专利名称：气体充填系统、气体充填方法和车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体充填系统，所述气体充填系统用来自安装在例如氢气站中的 气体充填装置的气体来充填安装在例如车辆上的气罐。
背景技术：
装备有气罐的车辆停放在气站以进行气体充填，并且气体从气体充填装置的充填 喷嘴充填到气罐内。在氢气的情形中，气罐内的温度和压力随着氢气被充填到气罐内而上 升，因此需要调节充填量使得这些温度和压力不超过相应的基准值。就这一点而言，日本专 利申请公报No. 2007-147005 (JP-A-2007-147005)记载了一种技术，其中在氢充填期间测 量氢罐内的温度，然后当该温度高于预定值时将充填路径更换为带有预冷器的充填路径， 从而抑制温度上升并确保充足的充填量。顺便说一下，在充填期间气罐内的温度上升程度根据气罐的散热性而显著变化。 具有优异散热性的气罐允许充填速度(充填流量)提高，并由此可缩短用于充填的时间段。 然而，JP-A-2007-147005中记载的技术未考虑气罐的散热性和用于充填的时间段，因此仍 存在改善的余地。另外，日本专利申请公报No. 2005-127430(JP-A-2005-127430)记载了一 种方法，其中将对应于气罐的形状和容量的最大充填速度事先预存储在气站的数据库中， 然后在充填期间加载该最大充填速度。根据此方法，每次开发出新气罐都需要更新数据库， 因此在现实中有难度。
发明内容
本发明提供了一种即使未事先获取个别气罐的特性也能够以适合气罐的充填速 度充填气体的气体充填系统、气体充填方法和车辆。本发明的第一方面涉及一种气体充填系统。所述气体充填系统包括气罐；将气 体充填到所述气罐内的气体充填装置；以及控制器，所述控制器计算在从气体充填开始经 过的预定时间内所述气罐内的温度增量和压力增量，并基于所计算出的温度增量和所计算 出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图。所述气体充填装置包括 操作控制单元，所述操作控制单元使用由所述控制器选择的所述充填速度脉谱图来执行气 体充填。另外，本发明的第二方面涉及一种用于将来自气体充填装置的气体充填到气罐内 的气体充填方法。所述方法包括由所述气体充填装置开始气体充填；计算在从气体充填 开始经过的预定时间内所述气罐内的温度增量和压力增量；基于所计算出的温度增量和所 计算出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图；以及利用所选择的 充填速度脉谱图由所述气体充填装置执行气体充填。根据本发明的各方面，可从温度增量和压力增量获取气罐的散热性能，并基于所 获取的散热性能来选择充填速度脉谱图。因而，可以以适合该气罐的充填速度来执行气体 充填。这样，可在气罐内部保持稳定的同时在尽可能短的时间段内充填预定的充填量(在满充填情况下的充填量和在指定量充填情况下的充填量)。另外，气罐的散热性能从所计算出 的温度增量和所计算出的压力增量获取，因此不需要事先存储各个气罐的散热性能，或者 不需要针对每个气罐更新充填速度脉谱图群。此外，由于计算出了温度增量和压力增量两 者，所以可与气罐的容积无关地获取散热性能。操作控制单元可在从气体充填开始经过的预定时间段期间以恒定的充填速度执 行气体充填。这样，可简化充填速度脉谱图群。这种情况下，恒定的充填速度理想地低于在 充填速度脉谱图中限定的充填速度。这样，在获取气罐的散热性能的过程中，可以可靠地防 止气罐内的状态超过基准值。控制器可基于所计算出的温度增量与所计算出的压力增量的比率来选择充填速 度脉谱图。这样，例如，与以预定范围限定压力增量和温度增量的充填速度脉谱图相比，可 简化充填速度脉谱图。充填速度脉谱图群可将各个充填速度脉谱图配置成使得充填速度随着所述比率 减小而增大。这样，例如，当温度增量小时，与当温度增量大时相比，可在短时间段内充填预 定的充填量。