DE102020001472A1

DE102020001472A1 - Fahrzeug mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE102020001472A1
Application number: DE102020001472.0A
Authority: DE
Inventors: Yasin Denguezli; Claus Schaepperle-Frey
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2021175620A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit elektrischem Antrieb, mit einer Energieeinheit, welche elektrische Speicherelemente (5) und wenigstens ein Speichervolumen (8) für einen Brennstoff aufweist. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse (9) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb, mit einer Energieeinheit, welche elektrische Speicherelemente und wenigstens ein Speichervolumen für einen Brennstoff aufweist.
Ein solcher Aufbau ist prinzipiell aus der DE 10 2014 008 480 A1 bekannt. Dort sitzt ein solcher Aufbau im Unterboden eines Fahrzeugs und umfasst sowohl einen Wasserstoffspeicher als auch eine Batterie oder zumindest einen Teil einer Batterie. Die DE 10 2011 051 437 A1 beschreibt einen ähnlichen Aufbau.
Zum weiteren Stand der Technik ist es ferner aus der DE 10 2017 004 902 A1 bekannt, einen Wasserstoffspeicher im Unterbodenbereich eines Fahrzeugs anzuordnen, wobei anders als in der zuerst genannten Schrift in dieser Schrift keine Anordnung der Batterie in demselben Bereich mit beschrieben ist.
Letztlich kann außerdem auf die DE 10 2018 000 432 A1 hingewiesen werden, welche einen Wasserstofftank im Dachbereich eines Fahrzeugs zeigt.
Das Problem bei Brennstoffzellenfahrzeugen besteht typischerweise darin, dass ausgehend von herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die Komponenten entsprechend in das Fahrzeug eingebaut werden. In der Praxis bedeutet dies oft, dass Bauraum, welcher eigentlich für die Nutzer des Fahrzeugs zur Verfügung stehen sollte, beispielsweise im Kofferraum, benötigt wird, um die Wasserstofftanks unterzubringen. Um der Problematik abzuhelfen ist in sehr vielen Fällen ein eigener Aufbau notwendig, welcher die Entwicklung der Fahrzeuge entsprechend aufwändig und teuer macht.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist daher einen Aufbau anzugeben, welcher die Austauschbarkeit verschiedener Karosseriekonzepte für unterschiedliche Energiespeicher elektrisch angetriebener Fahrzeuge verbessert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das Fahrzeug gemäß Anspruch 1 bildet den Stand der Technik dahingehend weiter, dass eine Integration sowohl der Speichervolumina oder des Speichervolumens für einen Brennstoff als auch der elektrischen Speicherelemente in ein einziges Gehäuse erfolgt. Der Aufbau kann dann sehr variabel gehalten werden, sodass beispielsweise bei der Ausstattung des Gehäuses ausschließlich mit elektrischen Speicherelementen diese Energieeinheit für ein batterieelektrisches Fahrzeug verwendet werden kann, oder dass dieses Gehäuse sowohl mit einigen elektrischen Speicherelementen als auch einem oder insbesondere mehreren Speichervolumina für Brennstoff bestückt werden kann. In diesem lässt sich dann beispielsweise unter Druck stehender Wasserstoff speichern, um so ein Brennstoffzellenfahrzeug zu realisieren, welches die elektrische Antriebsleistung sowohl aus einem Brennstoffzellensystem als auch aus einer Pufferbatterie bzw. einem andersartigen elektrischen Energiespeicher, wie z.B. Kondensatoren, beziehen kann.
Die Gehäuseintegration der Energieeinheit erlaubt dabei einen einfachen Austausch derselben, um so beispielsweise ein Karosseriekonzept für ein rein batterieelektrisches Fahrzeug einfach und effizient in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwenden zu können, oder umgekehrt.
Das Gehäuse ist dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet, wo es insbesondere durch Tragstrukturen der Fahrzeugkarosserie aufgenommen und im Falle von potenziellen Unfällen ausreichend geschützt ist. Dabei kann gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Erfindung das Gehäuse selbst ebenfalls hinsichtlich der Crashsicherheit optimiert sein und ist vorzugsweise als bezüglich der Crashsicherheit zertifiziertes Gehäuse ausgebildet.
