JP2006214512A - ガス充填異常診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】 充填設備側から車両に燃料ガスを充填する際に、燃料ガスの充填異常を的確かつ迅速に検出することを課題とする。
【解決手段】 充填設備側の充填ノズル１０４と車両側の充填口１０５とを接続し、燃料ガスの流通／遮断を制御する弁体３０３を介して充填設備側から車両に燃料ガスを供給して充填する際に、圧力センサ１１１で検出された充填設備側を流通する燃料ガスの圧力変化、圧力センサ１１５で検出された車両側を流通する燃料ガスの圧力変化、ならびに弁開閉検出センサ１１２で検出された弁体３０３の開閉状態に基づいて、燃料ガスの充填異常を検出して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体ガスを車両に充填するシステムにおいてガス充填時の異常を診断するガス充填異常診断システムに関する。

従来、高圧ガスを被充填タンクに注入する際には、例えば以下に示す特許文献１に示すようなガス充填カップリングが用いられていた。この充填カップリングでは、主弁シリンダが圧縮空気の圧力で弁部を容易かつスムーズに開弁操作することで、操作性を改善している。

また、ガスが異常に流れたときにガス流路を遮断するガス遮断装置としては、例えば以下に示す特許文献２に示すようなものが知られている。このガス遮断装置は、ガス遮断弁の電磁コイルのリアクタンス分の変化を用いてガス遮断弁が遮断されたか否かを判断することで、ガス遮断弁の開閉状態を確実に認識し、電磁コイルの断線やガス遮断弁の異常を検出している。

一方、高圧ガスの充填時に用いられる電磁弁の励磁に伴うプランジャの運動により開閉制御される電磁弁の動作状態を監視する装置としては、例えば以下に示す特許文献３に示すようなものが知られている。この装置は、電磁弁コイルの駆動開始からプランジャがストッパに衝突するまでの弁が全開するまでの時間を、電磁弁コイルに印加される電圧にしたがって定められる基準時間と比較することで、弁にゴミがつまった時でも、弁のストロークが短くなり全開時間が短くなることから、電磁弁の異常動作を確実に検出するようにしている。
特開２００４−５２９９６ 特開昭６２−２４８９２０号公報 特公昭６０−２２２２９号公報

高圧ガスを流通させる際に用いられる技術としては、従来から上述したように様々な技術が提案されていたが、例えば水素ガス等の気体ガスを燃料とする車両に、ガスステーション等の気体ガスの供給（充填）設備側から気体ガスを充填するような、気体ガスの充填システムにおいて、充填時の異常を検出して診断する技術の提案はなされていなかった。したがって、例えば水素ガスを燃料とする燃料電池車両の将来的な普及に伴って、気体ガスの充填時の安全を向上させる観点から、異常を確実かつ迅速に検出する技術が切望されていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気体ガスの充填時における異常を確実かつ迅速に検出して診断できるガス充填異常診断システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、開閉動作により燃料ガスの流通／遮断を制御する弁体を介して充填設備側から車両に燃料ガスを供給して充填する際に、充填異常を診断するガス充填異常診断システムにおいて、前記充填設備側を流通する燃料ガスの圧力変化、前記車両側を流通する燃料ガスの圧力変化、ならびに前記弁体の開閉状態に基づいて、燃料ガスの充填異常を検出することを特徴とする。

本発明によれば、充填設備側の燃料ガスの圧力変化、車両側の燃料ガスの圧力変化、ならびに弁体の開閉状態に基づいて、燃料ガスの充填異常を検出することで、燃料ガスの充填異常を的確かつ迅速に検出して診断することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係るガス充填異常診断システムの構成を示す図である。図１に示すシステムは、例えば水素等の気体ガスを燃料とする車両に、気体ガスの供給元となる例えばガスステーション等の充填設備側から燃料ガスを供給充填する際に、燃料ガスの充填異常を診断するシステムであり、充填設備側制御装置１００、車両側制御装置１０１、車両側の燃料貯蔵容器となる燃料タンク１０３、充填ノズル１０４、圧力制御バルブ１０６、遮断弁１０７、外気温度センサ１０９、温度センサ１１０，１１４、圧力センサ１１１，１１５、弁開閉検出センサ１１２、脱着検出センサ１１３を備えて構成されている。

