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DE102020120598A1 - Drucktanksystem mit Schallsensoren zur Detektion und Lokalisation einer Stoßeinwirkung und Kraftfahrzeug mit einem solchen Drucktanksystem - Google Patents

Drucktanksystem mit Schallsensoren zur Detektion und Lokalisation einer Stoßeinwirkung und Kraftfahrzeug mit einem solchen Drucktanksystem Download PDF

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DE102020120598A1
DE102020120598A1 DE102020120598.8A DE102020120598A DE102020120598A1 DE 102020120598 A1 DE102020120598 A1 DE 102020120598A1 DE 102020120598 A DE102020120598 A DE 102020120598A DE 102020120598 A1 DE102020120598 A1 DE 102020120598A1
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Germany
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pressure tank
impact
tank system
sound
sound sensors
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DE102020120598.8A
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Oliver Stoll
Jannik Meyer
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Drucktanksystem (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend:- wenigstens einen hohlzylindrischen Drucktank (110) zur Speicherung von Brennstoff, der eine starre Tankhülle (111) und zwei an den axialen Enden der Tankhülle (111) angeordnete Anschlusselemente (115) aufweist;- wenigstens einen ersten Schallsensor (S1), der an einem der Anschlusselemente (115) befestigt ist, und wenigstens einen zweiten Schallsensor (S2), der an dem anderen Anschlusselement (115) befestigt ist;- eine Auswerteinrichtung (120), die dafür vorgesehen ist, aus den Sensorsignalen der beiden Schallsensoren (S1, S2) sowohl eine Stoßeinwirkung (F) auf die Tankhülle (111) zu detektieren als auch den Bereich (B) der Stoßeinwirkung (F) zu ermitteln. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Drucktanksystem (100).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Drucktanksystem mit wenigstens einem Drucktank zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Drucktanksystem.
  • Drucktanks der hier betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von Brennstoff, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff (H2) für einen Brennstoffzellenantrieb oder zur Speicherung von Erdgas (CNG) für einen Erdgasantrieb, verwendet, wobei Innendrücke von bis zu 700 bar und mehr vorgesehen sind. Solche Drucktanks können durch eine stoßartige Krafteinwirkung (im Folgenden als Stoßeinwirkung bezeichnet), insbesondere infolge einer Kollision, beschädigt werden, wobei solche Beschädigungen häufig unbemerkt bleiben und dadurch die Sicherheit beeinträchtigt wird.
  • Die DE 10 2006 033 905 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Beurteilung von Druckbehältern mittels Schallemissionsprüfung, welches auch zur sicherheitstechnischen Beurteilung des Behälterzustands während des Betriebes im Sinne eines Health-/Safty-Monitorings genutzt werden kann. An der Tankhülle des Druckbehälters werden Schallemissions-Sensoren (SE-Sensoren) positioniert, mit denen Schallemissionsereignisse detektiert werden können. Die SE-Sensoren erzeugen Schallemissionssignale und leiten die Signale an eine Auswerteeinheit weiter, welche selbstständig eine Analyse dieser Signale vornimmt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Drucktanksystem des Patentanspruchs 1 ist nicht nur die Detektion einer Stoßeinwirkung auf den Drucktank möglich, sondern auch die Ermittlung, in welchem Bereich bzw. Abschnitt des Drucktanks die Stoßeinwirkung erfolgt ist. Dies vereinfacht die weitere Schadensanalyse. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Kraftfahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Drucktanksystem aufweist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
  • Das erfindungsgemäße Drucktanksystem umfasst zumindest die folgenden Komponenten:
    • - wenigstens einen zumindest näherungsweise hohlzylindrischen bzw. röhrenförmigen Drucktank zur Speicherung von Brennstoff, der eine starre Tankhülle und zwei an den axialen Enden dieser Tankhülle angeordnete Anschlusselemente aufweist;
    • - wenigstens einen ersten Schallsensor, der an einem der Anschlusselemente befestigt ist, und wenigstens einen zweiten Schallsensor, der an dem anderen (axial gegenüberliegenden) Anschlusselement befestigt ist; und
    • - eine Auswerteinrichtung bzw. -einheit, die dafür vorgesehen (und entsprechend ausgebildet) ist, aus den Sensorsignalen der beiden Schallsensoren sowohl eine Stoßeinwirkung auf die Tankhülle zu detektieren als auch den Bereich der Stoßeinwirkung zu ermitteln bzw. zu bestimmen.