Dabei können in dem Gehäuse an dem in Fahrtrichtung einem Ende, insbesondere dem vorderen Ende, das wenigstens eine Speichervolumen und an dem gegenüberliegenden Ende die elektrischen Speicherelemente angeordnet sein. Dieser Aufbau ermöglicht es dann, dass gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee im Frontbereich des Fahrzeugs ein Brennstoffzellensystem und im Heckbereich des Fahrzeugs ein elektrisches Antriebssystem angeordnet ist, oder gegebenenfalls auch umgekehrt, sodass das Brennstoffzellensystem einerseits und das elektrische Antriebssystem andererseits jeweils auf der Seite angeordnet sind, auf welcher die ihm zugeordneten elektrischen Speicherelemente bzw. Speichervolumina für den Brennstoff angeordnet sind, um die Wege zur Verteilung von Brennstoff zu optimieren.
Das wenigstens eine Speichervolumen kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Form von mehreren über eine Sammelleitung miteinander verbundenen Rohrtanks für einen gasförmigen Brennstoff ausgebildet sein. Solche Rohrtanks eignen sich besonders gut, da sie beispielsweise nebeneinander positioniert werden können und dabei bei einem insgesamt flachen Aufbau des vorzugsweise im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordneten Gehäuses ein relativ großes Speichervolumen ermöglichen. Die Rohrtanks können dabei in Fahrtrichtung verlaufend angeordnet sein, wobei die Sammelleitung in dem Gehäuse an dem in Fahrtrichtung hinten oder bevorzugt vorne liegenden Ende, insbesondere dem Ende, in dem das Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug positioniert wird, angeordnet ist.
Das wenigstens eine Speichervolumen bzw. bevorzugt die mehreren in Form von Rohrtanks ausgebildeten Speichervolumina können dabei gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Erfindung an der sich in Fahrtrichtung direkt anschließenden Wand des Gehäuses über eine zylindrische Verlängerung abgestützt sein. Eine solche zylindrische Verlängerung erlaubt den Schutz von Ventilen so wie in der bevorzugten oben beschriebenen Weiterbildung der Sammelleitung, um so eine besondere Sicherheit der Rohrtanks in dem Gehäuse zu gewährleisten. Ferner kann das Gehäuse dabei, wie es aus der zum Stand der Technik genannten DE 10 2017 004 902 A1 bekannt ist, Querverstrebungen aufweisen, um im Falle eines Seitencrashs einen Querlastpfad auszubilden und die seitliche Gehäusewand kann, wie auch dort beschrieben, L-förmig ausgestaltet sein, um so sicher und zuverlässig zwischen Fahrzeuglängsträgern aufgenommen zu werden. Der ganze Aufbau kann sich dabei an Fahrzeugquerträgern im Front- und Heckbereich des Fahrzeugs ebenso wie an Fahrzeuglängsträgern seitlich abstützen.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs kann es außerdem vorsehen, dass das wenigstens eine Speichervolumen einen Sicherheitsabstand zu seitlichen Wänden des Gehäuses aufweist, um so durch den Sicherheitsabstand bei einer Verformung, beispielsweise bei einem seitlichen Aufprall, eine unmittelbare Beeinträchtigung des Speichervolumens, oder vorzugsweise der Speichervolumina, nach Möglichkeit auszuschließen.
Die elektrischen Speicherelemente und mehrere Speichervolumina in dem Gehäuse können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs so angeordnet sein, dass eine Aufteilung in der Art ausgebildet ist, dass die jeweilige Anzahl variabel ist. Hierdurch wird quasi ein modularer Aufbau möglich, bei dem je nach Antriebskonzept des Fahrzeugs unterschiedliche Speichervolumina für den Brennstoff mit unterschiedlichen Speicherkapazitäten der elektrischen Speicherelemente in ein und demselben Gehäuse untergebracht werden können. Das Gehäuse kann dann als quasi-standardisiertes Bauteil in verschiedene Fahrzeugkarosserien eingesetzt werden, um dort in unterschiedlicher Bestückung mit Rohrtanks und/oder Batteriemodulen unterschiedlichen Antriebskonzepte als Energieeinheit zu dienen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren im Prinzip erläutert ist.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Energieeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse;
2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II in 1; und
3 eine schematische Seitenansicht des Details III in 1.