充填設備側制御装置１００は、充填設備側に設けられて、充填設備側の動作を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。充填設備側制御装置１００は、外気温度センサ１０９、温度センサ１１０、圧力センサ１１１からの検出信号を読み込み、読み込んだ信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、圧力制御バルブ１０６を含む燃料ガスの充填に必要な各構成要素に指令を送り、充填設備側の燃料充填動作ならびに診断動作を統括管理して制御する。

車両側制御装置１０１は、燃料ガスが充填される車両側に設けられ、車両側の燃料充填動作を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。車両側制御装置１０１は、弁開閉検出センサ１１２、脱着検出センサ１１３、温度センサ１１４ならびに圧力センサ１１５からの検出信号を読み込み、読み込んだ信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、遮断弁１０７を含む燃料の充填に必要な各構成要素に指令を送り、車両側の燃料充填動作ならびに診断動作を統括管理して制御する。

充填設備側制御装置１００と車両側制御装置１０１とは、充填設備側に設けられた通信ケーブル１０８を介して電気的に接続可能となり、この通信ケーブル１０８を介して両装置間で相互に情報が伝達される。

燃料タンク１０３は、燃料ガスが充填される車両側に設けられ、充填設備側から供給された燃料を貯蔵する。

充填ノズル１０４は、図１ならびに図２に示すように、充填設備側２００の燃料ライン１０２の先端部に設けられ、車両２０１側の燃料ライン１０２の先端部に設けられた充填口１０５に着脱自在に接続される。図３に充填ノズル１０４と充填口１０５が接続された状態の断面を示す。

図３において、充填ノズル１０４と充填口１０５の略中心に燃料ガスが流通する流路３０２が設けられ、この流路３０２の充填口１０５には、鉄心で構成されて、流路３０２における燃料の流通／遮断を制御する弁体３０３が設けられている。弁体３０３にはバネ３０１が設けられ、正常時に燃料が流通していない場合には、このバネ３０１の弾性による逆止弁構造をなす弁体３０３で流路３０２が閉路状態に保持される。一方、充填設備側から加圧された燃料が供給されると、弁体３０３が燃料流通方向（図３の矢印で示す方向）に移動して、充填設備側から供給された燃料が車両側に流通する。

充填口１０５には、弁体３０３の周囲にソレノイド３０４が設けられている。ソレノイド３０４は、車両側制御装置１０１から駆動電流が供給制御されて磁界を形成し、形成した磁界により弁体３０３を強制的に移動させ、燃料の流路３０２を閉路状態にさせて燃料ガスの流通を遮断する。一方、燃料の流通圧力もしくはバネ３０１の弾性等の外力により弁体３０３が動いた際には、弁体３０３の移動により誘導起電力がソレノイド３０４に発生し、この誘導起電力の信号を車両側制御装置１０１で増幅して検出することで、弁体３０３の開閉が検出できる。したがって、弁体３０３ならびにソレノイド３０４で弁体開閉センサ（ｓｗ１）１１２（弁開閉検出手段）が構成される。

また、充填口１０５には、脱着検出センサ（ｓｗ２）１１３（接続検出手段）が設けられている。この脱着検出センサ１１３は、充填ノズル１０４と充填口１０５とが接続されたか否かを検出する。

図１に戻って、燃料ライン１０２の充填ノズル１０４よりも上流側には、圧力制御バルブ１０６が設けられている。この圧力制御バルブ１０６は、充填設備側制御装置１００の制御の下に充填設備側から送出される燃料ガスの圧力を制御する。圧力制御バルブ１０６と充填ノズル１０４との間の燃料ライン１０２には、温度センサ１１０ならびに圧力センサ１１１が設けられている。温度センサ１１０は、圧力制御バルブ１０６と充填ノズル１０４との間の燃料ライン１０２を流通する燃料ガスの温度を検出し、検出した温度を充填設備側制御装置１００に与える。圧力センサ１１１は、圧力制御バルブ１０６と充填ノズル１０４との間の燃料ライン１０２を流通する燃料ガスの圧力を検出し、検出した圧力を充填設備側制御装置１００に与える。

車両側の充填口１０５と燃料タンク１０３との間の燃料ライン１０２には、遮断弁１０７が設けられている。この遮断弁１０７は、車両側制御装置１０１の制御の下に開閉制御され、車両側の充填口１０５と燃料タンク１０３との間の燃料ライン１０２を流通／遮断制御する。

