Titel

Verfahren zum Modellieren und/oder Optimieren eines Betankungsvorganges eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modellieren und/oder Optimieren eines, insbesondere steuerbaren und/oder regelbaren, Betankungsvorganges eines, vorzugsweise modularen Tanksystems eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff aus einer Tankvorrichtung. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Mobilität gilt als Mobilitätskonzept der Zukunft, insbesondere Brennstoffzellen, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Wegen seiner geringen Dichte, ist die Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug eine Herausforderung. Für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, liegt die gasförmige Speicherung bei 350 oder 700 bar. Ein Tanksystem beinhaltet einen oder mehrere Speicherbehälter. Der Wasserstoff wärmt sich bei isochorer Druckerhöhung auf. Aus diesem Grund steigt seine Temperatur im Tanksystem während des Betankungsvorganges an. Bei der Entnahme des Wasserstoffs aus dem Tanksystem, bspw. während einer Fahrt des Fahrzeuges, kühlt sich der Wasserstoff bei isochorer Druckminderung wiederum ab. Das Tanksystem muss dabei hohe Temperaturschwankungen und Druckschwankungen aushalten. Um eine Überhitzung und eine Beschädigung des Tanksystems zu verhindern, wird der Wasserstoff vorgekühlt, z.B. auf -40°C, und der Wasserstoff-Durchfluss aus der Tankstelle gedrosselt.

Der Betankungsvorgang ist durch international gültige Normen reglementiert. Die in der Norm beschriebenen Betankungsprotokolle basieren auf der Annahme, dass die Betankung unter schlechtesten anzunehmenden Bedingungen durchgeführt wird, um eine Überhitzung des Tanksystems zu vermeiden. Dieses konservative Vorgehen führt in der Regel zu längeren Tankzeiten als tatsächlich erforderlich.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Modellieren und/oder Optimieren eines, insbesondere steuerbaren und/oder regelbaren, Betankungsvorganges eines, vorzugsweise modularen Tanksystems eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff aus einer Tankvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Modellieren und/oder Optimieren eines, insbesondere steuerbaren und/oder regelbaren, Betankungsvorganges eines, vorzugsweise modularen, Tanksystems eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, aus einer Tankvorrichtung, aufweisend folgende Schritte:

Erfassen (Vermessen, Schätzen und/oder Modulieren) eines Anfangsdruckes eines Tanks des Tanksystems, Bestimmen eines gewünschten Enddruckes in dem Tank des Tanksystems, Vorkühlen des Brennstoffs in der Tankvorrichtung auf eine geeignete Starttemperatur,

Ermitteln (Berechnen und/oder Ableiten, z. B. aus einem Kennfeld) mindestens eines geeigneten Betriebsparameters der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems, um ein Überhitzen des Tanksystems zu vermeiden, wobei der mindestens eine geeignete Betriebsparameter zum Betanken des Tanksystems in Abhängigkeit von dem erfassten Anfangsdruck des Tanks, dem gewünschten Enddruck und der Starttemperatur des Brennstoffs in der Tankvorrichtung ermittelt wird,

Ermitteln einer Temperatur einer Tankwand des Tanks des Tanksystems, Anpassen (bei einem laufenden Betankungsvorgang und/oder in einem Kennfeld, welches durch das Verfahren bereitgestellt wird) des mindestens einen geeigneten Betriebs para meters der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Tankwand des Tanks.

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen.

Die Erfindung spricht von einem modularen Tanksystem. Das Tanksystem kann dabei mindestens einen oder mehrere Speicherbehälter, sog. Tanks, aufweisen. Das Verfahren im Sinne der Erfindung kann individuell für jeden möglichen Typen eines Tanksystems bzw. für jeden möglichen Typen eines Tanks durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin für jeden Tank des Tanksystems einzeln durchgeführt werden.

