DE102007044636B4

DE102007044636B4 - Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102007044636B4
Application number: DE102007044636.7A
Authority: DE
Inventors: Franz Winter; Reiner Essinger; Thomas Vogel; Michael J. Gorman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: US9333845B2; US20080073133A1; DE102007044636A1

Abstract

Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit, umfassend: einen Rahmen (12) mit einer Mehrzahl von Rahmenelementen, wobei die Rahmenelemente ein Paar von parallelen Längsträgern (18) umfassen; eine Leistungsverteilungseinheit (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (14), und ein mit dem Brennstoffzellenstapel (14) gekoppeltes Triebsystem (16), wobei der Brennstoffzellenstapel (14) ein Außengehäuse (30) aufweist; und zwei Bügel (32), die das Außengehäuse (30) des Brennstoffzellenstapels (14) jeweils mit einem der beiden Längsträger (18) verbinden, wobei der Brennstoffzellenstapel (14) mit dem Außengehäuse (30) zwischen den beiden Längsträgern (18) angeordnet ist; wobei die Rahmenelemente zumindest einen Teil eines Unterrahmens (22) definieren und die Bügel (32) ebenfalls mit dem Unterrahmen (22) verbunden sind; wobei der Unterrahmen (22) zwei beabstandete Träger (24) und einen die beabstandeten Träger (24) miteinander verbindenden Querträger (26) umfasst; wobei das Triebsystem (16) mit jedem der beiden Bügel (32) über ein jeweiliges Dämpfungselement (50) verbunden ist, so dass das Triebsystem (16) indirekt mit den Bügeln (32) verbunden ist; wobei das Triebsystem (16) mit dem Querträger (26) über ein weiteres Dämpfungselement (50) verbunden ist; und wobei der Brennstoffzellenstapel (14) auf der von dem Querträger (26) abgewandten Seite des Triebsystems (16) angeordnet ist und sich das Außengehäuse (30) des Brennstoffzellenstapels (14) sowohl über die Oberseite des Triebsystems (16) als auch die Unterseite des Triebsystems (16) hinaus erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit.
HINTERGRUND
Kraftfahrzeuge können eine Karosserie mit einem Rahmen, einer Mehrzahl von Rädern, die von dem Rahmen getragen werden, und eine ebenfalls von dem Rahmen getragene Leistungseinheit umfassen, welche die Räder antreibt und in Rotation versetzt. Die Leistungseinheit kann zahlreiche Formen annehmen und unter anderem die einer Brennkraftmaschine oder eines Elektromotors aufweisen. Elektromotoren können aus verschiedenen Quellen gespeist werden, beispielsweise aus Batterien verschiedener Art und/oder Brennstoffzellen.
Die Druckschrift US 2002/0 189 873 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit. Das Fahrzeug umfasst einen Rahmen mit einer Mehrzahl von Rahmenelementen, wobei die Rahmenelemente ein Paar von parallelen Längsträgern umfassen. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Leistungsverteilungseinheit mit einem Brennstoffzellenstapel und ein mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppeltes Triebsystem, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Außengehäuse aufweist. Weiterhin sind zwei Bügel vorgesehen, die das Außengehäuse des Brennstoffzellenstapels jeweils mit einem der beiden Längsträger verbinden. Ferner verbindet ein Querträger die beiden Längsträger. Das Triebsystem ist mit dem Rahmen über ein Dämpfungselement verbunden.