遮断弁１０７と燃料タンク１０３との間の燃料ライン１０２には、圧力センサ１１５が設けられている。この圧力センサ１１５は、遮断弁１０７と燃料タンク１０３との間の燃料ライン１０２を流通する燃料ガスの圧力を検出する。検出された圧力は、車両側制御装置１０１に与えられる。

燃料タンク１０３内には、温度センサ１１４が設けられている。この温度センサ１１４は燃料タンク１０３内の温度を検出する。検出された温度は、車両側制御装置１０１に与えられる。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、燃料ガス充填時の異常診断の手順を説明する。

図４において、先ず気体ガスの供給元となる充填設備側の例えばガスステーションにおいて、気体ガスを燃料とする車両は、図２に示すように充填設備側制御装置１００と車両側制御装置１０１とを通信ケーブル１０８で接続するとともに、充填設備側の充填ノズル１０４を車両側の充填口１０５に接続し、その後脱着検出センサ１１３で充填ノズル１０４と充填口１０５との接続が検出されたか否かを判別する（ステップＳ１）。脱着検出センサ１１３で充填ノズル１０４と充填口１０５とが図３に示すように接続されたことが検出されると、燃料充填時における異常診断を開始するとともに、燃料ガスの充填を開始する（ステップＳ２）。

燃料ガスの充填作業では、先ず車両側の遮断弁１０７を開き、車両側制御装置１０１から充填設備側制御装置１００に充填許可信号を送って充填の開始を指令する。充填設備側では、充填ポンプ（図示せず）を駆動し、あるいは圧力制御バルブ１０６を開弁し、充填ポンプの駆動力又は圧力制御バルブ１０６の開度を調整制御することで燃料ガスの送出圧力を調整して燃料ガスを車両側に送出する（ステップＳ３）。

本発明の燃料ガスの充填システムでは、前提として充填時の断熱圧縮によりガス温度が上昇しても、燃料タンク１０３が耐熱温度以下となるように、温度センサ１１４で燃料タンク１０３内の温度を検出し、充填設備側の燃料ガスの供給圧力を制御しながら燃料タンク１０３内の燃料ガスの圧力を上昇させている。

このため、圧力センサ１１１で検出された、充填ノズル１０４の上流側の燃料ガスの圧力（Ｐ０）は、正常時には図５（ａ）に示すようなプロファイルで上昇する一方、燃料タンク１０３内の圧力（Ｐ１）は、同図（ａ）に示すように充填設備側の燃料ガスの圧力（Ｐ０）変化に追従して上昇するようになる。このとき、燃料タンク１０３側の圧力上昇速度（ΔＰ１／Δｔ）は、充填設備側の圧力上昇速度（ΔＰ０／Δｔ）に比べてほぼ同等もしくは多少速めになるように設定される。

燃料タンク１０３への燃料ガスの充填中は、燃料ガスの圧力が時間的に変化（上昇）している状態なので、充填系の圧力変化を検出しただけでは、充填系の異常を検出することは困難となる。しかし、本発明は充填設備側と車両側の双方の燃料ガスの圧力上昇速度（圧力変化）を比較することで、燃料充填中の異常を検出すると共に、弁開閉検出センサ（ｓｗ１）１１２ならびに脱着検出センサ（ｓｗ２）１１３により異常の箇所を特定するようにしている。

燃料ライン１０２を介して燃料ガスが充填設備側から車両に送出されると、上述したように、充填設備側（圧力制御バルブ１０６〜充填ノズル１０４間）の圧力変化、すなわち充填設備側の燃料ガスの圧力上昇速度（ΔＰ０／Δｔ）と、車両側（遮断弁１０７〜燃料タンク１０３間）の圧力変化、すなわち燃料タンク１０３側の燃料ガスの圧力上昇速度（ΔＰ１／Δｔ）とを比較する（ステップＳ４）。比較結果において、ΔＰ０／Δｔ≦ΔＰ１／Δｔが成立している場合には、燃料ガスは正常に充填されているものと判断する一方、図５（ｂ）に示すようにΔＰ０／Δｔ≦ΔＰ１／Δｔが成立していない場合、すなわちΔＰ０／Δｔ＞ΔＰ１／Δｔである場合には、燃料ガス供給系に異常があると推定する。

