DE102004056186B4 - Kraftfahrzeug mit einem Tank für ein kryogenes Medium - Google Patents

Abstract

Kraftfahrzeug mit einem Tank für ein kryogenes Medium zur Versorgung eines Antriebsaggregats oder Hilfsaggregats, wobei dem Fahrzeug-Nutzer die geschätzte Zeitspanne, die für eine anstehende Befüllung des Tanks zu veranschlagen ist, mitgeteilt wird, wobei die geschätzte Zeitspanne bis zur vollständigen Befüllung unter Berücksichtigung der noch im Tank befindlichen Restmenge anhand von in vorangegangenen Betankungsvorgängen ermittelten Kenngrößen errechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Tank für ein kryogenes Medium zur Versorgung eines Antriebsaggregats oder Hilfsaggregats. Zum technischen Umfeld wird bspw. auf die DE 101 42 757 C1 verwiesen.
• Mit Wasserstoff als Kraftstoff betriebene Kraftfahrzeuge befinden sich derzeit im Entwicklungsstadium. Dabei wird auch eine tiefkalte, kryogene Speicherung von Flüssig-Wasserstoff in einem geeignet gestalteten sog. Kryo-Tank in Betracht gezogen. Betankungsvorgänge mit kryogenen Medien, bspw. Wasserstoff, können jedoch unter Umständen sehr lange Zeitspannen (in der Größenordnung von bis zu 30 Minuten) in Anspruch nehmen, so insbesondere in den Fällen, in denen der Tank des Fahrzeugs bereits warm ist, also bspw. Umgebungstemperatur aufweist. Um dann eine nennenswerte Menge von Flüssigwasserstoff in den Tank einführen zu können, muss dieser zunächst intensiv (auf Werte bis zu 25 Kelvin) abgekühlt werden, was durch Umwälzen (d.h. Zu- und Abfuhr) von tiefkaltem, von der Tankstelle bereit gestelltem Wasserstoff erfolgt.
• Da der Nutzer oder Fahrer eines entsprechenden Kraftfahrzeugs durch die Dauer eines Betankungsvorgangs unangenehm überrascht werden kann, soll hiermit eine geeignete Abhilfemaßnahme hiergegen aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Kraftfahrzeug mit einem Tank für ein kryogenes Medium zur Versorgung eines Antriebsaggregats oder Hilfsaggregats dadurch gekennzeichnet, dass dem Fahrzeug-Nutzer die geschätzte Zeitspanne, die für eine anstehende Befüllung des Tanks zu veranschlagen ist, mitgeteilt wird, wobei die geschätzte Zeitspanne bis zur vollständigen Befüllung unter Berücksichtigung der noch im Tank befindlichen Restmenge anhand von in vorangegangenen Betankungsvorgängen ermittelten Kenngrößen errechnet wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• In Abhängigkeit von den relevanten jeweils vorliegenden Randbedingungen wird somit eine wahrscheinliche Betankungszeitdauer ermittelt und dem Fahrer geeignet mitgeteilt, bspw. auf Anforderung angezeigt, die benötigt wird, um den Fzg.-Tank ausgehend von der derzeitigen Befüllmasse vorzugsweise vollständig zu befüllen. Selbstverständlich kann - falls gewünscht - in analoger Weise auch die Zeitdauer oder Zeitspanne bis zu einer gewünschten teilweisen Befüllung des Fahrzeug-Tanks ermittelt werden. Stets sind wesentliche Einflussgrößen neben der noch im Tank befindlichen Befüllmasse die aktuellen Temperaturverhältnisse, und dabei insbesondere die Innentank-Temperatur des (bekanntlich zumeist zweischalig mit zwischenliegendem Isolationsvakuum aufgebauten) Fzg.-Kryo-Tanks. Aber auch die Dauer der Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle (bzw. von deren tiefkaltem Vorratstank) zum Fahrzeug-Tank führenden Leitung kann erheblichen Einfluss auf die wahrscheinliche Dauer eines anstehenden Betankungsvorganges haben.
