用于替代性燃料车辆的补充燃料适配器和补充燃料方法

与相关申请的交叉引用

本申请要求2021年9月6日提交的德国专利申请No.102021209795.2的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及一种用于替代性燃料车辆的补充燃料适配器、具有这种适配器的替代性燃料车辆以及用于为替代性燃料车辆补充燃料的方法。

背景技术

由于环境问题、高油价以及石油峰值可能性等等因素的综合作用，开发更清洁的替代性燃料和先进的车辆动力系统已经成为世界各地许多政府和车辆制造商的高度优先事项。因此，近年来已经越来越多地关注涉及替代性燃料的替代性燃料车辆的各种解决方案。这方面的一个具体例子是使用氢燃料作为动力的氢动力车辆。这种车辆通常通过在内燃机中燃烧氢或者通过在燃料电池中使氢与氧发生反应来将氢的化学能转换为机械能，以为电动机提供动力。

原则上，氢动力车辆可以在补充氢燃料站重新加注，就像可以在加油站重新加注石油或其他燃料一样。目前，世界上主要有两种常用的加注压力，一种是H70或700巴标准，另一种是H35或350巴标准。这两个标准互不兼容，例如，当设计用于700巴系统的车辆要在350巴补充燃料站重新加注时，这就造成了障碍。一方面，如果有可能的话，机械地将这种车辆连接到补充燃料站是有问题的。另一方面，这种连接会引起安全问题，这是因为由于350巴的补充燃料站配备了高流量喷嘴并且没有预冷，因此加注过程中的燃料预计会有较高温度。此外，这种补充燃料站目前没有配备红外通信，这意味着车辆将无法在过热情况下自动终止补充燃料过程。一些公司提供复杂的配料解决方案，使两个压力范围的车辆能够在尽可能短的时间内在一个供料机单元上补充燃料。因此，在一个集成供料机单元中设置了分别用于每个压力范围的两个加注单元。

发明内容

因此，有必要开发一种用于替代性燃料车辆的简化但灵活的补充燃料解决方案。相应地，本发明提供根据权利要求1的补充燃料适配器、根据权利要求11的替代性燃料车辆以及根据权利要求12的方法。

根据本发明的一方面，一种用于替代性燃料车辆的补充燃料适配器可以包括：第一加注口，其配置为流体联接至替代性燃料车辆的燃料箱的入口喷嘴，其中，所述第一加注口配置为适合第一供料类型的入口喷嘴；第二加注口，其配置为流体联接至替代性燃料供料机(特别是替代性燃料泵)的供料机喷嘴，其中，所述第二加注口配置为适合第二供料类型的供料机喷嘴，所述第二供料类型不同于所述第一供料类型；适配器控制器，其配置为与替代性燃料车辆的车辆燃料供应系统进行通信；以及阀，其提供所述第一加注口和所述第二加注口之间的流体连接，并且通过所述适配器控制器来操作以选择性地打开和关闭所述流体连接。

根据本发明的另一方面，一种替代性燃料车辆可以包括根据本发明的补充燃料适配器。根据本发明的又一方面，一种用于为替代性燃料车辆补充燃料的方法可以包括：将补充燃料适配器的第一加注口流体联接至替代性燃料车辆的燃料箱的入口喷嘴，其中，所述第一加注口配置为适合第一供料类型的入口喷嘴；将补充燃料适配器的第二加注口流体联接至替代性燃料供料机(特别是替代性燃料泵)的供料机喷嘴，其中，所述第二加注口配置为适合第二供料类型的供料机喷嘴，所述第二供料类型不同于所述第一供料类型；通过补充燃料适配器的适配器控制器而与替代性燃料车辆的车辆燃料供应系统进行通信；操作补充燃料适配器的阀，所述阀提供所述第一加注口和所述第二加注口之间的流体连接，通过所述适配器控制器来选择性地打开和关闭所述流体连接。

本发明的一个想法是提供一种适配器，在两个供料系统事先互不兼容的情况下，所述适配器可以用作加注站的中介物以在燃料供料机处为车辆补充燃料。因此，适配器可以同线地安装在车辆的入口喷嘴和燃料供料机的供料机喷嘴之间，以使车辆和燃料供料机的不兼容的供料类型相匹配。所述适配器可以配置为具有作为第一加注口的供料机侧插座和作为第二加注口的车辆侧插座的插入式装置。适配器可以例如由加注站的操作员提供。可替代地，或者另外，车辆操作员可以随车携带这种适配器。原则上，适配器也可以安装在车辆内。

