DE102010013003A1

DE102010013003A1 - Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102010013003A1
Application number: DE201010013003
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Munz Markus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einem elektrischen Antriebsmotor (3) und einer Batterie (4). Erfindungsgemäß ist die Batterie (4) aus einer Mehrzahl von nebeneinander aufgereihten und elektrisch seriell miteinander verschalteten Zellpacks (51) gebildet, wobei jeder Zellpack (51) aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter und elektrisch seriell miteinander verschalteter Zellverbünde (50) gebildet ist und wobei jeder Zellverbund (50) aus einer Mehrzahl zumindest hintereinander und parallel zueinander angeordneter und elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen (49) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Brennstoffzellenfahrzeuge bekannt, welche durch einen elektrischen Antriebsmotor angetrieben werden, der durch die Elektrizität einer Brennstoffzelle gespeist wird. Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie ihres Brennstoffes, meist gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff, direkt in elektrische Energie um. Zusätzlich verfügen Brennstoffzellenfahrzeuge über einen Akkumulator. So kann zusätzlich Energie für einen Boostbetrieb zur Verfügung gestellt und die durch die elektrische Bremsung des elektrischen Antriebsmotors im Generatorbetrieb zurück gewonnene Energie gespeichert werden.
Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Fahrzeug umfasst eine Brennstoffzelle, einen elektrischen Antriebsmotor und eine Batterie.
Erfindungsgemäß ist die Batterie aus einer Mehrzahl von nebeneinander aufgereihten und elektrisch seriell miteinander verschalteten Zellpacks gebildet, wobei jeder Zellpack aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter und elektrisch seriell miteinander verschalteter Zellverbünde gebildet ist und wobei jeder Zellverbund aus einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter und elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen gebildet ist.
Ein derartiges Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, kombiniert mit einer Batterie, weist gegenüber einem ausschließlich batteriebetriebenen Fahrzeug eine deutlich um etwa 70% gesteigerte Reichweite auf, wodurch ein Gebrauchswert als Alltagsfahrzeug deutlich gesteigert ist. Der elektrische Antriebsmotor ist vorzugsweise dort positioniert, wo in einem Verbrennungsmotorfahrzeug der Verbrennungsmotor angeordnet ist. Dadurch ist kein zusätzlicher Bauraum erforderlich. Da der elektrische Antriebsmotor kleiner ist als der Verbrennungsmotor und tiefer im Fahrzeug anordbar ist, ist auf diese Weise weiterer Bauraum zur Unterbringung eines Wasserstofftanks vorhanden. Der Wasserstofftank ist zumindest teilweise in einem Motorraum des Fahrzeugs angeordnet, so dass in einem Innenraum des Fahrzeugs nur sehr wenig oder kein Platz verloren geht.
Die Brennstoffzelle ist in einem Frontbereich des Fahrzeugs positioniert, wo bei einem Verbrennungsmotorfahrzeug der Kühler angeordnet ist. Da das Fahrzeug keinen derart großen Kühler benötigt, ist der Bauraum für die Brennstoffzelle frei. Dadurch geht auch durch die Brennstoffzelle kein Platz im Innenraum des Fahrzeugs verloren. Die Batterie ist besonders günstig in einer Unterbodenverkleidung des Fahrzeugs positioniert. Sie ist dort optimal anordbar, wodurch ebenfalls kein Bauraum im Innenraum des Fahrzeugs für die Batterie erforderlich ist.
Aufgrund der Anordnung der Einzelzellen, der Zellverbünde und der Zellpacks ist die Batterie optimal an einen vorhandenen Bauraum in der Unterbodenverkleidung unter dem Fahrzeug anpassbar, so dass eine Länge und eine Breite eines Unterbodens des Fahrzeugs zur Unterbringung der Batterie voll nutzbar sind. Durch die elektrische Verschaltung der Batterie sind sowohl eine ausreichende Stromstärke und Kapazität als auch eine ausreichende Spannung zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors erzielbar.
Durch die Anordnung der Batterie unter dem Fahrzeug ist ein Schwerpunkt des Fahrzeugs abgesenkt und durch die Unterbodenverkleidung, welche den Unterboden des Fahrzeugs vorzugsweise vollflächig abdeckt, ist der Unterboden vor Nässe und Steinschlag geschützt und eine Aerodynamik des Fahrzeugs verbessert. Auf diese Weise ist insbesondere auch ein Verbrennungsmotorfahrzeug in ein alltagstaugliches Fahrzeug mit Brennstoffzelle, elektrischem Antriebsmotor und Batterie umrüstbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs in Seitenansicht,
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Brennstoffzelle von vorn,
3 eine Explosionsdarstellung einer Anordnung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug,
4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsmotors in einem Fahrzeug in Draufsicht,
5 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Antriebsmotors,
6 eine perspektivische Darstellung eines Getriebes,
7 eine perspektivische Darstellung einer Adapterplatte,
8 eine Explosionsdarstellung einer Kupplung,
9 eine schematische Darstellung einer Kupplung in Draufsicht,
10 eine Explosionsdarstellung eines Getriebes mit einer Fixierplatte,
11 eine perspektivische Darstellung eines getriebeseitigen Kupplungselements,
12 eine perspektivische Darstellung eines Querpressverbandes,
13 eine perspektivische Darstellung einer Kupplung,
14 eine schematische Darstellung eines Steuergerätes, umfassend einen Drehzahlsteller und einen Umrichter, an einem Fahrzeug,
15 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs,
16 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Ladegerät,
17 eine schematische Darstellung eines in einem Fahrzeug angeordneten Wasserstofftanks,
18 eine schematische Darstellung eines Wasserstoffsystems in einem Fahrzeug,
19 eine perspektivische Darstellung einer Unterbodenverkleidung,
20 eine perspektivische Darstellung einer Batterie,
21 eine perspektivische Darstellung eines doppelwandigen Trennelements,
22 eine perspektivische Darstellung eines Zellpacks einer weiteren Batterie, und
23 eine perspektivische Darstellung eines Zellverbundes.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 in Seitenansicht. Das Fahrzeug 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, einen elektrischen Antriebsmotor 3 und eine Batterie 4 zur Speicherung elektrischer Energie der Brennstoffzelle 2 und rekuperierter Energie, welche von dem elektrischen Antriebsmotor 3 in einem Generatorbetrieb während Bremsvorgängen des Fahrzeugs 1 erzeugbar ist. Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 1 eine aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildete Unterbodenverkleidung 5, welche eine Ausformung 6 zur Aufnahme der Batterie 4 aufweist.
Eine derartige Unterbodenverkleidung 5 ist insbesondere für ein hier dargestelltes Brennstoffzellenfahrzeug, ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug geeignet, da derartige Fahrzeuge 1 eine große Batterie 4 zur Speicherung von Energie für den elektrischen Antriebsmotor 3 benötigen. Ein daraus resultierender erhöhter Bauraumbedarf zur Unterbringung der Batterie 4 schränkt Nutzungsmöglichkeiten des Fahrzeugs 1 erheblich ein, wenn die Batterie 4 in einem Innenraum des Fahrzeugs 1, beispielsweise in einem Kofferraum, angeordnet ist.