气体充填装置可具有气体供应源和冷却器，该冷却器设置在气体供应源与气罐之 间并冷却来自气体供应源的气体。然后，控制器可基于所计算出的温度增量、所计算出的压 力增量和由冷却器冷却的气体的温度来选择充填速度脉谱图。对于以上构造，考虑了冷却 器的冷却性能的气体充填是可能的。类似地，气体充填系统还可包括外部空气温度传感器，并且控制器可基于所计算 出的温度增量、所计算出的压力增量和由外部空气温度传感器检测出的外部空气温度，或 者基于所计算出的温度增量、所计算出的压力增量、由冷却器冷却的气体的温度和外部空 气温度，来选择充填速度脉谱图。气体充填系统还可包括显示装置，该显示装置指示以下事实利用由控制器选择 的充填速度脉谱图，气体正被充填或者已被充填到气罐内。对于以上构造，气体充填工人能 够在视觉上识别以下事实适合于气罐的散热性能的气体充填正被执行或者已被执行。气罐可安装在车辆上，控制器可设置成用于气体充填装置，气体充填系统还可包 括通信装置，该通信装置通过通信将在车辆侧获取的关于气罐内的温度和压力的信息传输 到气体充填装置侧的控制器。对于以上构造，可在车辆与气体充填装置之间执行通信，因此 不需要向气体充填装置侧手动输入在车辆侧获取的信息。另外，在接收在车辆侧获取的信 息之后，可主要在气体充填装置侧执行气体充填。气体充填系统还可包括存储装置，该存储装置存储由通信装置执行的通信的历 史。对于以上构造，例如，通过在车辆检查时核对通信历史，可判断是否已利用适合于气罐 的散热性能的充填速度脉谱图执行气体充填。根据本发明的各方面的车辆可使用该气体充填系统。该车辆可包括获取关于气罐 内的温度和压力的信息的温度传感器和压力传感器以及作为通信装置的一部分的通信仪 器，该通信仪器将由温度传感器和压力传感器获取的信息传输到位于气体充填装置侧的通 信仪器。本发明的第三方面涉及一种将气体充填到气罐内的气体充填装置。所述气体充填 装置包括获取装置，所述获取装置获取所述气罐内的温度和压力；控制器，所述控制器计算在从气体充填到所述气罐开始经过的预定时间段内所述气罐内的温度增量和压力增量， 并基于所计算出的温度增量和所计算出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充 填速度脉谱图；以及操作控制单元，所述操作控制单元利用由所述控制器选择的所述充填 速度脉谱图来执行气体充填。
下文将参照附图描述本发明的特征、优点以及技术和工业意义，附图中同样的标 号表示同样的元件，并且其中图1是根据一个实施例的气体充填系统的示意图；图2是根据该实施例的气体充填系统的构造图；图3是示出了根据该实施例的气体充填系统的气体充填流程的流程图；图4是示出了根据该实施例的第一替换实施例的气体充填系统的气体充填流程 的流程图；图5是示出了用于根据第一替换实施例的气体充填流程的充填速度脉谱图群的 一个示例的视图；图6是示出了用于根据第一替换实施例的气体充填流程的充填速度脉谱图的一 个示例的视图；以及图7是根据该实施例的气体充填装置的控制器的功能框图。
具体实施例方式从气体充填装置向装备有燃料电池系统的燃料电池车辆充填氢气的一个实施例 将作为气体充填系统和气体充填方法来描述。应注意，如一般公知的，该燃料电池系统包括 通过燃料气体(例如氢气)与氧化剂气体(例如空气)之间的电化学反应来产生电力的燃料 电池等。如图1所示，气体充填系统1例如包括气体充填装置2和车辆3。气体充填装置2 安装在例如氢站等中。车辆3被供应来自气体充填装置2的氢气。如图2所示，气体充填装置2包括气缸群(气体供应源)11、充填喷嘴12和气体流 路13。气缸群11储存氢气。充填喷嘴12朝车载气罐30排出氢气。气体流路13将气缸群 11与充填喷嘴12连接。充填喷嘴12是称为充填联接器的部件。充填喷嘴12连接到车辆 3的插座(接纳部，receptacle) 32以充填氢气。充填喷嘴12和插座32构成将气体充填装 置2与气罐32连接的连接单元。