WO2021148220A1 - Verfahren zum öffnen einer ventilanordnung für einen treibstofftank - Google Patents

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention is based on a method according to the categories of the independent method claim and a system according to the category of the independent system claim.
  • Hydrogen-based fuel cells are considered to be the mobility concept of the future, as they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction.
  • the hydrogen is stored in gaseous form under pressure in one or more tanks.
  • the pressure vessels known today from the prior art often have a large number of tank valves for closing and opening the pressure vessel, which are usually in the form of solenoid valves and can be opened by applying an opening voltage of 12 V, for example. When opening, the valves must first open against a large pressure difference during operation, which briefly requires high energy.
  • TPRD's temperature-controlled safety relief valves
  • TPRD's temperature-controlled safety relief valves
  • the subject matter of the invention is a method with the features of the independent method claim and, according to a second aspect, a system with the features of the independent system claim. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the system according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the respective individual aspects of the invention, reference is or can always be made to each other.
  • the advantage of the method according to the invention for opening a valve arrangement for a fuel tank is to be seen in particular in the fact that a particularly energy-efficient opening of a plurality of valves is made possible by means of the activation of a valve arrangement for a fuel tank according to the invention.
  • the application of the method according to the invention does not require any special valves and thus achieves a cost reduction due to the standardized production.
  • the use of the method according to the invention allows an increase in safety in that the tank valves can still be reliably opened even in the event of large pressure differences between the inside and the outside of a pressure vessel, for example due to the occurrence of a fire.
  • the method according to the invention for opening a valve arrangement for a fuel tank can be used in particular in motor vehicles, such as passenger cars or trucks. Use in other vehicles or means of transport, such as forklifts, cranes, ships or flying objects, is also conceivable. Use in stationary systems is also conceivable.
  • the method according to the invention for opening a valve arrangement for a fuel tank, comprising a pilot valve and at least one further valve, in particular for use in a fuel cell-operated vehicle comprises the steps of applying a booster voltage to open the pilot valve in an opening phase of the pilot valve, and switching off the booster voltage for ending the opening phase of the pilot valve, applying a tightening voltage to keep the pilot valve open in a tightening phase of the pilot valve and alternately switching the tightening voltage on and off to keep the pilot valve open and to open and keep open the at least one further valve in a readjustment phase, so that the middle required open energy for keeping the pilot valve open and the average required opening and / or open energy of the at least one further valve is provided.
  • a valve arrangement can in particular be understood to mean an interconnected system made up of a plurality of valves.
  • a pilot valve can furthermore preferably be understood as a valve to be activated first before all further valves for closing a pressure vessel, which valve can advantageously be connected directly to the pressure vessel.
  • a further valve can accordingly be understood to be a valve to be controlled downstream of the pilot valve for closing a pressure vessel.
  • the pilot valve can be dimensioned similarly, preferably dimensioned and / or configured completely identically, as the further valve or valves.
  • the average energy required to keep the open position can also be understood to mean, in particular, the energy that must be applied over a certain period of time in the medium so that a pilot valve and / or the at least one further valve is still open after opening State can remain.
  • the tightening voltage before the completion of the tightening phase of the pilot valve, as well as the amplifier voltage before the opening phase of the further valve can also be switched off before the readjustment phase is initiated and the tightening voltage alternates can be switched off and on.
  • switching off the pull-in voltage to end the post-activation phase can be provided, which can preferably take place via a simultaneous closing of the pilot valve and the at least one further valve. It is also understood that, in addition to at least one further valve, a plurality of further valves can also be provided, which can be opened or kept open at least partially one after the other or at the same time in a readjustment phase.
  • the magnitude of the booster voltage is greater than the pull-in voltage, the booster voltage preferably being greater than 12 V. , particularly preferably an amount of more than 65 V, in particular an amount of at least 400 V.
