DE102017011282A1 - Energy supply system for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (2) für ein Fahrzeug (1), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (9), einen Tank (7) für komprimierten Wasserstoff, eine elektrische Energiespeichereinrichtung (6), wobei die elektrische Energiespeichereinrichtung (6) und der Tank (7) in wärmeleitendem Kontakt zueinander stehen. Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem dadurch gekennzeichnet, dass, die elektrische Energiespeichereinrichtung (6) und der Tank (7) in zwei Ebenen direkt übereinander angeordnet sind.The invention relates to a power supply system (2) for a vehicle (1), comprising a fuel cell system (9), a compressed hydrogen tank (7), an electrical energy storage device (6), wherein the electrical energy storage device (6) and the tank (7 ) are in heat-conducting contact with each other. The energy supply system according to the invention, characterized in that, the electrical energy storage device (6) and the tank (7) are arranged directly above one another in two planes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a power supply system for a vehicle according to the closer defined in the preamble of
Energieversorgungssysteme für ein Fahrzeug sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Für ein sogenanntes Brennstoffzellenfahrzeug weisen diese Energieversorgungssystem im Allgemeinen immer ein Brennstoffzellensystem, einen Tank für beispielsweise komprimierten Wasserstoff und eine elektrische Energiespeichereinrichtung, beispielsweise eine Batterie, auf. Diese Komponenten werden dann bedarfsgerecht in dem Fahrzeug montiert.Power supply systems for a vehicle are well known in the art. For a so-called fuel cell vehicle, these power supply systems generally always include a fuel cell system, a tank for, for example, compressed hydrogen, and an electrical energy storage device, such as a battery. These components are then assembled as needed in the vehicle.
Aus dem Stand der Technik sind derartige Energieversorgungssysteme, welche insbesondere im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet werden, prinzipiell bekannt. So beschreibt beispielsweise die
Bei der zusätzlichen Verwendung eines sogenannten Rohrspeichers ist ein ähnlicher Aufbau auch aus der
Wichtig bei derartigen Aufbauten ist es auch, dass Abwärme zuverlässig abgeführt und bei Bedarf einzelne Komponenten, beispielsweise der Tank bei einem großen Entnahmevolumenstrom an Wasserstoff beheizt werden kann. Aus diesem Grund ist das Wärmemanagement entscheiden. Mit diesem Aspekt beschäftigen sich beispielsweise die
Eine Vorrichtung zum Speichern von Energie ist außerdem aus der
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann außerdem auf die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun gegenüber diesem Stand der Technik, ein verbessertes Energieversorgungssystem anzugeben sowie ein verbessertes Fahrzeug.The object of the present invention is now compared to this prior art to provide an improved power supply system and an improved vehicle.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Energieversorgungssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Idee ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 10 die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a power supply system having the features in
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug umfasst, vergleichbar wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Brennstoffzellensystem, einen Tank für Wasserstoff und eine elektrische Energiespeichereinrichtung. Die elektrische Energiespeichereinrichtung und der Tank sind dabei in wärmeleitendem Kontakt zueinander positioniert, sodass insbesondere die Abwärme der Batterie genutzt werden kann, um den Tank bei Bedarf zu erwärmen. Auch dies ist so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung und der Tank in zwei Ebenen direkt übereinander angeordnet sind. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient. Anders als beispielsweise in der eingangs genannten
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch in Richtung der Schwerkraft unten die elektrische Energiespeichereinrichtung und oben der Tank angeordnet ist. Die von der elektrischen Energiespeichereinrichtung aufsteigende Wärme kann so genutzt werden, um den Tank zu erwärmen. Wird aus dem Tank eine entsprechend hohe Menge an Wasserstoff entnommen, beispielsweise ein hoher Volumenstrom an Wasserstoff bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs, kommt es zu einer Abkühlung. Die abgekühlte Luft in der Umgebung um den Tank fällt dann nach unten und kann die Kühlung der elektrischen Energiespeichereinrichtung verbessern.According to a very advantageous development of the idea, it is provided that in the intended use in the direction of gravity down the electrical energy storage device and the top of the tank is arranged. The rising from the electrical energy storage device heat can be used to heat the tank. If a correspondingly high amount of hydrogen is withdrawn from the tank, for example a high volumetric flow of hydrogen when the vehicle accelerates, cooling occurs. The cooled air in the vicinity of the tank then falls down and can improve the cooling of the electrical energy storage device.
