СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАВШЕГОСЯ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОГО ВОДОРОДА В БАКЕ Российский патент 2010 года по МПК F17C13/02 G01F23/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе хранения водорода, пригодной для транспортных средств, летательных аппаратов, судов и т.п., использующим водород в качестве топлива (в дальнейшем указываемых ссылкой как «транспортные средства на водородном топливе»). В частности, оно относится к системе для определения оставшегося количества хранящегося жидкого водорода.

Уровень техники

Обычно, например, как раскрыто в публикации выложенной заявки на патент Японии № Hei5-223612, использовалось устройство управления оставшимся количеством сжиженного газа для расчета оставшегося количества в баллоне сжиженного газа по интегрированной величине расхода газа. В этом устройстве величина расхода всегда измеряется массовым расходомером, установленным в линию подачи газа. Измеренная величина расхода суммируется интегрирующим измерителем, и рассчитывается использованная интегрированная величина, посредством которой выводится оставшееся количество газа. Такие же принципы также раскрыты в публикациях выложенных заявок на патент Японии №№ Hei7-49254 и 2001-272266.

Проблема, решаемая изобретением

Температура атмосферного насыщения жидкого водорода является гораздо более низкой, чем температура воздуха (около -253°C), так что бак хранения жидкого водорода имеет высоко адиабатическую конструкцию. Однако, поскольку существует утечка количества теплоты из наружного воздуха, хотя и в незначительном масштабе, имеет место явление фазового перехода жидкого водорода в баке в газ (выпаривание), обусловленное влиянием такого количества теплоты. Как результат, давление в баке растет, так что выполняется обработка для снижения давления в баке надлежащим выпусканием газа в баке (в дальнейшем указываемого ссылкой как «газ испарения»). Поэтому, например, в случае, когда жидкий водород хранится в вышеупомянутом устройстве, в течение расчета оставшегося количества по использованной интегрированной величине привносится погрешность, соответствующая газу испарения, так что оставшееся количество жидкого водорода не может точно выявляться.

Настоящее изобретение было выполнено для решения вышеприведенной проблемы и, соответственно, его цель состоит в том, чтобы создать систему определения оставшегося количества для расчета оставшегося количества жидкого водорода на основании количества теплоты, подведенного к баку, и изменения давления в баке до и после подведения, будучи не подверженным влиянию предыдущего состояния в баке.

Средства решения указанной проблемы

Первым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода в баке, содержащая:

средство для получения величины изменения количества теплоты в баке,

средство для получения величины изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке и

средство для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления.

Вторым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно первому аспекту, дополнительно содержащая:

средство для подачи газообразного водорода наружу бака и

средство для получения величины подачи газообразного водорода, подаваемого средством подачи газообразного водорода,

при этом средство для расчета оставшегося количества жидкого водорода выполнено с возможностью расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты, величины изменения давления и величины подачи газообразного водорода.

Третьим аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно второму аспекту, в которой средство для подачи газообразного водорода выполнено с возможностью подачи газообразного водорода в выходное устройство, которое использует водород в качестве топлива, а средство для получения величины подачи газообразного водорода выполнено с возможностью оценки величины подачи газообразного водорода на основании потребления водорода в выходном устройстве.

Четвертым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно второму аспекту, в котором средство для подачи газообразного водорода выполнено с возможностью подачи газообразного водорода в топливный элемент, который использует водород в качестве топлива, а средство для получения величины подачи газообразного водорода выполнено с возможностью оценки величины подачи газообразного водорода на основании электричества, вырабатываемого топливным элементом.

Пятым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно любому одному из с первого по четвертый аспектов, в которой бак включает в себя средство для нагрева жидкого водорода в нем, а средство для получения величины изменения количества теплоты выполнено с возможностью получения количества теплоты, подаваемого средством нагрева, в качестве величины изменения количества теплоты.

Шестым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно пятому аспекту, в которой средство для нагрева является нагревателем, скомпонованным в баке, а средство для получения величины изменения количества теплоты выполнено с возможностью получения значения нагрева нагревателя в качестве величины изменения количества теплоты.

Седьмым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно любому одному из с первого по шестой аспектов, в которой средство для получения величины изменения количества теплоты включает в себя средство для оценки величины переноса теплоты снаружи во внутрь бака и получает величину переноса теплоты в качестве величины изменения количества теплоты.

Восьмым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно седьмому аспекту, дополнительно содержащая средство для получения перепада температур внутри и снаружи бака, при этом средство оценки величины переноса теплоты выполнено с возможностью оценки величины переноса теплоты, с тем чтобы увеличиваться при увеличении перепада температур.

Девятым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно восьмому аспекту, дополнительно содержащая:

средство для обнаружения того, что количество жидкого водорода в баке достигло заданного количества, и

средство для получения величины изменения давления в баке за заданный период времени в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода,

при этом средство оценки величины переноса теплоты выполнено с возможностью оценки величины переноса теплоты на основании заданного количества и величины изменения давления в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода.

Десятым аспектом настоящего изобретения является система для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно девятому аспекту, в которой заданное количество приблизительно равно количеству полной заправки бака.

Одиннадцатым аспектом настоящего изобретения является способ определения оставшегося количества жидкого водорода в баке, при котором:

получают величину изменения количества теплоты в баке,

получают величину изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке и

рассчитывают оставшееся количество жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления.