  • the booster voltage can for example be applied to a solenoid valve, advantageously in such a way that an opening current of more than 5 A, preferably more than 7 A, in particular at least 10 A, flows at least temporarily in the coil of the solenoid valve, so that a rapid pressure equalization flows is guaranteed.
  • the opening phase lasts more than 2 ms, preferably more than 5 ms, in particular more than 10 ms.
  • the pull-in voltage is lower than the amplifier voltage, the pull-in voltage preferably having a value of 12 V or less.
  • the alternating switching off and switching on of the starting voltage takes place in a readjustment phase in such a way that an opening and / or hold-open current of at least 2 A on average is set.
  • the invention also relates to a system for opening a valve arrangement for a fuel tank for use in a fuel cell-operated vehicle.
  • the system according to the invention comprises a pilot valve, at least one further valve and a control device for applying a booster voltage to open the pilot valve and for applying a pull-in voltage to keep the pilot valve open and to open and keep open the at least one further valve, the control device being designed and within of the system is arranged so that the mean required energy for keeping the pilot valve open and for opening and keeping the at least one further valve open can be provided by alternately switching off and on the pull-in voltage.
  • the system according to the invention thus has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention.
  • the system can also have at least one Have fuel tank.
  • the fuel tank can in particular be designed in the form of a hydrogen or natural gas tank.
  • pilot valve and / or the at least one further valve are formed in the form of self-closing valves, preferably in the form of solenoid valves.
  • a detection unit is provided for detecting measured values to determine a suitable point in time for applying a variable voltage.
  • a possible measured value can in particular be the current back pressure or the pressure difference and / or the current internal temperature and / or external temperature.
  • a processing unit for determining a suitable point in time for applying a variable voltage on the basis of measured values detected by means of the detection unit is provided.
  • a processing unit can in particular subsequently process the measured values recorded by the detection unit, for example averaging and / or weighting or some other type of evaluation, in order to ensure a reliable determination of an advantageous point in time for initiating an opening process.
  • the control device, the processing unit and the detection unit can furthermore preferably be connected to one another via a control line.
  • control device In the context of an arrangement that can be easily integrated and flexibly arranged, the control device, the processing unit and the detection unit can also be connected to one another wirelessly via WLAN, Bluetooth or NFC or the like.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a system described above, in particular a fuel cell-operated motor vehicle, comprising a system described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for opening a valve arrangement for a fuel tank
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the control profile for further tank valves.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for opening a valve arrangement for a fuel tank, comprising a pilot valve Vi and at least one further valve V2, in particular for use in a fuel cell-operated vehicle.
  • the method includes the step of applying 30 a booster voltage Sizur opening of the pilot valve Viin an opening phase Pi of the pilot valve Vi.
  • the amplifier voltage Si is advantageously greater in magnitude than a subsequently applied pull-in voltage S2, the amplifier voltage Si preferably having an amount of more than 12 V, particularly preferably an amount of more than 65 V, in particular an amount of at least 400 V.
  • the booster voltage Si is switched off 32 to end the opening phase Bi of the pilot valve Vi.
  • the opening phase Bi can last, for example, more than 2 ms, preferably more than 5 ms, in particular more than 10 ms.
  • a tightening voltage S2 is applied 34 to keep the pilot valve Vi open in a tightening phase B2 of the pilot valve Vi.
  • the pull-in voltage S2 is advantageously lower than the amplifier voltage Si, the pull-in voltage S2 preferably having a value of 12 V or less.
  • the pull-in voltage S2 is then alternately switched off and on 36 to keep the pilot valve Vi open and to open and keep open the at least one further valve V2 in a follow-up phase P 3 , so that the average energy required to keep the open Pilot valve Vi and the mean required opening and / or keeping-open energy of the at least one further valve V2 is provided.
  • the alternating disconnection and connection of the pull-in voltage S2 in the readjustment phase P 3 preferably takes place in such a way that an opening and / or hold-open current of at least 2 A on average is set.