从气缸群11侧依次为气体流路13设置有压缩机14、蓄压器15、流量控制阀16、流 量计17、预冷器18和温度传感器19。压缩机14压缩来自气缸群11的氢气，然后排出压缩 氢气。蓄压器15蓄积由压缩机14压缩至预定压力的氢气。流量控制阀16调节来自蓄压 器15的氢气的流量。流量计17测量氢气的流量。预冷器18初步冷却流经气体流路13的 氢气。温度传感器19检测预冷器18下游的部分的氢气的温度。另外，气体充填装置2包 括通信仪器21、显示装置22、外部空气温度传感器23和控制器24。这些装置电气连接到控 制器24。应注意，尽管图中未示出，但在蓄压器15处或蓄压器15下游的部分处设置有用于 在充填期间开启气体流路13的切断阀。
流量控制阀16是电驱动阀，并且包括例如步进马达作为驱动源。流量控制阀16 以如下方式来调节氢气的流量阀的开度由步进马达根据来自控制器24的指令来改变。这 样，向气罐30内充填氢气的充填流量被控制。这样受到控制的充填流量由流量计17测量。 然后，控制器24通过接收所测量出的充填流量而以反馈方式控制流量控制阀16，以使得充 填流量与期望充填流量一致。应注意，可使用流量控制阀16以外的流量控制器。预冷器18通过热交换而将来自蓄压器15的接近常温的氢气冷却到预定的低温 (例如-20° C)。预冷器18的热交换类型可以是间隔壁型、中间介质型和储存型中的任何一 者，并且对于预冷器18可使用公知结构。举例而言，预冷器18具有氢气流经的管道部，并 且该管道部被容纳在致冷剂所流经的容器(casing)中，从而执行氢气与致冷剂之间的热交 换。这种情况下，可通过调节供应给容器的致冷剂的量和温度来调节氢气的冷却温度。这 样，由预冷器18冷却的氢气的温度由温度传感器19检测，并且所检测出的信号被输入到控 制器24。通信仪器21例如具有用于执行无线通信如红外线数据通信的通信接口。显示装 置22将各种信息如在气体充填期间的充填流量的信息显示在屏幕上。显示装置22可具有 用于在显示屏幕上选择或指定期望充填量等的操作面板。控制器24被构成为内部结合了 CPU、ROM和RAM的微计算机。CPU根据控制程序来 执行期望的计算，以执行各种处理和控制。ROM存储在CPU中处理的控制程序和控制数据。 RAM主要被用作用于控制处理的各种工作区。控制器24不仅通过图2中由长短交替的虚 线表示的控制线路电气连接到通信仪器21等，而且连接到气缸群11、压缩机14、蓄压器15 和预冷器18。控制器24综合控制整个气体充填装置2。另外，控制器24使用通信仪器21 将能够由气体充填装置2获取的信息传送至车辆3。如图7所示，控制器24包括作为用于实现对充填速度的控制的功能框的存储单 元61、计算单元62、脉谱图选择单元63和操作控制单元64。存储单元61由R0M、RAM等形 成，并且例如预先存储后文将描述的充填速度脉谱图群(多个充填速度脉谱图)。计算单元 62执行对充填速度的控制所需的各种计算，并且例如计算气罐30内的氢气的温度增量和 压力增量。脉谱图选择单元63基于由计算单元62作出的计算的结果来选择充填速度脉谱 图，这将在后文描述。操作控制单元64从存储单元61加载由脉谱图选择单元63选择的充 填速度脉谱图，然后基于所加载的充填速度脉谱图而将控制指令传送至各种装置，从而控 制各种装置以充填氢气。车辆3包括气罐30和插座32。气罐30是通向燃料电池的燃料气体供应源，并且 为能够储存例如35MPa或70MPa的氢气的高压罐。当安装了多个气罐30时，气罐30与燃 料电池并联连接。气罐30内的氢气经由供应管道(未示出)被供应到燃料电池。另一方面， 氢气经由插座32和充填管道34从气体充填装置2供应给气罐30。例如，为充填管道34设 置用于防止氢气逆流的止回阀36。温度传感器40和压力传感器42分别检测气罐30内的 氢气的温度和压力，并可设置成用于供应管道或充填管道34。另外，车辆3包括通信仪器44、控制器46和显示装置48。