Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens in einem

Kolbendruckspeicher mittels Induktivsensoren sowie geeignet ausgebildeter Kolbendruckspeicher

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers. Ferner betrifft die

Erfindung einen geeignet ausgebildeten Kolbendruckspeicher. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überprüfen einer Information über einen Ladezustand eines Kolbendruckspeichers sowie eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen eines Kolbendruckspeichers.

Stand der Technik

Kolbendruckspeicher werden dazu verwendet, um Energie zu speichern, indem ein Fluid durch die Kompression von Gas unter Druck gespeichert wird.

Beispielsweise werden bei Hydraulikhybridfahrzeugen Kolbendruckspeicher dazu verwendet, Energie, die beispielsweise beim Abbremsen von Rädern erzeugt wird, zu speichern und diese beispielsweise beim nachfolgenden Beschleunigen des Fahrzeugs wieder zur Verfügung zu stellen.

Bei einem Kolbendruckspeicher kann in einem beispielsweise zylindrischen Gehäuse ein darin verlagerbarer Kolben als Trennelement zwischen zwei Teilvolumina des Kolbendruckspeichers vorgesehen sein. In eines der

Teilvolumina kann ein komprimierbares Gas eingeleitet werden. In das andere Teilvolumen kann ein nicht komprimierbares Fluid eingeleitet werden.

Insbesondere das nicht komprimierbare Fluid kann durch ein geeignetes Ventilsystem in das entsprechende Teilvolumen ein- und daraus wieder abgeleitet werden, um Energie mechanisch durch Komprimieren des

komprimierbaren Gas zu speichern bzw. wieder freizusetzen.

DE 10 2010 001 200 AI beschreibt einen herkömmlichen Kolbendruckspeicher.

Um einen Ladezustand (State Of Charge, SOC) des Kolbendruckspeichers bestimmen zu können, d.h. um bestimmen zu können, wie viel Energie aktuell in dem Kolbendruckspeicher gespeichert ist, können Messgrößen, die den

Energiegehalt determinieren, wie zum Beispiel der in dem Kolbendruckspeicher herrschende Druck und die dabei vorherrschende Temperatur, gemessen werden. Eine solche Druck- und Temperaturmessung ist mit einfachen Sensoren möglich.

Allerdings wurde beobachtet, dass insbesondere unter dynamischen

Betriebsbedingungen aufgrund z.B. einer Latenzzeit der Temperaturmessung zum Teil große Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Ladezustands auftreten können.

Alternativ kann der Ladezustand eines Kolbendruckspeichers anhand der aktuellen Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses des

Kolbendruckspeichers ermittelt werden. Die Position des Kolbens kann herkömmlich beispielsweise durch Endlagenschalter ermittelt werden, die z.B. mittels einer Schaltstange die Endposition des Kolbens an einem und/oder anderen Ende des Speichers innerhalb des Gehäuses des Kolbendruckspeichers ermitteln. Alternativ kann der Weg bzw. Ort des Kolbens innerhalb des Gehäuses beispielsweise mittels einer Kolbenstange, einem Seilzugmesssystem oder einem Ultraschallwegmesssystem sensiert werden.

Derartige Systeme zum Bestimmen der aktuellen Position des Kolbens erfordern jedoch einen hohen baulichen Aufwand. Insbesondere kann es nötig sein,

Bauteile wie zum Beispiel Endlagenschalter oder eine Kolbenstange in das Innenvolumen des Kolbendruckspeichers zu integrieren, wobei es nötig sein kann, solche Bauteile nach außen hin mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden.

Offenbarung der Erfindung Das hierin vorgeschlagene Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers sowie ein entsprechend ausgestatteter Kolbendruckspeicher können es ermöglichen, die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers mit hoher Genauigkeit und trotzdem geringem baulichen Aufwand zu bestimmen.