  • the frequency and / or the amplitude of the alternating disconnection and connection of the pull-in voltage S2 in the hold-open phase P 3 can in this case be varied in particular as a function of the operating conditions, for example as a function of the counter pressure or the temperature or the like.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the control profile for the pilot valve Vi.
  • the pilot valve Vi is initially supplied with a boosting voltage Si of 65 V in the present case in an opening phase Pi, so that the current I briefly rises to over 10 A.
  • the opening phase Pi of the pilot valve lasts in this case approx. 10 ms before the amplifier voltage Si of 65 V is switched off and a voltage of approx. 12 V is only applied in the pick-up phase P2.
  • the tightening voltage S2 of 12 V is alternately switched off and on in the beginning adjustment phase P3, so that the average energy required to keep the pilot valve Vi open is still continuously made available.
  • FIG 3 shows the activation profile of the further tank valves V2.
  • the pilot valve Vi ensures that the pressure in the high-pressure circuit rises so that the remaining tank valves V2 can be opened against a balanced pressure and with significantly lower energy.
  • An amplifier voltage Vi of 65 V, for example, is then not required for this, but the pull-in voltage S2 of 12 V is sufficient.
  • the other valves V2 are supplied with an average current of approx. 2 A by the alternating connection and disconnection of the starting voltage S2 of 12 V in the present case, which ensures that the valves are reliably opened and kept open.
  • This adjustment phase P3 takes too long until the valves V2 and the pilot valve Viam are closed again at the end of a journey. This is done by adjusting the 12 V supply.
  • the frequencies, phases and amplitudes of the voltage supply with the pull-in voltage S2 shown here can also be varied depending on the operating conditions, in particular depending on the back pressure and / or the temperature.
  • the booster voltage Si of the pilot valve Vi can also be applied significantly longer and more frequently in order to ensure that it is opened and kept open.

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Abstract

Verfahren zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank, umfassend ein Pilotventil (V1) und zumindest ein weiteres Ventil (V2), insbesondere für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug, umfassend die Schritte eines Anlegens (30) einer Verstärkerspannung (S1) zur Öffnung des Pilotventils (V1) in einer Öffnungsphase (P1) des Pilotventils (V1), eines Abschaltens (32) der Verstärkerspannung (S1) zur Beendigung der Öffnungsphase (P1) des Pilotventils (V1), eines Anlegens (34) einer Anzugsspannung (S2) zur Offenhaltung des Pilotventils (V1) in einer Anzugsphase (P2) des Pilotventils (V1), eines alternierenden Ab- und Zuschaltens (36) der Anzugsspannung (S2) zur Offenhaltung des Pilotventils (V1) und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils (V2) in einer Nachsteuerungsphase (P3), sodass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils (V1) sowie die mittlere erforderliche Öffnungs- und/oder Offenhaltungsenergie des zumindest einen weiteren Ventils (V2) bereitgestellt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattungen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion. Der Wasserstoff wird hierbei in gasförmiger Form unter Druck in einem oder mehreren Tanks gespeichert. Die heute aus dem Stand der Technik bekannten Druckbehälter weisen häufig eine Vielzahl von Tankventilen zum Verschließen und Öffnen der Druckbehälter auf, die in der Regel in Form von Magnetventilen gebildet sind und über