  • Eine Stoßeinwirkung (Impact) auf die Tankhülle des Drucktanks, womit insbesondere eine lokale (d. h. eine punktuelle oder bereichsweise) Stoßeinwirkung gemeint ist, verursacht Schallschwingungen, die sich als Körperschall im Drucktank ausbreiten und mithilfe der an den Anschlusselementen befestigten Schallsensoren erfasst bzw. registriert werden können. Aufgrund der sehr guten Körperschallleitfähigkeit eines Drucktanks können selbst schwache Stoßeinwirkungen sehr gut erfasst werden. Eine Stoßeinwirkung führt typischerweise zu einer plötzlichen Veränderung der Sensorsignale, insbesondere zu einem Amplitudenanstieg, sodass mithilfe der Auswerteeinrichtung anhand der Sensorsignale zuverlässig eine Stoßeinwirkung erkannt werden kann. Dies ist sowohl während des Fahrzeugbetriebs als auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug möglich.
  • Wird von der Auswerteeinrichtung eine Stoßeinwirkungen detektiert, wobei gegebenenfalls auch die Stoßstärke bzw. Heftigkeit der Stoßeinwirkung ermittelt wird, so können, insbesondere wenn die ermittelte Stoßstärke einen definierten Schwellwert übersteigt, automatisch verschiedene Maßnahmen zur weiteren Gefahrenabwehr veranlasst werden, wie bspw. die Anzeige einer Warnmeldung im Fahrzeugcockpit, das Verhindern einer Betankung bzw. Befüllung des Drucktanks (z. B. durch Schließen eines Ventils oder dergleichen), das Einschränken oder Verhindern des weiteren Fahrzeugbetriebs und Ähnliches. Die Auswerteinrichtung kann hierzu mit einem Fahrzeugsteuergerät kommunizieren oder auch in ein Fahrzeugsteuergerät integriert sein.
  • Wurde eine Stoßeinwirkung auf den Drucktank bzw. dessen Tankhülle detektiert, die insbesondere einen definierten Schwellwert übersteigt (sodass eine kritische Beschädigung wahrscheinlich ist oder zumindest nicht auszuschließen ist), so kann anhand weiterer Fahrzeugdaten, wie insbesondere der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der Fahrzeugbeschleunigung (die mittels Beschleunigungs- bzw. Crashsensoren erfasst werden kann), eine Plausibilitätskontrolle erfolgen. Dadurch können die Auswertung bzw. Analyse verbessert und Fehlergebnisse verringert werden. Bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung entsprechend ausgebildet.
  • Beim erfindungsgemäßen Drucktanksystem kann aber nicht nur eine Stoßeinwirkung als solche detektiert werden, sondern es kann auch der Bereich bzw. Abschnitt der Tankhülle, in dem die Stoßeinwirkung erfolgt ist, ermittelt bzw. bestimmt werden. Dadurch wird die weitere Schadensanalyse erheblich vereinfacht. Die Erfindung ermöglicht also auch eine Lokalisation der Stoßeinwirkung durch Auswertung bzw. Analyse der Sensorsignale beider Schallsensoren (d. h. des wenigstens einen ersten Schallsensors und des wenigstens einen zweiten Schallsensors).
  • Ausgehend vom Ort der Stoßeinwirkung hat der Körperschall bzw. haben die Körperschallschwingungen in der Regel eine unterschiedliche Laufzeit bis zu den Schallsensoren (Laufzeitdifferenz), sodass die Sensorsignale einen Zeitversatz (Time-Shift) und/oder eine Phaseverschiebung aufweisen sowie gegebenenfalls auch einen Amplitudenunterschied, woraus die Auswerteinrichtung den Bereich der Stoßeinwirkung mehr oder weniger exakt ermittelt kann, insbesondere durch Berechnung und/oder durch Vergleich mit hinterlegten Referenzwerten (wie nachfolgend noch näher erläutert). Der ermittelte Stoßeinwirkungsbereich kann dann bspw. im Fahrzeugcockpit oder in einem Werkstattdiagnosegerät angezeigt werden. Ferner können die Sensorsignale und/oder die Auswertungs- bzw. Analyseergebnisse über eine Funkverbindung auf einen zentralen Server (bspw. des Kraftfahrzeug- oder Drucktankherstellers) übertragen und dort gespeichert und/oder weiter ausgewertet werden.