Außerdem kann anhand der derart bestimmten Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers eine Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers ermittelt und damit eine auf andere Weise erhaltene

Information über diesen Ladezustand überprüft werden. Die Ladezustandsüberwachung des Kolbendruckspeichers kann damit zuverlässiger werden. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kolbendruckspeicher vorgeschlagen, bei dem sich ein Kolben innerhalb eines Gehäuses verlagern lässt. Außen an einer Mantelfläche des Gehäuses ist dabei wenigstens ein Induktivsensor angeordnet, der dazu ausgelegt ist, eine Bewegung des Kolbens, der mit einem elektrisch leitfähigen und/oder ferromagnetischen Material ausgebildet ist, im Innern des Gehäuses aufgrund von elektromagnetischer

Induktion zu detektieren.

Ein solcher Kolbendruckspeicher ermöglicht ein Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers mit Hilfe des außen an dem Gehäuse angebrachten Induktivsensors. Die Position des

Kolbens kann dabei aus einer sich ändernden elektromagnetischen Induktion aufgrund des sich im Innern des Gehäuses bewegenden Kolbens abgeleitet werden. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Kolbendruckspeichers bzw. des damit durchführbaren vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung der aktuellen Kolbenposition kann darin gesehen werden, dass keine Messsensoren oder anderen Bauelemente innerhalb des Speichervolumens des

Kolbendruckspeichers angeordnet zu werden brauchen. Zum Bestimmen der aktuellen Position des Kolbens können ein oder mehrere Induktivsensoren außen an dem Gehäuse des Kolbendruckspeichers angeordnet werden. Mit Hilfe des Induktivsensors bzw. der Induktivsensoren kann eine sich im Inneren des Gehäuses ändernde Position des Kolbens detektiert werden. Der bzw. die Induktivsensoren können dabei aufgrund einer Messung der

magnetischen Induktion die Gegenwart bzw. eine Bewegung des Kolbens im Innern des Gehäuses erkennen.

Ein Induktivsensor kann dabei verschiedene physikalische Messprinzipien einsetzen und kann insbesondere auf elektromagnetischer Induktion, einer Dämpfung oder einer Frequenzänderung eines Schwingkreises bzw. einer Spule beruhen.

Beispielsweise kann der Induktivsensor als Differentialtransformator, induktiver Wegaufnehmer, Wirbelstromsensor oder induktiver Näherungsschalter ausgebildet sein.

Der Induktionssensor misst allgemein beispielsweise in der Nähe einer

Messspule eine Veränderung des magnetischen Feldes aufgrund eines sich bewegenden, elektrisch leitfähigen und/oder ferromagnetischen Objekts.

Aufgrund seiner auf dem Induktionsgesetz beruhenden Arbeitsweise kann der Induktivsensor eine Bewegung des Kolbens daher berührungslos und somit verschleißfrei messen.

Konkret auf den hier vorgeschlagenen Kolbendruckspeicher bezogen kann ein Induktivsensor beispielsweise ein elektromagnetisches Feld aussenden, welches in einem sich vorbeibewegenden Kolben bzw. dem darin vorgesehenen elektrisch leitfähigen Material einen Wirbelstrom hervorruft. Einem in dem

Induktivsensor vorgesehenen Oszillator wird hierbei Energie entzogen, was mit Hilfe einer geeigneten Sensorik detektiert und in Messsignale umgesetzt werden kann. Aufgrund der von dem Induktivsensor gelieferten Messsignale kann letztendlich eine Information über die augenblickliche Position des Kolbens innerhalb des Gehäuses abgeleitet werden, wenn dieser sich am Sensor vorbeibewegt. Vorzugsweise ist das Gehäuse des Kolbenspeichers zumindest in Teilbereichen der Mantelfläche mit einem elektrisch isolierenden und/oder diamagnetischen Material ausgebildet. Durch die Wahl eines solchen Materials für das Gehäuse oder zumindest