das Anlegen einer Öffnungsspannung von bspw. 12 V geöffnet werden können. Bei einer Öffnung müssen die Ventile im Betrieb zunächst gegen eine große Druckdifferenz öffnen, was kurzzeitig eine hohe Energie erfordert. Obwohl diese hohe Öffnungsenergie nur in der Öffnungsphase für eine Dauer von weniger als 1 Sekunde zur Verfügung stehen muss und für den Rest der Zeit lediglich die deutlich geringere Offenhaltungsenergie zur Offenhaltung der Tankventile aufgebracht werden muss, muss der Magnetkreis der Magnetventile zwangsläufig auch für die Bedingungen in der Öffnungsphase ausgelegt sein. Eine solche Überdimensionierung des Magnetkreises von Magnetventilen ist dabei insbesondere aus Kostengründen und aus energetischer Sicht nachteilig. Eine entsprechende Auslegung der Magnetkreise zur Überwindung großer Druckdifferenzen ist dabei auch aus sicherheitsrelevanten Gründen für den Fall der Brandentstehung bei Unfällen erforderlich. Zwar sind die meisten Druckbehälter mit temperaturgesteuerten Sicherheitsentlastungsventilen (so genannten TPRD's) ausgestattet, jedoch öffnen diese bei entfernt angeordneten Brandstellen gegebenenfalls spät bzw. gar nicht, sodass es erforderlich ist, den durch die Temperaturerhöhung steigenden Druck innerhalb des Druckbehälters über die Tankventile abzuführen. Die Druckerhöhung innerhalb des Tanks kann jedoch bei einem nicht ausreichend dimensionierten Magnetkreis dazu führen, dass die Tankventile gar nicht mehr öffnen können, da die erforderliche Energie zur Überwindung der Druckdifferenzen nicht aufgebracht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs und gemäß einem zweiten Aspekt ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den jeweils einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank ist insbesondere darin zu sehen, dass mittels der erfindungsgemäßen Ansteuerung einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank eine besonders energieeffiziente Öffnung einer Mehrzahl von Ventilen ermöglicht wird. Zudem erfordert die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Sonderanfertigung bestimmter Ventile und erzielt somit eine Kostenreduzierung durch die vereinheitlichbare Herstellung. Des Weiteren erlaubt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Erhöhung der Sicherheit, indem selbst bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines Druckbehälters, bspw. aufgrund einer Brandentstehung noch eine zuverlässige Öffnung der Tankventile durchführbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank kann insbesondere in Kraftfahrzeugen, wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen zum Einsatz kommen. Ebenfalls denkbar ist zudem der Einsatz in anderen Fahrzeugen oder Fortbewegungsmitteln, wie Gabelstaplern, Kränen, Schiffen oder Flugobjekten. Ebenso ist auch ein Einsatz in stationären Systemen denkbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank, umfassend ein Pilotventil und zumindest ein weiteres Ventil, insbesondere für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug umfasst hierbei die Schritte eines Anlegens einer Verstärkerspannung zur Öffnung des Pilotventils in einer Öffnungsphase des Pilotventils, eines Abschaltens der Verstärkerspannung zur Beendigung der Öffnungsphase des Pilotventils, eines Anlegens einer Anzugsspannung zur Offenhaltung des Pilotventils in einer Anzugsphase des Pilotventils sowie eines alternierenden Ab- und Zuschaltens der Anzugsspannung zur Offenhaltung des Pilotventils und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils in einer Nachsteuerungsphase, sodass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils sowie die mittlere erforderliche Öffnungs und/oder Offenhaltungsenergie des zumindest einen weiteren Ventils bereitgestellt wird.