Двенадцатым аспектом настоящего изобретения является способ для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно одиннадцатому аспекту, при котором дополнительно:

подают газообразный водород наружу бака и

получают величину подачи газообразного водорода, подаваемого при подаче газообразного водорода,

при этом при расчете оставшегося количества жидкого водорода рассчитывают оставшееся количество жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты, величины изменения давления и величины подачи газообразного водорода.

Тринадцатым аспектом настоящего изобретения является способ для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно одиннадцатому или двенадцатому аспекту, при котором при получении величины изменения количества теплоты получают количество теплоты, подаваемое нагреванием жидкого водорода в баке, в качестве величины изменения количества теплоты.

Четырнадцатым аспектом настоящего изобретения является способ для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно любому одному из с одиннадцатого по тринадцатый аспектов, при котором при получении величины изменения количества теплоты оценивают величину переноса теплоты снаружи вовнутрь бака и получают величину переноса теплоты в качестве величины изменения количества теплоты.

Пятнадцатым аспектом настоящего изобретения является способ для определения оставшегося количества жидкого водорода согласно четырнадцатому аспекту, при котором дополнительно:

определяют, что количество жидкого водорода в баке достигло заданного количества, и

получают величину изменения давления в баке за заданный период времени в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода,

при этом при оценке величины переноса теплоты оценивают величину переноса теплоты на основании заданного количества и величины изменения давления в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода.

Эффекты изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, оставшееся количество жидкого водорода в баке может рассчитываться на основании величины изменения количества теплоты в баке и величины изменения внутреннего давления бака. Количество теплоты, проникающее в бак, используется в качестве энергии для фазового превращения жидкого водорода в баке в газ. Поскольку газообразный водород, подвергнутый фазовому превращению в газ, имеет большой объем, внутреннее давление бака принимает большее значение, чем значение до фазового превращения. Поэтому, согласно настоящему изобретению, оставшееся количество жидкого водорода в баке может точно рассчитываться на основании величины изменения количества теплоты в баке и разности давлений до и после фазового превращения будучи не подверженным влиянию предыдущего состояния в баке.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, даже в течение времени, когда газообразный водород подается наружу бака, оставшееся количество жидкого водорода в баке может рассчитываться на основании величины подачи газообразного водорода, величины изменения количества теплоты в баке и величины изменения внутреннего давления бака. Поэтому оставшееся количество жидкого водорода в баке всегда может точно рассчитываться.

Согласно третьему или четвертому аспекту настоящего изобретения, газообразный водород подается в выходное устройство, которое использует водород в качестве топлива, или топливный элемент, или т.п. Величина подачи газообразного водорода может оцениваться по потреблению водорода выходного устройства, которое является местом назначения подачи, или электричеству, вырабатываемому устройством выработки энергии, таким как топливный элемент. Поэтому, согласно этому изобретению, количество газообразного водорода, подаваемого наружу бака, может получаться точно.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, намеренной подачей теплоты в бак посредством использования средства нагрева количество теплоты в баке может изменяться. Поэтому, согласно этому изобретению, посредством использования подаваемого количества теплоты в качестве величины изменения количества теплоты оставшееся количество жидкого водорода в баке может точно рассчитываться будучи не подверженным влиянию предыдущим состоянием в баке.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения, теплота подается в бак намеренно посредством нагревателя. Поэтому, согласно этому изобретению, величина изменения количества теплоты в баке может точно получаться на основании теплотворной способности нагревателя.

Согласно седьмому или восьмому аспекту настоящего изобретения, оценивается количество теплоты, перенесенное снаружи бака вовнутрь него, и величина переноса теплоты используется в качестве величины изменения количества теплоты в баке. Поэтому, согласно этому изобретению, величина изменения количества теплоты в баке может получаться точно.

Согласно девятому аспекту настоящего изобретения, получается величина изменения давления в баке за заданный период времени в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода. Внутреннее давление бака изменяется переносом теплоты снаружи бака вовнутрь него. Поэтому, согласно этому изобретению, величина переноса теплоты может точно оцениваться на основании количества жидкого водорода, залитого в бак, и величины изменения внутреннего давления.

В частности, поскольку изменение внутреннего давления бака, обусловленное переносом теплоты, увеличивается по мере того как уменьшается объем газа в баке, погрешность измерения мало вероятна для возникновения. Согласно десятому аспекту настоящего изобретения, поскольку заданное количество установлено близким к количеству полной заправки бака, величина переноса теплоты может оцениваться точнее.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое представление, показывающее конфигурацию согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - схематический чертеж, показывающий принцип работы системы для определения оставшегося количества в баке жидкого водорода согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 - блок-схема последовательности операций способа для процедуры, выполняемой системой согласно первому варианту осуществления;

Фиг.4 - график, показывающий взаимосвязь между количеством E_L теплоты утечки и перепадом ΔT температур между температурой в баке и температурой наружного воздуха;

Фиг.5 - блок-схема последовательности операций способа для процедуры, выполняемой системой согласно второму варианту осуществления;

Фиг.6 - блок-схема последовательности операций способа для процедуры, выполняемой системой согласно третьему варианту осуществления;

Фиг.7 - график, показывающий взаимосвязь между величиной ΔP изменения давления и оставшимся количеством V_L жидкого водорода в баке; и

Фиг.8 - блок-схема последовательности операций способа для процедуры, выполняемой системой согласно четвертому варианту осуществления.