Der mindestens eine Betriebsparameter der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems im Sinne der Erfindung kann bspw. eine Zeit und/oder eine Drucksteigerungsrate und/oder einen Volumenstrom des Brennstoffes, umfassen. Der mindestens eine Betriebsparameter kann mithilfe von mindestens einem oder mehreren Stellparametern der Tankvorrichtung eingestellt werden. Die Stellparameter bestimmen Stellungen von Stellgliedern der Tankvorrichtung, wie z. B. von Ventilen und/oder Drosselklappen.

Die Erfindung erkennt dabei, dass der aktuelle thermische Zustand des Brennstoffs in einem Tanksystem, von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst wird. Wesentliche Einflüsse ergeben sich aus der Erwärmung des Brennstoffs beim Tanken, die wiederum von dem mindestens einen Betriebsparameters der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems abhängt, aus der vorliegenden Vorkühlung des Brennstoffs in der Tankvorrichtung, aus der Temperierung des Tanksystems im Betrieb des Brennstoffzellensystems, aus dem Wärmeaustausch mit der Umgebung, z. B. durch Sonneneinstrahlung und/oder Fahrtwind, und dem entsprechenden zeitlichen bzw. historischen Verlauf dieser Vorgänge.

Die Wärmeübergänge zwischen dem Brennstoff und der Tankwand sowie zwischen der Tankwand und der Umgebung hängen wiederum von der aktuellen Temperatur der Tankwand bzw. der einzelnen Wandschichten ab.

Unter der Annahme, dass die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Brennstoffs im Inneren des Tanks zu Beginn der Betankung erfasst werden können, bspw. durch Vermessen, Schätzen und/oder Modulieren, kann die Temperatur der Tankwand, insbesondere der Temperaturverlauf in der Tankwand, vorzugsweise als Funktion der Zeit, berechnet bzw. modelliert werden. In Kenntnis der tatsächlichen Temperatur der Tankwand können die Dauer eines optimalen Betankungsvorgangs bzw. die optimalen Betriebsparameter der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems bestimmt werden.

Mithilfe der Erfindung wird die Temperatur der Tankwand, insbesondere der Temperaturverlauf in der Tankwand, vorzugsweise als Funktion der Zeit, bereitgestellt. Die Temperatur der Tankwand, insbesondere der Temperaturverlauf in der Tankwand, vorzugsweise als Funktion der Zeit, wird vorteilhafterweise zur Modellierung und Optimierung des Betankungsvorgangs genutzt.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Temperatur der Tankwand, insbesondere der Temperaturverlauf in der Tankwand, vorzugsweise als Funktion der Zeit, unmittelbar dafür verwendet werden kann, um sicherzustellen, dass das Tanksystem nicht überhitzt. Da die Temperatur des Brennstoffs im Inneren des Tanks von dem mindestens einen Betriebsparameter der Tankvorrichtung abhängt, kann die Temperatur der Tankwand als ein vorteilhafterer Steuer- und/oder Regelparameter genutzt werden, um den Betankungsvorgang zu steuern und/oder zu regeln und um ein Überhitzen des Tanksystems zuverlässig zu vermeiden.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der Tankwand in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Temperatur des Brennstoffs in dem Tank, einem Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der Tankwand und der Umgebung, einem Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Brennstoff und der Tankwand und einem Wärmeleitungskoeffizienten der Tankwand ermittelt wird. Auf diese Weise kann die Temperatur der Tankwand relativ genau berechnet bzw. modelliert werden.

Weiterhin ist es denkbar, dass die Umgebungstemperatur vermessen, empfangen, bspw. von einem Wetterdienst, und/oder geschätzt werden kann. Auf diese Weise kann die Umgebungstemperatur flexibel erfasst werden.