Außerdem ist es so, dass die Batterie als bevorzugte elektrische Energiespeichereinrichtung sehr viel schwerer als der Tank ist, sodass ein sehr tiefer Schwerpunkt des Fahrzeugs erreicht wird, sodass hierdurch eine ideale Gewichtsverteilung hinsichtlich der Agilität des Fahrzeugs ermöglicht wird, ähnlich einem sogenannten Mittelmotor bei herkömmlichen Fahrzeugen.In addition, as the preferred electric energy storage device, the battery is much heavier than the tank, so that a very low center of gravity of the vehicle is achieved, thereby enabling an ideal weight distribution with respect to the agility of the vehicle, similar to a so-called center motor in conventional vehicles ,
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee kann der Tank dabei als Rohrtank mit einer Mehrzahl von Rohrabschnitten ausgebildet sein. Ein solcher Rohrtank mit mehreren Rohrabschnitten lässt sich besonders einfach und effizient in kompakter Bauform realisieren. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Rohrabschnitten mit relativ kleinem Durchmesser und im Vergleich dazu großer Länge nebeneinander positioniert werden, um einen flachen im Wesentlichen rechteckigen Tank auszubilden. Ein solcher flacher rechteckiger Tank kann in Kombination mit ebenso flachen rechteckig angeordneten Elementen der elektrischen Energiespeichereinrichtung dann zu einem quaderförmigen relativ flachen Bauteil kombiniert werden, indem die Ebenen direkt übereinander gelegt werden. Ein solcher Aufbau lässt sich dann in einem Fahrzeug ideal nutzen, beispielsweise im Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs, sodass ein außerordentlich kompakter Aufbau entsteht. Anders als bei herkömmlichen Aufbauten lässt sich trotz eines sehr großen Innenvolumens des Tanks dieser sehr flach ausbilden, was bezüglich des benötigten Bauraums bei den typischerweise in Fahrzeugen vorliegenden Bedingungen ideal ist.According to an extremely favorable development of the idea, the tank can be designed as a tube tank with a plurality of pipe sections. Such a tube tank with several pipe sections can be realized particularly simple and efficient in a compact design. For example, a plurality of relatively small diameter tube sections may be juxtaposed as compared to one another to form a flat substantially rectangular tank. Such a flat rectangular tank can then be combined in combination with equally flat rectangularly arranged elements of the electrical energy storage device to a cuboid relatively flat component by the planes are placed directly above each other. Such a structure can then be ideally used in a vehicle, for example in the area of the underbody of the vehicle, so that an extraordinarily compact structure is created. In contrast to conventional superstructures, despite a very large internal volume of the tank, it can be made very flat, which is ideal in terms of the required installation space in the conditions typically present in vehicles.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee, kann es ferner vorgesehen sein, dass die Rohrabschnitte in der Art einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Eine solche Reihenschaltung der Rohrabschnitte erfordert im Gegensatz zu der ansonsten üblichen Parallelschaltung der Rohrabschnitte einen sehr viel geringeren Aufwand hinsichtlich der Ventiltechnik, da jeder Rohrtank direkt mit dem benachbarten Rohrtank verbunden werden kann. Es reicht dann aus, den Rohrtank beispielsweise als Kreisrohrtank zu realisieren mit einer Befüll- und Entnahmestelle oder als in Reihe hintereinander geschaltete Anzahl von Rohrendabschnitten mit einem einzigen Entnahme- und Befüllventil beispielsweise an einem Ende und einem Blindstopfen am anderen Ende.According to a further advantageous embodiment of this idea, it may further be provided that the pipe sections are connected to each other in the manner of a series connection. Such a series connection of the pipe sections, in contrast to the otherwise usual parallel connection of the pipe sections a much less effort in terms of valve technology, since each pipe tank can be connected directly to the adjacent pipe tank. It is then sufficient to realize the pipe tank, for example, as a circular tube tank with a filling and removal point or as a series connected in series number of Rohrendabschnitten with a single sampling and filling valve, for example, at one end and a blind plug at the other end.
Die Betankbarkeit und Entnahme ist bei einem solchen Monobehälter als Tank sehr viel einfacher als bei einer Vielzahl von parallel angeordneten Rohrabschnitten, welche jeweils einen eigenen Behälter ausbilden, da hier keine Druckdifferenzen vorliegen. Neben der Einsparung von Ventilen ist dies ein weiterer entscheidender Vorteil.The fuelability and removal is much easier in such a mono container as a tank as a plurality of parallel pipe sections, which each form a separate container, since there are no pressure differences. In addition to saving on valves, this is another decisive advantage.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es ferner vor, dass das Brennstoffzellensystem in Kontakt zu den beiden Ebenen angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem wird also ergänzend zu den elektrischen Energiespeichereinrichtungen in der einen Ebene und dem Tank in der anderen Ebene mit zu einer integrierten Baueinheit des Energieversorgungssystems zusammengefasst. Es steht dann mit den beiden Ebenen in direktem Kontakt und kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung an einem Ende der beiden Ebenen angeordnet sein, sodass der Aufbau insgesamt quaderförmig bleibt oder in der Seitenansicht in der Art eines L ausgebildet ist und sich somit ideal eignet, um den Unterbau eines Fahrzeugs zu ergänzen und beispielsweise im Vorderwagen oder im Heck des Wagens die dort verfügbare höhere Bauhöhe für das Brennstoffzellensystem auszunutzen.Another very advantageous embodiment of the idea further provides that the fuel cell system is arranged in contact with the two planes. The fuel cell system is thus summarized in addition to the electrical energy storage devices in one level and the tank in the other level to an integrated unit of the power supply system. It is then in direct contact with the two levels and can be arranged according to an advantageous development at one end of the two planes, so that the structure remains cuboid overall or is formed in the side view in the manner of an L and thus ideally suited to the To complement substructure of a vehicle and take advantage, for example, in the front or in the rear of the car there available higher height for the fuel cell system.