Weitere Fahrzeuge mit Rahmenstrukturen zur Lagerung von Brennstoffzellensystemen oder Motoren sind in den Druckschriften US 5 740 876 A , DE 100 21 044 A1 , US 2005/0 079 068 A1 , WO 2007/049 127 A2 , US 2006/0 181 071 A1 und US 2004/0 090 085 A1 beschrieben, wobei die Druckschrift WO 2007/049 127 A2 erst nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug mit einer von einem Rahmen getragenen Leistungsverteilungseinheit, die einen Brennstoffzellenstapel und ein mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppeltes Triebsystem umfasst, zu schaffen, wobei die Bewegung der Leistungsverteilungseinheit relativ zu dem Rahmen verringert und die Leistungsverteilungseinheit außerdem möglichst kompakt ausgestaltet werden soll. Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit umfasst einen Rahmen mit einer Mehrzahl von Rahmenelementen, wobei die Rahmenelemente ein Paar von parallelen Längsträgern umfassen. Ferner umfasst das Fahrzeug eine Leistungsverteilungseinheit mit einem Brennstoffzellenstapel und ein mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppeltes Triebsystem, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Außengehäuse aufweist. Weiterhin sind zwei Bügel vorgesehen, die das Außengehäuse des Brennstoffzellenstapels jeweils mit einem der beiden Längsträger verbinden, wobei der Brennstoffzellenstapel mit dem Außengehäuse zwischen den beiden Längsträgern angeordnet ist. Die Rahmenelemente definieren zumindest einen Teil eines Unterrahmens und die Bügel sind ebenfalls mit dem Unterrahmen verbunden. Der Unterrahmen umfasst zwei beabstandete Träger und einen die beabstandeten Träger miteinander verbindenden Querträger. Das Triebsystem ist mit jedem der beiden Bügel über ein jeweiliges Dämpfungselement verbunden, so dass das Triebsystem indirekt mit den Bügeln verbunden ist. Das Triebsystem ist mit dem Querträger über ein weiteres Dämpfungselement verbunden. Der Brennstoffzellenstapel ist auf der von dem Querträger abgewandten Seite des Triebsystems angeordnet und das Außengehäuse des Brennstoffzellenstapels erstreckt sich sowohl über die Oberseite des Triebsystems als auch die Unterseite des Triebsystems hinaus.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Fahrzeugrahmens ist, die eine derzeit bevorzugte Ausführungsform einer von dem Fahrzeugrahmen getragenen Leistungsverteilungseinheit veranschaulicht;
2 eine Perspektivansicht ist, die eine linke Seite der Leistungsverteilungseinheit mit zugehörigen, damit verbundenen Komponenten, wie beispielsweise einem Elektrotriebsystem und einer Mehrzahl von Halterungen veranschaulicht; und
3 eine rechte Seitenansicht der Leistungsverteilungseinheit und zugehöriger Komponenten ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Zeichnungen, auf welche nun eingehender Bezug genommen wird, veranschaulicht 1 einen Abschnitt einer Fahrzeug-Leistungsverteilungseinheit 10, die von einem Fahrzeugrahmen 12 getragen wird und vorzugsweise direkt an diesem montiert ist. Die Leistungsverteilungseinheit 10 umfasst vorzugsweise einen Brennstoffzellenstapel 14 und ein Elektrotriebsystem (ETS) 16, das durch einen oder mehrere Bügel oder Halterungen mit dem Brennstoffzellenstapel 14 und dem Rahmen 12 verbunden ist. Die von dem Brennstoffzellenstapel 14 erzeugte, elektrische Energie wird durch das ETS 16, das einen Controller, einen Motor und ein Schaltgetriebe umfassen kann, in mechanische Energie umgewandelt, um eine Welle anzutreiben, die mit einem oder mehreren Rädern des Fahrzeugs verbunden ist.
Der Brennstoffzellenstapel 14 ist vorzugsweise direkt an dem Fahrzeugrahmen 12 montiert. Das ETS 16 ist vorzugsweise durch eine weiche Halterung an dem Brennstoffzellenstapel 14 und an dem Fahrzeug montiert, so dass es weder mit dem einen noch mit dem anderen starr verbunden ist. Auf diese Weise kommt es durch den Brennstoffzellenstapel 14 zu keiner nennenswerten Bewegung oder Vibration relativ zu dem Rahmen 12, wodurch das Rütteln des Fahrzeug-Vorderteils reduziert und der Fahrkomfort des Fahrzeugs erhöht werden kann. Das ETS 16 kann zwar vibrieren bzw. sich relativ zu dem Brennstoffzellenstapel und dem Fahrzeugrahmen 12 geringfügig bewegen, es ist jedoch relativ leichtgewichtig und weist eine relativ hohe Abprall- bzw. Vibrationsfrequenz auf, was eine geringere Auswirkung auf das Rütteln des Vorderteils und auf den Fahrkomfort des Fahrzeugs hat.
Wie in 1 gezeigt, kann der Rahmen 12 beabstandete und im Allgemeinen parallele Längsträger 18 aufweisen, die durch einen vorderen Quer-Tragbalken 20 und durch einen Unterrahmen 22 miteinander verbunden sind. Der Unterrahmen 22 kann ein Paar von im Allgemeinen parallelen Trägern 24 aufweisen, die im Allgemeinen vertikal unterhalb der Seitenträger 18 angeordnet sein können. Die Unterrahmenträger 24 können an einem Ende mit dem Quer-Tragbalken 20 verbunden sein und an ihrem anderen Ende mit einem Querträger 26. Demgemäß definieren diese Rahmenelemente beispielsweise ein Abteil für eine Maschine, einen Motor oder die Leistungsverteilungseinheit 10.