Mittels der Unterbodenverkleidung 5, welche die Ausformung 6 zur Aufnahme der Batterie 4 aufweist, ist die Batterie 4 unter dem Fahrzeug 1 anordbar, so dass eine Innenraumgröße des Fahrzeugs 1 nicht beeinträchtigt ist. Da die Unterbodenverkleidung 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist, ist sie wesentlich leichter als eine beispielsweise aus Metall gebildete Unterbodenverkleidung und des Weiteren feuerfest und nicht leitfähig, wodurch die Batterie 4 darin gefahrlos anordbar ist. Zudem weist die Unterbodenverkleidung 5 eine hohe Steifigkeit auf, so dass sie auch eine relativ schwere Batterie 4 tragen kann.
Auf diese Weise ist auch in einem Brennstoffzellenfahrzeug, in einem Elektrofahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug eine sehr leistungsfähige, daher aber relativ große und schwere Batterie 4 Bauraum sparend und sicher am Fahrzeug 1 anordbar. Vorteilhafterweise deckt die Unterbodenverkleidung 5, wie hier dargestellt, einen Unterboden des Fahrzeugs 1 vollständig ab, so dass dadurch der Unterboden beispielsweise gegen Nässe und Steinschlag geschützt ist und eine Aerodynamik des Fahrzeugs 1 verbessert ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Fahrzeugs 1 mit Brennstoffzelle 2 von vorn. Die Brennstoffzelle 2 ist im Fahrzeug 1 in Fahrtrichtung R hinter einem vorderen Stoßfänger 7 und mit einer flächigen Vorderseite und einer flächigen Rückseite zumindest nahezu parallel zu einer Fahrzeugquerachse und zu einer Fahrzeughochachse angeordnet. Sie befindet sich im hier dargestellten Fahrzeug 1 an einer Position, an welcher bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein Kühler zur Kühlung einer vom Verbrennungsmotor benötigten Kühlflüssigkeit angeordnet ist.
Auf diese Weise ist beispielsweise auch ein ursprünglich mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstetes Fahrzeug 1 umrüstbar und die Brennstoffzelle 2 an dieser Position anordbar, da für ein mit Brennstoffzelle 2 und elektrischem Antriebsmotor 3 betriebenes Fahrzeug 1 dieser Kühler nicht mehr notwendig ist. Des Weiteren eignet sich diese Position besonders gut, da zum Betrieb der Brennstoffzelle 2 eine Zufuhr von Kühl- und Reaktionsluft erforderlich ist und der vordere Stoßfänger 7 bereits Lüftungsöffnungen 8 aufweist, da diese auch bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor für eine Anströmung des bei diesem dort platzierten Kühlers mit Kühlluft erforderlich sind.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem es sich um ein derart umgerüstetes Fahrzeug 1 handelt, ist in dem vorderen Stoßfänger 7 eine zusätzliche Lüftungsöffnung 9 eingebracht, um eine ausreichende Zufuhr von Kühl- und Reaktionsluft zur Brennstoffzelle 2 sicherzustellen. Um eine erforderliche Stabilität des vorderen Stoßfängers 7 trotz der zusätzlichen Lüftungsöffnung 9 sicherzustellen, ist dieser im Bereich dieser zusätzlichen Lüftungsöffnung 9 vorzugsweise verstärkt ausgebildet, beispielsweise mittels vor der Einbringung der zusätzlichen Lüftungsöffnung 9 in diesem Bereich angeordneter und mit einem Material des vorderen Stoßfängers 7 verbundener Glasfasermatten.
Die Brennstoffzelle 2 ist vorzugsweise eine luftgekühlte Protonen-Austausch-Membran Brennstoffzelle. Derartige Brennstoffzellen 2 sind zum Beispiel unter der Bezeichnung Mark 1020 von der Firma Ballard erhältlich und für kleinere stationäre und mobile Anwendungen geeignet. Dabei ist eine Leistung der Brennstoffzelle 2 durch eine unterschiedliche Anzahl von Einzelzellen optimal an einen jeweiligen Verwendungszweck anpassbar, so dass eine Leistung in einem Bereich zwischen 300 W und 5 KW möglich ist.
Die Brennstoffzelle 2 weist vorteilhafterweise eine offene Kathode auf und die Reaktionsluft für die Brennstoffzelle 2 ist gleichzeitig zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 nutzbar. Dadurch ist eine Befeuchtung der Brennstoffzelle 2 nicht mehr erforderlich, da eine Luftfeuchtigkeit einer Umgebungsluft für eine ordnungsgemäße Funktion der Brennstoffzelle 2 bereits ausreichend ist. Daher fallen alle Bauteile eines Befeuchtungssystems und ein Reaktionsluftkompressor weg, wodurch eine Integration einer derartigen Brennstoffzelle 2 deutlich vereinfacht ist. Eine derartige Brennstoffzelle 2 ist sehr kompakt und dadurch insbesondere auch in einen Kleinwagen integrierbar.
3 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Anordnung der Brennstoffzelle 2 im Fahrzeug 1. Die Brennstoffzelle 2 ist mittels nicht näher dargestellter dämpfender Distanzstücke in einem Rahmen 10 angeordnet, welcher beispielsweise aus Stahlprofilen gebildet ist. Dieser Rahmen 10 ist in einen Querträger des Fahrzeugs 1 eingeschweißt.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, in welchem die Brennstoffzelle 2 in einem ursprünglich mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten Serienfahrzeug verbaut ist, ist der Rahmen 10 durch Auftrennen des Querträgers und anschließendes flächiges Verschweißen von Endstücken 11 des Querträgers mit dem Rahmen 10 in den Querträger eingeschweißt und bildet dadurch einen Mittelteil des Querträgers. Durch dieses flächige Verschweißen ist sichergestellt, dass eine Stabilität des Querträgers, welche beispielsweise zur Absorption von Aufprallenergie bei einem Unfall des Fahrzeugs 1 erforderlich ist, erhalten bleibt.
Auf der Vorderseite 6 der Brennstoffzelle 2 sind ein Filter 12 und ein Gitter 13 angeordnet, um ein Eindringen von groben Teilchen und Staub in die Brennstoffzelle 2 zu verhindern. Da die Leistung der Brennstoffzelle 2 von einer zur Verfügung stehenden Reaktionsluftmenge abhängig ist, ist vorzugsweise in Fahrtrichtung R hinter der Brennstoffzelle 2 eine Lüfteranordnung 14 derart angeordnet, dass eine Ansaugseite der Lüfteranordnung 14 auf die Rückseite der Brennstoffzelle 2 gerichtet ist. Dadurch ist eine gleichmäßige Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Kühl- und Reaktionsluft und daraus resultierend ein von einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs 1 unabhängiger Betrieb der Brennstoffzelle 2 erzielbar, da mittels der Lüfteranordnung 14 auch bei einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit ausreichend Kühl- und Reaktionsluft durch die Brennstoffzelle 2 saugbar ist.