通信仪器44将各种信 息传送至气体充填装置2的通信仪器21或者从其接收各种信息。控制器46与气体充填装 置2的控制器24 —样构成为微计算机。显示装置48将各种信息显示在屏幕上。通信仪器 44属于与通信仪器21相适应(兼容)的类型，并且例如具有执行无线通信如红外线通信的通信接口。通信仪器44安装在插座32中或者被固定在车辆3的盖盒(lid box)上，以便 能够在充填喷嘴12连接到插座32的状态下执行与通信仪器21的通信。控制器46接收由 包括温度传感器40和压力传感器42的各种传感器检测的结果，以综合控制车辆3。另外， 控制器46使用通信仪器44来将能够由车辆3获取的信息传送至气体充填装置2。显示装 置48例如可被用作汽车导航系统的一部分。在气体充填系统1中，当车辆3被充填氢气时，首先，充填喷嘴12连接到插座32。 这种状态下，气体充填装置2被启动。然后，在蓄积在蓄压器15中的氢气被预冷器18冷却 之后，氢气从充填喷嘴12排出到气罐30。在根据本实施例的气体充填系统1和气体充填 方法中，气体充填装置2在充填的初始阶段基于来自车辆3的信息来确定气罐30的散热性 能，从而将充填速度控制为适合于气罐30的值。接下来，将参照图3所示的流程图描述气体充填系统1 (气体充填方法)中对充填 速度的控制。首先，当气体充填工人将充填喷嘴12连接到插座32并进行允许氢气从气体充填 装置2排出到气罐30的充填起动操作时，预充填开始(步骤S1)。这样，由预冷器18冷却的 氢气被排出到气罐30。随着氢气流入气罐30,气罐30内的氢气的温度和压力(下文称之为 “罐温度”和“罐压力”)上升。以恒定的充填速度执行步骤S1中的预充填达预定的t秒(步骤S2)。仅需要该预 定的t秒的长度允许从由充填导致的罐温度和罐压力的变化而获取气罐30的散热性能。 因此，例如，60秒即可；然而，这可导致长的总充填时间。另一方面，一秒或两秒太短，因此 存在不能充分检测罐温度和罐压力的变化的可能性。考虑到这些要素，理想地，考虑总充填 时间与允许检测罐温度和罐压力变化的时间之间的平衡来确定所述预定的t秒的长度。例 如，30秒是理想的。另外，理想地，预充填中的恒定充填速度比主充填(步骤S7)中的充填速 度慢。应注意，充填速度的单位一般使用g/min (克/分钟)或MPa/min (兆帕/分钟)来表 达，且在本实施例的描述中使用MPa/min。在接下来的步骤S3中，计算在预定的t秒期间变化的罐温度增量AT和罐压力增 量AP。基于在车辆3侧获取的罐温度和罐压力的信息而在位于气体充填装置2侧的控制 器24的计算单元62中执行该计算。更具体而言，位于车辆3侧的控制器46接收由温度传感器40和压力传感器42紧 接在预充填开始之后读取的所检测出的罐温度和罐压力(在下文中，在适当的情况下称之 为“罐初始温度”和“罐初始压力”)的信号。另外，控制器46接收从预充填开始预定的t秒 后读取的所检测出的罐压力和罐温度的信号。控制器46利用通信仪器44将在这两个时刻 检测出的罐压力和罐温度的值传送至气体充填装置2的通信仪器21。接收到通信结果后， 气体充填装置2的控制器24计算罐温度增量AT和罐压力增量AP。罐温度增量AT可以 是通过将预定的t秒后的罐温度减去罐初始温度而获得的值；作为替代，可使用通过将预 定的t秒后的罐温度除以罐初始温度而获得的值(亦即，罐温度上升率)。这也适用于罐压 力增量AP。在接下来的步骤S4中，判断罐温度增量AT与罐压力增量A P的比率(在下文中， 称之为“上升比AT/AP”)是否大于或等于阈值X。该判断由位于气体充填装置2侧的控 制器24的脉谱图选择单元63作出。
