充填完了判断部７５は、車両側からの温度送信値ＴＩＲと、充填圧ＰＳＴ２とを既知の推定式に入力することによって、充填中の水素ＳＯＣを算出し、この水素ＳＯＣが上記完了閾値を超えた場合には、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にするか或いは遮断弁９４ａを閉弁する。
　第３の充填完了条件は、充填圧ＰＳＴ２が所定の完了閾値を超えたこと、である。充填完了判断部７５は、圧力センサによって検出される充填圧ＰＳＴ２が、上記完了閾値を超えた場合には、水素ガスの充填を完了させるべく、指示開度を０にするか又は遮断弁９４ａを閉弁する。
　容積推定部７６は、車両側から送信される容積送信値ＶＩＲ以外の情報を用いて、水素タンクの容積の推定値Ｖ´を算出する。より具体的には、一定の昇圧率の下で水素ガスの充填を開始してから所定の時間が経過するまでの間の２つの異なる第１時刻ｔａ及び第２時刻ｔｂにおいて取得した値を用いて、下記式（１）によって水素タンクの容積の推定値Ｖ´を算出する。下記式（１）は、上記第１時刻及び第２時刻のそれぞれにおいて成立する実在気体方程式を連立することによって導出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式（１）において、“Ｒ”は、気体定数であり、固定値である。“ｄｍ”は、上述の第１時刻と第２時刻との間における水素ガスの充填量の値であり、例えば、第１時刻から第２時刻までの間における流量計９７ａの検出値を積分することによって算出された値が用いられる。
　“Ｔａ”及び“Ｔｂ”はそれぞれ第１時刻及び第２時刻における水素タンク内の水素ガスの温度の値である。より具体的には、“Ｔａ”は、例えば、第１時刻における大気温度センサの検出値Ｔａｍが用いられる。また“Ｔｂ”は、予め定められた温度予測式に、大気温度センサの検出値やガス温度センサの検出値等を入力することによって算出される。
　“Ｐａ”及び“Ｐｂ”はそれぞれ第１時刻及び第２時刻における水素タンク内の水素ガスの圧力の値である。より具体的には、例えば“Ｐａ”及び“Ｐｂ”には、それぞれ第１時刻及び第２時刻における第２ステーション圧力センサの検出値ＰＳＴ２が用いられる。ただし、ステーションと車両との間の水素ガスの流路には圧損が生じるため、水素ガスの充填中は、水素タンク内よりもステーション側の方が圧力は高い。したがって、上記のようにステーション側の圧力センサの出力を用いて“Ｐａ”及び“Ｐｂ”を推定する場合、これを推定する時刻、すなわち第１時刻及び第２時刻では、水素ガスの充填を一時的に停止するか、あるいは流量を減らして圧損を低減することが好ましい。
　また“Ｚａ（Ｐａ）”及び“Ｚｂ（Ｐｂ）”はそれぞれ第１時刻及び第２時刻における水素タンク内の水素ガスの圧縮率因子の値である。より具体的には、水素タンク内の水素ガスの圧力の関数として予め定められた圧縮率因子の推定式に、各時刻の圧力の値“Ｐａ”及び“Ｐｂ”や、各時刻の温度の値“Ｔａ”及び“Ｔｂ”等を入力することによって算出される。
　図３は、目標昇圧率設定部７２において、目標昇圧率を設定する具体的な演算手順を示す図である。図４は、目標昇圧率を設定する手順を説明するための図である。
　初期圧推定部７２１は、初期充填工程を開始してから本充填工程を開始するまでの間に、初期充填工程の開始時における水素タンクの圧力である初期圧Ｐ０を推定する。より具体的には、初期圧推定部７２１は、初期充填工程に含まれるプレショット充填を実行した後に、第１ステーション圧力センサを用いて検出されたステーション配管内の圧力や、水素タンクの容積等を用いて、下記式（２）によって初期充填工程の開始時における水素タンクの密度である初期密度ρ０を推定した後、この初期密度ρ０と初期充填工程の開始時における水素タンクの温度に相当する初期温度とを用いることによって既知の演算式によって初期圧Ｐ０を推定する。なお初期充填工程の開始時における水素タンクの温度は、概ね外気温度と等しいと考えられることから、この初期温度には、例えば、大気温度センサによって検出される温度Ｔａｍｂがそのまま用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記式（２）において、“ＶＰＲＥ”は、プレショット充填時に一時的に昇圧される貯蔵区間（より具体的には、ステーション配管内のうち遮断弁から流量制御弁までの間の区間）の容積であって、予め定められた値が用いられる。