JP7656072B2 - 水素タンク充填装置によって交通手段のタンク充填をする方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素タンク充填装置によって交通手段のタンク充填をする方法に関し、および、水素タンク充填装置によって交通手段のタンク充填をするためのシステムに関する。

水素タンクを有する車両への水素のタンク充填における従来技術は、特にＳＡＥ Ｊ２６０１に記載されている。そこにはたとえば、車両とタンク充填装置との間で通信がなされるケースでは、周囲温度と、タンク充填プロセスの前の水素タンク内の初期圧力とに依存してタンク充填プロセスについての目標圧力を含む表が、タンクプロセスの前に車両から一回だけ伝送されることが記述されている。タンク充填装置は、たとえばそこからタンク充填計画を判定し、実行する。燃料電池システムまたは周辺装置に配置されるセンサは、製造上ないし耐用期間上の公差を含む。たとえば燃料電池システムのような複雑なシステムでは、不都合な公差連鎖が、機能に関わる欠陥につながることがある。

たとえば燃料電池システムによって水素で駆動される交通手段では、水素タンク内の圧力を検出するための正確な圧力センサが公差連鎖の低減のために有意義である。

本発明の課題は、そのような圧力センサの精度を改善する方法を提供することにある。

この課題は、水素タンク充填装置によって交通手段のタンク充填をする方法によって解決される。好ましい実施形態と発展形態は、従属請求項および以下の説明から明らかとなる。

水素タンク充填装置によって交通手段のタンク充填をする方法が提案され、水素タンク充填装置と交通手段との間で通信接続が確立されるステップと、交通手段のタンクと水素放出装置が連結されて交通手段がタンク充填されるステップと、水素放出装置により放出される水素流の第１の水素圧力がタンク充填装置でタンク充填のときに検出されるステップと、受け取られる水素流の、および／またはタンクの、第２の水素圧力が交通手段でタンク充填のときに検出されるステップと、第１の水素圧力と第２の水素圧力との間の差異が判定されるステップと、差異が閾値を上回っている場合に、第２の水素圧力の検出を修正するために交通手段でセンサ特性曲線が変更されるステップとを有する。

通信接続の確立は、たとえばワイヤレスネットワークまたはその他の無線接続を介しての、交通手段と水素タンク充填装置との接続を含むことができる。そのために水素タンク充填装置は、交通手段と水素タンク充填装置との間のデータ接続を可能にするインフラストラクチャーを装備し、またはこれとリンクすることが考えられる。とりわけ特記すべきは、水素タンク充填装置と交通手段との間の接触が防止されるワイヤレス接続である。特に金属接触は、水素を運ぶ装置の近傍で火花形成が生じたとき爆発の危険につながるため、回避されるのがよい。通信接続は双方向であるのが好ましく、それにより、タンク充填プロセス中にデータやパラメータを両方向へ伝送可能である。

水素放出装置とタンクとの連結は、タンクカバーが開放されることと、タンクホースが連結されることとを含むことができる。タンクカバーが開放されたときに、および／またはタンクホースが差し込まれたときに、データ接続が確立されることが考えられる。しかしながらその代替として、データ接続がその時点ですでに確立されてよい。

燃料電池システムは、少なくとも１つの第２の圧力センサを高圧領域に、たとえばタンクの近傍の表面または内部に、有することができる。タンク充填中に、第２の圧力センサとリンクされた制御ユニットが、タンク充填装置と通信をすることができる。タンク充填装置はタンク充填中に圧力を測定するので、この値を交通手段側での圧力測定と交換して照合することができる。それにより、第２の圧力センサによる圧力測定の過度の差異を修正し、修正値、修正項、または複数の修正値が該当する第２の圧力センサまたは制御ユニットに保存されて、第２の水素圧力の出力時に考慮されるようにすることができる。したがって、それに伴いセンサ特性曲線が適合化されて、いっそう正確な測定値が生起される。

タンク充填プロセスのたびに、この方法を一回または複数回実施することが考えられる。複数回の実施の場合、あとでまた説明するさまざまに異なる態様を、これらについて考慮の対象とすることができる。燃料電池システムの制御における公差連鎖の低減に加えて、メンテナンスコストも低減することができる。原則として、使用されるセンサをいっそう低コストに具体化することができる。タンク充填プロセスの際にこれをキャリブレーションないし適合化することができるからである。耐用期間を通じてのセンサ信号のドリフトを、本発明による方法によって補正することができる。

