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Die Erfindung betrifft eine Betankungseinrichtung zum Betanken eines Fahrzeugs mit gasförmigem Brennstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Derartige Betankungseinrichtungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei gasförmigen Brennstoffen, und hier insbesondere bei Wasserstoff, welcher bei Nenndrücken in der Größenordnung von 70 MPa in den Tanks bevorratet wird, spielt eine sichere und zuverlässige Betankung eine entscheidende Rolle.
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Grundlegend ist eine derartige Betankung von Fahrzeugen, insbesondere mit Wasserstoff, in der
SAE J2601 entsprechend beschrieben und wird gemäß dieser Spezifikation durchgeführt. Bei dem Betankungsvorgang findet dabei eine Kommunikation von dem Fahrzeug in Richtung der Tankanlage statt. Diese unidirektionale Kommunikation wird über eine Kommunikationsschnittstelle durchgeführt, welche insbesondere als optische Kommunikationsschnittstelle im Infrarotbereich ausgebildet ist. Über ein Steuergerät wird das entsprechende Signal erzeugt und wird dann an die Kommunikationsschnittstelle weitergeleitet, welche typischerweise im Bereich einer Tankmulde des Fahrzeugs angeordnet ist, und so unmittelbar mit einer entsprechenden Gegenstelle im Bereich des Befüllungsanschlusses der Tankanlage kommunizieren kann. In der
SAE J2799 ist ein genaues Protokoll für die Datenübertragung dieser Kommunikationsschnittstelle beschrieben. Sie wird entsprechend dieser Spezifikation auch als Refueling Date Interface (kurz RDI) bezeichnet. Typischerweise ist es nun so, dass das Datensignal von dem Steuergerät zu dem RDI übertragen wird und dann von dort an den Betankungsanschluss und über diesen und den Betankungsschlauch in die Betankungsanlage weitergereicht wird. Ein solcher Aufbau ergibt sich beispielsweise aus der
DE 10 2010 008 206 A1 . Zusätzlich zu der dort beschriebenen Spezifikation ist es nun so, dass für alle Elemente und elektrischen Komponenten, welche im Bereich der Tankmulde platziert sind, entsprechende Explosionsschutzanforderungen gelten, da beim Abziehen des Betankungsanschlusses nach dem Betankungsvorgang ein kleines Volumen des Wasserstoffs zwischen dem Betankungsanschlusses und dem Einfüllstutzen der Betankungseinrichtung des Fahrzeugs entweichen kann. Insbesondere in der geschützten Atmosphäre der Tankmulde können so zumindest kurzzeitig in dem begrenzten Radius der Tankmulde explosionsfähige Gemische mit der Umgebungsatmosphäre ausgebildet werden, bevor das Gas durch Windeffekte und dergleichen fortgeführt wird. Um dieser Problematik zu begegnen, müssen also alle elektrischen Bauteile innerhalb der Tankmulde die entsprechenden Explosionsschutzanforderungen erfüllen.
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Aus diesem Grund ist es allgemein bekannt und üblich, in der genannten Schrift jedoch nicht dargestellt, dass kurz nach dem Steuergerät in der Verbindungsleitung zwischen dem Steuergerät und dem RDI eine zusätzliche Komponente zur Begrenzung des Stroms in Richtung der RDI eingebaut wird. Diese Komponente wird in einem eigenen Gehäuse untergebracht, und wird entsprechend ihrem englischen Begriff Intrinsic Safety Barrier auch als ISB bezeichnet.
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Aus dem weiteren Stand der Technik sind Alternativen bekannt, welche anstelle einer Kommunikationsschnittstelle zur direkten Datenübertragung, beispielsweise einer Infrarot-Schnittstelle, Funkstrecken zur Übertragung der Daten von den Fahrzeugen zur Tankanlage nutzen. Über geeignete Filter wird dabei sichergestellt, dass eine korrekte Zuordnung des jeweiligen Fahrzeugs zur jeweiligen Station der Tankanlage erfolgen kann. Dieser Aufbau ist aus der
DE 10 2010 041 326 A1 bekannt. Auch hier wird die Leistung, in diesem Fall der Funkstrecken, aus Explosionsschutzgründen beschränkt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Betankungseinrichtung zum Betanken eines Fahrzeugs mit gasförmigem Brennstoff an dem Fahrzeug anzugeben, welche zur sicheren und zuverlässigen Kommunikation mit einer Tankanlage ausgebildet ist, und welche darüber hinaus außerordentlich einfach und kostengünstig in der Montage, und sicher in der Anwendung ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betankungseinrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung ist es ähnlich wie im Stand der Technik vorgesehen, dass in einer Tankmulde an dem Fahrzeug ein Einfüllstutzen zur Aufnahme eines Betankungsanschlusses einer Tankanlage vorgesehen ist und außerdem eine Kommunikationsschnittstelle, insbesondere in Form eines sogenannten Refueling Data Interfaces (RDI), welches eine Datenübertragung gemäß dem Protokoll der
SAE J2799 ermöglicht. Die entsprechenden Daten stammen, ebenso wie im Stand der Technik, von einem Steuergerät in dem Fahrzeug, welches über ein Leitungselement mit der Kommunikationsschnittstelle zu ihrer Ansteuerung entsprechend verbunden ist. Darüber hinaus sind Komponenten vorgesehen, welche zum Schalten der Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sind, beispielsweise Magnetsensoren oder Reed-Kontakte, ähnlich wie bei der eingangs beschriebenen
DE 10 2010 008 206 A1 . Da diese Komponenten zur Schaltung der Kommunikationseinrichtung für die Erfindung keine weitere Bedeutung haben, wird hierauf nicht weiter eingegangen. Dem Fachmann ist jedoch geläufig, dass diese entsprechend vorhanden sind und beispielsweise entsprechend der besagten Schrift oder in einer anderen fachüblichen Art und Weise ausgebildet sein können.