Des Weiteren ist es denkbar, dass die Temperatur des Brennstoffs in dem Tank vermessen, geschätzt und/oder modelbasiert, bevorzugt in Abhängigkeit von dem Druck in dem Tank und/oder von dem mindestens einen geeigneten Betriebsparameter der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems, berechnet wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des Brennstoffs im Inneren des Tanks flexibel erfasst werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass beim Anpassen des mindestens einen geeigneten Betriebsparameters der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems ein zeitlicher Verlauf der Temperatur der Tankwand berücksichtigt wird, und/oder dass beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand eine iterative Bestimmung der Temperatur in diskreten Zeitabschnitten durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Betankungsvorgang mit einer erhöhten Genauigkeit gesteuert und/oder geregelt werden.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass beim Ermitteln der Temperatur der

Tankwand der Anstieg der Temperatur der Tankwand durch eine Schicht der Tankwand bestimmt wird, und/oder dass beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand der Anstieg der Temperatur der Tankwand durch mehrere Schichten der Tankwand bestimmt wird, wobei insbesondere eine modelbasierte und/oder konstruktionsbedingte Aufteilung der Wand in mehrere Schichten mit einem jeweiligen Wärmeübertragungskoeffizienten durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Temperaturentwicklung der Tankwand genauer untersucht werden, um den Betankungsvorgang mit einer erheblich erhöhten Genauigkeit zu steuern und/oder zu regeln. Zudem kann dieser Ansatz für mehrschichtigen Tanks von Vorteil sein.

Vorteilhafterweise kann beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand die Verbrauchshistorie des Brennstoffes vor dem Betanken eines Tanksystems berücksichtigt werden. Da der Brennstoff beim Verbrauchen abkühlt, kann die Verbrauchshistorie des Brennstoffes einen weiteren Hinweis auf die aktuelle Temperatur der Tankwand liefern.

Um die Genauigkeit des Verfahrens noch weiter zu erhöhen, kann beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand ein transiter (bzw. raumkoordinatenabhängiger) Verlauf, welcher auch zeitabhängig sein kann, von mindestens einem Innenparameter des Tanks des Tanksystems, umfassend mindestens eine Innentemperatur des Brennstoffs und/oder einen Innendruck in dem Tank, berücksichtigt werden. Auf diese Weise können die Temperaturschwankungen in dem Tank berücksichtigt werden.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand ein transiter (bzw. raumkoordinatenabhängiger) Verlauf, welcher auch zeitabhängig sein kann, von mindestens einem Umgebungsparameter, umfassend mindestens eine Umgebungstemperatur, berücksichtigt wird. Auf diese Weise können die Temperaturschwankungen in der Umgebung berücksichtigt werden.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn beim Ermitteln der Temperatur der Tankwand mindestens eine Einsatzbedingung des Brennstoffzellensystems berücksichtigt wird, insbesondere umfassend einen Fahrtwind und/oder Sonneneinstrahlung bei einem mobilen Einsatz des Brennstoffzellensystems, bspw. in einem Fahrzeug. Auf diese Weise können die Feldbedingungen bei dem Einsatz des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden.

Um einen regelbaren Betankungsvorgang zu ermöglichen, kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

Anpassen der geeigneten Starttemperatur zum Vorkühlen des Brennstoffs in der Tankvorrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Tankwand.

Auf diese Weise kann die tatsächliche Temperatur der Tankwand berücksichtigt werden, um den Aufwand und die elektrische Leistung zum Vorkühlen des Brennstoffs in der Tankvorrichtung anzupassen. Bspw. kann ein Vorkühlen des Brennstoffs in der Tankvorrichtung auf eine nicht so tiefe Temperatur, als zunächst angenommen, ausreichen, um den Betankungsvorgang sicher durchzuführen, wenn z. B. ermittelt wurde, dass die tatsächliche Temperatur der Tankwand tiefer ist als zunächst angenommen.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Bereitstellen eines steuerbaren Betankungsvorganges durchgeführt wird. Hierzu kann das Tanksystem im Vorfeld beim Tanken unter unterschiedlichen Bedingungen vermessen werden und ein Kennfeld bereitgestellt werden, welches den mindestens einen geeigneten Betriebsparameter der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems in Abhängigkeit von dem erfassten Anfangsdruck des Tanks, dem gewünschten Enddruck, der Starttemperatur des Brennstoffs in der Tankvorrichtung und/oder der Temperatur der Tankwand des Tanks des Tanksystems abbildet. Somit kann ein verbesserter und einfach steuerbarer Betankungsvorgang ermöglicht werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Bereitstellen eines regelbaren Betankungsvorganges durchgeführt wird. Dabei kann die Temperatur der Tankwand ermittelt werden und der mindestens eine geeignete Betriebsparameter der Tankvorrichtung zum Betanken des Tanksystems entsprechend angepasst werden. Auf diese Weise kann ein Regelkreis bereitgestellt werden, der die Temperatur der Tankwand beim Betreiben der Tankvorrichtung auf eine verbesserte Weise berücksichtigt