好ましい実施形態では、第１および第２の水素圧力の検出はタンク充填の開始後に一回実行される。差異の判定ならびに場合によりセンサ特性曲線の変更は、たとえばタンク充填プロセスの開始時に行うことができる。安定した水素流が始まってから、タンク充填装置と交通手段でそれぞれ水素圧力を検出することができる。しかしながら、事前設定されたタイムスパンのあいだ安定した水素流が放出された後に、ある程度の時間を経てから初めて差異の判定が実行されることも考えられる。タンク充填プロセスの終了直前にも、この方法ステップを実行することができる。

しかしながら、第１および第２の水素圧力の検出ならびに差異の判定が複数回実行されるのが好ましい。たとえば異なる時点で複数の水素圧力値を検出することができ、次いで、これらが互いに比較される。それにより個々の測定を相互に根拠づけして、妥当性検査にかけることができる。水素圧力の両方の側での検出は、必ずしも完全に同期して行われなくてもよい。タンク充填装置と交通手段で所定のパターンに従って水素圧力が検出され、タイムスタンプが付与されて保存され、引き続いてこれらが比較されることが考えられる。これらを連続して、または同時に、伝送ないし記録して、これらをアドホックに、またはタンク充填プロセスの後にまとめて、比較することができる。個々の測定値と組み合わされるタイムスタンプは、両方の側で検出される個々の測定値の割当を可能にする。

差異の判定ならびに／または第１および第２の水素圧力の検出は、たとえば事前設定された待機時間の経過後に反復することができる。特に水素圧力の検出は、規則的または不規則的な時間インターバルをおいて、ないしは所定の時間的パターンで、実行することができる。

差異の判定ならびに／または第１および第２の水素圧力の検出は、事前設定された圧力変化レベルの通過後に反復することもできる。タンク充填にあたって、たとえばタンク充填計画で指定される複数の圧力段階を通過することができる。特定の圧力段階への到達後に、両方の側での水素圧力の検出を実行することができ、測定値のうちの１つまたは複数が互いに比較される。

第２の水素圧力が交通手段からタンク充填装置に伝送されるのが特別に好ましく、タンク充填装置が差異を判定する。タンク充填装置の圧力センサは、交通手段の圧力センサよりも正確であると考えられる。タンク充填装置は、タンク充填プロセスの厳密な制御を実行するからである。したがって第１の水素圧力の検出は、すでにタンク充填プロセス中にもともと継続して実行することができるので、第２の水素圧力の記録と比較は、タンク充填装置のソフトウェアプログラムの僅少な改変しか必要とせず、所要の手段は既存であり得る。タンク充填装置は、水素圧力の許容可能でない差異が確認されたときに相応の信号を交通手段に送ることができ、これを車内側で具体化することができる。

その代替として、当然ながら交通手段も差異を判定するために構成されていてよい。タンク充填装置は、検出された第１の水素圧力値を交通手段に伝送することができ、そこで差異が判定されて、これに基づきセンサ特性曲線が適合化される。

１つの好ましい実施形態では、本方法は、第１の閾値よりも大きい第２の閾値を差異が上回っている場合に、警告信号が出力されることを含む。第２の閾値は、これを上回ることをセンサ不良として解釈せざるを得ないように定義することができる。したがって警告信号は、交通手段に伝送されてそこで事前設定された方式で処理されるメンテナンス指示として理解することができる。警告信号が出力された後は、安全な作業モードになるようにタンク充填プロセスを続行するのが有意義であり得る。

差異の判定とセンサ特性曲線の変更は、タンク充填プロセスの後に行われるのが特別に好ましい。そして複数の水素圧力が検出されて比較されていてよく、これらに基づき、それぞれ異なる差異といっそう包括的な変化パラメータとを判定可能である。タンク充填プロセスの最後の、または終了後の、最終ステップとして、センサ特性曲線を適合化することができる。

さらに本方法は、タンク充填装置と交通手段との間の、すなわち交通手段に配置されたタンクとの間の、圧力損失が計算される、または見積られる、ステップを含むことができる。圧力損失は第２の制御ユニットでモデル化もしくは保存することができ、または、タンク充填装置によりタンク充填の開始時に判定もしくは伝送することができる。

交通手段および／またはタンク充填装置は、タンク充填プロセスのたびに本方法を実施するために構成されていてよい。その場合、交通手段のセンサ特性曲線が常に順応化される。