Durch die Anordnung des Brennstoffzellensystems unmittelbar neben der Ebene mit dem Tank wird die Leitungsführung entsprechend vereinfacht, sodass insbesondere keine ständig mit Wasserstoff befüllten Hochdruckleitungen notwendig sind, welche über große Strecken durch den Aufbau, beispielsweise eines Fahrzeugs, verlaufen und für den Fall eines Unfalls oder dergleichen entsprechend abzusichern wären. Der gesamte Aufbau ist außerordentlich kompakt und einfach zu handhaben. Insbesondere kann er unabhängig von einem Fahrzeug aufgebaut werden, was dann im weiteren Verlauf eine sehr einfache und hocheffiziente Montage des Energieversorgungssystems in dem Fahrzeug erlaubt, welches hierzu lediglich in den Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs bewegt und dort beispielsweise über Schrauben oder dergleichen fixiert werden muss.The arrangement of the fuel cell system immediately adjacent to the plane with the tank, the wiring is simplified accordingly, so that in particular no constantly filled with hydrogen high pressure lines are necessary, which extend over long distances through the structure, such as a vehicle, and in the event of an accident or the like would be hedged accordingly. The entire structure is extremely compact and easy to handle. In particular, he can be independent of a vehicle be set up, which then allows in the course of a very simple and highly efficient installation of the power supply system in the vehicle, which moves this only in the area of the underbody of the vehicle and there must be fixed, for example, screws or the like.
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems sieht es dann ferner vor, dass energieabsorbierende Crashstrukturen an zumindest einer Seite in Kontakt zu den beiden Ebenen und/oder dem Brennstoffzellensystem angeordnet sind. Der gesamte Aufbau kann also an einer oder vorzugsweise an beiden in Längsrichtung verlaufenden Seiten oder besonders bevorzugt rundum mit Crashstrukturen versehen werden. Er kann dann im Einsatz in einem Fahrzeug relativ weit seitlich in den Außenbereich des Fahrzeugs ragen und ist dennoch ausreichend geschützt, sodass über die energieabsorbierenden Crashstrukturen sowohl die Batterie als auch der Tank als auch das Brennstoffzellensystem mit den wasserstoffführenden Leitungen gegen Beschädigungen bestmöglich gesichert ist.A further extremely favorable embodiment of the energy supply system according to the invention then further provides that energy-absorbing crash structures are arranged on at least one side in contact with the two planes and / or the fuel cell system. The entire structure can therefore be provided on one or preferably both sides extending in the longitudinal direction or particularly preferably all around with crash structures. He can then protrude in use in a vehicle relatively far laterally in the outer region of the vehicle and is still sufficiently protected, so that the battery and the tank and the fuel cell system with the hydrogen-carrying lines is best secured against damage via the energy-absorbing crash structures.
Der Tank kann dabei prinzipiell in jeder denkbaren Art ausgebildet sein, beispielsweise als Druckgasspeicher, als Cryo-Speicher oder als Cryo/Druck-Speicher. In einem Druckgasspeicher wird der Wasserstoff typischerweise bei Drücken von beispielsweise 35 bis 70 MPa Nenndruck gespeichert. Der Vorteil ist dabei, dass der Wasserstoff sich auf der Umgebungstemperatur befinden kann. In einem Cryo-Speicher oder auch einem Cryo/Druck-Speicher wird der Wasserstoff dahingegen bei niedrigen Temperaturen, zumindest im Cryo-Speicher, flüssig gespeichert. Hierdurch ist eine höhere Energiedichte zu erzielen. Bei einem Cryo-Speicher liegen dabei die typischen Drücke bei bis zu 2 MPa, die Temperaturen des gespeicherten Wasserstoffs bei -260° C bis -240° C. Die Weiterbildung des Cryo-Speichers zu einem sogenannten Cryo/Druck-Speicher speichert dahingegen kryogenes Gas bei Drücken von35 MPa bis zu 70 MPa, typischerweise jedoch in etwa 35 MPa. Auch bei einem solchen Cryo/Druck-Speicher liegen die Temperaturen bei typischerweise bei -260° C bis -240° C. Er kann, anders als der Cryo-Speicher, aufgrund seiner Druckstabilität bis 35 oder 70 MPa Nenndruck jedoch auch deutlich wärmer werden, ohne dass das Gas abgeblasen werden muss.The tank can in principle be designed in any conceivable manner, for example as a compressed gas storage, as a cryo-storage or as a cryo / pressure storage. In a compressed gas storage, the hydrogen is typically stored at pressures of, for example, 35 to 70 MPa nominal pressure. The advantage is that the hydrogen can be at ambient temperature. In contrast, the hydrogen is stored in liquid form in a cryo store or also in a cryo / pressure store at low temperatures, at least in the cryo store. As a result, a higher energy density can be achieved. In a cryogenic storage, the typical pressures are up to 2 MPa, the temperatures of the stored hydrogen at -260 ° C to -240 ° C. The development of the cryo storage to a so-called cryo / pressure storage stores contrast cryogenic gas at pressures of 35 MPa up to 70 MPa, but typically in about 35 MPa. Even with such a cryo / pressure storage, the temperatures are typically at -260 ° C to -240 ° C. However, unlike the cryo-storage, it can also be significantly warmer due to its pressure stability up to 35 or 70 MPa nominal pressure, without the gas having to be blown off.