Перечень ссылочных позиций

10 - водородный бак;

12 - датчик давления;

14 - нагреватель;

16 - ЭБУ (электронный блок управления);

18 - система топливного элемента (ТЭ);

V_L - объем жидкого водорода;

Vt - объем бака;

Ve - объем, подвергнутый фазовому превращению в газ;

E - подводимое количество теплоты;

E_L - количество теплоты утечки;

Eg - скрытая теплота парообразования водорода;

R - газовая постоянная.

Наилучший способ осуществления изобретения

Теперь будет описан первый вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 показана конфигурация системы для определения оставшегося количества в баке жидкого водорода, используемой в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, система согласно этому варианту осуществления содержит водородный бак 10. Водородный бак 10, который является баком подачи водорода, главным образом, для хранения жидкого водорода, имеет адиабатическую конструкцию, так что образование газа испарения, обусловленного утечкой количества теплоты, может сдерживаться.

Водородный бак 10 снабжен датчиком 12 давления, так что может выявляться давление в баке. К тому же предусмотрены водородный бак 10, нагреватель 14 для подведения количества теплоты.

Система согласно этому варианту осуществления снабжена электронным блоком 16 управления, как показано на фиг.1. Выходной сигнал вышеупомянутого датчика 12 давления подается в ЭБУ 16, а ЭБУ 16 вычисляет величину изменения давления в предопределенное время на основании выходного сигнала. К тому же ЭБУ 16 соединен с нагревателем 14 для того, чтобы приводить в действие нагреватель 14 и рассчитывать количество теплоты, подаваемое в бак. ЭБУ 16 выполняет обработку для расчета оставшегося количества сжиженного газа на основании этих порций информации.

Газообразный водород в водородном баке 10 подается в систему 18 топливного элемента (ТЭ). Система 18 ТЭ присоединена к ЭБУ 16, с тем чтобы выдавать состояние работы и т.п. системы по ЭБУ 16. ЭБУ 16 выполняет обработку для расчета величины подачи сжиженного газа на основании этого сигнала.

Далее, принцип работы этого варианта осуществления пояснен со ссылкой на фиг.2. Система согласно этому варианту осуществления может точно рассчитывать оставшееся количество жидкого водорода на основании количества теплоты, поданной в бак нагревателем 14, и величины изменения давления в баке до и после подачи.

Фиг.2(a) представляет собой схематический вид, показывающий состояние в баке до того как количество теплоты подано в водородный бак. Согласно этому чертежу, жидкий водород и газообразный водород присутствуют в баке, и равновесное состояние удерживается при внутреннем давлении P и температуре T. Внутренность бака регулируется, так что температура всегда удерживается не выше точки кипения широко известным способом для предохранения жидкого водорода от превращения в газ. Когда объемом бака считается Vt, а за объемом жидкого водорода считается V_L, объем газообразного водорода в баке может быть выражен как Vt-V_L.

Фиг.2(b) показывает состояние в баке в случае, когда нагреватель 14 приводится в действие посредством ЭБУ 16 для подведения количества теплоты в бак. Согласно этому чертежу, когда подведенным количеством теплоты (энергией) считается E, а скрытой теплотой испарения водорода считается Eg, жидкий водород, соответствующий E/Eg (по массе), претерпевает фазовое превращение в газ. В этой связи скрытая теплота парообразования означает количество теплоты (энергию), необходимое для фазового превращения вещества единичного количества в газ. Когда объем, подвергнутый фазовому превращению в газ, принимается за Ve, поскольку Ve составляет несколько сотен раз от объема жидкости, внутреннее давление P' бака становится более высоким, чем давление P. Если температура T в баке предполагается постоянной до и после изменения, и приближенно применяется уравнение состояния идеального газа, имеет место следующее уравнение.

Если уравнение (1) приводится, принимая величину (P'-P) изменения давления за ΔP, имеет место следующее уравнение.

Подобным образом, если приближенно применяется уравнение состояния идеального газа, объем Ve, подвергнутый фазовому превращению в газ, выражается следующим уравнением:

где T - температура в баке, а R - газовая постоянная.

Как описано выше, в этом варианте осуществления могут рассчитываться объем Vt бака, объем Ve вновь образованного газообразного водорода, внутреннее давление P бака до того как подведено количество теплоты и разность ΔP давлений. Подстановкой этих значений в уравнение (2) объем V_L сжиженного газа в баке может точно рассчитываться.

Фиг.3 представляет собой блок-схему последовательности операций способа для процедуры, выполняемой ЭБУ 16 для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке. В процедуре, показанной на фиг.3, сначала, внутреннее давление P бака определяется датчиком 12 давления, предусмотренным в баке 10 (этап 100). Определяемый выходной сигнал подается в ЭБУ 16.

Затем в процедуре, показанной на фиг.3, нагреватель 14, предусмотренный в баке 10, приводится в действие посредством ЭБУ 16, чтобы подводить заданное количество E теплоты в жидкий водород (этап 102). Когда подводится количество E теплоты, внутреннее давление бака повышается, чтобы осуществить фазовое превращение некоторого количества жидкого водорода в газ. Датчик 12 давления определяет давление P' (этап 104). Определяемый выходной сигнал подается в ЭБУ 16.