Die Lüfteranordnung 14 ist vorzugsweise ebenfalls an dem Rahmen 10 befestigt und umfasst zumindest einen Lüfter. Diese Lüfteranordnung 14 weist vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Runddüse auf und ist derart ausgebildet, dass sie einen Luftvolumenstrom von vorzugsweise mehr als 3000 m³/h erzeugen kann. Bei höherer Fahrgeschwindigkeit geht eine benötigte Leistung der Lüfteranordnung 14 zurück, da diese zunehmend von einem Fahrtwind selbst antreibbar ist. Der Fahrtwind versorgt dann die Brennstoffzelle 2 mit Kühl- und Reaktionsluft. Über eine Steuerung der durch die Brennstoffzelle 2 strömenden Reaktionsluftmenge ist die Leistung der Brennstoffzelle 2 beeinflussbar. Die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie ist in der Batterie 4 des Fahrzeugs 1 speicherbar und/oder direkt zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors 3 des Fahrzeugs 1 nutzbar.
Eine derartige Brennstoffzellenanordnung ist sehr kompakt und durch eine Leistungssteuerung über die der Brennstoffzelle 2 zugeführte Reaktionsluftmenge einfach zu handhaben, so dass mittels dieser Brennstoffzellenanordnung auch Serienfahrzeuge, insbesondere auch Kleinwagen, welche serienmäßig mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet sind, umrüstbar und als Brennstoffzellenfahrzeuge betreibbar sind, d. h. als Fahrzeuge 1 mit einer Brennstoffzelle 2, einem elektrischen Antriebsmotor 3 und einer Batterie 4.
4 zeigt eine schematische Darstellung des elektrischen Antriebsmotors 3 im Fahrzeug 1. Das hier dargestellte Fahrzeug 1 ist ein von einem Verbrennungsmotor auf den elektrischen Antriebsmotor 3 umgerüstetes Serienfahrzeug. Der elektrische Antriebsmotor 3 ist im Wesentlichen dort positioniert, wo ursprünglich der Verbrennungsmotor im Fahrzeug 1 angeordnet war, so dass kein zusätzlicher Bauraum für den elektrischen Antriebsmotor 3 erforderlich ist. Der elektrische Antriebsmotor 3 ist mit einem Getriebe 15 verbunden, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein bereits vor der Umrüstung im Fahrzeug 1 vorhandenes Serienschaltgetriebe ist.
Um den elektrischen Antriebsmotor 3 und das Getriebe 15 in einem für eine Verbrennungsmotor/Getriebe-Kombination vorgesehenen Motorraum optimal positionieren und befestigen zu können, sind des Weiteren neue Motorhalter 16 und Getriebehalter 17 erforderlich, da der elektrische Antriebsmotor 3 andere Formen und Abmessungen aufweist als der ursprünglich installierte Verbrennungsmotor. Auf diese Weise ist der elektrische Antriebsmotor 3 auch tiefer im Fahrzeug 1 anordbar, so dass dadurch ein zusätzlicher Bauraum erreicht ist. Dieser zusätzliche Bauraum ist beispielsweise für einen Wasserstofftank 18 nutzbar.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung des elektrischen Antriebsmotors 3 und 6 eine perspektivische Darstellung des Getriebes 15. Um den elektrischen Antriebsmotor 3 optimal mit dem Getriebe 15 verbinden zu können, ist eine in 7 dargestellte Adapterplatte 19 erforderlich. Diese Adapterplatte 19 ist derart ausformbar, dass ein für das Fahrzeug 1 optimal geeigneter elektrischer Antriebsmotor 3 mit dem Getriebe 15 des Fahrzeugs 1 koppelbar ist. Mittels dieser Adapterplatte 19 ist ein Motorgehäuse des elektrischen Antriebsmotors 3 mit einem Getriebegehäuse des Getriebes 15 des Fahrzeugs 1 verbunden, wobei die Adapterplatte 19 erste Befestigungsmittel 19.1 zu einer Befestigung des Motorgehäuses an der Adapterplatte 19 und zweite Befestigungsmittel 19.2 zu einer Befestigung des Getriebegehäuses an der Adapterplatte 19 aufweist.
Die Befestigungsmittel 19.1, 19.2 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Bohrungen ausgeführt, durch welche Befestigungsschrauben durchführbar und in Motorgehäusebohrungen 20, welche in 5 dargestellt sind, bzw. nicht näher dargestellte Getriebegehäusebohrungen einschraubbar sind. Des Weiteren weist die Adapterplatte 19 eine Aussparung 19.3 auf, in welcher eine nicht schaltbare Kupplung 21 zwischen einer Motorausgangswelle 22 und einer Getriebeeingangswelle 23 anordbar ist.
Um diese Adapterplatte 19 passend auszuformen und ein daraus resultierendes zusätzliches Gewicht möglichst gering zu halten, ist die Adapterplatte 19 vorteilhafterweise aus einem Aluminiumblock ausgefräst. Wie in 7 zu erkennen, sind daher in der Adapterplatte 19 auch zusätzliche Materialausfräsungen 19.4 eingebracht, um eine Gewichtsreduktion zu erzielen, da eine Vollmaterialausformung nicht erforderlich ist, um eine benötigte Stabilität sicherzustellen.
Um eine Kraftübertragung vom elektrischen Antriebsmotor 3 auf das Getriebe 15 zu realisieren, ist die Motorausgangswelle 22 des elektrischen Antriebsmotors 3 über die in den 8 und 9 dargestellte nicht schaltbare Kupplung 21 mit der Getriebeeingangswelle 23 des Getriebes 15 des Fahrzeugs 1 gekoppelt. Durch die nicht schaltbare Kupplung 21 ist eine optimale Kraftübertragung vom elektrischen Antriebsmotor 3 auf das Getriebe 15 sichergestellt. Da der elektrische Antriebsmotor 3 eine sehr gute und konstante Leistungsentfaltung über ein sehr breites Drehzahlband aufweist, ist im Gegensatz zum Verbrennungsmotor kein Schaltgetriebe erforderlich. Daher ist der elektrische Antriebsmotor 3 über die nicht schaltbare Kupplung 21 mit dem Getriebe 15 gekoppelt.
Da jedoch im hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Getriebe 15 des Fahrzeugs 1 das ursprünglich für den Verbrennungsmotor vorgesehene Serienschaltgetriebe ist, ist das Getriebe 15 vorzugsweise bei einer für den elektrischen Antriebsmotor 3 passenden Übersetzung blockiert. Dies ist beispielsweise, wie in 10 dargestellt, durch eine Fixierplatte 24 realisierbar, welche anstatt einer ursprünglich am Getriebe 15 angeordneten Schalteinheit auf einer dafür vorgesehenen Öffnung 25 im Getriebegehäuse am Getriebe 15 angeordnet ist und dieses in einem vorgegebenen Gang blockiert.