Die Leistungsverteilungseinheit 10 umfasst vorzugsweise den Brennstoffzellenstapel 14, der ein Außengehäuse 30 aufweist, mit welchem die Bügel 32 verbunden sind. Obere Halterungen 34 sind an dem Brennstoffzellenstapel 14 angebracht, und zwar jeweils eine an jeder der beiden entgegengesetzten Seiten davon, und eine jede kann von einem separaten Bügel 32 getragen werden. Die oberen Halterungen 34 umfassen vorzugsweise einen sich auswärts erstreckenden Schaft 36, der mit einer Platte 38 verbunden ist, die mit dem Bügel 32 verschraubt ist oder anderweitig an diesem befestigt, angebracht oder festgeklebt ist. Jeder Schaft 36 ist in einer entsprechenden Klammer 40 aufgenommen und jede Klammer 40 ist ihrerseits an die Längsträger 18 des Fahrzeugrahmens 12 angeschraubt. Beim Einbau der Leistungsverteilungseinheit 10 in das Fahrzeug können die Schäfte 36 in ihren Klammern 40 angeordnet sein, damit diese das Gewicht der Leistungsverteilungseinheit 10 tragen, wobei die Klammern 40 vorerst noch nicht an den Schäften 36 festgezogen werden. Dies erlaubt eine Bewegung bzw. Drehung der Leistungsverteilungseinheit 10 relativ zu dem Rahmen 12, um das Ausrichten und Verbinden des Bügels 32 und anderer Maschinenhalterungen an dem Rahmen 12 zu erleichtern.
Wie am besten in 2 und 3 gezeigt, umfasst jeder Bügel 32 vorzugsweise einen sich nach außen hin erstreckenden Arm 42, der einen zweiten oder vorderen Halterungsabschnitt 43 aufweist, welcher so ausgebildet ist, dass er direkt mit dem Fahrzeugrahmen 12 verbunden werden kann, beispielsweise mit einem der Träger 24 des Unterrahmens 22, und zwar im Allgemeinen im Bereich des vorderen Abschnitts des Fahrzeugrahmens, angrenzend an den Quer-Tragbalken 20. Eine dritte oder mittlere Halterung 44 ist vorzugsweise zwischen dem ETS 16 und dem Brennstoffzellenstapel 14 angeordnet und kann so ausgebildet sein, dass sie eine direkte Verbindung dieses Bereichs des Bügels 32 mit dem Fahrzeugrahmen 12, beispielsweise mit einem Träger 24 des Unterrahmens 22 erlaubt. Eine vierte oder hintere Halterung 46 ist vorzugsweise in Querrichtung zwischen den entgegengesetzten Seiten des Brennstoffzellenstapels 14 angeordnet und erstreckt sich von dem ETS 16 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 14 nach außen hin und kann so ausgebildet sein, dass sie mit dem Querträger 26 des Fahrzeug-Unterrahmens 22 verbunden werden kann. Die verschiedenen Halterungen können so konstruiert sein, dass sie an die angrenzenden Fahrzeug-Rahmenelemente angeschraubt werden können, oder sie können Schäfte tragen, die an dem Fahrzeug-Unterrahmen festgeklemmt oder anderweitig mit diesem verbunden werden können, oder sie können andere, geeignete Anbringungsmöglichkeiten der Leistungsverteilungseinheit 10 an den Rahmen 12 bieten.