Далее посредством ЭБУ 16 объем Ve подвергнутого фазовому превращению газообразного водорода рассчитывается на основании количества E теплоты, которое подведено в бак (этап 106). В частности, сначала точно определяется скрытая теплота Eg парообразования. Скрытая теплота Eg парообразования является значением, которое изменяется согласно давлению. ЭБУ 16 хранит отображение, в котором задана взаимосвязь между скрытой теплотой Eg парообразования и давлением. В этой процедуре посредством использования этого отображения задается скрытая теплота Eg парообразования, соответствующая внутреннему давлению бака, выданному датчиком 12 давления. Затем, на основании подведенного количества E теплоты и скрытой энергии Eg парообразования, рассчитывается масса (E/Eg) водорода, подвергнутого фазовому превращению в газ. На основании равенства (3) точно определяется объем Ve газообразного водорода, соответствующий массе водорода.

Затем величина ΔP изменения давления в баке до и после подведения количества теплоты рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 108). В частности, величина ΔP изменения рассчитывается на основании сигнала давления до подведения количества теплоты, который определен на этапе 100, и сигнала давления после подведения количества теплоты, который определен на этапе 104.

После того как обработка на вышеописанных этапах завершена, рассчитывается оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке (этап 110). В частности, P, определяемое на этапе 100, Ve, рассчитанное на этапе 106, и ΔP, рассчитанная на этапе 108, подставляются в уравнение (2), по которому рассчитывается оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке.

Как пояснено выше, согласно этому варианту осуществления, оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке рассчитывается на основании количества теплоты, подведенного в бак, и величины изменения давления в баке до и после подведения. Поэтому оставшееся количество жидкого водорода может всегда точно рассчитываться будучи неподверженным влиянию предыдущего состояния в баке.

В вышеописанном первом варианте осуществления датчик 12 давления установлен непосредственно на баке 10. Однако место установки датчика 12 давления не ограничено этим местом. Для того чтобы, по мере возможности, оберегать тепло от проникновения в бак 10, конфигурация может быть такой, что трубопровод тянется от бака 10, и датчик 12 давления установлен в месте, обособленном от бака 10, чтобы увеличить адиабатический эффект бака.

В вышеописанном первом варианте осуществления «средство получения величины изменения количества теплоты» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 102 с использованием ЭБУ 16, «средство получения величины изменения давления» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 108 с использованием ЭБУ 16, а «средство расчета оставшегося количества жидкого водорода» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 110 с использованием ЭБУ 16.

К тому же в вышеописанном первом варианте осуществления «средство нагрева» в пятом изобретении осуществлено приведением в действие нагревателя 14 на этапе 102 с использованием ЭБУ 16.

Кроме того, в вышеописанном первом варианте осуществления подведенное количество E теплоты соответствует «теплотворной способности» в шестом изобретении.

Теперь будет описан второй вариант осуществления настоящего изобретения.

Второй вариант осуществления настоящего изобретения пояснен со ссылкой на фиг.4 и 5. Система согласно этому варианту осуществления может быть осуществлена выполнением процедуры, описанной далее, показанной на фиг.5, с использованием ЭБУ 16 при использовании конфигурации аппаратных средств, показанной на фиг.1.

В вышеописанном первом варианте осуществления количество теплоты намеренно подводится в бак посредством приведения в действие нагревателя, а оставшееся количество V_L жидкого водорода рассчитывается на основании величины изменения давления в баке до и после подведения. Хотя бак 10 имеет высоко адиабатическую конструкцию, как описано выше, несущественное количество теплоты всегда протекает снаружи бака вовнутрь него. Поэтому, если количество теплоты утечки может быть оценено, количество теплоты утечки может использоваться для расчета оставшегося количества V_L жидкого водорода вместо количества теплоты, подведенного нагревателем.

Адиабатическое исполнение оказывает влияние на форму бака. К тому же, как показано на фиг.4, даже если форма бака является одинаковой, в то время как перепад температур между температурой в баке и температурой наружного воздуха возрастает, количество теплоты утечки принимает большее значение. Поэтому посредством отражения перепада температур в количестве теплоты утечки, определяемом формой бака, количество теплоты утечки может оцениваться с высокой точностью. В этом варианте осуществления оставшееся количество V_L жидкого водорода рассчитывается на основании количества теплоты утечки. В силу этого, даже если нагреватель не приводится в действие намеренно, оставшееся количество V_L жидкого водорода может точно рассчитываться.

Ниже, процедура для системы согласно этому варианту осуществления, чтобы рассчитывать оставшееся количество V_L жидкого водорода на основании вышеописанного способа, пояснена более точно.

Фиг.5 представляет собой блок-схему последовательности операций способа для процедуры, выполняемой ЭБУ 16 для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке. В процедуре, показанной на фиг.5, сначала внутреннее давление P бака определяется датчиком 12 давления, предусмотренным в баке 10 (этап 200). Определяемый выходной сигнал подается в ЭБУ 16.

