专利名称：气罐重新灌装的方法和系统的制作方法
气罐重新灌装的方法和系统
优先权声明
本申请要求美国临时专利申请第61/326，375和61/332，919号以及美国专利申请第34号的优先权，其内容通过引用完整地合并于此。
背景技术：
氢气罐再加气(refuel)的安全性和方便性被认为是对决定市场中的氢燃料车的最终成功而言重要的考虑事项。在当前的安全性准则下，压缩氢气罐的再加气以如下方式进行，防止气罐在再加气期间过热(温度超过85°C)和/或防止过量灌装气罐到压力可能在任何时候超过正常工作压力(NWP)的125%的点。由于与现有氢气罐再加气过程关联的未知参数的数量，为了增加的安全边际再加气操作趋向于略微保守，由此平衡(trade)性能和效率，特别是关于灌装(fill)结束密度(S0C%)和/或非必需的预冷却级别。例如，100%的 SOC对应于在NWP和15°C的气罐。
此折中在非通信加气操作中尤其明显，在该操作中参数假设甚至更为保守。因为氢气气站没有关于它正在灌装的气罐的信息，所以需要对系统做出非常保守的假设，以便于包含可能的气罐配置和初始气罐条件的范围以避免超出系统安全极限。在SAE TIR J2601中(其公开通过引用整体合并于此)，将这些保守的假设合并到用于氢气罐灌装的一系列查找表中。从包括气罐体积、起始压力、周围温度和气站预冷却设定点的参数入手，查找表随后用来确定压力斜率(ramp rate)和最终目标压力。虽然这些查找表的应用趋向于在实质上全部条件下并对实质上全部气罐系统提供安全的重新灌装，但在给定关联假设的保守本质较之于所需要的，由此引起的氢气罐灌装操作可能花费较长的时间，达到较低的最终灌装压力和/或要求较低的氢气站预冷却温度来灌装具体气罐系统。
由SAE TIR J2601定义的重新灌装过程的额外限制是氢气罐灌装气站缺乏补偿或调整实际操作条件落在所允许的容差之外的情形的任何方法或过程。例如，如果作为多次保守重新灌装的结果的预冷却温度高于设计设定点，则不能使用在SAE TIR J2601中定义的查找表。避免这超出规定条件的努力可能导致过设计的氢气罐灌装气站(为了确保维持预冷却目标温度的过度冷却)，由此抬高气站成本。
相反地，无法确保维持预冷却目标温度可以使客户(不能以及时的方式重新灌装它们的气罐)感到不便(作为等待预冷却温度达到规定的延迟的结果)，由此降低了客户满意度、气站收入和/或重复业务。此外，无论当前周围条件如何以恒定预冷却温度操作气站导致过度的能量使用和降低的油井到车轮(well-toiheel)能量效率。为了降低能量使用， 氢气罐灌装气站应当以最高可能的预冷却温度操作，该温度提供客户可接受的再加气时间和令人满意的安全边际。发明内容
如下文详细说明的MC方法基于氢气加气系统的总体热能容量提供新气罐灌装模式和基于该模式的高级算法，用于在广阔范围的操作条件下改善氢气灌装气站的性能。如在MC方法中逐步应用的，此算法可以用于通过关于气罐系统的额外热动力信息的使用来增强依据SAE TIR J2601的加气性能。MC方法实质上适用于任何气罐系统正常工作压力 (NWP)和任何压缩氢气罐系统，并且它允许在当前SAE TIR J2601表之外(诸如具有_10°C 预冷却的新气站或者没有如在SAE TIR J2601中规定的预冷却能力的之前存在的气站)操作的条件下加气。利用MC方法将在使得较低成本的氢气气站达到那些需要的同时准许氢气灌装气站改善它们的灌装速度和灌装量(S0C%)。
当结合附图考虑详细描述时，下面描述的示例实施例将更加清楚地理解，其中
图I图示在再加气期间的氢气存储气罐的建模为具有非定常流控制体积模型的开放系统，出于本公开的目的，将控制体积积定义为气体和衬里(liner)之间的边界而热能通过该控制体积的边界传输并传输进入气罐的衬里；
图2图示氢气罐再加气过程的温度对时间曲线，反映在以从以下等式[5]描述的氢气传输的热能计算热能传输中绝热温度的使用；
图3图示恒热流模型，其示出在没有来自气罐外部的热能传输从而气罐内的实际最终温度期望略低于考虑此假设计算的值的保守假设下，绝热边界条件下取决于时间的温度分布；
图4图示紧接在车辆再加气之后的复合气罐的一部分的温度分布；
图5图示绝热外部边界下具有组合质量和特定热能容量(MC)的理想特征量的氢气罐的简化表不;
图6图示用类型3气罐在3分钟内的典型车辆灌装，该气罐产生62的灌装结束MC 值，该MC值随着气罐冷却而趋向于上升，MC对时间的此趋势是给定气罐系统的特征，并且可以用于预测更长车辆加气时间的温度结果；