また“ρＰＲＥ”は、プレショット充填を開始する直前における上記貯蔵区間内に封入されていたガスの密度である。この密度ρＰＲＥは、プレショット充填の直前に第１ステーション圧力センサを用いて検出された貯蔵区間内の圧力ＰＳＴ１及びプレショット充填を開始する直前における貯蔵区間内の温度を用いることによって算出される。なおこのプレショット充填を開始する直前における貯蔵区間内の温度は、図示しない温度センサを用いて直接取得してもよいし、或いは既知の演算式を用いて推定してもよい。
　また上記式（２）において、“ρ１”は、プレショット充填後における水素タンクに充填されているガスの密度である。この密度ρ１は、プレショット充填の直後に第１又は第２ステーション圧力センサを用いて検出されたステーション配管内の圧力及びプレショット充填の直後における水素タンク内の温度が用いられる。なおこのプレショット充填の直後における水素タンクの温度は、例えば、水素タンクの初期温度Ｔ０や上述のプレショット充填を開始する直前における貯蔵区間内の温度等を用いた既知の演算式によって推定できる。また“Ｖ”は、水素タンクの容積であり、車両側から送信される容積送信値ＶＩＲ又は上述の容積推定部７６によって算出された推定値Ｖ´が用いられる。また上記式（２）は、プレショット充填の前後で成立する質量保存則に基づいて導出される。
　なお、プレショット充填の前後で水素タンクの温度がほぼ同じであるとの仮定が妥当である場合には、上記式（２）と同様の下記式（３）が初期圧Ｐ０に対して成立する。したがってこのような仮定が妥当である場合には、上述のように初期密度ρ０の算出を経ることなく下記式（３）を用いて直接初期圧Ｐ０を算出してもよい。なお下記式（３）において“ＰＰＲＥ”は、プレショット充填を開始する直前における上記貯蔵区間内の圧力であり、プレショット充填の直前に第１ステーション圧力センサを用いて検出された貯蔵区間内の圧力ＰＳＴ１が用いられる。また“Ｐ１”は、プレショット充填後における水素タンクの圧力であり、プレショット充填の直後に第１又は第２ステーション圧力センサを用いて検出されたステーション配管内の圧力が用いられる。なおプレショット充填の直後は、ステーション配管内の圧力は第１ステーション圧力センサの検出箇所と第２ステーション圧力センサの検出箇所とでほぼ等しくなると考えられることから、上記圧力Ｐ１は、第１ステーション圧力センサを用いてもよいし、第２ステーション圧力センサを用いてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　初期昇圧率推定部７２２は、初期充填工程を開始してから本充填工程を開始するまでの間に、初期充填工程を開始してから終了するまでの間の水素タンクの昇圧率である初期昇圧率ΔＰ０を推定する。より具体的には、初期昇圧率推定部７２２では、初期圧推定部７２１によって推定された初期圧Ｐ０と、プレショット充填後における水素タンクの圧力Ｐ１と、初期充填工程にかかった時間ｔＰＲＥ（＝ｔ１－ｔ０）、を用いて、下記式（４）によって初期昇圧率ΔＰ０を推定する。この初期昇圧率ΔＰ０は、図３の例では一点鎖線Ａ－Ｃの傾きに相当する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　基準昇圧率演算部７２３は、本充填工程における目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する際における基準となる基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する。この基準昇圧率とは、初期充填工程を実行せずに一定の昇圧率の下で本充填工程を開始すると仮定した場合において、満充填に至る前に水素タンクの温度が所定の上限を上回らないようにかつできるだけ短い時間で満充填に到達するように定められる理想的な昇圧率である。基準昇圧率演算部７２３は、充填の開始時刻及び開始時刻における水素タンクの初期圧によって特定される基点と、水素タンクの容積と、外気温度と、水素ガス温度と、が入力されると、これらパラメータに基づいて予め定められたマップ（図示せず）を検索することによって、上記のような理想的な昇圧率を算出する。