Unter einer Ventilanordnung kann im Rahmen der Erfindung hierbei insbesondere ein miteinander verbundenes System aus einer Mehrzahl an Ventilen verstanden werden. Unter einem Pilotventil kann ferner vorzugsweise ein als erstes vor allen weiteren Ventilen anzusteuerndes Ventil zum Verschließen eines Druckbehälters verstanden werden, das vorteilhafter Weise unmittelbar mit dem Druckbehälter verbunden sein kann. Unter einem weiteren Ventil kann entsprechend ein nach dem Pilotventil anzusteuerndes Ventil zum Verschließen eines Druckbehälters verstanden werden. Das Pilotventil kann hierbei ähnlich dimensioniert, vorzugsweise völlig identisch dimensioniert und/oder ausgestaltet sein, wie das bzw. die weiteren Ventile. Unter der mittleren erforderlichen Offenhaltungsenergie kann im Rahmen der Erfindung ferner insbesondere die Energie verstanden werden, die über eine bestimmte Zeitspanne in Mittel aufgebracht werden muss, sodass ein Pilotventil und/oder das zumindest eine weitere Ventil nach einer Öffnung noch im geöffneten Zustand verbleiben kann. Im Hinblick auf den Übergang von der Anzugsphase zur Nachsteuerungsphase versteht sich, dass die Anzugsspannung vor einer Beendigung der Anzugsphase des Pilotventils ebenso wie die Verstärkerspannung vor der Beendigung der Öffnungsphase des weiteren Ventils auch erst abgeschaltet werden kann, bevor die Nachsteuerungsphase eingeleitet wird und die Anzugsspannung alternierend ab- und zugeschaltet werden kann. Ebenso ist es allerdings denkbar, die Nachsteuerungsphase direkt einzuleiten, da die Anzugsspannung in der Nachsteuerungsphase ohnehin ab- und zugeschaltet wird. In einem optionalen letzten Verfahrensschritt kann gegenständlich bspw. noch ein Abschalten der Anzugsspannung zur Beendigung der Nachansteuerungsphase vorgesehen sein, das vorzugsweise über ein simultanes Schließen des Pilot- und des zumindest einen weiteren Ventils erfolgen kann. Es versteht sich ferner, dass neben zumindest einem weiteren Ventil auch eine Mehrzahl an weiteren Ventilen vorgesehen sein können, die in einer Nachsteuerungsphase zumindest tlw. nacheinander oder gleichzeitig geöffnet bzw. offengehalten werden können.
Im Hinblick auf eine schnelle und effektive Öffnung eines Pilotventils und eine gleichzeitig energieeffiziente Öffnung eines oder einer Mehrzahl von weiteren Ventilen kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Verstärkerspannung betragsmäßig größer ist als die Anzugsspannung, wobei die Verstärkerspannung vorzugsweise einen Betrag von mehr als 12 V, besonders bevorzugt einen Betrag von mehr als 65 V, insbesondere einen Betrag von mindestens 400 V besitzt. Die Verstärkerspannung kann hierbei bspw. an ein Magnetventil angelegt werden, vorteilhafter Weise derart, dass zumindest zeitweilig ein Öffnungsstrom in der Spule des Magnetventils von mehr als 5 A, vorzugsweise von mehr als 7 A, insbesondere von mindestens 10 A fließt, sodass ein zügiger Druckausgleich gewährleistet ist.
Ebenso kann im Hinblick auf eine schnelle und effektive Öffnung eines Pilotventils und eine nachfolgende energieeffiziente Öffnung eines oder einer Mehrzahl von weiteren Ventilen vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Öffnungsphase mehr als 2 ms, vorzugsweise mehr als 5 ms, insbesondere mehr als 10 ms andauert. Im Rahmen eines besonders energieeffizienten Betriebs zur Öffnung eines Tankventils ist es ferner denkbar, dass die Anzugsspannung geringer ist als die Verstärkerspannung, wobei die Anzugsspannung vorzugsweise einen Wert von 12 V oder weniger aufweist.
Ebenso kann im Hinblick auf einen besonders energieeffizienten Betrieb zur Öffnung eines Tankventils vorgesehen sein, dass das alternierende Ab- und Zuschalten der Anzugsspannung in einer Nachsteuerungsphase derart erfolgt, dass ein Öffnungs- und/oder Offen haltestrom von mindestens 2 A im Durchschnitt eingestellt wird.