更具体而言，可从上升比AT/AP的值获取气罐30的散热性能。气罐具有不同的 散热性能或温度上升率，视材料、表面积、结构等而定。例如，当使用铝作为气罐30的内衬 时，散热性能优于当使用树脂(聚乙烯等)作为内衬时的情况。另外，散热性能因树脂的特性 和/或树脂内衬中的混合物比率而异。这样，散热性能在现有的或将来的气罐30中不尽相 同。于是，在本实施例中，以如下方式来确定气罐30的散热性能将上升比AT/AP与事先 通过模拟或评估而获得的阈值X进行比较(步骤S4)。结果，当上升比AT/A P大于或等于阈值X时，判定为气罐30的散热性能相对低， 于是控制器24的脉谱图选择单元63选择充填速度脉谱图Ma (步骤S4 :是，步骤S5)。否 贝U，判定为气罐30的散热性能相对高，于是控制器24的脉谱图选择单元63选择充填速度 脉谱图Mb (步骤S4 :否，步骤S6)。充填速度脉谱图Ma和Mb作为充填速度脉谱图群的一部分被预先存储在控制器24 的存储单元61中。控制器24的脉谱图选择单元63基于上升比AT/AP而从充填速度脉 谱图群选择充填速度脉谱图Ma和Mb中的任何一者(步骤S5或S6)。然后，控制器24的操 作控制单元64使用所选择的充填速度脉谱图来开始由气体充填装置2进行氢气主充填(步 骤 S7)。这里，充填速度脉谱图群将各个充填速度脉谱图Ma和Mb配置成使得充填随着上 升比AT/AP减小(亦即，随着判定为气罐30的散热性能较高)而以较高的充填速度执行。 充填速度脉谱图群的一个示例例如可在下表1中示出。与后文将描述的作为理想示例的充 填速度脉谱图Ma (图6)的情况下一样，该充填速度脉谱图群中的每个充填速度脉谱图均配 置成针对至少一个条件如罐初始压力和罐初始温度限定多个充填速度。在表1中，对相应 的充填速度脉谱图Ma和Mb分配的充填速度a和0是当这些条件相同时的充填速度的示 例。表1充填速度脉谱图群
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权利要求
1.一种包括气罐和将气体充填到所述气罐内的气体充填装置的气体充填系统，包括 控制器，所述控制器计算在从气体充填开始经过的预定时间段内所述气罐内的温度增量和压力增量，并基于所计算出的温度增量和所计算出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图，其中， 所述气体充填装置包括操作控制单元，所述操作控制单元使用由所述控制器选择的所述充填速度脉谱图来执行气体充填。
2.根据权利要求I所述的气体充填系统，其中， 所述操作控制单元以恒定的充填速度执行气体充填，直到从所述气体充填开始经过了所述预定时间段。
3.根据权利要求I或2所述的气体充填系统，其中， 在从所述气体充填开始经过所述预定时间段前的气体充填的充填速度低于基于所述充填速度脉谱图而执行的气体充填的充填速度。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述控制器基于所计算出的温度增量与所计算出的压力增量的比率来选择所述充填速度脉谱图。
5.根据权利要求4所述的气体充填系统，其中， 所述充填速度脉谱图群将各个充填速度脉谱图配置成使得充填速度随着所述比率减小而增大。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述气体充填装置具有气体供应源和冷却器，所述冷却器设置在所述气体供应源与所述气罐之间并冷却来自所述气体供应源的气体，并且所述控制器基于由所述冷却器冷却的气体的温度来选择所述充填速度脉谱图。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的气体充填系统，还包括 外部空气温度传感器，其中， 所述控制器基于由所述外部空气温度传感器检测到的外部空气温度来选择所述充填速度脉谱图。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的气体充填系统，还包括 显示装置，所述显示装置指示气体利用由所述控制器选择的所述充填速度脉谱图正被充填或者已被充填到所述气罐内的事实。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述控制器通过从在所述预定时间段经过之后所述气罐内的压力减去在所述气体充填开始时所述气罐内的压力来计算所述压力增量。