さらに、上記に準じて本発明は、交通手段に水素をタンク充填するためのシステムに関し、水素放出装置、第１の接続ユニット、第１の圧力センサ、および第１の制御ユニットを備えたタンク充填装置と、交通手段に統合するための第２の接続ユニットおよび第２の制御ユニットとを有し、第１の圧力センサは第１の制御ユニットとリンクされるとともに、水素放出装置によって放出される水素流の第１の水素圧力を検出するために構成され、第２の制御ユニットは、第２の圧力センサにより交通手段で検出される、水素流および／または交通手段のタンクの第２の水素圧力を記録するために構成され、第１の制御ユニットおよび第２の制御ユニットのうちの一方は、第１の水素圧力と第２の水素圧力との間の差異を判定して、差異が第１の閾値を上回っている場合に、第２の水素圧力の検出を修正するために交通手段のセンサ特性曲線を変更するために構成される。

さらに、第１の制御ユニットおよび第２の制御ユニットのうちの一方は、第１の閾値よりも大きい第２の閾値を差異が上回っている場合に、警告信号を出力するために構成されていてよい。

これに加えて、このシステムないしこれに含まれるコンポーネントは、上記で説明した１つまたは複数または任意の方法ステップを実行するために構成される。

本発明を改良するその他の方策については、以下において、本発明の好ましい実施例の説明とともに図面を参照しながら詳しく説明する。

交通手段のタンク充填をするためのシステムを示す模式図である。 交通手段のタンク充填をする本発明の方法を示す模式図である。

図１は、交通手段４のタンク充填をするためのシステム２を模式的に示している。交通手段４は、図示した例では例示としてバスであり、そこで水素が燃料電池（図示せず）を通じて電流の生成のために利用される。システム２は、水素放出装置としてのタンクホース８を有する水素タンク充填装置６を有している。交通手段４の内部にあるタンク１０との流体接続をするために、このタンクホースを交通手段４と連結可能である。さらに水素タンク充填装置６は、第１の接続ユニット１４と接続された第１の制御ユニット１２を有している。

第１の接続ユニット１４は、交通手段４の第２の接続ユニット１６と通信することができる。このことは直接的に、すなわちポイントツーポイント接続として、または相応のインフラストラクチャーを介して、行うことができる。第２の接続ユニット１６は、第２の制御ユニット１８とリンクされている。したがって、第１の制御ユニット１２と第２の制御ユニット１８は互いに通信することができる。

タンク充填装置６は、第１の制御ユニット１２とリンクされた、タンクホース８の中で案内される水素質量流の第１の水素圧力を検出するために構成される、第１の圧力センサ２０を有している。交通手段４には、これに対応して、タンク１０および第２の制御ユニット１８とリンクされた、第２の水素圧力を検出するために構成される第２の圧力センサ２２が設けられている。この水素圧力は、タンク充填装置６によるタンク充填時に上昇する。圧力平衡に基づき、第１の水素圧力は第２の水素圧力に相当する。したがって理想的な場合、第１の圧力センサ２０と第２の圧力センサ２２の測定値は同一である。経年劣化や摩耗に基づき、特に第２の圧力センサ２２は次第に不正確になっていく。第１の制御ユニット１２と第２の制御ユニット１８は、第１の水素圧力と第２の水素圧力との間の差異を判定し、この差異が第１の閾値を上回っている場合に、第２の水素圧力の検出を修正するために交通手段４でセンサ特性曲線を変更するために構成されている。それによって第２の圧力センサ２２の精度が改善され、センサ誤差が補正される。さらに、第１の制御ユニット１２と第２の制御ユニット１８は、第１の閾値よりも大きい第２の閾値を差異が上回っている場合に、警告信号を出力するために構成されていてよい。このことは、特に極端な差異があるときに有意義である。

図２は、水素タンク充填装置６によって交通手段４のタンク充填をする方法を示している。この方法は、水素タンク充填装置６と交通手段４との間の通信接続が確立２４されるステップと、水素放出装置８が交通手段４のタンク１０と連結２６されるステップと、交通手段がタンク充填２８されるステップとを有している。タンク充填中に、水素放出装置８によって放出される水素流の第１の水素圧力がタンク充填装置６で検出３０される。それと同時に、その前に、またはその後に、交通手段で第２の水素圧力が検出３２される。第１の水素圧力と第２の水素圧力との間の差異が判定３４される。この差異が第１の閾値を上回っていると、第２の水素圧力の検出を修正するために交通手段４でセンサ特性曲線が変更３６される。さらに、差異が第２の閾値を上回っていると警告信号が出力３８される。このとき第２の閾値は第１の閾値を上回っており、たとえば２倍の大きさ、３倍の大きさ、あるいはこれよりも大きくてよい。