图7图示“默认” SAE TIR J2601_70MPa类型4气罐的MC对灌装时间，此图表从 SAE TIR J2601的类型B (7_10千克)70MPa气站表得出；
图8图示用于气罐特征的潜在测试矩阵。
图9A和图9B图示类型3气罐的灌装的MC对Uadiabatie/Uinit，对使用线性逼近的较长灌装时间和使用对数逼近的较短填装时间两者可以从其确定系数A和C ;
图10图示具有多于3分钟的持续时间的灌装时间的Λ MC对时间，可以从其确定系数g、k和j以描述灌装时间超过3分钟的MC的行为；
图11图示氢气气站操作范围(envelope)与现有再加气标准的比较,示出了在现有或预期操作规程中的若干间隙；
图12图示用于全面利用MC方法来确定在给定条件集合下的加气协议所要求的信息；
图13图示MC方法第一步骤-基于高于周围温度浸透条件来确定加气时间；
图14图示MC方法第二步骤_基于使用冷于周围浸透假设来确定压力目标；
图15图示MC方法第三步骤，使用来自确定期望结果的第二步骤的压力目标，并且如果超出压力目标就降低目标密度并以迭代方式重新计算以在最终温度匹配压力目标；
图16图示从在35°C周围温度和5°C预冷却氢气和5MPa起始压力下的35MPa类型3气罐获得的结果，Tfinal目标是69. 2°C，以74. 3°C的热浸透和62. 3°C的冷浸透划界；
图17图示从30°C周围温度和_15°C预冷却氢气和2MPa起始压力的50MPa类型4 气罐灌装的结果，Tfinal目标是86. 7°C，以89. (TC的热浸透和83. (TC的冷浸透划界，注意，目标预冷却温度是_20°C，其验证了在保持具体预冷却温度的实践中的难度；
图18图示在17MPa起始压力及_7. 5°C预冷却的条件下从25°C周围温度的70MPa 类型4气罐测试，Tfinal目标是76. 6°C，以81. (TC的热浸透和70. (TC的冷浸透划界；
图19图示类型3气罐的MC等式(等式[11]))的常数的计算，示出在不同条件下的验证灌装期间生成的数据补足原来用以生成常数的数据，该模型对不同条件都是鲁棒的；
图20图示在由MC方法计算的Tfinal和在灌装的结束时的实际测量的最终温度之间的误差；
图21图示类型3和类型4气罐对使用MC方法的输入误差的敏感度分析；
图22图示加气方法的比较，示出了添加MC方法到现有加气协议中的影响；
图23图示在加气测试期间测量的与预冷却温度的喷嘴温度偏差、流速、预冷却温度和周围温度之间的关系，当然，此关系取决于用于给定加气气站或测试设备的组件的具体实现；
图24图示拟合氢气的NIST氢气特性数据库的曲线的等式，该等式用来确定氢气的内能(给定温度和压力)、焓(给定温度和压力)、温度(给定温度和压力)和密度(给定温度和压力)。
应当注意，这些附图意在说明在示例实施例中利用的方法、结果和/或材料的大体特征并意在补充下面提供的书面描述。然而，这些附图不成比例并可能不精确地反映任何给定实施例的精确结构或性能特征，并且不应当理解为定义或限制由示例实施例包含的数值或特性的范围。
具体实施方式
在此公开中详细说明的方法和系统的目标是提供并利用灌装模型和关联算法两者，这两者可以由氢气罐填装气站或实际上由任何气罐填装操作使用以改善对于一些氢气罐和一些环境和操作条件的在填装结束温度和压力的精确度。在氢气罐再加气事件期间下面详细描述的方法和系统的实现将通过避免过度灌装并避免使氢气罐过热来改善再加气操作的效率、精确度和/或安全性。
精确地估计再加气事件的灌装结束温度是困难的，这是开发通信式再加气的原因，其中，将温度和压力信息经由一个或多个通信设备(例如包括在SAE TIR J2799中详细说明的红外数据联合(IRDA)接口，其公开通过引用整体合并于此)直接传送到氢气罐灌装气站。这样的温度和压力信息的相应缺失是非通信式加气协议要求巨大安全容限的原因， 尤其在给定例如包括气罐类型、气罐尺寸、长宽比、气罐的编号、热或冷浸透状态的附加未知参数的情况下。尽管完全通信式加气可以用来将气罐参数化数据提供到氢气罐灌装气站，但是完全通信式加气对气站和车辆两者都增加更多成本和复杂性，并引起额外关注点， 特别是是关于气罐内传感器的使用。因此，仍然存在方法的需求为关于在再加气期间在气罐内的氢气温度的足够精确的预测，而不要求完全通信协议和硬件。