Im Rahmen eines besonders einfach und flexibel anpassbaren Verfahrens zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank ist es ferner vorstellbar, dass die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Ab- und Zuschaltens der Anzugsspannung in der Offenhaltungsphase in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, insbesondere in Abhängigkeit des Gegendrucks und/oder der Temperatur variiert wird. Eine solche Variation der Anzugspannung ist insbesondere in einer Ausführung mit einer Mehrzahl von weiteren Ventilen vorteilhaft.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein System zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße System ein Pilotventil, zumindest ein weiteres Ventil und ein Steuergerät zum Anlegen einer Verstärkerspannung zur Öffnung des Pilotventils sowie zum Anlegen einer Anzugsspannung zur Offenhaltung des Pilotventils und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils, wobei das Steuergerät derart ausgebildet und innerhalb des Systems angeordnet ist, dass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils und für die Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils über ein alternierendes Ab- und Zuschalten der Anzugsspannung bereitstellbar ist. Damit weist das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Im Rahmen einer besonders kompakten und umfassenden Ausführung kann das System ferner zumindest einen Treibstofftank aufweisen. Der Treibstofftank kann hierbei insbesondere in Form eines Wasserstoff- oder Erdgastanks gebildet sein.
Um eine ausreichende Sicherheit auch bei Unfällen oder vollständigen Entladungen oder dergleichen gewährleisten zu können, kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass das Pilotventil und/oder das zumindest eine weitere Ventil in Form von selbstschließenden Ventilen, vorzugsweise in Form von Magnetventilen gebildet sind.
Um einen vorteilhaften Zeitpunkt für die Initiierung eines Öffnungsvorganges eines Pilot- und/oder weiteren Ventils zu erkennen, kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass eine Detektionseinheit zur Detektion von Messwerten zur Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes zum Anlegen einer variierbaren Spannung vorgesehen ist. Ein möglicher Messwert kann hierbei insbesondere der aktuelle Gegendruck bzw. die Druckdifferenz und/oder die aktuelle Innentemperatur und/oder Außentemperatur sein.
Im Hinblick auf eine verlässliche Bestimmung eines vorteilhaften Zeitpunktes für die Initiierung eines Öffnungsvorgangs eines Pilot- und/oder eines weiteren Ventils kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes zum Anlegen einer variierbaren Spannung auf Basis von mittels der Detektionseinheit detektierten Messwerten vorgesehen ist. Eine Verarbeitungseinheit kann hierbei insbesondere eine nachträgliche Bearbeitung der von der Detektionseinheit erfassten Messwerte, bspw. eine Mittelung und/oder Gewichtungen oder eine andere Art einer Auswertung vornehmen, um eine verlässliche Bestimmung eines vorteilhaften Zeitpunktes für die Initiierung eines Öffnungsvorgangs zu gewährleisten. Hinsichtlich einer einfachen und schnellen Datenkommunikation können das Steuergerät, die Verarbeitungseinheit und die Detektionseinheit ferner vorzugsweise über eine Steuerleitung miteinander verbunden sein. Im Rahmen einer einfach integrierbaren und flexibel anordbaren Anordnung können das Steuergerät, die Verarbeitungseinheit und die Detektionseinheit ebenso drahtlos über WLAN, Bluetooth oder NFC oder dergleichen miteinander verbunden sein. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes System, insbesondere ein brennstoffzellenbetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes System.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Hierbei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ansteuerungsprofils für das Pilotventil,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Ansteuerungsprofils für weitere Tankventile.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank, umfassend ein Pilotventil Viund zumindest ein weiteres Ventil V2, insbesondere für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.
Hierbei umfasst das Verfahren den Schritt eines Anlegens 30 einer Verstärkerspannung Sizur Öffnung des Pilotventils Viin einer Öffnungsphase Pi des Pilotventils Vi. Die Verstärkerspannung Si ist hierbei vorteilhafter Weise betragsmäßig größer als eine nachfolgend anzulegende Anzugsspannung S2, wobei die Verstärkerspannung Si vorzugsweise einen Betrag von mehr als 12 V, besonders bevorzugt einen Betrag von mehr als 65 V, insbesondere einen Betrag von mindestens 400 V besitzt. In einem darauffolgenden zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Abschalten 32 der Verstärkerspannung Si zur Beendigung der Öffnungsphase Bi des Pilotventils Vi. Die Öffnungsphase Bi kann hierbei bspw. mehr als 2 ms, vorzugsweise mehr als 5 ms, insbesondere mehr als 10 ms andauern.