  • Durch die quasi symmetrische Anordnung der beiden Schallsensoren an den sich axial gegenüberliegenden Anschlusselementen gelingt die Lokalisation einer Stoßeinwirkung besonders gut. Ferner wird die Tankhülle durch Befestigungsmaßnahmen nicht beeinträchtigt, d. h., die Integrität der Tankhülle bleibt erhalten. Bevorzugt sind die Schallsensoren mittels Schraubverbindungen, insbesondere mittels lösbarer Schraubverbindungen, an den Anschlusselementen befestigt, insbesondere an dafür vorgesehenen Positionen. Die Schraubverbindungen gewährleisten eine gute Haltbarkeit und ermöglichen zudem eine einfache Montage und Demontage. Die Schallsensoren können aber auch auf die Anschlusselemente aufgeklebt oder in sonstiger geeigneter Weise an den Anschlusselementen befestigt werden (bspw. auch mittels Klemmelementen oder dergleichen).
  • Bei den Schallsensoren handelt es sich bevorzugt um Mikrofone oder Schwingungs- bzw. Beschleunigungssensoren, welche das akustische Körperschallsignal bzw. die Körperschallschwingungen in ein elektrisches Sensorsignal umwandeln, welches dann von der Auswerteeinheit ausgewertet bzw. analysiert wird. Die Schallsensoren sind mit der Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden, bspw. über ein Bussystem des Kraftfahrzeugs.
  • Die Tankhülle des Drucktanks weist bevorzugt eine aus Metall oder Kunststoff gebildete Innenhülle (Liner) und eine aus faserverstärktem Kunststoff gebildete Außenhülle (Faserummantelung) auf. Die Anschlusselemente (auch als Mundstücke oder Bosse bezeichnet) sind bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, gefertigt, was die Schallweiterleitung und -erfassung begünstigt. Eines der Anschlusselemente kann auch als Verschlusselement (Blindboss) ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist die Auswerteinrichtung dazu ausgebildet, aus einem Zeitversatz und/oder aus einer Phaseverschiebung zwischen den Sensorsignalen beider Schallsensoren und/oder aus einem Amplitudenunterschied (bzw. aus Amplitudenunterschieden) zwischen den Sensorsignalen beider Schallsensoren den Bereich der Stoßeinwirkung zu ermitteln bzw. die Stoßeinwirkung zu lokalisieren.
  • Zur Detektion einer Stoßeinwirkung und zur Ermittlung des Bereichs der Stoßeinwirkung können Methoden der künstlichen Intelligenz verwendet werden. Die Auswerteinrichtung kann mit einem softwarebasierten Algorithmus ausgestattet sein, um aus den Sensorsignalen beider Schallsensoren eine Stoßeinwirkung zu detektieren und den Bereich der Stoßeinwirkung zu ermitteln.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Drucktankanordnung mit einem Drucktank.
    • 2 zeigt exemplarisch mit Schallsensoren am Drucktank der 1 erfasste Signalverläufe.
  • Die in 1 gezeigte Drucktankanordnung 100 umfasst einen hohlzylindrischen Drucktank 110, dessen beispielhaft mit Kuppelabschnitten ausgebildete Tankhülle 111 eine Innenhülle 112 und eine Außenhülle 113 aufweist. Die Innenhülle 112 ist aus Kunststoff oder Metall und die Außenhülle 113 ist aus faserverstärktem Kunststoff gebildet. An seinen beiden axialen Enden weist die Tankhülle 111 jeweils eine Öffnung auf, in denen direkt oder indirekt jeweils ein Anschlusselement 115 eingesetzt ist. Die Anschlusselemente 115 (auch als Mundstücke oder Bosse bezeichnet) sind aus Metall gebildet und weisen eine Anschlussbohrung zur Verbindung mit einem Ventil oder einer Anschlussleitung auf. Eines der Anschlusselemente 115 kann auch als Verschlusselement (ohne Anschlussbohrung) ausgebildet sein (sogenannter Blindboss).