　より具体的には、基準昇圧率演算部７２３では、初期充填工程の開始時刻（図４の時刻ｔ０）及び初期圧推定部７２１によって推定された初期圧Ｐ０によって特定される基点（図４の印Ａ）を、基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する際における入力パラメータとして用いる。これにより、図４において破線Ａ－Ｂの傾きに相当する基準昇圧率ΔＰＢＳが算出される。また基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する際に用いられる入力パラメータとしての水素タンクの容積には、車両側から送信される容積送信値ＶＩＲ又は容積推定部７６によって算出された推定値Ｖ´が用いられ、外気温度には大気温度センサによって検出される大気温度Ｔａｍｂが用いられ、水素ガス温度には、平均プレクール温度演算部７１によって算出される平均プレクール温度ＴＰＣ＿ＡＶが用いられる。
　フォールバック演算部７２４は、基準昇圧率ΔＰＢＳと初期昇圧率ΔＰ０とのずれを用いることによって基準昇圧率ΔＰＢＳの近傍に目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する。より具体的には、フォールバック演算部７２４では、初期昇圧率が基準昇圧率以下である場合には（ΔＰ０≦ΔＰＢＳ）、基準昇圧率ΔＰＢＳを目標昇圧率ΔＰＳＴとしてそのまま採用する（ΔＰＢＳ＝ΔＰＳＴ）。これに対し、初期昇圧率が基準昇圧率以上である場合には（ΔＰ０＞ΔＰＢＳ）、このずれを補うべく目標昇圧率ΔＰＳＴを基準昇圧率ΔＰＢＳよりも低く設定する。より具体的には、フォールバック演算部７２４では、本充填工程の終了予想時刻が、基点Ａから初期充填工程を実行せずに基準昇圧率ΔＰＢＳの下で本充填工程を実行した場合におけるこの仮の本充填工程の終了予想時刻ｔｅｎｄと同時刻になるように目標昇圧率ΔＰＳＴを、基準昇圧率ΔＰＢＳよりも低く設定する。
　次に、以上のような水素充填システムにおいて水素ガスを充填する具体的な手順を説明する。
　図５は、水素充填システムにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。この処理は、水素ステーションの充填ノズルが車両のレセプタクルに接続され、水素ガスの充填と通信とが可能な状態になったことに応じて開始する。図５に示すように、水素ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、試験的に水素ガスを充填する初期充填工程（Ｓ１からＳ７）と、所定の目標昇圧率の下で水素ガスを充填する本充填工程（Ｓ８以降）と、に分けられる。
　Ｓ１では、水素ステーションは、プレショット充填を実行する。より具体的には、ステーション配管に設けられた流量制御弁を締め切ったまま、その上流側に設けられた遮断弁を開き、流量制御弁より上流側に設けられた第１ステーション圧力センサの検出値が所定値を示すまでステーション配管内を昇圧した後、遮断弁を閉じる。これによりステーション配管内のうち流量制御弁から遮断弁までの間の貯蔵区間内には、圧力に応じた量の水素ガスが充填される。次に、遮断弁を閉じたまま流量制御弁を開く。これにより、上記貯蔵区間内で圧縮された水素ガスは、水素タンク内へ一気に流れ込み、水素タンク内とステーション配管内とが均一化される。
　Ｓ２では、水素ステーションは、充填を一時的に停止し、充填漏れの有無を確認するリークチェックを実行する。Ｓ３では、水素ステーションは、通信を利用することによって車両から容積送信値ＶＩＲを取得する。Ｓ４では、水素ステーションは、Ｓ３で取得した容積送信値ＶＩＲを用いて、上記式（２）を参照して説明した手順に従って初期充填工程の開始時における水素タンクの初期密度ρ０及び初期圧Ｐ０を推定する。Ｓ５では、水素ステーションは、Ｓ４で推定した初期圧Ｐ０を用いて、上記式（４）を参照して説明した手順に従って初期充填工程における初期昇圧率ΔＰ０を推定する。
