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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für ein Wasserstofftanksystem und ein Wasserstofftanksystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Wasserstofftanksysteme umfassen in der Regel einen Hochdruckspeicher, der über einen Hochdruckbereich einen Druckminderer mit unter Hochdruck stehendem Wasserstoff anströmt.
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Der Druckminderer trennt den Hochdruckbereich von einem Mitteldruckbereich, in den Wasserstoff mit einem durch den Druckminderer eingestellten Druck strömt.
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Verbraucherseitig ist in der Regel ein Niederdruckbereich vorgesehen, in dem ein Druck von durch den Niederdruckbereich strömendem Wasserstoff mittels eines Durchflussventils eingestellt wird.
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Aufgrund von Leckagen und/oder Verformungen von Leitungen im Mitteldruckbereich kann es im Mitteldruckbereich zu einem Druckabfall kommen. Ferner kann zum Bestimmen eines in dem Mitteldruckbereich anliegenden Mitteldrucks eingesetzte Sensorik fehlerhaft sein, sodass ein nachfolgendes Durchflussventil nicht mit einem vorgegebenen Druck angeströmt wird und entsprechend nicht in der Lage ist einen vorgegebenen Druck in dem Niederdruckbereich einzustellen.
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Entsprechend ist es für einen verlässlichen Betrieb eines Wasserstofftanksystems bzw. eines Wasserstoffverbrauchers vorteilhaft, einen aktuellen Zustand eines Mitteldruckbereichs des Wasserstofftanksystems zu kennen bzw. zu plausibilisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Wasserstofftanksystem und ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands des Wasserstofftanksystems vorgestellt. 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 Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstofftanksystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen Zustand eines Wasserstofftanksystems zu diagnostizieren. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, einen von einem Mitteldrucksensor eines Wasserstofftanksystems ermittelten Druck zu plausibilisieren.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Diagnoseverfahren für einen Mitteldruckbereich eines Wasserstofftanksystems vorgestellt.
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Das vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst das Ermitteln eines in einem Mitteldruckbereich des Wasserstofftanksystems anliegenden ersten Drucks mittels eines an dem Mitteldruckbereich angeordneten ersten Drucksensors, das Bestimmen einer Differenz des ersten Drucks zu einem durch einen zweiten Drucksensor ermittelten Referenzdruck, das Abgleichen der Differenz mit einem vorgegebenen Schwellenwert und das Hinterlegen eines Ergebnisses des Abgleichs in einem Speicher zumindest für den Fall, dass die Differenz von dem Schwellenwert abweicht.
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Das vorgestellte Diagnoseverfahren basiert auf einem Abgleich von durch einen an einem Mitteldruckbereich angeordneten ersten Drucksensor ermittelten Messwerten mit durch einen zweiten Drucksensor ermittelten Messwerten bzw. einem entsprechenden Referenzdruck. Dabei besteht ein kausaler bzw. physikalischer Zusammenhang zwischen einem durch den ersten Drucksensor ermittelten ersten Druck und einem durch den zweiten Drucksensor ermittelten zweiten Druck.
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Zum Abgleich von durch den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor ermittelten Messwerten mit einem jeweiligen Schwellenwert wird eine Differenz der jeweiligen Messwerte gebildet und die Differenz zu dem Schwellenwert mathematisch in Beziehung gesetzt. Dabei kann der Schwellenwert ein Einzelwert, ein Betrag oder ein Wertebereich sein. Entsprechend kann eine Abweichung der Differenz zu dem Schwellenwert sowohl in eine positive Richtung als auch in eine negative Richtung zum Hinterlegen des Ergebnisses des Abgleichs in dem Speicher führen.
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Bspw. kann der Mitteldruckbereich mit einem durch den zweiten Drucksensor überwachten Druckbereich gekoppelt, insbesondere reversibel gekoppelt sein, sodass der gleiche Druck an dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor eingestellt werden kann.
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Alternativ kann anhand eines vorgegebenen mathematischen Zusammenhangs zwischen dem Mitteldruckbereich und einem weiteren Druckbereich, wie bspw. einem dem Mitteldruckbereich mit Wasserstoff versorgenden Hochdruckbereich anhand des zweiten Drucks auf einen Erwartungswert bzw. einen entsprechenden Referenzwert für den ersten Druck geschlossen werden.