Далее, в процедуре, показанной на фиг.5, количество E_L теплоты утечки, просачивающееся в бак 10, оценивается посредством ЭБУ 16 (этап 202). Более точно, сначала считывается эталонное количество теплоты утечки. Это эталонное количество теплоты утечки является значением, заданным на основании формы бака. Затем рассчитывается перепад ΔT температур между температурой в баке и температурой наружного воздуха. Этот перепад температур может рассчитываться на основании сигнала температуры наружного воздуха системы 18 ТЭ, который выдается в ЭБУ 16. Фактическое количество теплоты утечки является значением, которое изменяется согласно модулю перепада ΔT температур. ЭБУ 16 хранит отображение, в котором задана взаимосвязь между перепадом ΔT температур и количеством теплоты утечки. В этой процедуре, используя это отображение, задается количество теплоты утечки, соответствующее ΔT. Затем количество E_L теплоты утечки за заданный период времени рассчитывается посредством ЭБУ 16.

Далее, когда количество E_L теплоты утечки проникает в бак, некоторое количество жидкого водорода подвергается фазовому превращению в газ, так что внутреннее давление бака возрастает. Датчик 12 давления определяет это давление P' (этап 204). Определяемый выходной сигнал подается в ЭБУ 16.

После того как обработка на вышеописанных этапах была завершена, объем Ve вновь превращенного в газ водорода рассчитывается на основании количества E_L теплоты утечки посредством ЭБУ 16 (этап 206). Затем рассчитывается величина ΔP изменения давления в баке до и после подвода количества теплоты (этап 208), и рассчитывается оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке (этап 210). На этапах с 206 по 210, более точно, выполняется обработка, которая является такой же, как таковая на этапах 106-110, показанных на фиг.3.

Как пояснено выше, согласно этому варианту осуществления, оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке рассчитывается на основании количества E_L теплоты утечки, просачивающегося естественным образом снаружи бака вовнутрь него, и величины изменения давления в баке до и после подведения. Поэтому оставшееся количество жидкого водорода может всегда точно рассчитываться без необходимости в подводе количества теплоты из внешнего источника теплоты, такого как нагреватель, и будучи не подверженным влиянию предыдущего состояния в баке.

В вышеописанном втором варианте осуществления оставшееся количество V_L жидкого водорода рассчитывается на основании величины изменения давления в баке, вызванного влиянием только количества E_L теплоты утечки. Однако используемое количество теплоты не ограничено только количеством E_L теплоты утечки. То есть подведение количества E теплоты посредством приведения в действие нагревателя, показанного в первом варианте осуществления, выполняется одновременно, и это количество теплоты может использоваться для расчета оставшегося количества жидкого водорода на основании величины изменения давления, соответствующей суммарному количеству теплоты, подведенному в бак.

В вышеописанном втором варианте осуществления «средство получения величины изменения давления» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 208 с использованием ЭБУ 16, а «средство расчета оставшегося количества жидкого водорода» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 210 с использованием ЭБУ 16.

К тому же, в вышеописанном втором варианте осуществления количество E_L теплоты утечки соответствует «величине переноса теплоты» в седьмом изобретении, а «средство оценки величины переноса теплоты» в седьмом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 202 с использованием ЭБУ 16.

К тому же, в вышеописанном втором варианте осуществления «средство получения перепада температур» в восьмом изобретении осуществлено расчетом перепада ΔT температур между температурой в баке и температурой наружного воздуха на этапе 22 с использованием ЭБУ 16.

Теперь будет описан третий вариант осуществления настоящего изобретения.

Третий вариант осуществления настоящего изобретения пояснен со ссылкой на фиг.6. Система согласно этому варианту осуществления может быть осуществлена выполнением процедуры, описанной далее, показанной на фиг.6, с использованием ЭБУ 16 при использовании конфигурации аппаратных средств, показанной на фиг.1.

В состоянии, в котором задействуется система 18 ТЭ, газообразный водород подается в каждый момент времени из этой системы в систему 18 ТЭ. В ЭБУ 16 подается информация, такая как электричество, вырабатываемое системой ТЭ, и рассчитывается объем Vout газообразного водорода, который должен подаваться, на основании этого сигнала. Рассчитывается количество Eout теплоты, необходимое для выработки газообразного водорода Vout, и управление нагревателем выполняется на основании рассчитанного значения.

То есть во время работы системы ТЭ объем подаваемого газообразного водорода всегда контролируется посредством ЭБУ 16. Поэтому даже в случае, где количество теплоты для определения оставшегося количества жидкой фазы, показанного в первом варианте осуществления, дополнительно подводится к баку в дополнение к вышеупомянутому Eout во время работы системы ТЭ, объем газообразного водорода, основанный на этом количестве теплоты, может рассчитываться вычитанием Vout из объема газообразного водорода, подвергнутого фазовому превращению в газ на основании суммарного количества теплоты. Поэтому даже во время работы системы ТЭ оставшееся количество жидкого водорода может всегда точно рассчитываться.

В вышеописанных первом и втором вариантах осуществления объем газообразного водорода, подаваемого наружу бака, не учитывается, когда рассчитывается оставшееся количество жидкого водорода. Поэтому во время работы системы ТЭ привносится погрешность, соответствующая объему Vout выдаваемого газообразного водорода. По этой причине в способах, показанных в вышеописанных первом и втором вариантах осуществления, для того чтобы рассчитывать оставшееся количество V_L жидкого водорода, применим случай, где система 18 ТЭ не задействована.

Далее, более подробно пояснена процедура для системы согласно этому варианту осуществления, чтобы рассчитывать оставшееся количество V_L жидкого водорода на основании вышеописанного способа.