In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung angedeutet. Das Fahrzeug 1 verfügt über ein elektrisches Antriebssystem 2 sowie ein Ladegerät 3, welches über eine Ladebuchse 4 beispielsweise mit Energie von einer externen Ladesäule nachgeladen werden kann. Das Fahrzeug 1 umfasst im Unterbodenbereich des Fahrzeugs 1 eine Energieeinheit. Diese besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus elektrischen Energiespeichern in Form von zwei Zellmodulen 5 einer Traktionsbatterie sowie einer dazwischen angeordneten Elektronik 6, welche mit dem elektrischen Antriebssystem 2 einerseits und dem Ladegerät 3 andererseits verbunden ist. Die Leistungselektronik kann sich auch als Ausprägung oberhalb des Gehäuses oder im oberen Bereich desselben befinden, da sich in der Regel unterhalb der Fondsitze zusätzlicher Bauraum befindet.
Das Fahrzeug 1 verfügt außerdem über ein mit 7 bezeichnetes Brennstoffzellensystem, welches beispielsweise als sogenannter Range Extender zum Nachladen der Traktionsbatterie oder auch als Brennstoffzellensystem zur direkten Versorgung des Fahrzeugs 1 mit elektrischer Antriebsenergie ausgebildet sein kann. Die Energieeinheit umfasst dabei eine Vielzahl von Speichervolumina in Form von einzelnen Rohrtanks 8, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Rohrtanks 8 befinden sich zusammen mit den elektrischen Speicherelementen in Form der Zellmodule 5 und der Elektronik 6 in einem gemeinsamen mit 9 bezeichneten Gehäuse. Dieses hier in der schematischen Schnittdarstellung schraffiert angedeutete Gehäuse stützt sich in Fahrtrichtung F nach vorne und nach hinten an punktiert dargestellten Querträgern 10 und seitlich an Längsträgern 11 des Fahrzeugs 1 ab, welche hier gestrichelt dargestellt sind. Das Gehäuse 9 ist also in einem für den Fall eines Crashs relativ geschützten Bereich angeordnet. Das Gehäuse 9 selbst ist ebenfalls nochmal crashgeschützt aufgebaut und kann insbesondere ein zertifiziertes und quasi standardisiertes crashgesichertes Gehäuse sein. Es umfasst hierfür beispielsweise Querverstrebungen 12. Diese Querverstrebungen 12 können einerseits zur Halterung der Rohrtanks 8 dienen und bilden außerdem einen Querlastpfad im Falle eines Seitencrashs des Fahrzeugs 1 aus.
In der Schnittdarstellung der 2, welche den Aufbau nochmals schematisch andeutet, ist außerdem zu erkennen, dass die einzelnen Rohrtanks 8 zu den seitlichen Wänden 13 des Gehäuses einen hier mit x bezeichneten Sicherheitsabstand aufweisen, um im Falle einer Intrusion bei einem Pfahlaufprall einen zusätzlichen Raum für eine erhöhte Sicherheit zu bieten. Die seitlichen Wände 13 des Gehäuses 9 können dabei vorzugsweise L-förmig zu den Längsträgern 11 des Fahrzeugs 1 hin ausgebildet sein, um beispielsweise eine einfache und effiziente Montage des gesamten Gehäuses 9 von unten in den Unterbodenbereich des Fahrzeugs 1 zu ermöglichen. Außerdem dient die Querschnittsform des L auch dazu, einen relativ steifen Aufbau mit verringertem Materialeinsatz zu ermöglichen.