因此，本发明提供一种简化但高度实用的解决方案，该解决方案可以改进和/或用作现场补救措施，以使本身不兼容的不同的供料系统彼此适应。适配器控制器可以配置为调节车辆和燃料供料机之间的流体连接的打开和关闭并且可以与车辆的供料系统通信。相应地，由于在紧急情况和/或故障的情况下，过程可以被中断和/或禁止，因此可以以故障-安全(fail-safe)的方式整合补充燃料过程。由此，根据各自的使用情况和可用的配料系统(例如，用于长途旅行、展示项目等等)，可以在更大范围内使用替代性燃料车辆，并且潜在可用的加注站的数量可能会大幅增加。

在从属权利要求中会找到本发明的有益的实施方案和改进。根据本发明的实施方案，替代性燃料可以包括氢。因此，在一个特定实施方案中，本发明可以用于在事先与各车辆的加注系统不兼容的补充氢燃料站处为氢动力车辆加注。

根据本发明的实施方案，第一供料类型可以在第一标称工作压力下工作，第二供料类型可以在第二标称工作压力下工作，所述第一标称工作压力不同于所述第二标称工作压力。因此，本发明的补充燃料适配器可以使不兼容的压力系统相互匹配。

根据本发明的实施方案，所述第一标称工作压力可以是350巴，所述第二标称工作压力可以是700巴。或者，所述第一标称工作压力可以是700巴，所述第二标称工作压力可以是350巴。例如，目前欧洲没有用于商用车辆(commercial vehicles，CV)的700巴补充氢燃料站(hydrogen refueling stations，HRS)(容量>10千克)。也无法在350巴HRS(容量>10千克)处为700巴CV(容量>10千克)(例如，为大客车)补充燃料。一方面，机械上无法将这些车辆连接到HRS。另一方面并且更重要的是，这会是不安全的，因为350巴HRS主要配备有高流量喷嘴并且此外通常没有预冷，这意味着预期温度会更高。此外，这些系统(至少目前)不具备红外通信功能，因此不可能通过车辆干预(例如，在过热的情况下)来终止补充燃料过程。

然而，在本发明中，700巴CV(容量>10千克)可以在每个350巴HRS(容量>10千克)处补充燃料。本发明提供的适配器可以同线地安装在与350巴HRS的喷嘴匹配的插座和与700巴插座匹配的喷嘴之间。例如，若干350巴大客车/大货车HRS在欧盟已经是可用的了。此外，例如在瑞士，这种HRS类型的电力网正在不断增长。

根据本发明的实施方案，适配器控制器可以配置为通过红外通信与车辆燃料供应系统进行通信。例如，系统可以使用当前标准SAE J2799中描述的红外通信协议。适配器控制器可以运行等同于该标准的相应软件，以便接收和解译来自车辆侧的红外通信。

SAE J2799规定了为氢地面车辆(Hydrogen Surface Vehicles，HSV)(例如，燃料电池车辆)供料的通信硬件和软件要求，但在适当情况下也可以用于带有压缩氢储存装置的重型车辆(例如，大客车)和工业用货车(例如，叉车)。该标准包含可以用于为HSV补充燃料的通信硬件和通信协议的描述。这一标准的目的在于实现氢供料接口的协调开发和实施。

除其他外，红外通信可以用作控制措施，特别是在出现故障、压力峰值、无法接受的温度升高或其它复杂情况时，能够中断补充燃料过程。因此，过程参数和/或过程限值，包括燃料温度、最大燃料流量、压力和/或压力增加，可以通过红外接口进行通信。车辆补充燃料系统可以监控补充燃料过程的这些参数和其他参数并且可以相应地通知适配器，尤其是在出现故障的情况下或者在超过或即将超过过程限值的情况下。然后，补充燃料适配器可以相应地中断补充燃料过程和/或采取其他适当的措施。

根据本发明的实施方案，所述适配器控制器可以配置为基于从车辆燃料供应系统接收的控制信号来操作阀。在一个特定示例中，控制信号可以包括允许、禁止和/或中断补充燃料过程的指令。为此，系统可以使用各种控制功能以防止补充燃料故障，例如过热、通信中断等等情况。

根据本发明的实施方案，所述阀可以是常闭式的并且所述适配器控制器可以配置为在来自车辆燃料供应系统的控制信号包括开阀信号的情况下打开所述阀。例如，所述阀可以是或者可以包括常闭电磁阀。一旦适配器连接到燃料供料机和车辆之间，车辆就可以提交适当的指令以打开阀并开始补充燃料过程。这可以在连接适配器后自动启动。或者，适配器可以包括控制元件，例如激活开关、按钮等等，通过该控制元件，操作员可以激活所连接的适配器。然后，适配器可以启动与车辆系统的通信。