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Ferner ist in der Verbindung, wie eingangs ebenfalls beschrieben, eine zusätzliche Komponente zur Begrenzung des Stroms zwischen dem Steuergerät und der Kommunikationsschnittstelle vorgesehen. Eine solche zusätzliche Komponente zur Begrenzung des Stroms wird auch als Isolationsbarriere oder mit dem englischen Begriff Intrinsic Safety Barrier (ISB) bezeichnet. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass diese Komponente zur Begrenzung des Stroms nicht wie im Stand der Technik in der Nähe des Steuergeräts angeordnet ist, sondern gemeinsam mit der Kommunikationsschnittstelle in ein gemeinsames Gehäuse im Bereich der Tankmulde integriert ausgeführt ist. Die Anforderungen an den Explosionsschutz, welche im Bereich der Tankmulde an alle elektrischen Komponenten und damit auch an die Kommunikationsschnittstelle zu stellen sind, werden so ideal erfüllt. Dies ist entsprechend einfach im Aufbau. Dadurch, dass das zusätzliche Gehäuse für die Komponente zur Strombegrenzung entfällt, kann hinsichtlich der Herstellungs- und Montagekosten eine entsprechende Einsparung erzielt werden. Die Komponente zur Begrenzung des Stroms funktioniert dabei vergleichbar zu derartigen Komponenten im Stand der Technik so, dass der Strom so weit begrenzt wird, dass auch bei Anwesenheit eines potenziell zündfähigen bzw. explosiven Gemischs im Bereich der Tankmulde der Stromfluss so gering ist, dass hierdurch keine Explosion ausgelöst werden kann. Die Komponente zur Begrenzung des Stroms kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee eine Zener-Diode aufweisen. Somit kann durch eine Kombination dieser Zener-Diode mit einem entsprechend ausgelegten Widerstand der Strom begrenzt werden, wie es allgemein bekannt und üblich ist.
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Der Aufbau kann insgesamt sehr einfach, und hinsichtlich des Packagings deutlich günstiger ausgebildet werden, als der bisherige Aufbau mit zwei getrennten Gehäusen. Außerdem kann durch eine entsprechende Schutzklasse des Gehäuses der Explosionsschutz zuverlässig sichergestellt werden.
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Anders als im Stand der Technik führt nun keine Leitung, in welcher der maximale Strom bereits aus Sicherheitsgründen begrenzt ist, in den Bereich der Kommunikationsschnittstelle, sondern die Leitung, welche vom Steuergerät in die Kombination aus Kommunikationsschnittstelle und Komponente zur Begrenzung des Stroms verläuft, kann durchaus Leistungen führen, welche hinsichtlich einer Zündung oder einer Explosion gegebenenfalls kritisch sein können. Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es daher vorgesehen, dass das Leitungselement zwischen dem Steuergerät und der Komponente zur Begrenzung des Stroms in einem Geflecht oder einem Gewebeschlauch angeordnet ist. Ein solches Geflecht oder ein Gewebeschlauch als Überzieher für das Leitungselement stellt insbesondere zusammen mit einer geschickten Anordnung des Leitungselements sicher, dass ein Knickschutz realisiert ist, und dass ein potenzieller Abrieb durch Vibrationen des Fahrzeugs an Kanten und Ecken, über welche das Leitungselement geführt werden muss, minimiert wird. Durch diese einfache konstruktive Maßnahme kann die Sicherheit hinsichtlich des Leitungselements und einer eventuell von dem Leitungselement ausgehenden Explosionsgefahr bzw. Gefahr eines Kurzschlusses nochmals deutlich reduziert werden.