Die Seitenansicht des in 1 mit III bezeichneten Bereichs ist in der Darstellung der 3 nochmals zu erkennen. Diese zeigt einen weiteren Sicherheitsaspekt des Gehäuses 9 und hier insbesondere einen Sicherheitsaspekt für die einzelnen Rohrtanks 8. Diese stützen sich über eine zylindrische Verlängerung bzw. einen zylindrischen Fortsatz 18 an einer Frontwand 19 und über diese an dem Querträger 10 des Fahrzeugs 1 ab. Hierdurch ist ein besonders effizienter Schutz von Ventilen 16 der Rohrtanks 8 sowie einer diese verbindenden Sammelleitung 15 im Falle eines Aufpralls möglich, sodass eine sehr sichere Energieeinheit im Unterbodenbereich des Fahrzeugs 1 realisiert werden kann.
Das Gehäuse 9 lässt sich dabei modular mit verschieden langen und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Rohrtanks 8 füllen, je nachdem, wie das Antriebskonzept des Fahrzeugs 1 ausgestaltet werden soll. Der verbleibende Freiraum kann dann über die elektrischen Speicherelemente in Form der Zellmodule 5 ausgefüllt werden, sodass quasi mit einem standardisierten Gehäuse 9 modular die Energieeinheit gemäß der Anforderungen des Fahrzeugs 1 realisiert werden kann.
Dabei sind in Fahrtrichtung F die Speichervolumina in Form der Rohrtanks 8 vorzugsweise auf der einen Seite bzw. am einen Ende des Gehäuses 9 angeordnet und die Zellmodule 5 der als elektrische Speicherelemente am anderen Ende. Dies ermöglicht die einfache und effiziente Verbindung der Elektronik 6, wie in der Darstellung der 1 zu erkennen ist, über elektrische Leitungen 14 mit den dementsprechend im Heckbereich des Fahrzeugs 1 angeordneten Komponenten wie dem Ladegerät 3 und dem elektrischen Antriebsystem 4. Die gemeinsame Sammelleitung bzw. Rail 15, welche die Ventile 16 der einzelnen Rohrtanks 8 untereinander verbindet, ist diesem Konzept entsprechend über eine möglichst kurze und damit einfache und sichere Wasserstoffleitung 17 mit dem Brennstoffzellensystem 7 verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014008480 A1 [0002]
DE 102011051437 A1 [0002]
DE 102017004902 A1 [0003, 0013]
DE 102018000432 A1 [0004]

Claims

Fahrzeug (1) mit elektrischem Antrieb, mit einer Energieeinheit, welche elektrische Speicherelemente (5) und wenigstens ein Speichervolumen (8) für einen Brennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse (9) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) im Unterbodenbereich des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) als bezüglich der Crashsicherheit zertifiziertes Gehäuse ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (9) an dem in Fahrtrichtung (F) einen Ende, insbesondere dem vorderen Ende, das wenigstens eine Speichervolumen (8) und an dem gegenüberliegenden Ende die elektrischen Speicherelemente (5) angeordnet sind.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speichervolumen (8) in Form von mehreren über eine Sammelleitung (15) verbundenen Rohrtanks (8) für einen gasförmigen Brennstoff, insbesondere unter Druck stehenden Wasserstoff, ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrtanks (8) in Fahrtrichtung (F) verlaufend angeordnet sind, wobei die Sammelleitung (15) in dem Gehäuse (9) an dem in Fahrtrichtung (F) hinteren oder bevorzugt vorderen Ende des Gehäuses (9) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speichervolumen (8) durch eine zylindrische Verlängerung (18) an der sich in Fahrtrichtung (F) direkt anschließenden Wand (19) des Gehäuses (9) abstützt.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Speichervolumen (8) einen Sicherheitsabstand (x) zu den seitlichen Wänden (13) des Gehäuse (9) aufweist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Speicherelemente (5) und mehrere Speichervolumina (8) in dem Gehäuse (9) angeordnet sind, wobei die Aufteilung so ausgebildet ist, dass die jeweilige Anzahl variabel ist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Frontbereich des Fahrzeugs (1) ein Brennstoffzellensystem (7) und im Heckbereich des Fahrzeugs (1) das elektrische Antriebssystem (2) angeordnet ist, oder umgekehrt.