　Ｓ６では、水素ステーションは、Ｓ１のプレショット充填の開始時刻において水素タンクの圧力がＳ３で推定された初期圧Ｐ０である状態を基点として、図３を参照して説明した手順に従って基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する。Ｓ７では、水素ステーションは、Ｓ６で算出した基準昇圧率ΔＰＢＳとＳ５で推定した初期昇圧率ΔＰ０とのずれを用いることによって、図３を参照して説明した手順に従って、本充填工程における目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する。
　Ｓ８では、水素ステーションは、Ｓ７で設定された目標昇圧率ΔＰＳＴの下で本充填工程を開始する。Ｓ９では、目標昇圧率ΔＰＳＴの下で本充填工程を開始した直後の期間を利用して、上記式（１）を参照して説明した手順に従って水素タンクの容積の推定値Ｖ´を算出する。
　Ｓ１０では、Ｓ９で取得した容積推定値Ｖ´と、初期圧Ｐ０の推定や目標昇圧率ΔＰＳＴの設定等に用いるためにＳ３において取得した容積送信値ＶＩＲとの差の相対誤差（｜Ｖ´－ＶＩＲ｜／Ｖ´）が正の所定値以上であるか否かを判定する。Ｓ１０の判定がＮＯである場合には、通信を利用して取得した容積送信値ＶＩＲは正しいことが検証されたとして、引き続き本充填工程を継続する（Ｓ１１参照）。またＳ１０の判定がＹＥＳである場合には、通信を利用して取得した容積送信値ＶＩＲは正しくなく、したがってこれを用いて設定された初期圧Ｐ０、初期昇圧率ΔＰ０及び基準昇圧率ΔＰＢＳ、並びにこれらを用いて設定された目標昇圧率ΔＰＳＴは妥当でないと判断し、目標昇圧率ΔＰＳＴを修正し、この修正した目標昇圧率ΔＰＳＴ´を用いて本充填工程を継続する（Ｓ１２参照）。ここで、新たな目標昇圧率ΔＰＳＴ´は、Ｓ９において取得した容積推定値Ｖ´を用いて再度初期圧、初期昇圧率及び基準昇圧率を算出し、これらを用いて改めて設定された値が用いられる。
　図６は、図５のフローチャートによって実現される水素ガスの充填の流れを模式的に示したタイムチャートである。図６において、実線は実際のタンク内の圧力の変化を示し、破線は基準昇圧率の下で水素ガスを充填した場合におけるタンク内の圧力の変化を示す。
　初めに時刻ｔ０～ｔ１では、プレショット充填及びリークチェックを実行する（図５のＳ１～Ｓ２参照）。これにより、水素タンク内の圧力は、Ｐ０からＰ１へ上昇する。
　次に、時刻ｔ１では、容積送信値ＶＩＲを取得し（Ｓ３参照）、これを用いてプレショット充填を開始する時点における水素タンクの初期圧Ｐ０を推定する（Ｓ４参照）。また時刻ｔ１では、推定した初期圧Ｐ０を用いて、プレショット充填及びリークチェックによって構成される初期充填工程における初期昇圧率ΔＰ０（＝（Ｐ１－Ｐ０）／（ｔ１－ｔ０））を推定し、時刻ｔ０及び初期圧Ｐ０を基点とした基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する（Ｓ６参照）。また時刻ｔ１では、これら初期昇圧率ΔＰ０と基準昇圧率ΔＰＢＳとのずれを用いて目標昇圧率ΔＰＳＴを設定し、この目標昇圧率ΔＰＳＴの下で本充填工程を開始する（Ｓ８参照）。ここで図６に示すように、初期昇圧率ΔＰ０が基準昇圧率ΔＰＢＳよりも大きい場合には、基準昇圧率ΔＰＢＳの下で初期充填工程を実行せずに本充填工程を開始した場合における終了予想時刻ｔｅｎｄと同時刻で本充填工程が終了するように、目標昇圧率ΔＰＳＴは基準昇圧率ΔＰＢＳよりも低く設定される。
　本充填工程を開始した後、時刻ｔ２では、時刻ｔ１～ｔ２までの間で目標昇圧率ΔＰＳＴの下で水素ガスが充填されている期間を利用して、容積推定値Ｖ´を算出し（Ｓ９参照）、さらにこの容積推定値Ｖ´と先に通信を利用して取得した容積送信値ＶＩＲとを比較し、最終的に目標昇圧率ΔＰＳＴを設定するために取得した容積送信値ＶＩＲが妥当であったか否かを検証する（Ｓ１０参照）。ここで容積送信値ＶＩＲが妥当であることが検証された後は、引き続き本充填工程を継続し、終了予想時刻ｔｅｎｄで本充填工程が終了する。
＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の本実施形態の説明において、第１実施形態と共通する点については図示及びその説明を省略する。第１実施形態の水素充填システムでは、車両と水素ステーションとの間で構築される通信を利用することによって、水素ステーション側で水素タンクの容積送信値ＶＩＲを取得できる場合について説明した（図５のＳ３参照）。これに対し本実施形態の水素充填システムでは、何等かの理由によって水素ステーション側で水素タンクの容積送信値ＶＩＲを取得できない場合について説明する。
　図７は、本実施形態に係る水素充填システムにおいて水素ガスを充填する手順を示すフローチャートである。水素ステーションの充填ノズルが車両のレセプタクルに接続され、水素ガスの充填と通信とが可能な状態になったことに応じて開始する。図７に示すように、水素ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、試験的に水素ガスを充填する初期充填工程（Ｓ２１からＳ２８）と、所定の目標昇圧率の下で水素ガスを充填する本充填工程（Ｓ２９以降）と、に分けられる。
　Ｓ２１及びＳ２２では、水素ステーションは、図５のＳ１及びＳ２と同様にプレショット充填及びリークチェックを実行する。Ｓ２３では、水素ステーションは、水素タンクの容積を推定するため、予め定められた一定の昇圧率で、所定の期間にわたり水素ガスを充填する。なおこの時点では、水素ステーションは水素タンクの容積を把握できないため、目標昇圧率は、想定されるもののうち最も低いものに設定される。
　Ｓ２４では、水素ステーションは、Ｓ２３において所定の昇圧率の下で所定の期間にわたり水素ガスが充填されている期間を利用して、上記式（１）を参照して説明した手順に従って水素タンクの容積の推定値Ｖ´を算出する。
　Ｓ２５では、水素ステーションは、容積推定値Ｖ´を用いて、上記式（２）を参照して説明した手順に従って初期充填工程の開始時における水素タンクの初期密度ρ０及び初期圧Ｐ０を推定する。Ｓ２６では、水素ステーションは、Ｓ２５で推定した初期圧Ｐ０を用いて、上記式（４）を参照して説明した手順に従って、初期充填工程における初期昇圧率ΔＰ０を推定する。
　Ｓ２７では、水素ステーションは、Ｓ１のプレショット充填の開始時刻において水素タンクの圧力がＳ２５で推定された初期圧Ｐ０である状態を基点として、図３を参照して説明した手順に従って基準昇圧率ΔＰＢＳを算出する。Ｓ２８では、水素ステーションは、Ｓ２７で算出した基準昇圧率ΔＰＢＳとＳ２６で推定した初期昇圧率ΔＰ０とのずれを用いることによって、図３を参照して説明した手順に従って、本充填工程における目標昇圧率ΔＰＳＴを設定する。Ｓ２９では、水素ステーションは、Ｓ２８で設定された目標昇圧率ΔＰＳＴの下で本充填工程を実行する。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。
　Ｓ…水素充填システム
　Ｖ…燃料電池車両（移動体）
　３１…水素タンク（タンク）
　３９…車両配管（配管）
　９…水素ステーション
　９１…蓄圧器（供給源）
　９３…ステーション配管（配管）
　９４ｂ…流量制御弁（開閉弁）
　９７ｃ…第１ステーション圧力センサ（圧力センサ）

Claims (10)

  1. 　圧縮ガスの供給源と移動体に搭載されたタンクとを配管で接続し、当該タンクにガスを充填する移動体のガス充填方法であって、
    　ガスの充填を開始してから終了するまでのガス充填工程は、前記タンクに関する情報を得るためにガスを充填する初期充填工程と、前記初期充填工程を実行している間に得られた情報を用いて定められた目標昇圧率が実現されるようにガスを充填する本充填工程と、に分けられ、
    　前記初期充填工程の開始時における前記タンクの初期圧及び当該初期充填工程における前記タンクの初期昇圧率を推定する初期昇圧率推定工程と、
    　前記タンクの圧力が前記初期圧である状態を基点とし、当該基点から前記初期充填工程を実行せずに前記本充填工程を開始すると仮定した場合における前記タンクの基準昇圧率を算出する基準昇圧率算出工程と、