Dazu sind, wie dargestellt, auf der Fixierplatte 24 halbe Zahnräder 26 fest angeordnet, beispielsweise angeschweißt, welche entsprechende korrespondierende Zahnräder 27 des Getriebes 15 blockieren. Zur Befestigung dieser Fixierplatte 24 am Getriebe 15 weist die Fixierplatte 24 Durchführungsbohrungen 28 auf, so dass sie mittels Schrauben und bereits im Getriebegehäuse vorhandener Gewindebohrungen 29 auf der Öffnung 25 im Getriebegehäuse befestigbar ist, wobei vorteilhafterweise zwischen dem Getriebegehäuse und der Fixierplatte 24 eine nicht näher dargestellte Dichtung angeordnet ist, um einen Austritt von Getriebeöl zu verhindern.
Die Kupplung 21 ist vorzugsweise, wie in 8 näher dargestellt, eine Elastomerkupplung, welche ein motorseitiges Kupplungselement 21.1 und ein getriebeseitiges Kupplungselement 21.2 aus Metall mit klauenartigen Ausformungen 21.3 aufweist. Zwischen diesen beiden Kupplungselementen 21.1, 21.2 und zwischen deren klauenartiger Ausformungen 21.3 ist ein Kupplungszwischenelement 21.4 aus Gummi angeordnet. Auf diese Weise ist auch bei einem geringen Winkelversatz zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 3 und dem Getriebe 15 und daraus resultierend zwischen dem motorseitigen Kupplungselement 21.1 und dem getriebeseitigen Kupplungselement 21.2 eine sichere Kraftübertragung ermöglicht.
Wie in 11 dargestellt, ist in das getriebeseitige Kupplungselement 21.2 ein innenverzahnter Aufnahmekranz 30 zur Aufnahme der Getriebeeingangswelle 23 eingepresst, welcher vorzugsweise aus Metall ist. Zwischen der Kupplung 21 und der Motorausgangswelle 22 ist eine Verbinderwelle 31 angeordnet, welche, wie in 12 dargestellt, mit dem motorseitigen Kupplungselement 21.1 bevorzugt mittels eines durch starke Erhitzung des motorseitigen Kupplungselementes 21.1, beispielsweise auf 200°C, und durch starkes Abkühlen der Verbinderwelle 31 mittels Stickstoff, beispielsweise auf minus 200°C, hergestellten Querpressverbandes verbunden ist. Auf diese Weise ist die Verbinderwelle 31, welche bei einer normalen Umgebungstemperatur einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist als eine Bohrung in dem motorseitigen Kupplungselement 21.1, in diese Bohrung einführbar. Nach Abkühlung des motorseitigen Kupplungselementes 21.1 auf die normale Umgebungstemperatur und nach Erwärmung der Verbinderwelle 31 auf die normale Umgebungstemperatur ist der Querpressverband hergestellt und die Verbinderwelle 31 mit dem motorseitigen Kupplungselement 21.1 fest verbunden.
Dieser Querpressverband stellt sinnvollerweise das schwächste Glied der Kraftübertragung dar, so dass bei einer zu hohen Beanspruchung die Verbinderwelle 31 in dem motorseitigen Kupplungselement 21.1 rutscht und somit das Getriebe 15 geschützt ist. Dies ist sinnvoll, da der Querpressverband aus motorseitigem Kupplungselement 21.1 und Verbinderwelle 31 wesentlich kostengünstiger ist als das Getriebe 15. In die Verbinderwelle 31 ist eine Außenverzahnung 32 eingebracht, welche mit einer nicht näher dargestellten Innenverzahnung der Motorausgangswelle 22 korrespondiert. In 13 ist die auf diese Weise hergestellte Kupplung 21 dargestellt, mit welcher die Kraftübertragung von dem elektrischen Antriebsmotor 3 auf das Getriebe 15 realisierbar ist.
14 zeigt einen Drehzahlsteller und einen Umrichter, welche in einem Gehäuse angeordnet und/oder vorzugsweise als ein gemeinsames Steuergerät 33 ausgebildet sind. Dieses Steuergerät 33 ist erforderlich, um eine Gleichspannung der Batterie 4 in eine dreiphasige Wechselspannung für den elektrischen Antriebsmotor 3 umzuwandeln. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 33 mittels zweier Halter 34 aus Flachmaterial an einem hinteren Querträger 35 des Fahrzeuges 1 montiert, da dort ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht. Die Halter 34 sind vorzugsweise mit dem hinteren Querträger 35 verschweißt.
Da an diesem hinteren Querträger 35 ein nicht näher dargestellter hinterer Stoßfänger des Fahrzeugs 1 befestigt ist, verdeckt dieser das Steuergerät 33, so dass es am Fahrzeug 1 nicht sichtbar ist. Des Weiteren befindet sich das Steuergerät 33 an dieser Position in unmittelbarer Nähe zum elektrischen Antriebsmotor 3, welcher in diesem Ausführungsbeispiel in einem Heckbereich des Fahrzeugs 1 angeordnet ist. Auch eine Entfernung zu der Batterie 4 in der Unterbodenverkleidung 5 des Fahrzeugs 1 ist relativ gering, so dass eine erforderliche Länge von Verbindungskabeln zum elektrischen Antriebsmotor 3 und zur Batterie 4 relativ kurz ist. Da das Steuergerät 33 an dieser Position Feuchtigkeit, beispielsweise Spritzwasser, ausgesetzt ist, ist es vorzugsweise von einer wasserdichten Hülle ummantelt, beispielsweise von einer Kunststoffhülle.
Sowohl für den elektrische Antriebsmotor 3 als auch für das Steuergerät 33, umfassend den Umrichter und den Drehzahlsteller, ist eine Kühlung erforderlich, um deren Überhitzung zu vermeiden. Daher sind der elektrische Antriebsmotor 3 und das Steuergerät 33 in einen in 15 dargestellten gemeinsamen Kühlkreislauf 36 integriert und von Kühlwasser durchflossen. Allerdings ist zu deren Kühlung kein großer Fahrzeugkühler, wie beispielsweise zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, erforderlich. Das Fahrzeug 1 dieses Ausführungsbeispiels weist einen derartigen Fahrzeugkühler auch nicht mehr auf, da an dessen Position im Fahrzeug 1 jetzt die Brennstoffzelle 2 angeordnet ist.
Zur Kühlung des elektrischen Antriebsmotors 3 und des Steuergerätes 33 ist ein relativ kleiner Kühler, beispielsweise ein Wärmetauscher 37 im Innenraum des Fahrzeugs 1, ausreichend, welcher zur Beheizung des Innenraums dort angeordnet ist. Vorzugsweise ist in diesem Kühlkreislauf 36 das Steuergerät 33 zwischen dem Wärmetauscher 37 und dem elektrischen Antriebsmotor 3 eingebunden, um das Steuergerät 33 mit möglichst kaltem Kühlwasser zu versorgen, da aus einer Überhitzung des Steuergeräts 33 zu dessen Schutz eine Leistungsreduktion und dadurch eine reduzierte Energieversorgung für den elektrischen Antriebsmotor 3 resultiert.