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Durch einen Abgleich des ersten Drucks mit einem anhand des zweiten Drucks ermittelten Referenzwert kann daher bestimmt werden, ob der erste Druck, d.h. der Druck im Mitteldruckbereich bzw. ein durch den ersten an dem Mitteldruckbereich angeordneten Drucksensor ermittelter Messwert plausibel ist.
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Insbesondere für den Fall, dass das Ergebnis des erfindungsgemäß vorgesehenen Abgleichs von dem Referenzwert abweicht, kann das Ergebnis in einem Speicher, wie bspw. einem Fehlerspeicher des Wasserstofftanksystems oder einem Fehlerspeicher eines durch das Wasserstofftanksystem mit Wasserstoff versorgten Verbrauchers bspw. als Plausibilisierungsmeldung oder als Fehlermeldung hinterlegt werden. Entsprechend kann das Ergebnis auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige ausgegeben oder von einer Recheneinheit, wie bspw. einem Steuergerät des Verbrauchers, aus dem Speicher abgerufen werden.
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Insbesondere können der erste Druck und der zweite Druck durch einen direkten Vergleich, d.h. anhand jeweiliger Sensorwerte bzw. Messwerte abgeglichen werden. Dies kann bspw. bei geringen Massenströmen erfolgen, um Druckunterschiede durch strömungsbedingte Druckabfälle im Leitungssystem zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor zu vermeiden, wie es bspw. im Stillstand und/oder bei geringer Leistung des Verbrauchersystems typisch ist.
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Alternativ können der erste Druck und der zweite Druck durch Sensorwerte bzw. Messwerte unter Berücksichtigung von betriebspunktabhängig erwarteten Druckabfällen für ein Leitungssystem zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor, bspw. bei erhöhter bis maximale Leistung des Verbrauchersystems abgeglichen werden. Die betriebspunktabhängig erwarteten Druckabfälle am Leitungssystem zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor können dazu bspw. in einem Steuergerät hinterlegt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass die Differenz größer als der Schwellenwert ist, das Ergebnis als Fehlermeldung in dem Speicher hinterlegt wird und/oder dass die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, das Ergebnis als Plausibilisierung in dem Speicher hinterlegt wird.
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Da eine Differenz, die größer als der Schwellenwert ist, einen unerwartet großen Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck anzeigt, kann davon ausgegangen werden, dass der erste Druck in einem nicht erwarteten Bereich liegt und somit fehlerhaft ist.
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Da eine Differenz, die kleiner als der Schwellenwert ist, einen erwartungsgemäßen Unterschied bzw. einen Unterschied innerhalb einer akzeptablen Streuung anzeigt, kann davon ausgegangen werden, dass der erste Druck in einem erwarteten Bereich liegt und somit plausibel ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor an einem Zulaufsystem für ein mit dem Wasserstanksystem fluidleitend gekoppeltes Verbrauchersystem angeordnet ist.
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Da ein Zulaufsystem eines Verbrauchersystems in der Regel systemisch mit dem Mitteldruckbereich fluidleitend gekoppelt ist, eignet sich ein in dem Zulaufsystem ermittelter zweiter Druck besonders vorteilhaft zum Bestimmen des Referenzdrucks.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ermitteln des ersten Drucks bei einem Betriebspunkt des Verbrauchers erfolgt, bei dem Massenströme zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor strömen, die über einem vorgegebenen Messschwellenwert liegen und für den Fall, dass die Differenz größer als der Schwellenwert ist, das Verfahren weiterhin das Einstellen eines Massenstroms in einem Bereich zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor, der unter einem vorgegebenen Feinmessschwellenwert liegt, das Ermitteln eines in einem Mitteldruckbereich des Wasserstofftanksystems anliegenden ersten Feindrucks mittels des ersten Drucksensors, das Ermitteln eines Feinreferenzdrucks mittels des zweiten Drucksensors, das Bestimmen einer Feindifferenz des ersten Feindrucks zu dem Feinreferenzdruck, das Abgleichen der Feindifferenz mit einem vorgegebenen Feinschwellenwert, das Hinterlegen einer Fehlermeldung eines Fehlers in einem Leitungssystem des Mitteldruckbereichs in dem Speicher für den Fall, dass die Feindifferenz kleiner oder gleich als der Feinschwellenwert ist, oder das Hinterlegen einer Fehlermeldung eines Fehlers des ersten Drucksensors in dem Speicher für den Fall, dass die Feindifferenz größer als der Feinschwellenwert ist, umfasst.