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems gemäß der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass zwischen zumindest einigen der Rohrabschnitte, und hier insbesondere denen, die der elektrischen Energiespeichereinrichtung zugewandt sind, Kühlmedienleitungen für ein flüssiges Kühlmedium eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Diese besonders vorteilhafte Weiterbildung der Ausgestaltung als Rohrspeicher sieht es also vor, dass die zwischen den Rohren verbleibenden Zwischenräume zumindest teilweise für Kühlmedienleitungen genutzt werden, in denen flüssiges Kühlmedium strömt. Über dieses Kühlmedium kann die elektrische Energiespeichereinrichtung temperiert werden. Der Kühlkreislauf ist dabei ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems, welcher auf einem mittleren Temperaturniveau beispielsweise zwischen 15 und 45° C oder vorzugsweise zwischen 20 und 40° C betrieben wird, um für die elektrische Energiespeichereinrichtung die ideale Temperatur zur Verfügung zu stellen. Der Tank würde zwar größere Temperaturschwankungen durchaus aushalten, es ist jedoch auch hiervon Vorteil, den Tank in einem derartigen Temperaturfenster zu halten, weil hierdurch die thermische Belastung des Materials reduziert wird, was sich insbesondere auf die Langlebigkeit von Dichtungen und dergleichen positiv auswirkt. Durch das Kühlmedium kann außerdem auch die von der Batterie aufsteigende Wärme von dem Tank abgehalten werden, wenn dieser nicht erwärmt werden soll, weil es z.B. im aktuellen Betriebspunkt verfahrenstechnisch nicht erwünscht ist, oder weil beispielsweise ein Cryo- oder ein Cryo/Druck-Speicher eingesetzt wird.In a further very favorable configuration of the energy supply system according to the invention, it is further provided that cooling medium lines for a liquid cooling medium of a low-temperature cooling circuit of the fuel cell system are arranged between at least some of the pipe sections, and in particular those which face the electrical energy storage device. This particularly advantageous embodiment of the embodiment as a tube memory therefore provides that the intermediate spaces remaining between the tubes are at least partially used for cooling media lines in which liquid cooling medium flows. About this cooling medium, the electrical energy storage device can be tempered. The cooling circuit is a low-temperature cooling circuit of the fuel cell system, which is operated at an average temperature level, for example, between 15 and 45 ° C or preferably between 20 and 40 ° C in order to provide the ideal temperature for the electrical energy storage device. Although the tank would tolerate greater temperature fluctuations, it is also advantageous to keep the tank in such a temperature window, because this reduces the thermal load on the material, which has a positive effect on the longevity of seals and the like. In addition, by the cooling medium, the heat rising from the battery can be kept away from the tank, if it is not to be heated, because e.g. procedurally undesirable in the current operating point, or because, for example, a cryo- or a cryo / pressure memory is used.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorsehen, dass die Kühlmedienleitungen auf der der elektrischen Energiespeichereinrichtung zugewandten Seite als Vorlauf, die Kühlmedienleitung auf der der elektrischen Energiespeichereinrichtung abgewandten Seite als Rücklauf für das Kühlmedium dienen. Dieser Einsatz der Kühlmedienleitungen, welche beispielsweise mit einen sogenannten Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems in Verbindung stehen können, um die genannten Temperaturen von 20° C bis 40° C bereitzustellen, können dabei im Normalbetrieb insbesondere die elektrische Energiespeichereinrichtung in Form der Batterie kühlen, weil die Wärme von ihr entsprechend aufsteigt und damit die Kühlmedienleitungen, welche das Kühlmedium im Vorlauf transportieren, zuerst erreicht. Der Tank, welcher auch größere Temperaturen problemlos aushält, wird dann von der Restwärme durchströmt, welche gegebenenfalls noch von den oben liegenden Kühlmedienleitungen für das Kühlmedium im Rücklauf mit aufgenommen werden kann, Darüber hinaus kann das Kühlmedium beispielsweise im Bereich des Brennstoffzellensystems weitere Komponenten auf der Niedertemperatur kühlen, beispielsweise Elektronikkomponenten oder dergleichen.A very advantageous development of this idea can provide that the cooling media lines serve as a feed line on the side facing the electrical energy storage device, and the cooling medium line on the side remote from the electrical energy storage device serves as a return for the cooling medium. This use of the cooling media lines, which may be in connection for example with a so-called low-temperature cooling circuit of the fuel cell system to provide the said temperatures of 20 ° C to 40 ° C, can thereby cool the electric energy storage device in the form of the battery in normal operation in particular, because the Heat rises from her accordingly and thus the cooling media lines, which transport the cooling medium in the flow, reached first. The tank, which can withstand even greater temperatures without problems, is then flowed through by the residual heat, which may optionally be taken up by the overhead cooling media lines for the cooling medium in the return. In addition, the cooling medium can, for example in the area of the fuel cell system, further components at the low temperature cool, such as electronic components or the like.