Zudem ist es denkbar, dass das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, durch eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems und/oder eine Steuereinheit der Tankvorrichtung durchgeführt wird. Außerdem ist es denkbar, dass eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems und/oder eine Steuereinheit der Tankvorrichtung in einer Kommunikationsverbindung stehen können, um Sensorwerte und/oder den mindestens einen geeigneten Betriebsparameter zum Betanken des Tanksystems abzugleichen und/oder auszutauschen. Auf diese Weise kann das Verfahren mit unterschiedlich ausgestatteten Tanksystemen flexibel durchgeführt werden.

Eine entsprechende Steuereinheit (auf der Seite des Brennstoffzellensystems und/oder der Tankvorrichtung) stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Die Steuereinheit kann mit den Sensoren in dem Tanksystem des Brennstoffzellensystems und/oder in der Tankvorrichtung in einer Kommunikationsverbindung stehen, um die Sensorwerte zu erhalten.

Die Steuereinheit kann die Stellglieder der Tankvorrichtung, wie z. B. Ventile und/oder Drosselklappen, entsprechend ansteuern, um das Verfahren durchzuführen.

Außerdem kann die Steuereinheit mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern. Gemäß eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine beispielhafte Tankwand im Sinne der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Tanksystem und eine schematische

Tankvorrichtung,

Fig. 3 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens im Sinne der Erfindung.

Die Figur 1 dient dazu, den Erfindungsgedanken zu verdeutlichen, auf welchen im nachfolgenden im Detail eingegangen wird. Mithilfe der Erfindung wird ein Verfahren zum Modellieren und/oder Optimieren eines Betankungsvorganges eines Tanksystems 10 eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoff H2 aus einer Tankvorrichtung 20 bereitgestellt (vgl. Figur 2), wobei ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens in der Figur 3 gezeigt wird.

Die Figur 2 zeigt ein schematisches Tanksystem 10 im Sinne der Erfindung, welches modular ausgeführt sein kann und welches mehrere Tanks 11 aufweisen kann. Das Tanksystem 10 kann Tank 11 zu Tank 11 mithilfe einer Tankvorrichtung 20 betankt werden. Wie es die Figur 3 zeigt, weist das Verfahren im Sinne der Erfindung folgende Schritte auf:

101 Erfassen (das kann heißen: Vermessen, Schätzen und/oder Modulieren) eines Anfangsdruckes Pi eines Tanks 11 des Tanksystems 10,

102 Bestimmen eines gewünschten Enddruckes Pe in dem Tank 11 des Tanksystems 10,

103 Vorkühlen des Brennstoffs H2 (z. B. Wasserstoffes) in der Tankvorrichtung 20 auf eine geeignete Starttemperatur Ts, bspw. -40°C oder -20°C,

104 Ermitteln (Berechnen und/oder Ableiten, z. B. aus einem Kennfeld) mindestens eines geeigneten Betriebsparameters BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10, um ein Überhitzen des Tanksystems 10 zu vermeiden, wobei der mindestens eine geeignete Betriebsparameter BP zum Betanken des Tanksystems 10 in Abhängigkeit von dem erfassten Anfangsdruck Pi des Tanks 11 , dem gewünschten Enddruck Pe und der Starttemperatur Ts des Brennstoffs in der Tankvorrichtung 20 ermittelt wird,

105 Ermitteln einer Temperatur T einer Tankwand W des Tanks 11 des Tanksystems 10,

106 Anpassen (bei einem laufenden Betankungsvorgang und/oder in einem Kennfeld, welches durch das Verfahren bereitgestellt wird) des mindestens einen geeigneten Betriebs para meters BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10 in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur T der Tankwand W des Tanks 11.