Фиг.6 представляет собой блок-схему последовательности операций способа для процедуры, выполняемой ЭБУ 16 для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке. В процедуре, показанной на фиг.6, сначала внутреннее давление P бака определяется датчиком 12 давления, предусмотренным в баке 10 (этап 300). Определяемый выходной сигнал подается в ЭБУ 16.

Затем в процедуре, показанной на фиг.6, объем Vout газообразного водорода, подаваемого в систему ТЭ, рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 302). Более точно, информация о выработанном электричестве системы ТЭ подается в ЭБУ 16, и необходимый объем газообразного водорода оценивается на основании этого сигнала и т.п.

Затем рассчитывается количество Eout теплоты, необходимое для выработки Vout газообразного водорода, который должен выдаваться (этап 304). Более точно, сначала точно определяется скрытая теплота Eg парообразования водорода. Скрытая теплота Eg парообразования является значением, которое изменяется согласно давлению. ЭБУ 16 хранит отображение, в котором задана взаимосвязь между скрытой теплотой Eg парообразования и давлением. В этой процедуре посредством использования этого отображения задается скрытая теплота Eg парообразования, соответствующая внутреннему давлению бака, выданному датчиком 12 давления. Затем на основании скрытой теплоты Eg парообразования, а также температуры и давления в баке, рассчитывается количество Eout теплоты для выработки газообразного водорода в объеме Vout.

Затем нагреватель 14 приводится в действие посредством ЭБУ 16 для подвода количества Eout теплоты + α, полученного добавлением количества α теплоты, подведенной для определения оставшегося количества жидкой фазы в отношении рассчитанного Eout в жидкий водород (этап 306). После того как было подано количество теплоты, некоторое количество жидкого водорода осуществляет фазовое превращение в газ, и, с другой стороны, газообразный водород в объеме Vout выпускается наружу бака и подается в систему ТЭ. Датчик 12 давления детектирует являющееся результатом давление P' (этап 308).

Затем в процедуре, показанной на фиг.6, объем газообразного водорода, оставшегося в баке, рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 310). Более точно, значение, полученное вычитанием объема Vout, подаваемого в систему ТЭ, из суммарного объема газообразного водорода, подвергнутого фазовому превращению под влиянием подведенного количества теплоты, рассчитывается в качестве значения объема газообразного водорода, оставшегося в баке.

После того как обработка на вышеописанных этапах была завершена, величина ΔP изменения давления в баке до и после подведения количества теплоты рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 312). Затем рассчитывается оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке (этап 314). В частности, на этапах 310-312 выполняется обработка, которая является такой же, как и на этапах 108 и 110, показанных на фиг.3.

Как пояснено выше, согласно этому варианту осуществления, даже во время работы системы ТЭ подводятся количество Eout теплоты, необходимое для фазового превращении подаваемого газообразного водорода, и количество α теплоты, подводимое для определения оставшегося количества жидкой фазы, и оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке рассчитывается на основании величины изменения давления в баке до и после подведения. Поэтому даже во время работы системы ТЭ оставшееся количество жидкого водорода может всегда точно рассчитываться.

В вышеописанном третьем варианте осуществления подводятся количество Eout теплоты, необходимое для фазового превращении подаваемого газообразного водорода, и количество α теплоты, подводимое для определения оставшегося количества жидкой фазы, и оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке рассчитывается на основании величины изменения давления в баке до и после подведения. Однако используемые количества теплоты не ограничены описанными выше. То есть используются не только количества теплоты, подводимые на этапе 306, но может добавляться количество теплоты утечки, показанное во втором варианте осуществления, а оставшееся количество жидкого водорода может рассчитываться на основании величины изменения давления, соответствующего количествам теплоты.

К тому же в вышеописанном третьем варианте осуществления даже во время работы системы ТЭ для транспортного средства на водородном топливе и тому подобного, то есть даже во время подачи газообразного водорода, может рассчитываться оставшееся количество жидкого водорода. Однако место назначения подачи газообразного водорода не ограничено системой ТЭ. То есть оставшееся количество жидкого водорода может рассчитываться получением величины подачи газообразного водорода из потребления водорода (величины инжекции) и т.п., в любом другом двигателе и т.п. (водородном двигателе и т.д.), если может быть получена величина подачи газообразного водорода.

В вышеописанном третьем варианте осуществления «средство получения величины изменения количества теплоты» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 306 с использованием ЭБУ 16, «средство получения величины изменения давления» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 312 с использованием ЭБУ 16, а «средство расчета оставшегося количества жидкого водорода» в первом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 314 с использованием ЭБУ 16.

К тому же в вышеописанном третьем варианте осуществления «средство получения величины подачи газообразного водорода» во втором изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 302 с использованием ЭБУ 16.

К тому же в вышеописанном третьем варианте осуществления «средство нагрева» в пятом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 306 с использованием ЭБУ 16.

Теперь будет описан четвертый вариант осуществления настоящего изобретения.

Четвертый вариант осуществления настоящего изобретения пояснен со ссылкой на фиг.7 и 8. Система согласно этому варианту осуществления может быть осуществлена выполнением процедуры, описанной позже, показанной на фиг.8, с использованием ЭБУ 16 при использовании конфигурации аппаратных средств, показанной на фиг.1.