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Energieversorgungssystems sieht es ferner vor, dass bei der Ausgestaltung als Rohrtank zwischen den Rohrabschnitten von Kühlluft durchströmte Hohlräume angeordnet sind. Die bei der Ausgestaltung als Rohrtank zwischen den einzelnen Rohrabschnitten ohnehin verbleibenden Zwischenräume können bei einer Ausrichtung der Rohre in Längsrichtung des Energieversorgungssystems insbesondere genutzt werden, um von Kühlluft durchströmt zu werden, wodurch die Abkühlung der Batterie, welche bauartbedingt meist selbst nicht durchströmt werden kann, verbessert wird. Dies gilt insbesondere, wenn wärmeleitende Elemente der Batterie so zwischen den Batterieeinzelzellen angeordnet sind, dass diese die Wärme beispielsweise in den Grenzbereich zwischen dem Tank und der elektrischen Energiespeichereinrichtung abführen, sodass diese von durch den Rohrtank strömender Kühlluft ideal aufgenommen werden kann.An advantageous development of the energy supply system, it also provides that in the embodiment as a pipe tank between the pipe sections of cooling air perfused cavities are arranged. The in the embodiment as a tube tank between the individual pipe sections anyway remaining gaps can be used in particular with an orientation of the tubes in the longitudinal direction of the power supply system to be traversed by cooling air, whereby the cooling of the battery, which can not be flowed through the design itself, is improved. This is especially true when thermally conductive elements of the battery are arranged between the battery individual cells, that they dissipate the heat, for example in the boundary region between the tank and the electrical energy storage device, so that it can be ideally absorbed by flowing through the pipe tank cooling air.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass eine gemeinsame Tragstruktur in dem Energieversorgungssystem vorhanden ist, welche zumindest eine das Brennstoffzellensystem, den Tank und die elektrische Energiespeichereinrichtung im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft nach unten abschließende Platte aufweist. Eine solche Bodenplatte sorgt für einen ausreichenden Schutz von unten, sodass beispielsweise keine Gegenstände, welche unter das Fahrzeug gelangen, das Energieversorgungssystem beschädigen können. Sie bietet auch Schutz vor thermischer Beeinträchtigung, beispielsweise durch Hitze, Feuer, einen Brand oder dergleichen. Ergänzend zu der Platte können weitere gemeinsame Elemente der Tragstruktur vorhanden sein, beispielsweise in Längsrichtung verlaufende Träger, welche zusammen mit der Platte die weiteren Komponenten des Energieversorgungssystems umschließen.According to a further very advantageous embodiment, it can also be provided that a common support structure is present in the energy supply system, which has at least one fuel cell system, the tank and the electrical energy storage device in the intended use in the direction of gravity downwards final plate. Such a floor plate provides sufficient protection from below, so that, for example, no objects that get under the vehicle, can damage the power supply system. It also provides protection against thermal degradation, such as heat, fire, fire or the like. In addition to the plate further common elements of the support structure may be present, for example, longitudinally extending support, which together with the plate surround the other components of the power supply system.
Wie bereits erwähnt, kann es für das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem insbesondere vorgesehen sein, dass dieses in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Dementsprechend umfasst das Fahrzeug gemäß der Erfindung das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem in einer der oben beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei dieses in dem erfindungsgemäßen Fahrzeug im Unterbodenbereich angeordnet ist. Diese Anordnung ist bei dem sehr kompakten Aufbau, welchen das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem trotz einem hohen Tankvolumen und einer entsprechend hohen Reichweite bietet, ideal. Vor allem bei der Ausgestaltung des Tanks als Rohrtank kann eine sehr geringe Bauhöhe der beiden Ebenen mit dem Tank und der elektrischen Energiespeichereinrichtung realisiert werden, was die Anwendung im Unterboden eines Fahrzeugs sehr effizient und platzsparend macht. Insbesondere muss das Fahrzeug dabei in seiner Grundstruktur nicht verändert werden, da in diesem Bereich ausreichender Platz bei den meisten Bauformen von Fahrzeugen vorhanden ist.As already mentioned, it can be provided in particular for the energy supply system according to the invention that it is used in a vehicle. Accordingly, the vehicle according to the invention comprises the energy supply system according to the invention in one of the embodiments described above, wherein this is arranged in the vehicle according to the invention in the underbody area. This arrangement is in the very compact design, which provides the energy supply system according to the invention despite a high tank volume and a correspondingly high range, ideal. Especially in the design of the tank as a pipe tank, a very low height of the two levels can be realized with the tank and the electrical energy storage device, which makes the application in the underbody of a vehicle very efficient and space-saving. In particular, the vehicle does not need to be changed in its basic structure, since there is sufficient space in most vehicle designs in this area.