先のステップＳ４で異常があると推定した場合には、車両側制御装置１０１は充填口１０５のソレノイド３０４に、弁体３０３を強制的に閉弁するための駆動電流を供給する。その後、弁開閉検出センサ１１２で弁体３０３の閉弁が検出されたか否かを判別する（ステップＳ５）。判別の結果、弁開閉検出センサ１１２で弁体３０３の閉弁が検出されなかった場合には、弁体３０３に異常があると推定し、車両側制御装置１０１は、充填設備側制御装置１００に充填不可信号を送信して燃料ガスの送出を停止させるとともに、遮断弁１０７を閉弁し、弁体３０３に異常がある旨の警報を車両側で発する（ステップＳ８）。

弁体３０３は、燃料充填系の中でも車外の雰囲気中にさらされる場合が多いため、弁体３０３の異常とは、車外の雰囲気で弁体３０３の外気へ露出した部分に付着した異物が可動部分へ噛みこんで弁体３０３が固着する状態が考えられる。充填ノズル１０４内の弁体３０３は、ソレノイド３０４に駆動電流を流さない場合にはバネ３０１による逆止弁になっており、充填設備側からの燃料ガスの流通圧力によって開弁するが、弁体３０３が開く瞬間に弁体３０３に付着した異物が弁体３０３に噛みこみ固着する場合がある。

また、燃料ガスの充填中においても微少な圧力変動により弁体３０３が動くが、閉弁に近い状態または完全に閉弁状態にあるときに異物が混入して弁体３０３が固着すると、弁体３０３が絞られた状態で固着してしまうおそれがある。このような場合には、燃料ガスの車両側の圧力上昇速度は設備側の圧力上昇速度に比べて遅くなり、またはゼロとなる。

さらに、先のステップＳ３で充填設備側で充填を開始した時点ですでに弁体３０３が固着している場合や、何らかの原因でソレノイド３０４に駆動電流が流れたままになっている場合にも、同様に燃料ガスの車両側の圧力上昇速度は設備側の圧力上昇速度に比べて遅くなる。なお、このような場合に、後述するステップＳ１３〜Ｓ１５の手順処理で予め弁体３０３の固着が判明している場合には、充填前、例えば充填口１０５を充填ノズル１０４に接続する前に警報を発し、充填前に充填口１０５を検査できるようにしてもよい。

次に、先のステップＳ５の判別の結果、弁開閉検出センサ１１２で弁体３０３の閉弁が検出されて、弁体３０３の閉弁を確認した場合には、圧力センサ１１５で遮断弁１０７と燃料タンク１０３間の燃料ガスの圧力Ｐ１が減少しているか否かを判別する（ステップＳ６）。

判別の結果、燃料ガスの圧力Ｐ１が減少していない場合には、例えば充填設備側の燃料ライン１０２や充填ノズル１０４等の充填設備側に異常があるものと推定し、車両側制御装置１０１は、充填設備側制御装置１００に充填不可信号を送信して燃料ガスの送出を停止させるとともに、遮断弁１０７を閉弁し、充填設備側に異常がある旨の警報を車両側で発する（ステップＳ７）。

一方、先のステップＳ７の判別結果において、圧力Ｐ１が減少している場合には、充填口１０５と燃料タンク１０３との間に異常があると推定し、遮断弁１０７を閉じる（ステップＳ９）。

その後、圧力センサ１１５で燃料ガスの圧力Ｐ１が依然として減少しているか否かを判別する（ステップＳ１０）。判別の結果、遮断弁１０７を閉じたにもかかわらず圧力Ｐ１が減少している場合には、遮断弁１０７と燃料タンク１０３間の燃料ライン１０２に異常があると推定する一方（ステップＳ１１）、圧力Ｐ１が減少しない場合には、充填口１０５と遮断弁１０７との間の燃料ライン１０２に異常があると推定し（ステップＳ１２）、充填系の異常箇所を特定する。また、いずれの場合でも、燃料ガスの充填作業を停止し、車両側および／または設備側で異常個所を特定した警報を出力する。