• Hier wird somit ein lernfähiges System vorgeschlagen, das aus einigen der letzten bzw. vorangegangenen Betankungsabläufen die aktuell zu erwartende Betankungszeit näherungsweise berechnet. Hierfür werden in Verbindung mit (nahezu) jedem oder nur mit ausgewählten geeigneten Betankungsvorgängen sog. Kenngrößen ermittelt, anhand derer Aussagen über die Zeitdauer einer neu anstehenden Betankung gemacht werden können. Eine erste solche Kenngröße kann eine sog. Befüllrate sein, d.h. eine je Zeiteinheit in den bereits ausreichend kalten Fahrzeug-Tank gelangende Masse von kryogenem Medium. Eine weitere derartige Kenngröße kann eine vorhersehbare Abkühlzeit einer das kryogene Medium von der Tankstelle (bzw. von deren tiefkaltem Vorratstank) zum Fahrzeug-Tank führenden Leitung sein. Schließlich kann - wie bereits ausgeführt wurde - die Zeitdauer bis zum Abkühlen eines (nahezu leeren und somit) warmen Fahrzeug-Tanks beträchtlich und somit eine weitere sog. Kenngröße sein.
• In diesem Zusammenhang wird weiterhin vorgeschlagen, bei der Berechnung der geschätzten Zeitspanne für einen Betankungsvorgang zwischen einer sog. Kaltbetankung und einer sog. Warmbetankung zu unterscheiden. Bei einer Kaltbetankung wird definitionsgemäß für die Abkühlung des Fahrzeug-Tanks üblicherweise weniger Zeit benötigt als für die Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle in den Fahrzeug-Tank führenden Leitung, während bei einer Warmbetankung für die Abkühlung des Fahrzeug-Tanks üblicherweise mehr Zeit benötigt wird als für die Abkühlung dieser besagten Leitung. Die Unterscheidung, ob es sich im konkreten Fall um eine Kaltbetankung oder um eine Warmbetankung handelt, erfolgt bevorzugt anhand eines Schwellwertes für die Tank-Innentemperatur bzw. Innentanktemperatur. Dabei ist auch möglich, diese Unterscheidung lernfähig zu gestalten; der Einfachheit halber ist jedoch ein fest vorgegebener Temperaturwert für diese genannte Schwelle vorzuziehen, insbesondere da Warmbetankungen ohnehin eher die Ausnahme sein sollten.
• Grundsätzlich wird somit vorgeschlagen, die sog. Abkühlzeit der Tankstelle, d.h. die Zeitspanne für die Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle zum Fahrzeugtank führenden Leitung, die Abkühlrate des Tanks (im Falle einer Warmbetankung) und die sog. Befüllrate von laufenden bzw. abgeschlossenen Betankungsvorgängen als sog. Kenngrößen zu bestimmen. Für die Berechnung der wahrscheinlichen Betankungsdauer einer anstehenden Betankung wird dann ein Mittelwert dieser Kenngrößen aus den letzten vorangegangenen (bspw. fünf) Betankungen verwendet, um zusammen mit den aktuellen Eingangsparametern, nämlich der aktuellen Befüllmasse des Tanks somit der aktuellen Tank-Innentemperatur die voraussichtliche Betankungsdauer ausreichend genau angenähert angeben und dem Fahrer des Fahrzeugs auf geeignete Weise anzeigen zu können.
• Für die Bestimmung der sog. Befüllrate wird nach erfolgter Abkühlung der das kryogene Medium von der Tankstelle in den Fahrzeug-Tank führenden Leitung im Falle einer Kaltbetankung oder nach erfolgter Abkühlung des Fahrzeug-Tanks im Falle einer Warmbetankung bevorzugt näherungsweise von einer linearen Zunahme der Füllmasse im Tank (entsprechender einer „Füllgeraden“ in einem Zeit-Füllmasse-Diagramm) ausgegangen. Somit kann die Zeitdauer zwischen zumindest zwei Füllständen bestimmt werden, um den in den Tank gelangenden Massenstrom (als Befüllrate in Form der Steigung der „Füllgeraden“ im Zeit-Füllmasse-Diagramm) zu ermitteln. Die jeweiligen Füllstände können dabei durch geeignete Messung der jeweiligen Befüllmasse (im Tank) festgestellt werden, was mit grundsätzlich bekannten Messmethoden ebenso genau durchgeführt werden kann, wie die Messung der Tank-Innentemperatur oder Innentanktemperatur, die - wie bereits ausgeführt wurde - u.a. für die Feststellung, ob es sich um eine sog. Kaltbetankung oder um eine sog. Warmbetankung handelt, benötigt wird.