根据本发明的实施方案，补充燃料适配器可以进一步包括配置为向所述适配器控制器和/或所述阀供应电力的电源。电源可以包括例如电池或类似物。

根据本发明的实施方案，所述阀可以包括两个阀芯。第一阀芯可以配置为打开和关闭第一加注口和第二加注口之间的流体连接。第二阀芯可以将第二加注口与补充燃料适配器的排放口连接并且可以配置为在打开时绕过与第一加注口的流体连接并在排放口处排放替代性燃料。

因此，第一阀芯可以控制第一加注口和第二加注口之间的实际流体连接的打开和关闭。另一方面，第二阀芯可以用于断开适配器之前(例如，一旦车辆燃料箱被注满和/或操作员结束补充燃料过程)对系统的燃料管线进行排气。因此，只有当第一阀芯打开并且第二阀芯关闭时，适配器才能够补充燃料。可以通过关闭第一阀芯来完成或中止正在进行的补充燃料过程。另一方面，燃料供料机系统可以配置为当补充燃料期间第一阀芯关闭时检测压力峰值并且可以因此中断补充燃料。随后，可以短时间打开第二阀芯以排空适配器内残留的任何燃料。在一个特定示例中，这些阀芯中的一个或两个可以设置为(常闭)电磁阀，其可以通过补充燃料适配器的集成电源供电。

根据本发明的实施方案，所述补充燃料适配器可以进一步包括压力传感器和/或温度传感器，所述压力传感器配置为测量沿着所述流体连接的替代性燃料的流体压力，所述温度传感器配置为测量沿着所述流体连接的替代性燃料的燃料温度。所述适配器控制器可以配置为在测量到的燃料温度和/或测量到的燃料压力超过预定义的阈值和/或偏离预定义的范围的情况下操作阀。

因此，所述系统可以通过若干故障-安全(fail-safe)机制进行补充。例如，所述系统可以配置为检测压力峰值并因此中断补充燃料(例如，在补充燃料过程中由于故障、断电等等导致阀应当意外关闭时)。在另一示例中，所述系统可以配置为检测与预期温度范围的偏差。此外，所述系统可以通过相应地监测流体压力来评估排放过程是否成功。然而，应当理解，关键过程参数的监测也可以通过车辆补充燃料系统完成，所述系统例如可以通过红外接口与补充燃料适配器进行通信。

将参考所附附图中描绘的示例性实施方案来更详细地解释本发明。

附图说明

包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图被并入并且构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方案并且与说明书一起用于解释本发明的原理。本发明的其他实施方案和本发明的许多预期优点将容易领会，这是因为通过参考以下详细描述，它们将被更好地理解。附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的组件，除非另有说明。

图1示意性地描绘了根据本发明实施方案的用于为替代性燃料车辆补充燃料的补充燃料适配器。

图2示出了用于为图1的替代性燃料车辆补充燃料的方法的流程图。

图3示出了图1的补充燃料适配器的详细示意图。

尽管在本文中图示和描述了特定实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替代和/或等效实施方案代替示出和描述的特定实施方案。通常，本申请旨在涵盖本文中讨论的特定实施方案的任何修改或变化。

附图标记

1 补充燃料适配器

2 第一加注口

3 第二加注口

4 适配器控制器

5 阀

5a 第一阀芯

5b 第二阀芯

6 入口喷嘴

7 电源

8 排放口

9 电线

10 替代性燃料车辆

11 燃料供料机

12 供料机喷嘴

13 燃料管线

14 车辆燃料供应系统

15 控制元件

16 适配器壳体

17 红外接口

18 适配器拨体

19 供料机侧插座

20 车辆侧插座

21 燃料箱

22 燃料系统控制装置

23 压力传感器

24 温度传感器

M 方法

M1-M4 方法步骤。

具体实施方式

应当理解，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、大货车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。

尽管示例性实施方案描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是可以理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。此外，可以理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器并且被专门编程以执行本文描述的过程的硬件装置。存储器配置为存储模块，并且处理器特别地配置为执行所述模块来执行下面进一步描述的一个或更多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可以实施为计算机可读介质上的非易失性计算机可读介质，所述非易失性计算机可读介质包括由处理器、控制器/控制单元等运行的可执行的程序指令。计算机可读介质的示例包括但不局限于：ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡以及光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在网络联接的计算机系统中，以使计算机可读介质以分布式的形式(例如，通过远程信息处理服务器或者控制器局域网(CAN))存储和运行。