Gemäß einem darauffolgenden dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Anlegen 34 einer Anzugsspannung S2 zur Offenhaltung des Pilotventils Vi in einer Anzugsphase B2 des Pilotventils Vi. Die Anzugsspannung S2 ist hierbei vorteilhafter Weise geringer als die Verstärkerspannung Si, wobei die Anzugspannung S2 vorzugsweise einen Wert von 12 V oder weniger aufweist.
Gemäß dem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein alternierendes Ab- und Zuschalten 36 der Anzugspannung S2 zur Offenhaltung des Pilotventils Vi und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils V2 in einer Nachsteuerungsphase P3, sodass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils Vi sowie die mittlere erforderliche Öffnungs- und/oder Offenhaltungsenergie des zumindest einen weiteren Ventils V2 bereitgestellt wird. Das alternierende Ab- und Zuschalten der Anzugsspannung S2 in der Nachsteuerungsphase P3 erfolgt hierbei vorzugsweise derart, dass ein Öffnungs und/oder Offenhaitestrom von mindestens 2 A im Durchschnitt eingestellt wird. Die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Ab- und Zuschaltens der Anzugsspannung S2 in der Offenhaltungsphase P3 kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, bspw. in Abhängigkeit des Gegendrucks oder der Temperatur oder dergleichen variiert werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Ansteuerungsprofils für das Pilotventil Vi.
Das Pilotventil Vi wird hierbei zunächst in einer Öffnungsphase Pi mit einer Verstärkungsverspannung Si von vorliegend 65 V versorgt, sodass der Strom I kurzzeitig auf über 10 A ansteigt. Die Öffnungsphase Pi des Pilotventils dauert hierbei ca. 10 ms an, bevor die Verstärkerspannung Si von 65 V abgeschaltet wird und in der Anzugsphase P2 nur noch eine Spannung von ca. 12 V anliegt. Nach der Anzugsphase P2 wird die Anzugsspannung S2 von vorliegend 12 V in der beginnenden Nachsteuerungsphase P3 alternierend ab- und zugeschaltet, sodass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für das Pilotventil Vi noch fortlaufend bereitgestellt wird.
Fig. 3 zeigt das Ansteuerungsprofil der weiteren Tankventile V2. Nachdem das Pilotventil Vi geöffnet wurde sorgt das Pilotventil Vi dafür, dass der Druck im Hochdruckkreis ansteigt, sodass die restlichen Tankventile V2 gegen einen ausgeglichenen Druck und bei deutlich geringerer Energie geöffnet werden können. Hierfür ist dann keine Verstärkerspannung Vi von bspw. 65 V nötig, sondern auch die Anzugspannung S2 von 12 V ausreichend. Die weiteren Ventile V2 werden durch die alternierende Zu- und Abschaltung der Anzugsspannung S2 von vorliegend 12 V im Mittel mit einem Strom von ca. 2 A versorgt, der dafür sorgt, dass die Ventile sicher geöffnet und offengehalten werden.