Da das in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Fahrzeug 1 von einem Verbrennungsmotor auf einen elektrischen Antriebsmotor 3 umgerüstet ist, steht für eine Bremskraftunterstützung des Fahrzeugs 1 kein Unterdruck aus einem Ansaugsystem des Verbrennungsmotors zur Verfügung. Daher ist im Fahrzeug 1 ein nicht näher dargestelltes Unterdrucksystem mit einer elektrischen Unterdruckpumpe installiert, um eine ordnungsgemäße Funktion eines Bremssystems des Fahrzeugs 1 sicherzustellen.
Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 1, wie in 16 dargestellt, ein Ladegerät 38, um die Batterie 4 des Fahrzeugs 1 bei längeren Stillstandsphasen, zum Beispiel über Nacht, auch über einen Anschluss an ein fahrzeugexternes Energieversorgungsnetz laden zu können. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ladegerät 38 Bauraum sparend hinter einem Armaturenbrett des Fahrzeugs 1 über einem vorderen Radlauf verbaut, wobei eine Halteplatte, beispielsweise aus Gewebematten und Kunstharz hergestellt und eine Ausformung des Radlaufs nachbildend, zur Halterung zwischen dem Ladegerät 38 und einer Karosserie angeordnet ist, so dass das Ladegerät 38 mittels geeigneter Befestigungselemente, beispielsweise Gewindebolzen, direkt und/oder über die Halteplatte an der Karosserie des Fahrzeugs 1 befestigbar ist. Ein Anschlusskabel des Ladegeräts 38 zu einer Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz ist vorzugsweise in einen Frontbereich des Fahrzeugs 1 verlegt, so dass er von einem Fahrzeugführer leicht zugänglich ist.
Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 1 einen nicht näher dargestellten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, um eine Niedervolt-Bordnetzbatterie von der Batterie 4 des Fahrzeugs 1, welche eine Hochvolt-Batterie ist, mit elektrischer Energie versorgen zu können. Diese Niedervolt-Bordnetzbatterie dient zur Energieversorgung aller elektrischen Niedervolt-Verbraucher des Fahrzeugs 1, beispielsweise einer Beleuchtung des Fahrzeugs 1.
Wie bereits beschrieben, ist der elektrische Antriebsmotor 3, welcher als Ersatz für den Verbrennungsmotor im Fahrzeug 1 installiert ist, in einem Motorraum des Fahrzeugs 1 mittels modifizierter Motorhalter 16 tiefer angeordnet, so dass ein zusätzlicher Bauraum für den Wasserstofftank 18 ermöglicht ist. In 17 ist dieser Wasserstofftank 18, welcher im Fahrzeug 1 angeordnet ist, dargestellt. Der Motorraum des hier dargestellten Fahrzeugs 1 befindet sich in einem Heckbereich des Fahrzeugs 1 unter einem Kofferraum des Fahrzeugs 1.
Eine Motorraumöffnung 39 zwischen dem Motorraum und dem Kofferraum des Fahrzeugs 1 ist etwas erweitert und zwei Streben 40 sind, die Motorraumöffnung 39 seitlich querend, an einem Rand der Motorraumöffnung 39 angeschweißt. An diesen Streben 40 ist der Wasserstofftank 18 mittels gebogener Tankhalter 41 verschraubt, so dass er weitestgehend im Motorraum und über dem elektrischen Antriebsmotor 3 angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Größe des Kofferraums weitestgehend unbeeinflusst von dem Wasserstofftank 18. Vorzugsweise weisen die Tankhalter 41 eine Kunststoffeinlage auf, so dass eine temperaturbedingte leichte Größenveränderung des Wasserstofftanks 18 ausgleichbar ist.
Der Wasserstofftank 18 ist beispielsweise als Hohlzylinder mit einem angeformten abgerundeten Kopfteil und Bodenteil ausgebildet, zum Beispiel aus Aluminium, welches mit einem Kohlefaserverbundwerkstoff ummantelt ist. Auf diese Weise ist Wasserstoff mit einem hohen Druck speicherbar, wobei noch ein zusätzlicher Drucksicherheitsbereich sichergestellt ist.
In 18 ist ein Wasserstoffsystem 42 des Fahrzeugs 1 schematisch dargestellt. Das Wasserstoffsystem 42 umfasst einen Tankstutzen 42.1, welcher vorzugsweise an einer Position eines Benzineinfüllstutzens des Fahrzeugs 1 positioniert ist, da dieser aufgrund des entfernten Verbrennungsmotors nicht mehr notwendig ist. Dieser Tankstutzen 42.1 ist beispielsweise mittels einer Karosserieadapterplatte aus Aluminium an der Karosserie des Fahrzeugs 1 befestigt, beispielsweise verschraubt. Dieser Tankstutzen 42.1 ist über eine Rohrleitung 42.2 in welcher ein Rückschlagventil 42.3 angeordnet ist, zu einer Befüllung des Wasserstofftanks 18 mit einer am Wasserstofftank 18 angeordneten Ventileinheit 42.4 verbunden.
Diese Ventileinheit 42.4 ist über eine Versorgungsleitung 42.5, in welcher eine Rohrbruchsicherung 42.6 und ein Druckregler 42.7 angeordnet sind, mit der Brennstoffzelle 2 verbunden, um dieser Wasserstoff zuzuführen. Die Rohrbruchsicherung 42.6 verhindert bei einem Abreißen der Versorgungsleitung 42.5 ein Austreten von Wasserstoff unter Hochdruck. Der Druckregler 42.7 ist des Weiteren über ein Überdruckventil 42.8 mit einer Abblaseleitung 42.9 verbunden, mit welcher auch die Versorgungsleitung 42.5 über ein nach dem Druckregler 42.7 angeordnetes Handabsperrventil 42.10 und die Ventileinheit 42.4 über eine Sicherungsleitung 42.11 verbunden sind. Ist ein Entleeren und Spülen des Wasserstoffsystems 42 erforderlich, ist es mittels des Handabsperrventils 42.10 über die Abblaseleitung 42.9 zu entleeren.
Bei einem zu hohen Druck öffnet das Überdruckventil 42.8 automatisch und lässt den Wasserstoff über die Abblaseleitung 42.9 ab. Sowohl in der Abblaseleitung 42.9 als auch in der Versorgungsleitung 42.5 sind Drucksensoren 42.12 angeordnet. Ein Endstück der Abblaseleitung 42.9 ist beispielsweise seitlich am Fahrzeug 1 angeordnet. Der Druckregler 42.7 ist bevorzugt ein Kolbendruckregler und reduziert einen Druck des Wasserstoffs auf einen Betriebsdruck der verwendeten Brennstoffzelle 2. Sollte dieser Druckregler 42.7 allein nicht ausreichen, ist vor der Brennstoffzelle 2 ein Druckminderer zu installieren. Der Druckminderer ist beispielsweise mittels eines Bügelhalters und eines Ringhalters an der Karosserie im Bereich des Wasserstofftanks 18 befestigt, vorzugsweise verschraubt.
Derartige Wasserstoffsysteme 42 weisen einen Systemdruck von 700 Bar oder, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, von 350 Bar auf. Mittels eines derartigen Wasserstoffsystems 42, wobei der Wasserstofftank 18 beispielsweise ein Volumen von 35 bis 39 Liter aufweist, ist durch die Brennstoffzelle 2 mit einer Tankfüllung Wasserstoff eine Reichweite des Fahrzeugs 1 gegenüber einem Betrieb ausschließlich mit der Batterie 4 erheblich erweiterbar, um ca. 70%.