10.根据权利要求I至8中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述控制器通过将在所述预定时间段经过之后所述气罐内的压力除以在所述气体充填开始时所述气罐内的压力来计算所述压力增量。
11.根据权利要求I至9中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述控制器通过从在所述预定时间段经过之后所述气罐内的温度减去在所述气体充填开始时所述气罐内的温度来计算所述温度增量。
12.根据权利要求I至8和10中任一项所述的气体充填系统，其中，所述控制器通过将在所述预定时间段经过之后所述气罐内的温度除以在所述气体充填开始时所述气罐内的温度来计算所述温度增量。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的气体充填系统，其中， 所述气罐安装在车辆上， 所述控制器设置成用于所述气体充填装置，所述气体充填系统还包括 通信装置，所述通信装置通过通信将在所述车辆侧获取的关于所述气罐内的温度和压力的信息传输到所述气体充填装置侧的所述控制器。
14.根据权利要求13所述的气体充填系统，其中， 为所述车辆和所述气体充填装置中的至少一者设置所述显示装置。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的气体充填系统，还包括 存储装置，所述存储装置存储由所述通信装置执行的通信的历史。
16.一种用于根据权利要求13至15中任一项所述的气体充填系统的车辆，包括 获取关于所述气罐内的温度和压力的信息的温度传感器和压力传感器，其中， 所述通信装置包括第一通信仪器和第二通信仪器，所述第一通信仪器设置成用于所述车辆并传输所获取的信息，所述第二通信仪器设置成用于所述气体充填装置并接收来自所述第一通信仪器的信息。
17.根据权利要求16所述的车辆，其中， 所述存储装置安装在所述车辆上。
18.一种用于将气体从气体充填装置充填到气罐内的气体充填方法，包括 通过所述气体充填装置开始气体充填； 计算在从气体充填开始经过的预定时间段内所述气罐内的温度增量和压力增量；基于所计算出的温度增量和所计算出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图，以及 利用所选择的充填速度脉谱图由所述气体充填装置执行气体充填。
19.一种将气体充填到气罐内的气体充填装置，包括 获取装置，所述获取装置获取所述气罐内的温度和压力； 控制器，所述控制器计算在从气体充填到所述气罐内开始经过的预定时间段内所述气罐内的温度增量和压力增量，并基于所计算出的温度增量和所计算出的压力增量而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图；以及 操作控制单元，所述操作控制单元使用由所述控制器选择的所述充填速度脉谱图来执行气体充填。
全文摘要
气体充填系统(1)包括气罐(30)；向气罐(30)内充填气体的气体充填装置(2)；以及控制器(24)，该控制器(24)计算在从气体充填开始经过的预定的时间段(t秒)内气罐(30)内的温度增量ΔT和压力增量ΔP。控制器(24)基于所计算出的温度增量ΔT和所计算出的压力增量ΔP而从预备的充填速度脉谱图群选择充填速度脉谱图(Ma，Mb)。气体充填装置(2)使用由控制器(24)选择的充填速度脉谱图来执行气体充填。
文档编号F17C5/06GK102667302SQ201080051766
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年11月18日
发明者森智幸 申请人:丰田自动车株式会社