Teilbereiche des Gehäuses kann vermieden werden, dass der außen an der Mantelfläche des Gehäuses angeordnete Induktivsensor in Bezug auf das Innere des Gehäuses elektromagnetisch abgeschirmt ist. Dadurch, dass das Gehäuse zumindest in den Teilbereichen, in denen ein

Induktivsensor an dessen Mantelfläche angeordnet ist, aus einem Material besteht, das weder elektrisch leitfähig noch selbst ferromagnetisch ist, kann bewirkt werden, dass der Induktivsensor durch eine Wandung des Gehäuses hindurch Änderungen eines Magnetfeldes, wie sie von dem sich im Innern bewegenden Kolben hervorgerufen werden, detektieren kann.

Zur präzisen Ermittlung der augenblicklichen Position des Kolbens können an der Mantelfläche des Gehäuses mehrere Induktivsensoren angeordnet sein. Je mehr Sensoren hierbei an dem Gehäuse vorgesehen werden, desto genauer kann die aktuelle Position des Kolbens im Inneren des Gehäuses detektiert werden.

Die mehreren Induktivsensoren können entlang einer Linie parallel zu einer Bewegungsrichtung des Kolbens angeordnet sein. Durch eine solche Anordnung der Induktivsensoren kann eine einfache Auswertung der von den

Induktivsensoren detektierten Messsignale erreicht werden.

Das zuvor beschriebene Verfahren zum Bestimmen einer Position des Kolbens innerhalb eines Kolbendruckspeichers kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um basierend auf der bestimmten Position des Kolbens eine Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers zu überprüfen. Ein solches

Verfahren kann in einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des

Kolbendruckspeichers ausgeführt werden.

Beispielsweise kann im Normalbetrieb des Kolbendruckspeichers dessen Ladezustand lediglich aufgrund anderer Messgrößen wie zum Beispiel einem Druck und einer Temperatur des in dem Kolbendruckspeicher gespeicherten Fluides bzw. Gases bestimmt werden. Anhand solcher einfach zu ermittelnden Messgrößen kann der Ladezustand einfach und mit im Allgemeinen

ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Allerdings kann es in gewissen Zeitabständen oder beispielsweise bei bestimmten Arbeitsbedingungen des Kolbendruckspeichers vorteilhaft sein, die derart durchgeführte

Ladezustandsmessung zu überwachen, zu kalibrieren oder zu präzisieren, indem zusätzlich eine Information über die aktuelle Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers ermittelt wird. Hierzu kann z.B. ein Berechnungsmodell mit den von den Induktivsensoren bereitgestellten Daten über die aktuelle Position des Kolbens initialisiert, kalibriert und/oder überwacht werden. Diese zusätzliche Information erlaubt eine genauere Bestimmung des Ladezustands des

Kolbendruckspeichers bzw. eine Plausibilisierung des mit anderen

Messverfahren ermittelten Ladezustands. Dies kann dazu genutzt werden, dass beispielsweise der sogenannte SOC-Swing besser ausgenutzt werden kann. Das heißt, ein Ladevorgang braucht nicht z.B. bereits bei einem Ladezustand von beispielsweise 90% beendet werden, um einen ausreichenden

Sicherheitsvorbehalt gewährleisten zu können, sondern kann beispielsweise bis zu einem Ladezustand von 98% fortgesetzt werden. Hierdurch kann der

Energieinhalt des Kolbendruckspeichers effizienter ausgenutzt werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von

Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf das Verfahren zum Bestimmen der Position des Kolbens innerhalb des Kolbendruckspeichers, teilweise mit Bezug auf das Verfahren zum Überprüfen der Information über den Ladezustand des Kolbendruckspeichers und teilweise mit Bezug auf einen entsprechend ausgestalteten Kolbendruckspeicher, beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Form miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren

Ausführungsformen der Erfindung und möglicherweise zu Synergieeffekten zu gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Zeichnung sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Figur 1 zeigt eine Seitenschnittansicht durch einen Kolbendruckspeicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Kolbendruckspeicher 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kolbendruckspeicher 1 weist ein Gehäuse 3 in Leichtbauausführung auf, das zum Großteil aus glas- oder carbonfaserverstärkten Kunststoffen (GFK bzw. CFK) besteht. Diese GFK bzw. CFK setzen sich im Wesentlichen aus elektrisch nicht-leitfähigen Glasfasern und einer nicht- leitfähigen Kunststoffmatrix, beispielsweise in Form eines Kunstharzes, zusammen. Das Gehäuse kann beispielsweise eine zylindrische Geometrie aufweisen mit einem Durchmesser von beispielsweise 10-30 cm und einer Länge von beispielsweise 50-300 cm.

Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Kolben 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material wie zum Beispiel einem Metall, z.B. Aluminium, angeordnet. Der Kolben 5 dient als Trennelement zwischen zwei Teilvolumina 7, 9 innerhalb des

Gehäuses 3 und dichtet diese gegeneinander ab. Der Kolben 5 ist dabei entlang einer Bewegungsrichtung 19, die der Mittelachse des Zylinders des Gehäuses 3 entspricht, verlagerbar, so dass die Teilvolumina 7, 9 variiert werden können.

In ein erstes Teilvolumen 7 kann beispielsweise über ein Ventilsystem 11 ein nicht-komprimierbares Fluid wie beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Öl, eingeleitet oder abgeleitet werden. In das andere Teilvolumen 9 kann über ein Ventilsystem 13 ein komprimierbares Fluid wie zum Beispiel ein Gas ein- bzw. abgeleitet werden. Der Kolben 5 kann dabei abhängig von der in das Teilvolumen 7 eingeleiteten Menge an nicht-komprimierbarem Fluid entlang der Bewegungsrichtung 23 verlagert werden und durch Aufbauen eines Drucks in dem in dem zweiten Teilvolumen 9 enthaltenen komprimierbaren Fluid Energie speichern. An einer Mantelfläche 21 des zylindrischen Gehäuses 3 des

Kolbendruckspeichers 1 ist ein oder eine Mehrzahl von Induktivsensoren 15 angeordnet. Bei Verwendung von meherer Induktivsensoren 15 sind diese hintereinander in einer Richtung parallel zu der Bewegungsrichtung 19 des Kolbens 5 angeordnet. Ein Abstand„s" zwischen benachbarten Induktivsensoren 15 in dieser Richtung kann dabei kleiner oder gleich oder größer wie eine Länge „L" des Kolbens 5 in derselben Richtung, je nachdem zum Beispiel, welche Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung des Kolbens erreicht werden sollen und welche Mindestabstände zwischen benachbarten Sensoren eingehalten werden müssen, um zu vermeiden, dass die Sensoren sich gegenseitig negativ beeinflussen.

Die Induktivsensoren 15 sind jeweils mit einer Überwachungsvorrichtung 17 verbunden und können ihre Messsignale an diese Überwachungsvorrichtung 17 übertragen. Mit den über die Länge des Kolbenspeichers 1 verteilten

Induktivsensoren 15 kann die aktuelle Position des Kolbens 5 diskret bestimmt werden.

Diese Information kann von der Überwachungsvorrichtung 17 beispielsweise dafür genutzt werden, um ein Berechnungsmodell, bei dem der Ladezustand des Kolbenspeichers 1, basierend auf physikalischen Messgrößen wie z.B. dem in dem Kolbenspeicher 1 herrschenden Druck und der dabei vorherrschenden Temperatur, berechnet wird, zu initialisieren bzw. während des Betriebs des Kolbenspeichers 1 abzugleichen und zu korrigieren. Auf diese Weise kann eine deutlich höhere Genauigkeit des berechneten Werts des aktuellen Ladezustands insbesondere unter dynamischen Betriebsbedingungen erhalten werden.