検出３０ないし３２は複数回行うことができる。さらに、検出された第２の水素圧力をタンク充填装置６に伝送４０して、そこで差異を判定することができる。互いに独立して複数回、たとえば特定の時間的間隔をおいて、特定の圧力段階の通過後に、あるいはその他のパターンで、水素圧力を検出することが考えられる。第２の水素圧力値をそのつどの検出後にそのままタンク充填装置６へ伝送することができ、または、タンク充填プロセスの後にまとめて伝送することができる。それぞれの検出時間の一義的な識別のために、例示として、個々の水素圧力値にそれぞれタイムスタンプが付与される。タンク充填装置６で検出される第１の水素圧力値にも、同様にタイムスタンプを付与することができる。したがって、タンク充填中に同期した測定がなされたときに、または離散した圧力レベルを通過したときに、個々の圧力値を互いに比較することができる。

２ システム
４ 交通手段
６ タンク充填装置
８ 水素放出装置
１０ タンク
１２ 第１の制御ユニット
１４ 第１の接続ユニット
１６ 第２の接続ユニット
１８ 第２の制御ユニット
２０ 第１の圧力センサ
２２ 第２の圧力センサ
２６ 連結
２８ タンク充填
３０ 検出
３２ 検出
３４ 判定
３６ 変更
３８ 出力

Claims (10)

1. 水素タンク充填装置（６）によって交通手段（４）のタンク充填をする方法において、前記水素タンク充填装置（６）と前記交通手段（４）との間で通信接続が確立（２４）されるステップと、
   前記交通手段（４）のタンク（１０）と水素放出装置（８）が連結（２６）されて前記交通手段（４）がタンク充填されるステップと、
   前記水素放出装置（８）により放出される水素流の第１の水素圧力が前記タンク充填装置（６）でタンク充填（２８）のときに検出（３０）されるステップと、
   受け取られる水素流の、および／または前記タンク（１０）の、第２の水素圧力が前記交通手段（４）でタンク充填（２８）のときに検出（３２）されるステップと、
   理想的には測定値が同一となるタイミングで検出された前記第１の水素圧力と前記第２の水素圧力との間の差異が判定（３４）されるステップと、
   前記差異が第１の閾値を上回っている場合に、前記第２の水素圧力の検出を修正するために前記交通手段（４）でセンサ特性曲線が変更（３６）されるステップとを有し、
   前記第１の水素圧力を検出する第１の圧力センサ（２０）は、前記第２の水素圧力を検出する第２の圧力センサ（２２）よりも正確である、方法。
2. 前記第１および前記第２の水素圧力の検出（３０，３２）はタンク充填（２８）の開始後に一回実行される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および前記第２の水素圧力の検出（３０，３２）ならびに前記差異の判定（３４）は複数回実行される、請求項１に記載の方法。
4. 前記差異の判定（３４）ならびに／または前記第１および前記第２の水素圧力の検出（３０，３２）は事前設定された待機時間の経過後に反復される、請求項３に記載の方法。
5. 前記差異の判定（３４）は事前設定された圧力変化レベルの通過後に反復される、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記第２の水素圧力が前記交通手段（４）から前記タンク充填装置（６）に伝送され、前記タンク充填装置（６）が前記差異を判定（３４）する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を前記差異が上回っている場合に、警告信号が出力（３８）されることをさらに有する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記差異の判定（３４）と前記センサ特性曲線の変更（３６）はタンク充填プロセスの後に行われる、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 交通手段に水素をタンク充填するためのシステム（２）において、
   水素放出装置（８）、第１の接続ユニット（１４）、第１の圧力センサ（２０）、および第１の制御ユニット（１２）を備えたタンク充填装置（６）と、
   前記交通手段（４）に統合するための第２の接続ユニット（１６）および第２の制御ユニット（１８）とを有し、
   前記第１の圧力センサ（２０）は前記第１の制御ユニット（１２）とリンクされるとともに、前記水素放出装置（８）によって放出される水素流の第１の水素圧力を検出するために構成され、
   前記第２の制御ユニット（１８）は、第２の圧力センサ（２２）により前記交通手段（４）で検出される、水素流または前記交通手段（４）のタンク（１０）の第２の水素圧力を記録するために構成され、
   前記第１の制御ユニット（１２）および前記第２の制御ユニット（１８）のうちの一方は、理想的には測定値が同一となるタイミングで検出された前記第１の水素圧力と前記第２の水素圧力との間の差異を判定して、前記差異が第１の閾値を上回っている場合に、前記第２の水素圧力の検出を修正するために前記交通手段（４）のセンサ特性曲線を変更するために構成され、
   前記第１の圧力センサ（２０）は、前記第２の圧力センサ（２２）よりも正確である、システム。
10. 前記第１の制御ユニット（１２）および前記第２の制御ユニット（１８）のうちの一方は、前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を前記差異が上回っている場合に警告信号を出力するために構成される、請求項９に記載のシステム（２）。

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