Eine sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sieht es dabei vor, dass das Energieversorgungssystem im Bereich einer Hinterachse endet und einen schmaleren Bereich mit größerer Höhe aufweist, in welchem insbesondere das Brennstoffzellensystem oder Teile des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Diese vorteilhafte Weiterbildung des Fahrzeugs sieht es vor, dass das Energieversorgungssystem im Bereich der Hinterachse endet und nicht über die Hinterachse hinausragt, um so nur innerhalb der vergleichsweise crashsicheren Struktur des Fahrzeugs Teile des Energieversorgungssystems anzuordnen. Dies gilt insbesondere in Fahrtrichtung von vorn und von hinten, wenn die Crashstrukturen innerhalb des Energieversorgungssystems gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung im seitlichen Bereich angeordnet sind. Im Bereich der Hinterachse ist typischerweise vergleichsweise wenig Platz in der Breite, da hier die Radaufhängungen und die Räder angeordnet sind. Dahingegen besteht relativ viel Platz in der Höhe, da dieser Bereich bereits im Bereich des Laderaums oder unter der hinteren Sitzbank liegt. In diesem Bereich kann also vorzugsweise das Brennstoffzellensystem angeordnet werden, welches entsprechend höher als der Rest des Energieversorgungssystems aufgebaut werden kann und dafür in der Breite etwas schmaler gestaltet wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Brennstoffzellensystem dabei innerhalb der crashsicheren Struktur des Fahrzeugs liegt, da es nicht oder nicht wesentlich über die Hinterachse des Fahrzeugs in Heckrichtung, also entgegen der Fahrtrichtung, hinausragt.A very favorable embodiment of the vehicle according to the invention provides that the energy supply system ends in the region of a rear axle and has a narrower area of greater height, in which in particular the fuel cell system or parts of the fuel cell system are arranged. This advantageous development of the vehicle provides that the energy supply system ends in the region of the rear axle and does not protrude beyond the rear axle so as to arrange parts of the energy supply system only within the comparatively crash-proof structure of the vehicle. This applies in particular in the direction of travel from the front and from the rear, when the crash structures are arranged within the energy supply system according to the above-described advantageous development in the lateral area. In the region of the rear axle is typically comparatively little space in the width, since the suspension and the wheels are arranged here. In contrast, there is a relatively large amount of space in the height, since this area is already in the cargo area or under the rear seat. In this area, therefore, preferably, the fuel cell system can be arranged, which can be constructed correspondingly higher than the rest of the power supply system and it is made somewhat narrower in width. The advantage of this arrangement is that the fuel cell system is within the crash-proof structure of the vehicle, since it does not protrude or not substantially over the rear axle of the vehicle in the rear direction, ie opposite to the direction of travel.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung dieser Idee sieht es dabei vor, dass sich im Anschluss an das Energieversorgungssystem im Heck des Fahrzeugs ein Produktwassertank zum zumindest vorübergehenden Sammeln des Produktwassers des Brennstoffzellensystems anschließt. Ein solcher Produktwassertank kann in diesem Bereich einfach und effizient angeordnet werden. Er ist keine sicherheitskritische Struktur und könnte im Falle eines Crashs notfalls auch beschädigt werden, ohne dass hiervon gravierende Folgen für das Fahrzeug, die Insassen und die Umwelt zu erwarten wären. Daher bietet sich dieser Ort für den Produktwassertank an. In diesem Produktwasser wird typischerweise Produktwasser des Brennstoffzellensystems gesammelt, wenn beispielsweise nicht genug Energie in der Abluft vorliegt, um größere Mengen des Produktwassers in dampfförmiger Phase in die Umgebung abzugeben. Das Produktwasser kann dann zwischengespeichert werden und kann in Fahrsituationen, in denen es problemlos verdampft werden kann, verdampft werden, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Energieaufwand notwendig ist, da dann hierzu typischerweise lediglich die ohnehin vorhandene Abwärme genutzt wird.An extraordinarily favorable further development of this idea provides that, following the energy supply system in the rear of the vehicle, a product water tank is connected to at least temporarily collect the product water of the fuel cell system. Such a product water tank can be easily and efficiently arranged in this area. It is not a safety-critical structure and could be damaged in the event of a crash if necessary, without serious consequences for the vehicle, the occupants and the environment. Therefore, this place offers itself for the product water tank. In this product water, product water of the fuel cell system is typically collected, for example, if there is insufficient energy in the exhaust air to release larger amounts of the product water in the vapor phase into the environment. The product water can then be temporarily stored and can be evaporated in driving situations in which it can easily be vaporized, without the need for additional energy, since then typically only the already existing waste heat is used.