В вышеописанном втором варианте осуществления оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке рассчитывается на основании количества E_L теплоты утечки, просачивающегося естественным образом снаружи бака вовнутрь него, и величины ΔP изменения давления в баке до и после подведения. Это количество E_L теплоты утечки оценивается на основании формы бака и перепада температур между внутренностью и наружностью бака. Однако индивидуальные характеристики каждого бака, основанные на вариантах изготовления, не могут отражаться только в форме бака, так что оцененное количество теплоты утечки имеет погрешность. Поэтому, если эта погрешность оценки может быть скорректирована, оставшееся количество жидкого водорода может рассчитываться точнее.

Фиг.7 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между оставшимся количеством V_L жидкого водорода и величиной ΔP изменения давления до и после фазового превращения в случае, где образуется газообразный водород одного и того же объема Ve. Согласно этому чертежу величина ΔP изменения давления имеет тенденцию принимать большее значение по мере того, как оставшееся количество жидкого водорода увеличивается, то есть по мере того как объем газообразного водорода в баке возрастает. Поэтому в то время как состояние в баке становится ближе к полностью заправленному состоянию, величина ΔP изменения давления до и после выработки Ve может детектироваться более точно.

Количество E_L теплоты утечки выражается, как описано ниже, на основании уравнений (2) и (3).

Поскольку E_L может рассчитываться точнее, в то время как объем (Vt-V_L) газообразного водорода уменьшается, как описано выше, желательно задавать объем V_L жидкого водорода близким к полной заправке. Поэтому V_L во время полной заправки может задаваться, например, посредством использования датчика переполнения. То есть датчик переполнения может точно оценивать, достиг или нет уровень жидкой фазы заданного положения. Поэтому посредством установки этого датчика в баке 10 заданный объем жидкого водорода может заливаться точно.

Как пояснено выше, в этом варианте осуществления задаются (Vt-V_L), Eg, ΔP и T объема газообразного водорода. Подстановкой этих значений в уравнение (4) может рассчитываться точное количество теплоты утечки, в котором отражены индивидуальные характеристики каждого бака.

Далее, пояснена более подробно процедура для системы согласно этому варианту осуществления, чтобы рассчитывать оставшееся количество V_L жидкого водорода на основании вышеописанного способа.

Фиг.8 представляет собой блок-схему последовательности операций способа для процедуры, выполняемой ЭБУ 16 для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке. В процедуре, показанной на фиг.8, сначала, выносится решение, был или нет жидкий водород залит в бак 10 полностью (этап 400). Более точно, это решение делается на основании сигнала определения датчика переполнения, установленного в бак. В силу этого может выноситься суждение, был или нет сформирован заданный полый объем в баке. Если вышеописанное условие удовлетворено, управление переходит на следующий этап, а если нет, эта процедура завершается.

Затем в процедуре, показанной на фиг.8, внутреннее давление P бака в состоянии, в котором жидкий водород заправлен полностью, детектируется (этап 402) датчиком 12 давления, расположенным в баке 10. Затем детектируется внутреннее давление P' бака после того как истек предопределенный период времени (этап 404). После этого величина ΔP изменения давления в баке до и после поступления количества теплоты утечки рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 406). В частности, обработка на этих этапах является такой же, как на этапах 200, 204 и 208, показанных на фиг.5. Как описано выше, во время полной заправки, величина изменения давления в баке велика. Поэтому на этапе 406, даже если количество теплоты утечки мало, величина изменения давления может точно рассчитываться.

В процедуре, показанной на фиг.8, количество E_L теплоты утечки, просачивающееся в бак 10, затем рассчитывается посредством ЭБУ 16 (этап 408). Более точно, сначала точно определяется скрытая теплота Eg парообразования водорода. Как описано выше, скрытая теплота Eg парообразования является значением, которое изменяется согласно давлению. ЭБУ 16 хранит отображение, в котором задана взаимосвязь между скрытой теплотой Eg парообразования и давлением. В этой процедуре посредством использования этого отображения задается скрытая теплота Eg парообразования, соответствующая внутреннему давлению бака, выданному датчиком 12 давления. Затем ΔP рассчитывается на этапе 406, и точно определяется температура T в баке.

Затем на этапе 408 задается (Vt-V_L) объема газообразного водорода. Как описано выше, можно точно задавать объем V_L жидкого водорода во время полной заправки. Поэтому вычитанием V_L из объема Vt бака точно определяется (Vt-V_L). Подстановкой этих значений в уравнение (4) количество E_L теплоты утечки рассчитывается посредством ЭБУ 16.

После того как вышеописанные этапы были завершены, количество теплоты утечки, используемое для оценки количества теплоты утечки на этапе 202, показанном на фиг.5, замещается E_L, рассчитанным на основании фактически измеренного значения во время полной заправки на этапе 408. Таким образом, завершается процедура, показанная на фиг.8. После этого раздельным выполнением процедуры, показанной на фиг.5, может рассчитываться оставшееся количество V_L жидкого водорода в баке, в котором отражено E_L, рассчитанное этой процедурой.

Как пояснено выше, согласно системе в соответствии с этим вариантом осуществления количество E_L теплоты утечки, просачивающееся в бак, точно рассчитывается на основании фактически измеренного значения во время полной заправки. Поэтому можно не осуществлять учет в способе для оценки количества теплоты утечки по форме бака и т.п. Могут быть отражены индивидуальные характеристики каждого бака, и оставшееся количество жидкого водорода может всегда точно рассчитываться.