Diese Nachsteuerungsphase P3 dauert zu lange, bis die Ventile V2 und das Pilotventil Viam Ende einer Fahrt wieder geschlossen werden. Das erfolgt indem die 12 V-Versorgung eingestellt wird. Die vorliegend dargestellten Frequenzen, Phasen und Amplituden der Spannungsversorgung mit der Anzugsspannung S2 kann ferner je nach Betriebsbedingungen, insbesondere in Abhängigkeit des Gegendrucks und/oder der Temperatur variiert werden. Im Falle einer Notöffnung gegen einen besonders hohen Druck (bspw. während oder kurz nach einem Unfall mit Brandentstehung und damit einhergehende Druckerhöhung im Tank) kann die Verstärkerspannung Si des Pilotventils Vi auch deutlich länger und häufiger Anliegen, um das Öffnen und Offenhalten sicherzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank, umfassend ein Pilotventil (Vi) und zumindest ein weiteres Ventil (V2), insbesondere für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug, umfassend die Schritte:
- Anlegen (30) einer Verstärkerspannung (Si) zur Öffnung des Pilotventils (Vi) in einer Öffnungsphase (Pi) des Pilotventils (Vi),
- Abschalten (32) der Verstärkerspannung (Si) zur Beendigung der Öffnungsphase (Pi) des Pilotventils (Vi),
- Anlegen (34) einer Anzugsspannung (S2) zur Offenhaltung des Pilotventils (Vi) in einer Anzugsphase (P2) des Pilotventils (Vi),
- Alternierendes Ab- und Zuschalten (36) der Anzugsspannung (S2) zur Offenhaltung des Pilotventils (Vi) und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils (V2) in einer Nachsteuerungsphase (P3), sodass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils (Vi) sowie die mittlere erforderliche Öffnungs- und/oder Offenhaltungsenergie des zumindest einen weiteren Ventils (V2) bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerspannung (Si) betragsmäßig größer ist als die Anzugsspannung (S2), wobei die Verstärkerspannung (Si) vorzugsweise einen Betrag von mehr als 12 V, besonders bevorzugt einen Betrag von mehr als 65 V, insbesondere einen Betrag von mindestens 400 V besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsphase (Pi) mehr als 2 ms, vorzugsweise mehr als 5 ms, insbesondere mehr als 10 ms andauert.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzugsspannung (S2) geringer ist als die Verstärkerspannung (Si), wobei die Anzugsspannung (S2) vorzugsweise einen Wert von 12 V oder weniger aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Ab- und Zuschalten der Anzugsspannung (S2) in einer Nachsteuerungsphase (P3) derart erfolgt, dass ein Öffnungs und/oder Offenhaitestrom von mindestens 2 Ampere im Durchschnitt eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und/oder die Amplitude des alternierenden Ab- und Zuschaltens der Anzugsspannung (S2) in der Offenhaltungsphase (P3) in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, insbesondere in Abhängigkeit des Gegendrucks und/oder der Temperatur variiert wird.
7. System (1) zum Öffnen einer Ventilanordnung für einen Treibstofftank für den Einsatz in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:
- ein Pilotventil (Vi),
- zumindest ein weiteres Ventil (V2),
- ein Steuergerät zum Anlegen einer Verstärkerspannung (Si) zur Öffnung des Pilotventils (Vi) sowie zum Anlegen einer Anzugsspannung (S2) zur Offenhaltung des Pilotventils (Vi) und zur Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils (V2),
- wobei das Steuergerät derart ausgebildet und innerhalb des Systems (1) angeordnet ist, dass die mittlere erforderliche Offenhaltungsenergie für die Offenhaltung des Pilotventils (Vi) und für die Öffnung und Offenhaltung des zumindest einen weiteren Ventils (V2) über ein alternierendes Ab- und Zuschalten der Anzugsspannung (S2) bereitstellbar ist.
8. System (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotventil (Vi) und/oder das zumindest eine weitere Ventil (V2) in Form von selbstschließenden Ventilen, vorzugsweise in Form von Magnetventilen gebildet sind.
9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinheit zur Detektion von Messwerten zur Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes zum Anlegen einer variierbaren Spannung vorgesehen ist.
10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes zum Anlegen einer variierbaren Spannung auf Basis von mittels der Detektionseinheit detektierten Messwerten vorgesehen ist.
11. Kraftfahrzeug, umfassend ein System nach einem der Ansprüche 7 bis 10 insbesondere ein brennstoffzellenbetriebenes Kraftfahrzeug umfassend ein System nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
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