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs, bei dessen Energieversorgungssystem Kühlluft durch die Hohlräume zwischen den Rohrabschnitten strömt, kann es dabei vorsehen, dass die Kühlluft durch die Fahrzeugfront und/oder einen Kühlwärmetauscher zuströmt, bevor sie durch das Energieversorgungssystem strömt und dann aus dem Energieversorgungssystem abströmt. Die Kühlluft erreicht also durch die Fahrzeugfront das Energieversorgungssystem, Im Bereich der Fahrzeugfront kann die Kühlluft einfach so eindringen, beispielsweise durch entsprechende Öffnungen im Unterboden oder in der Seite des Fahrzeugs oder auch in der Fahrzeugfront. Die Kühlluft kann außerdem einen oder mehrere Kühlwärmetauscher durchströmen, bevor sie in den Bereich der Energieversorgungseinrichtung gelangt. Beispielsweise werden zur Kühlung der Brennstoffzelle typischerweise Kühlwärmetauscher auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus in der Front des Fahrzeugs angeordnet. Diese können beispielsweise nebeneinander im Frontbereich des Fahrzeugs liegen. Der eine, der sogenannte Hochtemperatur-Kühlwärmetauscher steht mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf in Verbindung, welcher zur Kühlung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems dient. Er wird beispielsweise eine Vorlauftemperatur in der Größenordnung von 50 bis 70° C und eine Rücklauftemperatur in der Größenordnung von 70 bis 90° C haben. Luft, die diesen Kühlwärmetauscher bereits durchströmt hat, ist damit relativ warm und wird eher aus der Front des Fahrzeugs abgeleitet. Luft, die dagegen einen Niedertemperatur-Kühlwärmetauscher durchströmt hat, der beispielsweise eine Vorlauftemperatur in der Größenordnung von 20° C und eine Rücklauftemperatur in der Größenordnung von 40° C aufweist, kann durchaus noch zur Kühlung des Energieversorgungssystems herangezogen werden. In der Praxis wird daher typischerweise eine Mischung aus Luft, die direkt eingeströmt ist, die über den Hochtemperatur-Kühlwärmetauscher eingeströmt ist und die über den Niedertemperatur-Kühlwärmetauscher eingeströmt ist, Verwendung finden. Another very advantageous embodiment of the vehicle according to the invention, in the energy supply system cooling air flows through the cavities between the pipe sections, it can provide that the cooling air flows through the vehicle front and / or a cooling heat exchanger before it flows through the power supply system and then from the power supply system flows. The cooling air thus reaches the energy supply system through the front of the vehicle. In the area of the vehicle front, the cooling air can penetrate easily, for example through corresponding openings in the underbody or in the side of the vehicle or in the front of the vehicle. The cooling air may also flow through one or more cooling heat exchangers before entering the area of the power supply device. For example, for cooling the fuel cell, cooling heat exchangers are typically arranged at two different temperature levels in the front of the vehicle. These can for example lie side by side in the front area of the vehicle. One, the so-called high-temperature cooling heat exchanger communicates with a high-temperature cooling circuit, which serves to cool the fuel cell of the fuel cell system. For example, it will have a flow temperature of the order of 50 to 70 ° C and a return temperature of the order of 70 to 90 ° C. Air that has already passed through this cooling heat exchanger is thus relatively warm and is rather derived from the front of the vehicle. Air, on the other hand, has a low-temperature cooling heat exchanger flows through, for example, has a flow temperature of the order of 20 ° C and a return temperature in the order of 40 ° C, can still be used for cooling the energy supply system. In practice, therefore, typically a mixture of air that has flowed directly in, which has flowed over the high-temperature cooling heat exchanger and that has flowed in via the low-temperature cooling heat exchanger, will find use.
Um die Durchströmung des Tanks mit der Kühlluft entsprechend steuern zu können, ist außerdem gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee eine steuerbare Lamellenjalousie vorgesehen, durch welche die Kühlluft in das Energieversorgungssystem einströmt. Durch diese steuerbare Lamellenjalousie kann die Kühlluft ganz oder teilweise abgeleitet werden, beispielsweise wenn die Temperierung über das Kühlmedium bereits ausreichend ist und eine Durchströmung mit Kühlluft nicht gewünscht ist. Umgekehrt kann dafür gesorgt werden, dass ein maximaler Kühlluftstrom durch das Energieversorgungssystem strömt, wenn dies erwünscht und notwendig ist. In order to be able to control the flow of the tank with the cooling air accordingly, according to an advantageous development of the idea, a controllable venetian blind is provided, through which the cooling air flows into the energy supply system. By this controllable venetian blind, the cooling air can be completely or partially derived, for example, if the temperature control on the cooling medium is already sufficient and a flow of cooling air is not desired. Conversely, care can be taken that a maximum flow of cooling air will flow through the power supply system if desired and necessary.
Die Kühlluft kann dann wieder aus dem Energieversorgungssystem abströmen, beispielsweise im Bereich der Hinterräder und hier insbesondere durch die Radkästen der Hinterräder. Um die Durchströmung anzutreiben, kann es dabei vorgesehen sein, dass die Radschüsseln der Hinterräder so ausgebildet sind, dass sie bei einer Fahrt in Fahrtrichtung zur Förderung der Kühlluftströmung beitragen. Die Radschüsseln bzw. Radscheiben der Hinterräder können also als eine Art Strömungsgebläse wirken und die Kühlluft durch das Fahrzeug ziehen. Ergänzend oder alternativ hierzu kann dies auch bei den Vorderrädern entsprechend realisiert sein, um so die Kühlluft aus dem Vorderwagen, welche nicht durch das Energieversorgungssystem strömen soll, beispielsweise die Kühlluft aus dem Hochtemperatur-Wärmetauscher, über die Radkästen der Vorderräder entsprechend abzuleiten.The cooling air can then flow out of the energy supply system again, for example in the region of the rear wheels and in particular by the wheel arches of the rear wheels. In order to drive the flow, it may be provided that the Radschüsseln the rear wheels are designed so that they contribute to the promotion of the cooling air flow when driving in the direction of travel. The Radschüsseln or wheel discs of the rear wheels can thus act as a kind of flow fan and pull the cooling air through the vehicle. Additionally or alternatively, this may also be realized accordingly in the front wheels, so as to derive the cooling air from the front end, which should not flow through the power supply system, for example, the cooling air from the high-temperature heat exchanger, via the wheel arches of the front wheels accordingly.