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Wie bereits angesprochen, kann die Kommunikationsschnittstelle vorzugsweise als Infrarotschnittstelle ausgebildet sein, welche unidirektional funktioniert, also Daten von dem Fahrzeug in Richtung der Tankanlage überträgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Betankungseinrichtung ergeben sich nun außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug und eine Tankanlage;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Schnitts durch eine Tankmulde des Fahrzeugs in einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik; und
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3 eine Prinzipdarstellung eines Schnitts durch eine Tankmulde des Fahrzeugs in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses Fahrzeug 1 weist ein Brennstoffzellensystem 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung auf. Angetrieben wird das Fahrzeug 1 über einen angedeuteten Fahrmotor 3. Die elektrische Antriebsleistung für diesen Fahrmotor 3 liefert dabei in dem Brennstoffzellensystem 2 eine Brennstoffzelle 4, welche beispielsweise als sogenannter Brennstoffzellenstack aus PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein kann. Die elektrische Leistung wird über eine Leistungselektronik 5 aufbereitet und dem Fahrmotor 3 zugeführt. Die grundsätzliche Funktionalität eines solchen Brennstoffzellensystems 2 ist dabei für den Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss. Das Brennstoffzellensystem 2 kann dabei einen beliebigen Aufbau aufweisen, welcher so in der Darstellung der 1, welche rein schematisch zu verstehen ist, nicht dargestellt ist. Dem Fachmann sind derartige Aufbauten jedoch geläufig, sodass auf eine nähere Darstellung verzichtet werden kann.
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Das Brennstoffzellensystem 2 wird anodenseitig mit Wasserstoff aus einem Brennstofftank 6 versorgt. Als Brennstofftank 6 dienen dabei typischerweise ein oder mehrere Druckgasspeicher, in welchen der Wasserstoff bei einem Nenndruck von typischerweise 70 MPa gespeichert ist. Da der Brennstoff bzw. Wasserstoff in dem Brennstofftank 6 durch das Fahren des Fahrzeugs aufgebraucht wird, muss der Brennstofftank 6 von Zeit zu Zeit frisch betankt werden. Hierfür wird das Fahrzeug 1 typischerweise eine Tankanlage 8 anfahren, wie es in der Darstellung der 1 rein beispielhaft zu erkennen ist. Das Fahrzeug 1 selbst weist eine Betankungseinrichtung 9 auf. Diese Betankungseinrichtung 9 des Fahrzeugs 1 ist typischerweise innerhalb einer Tankmulde 10 an dem Fahrzeug 1 angeordnet, welche in den Darstellungen der 2 und 3 in einem prinzipmäßigen Schnitt zu erkennen ist. Eine hier nicht dargestellte Schutzkappe oder ein Tankdeckel wird von der Tankmulde 10 abgenommen. Danach liegt ein Einfüllstutzen 11 der Betankungseinrichtung 9 frei, sodass dieser mit einem Betankungsanschluss 12 der Tankanlage 8 verbunden werden kann. Der Betankungsanschluss 12 selbst ist über einen Schlauch 13 und ein im Bereich des Schlauchs 13 verlaufendes hier nicht explizit zu erkennendes Kabel mit der Tankanlage 8 verbunden. Der Betankungsvorgang selbst wird typischerweise durch SAE J2601 und SAE J2799 beschrieben. Während der Betankung ist eine unidirektionale Kommunikation zwischen der Betankungseinrichtung 9 und der Tankanlage 8 notwendig. Im Bereich der Tankmulde 10 ist daher eine mit 14 bezeichnete Kommunikationsschnittstelle angeordnet. Diese Kommunikationsschnittstelle 14 wird gemäß den oben beschriebenen SAE-Dokumenten auch als Refueling Data Interface oder kurz RDI bezeichnet. Der Start der Kommunikation wird dabei über einen Näherungssensor zwischen dem Betankungsanschluss 12 und der Betankungseinrichtung 9 und/oder durch ein Abnehmen des hier nicht dargestellten Schutzdeckels von der Betankungseinrichtung 9 ausgelöst. Hierfür sind meist Magneten in Kombination mit einem Reed-Kontaktschalter vorgesehen. Diese sind dem Fachmann geläufig und aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Die Daten des RDI 14 werden nun im Bereich des Betankungsanschlusses 12 entsprechend aufgenommen und beispielsweise über das im Bereich des Schlauchs 13 verlaufende Kabel an die Betankungsanlage 8 weitergegeben. Die übermittelten Daten beinhalten beispielsweise Tankdruck, Tankgröße, Temperatur und dergleichen. Sie dienen dazu, den Befüllungsvorgang bei der Betankung zu optimieren.