  • Die Drucktankanordnung 100 umfasst ferner einen ersten Schallsensor S1 und einen zweiten Schallsensor S2, die an den Anschlusselementen 115 befestigt sind, insbesondere festgeschraubt sind, wobei pro Anschlusselement 115 auch mehr als ein Schallsensor vorgesehen sein kann. Die Drucktankanordnung 100 umfasst auch eine Auswerteeinrichtung 120, mit der die beiden Schallsensoren S1, S2 elektrisch verbunden sind.
  • Mit den Schallsensoren S1, S2 werden Schallschwingungen am Drucktank 110 erfasst. Die Schallsensoren S1, S2 erzeugen fortlaufend den Schallschwingungen entsprechende elektronische Sensorsignale u1, u2 (wobei es sich ebenfalls um Schwingungssignale handelt), die von der Auswerteinrichtung 120 ausgewertet bzw. analysiert werden. D. h., mithilfe der Schallsensoren S1, S2 und der Auswerteeinrichtung 120 kann eine permanente Überwachung des Drucktanks 110 sowohl während des Fahrzeugbetriebs als auch bei abgestelltem Kraftfahrzeug erfolgen.
  • In 1 ist mit dem Pfeil F eine lokale Stoßeinwirkung (Impact) auf den Drucktank 110 bzw. auf dessen Tankhülle 111 veranschaulicht. Wie oben bereits erläutert, führt eine solche Stoßeinwirkung F zu Schallschwingungen, die sich als Körperschall im Drucktank 110 ausbreiten und mithilfe der an den Anschlusselementen 115 befestigten Schallsensoren S1, S2 erfasst werden können. Ein plötzlicher, sich deutlich vom Grundrauschen unterscheidender Amplitudenanstieg der Sensorsignale (siehe exemplarische Darstellung der Signalverläufe in 2) ist also ein Hinweis auf eine Stoßeinwirkung, wobei aus der Amplitudenhöhe der Sensorsignale u1, u2 auch die Stoßstärke ermittelt werden kann. Übersteigt die ermittelte Stoßstärke einen definierten Schwellwert, dann ist eine kritische Beschädigung des Drucktanks 110 bzw. der Tankhülle 111 wahrscheinlich oder kann zumindest nicht ausgeschlossen werden. Wird eine Stoßeinwirkung, insbesondere eine kritische Stoßeinwirkung, erkannt bzw. detektiert, können verschiedene Maßnahmen zur Gefahrenabwehr veranlasst werden, wie oben beschrieben.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Drucktanksystem 100 ist aber nicht nur die Detektion einer Stoßeinwirkung F möglich, sondern auch die Ermittlung bzw. Bestimmung, in welchem Bereich bzw. in welchem axialen Abschnitt des Drucktanks 110 die Stoßeinwirkung F erfolgt ist. Bei einer im Wesentlichen mittigen Stoßeinwirkung F (siehe Drucktankmittellinie M) wäre die Laufzeit der Körperschallschwingungen bis zu den Schallsensoren S1, S2 identisch. Bei der in 1 dargestellten außermittigen Stoßeinwirkung F kommt es jedoch zu unterschiedlichen Laufzeiten (Laufzeitdifferenz), sodass die Sensorsignale u1, u2 bezüglich des plötzlichen Amplitudenanstiegs einen Zeitversatz V aufweisen, wie in 2 veranschaulicht. (Erfolgt die Stoßeinwirkung F näher am zweiten Schallsensor S2, dann ist der Zeitversatz V negativ). Ferner ist der Amplitudenanstieg des zweiten Sensorsignals u2 geringer als der Amplitudenanstieg des ersten Sensorsignals u1, sodass die Sensorsignale u1, u2 einen Amplitudenunterschied A aufweisen, wie in der unteren Darstellung der 2 gezeigt. (Der Amplitudenunterschied A kann auch als Prozentwert oder dergleichen angegeben werden).