In der Ventileinheit 42.4 sind ein elektromechanisches Absperrventil, ein Temperaturfühler, eine Schmelzsicherung und eine mechanische Ventilabsperrung integriert. Ein Hochdrucksensor ist von außen in die Ventileinheit 42.4 eingeschraubt. Die gesamte Ventileinheit 42.4 ist in den Wasserstofftank 18 eingebracht und auf diese Weise geschützt.
Das elektromechanische Absperrventil hat die Aufgabe, das öffnen und Schließen des Wasserstofftanks 18 zu steuern. In einem stromlosen Zustand ist das Absperrventil geschlossen, eine Feder fixiert diese Position. Bei Anlegen einer Spannung von vorzugsweise 12 V öffnet das Absperrventil. In einer Notfallsituation ist das Absperrventil spannungsfrei schaltbar und dadurch verschließbar. Für einen Servicefall lassen sich durch die mechanische Ventilabsperrung alle Zu- und Ableitungen verschließen. Lässt sich das Absperrventil nicht mehr elektrisch öffnen, ist die mechanische Ventilabsperrung durch eine Stangeneinheit ersetzbar, mit der sich das Absperrventil öffnen lässt.
Ist das Absperrventil geöffnet, misst der Hochdrucksensor einen absoluten Behälterdruck des Wasserstofftanks 18. Der Temperatursensor ist auf einer Druckseite des Absperrventils angebracht und misst die tatsächliche Temperatur des Wasserstoffs.
Die Schmelzsicherung ist ein Schutz gegen eine Überhitzung des Wasserstoffs. Durch ein Öffnen der Schmelzsicherung ist ein gesamter Tankinhalt kontrolliert abgebbar. Durch ein Abblasen ist ein Bersten des Wasserstofftanks 18 durch einen temperaturbedingten Druckanstieg verhindert. Der abgeblasene Wasserstoff ist außerhalb des Fahrzeugs 1 kontrolliert abbrennbar.
19 zeigt eine perspektivische Darstellung der Unterbodenverkleidung 5 mit der Ausformung 6 zur Aufnahme der Batterie 4. Seitlich dieser Ausformung 6 sind Kabelkanäle 43 angeordnet, in welchen beispielsweise Kabel von der Brennstoffzelle 2 zur Batterie 4 und von der Batterie 4 zum elektrischen Antriebsmotor 3 verlegbar sind.
Die Unterbodenverkleidung 5 weist vordere Halter 44 und hintere Halter 45 zur Befestigung am Fahrzeug 1 auf, welche beispielsweise aus Metall gebildet sind. Die vorderen Halter 44 sind in die Unterbodenverkleidung 5 eingearbeitet und mit dem glasfaserverstärkten Kunststoff formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Sie weisen vordere Haltebohrungen 46 zur Durchführung von Befestigungsschrauben auf, mittels welcher die Unterbodenverkleidung 5 am Fahrzeug 1 befestigbar ist.
Die hinteren Halter 45 weisen hintere Haltebohrungen 47 zur Verschraubung des hinteren Halters 45 an der Unterbodenverkleidung 5 und zur Verschraubung der Unterbodenverkleidung 5 mittels des hinteren Halters 45 am Fahrzeug 1 auf. Auch die hinteren Halter 45 sind mit der Unterbodenverkleidung 5 vorzugsweise form-, stoff- und/oder kraftschlüssig verbunden.
Zusätzlich sind beispielsweise Seitenbereiche 48 der Unterbodenverkleidung 5 mit dem Fahrzeug 1 vernietbar und/oder verschraubbar. Durch derartige Befestigungen ist die Unterbodenverkleidung 5 optimal am Fahrzeug 1 gehaltert, so dass in der Ausformung 6 zur Aufnahme der Batterie 4 auch eine relativ große und schwere Batterie 4 unterbringbar ist.
20 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterie 4 des Fahrzeugs 1. Diese Batterie 4 umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen 49, welche als Flachzellen, vorzugsweise als Lithium-Polymer-Zellen ausgebildet sind. In der Batterie 4 ist eine Mehrzahl von Einzelzellen 49 in Zellverbünden 50 hintereinander und parallel zueinander angeordnet und elektrisch parallel miteinander verschaltet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies je Zellverbund 50 acht Einzelzellen 49 mit einer Nennspannung von jeweils 3,7 V und einer Kapazität von jeweils 8 Ah. Durch die Parallelschaltung dieser acht Einzelzellen 49 jedes Zellverbundes 50 erreicht jeder Zellverbund 50 eine Kapazität von 64 Ah. Eine Mehrzahl, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel acht dieser Zellverbünde 50, ist/sind in einem Zellpack 51 nebeneinander angeordnet und elektrisch seriell miteinander verschaltet, wodurch eine Spannung jedes Zellpacks 51 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel 31 V beträgt. Eine Mehrzahl dieser Zellpacks 51, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel elf Zellpacks 51, ist/sind nebeneinander aufgereiht und elektrisch seriell miteinander verschaltet und bilden die Batterie 4 aus, wodurch die hier dargestellte Batterie eine Spannung von 339 V aufweist. Durch die Anordnung der Einzelzellen 49, der Zellverbünde 50 und der Zellpacks 51 ist eine sehr Bauraum sparende und optimal an die Unterbodenverkleidung 5 angepasste Ausformung der Batterie 4 erreicht.
Durch die elektrisch parallel verschalteten Einzelzellen 49 in jedem Zellverbund 50, die elektrisch seriell verschalteten Zellverbünde 50 und die elektrisch seriell verschalteten Zellpacks 51 weist die Batterie 4 eine ausreichende Stromstärke, mit 64 Ah eine ausreichende Kapazität und mit 339 V eine ausreichende Spannung für den elektrischen Antriebsmotor 3 des Fahrzeugs 1 auf.
Die elektrische Verschaltung der Einzelzellen 49 erfolgt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Zellpolverbinderblechen 52 aus Messing und/oder Kupfer und die elektrische Verschaltung der Zellpacks 51 mittels Zellpackverbindern 53 aus Aluminium, wobei Zellpole der Einzelzellen 49, die Zellpolverbinderbleche 52 und die Zellpackverbinder 53 sinnvollerweise gegenüber einer Umgebung elektrisch isoliert sind, beispielsweise mit Kunststoff, um zum Beispiel Kurzschlüsse oder eine Berührung durch Personen und eine daraus resultierende Gefährdung zu vermeiden.
Zwischen den hintereinander und parallel zueinander angeordneten Einzelzellen 49 sind in 21 näher dargestellte doppelwandige Trennelemente 54 angeordnet und mit den Einzelzellen 49 verklebt. Diese Trennelemente 54 sind beispielsweise als so genannte Stegplatten aus Kunststoff, insbesondere aus Polypropylen ausgeführt und weisen zwischen Seitenwänden 55 zumindest einen Steg 56 als Abstandshalter der Seitenwände 55 auf, so dass zwischen den Seitenwänden 55 und dadurch zwischen den Einzelzellen 49 ein Hohlraum 57 ausgebildet ist. Durch diese Hohlräume 57 ist eine Strömung eines Kühlmediums, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Luftströmung, zwischen den Einzelzellen 49 ermöglicht, wodurch eine Abwärme der Einzelzellen 49 von diesen abführbar ist.