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass im Bereich der Kühlwärmetauscher elektrische Gebläse in an sich bekannter Art und Weise angeordnet sind, welche die Durchströmung durch Zuschalten nochmals beeinflussen können, wobei hier ein gemeinsames Gebläse für die gesamte Kühlluft oder auch einzelne Gebläse beispielsweise im Bereich der einzelnen Hochtemperatur- bzw. Niedertemperatur-Kühlwärmetauscher angeordnet sein können.In addition, it may be provided that in the field of cooling heat exchangers, electric fans are arranged in a conventional manner, which can affect the flow through switching again, in which case a common fan for the entire cooling air or individual fans, for example in the field individual high-temperature or low-temperature cooling heat exchanger can be arranged.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sieht es dabei ferner vor, dass die Ansaugluft für die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems im hinteren seitlichen Bereich des Fahrzeugs einströmt. Die Ansaugluft für die Brennstoffzelle kann insbesondere im hinteren seitlichen Bereich des Fahrzeugs einströmen, insbesondere in einem Bereich, der relativ dicht an dem Brennstoffzellensystem angeordnet ist, um hier die Wege entsprechend kurz zu halten. Denkbar wären beispielsweise Lamellen, wie sie aus dem Bereich von Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor als Mittelmotor bekannt sind. Sie können eine ideale Einströmung von Luft als Ansaugluft für die Brennstoffzelle ermöglichen und erlauben das Ansaugen der Luft an einer Stelle der Karosserie des Fahrzeugs, an welcher diese relativ sauber ist, sodass die immer notwendigen Luftfilter eine lange Lebensdauer erreichen.A further very favorable embodiment of the vehicle according to the invention also provides that the intake air for the fuel cell of the fuel cell system flows in the rear side area of the vehicle. The intake air for the fuel cell can flow in particular in the rear side region of the vehicle, in particular in a region which is arranged relatively close to the fuel cell system in order to keep the distances correspondingly short. It would be conceivable, for example, slats, as they are known from the field of vehicles with an internal combustion engine as a mid-engine. They can provide an ideal inflow of air as the intake air for the fuel cell and allow the intake of air at a point on the body of the vehicle, where it is relatively clean, so that the always necessary air filters reach a long life.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung dieses Fahrzeugs in einer Ausgestaltung des Energieversorgungssystems mit gemeinsamen Tragstrukturen sieht es dann ferner vor, dass die Tragstrukturen des Energieversorgungssystems Teile der Tragstrukturen in dem Fahrzeug ersetzen oder umgekehrt. Hierdurch lassen sich beispielsweise Unterbodenverkleidungen, Träger und dergleichen im Bereich des Fahrzeugs einsparen bzw. mit dem Energieversorgungssystem gemeinsam nutzen, sodass ein weitere Vorteil hinsichtlich eines kompakten und leichten Aufbaus ermöglicht wird.A very advantageous development of this vehicle in an embodiment of the energy supply system with common support structures then provides that the support structures of the energy supply system replace parts of the support structures in the vehicle or vice versa. As a result, for example, underbody panels, carriers and the like can be saved in the area of the vehicle or shared with the energy supply system, so that another Advantage in terms of a compact and lightweight construction is made possible.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Energieversorgungssystems gemäß der Erfindung und des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich außerdem aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.Further advantageous embodiments of the power supply system according to the invention and of the vehicle according to the invention also result from the following exemplary embodiments, which are described in more detail with reference to the figures.
Dabei zeigen:
-
1 ein angedeutetes Fahrzeug mit einem vereinfacht angedeuteten Energieversorgungssystem gemäß der Erfindung; -
2 bis 4 drei Ansichten eines Energieversorgungssystems gemäß der Erfindung im Blick von oben, in einem seitlichen schematischen Schnitt und einem schematischen Querschnitt; -
5 ein angedeutetes Fahrzeug, analog zu dem in1 , mit einem weiteren Energieversorgungssystem gemäß einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung; -
6 und7 zwei Ansichten des alternativen Energieversorgungssystems gemäß der Erfindung im Blick von oben und in einem seitlichen schematischen Schnitt analog dem inden 2 und 4 ; und -
8 einen schematischen Querschnitt durch das alternative Energieversorgungssystem analog zu dem in3 .
-
1 an indicated vehicle with a simplified indicated power supply system according to the invention; -
2 to4 three views of a power supply system according to the invention in view from above, in a lateral schematic section and a schematic cross section; -
5 an indicated vehicle, analogous to that in1 with another power supply system according to an alternative embodiment of the invention; -
6 and7 two views of the alternative energy supply system according to the invention in view from above and in a lateral schematic section analogous to that in the2 and4 ; and -
8th a schematic cross section through the alternative energy supply system analogous to that in3 ,
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Ergänzend zu diesen beiden Ebenen der elektrischen Energiespeichereinrichtungen
Rein beispielhaft sind in dem Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Neben dem vereinfachten schematischen Aufbau des Fahrzeugs
In der Darstellung der
Die einströmende Kühlluft strömt nun zum Teil direkt, zum Teil durch den Hochtemperatur-Wärmetauscher
Das Energieversorgungssystem
Ergänzend dazu ist in dem Fahrzeug der
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Der beschriebene Aufbau zeigt sich nochmals in
In der Darstellung der
Wie es ferner in der Darstellung der
Die einzelnen Ausführungsvarianten lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren, sodass verschiedene Ausgestaltungen des Energieversorgungssystems mit Crashstrukturen
Alles in allem bietet der Aufbau eine sehr gute Möglichkeit, bestehende Fahrzeugstrukturen mit Energieversorgungssystemen
Insbesondere bei der Verwendung eines Cryo-Speichers oder Cryo/Druck-Speichers kann die Anordnung der einzelnen Schichten in der Höhe auch entsprechend variiert werden, da in diesem Fall die Abwärme der elektrischen Energiespeichereinrichtung
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