  • Aus dem Zeitversatz V und/oder aus dem Amplitudenunterschied A kann die entsprechend ausgebildete Auswerteeinrichtung 120 den Bereich B der Stoßeinwirkung F mehr oder weniger exakt ermitteln bzw. den Bereich B lokalisieren. Im Weiteren kann dann dieser Bereich gezielt inspiziert bzw. auf etwaige Beschädigungen untersucht werden.
  • Der Zeitversatz V ist dann maximal (V = Vmax), wenn die Stoßeinwirkung F in der Nähe des ersten Schallsensors S1 erfolgt (oder alternativ in der Nähe des zweiten Schallsensors S2). Der Bereich B der Stoßeinwirkung F kann anhand des in 1 angegebenen Abstands X zur Mittellinie M angegeben werden. Bei bekanntem maximalen Zeitversatz Vmax und bei bekannter axialer Drucktanklänge L kann der Wert X zumindest näherungsweise aus der Beziehung 0,5.L / Vmax = X / V berechnet werden, wobei auch andere Berechnungsmethoden möglich sind. Alternativ oder ergänzend kann der Zeitversatz V und/oder der Amplitudenunterschied A mit vorab ermittelten Referenzwerten verglichen und durch entsprechende Zuordnung der Stoßeinwirkungsbereich B ermittelt bzw. bestimmt werden.
  • Die Drucktankanordnung 100 kann mehrere Drucktanks umfassen, an deren Anschlusselementen jeweils wenigstens ein mit der Auswerteeinrichtung 120 verbundener Schallsensor befestigt ist. Bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung 120 dann auch dazu vorgesehen und entsprechend ausgebildet, an jedem einzelnen Drucktank eine Stoßeinwirkung F detektieren und den Bereich B der Stoßeinwirkung F ermitteln zu können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006033905 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Drucktanksystem (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: -wenigstens einen hohlzylindrischen Drucktank (110) zur Speicherung von Brennstoff, der eine starre Tankhülle (111) und zwei an den axialen Enden der Tankhülle (111) angeordnete Anschlusselemente (115) aufweist; - wenigstens einen ersten Schallsensor (S1), der an einem der Anschlusselemente (115) befestigt ist, und wenigstens einen zweiten Schallsensor (S2), der an dem anderen Anschlusselement (115) befestigt ist; - eine Auswerteinrichtung (120), die dafür vorgesehen ist, aus den Sensorsignalen (u1, u2) der beiden Schallsensoren (S1, S2) sowohl eine Stoßeinwirkung (F) auf die Tankhülle (111) zu detektieren als auch den Bereich (B) der Stoßeinwirkung (F) zu ermitteln.
  2. Drucktanksystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankhülle (111) des Drucktanks (110) eine aus Metall oder Kunststoff gebildete Innenhülle (112) und eine aus faserverstärktem Kunststoff gebildete Außenhülle (113) aufweist.
  3. Drucktanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (115) aus Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet sind.
  4. Drucktanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsensoren (S1, S2) mittels Schraubverbindungen an den Anschlusselementen (115) befestigt sind.
  5. Drucktanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, aus einem Zeitversatz (V) und/oder einer Phaseverschiebung zwischen den Sensorsignalen (u1, u2) der beiden Schallsensoren (S1, S2) den Bereich (B) der Stoßeinwirkung (F) zu ermitteln.
  6. Drucktanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, aus einem Amplitudenunterschied (A) zwischen den Sensorsignalen (u1, u2) der beiden Schallsensoren (S1, S2) den Bereich (B) der Stoßeinwirkung (F) zu ermitteln.
  7. Drucktanksystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (120) mit einem softwarebasierten Algorithmus ausgestattet ist, um aus den Sensorsignalen (u1, u2) der beiden Schallsensoren (S1, S2) eine Stoßeinwirkung (F) zu detektieren und den Bereich (B) der Stoßeinwirkung (F) zu ermitteln.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb oder einem Erdgasantrieb und mit einem Drucktanksystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006033905A1 (de) 2006-07-19 2008-01-31 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Verfahren zur Beurteilung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff mittels Schallemissionsprüfung
EP3812643A1 (de) 2018-06-22 2021-04-28 JFE Steel Corporation Verfahren zur herstellung eines druckakkumulators

Patent Citations (2)

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