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Um ein fehlerhaftes Leitungssystem, wie bspw. eine verformte Leitung oder einen gerissenen Verbinder von einer fehlerhaften Sensorik zu unterscheiden, kann ein zweistufiger Prozess verwendet werden, bei dem zunächst bei hohen Massenströmen eine Differenz zwischen Messwerten des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors ermittelt wird und anschließend bei niedrigen, insbesondere keinen Massenströmen bzw. einem Verbraucher Massenstrom von „0“, eine Feindifferenz zwischen Messwerten des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors ermittelt wird.
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Durch den zweistufigen Prozess wird in einem ersten Teilprozess ermittelt, ob ein Fehler im Gesamtsystem vorliegt. Wenn ein solcher Fehler erkannt wird, d.h. die Differenz von dem Schwellenwert abweicht, bspw. ein Druckabfall in dem Mitteldruckbereich nicht einem erwarteten bspw. in einem in einem Steuergerät hinterlegten Druckabfall entspricht. In einem zweiten Teilprozess wird ermittelt, ob der Fehler von der Sensorik oder von dem Leitungssystem ausgeht. Dabei gilt die Annahme, dass für den Fall, dass die Feindifferenz kleiner oder gleich dem Feinschwellenwert ist, die Sensorik in Ordnung ist, sodass ein Fehler in dem Leitungssystem vorliegen muss.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor an einem externen Drucksystem angeordnet ist.
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Mittels eines an einem externen Drucksystem, wie bspw. ein an einem sogenannten „bleed port“ hinter einem Druckregler und/oder einer Befüll-/Spülstation angeschlossenen externen Systems kann bei definierten Drücken innerhalb des erwarteten Druckbereichs des Mitteldrucksystems, bspw. von drucklos bis Regeldruck des Druckreglers die erfindungsgemäß vorgesehene Differenz ermittelt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor an einem Hochdruckbereich des Wasserstofftanksystems angeordnet ist.
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In einem Hochdruckbereich des Wasserstofftanksystems kann eine Funktion für einen gezielten Druckabbau im Hochdrucksystem und Mitteldrucksystem auf einen vorgegebenen Druckbereich, bei dem der Druckregler offensteht, ausgeführt werden. Diese Funktion kann den Druckabbau bspw. durch eine gezielte Massenentnahme nach einem eingeleiteten Schließen von Tankventilen des Wasserstofftanksystems beim Abstellen und/oder im Betrieb eines jeweiligen Verbrauchers oder bei einer Tankleerfahrt, bei der das Druckniveau unterhalb des normalen Regeldruckbereichs des Druckreglers fällt, einstellen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Drucksensor dazu konfiguriert ist, einen Umgebungsdruck des Wasserstoffdrucksystems als Referenzdruck zu erfassen.
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Ein Umgebungsdruck kann bspw. im drucklosen Zustand des Mitteldrucksystems, bspw. im Werk oder/und in einer Service-Werkstatt oder/und bei einem durch das Verbrauchersystem geöffneten und damit druckentlastetem Zustand als Referenzdruck herangezogen werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Hochdruckbereich mit dem Mitteldruckbereich über einen Druckregler fluidleitend verbunden ist.
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Eine fluidleitende Verbindung zwischen Hochdruckbereich und Mitteldruckbereich mittels eines Druckreglers ermöglicht eine Änderung eines in dem Hochdruckbereich anliegenden Drucks über den Druckregler, indem der Druckregler auf einer Druckänderung in dem Mitteldruckbereich reagiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Druck durch eine Anzahl von durch den ersten Drucksensor während einer Anzahl vorgegebener Betriebsbedingungen des Wasserstofftanksystems ermittelter Messwerte ermittelt wird, und/oder der Referenzdruck durch eine Anzahl von durch den zweiten Drucksensor während einer Anzahl vorgegebener Bedingungen ermittelter Messwerte ermittelt wird.