Vorzugsweise wird das ETS 16 durch den Bügel 32 getragen, wobei zwischen diesen ein Verbindungsmerkmal 50 angeordnet ist, so dass Belastungen, die zwischen dem Fahrzeugrahmen 12, dem Brennstoffzellenstapel 14 und dem ETS 16 übertragen werden, gedämpft oder abgeschwächt werden können. Das Verbindungsmerkmal 50 kann zwischen einem Gehäuse 51 des ETS 16 und einer oder beiden Halterungen 44, 46 angeordnet sein und kann eine Elastomerunterlage oder ein beliebiges anderes Dämpfungselement oder nachgiebiges Element umfassen. Das Verbindungsmerkmal 50 kann das ETS 16 zumindest teilweise gegenüber den Fahrzeugbelastungen, Vibrationen und dergleichen, die in dem Rahmen 12 und auf diesen übertragen werden, isolieren. Das ETS 16 weist vorzugsweise eine Mittellinie oder Achse 52 auf und ein Abschnitt der mittleren und hinteren Maschinenhalterungen 44 bzw. 46 ist vorzugsweise im Allgemeinen an entgegengesetzten Seiten des ETS und entlang einer Linie, die die Achse 52 des ETS 16 schneidet, angeordnet. Da die Halterungen 44, 46 an mehr als einem einzigen Punkt bzw. einer einzigen Stelle mit dem ETS 16 verbunden sein können, wird durch den sich über die Verbindung der Halterungen 44, 46 mit dem ETS erstreckenden Bereich vorzugsweise eine Linie eingeklammert bzw. eingeschlossen, welche die Achse 52 und einen Abschnitt einer jeden Halterung 44 und 46 schneidet. In zumindest einigen Realisierungen kann dadurch ein besseres Gleichgewicht gegenüber einer Verdrehung des ETS geschaffen werden, um eine Kraftübertragung auf die Bügel zu minimieren.
Durch eine derartige Konstruktion, Anordnung und Montage an dem Fahrzeugrahmen 12 kann eine Bewegung der Leistungsverteilungseinheit 10 relativ zu dem Rahmen verringert werden. Ein Rütteln des Vorderteils, das ansonsten auf die Bewegung des relativ schweren Brennstoffzellenstapels 14 zurückzuführen wäre, wird so reduziert oder beseitigt, wodurch der Fahrkomfort des Fahrzeugs verbessert wird. Die Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 12 und der Karosserie kann ebenfalls verbessert werden, wenn die Leistungsverteilungseinheit 10 über den Fahrzeugrahmen hinweg mit den Elementen 18, 20, 24, 26 des Rahmens und des Unterrahmens des Fahrzeugs verbunden ist und diese zusammenhält. Weiterhin könnte die Leistungsverteilungseinheit 10 in demselben Maschinenabteil verwendet werden wie eine Maschine eines Fahrzeugs mit Brennkraftmaschine, wodurch die Fahrzeugkonstruktion und -entwicklung vereinfacht wird. Das ETS ist zwar hier als von dem Bügel getragen und mit diesem verbunden dargestellt, das ETS könnte jedoch auch mit dem Brennstoffzellenstapel oder mit angrenzenden Bauteilen der Leistungsverteilungseinheit und wahlweise auch mit dem Fahrzeugrahmen verbunden sein oder von diesen getragen werden.

Claims

Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit, umfassend: einen Rahmen (12) mit einer Mehrzahl von Rahmenelementen, wobei die Rahmenelemente ein Paar von parallelen Längsträgern (18) umfassen; eine Leistungsverteilungseinheit (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (14), und ein mit dem Brennstoffzellenstapel (14) gekoppeltes Triebsystem (16), wobei der Brennstoffzellenstapel (14) ein Außengehäuse (30) aufweist; und zwei Bügel (32), die das Außengehäuse (30) des Brennstoffzellenstapels (14) jeweils mit einem der beiden Längsträger (18) verbinden, wobei der Brennstoffzellenstapel (14) mit dem Außengehäuse (30) zwischen den beiden Längsträgern (18) angeordnet ist; wobei die Rahmenelemente zumindest einen Teil eines Unterrahmens (22) definieren und die Bügel (32) ebenfalls mit dem Unterrahmen (22) verbunden sind; wobei der Unterrahmen (22) zwei beabstandete Träger (24) und einen die beabstandeten Träger (24) miteinander verbindenden Querträger (26) umfasst; wobei das Triebsystem (16) mit jedem der beiden Bügel (32) über ein jeweiliges Dämpfungselement (50) verbunden ist, so dass das Triebsystem (16) indirekt mit den Bügeln (32) verbunden ist; wobei das Triebsystem (16) mit dem Querträger (26) über ein weiteres Dämpfungselement (50) verbunden ist; und wobei der Brennstoffzellenstapel (14) auf der von dem Querträger (26) abgewandten Seite des Triebsystems (16) angeordnet ist und sich das Außengehäuse (30) des Brennstoffzellenstapels (14) sowohl über die Oberseite des Triebsystems (16) als auch die Unterseite des Triebsystems (16) hinaus erstreckt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Bügel (32) jeweils zumindest einen Schaft (36) umfassen, der an einem Ende mit dem Außengehäuse (30) und an seinem anderen Ende mit einem der Längsträger (18) verbunden ist.