    　前記初期昇圧率と前記基準昇圧率とのずれを用いて前記本充填工程における前記目標昇圧率を設定する目標昇圧率設定工程と、を備えることを特徴とするガス充填方法。
  2. 　前記目標昇圧率設定工程では、前記初期昇圧率が前記基準昇圧率より高い場合には、前記目標昇圧率を前記基準昇圧率より低くすることを特徴とする請求項１に記載のガス充填方法。
  3. 　前記配管には、開閉弁と、当該開閉弁より上流側の圧力を検出する圧力センサと、が設けられ、
    　前記初期充填工程では、前記開閉弁を閉じた状態で前記配管のうち前記開閉弁より上流側の所定の貯蔵区間内の圧力を昇圧した後、前記開閉弁を開き、前記貯蔵区間内で圧縮されたガスを前記タンクへ充填するプレショット充填を行い、
    　前記初期昇圧率推定工程では、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記貯蔵区間の容積と、前記タンクの容積と、に基づいて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス充填方法。
  4. 　前記初期昇圧率推定工程では、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記貯蔵区間の容積と、前記タンクの容積と、に基づいて前記初期圧を推定し、さらに当該推定した初期圧と、前記プレショット充填を実行した後に前記圧力センサを用いて検出された前記配管内の圧力と、前記プレショット充填にかかった時間と、に基づいて前記初期昇圧率を推定することを特徴とする請求項３に記載のガス充填方法。
  5. 　一定の昇圧率の下で所定の期間の間に前記タンクに充填されたガスの量を取得し、当該取得したガスの量を用いて前記タンクの容積を推定する容積推定工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のガス充填方法。
  6. 　前記初期昇圧率推定工程では、前記供給源と前記移動体との間の通信を利用して前記タンクの容積を取得し、当該取得した容積を用いて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定し、
    　前記初期昇圧率推定工程と前記基準昇圧率算出工程と前記目標昇圧率設定工程とは、前記本充填工程を開始する前までに実行し、
    　前記容積推定工程は、前記目標昇圧率設定工程で設定した目標昇圧率の下で前記本充填工程を開始した直後の期間を利用して前記タンクの容積を推定することを特徴とする請求項５に記載のガス充填方法。
  7. 　前記初期昇圧率推定工程において前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定するために通信を利用して取得した前記タンクの容積と、前記容積推定工程において推定された前記タンクの容積とを比較するタンク容積検証工程をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のガス充填方法。
  8. 　前記タンク容積検証工程において、前記通信を利用して取得した容積と前記容積推定工程において推定した容積との差の相対誤差が所定値以上である場合には、前記目標昇圧率設定工程で設定した前記目標昇圧率を修正し、当該修正した目標昇圧率を用いて前記本充填工程を継続することを特徴とする請求項７に記載のガス充填方法。
  9. 　前記容積推定工程では、前記初期充填工程中に予め定められた一定の昇圧率でガスが充填されている期間を利用して前記タンクの容積を推定し、
    　前記初期昇圧率推定工程では、前記容積推定工程において推定された前記タンクの容積を用いて前記初期圧及び前記初期昇圧率を推定することを特徴とする請求項５に記載のガス充填方法。
  10. 　前記目標昇圧率設定工程では、前記本充填工程の終了予想時刻が、前記基点から前記初期充填工程を実行せずに前記本充填工程を前記基準昇圧率の下で実行した場合における当該本充填工程の終了予想時刻と同時刻になるように前記目標昇圧率を設定することを特徴とする請求項１から８の何れかに記載のガス充填方法。
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