Der mindestens eine Betriebsparameter BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10 kann bspw. eine Zeit t und/oder eine Drucksteigerungsrate dp/dt und/oder einen Volumenstrom dV/dt des Brennstoffes H2, umfassen. Der mindestens eine Betriebsparameter BP kann mithilfe von mindestens einem oder mehreren Stellparametern an der Tankvorrichtung 20 eingestellt werden. Die Stellparameter bestimmen Stellungen von Stellgliedern der Tankvorrichtung 20, wie z. B. von Ventilen und/oder Drosselklappen. Wie es die Figur 1 verdeutlicht, hängen die Wärmeübergänge zwischen dem Brennstoff H2 und der Tankwand W sowie zwischen der Tankwand W und der Umgebung U von der aktuellen Temperatur Tw der Tankwand W bzw. von der aktuellen Temperatur Tw der einzelnen Wandschichten der Tankwand W ab.

Unter der Annahme, dass die Umgebungstemperatur Ta und die Temperatur Ti des Brennstoffs H2 im Inneren des Tanks 11 zu Beginn der Betankung erfasst werden können, bspw. durch Vermessen, Schätzen und/oder Modulieren, kann die Temperatur Tw der Tankwand W, umfassend insbesondere der Temperaturverlauf in der Tankwand 11 , vorzugsweise als Funktion der Zeit t, berechnet bzw. modelliert werden. Mithilfe der tatsächlichen Temperatur Tw der Tankwand W können die Dauer des Betankungsvorgangs bzw. die Betriebsparameter BP der Tankvorrichtung 20 zum optimalen und sicheren Betanken des Tanksystems 20 bestimmt werden.

Im Rahmen der Erfindung wird die Temperatur Tw der Tankwand W, insbesondere der Temperaturverlauf T(s) in der Tankwand Tw, vorzugsweise als Funktion der Zeit t, bereitgestellt. Die Temperatur Tw der Tankwand W kann auf eine vorteilhafte Weise als eine Steuer- und/oder Regelgröße zur Modellierung und Optimierung des Betankungsvorgangs genutzt werden.

Wenn die tatsächliche Temperatur Tw der Tankwand W bekannt ist, kann mithilfe der Erfindung durch Anpassung des mindestens einen Betriebsparameters BP der Tankvorrichtung 20 die Temperatur Tw der Tankwand W, wie gewünscht eingestellt werden, sodass das Tanksystem 10 nicht überhitzt.

Wie es die Figur 1 andeutet, kann die Temperatur T der Tankwand W in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur Ta, einer Temperatur Ti des Brennstoffs H2 in dem Tank 11 , einem Wärmeübertragungskoeffizienten aa zwischen der Tankwand W und der Umgebung U, einem Wärmeübertragungskoeffizienten ai zwischen dem Brennstoff H2 und der Tankwand W und einem Wärmeleitungskoeffizienten Aw der Tankwand W ermittelt werden. Mit anderen Worten, hängt die Temperatur T der Tankwand W von den Wärmeströmen an deren Oberflächen ab. Die Wärmeströme ergeben sich aus den Temperaturen der umgebenden Gase und den entsprechenden Wärmeübergängen und durch die Wärmeleitung in der Tankwand W selbst. Diese Beziehung kann iterativ über die Zeit t gelöst werden. Dabei gelten für die Änderung der Wärmemenge Q folgende Beziehungen:

Dabei beschreibt Q den resultierenden Wärmestrom in die Tankwand W, T die Temperaturänderung der Tankwand W, Q _t den Wärmestrom an der Innenfläche

Ai, Q _a entsprechend an der Außenfläche Aa, «rund acrdie

Wärmeübergangskoeffizienten, C die Wärmekapazität des Wandmaterials. Ti gibt in Temperatur des Brennstoffes H2 im Innern an, Ta analog im Außenraum, T die Temperatur der Wand.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass beim Anpassen des mindestens einen geeigneten Betriebsparameters BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10 ein zeitlicher Verlauf der Temperatur T der Tankwand W berücksichtigt wird, und/oder dass beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W eine iterative Bestimmung der Temperatur T in diskreten Zeitabschnitten durchgeführt wird.

Beispielhaft ergibt sich für die Zeitdiskretisierung mit einem Euler-Verfahren für die folgende iterative Berechnungsformel für die Wandtemperatur T/ ⁺¹ im Zeitschrift j+1, der die Länge T besitzt:

Hierbei sind alle Größen als zeitlich veränderlich anzusehen. Das numerische Lösungsverfahren ist nicht auf das Euler-Verfahren begrenzt und kann jedes bekannte Verfahren zur Zeitdiskretisierung expliziter oder impliziter Art umfassen.

Die Umgebungstemperatur Ta kann bspw. direkt vermessen, empfangen, bspw. von einem Wetterdienst, und/oder geschätzt werden. Die Temperatur Ti des Brennstoffs H2 in dem Tank 11 kann ebenfalls direkt vermessen, geschätzt und/oder modelbasiert, bevorzugt in Abhängigkeit von dem Druck in dem Tank 11 und/oder von dem mindestens einen geeigneten Betriebsparameter BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10, berechnet werden.

Im Rahmen eines Modells mit mehreren Schichten kann vorgesehen sein, dass beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W der Anstieg der Temperatur T der Tankwand W durch eine Schicht der Tankwand W bestimmt wird, und/oder dass beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W der Anstieg der Temperatur T der Tankwand W durch mehrere Schichten der Tankwand W bestimmt wird. Dabei kann eine modelbasierte und/oder konstruktionsbedingte Aufteilung der Wand 11 in mehrere Schichten mit einem jeweiligen Wärmeübertragungskoeffizienten ai durchgeführt werden.

Durch die modelhafte Aufteilung der Tankwand W in einzelne Schichten mit einem jeweiligen Temperaturwert, lässt sich das bisher beschriebene Modell zur Berücksichtigung der Wärmeleitung erweitern. Der Wärmestrom durch eine Schicht mit der Dicke s, der Fläche A und dem Wärmeleitfähig A ist durch gegeben. Durch Integration der Gleichung über der Dicke s einer Schicht bei ggf. variierender Fläche A (z.B. bei einer Zylinderschicht) ergibt sich eine Gleichung deren Struktur dem Wärmeübergang entspricht. Somit ergibt sich für die Temperatur T in jeder Schicht eine Gleichung analog zur oben dargestellten. Wodurch insgesamt ein Gleichungssystem für die Temperaturen in den Schichten entsteht. Abhängig davon wie die Material und Geometrieparameter gewählt werden, kann das erfindungsgemäße Modell sämtliche Behältertypen abbilden.

Analog zum beschriebenen Vorgehen lässt sich das Model auf eine vorteilhafte Weise um die Kontaktwiderstände zwischen den Schichten erweitern.

Ferner kann beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W die Verbrauchshistorie des Brennstoffes H2 vor dem Betanken eines Tanksystems 10 berücksichtigt werden.

Weiterhin kann beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W ein transiter (bzw. raumkoordinatenabhängiger) Verlauf, welcher auch zeitabhängig sein kann, von mindestens einem Innenparameter des Tanks 11 des Tanksystems 10, umfassend mindestens eine Innentemperatur Ti des Brennstoffs H2 und/oder einen Innendruck Pi in dem Tank 11 , berücksichtigt werden. Auf diese Weise können die Temperaturschwankungen in dem Tank berücksichtigt werden.