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Durch eine Anzahl, insbesondere eine Vielzahl von Messwerten des ersten Drucksensors und/oder des zweiten Drucksensors kann insbesondere ein über die Zeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen vorliegenden Verhalten des Mitteldruckbereichs überwacht werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anzahl vorgegebener Betriebsbedingungen mindestens eine Betriebsbedingung der folgenden Liste an Betriebsbedingungen umfasst: druckloser Zustand des Mitteldruckbereichs des Wasserstofftanksystems, einen vorgegebenen Druckverlauf im Mitteldruckbereich, welcher zum Öffnen eines Druckreglers des Wasserstofftanksystems und zum Druckausgleich zwischen dem Hochdruckbereich und dem Mitteldruckbereich führt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Wasserstofftanksystem.
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Das vorgestellte Wasserstofftanksystem umfasst einen an einem Mitteldruckbereich des Wasserstofftanksystems angeordneten ersten Drucksensor und eine Recheneinheit, wobei der erste Drucksensor dazu konfiguriert ist, einen Druck in dem Mitteldruckbereich zu erfassen, und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens durchzuführen.
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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. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Wasserstofftanksystems.
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In 1 ist ein Diagnoseverfahren 100 zur Diagnose eines Fehlers in einem Mitteldruckbereich eines Wasserstofftanksystems dargestellt.
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Das Diagnoseverfahren 100 umfasst einen Ermittlungsschritt 101, bei dem ein in einem Mitteldruckbereich des Wasserstofftanksystems anliegender erster Druck mittels eines an dem Mitteldruckbereich angeordneten ersten Drucksensors ermittelt wird, einen Bestimmungsschritt 103, bei dem eine Differenz des ersten Drucks zu einem durch einen zweiten Drucksensor ermittelten Referenzdruck bestimmt wird, einen Abgleichschritt 105, bei dem die Differenz mit einem vorgegebenen Schwellenwert abgeglichen wird und einen Hinterlegungsschritt 107, bei dem ein Ergebnisses des Abgleichschritts 105 in einem Speicher zumindest für den Fall hinterlegt wird, dass die Differenz von dem Schwellenwert abweicht.
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Optional umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen Einstellschritt 109, bei dem ein Massenstroms in einem Bereich zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor, der unter einem vorgegebenen Feinmessschwellenwert liegt, eingestellt wird, einen Ermittlungsschritt 111, bei dem ein in einem Mitteldruckbereich des Wasserstofftanksystems anliegender erster Feindrucks mittels des ersten Drucksensors ermittelt wird, einen weiteren Ermittlungsschritt 113, bei dem ein Feinreferenzdruck mittels des zweiten Drucksensors ermittelt wird, einen Bestimmungsschritt 115, bei dem eine Feindifferenz des ersten Feindrucks zu dem Feinreferenzdruck bestimmt wird und einen Abgleichschritt 117, bei dem die Feindifferenz mit einem vorgegebenen Feinschwellenwert abgeglichen wird.
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Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 optional einen Hinterlegungsschritt 119, bei dem eine Fehlermeldung eines Fehlers in einem Leitungssystem des Mitteldruckbereichs in dem Speicher für den Fall hinterlegt wird, dass die Feindifferenz kleiner oder gleich als der Feinschwellenwert ist, oder einen Hinterlegungsschritt 121, bei dem eine Fehlermeldung eines Fehlers des ersten Drucksensors in dem Speicher für den Fall hinterlegt wird, dass die Feindifferenz größer als der Feinschwellenwert ist.
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In 2 ist ein Wasserstofftanksystem 200 dargestellt. Das Wasserstofftanksystem 200 umfasst einen Hochdruckbereich 201 und einen Mitteldruckbereich 203 sowie einen ersten Drucksensor 205 und eine Recheneinheit 207.
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Der erste Drucksensor 205 ist dazu konfiguriert, einen Druck in dem Mitteldruckbereich 203 zu erfassen.
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Die Recheneinheit 207 ist dazu konfiguriert, das Diagnoseverfahren 100 gemäß 1 durchzuführen.