在本文中使用的术语仅仅用于描述具体实施方案，而非旨在用于限制本发明。如本文中所使用的，单数形式的“某一个”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式，除非上下文另有清楚的说明。将进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括了”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或更多种相关列举项的任何和所有组合。

除非特别声明或从上下文明显指出，在本文中所使用的术语“大约”理解为在本技术领域的正常公差范围之内，例如在平均值的2个标准差范围之内。“大约”可以被理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％的范围之内。除非上下文另有清楚的说明，术语“大约”修饰本文中提供的所有数值。

图1示意性地描绘了根据本发明实施方案的用于在燃料供料机11处为替代性燃料车辆10补充燃料的补充燃料适配器1。图2示出了用于为图1的替代性燃料车辆补充燃料的方法的流程图，而图3描绘了图1的补充燃料适配器的详细示意图。

本实施方案的替代性燃料车辆10可以是，例如，大客车、大货车或其它商用车辆或乘用车辆，其使用氢作为其主要动力源来移动。然而，应当理解，在其它实施方案中可以使用其它替代性燃料，例如天然气、液化天然气、液化石油气等等。此外，氢仅仅可以用作多种动力源之一，例如作为混合动力系统的一部分。

更具体地，车辆10可以是氢内燃机车辆(hydrogen internal combustion enginevehicle，HICEV)，它是传统的汽油动力内燃机的改进版本，在其内燃机中燃烧氢而非汽油。或者，车辆10也可以依靠燃料电池转换，其中氢通过燃料电池转化为电能，然后为电动机供电。无论采用哪种方法，废氢产生的唯一副产品是水，而且整个过程完全没有二氧化碳排放，这就是为什么氢是一种特别有吸引力的替代性燃料的原因之一。

车辆10可以包括配置为存储气态氢的燃料箱21，可以通过入口喷嘴6将气态氢加注到燃料箱21中。入口喷嘴6可以是车辆燃料供应系统14的一部分，该系统配置为符合H70或700巴标准并且将氢保持在700巴的标称工作压力下。车辆燃料供应系统14可以由燃料系统控制装置22(例如，电子控制单元(ECU))操作。

燃料供料机11可以是氢燃料泵，其中供料机喷嘴12可以用于向车辆加注气态氢。燃料供料机11可以适用于与车辆燃料供应系统14不同的供料类型。例如，燃料供料机11可以符合H35或350巴的补充氢燃料标准，该标准将氢控制在350巴的标称工作压力下。在其它实施方案中，可以采用相反的布置，其中车辆燃料供应系统14适用于350巴，而燃料供料机11适用于700巴。然而，在这两种情况下，车辆燃料供应系统14和燃料供料机11的供料类型均彼此不兼容。

例如，350巴系统的喷嘴和入口通常不会与700巴系统的相应喷嘴和入口机械适配。即使忽略这一方面，出于安全原因，这些系统也不应当相互联接，至少在没有额外措施的情况下。350巴系统通常使用高流量喷嘴而没有预冷。另一方面，700巴系统依靠预冷和正常流量喷嘴。因此，当两个系统相互联接时，一侧的高流量和另一侧的预冷缺失可能会产生过热。此外，现代的700巴系统通常适用于相应车辆和燃料供料机之间的无线红外通信，而350巴系统不具备这种能力。在700巴系统的情况下，使用红外通信作为控制措施，特别是在出现故障、压力峰值、无法接受的温度升高或其它复杂情况时，所述红外通信能够中断补充燃料过程。通过联接这些不兼容的系统，终止补充燃料过程的可能性将因此受到影响。

为了改善这种情况，本发明提供一种补充燃料适配器1，该适配器可以插在燃料供料机11的供料机喷嘴12和车辆燃料供应系统14的入口喷嘴6之间，以使两个不兼容的系统相互适应。更具体地，补充燃料适配器1可以包括位于车辆侧插座20处的第一加注口2，所述第一加注口2配置为与替代性燃料车辆10的燃料箱21的入口喷嘴6流体联接。补充燃料适配器1可以进一步包括位于供料机侧插座19处的第二加注口3，所述第二加注口3配置为与氢燃料供料机11的供料机喷嘴12流体联接。

阀5可以设置在适配器壳体16内，以使第一加注口2和第二加注口3流体连接。阀5的打开和关闭可以通过适配器控制器4(例如，电子控制器)执行，所述适配器控制器通过红外通信而与替代性燃料车辆10的车辆燃料供应系统14通信。因此，补充燃料适配器1设置有红外接口17，该接口适用于符合SAE J2799标准。因此，适配器控制器4可以配置为接收和解译从车辆燃料供应系统14发送的红外通信。然后，由车辆10发送的数据用于控制阀5。