• Anhand der beiden beigefügten Diagramme wird im weiteren eine bevorzugte Möglichkeit zur Ermittlung der sog. Kenngrößen und der daraus abgeleitete Bestimmung einer voraussichtlichen Betankungsdauer für einen anstehenden Betankungsvorgang für eine Kaltbetankung (vgl. 1) sowie für eine Warmbetankung (vgl. 2) erläutert. Jedes Diagramm zeigt über der Zeit (als Abszisse) einen angenäherten Verlauf der Befüllmasse („Füllmasse“) von kryogenem Medium im Fahrzeugtank, wobei in 1 auf der Ordinate verschiedene Füllmassenstände (Füllstände m_start, m_30%, m_70%, m_100%) angegeben sind. In beiden Diagrammen gezeigt ist ferner ein angenäherter Verlauf für die Tank-Innentemperatur („T_Tank“), wobei in 2 auf der Ordinate verschiedene Temperaturwerte (T_start, T_70%, T_30%, T_min) angegeben sind.
• Im weiteren auf 1 Bezug nehmend ist mit m_100% die maximal zulässige Füllmasse im Fahrzeug-Kryo-Tank und mit m_start die Füllmasse vor einer anstehenden Betankung bezeichnet. Mit m_30% bzw. mit m_70% sind diejenigen Füllstände bezeichnet, bei denen ausgehend vom Füllstand m_start 30% bzw. 70% der in den Tank zuführbaren Masse von kryogenem Medium eingefüllt sind. Allgemein gilt somit der folgende Zusammenhang m_x% = m_start + (m_100% - m_start )•x%.
• Der Nullpunkt der Zeitachse werde nun auf den Öffnungszeitpunkt eines vorzugsweise am Fzg.-Kryotank vorgesehenen Befüllventils gelegt, ab dem somit kryogenes Medium aus einer Leitung von der Tankstelle in den Fzg.-Tank gelangen kann. Von diesem Zeit-Nullpunkt ausgehend sollen nun während einer durchgeführten Kaltbetankung bspw. die Zeitpunkte t_30% und t_70% ermittelt werden, also diejenigen Zeitpunkte, zu denen die Füllstände m_30% bzw. m_70% vorliegen. Selbstverständlich können anstelle dieser ausgewählten Füllstände 30% bzw. 70% auch zwei andere Werte gewählt werden, die eine relativ geringe Befüllung einerseits bzw. eine relativ hohe Befüllung andererseits repräsentieren.
• Aus diesen dann fünf bekannten Größen, nämlich t_30% und t_70% sowie m_start, m_30% und m_70% kann dann die Zeit t_cool (wegen des angenommenen abschnittsweise jeweils linearen Verlaufs der Füllmasse) einfach bestimmt werden, bei der es sich um die sog. Abkühlzeit der Tankstelle, d.h. um die Zeitspanne für die Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle zum Fahrzeugtank führenden Leitung handelt, nach welcher kryogenes Medium ohne nennenswerte Erwärmung und Verdampfung durch diese Leitung in den Fzg.-Tank gelangen kann. Die Abkühlzeit t_cool der das kryogene Medium zum Tank führenden Leitung wird somit bestimmt, indem ausgehend vom Öffnen eines Befüllventils (vgl. oben) die Zeitdauer bis zu demjenigen Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die sog. Füllgerade in einem Zeit-Füllmassen-Diagramm die parallel zur Zeitachse verlaufende Ausgangs-Füllmasse m_start (vor dem Öffnen des genannten Befüllventils) schneidet. Ebenso einfach kann aus der Zeitspanne (t_70% - t_30%) der in den Fzg.-Tank gelangende Massenstrom dm/dt von kryogenem Medium ermittelt werden (dm/dt stellt das zeitliche Differential dar bzw. mit „I“ wird hier eine Divison dargestellt; während im übrigen „•“eine Multiplikation verdeutlicht).