これにより、燃料ガスの充填時の異常が、充填口１０５の弁体３０３に起因するものなのか、もしくは他の充填系の箇所に原因があるものなのかを的確かつ迅速に診断することができる。また、異常が検出された場合には、速やかに充填を停止するとともに警報を発することで、充填の安全性を向上させることができる。さらに、異常箇所を報知することで、異常箇所の特定が速やかに推定され、異常箇所の特定に労力を費やすことが回避される。

一方、先のステップＳ１で通信ケーブル１０８が車両側制御装置１０１に接続されておらず、かつ充填ノズル１０４が充填口１０５に接続されていない場合、すなわち燃料ガスの非充填時に、車両側の充填系の異常診断を行うことも可能である（ステップＳ１３）。この場合には、ソレノイド３０４に駆動電流を供給し、弁開閉検出センサ（ｓｗ２）１１２で弁体３０３が閉弁したか否かかを判別する（ステップＳ１４）。弁開閉検出センサ１１２で弁体３０３の閉弁が検出されなかった場合には、弁体３０３が開固着しているものと推定し、この旨警報を発する（ステップＳ１５）。これにより、燃料ガスの充填後の遮断弁１０７と充填口１０５間の燃料ライン１０２の燃料ガスが車内に洩れることに対して警報を発することができる。

本発明の実施例１に係るガス充填異常診断システムの構成を示す図である。 充填設備側の充填ノズルと車両側の充填口との接続の様子を示す図である。 充填ノズルと充填口との接続状態を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る異常診断動作の手順を示すフローチャートである。 充填時における燃料ガスの圧力上昇速度の変化を示す図である。

符号の説明

１００…充填設備側制御装置
１０１…車両側制御装置
１０２…燃料ライン
１０３…燃料タンク
１０４…充填ノズル
１０５…充填口
１０６…圧力制御バルブ
１０７…遮断弁
１０８…通信ケーブル
１０９…外気温度センサ
１１０，１１４…温度センサ
１１１，１１５…圧力センサ
１１２…弁開閉検出センサ
１１３…脱着検出センサ
２００…充填設備側
２０１…車両
３０１…バネ
３０２…流路
３０３…弁体
３０４…ソレノイド

Claims (5)

1. 開閉動作により燃料ガスの流通／遮断を制御する弁体を介して充填設備側から車両に燃料ガスを供給して充填する際に、充填異常を診断するガス充填異常診断システムにおいて、
   前記充填設備側を流通する燃料ガスの圧力変化、前記車両側を流通する燃料ガスの圧力変化、ならびに前記弁体の開閉状態に基づいて、燃料ガスの充填異常を検出する
   ことを特徴とするガス充填異常診断システム。
2. 開閉動作により燃料ガスの流通／遮断を制御する弁体を介して充填設備側から車両に燃料ガスを供給して充填する際に、充填異常を診断するガス充填異常診断システムにおいて、
   前記充填設備側における燃料ガスの充填流路と前記車両側における燃料ガスの充填流路との接続状態を検出する接続検出手段と、
   前記弁体の開閉状態を検出する弁開閉検出手段と、
   前記車両における燃料ガスの充填流路を車両側の制御の下に開閉制御する遮断弁と、
   前記遮断弁と充填された燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとの間の前記充填流路を流通する燃料ガスの圧力を検出する車両側圧力検出手段と、
   前記充填設備側から送出された燃料ガスの圧力を検出する設備側圧力検出手段とを備え、
   燃料ガスの充填時に、前記接続検出手段で検出された接続状態、前記弁開閉検出手段で検出された前記弁体の開閉状態、前記遮断弁の開閉状態、前記設備側圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力変化、ならびに前記車両側圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力変化に基づいて、燃料ガスの充填異常を検出する
   ことを特徴とするガス充填異常診断システム。
3. 前記設備側圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力変化における圧力上昇速度が、前車両側圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力変化における圧力上昇速度を上回った場合に、燃料ガスの充填異常を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載のガス充填異常診断システム。
4. 前記弁開閉検出手段で検出された前記弁体の開閉状態、前記遮断弁の開閉状態、ならびに前記車両側圧力検出手段で検出された燃料ガスの圧力変化に基づいて、異常箇所を特定する
   ことを特徴とする請求項３記載のガス充填異常診断システム。
5. 前記弁開閉検出手段で検出された前記弁体の開閉状態に基づいて、充填異常は前記弁体の固着故障と推定する
   ことを特徴とする請求項３記載のガス充填異常診断システム。

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