阀5可以包括两个阀芯5a、5b，两个阀芯均配置为常闭电磁阀。如果来自车辆燃料供应系统14的控制信号包括开阀信号，第一阀芯5a可以配置为打开第一加注口2和第二加注口3之间的流体连接(图3中左侧)。第二阀芯5b可以将第二加注口3与补充燃料适配器1的排放口8连接并且可以配置为在打开时绕过与第一加注口2的流体连接并在排放口8处排放替代性燃料。如图3所示，连接阀芯5a、5b的燃料管线13可以在适配器壳体16内呈“T”形布置并且在适配器壳体16外继续作为软管。因此，第一阀芯5a可以允许、禁止或中断补充燃料过程。另一方面，如果需要，第二阀芯5b能够对系统进行排气，特别是在断开入口喷嘴6之前。

因此，图2所示的相应方法M可以包括：在步骤M1，将第一加注口2流体联接至入口喷嘴6；在步骤M2，将第二加注口3流体联接至供料机喷嘴12；在步骤M3，通过适配器控制器4与车辆燃料供应系统14通信；在步骤M4，通过适配器控制器4操作阀5，因此操作阀芯5a、5b以选择性地打开和关闭流体连接并且在排放口8处选择性地排放替代性燃料。

电磁阀芯5a、5b以及适配器控制器4通过集成在适配器1中的电源7(例如，电池或其他合适的可充电和/或可更换的电能存储装置)供应电力。适配器控制器4并且因此补充燃料适配器1可以通过手动操作的控制元件15(例如，按钮)接通和关断。控制元件15可以用状态LED或其他信令元件补充。

在所描述的实施方案中，补充燃料适配器1可以进一步任选地包括压力传感器23和温度传感器24。压力传感器23可以配置为测量沿着流体连接的替代性燃料的流体压力。温度传感器24可以配置为测量沿着流体连接的替代性燃料的燃料温度。基于这些测量值，适配器控制器4可以配置为响应于确定出测量到的燃料温度和/或测量到的燃料压力超过预定义的阈值和/或偏离预定义的范围来操作阀5。例如，可以检测到温度偏离可接受的范围并且相应地可以关闭阀。在另一示例中，可以在排放过程中监测压力以评估排放是否成功。

因此，补充燃料适配器1能够基于测量到的物理参数来评估补充燃料过程的当前状态并且可以在这些参数偏离定义的参数范围时中断补充燃料。另一方面，也可以通过车辆燃料供应系统14和/或燃料供料机11来启动补充燃料过程的终止。例如，在正进行的补充燃料过程中，当补充燃料适配器1的第一阀芯5a由于任何原因应当关闭时，(例如通过燃料供料机11的相应传感器元件)可以检测到压力峰值，然后可以停止氢的输送。

因此，可以通过将补充燃料适配器1插至车辆10的入口喷嘴6(控制元件15设置为“关断”，状态LED关断)来开始典型的补充燃料过程。接下来，可以通过将控制元件15切换至“接通”来启动补充燃料适配器1。在与车辆燃料供应系统14建立红外通信过程中，控制元件15的状态LED可以首先发出黄色光，并且只有在该过程完成时才会切换为绿色光，这表示补充燃料适配器1已做好使用的准备并且可以开始补充燃料。接下来，燃料供料机11的供料机喷嘴12可以插入补充燃料适配器1中并且开始补充燃料。一旦完成了补充燃料，就可以将供料机喷嘴12从补充燃料适配器1断开连接并且可以关断适配器1。然后，控制元件15的LED可以在有限的时间段内(例如，几秒钟)变为黄色，与此同时执行排放过程(发出嘶嘶噪声)。一旦控制元件15的LED熄灭，就可以将补充燃料适配器1从车辆10断开连接。

响应于在补充燃料过程中检测到故障或其他事故(过热、数据链路丢失等等)(第一阀芯5a关闭)，LED可以变为红色，表示补充燃料过程中断。然后，可以将供料机喷嘴12从补充燃料适配器1断开连接。然后，操作员可以等待直到LED切换回绿色，并且一旦出现将适配器1和供料机喷嘴12重新连接的情况就重试补充燃料。

在前面的详细描述中，为了简化本发明，在一个或更多个示例中将各种特征组合在了一起。应当理解，上述描述旨在是说明性的而非限制性的。旨在涵盖不同特征和实施方案的所有替代、修改和等效形式。本领域技术人员在查阅上述说明书后将清楚地理解许多其它示例。选择并描述实施方案以说明本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够利用本发明和各种实施方案并做出各种修改以适于预期的特定用途。