Zudem kann beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W ein transiter (bzw. raumkoordinatenabhängiger) Verlauf, welcher auch zeitabhängig sein kann, von mindestens einem Umgebungsparameter, umfassend mindestens eine Umgebungstemperatur Ta, berücksichtigt werden.

Außerdem kann beim Ermitteln der Temperatur T der Tankwand W mindestens eine Einsatzbedingung des Brennstoffzellensystems 100 berücksichtigt wird, insbesondere umfassend einen Fahrtwind und/oder Sonneneinstrahlung bei einem mobilen Einsatz des Brennstoffzellensystems 100, bspw. in einem Fahrzeug.

Wie es die Figur 3 weiterhin verdeutlicht, kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

107 Anpassen der geeigneten Starttemperatur Ts zum Vorkühlen des Brennstoffs H2 in der Tankvorrichtung 20 in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur T der Tankwand W. Auf diese Weise kann die tatsächliche Temperatur T der Tankwand W berücksichtigt werden, um den Aufwand und die elektrische Leistung zum Vorkühlen des Brennstoffs H2 in der Tankvorrichtung 20 anzupassen. Bspw. kann ein Vorkühlen des Brennstoffs H2 in der Tankvorrichtung 20 auf eine nicht so tiefe Temperatur -20 ^A C statt -40°C, als zunächst angenommen, ausreichen, um eine Überhitzung des Tanks 11 zu vermeiden.

Wie oben bereits erwähnt, kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Bereitstellen eines steuerbaren Betankungsvorganges durchgeführt werden. Hierzu kann das Tanksystem 10 im Vorfeld beim Tanken unter unterschiedlichen Bedingungen vermessen werden, um ein Kennfeld zu erstellen. Das Kennfeld kann den mindestens einen geeigneten Betriebsparameter BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10 in Abhängigkeit von dem erfassten Anfangsdruck Pi des Tanks 11 , dem gewünschten Enddruck Pe, der Starttemperatur Ts des Brennstoffs in der Tankvorrichtung 20 und/oder der Temperatur T der Tankwand W des Tanks 11 des Tanksystems 10 abbilden.

Weiterhin kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Bereitstellen eines regelbaren Betankungsvorganges durchgeführt werden. Dabei kann die Temperatur T der Tankwand W ermittelt werden und der mindestens eine geeignete Betriebsparameter BP der Tankvorrichtung 20 zum Betanken des Tanksystems 10 entsprechend angepasst werden.

Wie es die Figur 2 andeutet, kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, durch eine Steuereinheit 110 des Brennstoffzellensystems 100 und/oder eine Steuereinheit 21 der Tankvorrichtung 20 durchgeführt werden.

Außerdem ist es denkbar, dass eine Steuereinheit 110 des Brennstoffzellensystems 100 und/oder eine Steuereinheit 21 der Tankvorrichtung 20 in einer Kommunikationsverbindung stehen können, um bspw. Sensorwerte und/oder den mindestens einen geeigneten Betriebsparameter BP zum Betanken des Tanksystems 10 abzugleichen und/oder auszutauschen. Eine entsprechende Steuereinheit 110, 21 (bspw. auf der Seite des Brennstoffzellensystems 100 oder auf der Seite der Tankvorrichtung 20) stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit

Die Steuereinheit kann mit den Temperatur- und/oder Drucksensoren in dem Tanksystem 10 des Brennstoffzellensystems 100 und/oder in der Tankvorrichtung 20 in einer Kommunikationsverbindung stehen, um die Sensorwerte zu erfassen.

Die Steuereinheit 21 kann die Stellglieder der Tankvorrichtung 20, wie z. B. Ventile und/oder Drosselklappen, entsprechend ansteuern, um den mindestens einen geeigneten Betriebsparameter BP zum Betanken des Tanksystems 10 entsprechend einzustellen.

Ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.