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Die Daten, welche das RDI aus der Tankmulde 10 zu dem Betankungsanschluss 12 und damit letztlich zur Tankanlage 8 sendet, werden in einem in den 2 und 3 dargestellten Steuergerät 15 entsprechend aus den fahrzeuginternen Sensoren aufbereitet und gemäß dem definierten Übertragungsprotokoll, beispielsweise nach SAE J2799, an die Kommunikationsschnittstelle 14 zur Übertragung an die Tankanlage 8 weitergegeben. Hierfür ist das Steuergerät 15 mit der Kommunikationsschnittstelle bzw. RDI 14 über ein Leitungselement 16 verbunden. Gemäß dem Stand der Technik ist im Bereich dieses Leitungselements 16 eine Komponente zur Begrenzung des Stroms zwischen dem Steuergerät 15 und dem RDI 14 angeordnet. Diese in den Darstellungen der Figuren mit 17 bezeichnete Komponente zur Begrenzung des Stroms wird auch als Isolationsbarriere bzw. Intrinsic Safety Barrier (ISB) bezeichnet. Die Isolationsbarriere 17 kann beispielsweise eine Zehner-Diode aufweisen, um den Strom so weit zu begrenzen, dass auch bei einer eventuellen Anwesenheit von zündfähigen oder explosiven Gemischen, insbesondere im Bereich der Tankmulde, und einer Beschädigung beispielsweise des Leitungselements oder des Gehäuses der RDI keine Zündung des Gemischs auftreten kann. Gemäß dem Stand der Technik, wie er in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, befindet sich die Isolationsbarriere 17 dabei typischerweise in der Nähe des Steuergeräts, sodass der größte Teil des Leitungselements 16 bereits mit dem entsprechend begrenzten Strom betrieben wird. Dies macht dabei den Aufbau einerseits aufwändig und beschränkt die Länge des Leitungselements, da durch Leitungsverluste bei einem zu langen Leitungselement 16 die Gefahr besteht, dass die Daten nicht mehr sicher und zuverlässig im Bereich des RDI 14 ankommen.
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In der Darstellung der 3 ist nun ein verbesserter Aufbau zu erkennen. Der Aufbau entspricht dabei weitgehend dem in 2 bereits beschriebenen Aufbau. Das Steuergerät 15 ist in dem Fahrzeug 1 in etwa an derselben Stelle platziert wie in der Darstellung der 2. Die Isolationsbarriere 17 ist nun jedoch nicht in der Nähe des Steuergeräts 15 angeordnet, sondern ist mit dem RDI 14 unmittelbar in ein einziges gemeinsames mit 18 bezeichnetes Gehäuse in der Tankmulde 10 integriert. Diese Integration der Isolationsbarriere 17 in das Gehäuse 18 des RDI und damit in den Bereich der Tankmulde ermöglicht weiterhin eine entsprechende Begrenzung des Stroms im Bereich der Tankmulde. Da zündfähige oder explosive Gemische im Bereich der Tankmulde, insbesondere beim Abziehen des Betankungsanschlusses 12 vom Einfüllstutzen 11 entstehen können, ist damit den notwendigen Sicherheitsanforderungen Rechnung getragen. Durch das eine gemeinsame Gehäuse wird hinsichtlich Packaging und Montage ein deutlicher Vorteil erzielt. Um nun sicherzustellen, dass von dem Leitungselement 16, welches nun den Strom unbegrenzt vom Steuergerät 15 zu der Isolationsbarriere 17 und von dieser zur RDI 14 führt, nicht beschädigt wird und hierdurch eventuelle Kurzschlüsse oder dergleichen entstehen können, welche potenziell sicherheitskritisch werden können, ist das Leitungselement 16 beispielsweise von einem Gewebeschlauch 19 oder einem Geflecht umgegeben. Hierdurch wird einerseits ein scharfes Abknicken des Leitungselements 16 verhindert und andererseits können eventuelle Beschädigungen, beispielsweise ein Abrieb der Isolation durch Vibrationen an Ecken oder Kanten, verhindert bzw. die Gefahr von derartigen Beschädigungen deutlich verringert werden. Hierdurch entsteht mit sehr einfachen Mittel ein sehr sicherer und zuverlässiger Aufbau, welcher die entsprechenden Vorteile hinsichtlich der Montage, der Herstellungskosten und dergleichen mit sich bringt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010008206 A1 [0003, 0008]
- DE 102010041326 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- SAE J2601 [0003]
- SAE J2799 [0003]
- SAE J2799 [0008]
- SAE J2601 [0019]
- SAE J2799 [0019]
- SAE J2799 [0021]