В вышеописанном четвертом варианте осуществления количество E_L теплоты утечки рассчитывается на основании (Vt-V_L) объема газообразного водорода во время полной заправки посредством использования датчика переполнения. Однако состояние наполнения бака и способ точного определения не ограничены описанными в этом варианте осуществления. Если объем газообразного водорода в баке может точно задаваться, состоянию наполнения бака не требуется обязательно быть состоянием полной заправки, и может использоваться любой другой способ точного определения.

В вышеописанном четвертом варианте осуществления количество E_L теплоты утечки соответствует «величине переноса теплоты» в седьмом изобретении, а «средство оценки величины переноса теплоты» в седьмом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 408 с использованием ЭБУ 16.

Кроме того, в вышеописанном четвертом варианте осуществления «средство определения» в девятом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 400 с использованием ЭБУ 16, а «средство получения величины изменения давления» в девятом изобретении осуществлено выполнением обработки на этапе 408 с использованием ЭБУ 16.

Изобретение относится к системе для определения оставшегося количества жидкого водорода, хранимого в устройстве хранения водорода. При определении оставшегося количества жидкого водорода в баке получают величину изменения количества теплоты в баке, получают величину изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке и рассчитывают оставшееся количество жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления. Система для определения оставшегося количества жидкого водорода в баке содержит средство для получения величины изменения количества теплоты в баке, средство для получения величины изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке и средство для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления. Использование изобретения позволит повысить точность определения оставшегося количества жидкого водорода. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система для определения оставшегося количества жидкого водорода в баке, содержащая средство для получения величины изменения количества теплоты в баке, средство для получения величины изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке, и средство для расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая средство для подачи газообразного водорода наружу бака, и средство для получения величины подачи газообразного водорода, подаваемого средством подачи газообразного водорода, при этом средство для расчета оставшегося количества жидкого водорода выполнено с возможностью расчета оставшегося количества жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты, величины изменения давления и величины подачи газообразного водорода.

3. Система по п.2, в которой средство для подачи газообразного водорода выполнено с возможностью подачи газообразного водорода в выходное устройство, которое использует водород в качестве топлива, а средство для получения величины подачи газообразного водорода выполнено с возможностью оценки величины подачи газообразного водорода на основании потребления водорода в выходном устройстве.

4. Система по п.2, в которой средство для подачи газообразного водорода выполнено с возможностью подачи газообразного водорода в топливный элемент, который использует водород в качестве топлива, а средство для получения величины подачи газообразного водорода выполнено с возможностью оценки величины подачи газообразного водорода на основании электричества, вырабатываемого топливным элементом.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой бак включает в себя средство для нагрева жидкого водорода в нем, а средство для получения величины изменения количества теплоты выполнено с возможностью получения количества теплоты, подаваемого средством нагрева, в качестве величины изменения количества теплоты.

6. Система по п.5, в которой средство для нагрева является нагревателем, скомпонованным в баке, а средство для получения величины изменения количества теплоты выполнено с возможностью получения значения нагрева нагревателя в качестве величины изменения количества теплоты.

7. Система по п.1 или 2, в которой средство для получения величины изменения количества теплоты включает в себя средство для оценки величины переноса теплоты снаружи во внутрь бака и получает величину переноса теплоты в качестве величины изменения количества теплоты.

8. Система по п.7, дополнительно содержащая средство для получения перепада температур внутри и снаружи бака, при этом средство оценки величины переноса теплоты выполнено с возможностью оценки величины переноса теплоты, с тем, чтобы увеличиваться при увеличении перепада температур.

9. Система по п.8, дополнительно содержащая средство для обнаружения того, что количество жидкого водорода в баке достигло заданного количества, и средство для получения величины изменения давления в баке за заданный период времени в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода, при этом средство оценки величины переноса теплоты выполнено с возможностью оценки величины переноса теплоты на основании заданного количества и величины изменения давления в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода.

10. Система по п.9, в которой заданное количество приблизительно равно количеству полной заправки бака.

11. Способ определения оставшегося количества жидкого водорода в баке, при котором получают величину изменения количества теплоты в баке, получают величину изменения давления в баке до и после изменения количества теплоты в баке, и рассчитывают оставшееся количество жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты и величины изменения давления.

12. Способ по п.11, при котором дополнительно подают газообразный водород наружу бака, и получают величину подачи газообразного водорода, подаваемого при подаче газообразного водорода, при этом при расчете оставшегося количества жидкого водорода рассчитывают оставшееся количество жидкого водорода в баке на основании величины изменения количества теплоты, величины изменения давления и величины подачи газообразного водорода.

13. Способ по п.11 или 12, при котором при получении величины изменения количества теплоты получают количество теплоты, подаваемое нагреванием жидкого водорода в баке, в качестве величины изменения количества теплоты.

14. Способ по п.11 или 12, при котором при получении величины изменения количества теплоты оценивают величину переноса теплоты снаружи во внутрь бака и получают величину переноса теплоты в качестве величины изменения количества теплоты.

15. Способ по п.14, при котором дополнительно определяют, что количество жидкого водорода в баке достигло заданного количества, и получают величину изменения давления в баке за заданный период времени в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода, при этом при оценке величины переноса теплоты оценивают величину переноса теплоты на основании заданного количества и величины изменения давления в случае, когда бак заправлен заданным количеством жидкого водорода.