为了提供气体的温度的精确预测，估计已经传输到气罐的能量和已经从气体传输到气罐壁的热量。已经进行很多研究来尝试理解和量化灌装结束温度。通过将氢气罐建模为如图I所示的非定常流中的开放式系统，可以通过测量来到的氢气流的焓并监视气罐的温度来估计已经传输到气罐的能量。出于此公开的目的，将控制体积定义为气体与气罐衬里之间的边界而热能通过该控制体积的边界传输并传输进气罐的衬里中。传输进出系统的总热能Q反映在等式[I]和[2]中。
权利要求
1.一种灌装压缩气罐的方法，包括对于所述气罐内的气体的初始质量计算热浸透初始温度THSinit ；使用THSinit来确定预测以产生不高于目标温度T的气体最终温度Tfinal的计划灌装时间；对于所述气罐内的气体的初始质量计算冷浸透初始温度Tesinit ；使用Tesinit来确定预测以产生所述气罐内100%充气状态的目标压力Pta_ ;和 以将在所述计划灌装时间实现Ptogrt的压力斜率将气体输送到所述气罐。
2.根据权利要求1所述的灌装压缩气罐的方法，其中确定灌装时间的步骤进一步包括根据以下等式的至少一个计算复合热能容量值MC
3.根据权利要求1所述的灌装压缩气罐的方法，其中确定灌装时间的步骤进一步包括计算初始质量minit ；计算实现所述气罐内100%的充气状态需要的额外质量madd ；计算所述初始内能Uinitial ；估计要以所述额外质量输送到所述气罐的平均焓；计算绝热内能Uadiabatic和绝热温度Tadiabatic 根据以下等式的至少一个计算复合热能容量值MC
4.根据权利要求3所述的灌装压缩气罐的方法，进一步包括对所述气罐确定值C、A、g、k和j。
5.根据权利要求1所述的灌装压缩气罐的方法，其中确定目标压力Ptogrt的步骤进一步包括根据以下等式的至少一个计算复合热能容量值MC
6.根据权利要求I所述的灌装压缩气罐的方法，其中确定目标压力Ptogrt的步骤进一步包括计算冷初始质量Hlinitc ;计算实现所述气罐内100%的充气状态需要的额外质量madd ；计算所述初始内能Uinitial ；估计要以所述额外质量输送到所述气罐的平均焓h_rage;计算绝热内能Uadiabatic和绝热温度Tadiabatic ) \根据以下等式的至少一个计算复合热能容量值MC
7.根据权利要求4所述的灌装压缩气罐的方法，其中对气罐确定值C、A、g、k和j的步骤进一步包括在目标灌装时间对100%的充气状态进行所述气罐的多个测试灌装，其中，所述测试灌装包含多个初始灌装压力和多个预冷却温度；根据以下等式计算每个测试灌装的灌装结束MC
8.根据权利要求7所述的灌装压缩气罐的方法，其中第一初始压力表不所述气罐内低于10%的充气状态；且第一预冷却温度是周围温度。
9.根据权利要求8所述的灌装压缩气罐的方法，其中第二初始压力表示所述气罐内大约50%的充气状态；且第二预冷却温度是低于0°C。
10.根据权利要求7所述的灌装压缩气罐的方法，其中第一初始压力是2MPa且第二初始压力表示所述气罐内至少大约50%的充气状态；且第一预冷却温度是周围温度且第二预冷却温度是-20°C。
11.一种对氢气动力车辆上的氢气罐再加气的方法，包括对所述气罐内的气体的初始质量计算热浸透初始温度Tlisinit ；使用Tlisinit来确定预测以产生不高于目标温度T的最终氢气温度Tfinal的计划灌装时间；对于所述气罐内的气体的初始质量计算冷浸透初始温度Tranit ；使用Tesinit来确定预测以产生100%的充气状态的目标压力Ptawt ;和以将在所述计划灌装时间实现Ptogrt的压力斜率将气体输送到所述气罐。
12.—种操作氢气气体灌装气站的方法，包括获得与氢气动力车辆对应的第一组参数数据；获得与气站容量对应的第二组参数数据；获得与再加气周围环境对应的第三组参数数据；基于所获得的参数数据计算MC值；并确定计划灌装时间，该时间预测以根据等式[B]产生不高于目标温度T的气体最终温度Tfinal并实现所述气罐内100%的充气状态
13.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中使用从由RFID、HVAS和IRDA构成的组中选择的通信协议从所述氢气动力车辆直接获得所述第一组参数数据。
14.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中通过识别所述氢气动力车辆并访问在车辆外维持的参数数据库来获得所述第一组参数数据。
15.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中将所述第一组参数数据指定为默认值，并在Tfinal确定足以实现Ptmgrt的调整后的最终目标 度。