Um die Strömung des Kühlmediums nicht zu behindern, ist der Steg 56 oder bevorzugt eine Mehrzahl von Stegen 56 im Wesentlichen senkrecht auf den Seitenwänden 55 stehend und im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet. Um im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine effiziente Kühlung der Einzelzellen 49 mit Umgebungsluft der Batterie 4 zu ermöglichen, sind die Trennelemente 54 zwischen den Einzelzellen 49 vorzugsweise derart angeordnet, dass die Strömungsrichtung zwischen den Seitenwänden 55 des Trennelementes 54 und daraus resultierend zwischen den Einzelzellen 49 von unten nach oben verläuft. Durch das Verkleben der Trennelemente 54 mit den Einzelzellen 49 sind diese derart anordbar, dass sie von einem Untergrund, auf welchem die Einzelzellen 49 stehen, beabstandet sind, so dass ein ungehindertes Einströmen der Umgebungsluft von unten in die Trennelemente 54 und durch diese hindurch ermöglicht ist.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kühlung der Einzelzellen 49 mittels einer Umgebungsluft der Batterie 4, welche durch die Hohlräume 57 strömt. In weiteren, hier nicht näher dargestellten, Ausführungsbeispielen, sind diese Hohlräume 57 auch mit einem Kühlkreislauf koppelbar, beispielsweise mit einem Klimakreislauf des Fahrzeugs 1 oder mit einem Kreislauf, welcher ein so genanntes Peltier-Element umfasst, so dass eine Luftkühlung der Batterie 4 effizienter auslegbar ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind diese Hohlräume 57, wenn sie gegenüber einer Umgebung und insbesondere gegenüber den Einzelzellen 49 flüssigkeitsdicht verschlossen sind, auch mit einem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs 1 koppelbar, so dass eine effiziente Kühlung der Einzelzellen 49 ermöglicht ist.
Zwischen zumindest einigen der Zellpacks 51 sind Trennwände 58 angeordnet, welche vorzugsweise aus einem feuerfesten, hitzebeständigen und/oder gegenüber Säuren und/oder Basen widerstandsfähigen Material sind, beispielsweise aus einem Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff. Auf diese Weise ist bei einer Beschädigung einer Einzelzelle 49 ein Großteil der Batterie 4 geschützt. An Stellen, an welchen keine Trennwände 58 angeordnet sind, sind zu einer Stabilisierung der Zellpacks 51 Zellpackwände 59 angeordnet, welche beispielsweise aus Glasfasermaterial gebildet sind.
In einer weiteren, nicht näher dargestellten, Ausführungsform weist die Batterie 4 des Weiteren Sensoren zu einer Temperaturüberwachung der Einzelzellen 49 und/oder ein Batteriemanagementsystem zu einer Spannungs- und Stromüberwachung und einer Überwachung und Steuerung/Regelung von Lade- und Entladevorgängen der Einzelzellen 49 auf, um eine Lebensdauer der Einzelzellen 49 zu optimieren.
Die Batterie 4 ist, insbesondere da sie aus Flachzellen gebildet ist, sehr kompakt und weist eine hohe Energiedichte auf. Zudem ist die Kühlung der Einzelzellen 49 auf unkomplizierte Weise möglich, beispielsweise ausschließlich mit der Umgebungsluft der Batterie 4. Daher ist die Batterie 4 sehr gut als Fahrzeugbatterie geeignet.
Die 22 und 23 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel von Zellpacks 51 für eine Batterie 4 des Fahrzeugs 1. Bei dieser Batterie 4 sind eine Mehrzahl Zellverbünde 50 zu Zellpacks 51 übereinander gestapelt, wobei jeder Zellverbund 50 eine Mehrzahl von Einzelzellen 49 aufweist. Die Einzelzellen 49 sind in dieser Ausführungsform beispielsweise bereits im Handel erhältliche ummantelte Lithium-Ionen-Einzelzellen, welche stabförmig ausgebildet sind. In jedem Zellverbund 50 sind mehrere Einzelzellen 49 in einer Reihe nebeneinander und mehrere Reihen unterschiedlich vieler Einzelzellen 49 nebeneinander und jeweils um einen halben Durchmesser der Einzelzellen 49 versetzt zueinander angeordnet, so dass eine Art wabenförmiger Anordnungsstruktur der Einzelzellen 49 gebildet ist, wodurch eine optimale Packungsdichte der Einzelzellen 49 erreicht ist.
Wie in 23 dargestellt, sind Polplatten 60 aus leitfähigem Material, vorzugsweise aus Edelstahl, kopfseitig und bodenseitig auf den Einzelzellen 49 angeordnet und mit jeweiligen Zellpolen der Einzelzellen 49 elektrisch kontaktiert, so dass jede Polplatte 60 einen Pol des Zellverbundes 50 bildet. Um sowohl eine optimal elektrisch leitende Kontaktierung als auch eine mechanische Befestigung der Polplatten 60 an den Einzelzellen 49 zu ermöglichen, sind die Zellpole der Einzelzellen 49 mit der jeweiligen Polplatte 60 vorzugsweise mittels Laserschweißen stoffschlüssig verbunden.
In 23 ist der Zellverbund 50 ohne Verbundummantelung 61 dargestellt, um die Anordnung der Polplatten 60 detailliert darstellen zu können. Durch die Polplatten 60 sind die Einzelzellen 49 jedes Zellverbundes 50 parallel elektrisch miteinander verschaltet, wobei insbesondere bei einer Anordnung der Einzelzellen 49 in der bereits beschriebenen wabenförmigen Anordnungsstruktur durch diese Polplatten 60 eine symmetrische Stromverteilung im Zellverbund 50 erreicht ist. Dadurch ist eine gleichmäßige Ladung und Entladung der Einzelzellen 49 und eine gleichmäßige Belastung aller Kontaktstellen des Zellverbundes 50, d. h. der Zellpole und der Polplatten 60 sichergestellt, wodurch eine Lebensdauer der Einzelzellen 49 und des Zellverbundes 50 erhöht ist.
Durch ein aufeinander Stapeln einer Mehrzahl von Zellverbünden 50, wobei jeweils Polplatten 60 unterschiedlicher Polarität miteinander kontaktiert sind, sind die Zellverbünde 50 seriell elektrisch miteinander verschaltet und der Zellpack 51 ausgebildet. Um eine optimale Kontaktierung der Polplatten 60 und eine ausreichende Stabilität der Zellpacks 51 und der Batterie 4 sicherzustellen, sind die Verbundummantelungen 61 beispielsweise miteinander verschraubt.