• Für die Berechnung der Dauer einer anstehenden Betankung können nun die Werte für „t_cool“ und „dm/dt“ (als sog. Kenngrößen) der vorangegangenen (bspw.) fünf Betankungen gemittelt werden, wobei dann, wenn der größere Füllstand (m_70%) nicht erreicht wird, diese Betankung nicht für die Mittelwert-Bildung herangezogen wird. Aus diesen Mittelwerten, die hier mit dem gleichen Symbol wie jeweiligen Einzelwerte bezeichnet sind, berechnet sich dann die für eine anstehende Kalt-Betankung ausreichend genau geschätzte Betankungszeitdauer oder Betankungs-Zeitspanne t zu: $$\text{t}={\text{t}}_{\text{cool}}+\left({\text{m}}_{\text{100\%}}-{\text{m}}_{\text{start}}\right)\text{/}\left(\text{dm/dt}\right)$$

  
• Im weiteren wird nun auf 2 Bezug genommen und somit die Verhältnisse bei einer sog. Warm-Betankung erläutert. Hier wird näherungsweise von einer linearen Abnahme der Tank-Innentemperatur „T_Tank“ (entsprechend einer Abkühlgeraden“ im Zeit-Innentemperatur-Diagramm) ausgegangen und daher die Zeitdauer zwischen zumindest zwei Tank-Innentemperaturen bestimmt, um neben der sog. Abkühlrate des Kryo-Tanks (als Steigung der „Abkühlgeraden“ im Zeit-Innentemperatur-Diagramm) die Abkühlzeit t_cool2 der das kryogene Medium von der Tankstelle zum Tank führenden Leitung zu ermitteln.
• In 2 ist mit T_min diejenige Tank-Innentemperatur bezeichnet, die vorliegt, wenn der Fzg.-Tank vollständig mit flüssigem kryogenem Medium befüllt ist. Dieser Temperaturwert soll durch Mittelwertbildung regelmäßig bei Betrieb des Fahrzeugs ermittelt werden, solange sich mehr als eine Mindestmenge von bspw. 2 kg von kryogenem Medium im Tank befindet und solange der Tank-Innendruck innerhalb des sog. Regelbereiches liegt, der - wie dem Fachmann bekannt ist - durch ggf. durchgeführte partielle Erwärmung des im Tank befindlichen kryogenen Mediums eingestellt wird.
• Mit T_start ist die Tank-Innentemperatur vor einer anstehenden Betankung bezeichnet. Mit T_70% bzw. mit T_30% sind diejenigen Werte für die Tank-Innentemperatur bezeichnet, bei denen ausgehend von T_start eine entsprechende Abkühlung stattgefunden hat, gemäß dem Zusammenhang T_x% = T_start + (T_min - T_start )•x%.
• Der Nullpunkt der Zeitachse werde nun auf den Öffnungszeitpunkt eines bzw. des bereits genannten Befüllventils gelegt, ab dem somit kryogenes Medium aus einer Leitung von der Tankstelle in den Fzg.-Tank gelangen kann. Von diesem Zeit-Nullpunkt ausgehend sollen nun während einer durchgeführten Warmbetankung bspw. die Zeitpunkte t_70% und t_30% ermittelt werden, also diejenigen Zeitpunkte, zu denen die Tank-Innentemperaturen T_70% bzw. T_30% vorliegen. (Selbstverständlich können anstelle dieser ausgewählten Werte 30% bzw. 70% auch zwei andere Werte gewählt werden, die eine relativ niedrige bzw. eine relativ hohe Temperatur repräsentieren).
• Aus diesen dann fünf bekannten Größen, nämlich t_30% und t_70% sowie T_start, T_30% und T_70% kann dann die Zeit t_cool2 (wegen des angenommenen abschnittsweise jeweils linearen Verlaufs der Tank-Innentemperatur T_Tank) einfach bestimmt werden, bei der es sich um die sog. Abkühlzeit der Tankstelle, d.h. um die Zeitspanne für die Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle zum Fahrzeugtank führenden Leitung handelt, nach welcher kryogenes Medium ohne nennenswerte Erwärmung und Verdampfung durch diese Leitung in den Fzg.-Tank gelangen kann. Ebenso einfach kann aus der Zeitspanne (t_30% - t_70%) die Steigung dT/dt der sog. „Abkühlgeraden“, die die lineare Abnahme der Tank-Innentemperatur wiedergibt, ermittelt werden (dT/dt stellt das zeitliche Differential dar).