16.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中所述第一组参数数据包括从由以下数据构成的组中选择的至少一个参数额定工作压力、气罐体积、再加气历史、最后再加气的时间戳、短程表值、初始氢气质量、初始气体温度、 最大热浸透温度、最大冷浸透温度、最大泄燃料率和最大加气率。
17.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，进一步包括维持第一和第二氢气灌装组件，所述第一氢气灌装组件在第一预冷却温度操作并且所述第二氢气灌装组件在第二预冷却温度下操作，所述第一和第二预冷却温度不相等；分析所述第一组参数数据；并将所述氢气动力车辆引导到能更加高效地提供100%充气的状态的所述氢气灌装组件。
18.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，进一步包括使用从由以下数据构成的数据集中选择的参数信息计算足以实现3分钟加气时间的目标预冷却温度车辆加气历史、气罐体积、最低历史初始充气状态百分比、最低历史气罐 MC值和周围温度；对于车辆再加气操作的持续时间，将氢气灌装组件设定并维持在所述目标预冷却温度。
19.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，进一步包括对于组合系统热质预测泄燃料系统温度；TpinalDefuelCGld ^使用 r^FinalDefuelCold 初始化再加气。
20.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，进一步包括获得所述第一组参数数据的第一子集，所述第一子集对应于与所述氢气动力车辆车载的第一氢气罐关联的参数数据；获得所述第一组参数数据的第二子集，所述第二子集对应于与所述氢气动力车辆车载的第二氢气罐关联的参数数据；使用参数数据的所述第一子集计算Tfinall并使用参数数据的所述第二子集计算Tfinal2 ； 使用Tfinall和Tfinal2中的较大者来确定目标加气速度；并使用 Tfinall 和 Tfinai2 中的小者未确^target °
21.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，进一步包括初始化氢气气体灌装；在所述氢气气体灌装期间调整所述第二组参数数据以反映测量的气站性能；在所述氢气气体灌装期间调整所述MC值以反映在所述第一组参数数据和测量的灌装性能数据中的变化；计算调整后的灌装时间和Ptogrt以反映所述第二组参数数据和MC值中的调整；并使用调整后的灌装时间来控制所述灌装速度和灌装结束条件。
22.根据权利要求17所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中更高效的氢气灌装组件提供从由以下数据构成的组中选择的益处减小的加气时间、 更高的充气状态百分比、增加的预冷却温度、减少的能耗及其组合。
23.根据权利要求12所述的操作氢气气体灌装气站的方法，所述获得与氢气动力车辆对应的第一组参数数据的步骤进一步包括对于所述氢气动力车辆取回再加气时间戳数据。
24.根据权利要求23所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中从与所述氢气动力车辆关联的HVAS RFID标签取回所述再加气时间戳数据。
25.根据权利要求23所述的操作氢气气体灌装气站的方法，其中从所述再加气时间戳数据确定耗时；并调整加气速度以对于更长的耗时允许更高的再加气速度。
全文摘要
所公开的是简单的分析性方法，该方法可以由氢气灌装气站利用，用于直接精确地计算在氢气罐中灌装结束温度，其又允许灌装量的改善，同时趋向于减少再加气时间。该计算包含根据从接收气体的气罐系统和供应气体的气站两者取得的一组热动力参数计算复合热能容量值MC。在一系列简单的分析性等式中利用这些热动力参数以定义多步骤过程，通过该多步骤过程可以确定目标灌装时间、最终温度和最终压力。将参数直接从车辆传递给气站或者从气站可访问的数据库取回。因为该方法基于实际热动力条件和量化热动力行为的直接测量，所以可以实现显著改善的气罐灌装结果。
文档编号F17C5/06GK102947636SQ201180030831
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年4月21日
发明者R.哈蒂, S.马西森 申请人:本田技研工业株式会社