Durch eine Anordnung einer ausreichenden Anzahl von Einzelzellen 49 auf die beschriebene Weise im Zellverbund 50, d. h. durch deren Parallelschaltung ist eine für einen jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Stromstärke und Kapazität erreichbar. Durch eine Anordnung einer erforderlichen Anzahl von Zellverbünden 50 in der in 22 dargestellten Weise, so dass diese elektrisch seriell miteinander verschaltet sind, ist der Zellpack 51 herstellbar. Durch eine hier nicht näher dargestellte Anordnung mehrer Zellpacks 51, beispielsweise in Reihen nebeneinander, und eine elektrisch serielle Verschaltung der Zellpacks 51 ist die Batterie 4 herstellbar, welche sowohl die erforderliche Stromstärke und Kapazität als auch eine für den jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Spannung aufweist, beispielsweise als Fahrzeugbatterie.
Auf diese Weise ist, insbesondere auch mittels bereits im Handel erhältlicher und daher kostengünstiger Einzelzellen 49, eine Batterie 4 herstellbar, welche auch für das Fahrzeug 1 dieses Ausführungsbeispiels verwendbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Brennstoffzelle
3: elektrischer Antriebsmotor
4: Batterie
5: Unterbodenverkleidung
6: Ausformung
7: vorderer Stoßfänger
8: Lüftungsöffnung
9: zusätzliche Lüftungsöffnung
10: Rahmen
11: Endstück
12: Filter
13: Gitter
14: Lüfteranordnung
15: Getriebe
16: Motorhalter
17: Getriebehalter
18: Wasserstofftank
19: Adapterplatte
19.1: erstes Befestigungsmittel
19.2: zweites Befestigungsmittel
19.3: Aussparung
19.4: Materialausfräsung
20: Motorgehäusebohrung
21: Kupplung
21.1: motorseitiges Kupplungselement
21.2: getriebeseitiges Kupplungselement
21.3: klauenartige Ausformung
21.4: Kupplungszwischenelement
22: Motorausgangswelle
23: Getriebeeingangswelle
24: Fixierplatte
25: Öffnung
26: halbes Zahnrad
27: Zahnrad
28: Durchführungsbohrung
29: Gewindebohrung
30: innenverzahnter Aufnahmekranz
31: Verbinderwelle
32: Außenverzahnung
33: Steuergerät
34: Halter
35: hinterer Querträger
36: Kühlkreislauf
37: Wärmetauscher
38: Ladegerät
39: Motorraumöffnung
40: Strebe
41: Tankhalter
42: Wasserstoffsystem
42.1: Tankstutzen
42.2: Rohrleitung
42.3: Rückschlagventil
42.4: Ventileinheit
42.5: Versorgungsleitung
42.6: Rohrbruchsicherung
42.7: Druckregler
42.8: Überdruckventil
42.9: Abblaseleitung
42.10: Handabsperrventil
42.11: Sicherungsleitung
42.12: Drucksensor
43: Kabelkanal
44: vorderer Halter
45: hinterer Halter
46: vordere Haltebohrung
47: hintere Haltebohrung
48: Seitenbereich
49: Einzelzelle
50: Zellverbund
51: Zellpack
52: Zellpolverbinderblech
53: Zellpackverbinder
54: Trennelement
55: Seitenwand
56: Steg
57: Hohlraum
58: Trennwand
59: Zellpackwand
60: Polplatte
61: Verbundummantelung
R: Fahrtrichtung

Claims

Fahrzeug (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einem elektrischen Antriebsmotor (3) und einer Batterie (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) aus einer Mehrzahl von nebeneinander aufgereihten und elektrisch seriell miteinander verschalteten Zellpacks (51) gebildet ist, wobei jeder Zellpack (51) aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter und elektrisch seriell miteinander verschalteter Zellverbünde (50) gebildet ist und wobei jeder Zellverbund (50) aus einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter und elektrisch parallel miteinander verschalteter Einzelzellen (49) gebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) in einer Unterbodenverkleidung (5) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbodenverkleidung (5) aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorgehäuse des elektrischen Antriebsmotors (3) mittels einer Adapterplatte (19) mit einem Getriebegehäuse eines Getriebes (15) des Fahrzeugs (1) verbunden ist, wobei die Adapterplatte (19) erste Befestigungsmittel (19.1) zu einer Befestigung des Motorgehäuses an der Adapterplatte (19) und zweite Befestigungsmittel (19.2) zu einer Befestigung des Getriebegehäuses an der Adapterplatte (19) aufweist, und wobei eine Motorausgangswelle (22) des elektrischen Antriebsmotors (3) über eine nicht schaltbare Kupplung (21) mit einer Getriebeeingangswelle (23) des Getriebes (15) des Fahrzeugs (1) gekoppelt ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) im Fahrzeug (1) zwischen einer frontseitig angeordneten Lüfteranordnung (14) und einem vorderen Stoßfänger (7) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansaugseite der Lüfteranordnung (14) auf eine Rückseite der Brennstoffzelle (2) gerichtet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im vorderen Stoßfänger (7) im Bereich der Brennstoffzelle (2) zumindest eine Lüftungsöffnung (8, 9) eingebracht ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstofftank (18) des Fahrzeugs (1) zumindest teilweise in einem Motorraum des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) einen Drehzahlsteller für den elektrischen Antriebsmotor (3) und/oder einen Umrichter zu einer Umwandlung einer Gleichspannung der Batterie (4) in eine dreiphasige Wechselspannung für den elektrischen Antriebsmotor (3) aufweist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsteller und der Umrichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und/oder als ein gemeinsames Steuergerät (33) ausgebildet sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (33) an einem hinteren Querträger (35) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (3) und/oder das Steuergerät (33) mit einem Kühlkreislauf (36) verbunden sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (37) des Kühlkreislaufs (36) in einem Innenraum des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) aus einer Mehrzahl von Einzelzellen (49), insbesondere Flachzellen, gebildet ist, welche parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei eine Mehrzahl von Einzelzellen (49) hintereinander und parallel zueinander und eine Mehrzahl von Reihen hintereinander und parallel zueinander angeordneter Einzelzellen (49) nebeneinander angeordnet sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Einzelzellen (49) ein doppelwandiges Trennelement (54) derart angeordnet ist, dass zwischen den Einzelzellen (49) ein von einem Kühlmedium durchströmbarer Hohlraum (57) gebildet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) aus einer Mehrzahl von Zellverbünden (50) gebildet ist, wobei jeder Zellverbund (50) eine Mehrzahl stabförmig ausgeformter Einzelzellen (49), insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen, aufweist, welche separate und ummantelte Energiespeichermodule sind, die mittels auf Zellpole einer Polarität aufgesetzte und diese elektrisch verbindende Polplatten (60) elektrisch parallel miteinander verschaltet sind und deren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einzelzellen (49) im Zellverbund (50) von einer Verbundummantelung (61) umgeben sind, wobei die Zellverbünde (50) durch Kontaktierung von Polplatten (60) mit unterschiedlicher Polarität seriell elektrisch kontaktiert sind.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fahrzeug (1) ein Ladegerät (38) für die Batterie (4) angeordnet ist, um die Batterie (4) über ein fahrzeugexternes Energieversorgungsnetz zu laden.