• Für die Berechnung der Dauer einer anstehenden Betankung können nun die Werte für „t_cool2“ und „dT/dt“ (als sog. Kenngrößen) der vorangegangenen (bspw.) drei Warm-Betankungen gemittelt werden, wobei dann, wenn der Temperaturwert T_70% nicht erreicht wird, diese Betankung nicht für die Mittelwert-Bildung herangezogen wird. Aus diesen Mittelwerten, die hier mit dem gleichen Symbol wie jeweiligen Einzelwerte bezeichnet sind, berechnet sich dann die für eine anstehende Warm-Betankung ausreichend genau geschätzte Betankungszeitdauer oder Betankungs-Zeitspanne t zu: $$\text{t}={\text{t}}_{\text{cool2}}+\left[\left({\text{T}}_{\text{min}}-{\text{T}}_{\text{start}}\right)\text{/}\left(\text{dT/dt}\right)\right]+\left[\left({\text{m}}_{\text{100\%}}-{\text{m}}_{\text{start}}\right)\text{/}\left(\text{dm/dt}\right)\right],$$

  

  wobei der letzte Klammer-Term bezüglich der Befüllrate aus der Berechnung der Kaltbetankung übernommen ist.
• Auf die beschriebene Weise ist es somit möglich, dem Fahrer oder Nutzer eines Kraftfahrzeugs mit einem Kryo-Tank ausreichend genau vorherzusagen, wie lange ein anstehender Betankungsvorgang dauern könnte, wobei durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Insbesondere ist auch möglich, anhand der ermittelten Abkühlrate (dT/dt) und/oder der ermittelten Befüllrate (dm/dt) die Funktionsfähigkeit des Tanks zu überprüfen, d.h. auf einfache Weise festzustellen, ob bspw. die Isolation des Kryotanks noch ausreichend ist, da sich bspw. bei mangelhafter Isolation zwangsläufig eine wesentlich geringere Abkühlrate einstellen wird.

Claims (5)

1. Kraftfahrzeug mit einem Tank für ein kryogenes Medium zur Versorgung eines Antriebsaggregats oder Hilfsaggregats, wobei dem Fahrzeug-Nutzer die geschätzte Zeitspanne, die für eine anstehende Befüllung des Tanks zu veranschlagen ist, mitgeteilt wird, wobei die geschätzte Zeitspanne bis zur vollständigen Befüllung unter Berücksichtigung der noch im Tank befindlichen Restmenge anhand von in vorangegangenen Betankungsvorgängen ermittelten Kenngrößen errechnet wird.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der geschätzten Zeitspanne unterschieden wird zwischen einer Kaltbetankung, bei welcher für die Abkühlung des Fahrzeug-Tanks üblicherweise weniger Zeit benötigt wird als für die Abkühlung einer das kryogene Medium von der Tankstelle in den Fahrzeug-Tank führenden Leitung, und einer Warmbetankung, bei welcher für die Abkühlung des Fahrzeug-Tanks üblicherweise mehr Zeit benötigt wird als für die Abkühlung der besagten Leitung.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Abkühlung der das kryogene Medium von der Tankstelle in den Fahrzeug-Tank führenden Leitung im Falle einer Kaltbetankung oder nach erfolgter Abkühlung des Fahrzeug-Tanks im Falle einer Warmbetankung näherungsweise von einer linearen Zunahme der Füllmasse im Tank (entsprechender einer „Füllgeraden“ in einem Zeit-Füllmasse-Diagramm) ausgegangen wird und daher die Zeitdauer zwischen zumindest zwei Füllständen bestimmt wird, um den in den Tank gelangenden Massenstrom (als Befüllrate in Form der Steigung der „Füllgeraden“ im Zeit-Füllmasse-Diagramm) zu ermitteln.
4. Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Kaltbetankung die Abkühlzeit der das kryogene Medium zum Tank führenden Leitung bestimmt wird, indem ausgehend vom Öffnen eines Befüllventils die Zeitdauer bis zu demjenigen Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die Füllgerade in einem Zeit-Füllmassen-Diagramm die parallel zur Zeitachse verlaufende Gerade der Ausgangs-Füllmasse (vor dem Öffnen des Befüllventils) schneidet.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Warmbetankung näherungsweise von einer linearen Abnahme der Tank-Innentemperatur (entsprechend einer „Abkühlgeraden“ in einem Zeit-Innentemperatur-Diagramm) ausgegangen wird und daher die Zeitdauer zwischen zumindest zwei Tank-Innentemperaturen bestimmt wird, um neben der sog. Abkühlrate des Tanks (als Steigung der „Abkühlgeraden“ im Zeit-Innentemperatur-Diagramm) die Abkühlzeit der das kryogene Medium zum Tank führenden Leitung zu ermitteln.

Images