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Die Erfindung betrifft ein Absaugsystem für Reifenabrieb von insbesondere einem elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das ein solches Absaugsystem aufweist.
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Im Motorsport hat sich die Notwendigkeit ergeben, Rennfahrzeuge emissionsärmer, nachhaltiger, sicherer und kostengünstiger zu gestalten, um in der Gesellschaft breite Akzeptanz zu finden. Im Motorsport-Wettbewerb werden bei der Entwicklung von Rennfahrzeugen regelmäßig die Machbarkeiten technischer Möglichkeiten ausgelotet. Denn die Rennfahrzeuge müssen sich unter den härtesten Bedingungen im technischen Grenzbereich des Möglichen bewegen und bewähren. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind häufig Gegenstand eines Technologietransfers in die Serienfertigung und ermöglichen somit die Entwicklung von emissionsärmeren, nachhaltigeren und sichereren Straßenfahrzeugen.
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Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft werden in Europa in sogenannten Luftqualitätsrichtlinien festgelegt. Seit dem Jahr 2005 war der Grenzwert für Feinstaub PM10 in der Europäischen Union einzuhalten. Dieser wurde seit dem Jahr 2015 durch den Grenzwert für Feinstaub PM2,5 ersetzt.
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Damit die Grenzwerte für Feinstaub insbesondere im urbanen Raum eingehalten werden können, muss die Emission von Feinstaub durch Straßenfahrzeuge reduziert werden. Neben dem Verbrennen von Treibstoff resultiert ein großer Anteil der Feinstaubbelastung, die durch Straßenfahrzeuge verursacht werden, aus dem Abrieb von Bremsen und Reifen.
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Emission von Feinstaub kann durch das Aufsammeln des erzeugten Feinstaubs mittels eines in einem Kraftfahrzeug integrierten Staubsammlers reduziert werden, wie es beispielsweise in
DE 10 2016 200 936 A1 beschrieben wird. Das bekannte Kraftfahrzeug weist eine in Fahrtrichtung hinter einem Fahrzeugrad angeordnete Luftleitstruktur zum Leiten eines Teils der Luft im Nachlauf des Fahrzeugrades zu einem Staubsammler auf. Ferner ist eine Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen des Abstandes zwischen einer Unterkante der Luftleitstruktur und einer von dem Fahrzeug befahrenen Fahrbahnoberfläche in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen. Die Luftleitstruktur ist als ein mit dem Radkasten des Fahrzeugrades in Verbindung stehendes Luftleitblech ausgestaltet. Der Staubsammler ist als ein im gesamten Radkasten wirksamer Elektroabscheider ausgestaltet, der in dem Radkasten angeordnet ist. Das Luftleitblech kann in der einfachsten Form eine Art Fortsetzung des hinteren Radkastens nach unten sein, einem Schmutzfänger ähnlich, doch in den Radkasten einziehbar. Das Luftleitblech kann allerdings das Fahrzeugrad auch größtenteils umhüllen, bis hin zu einer Art Radverkleidung, welches das Fahrzeugrad bis auf einen Spalt zur Fahrbahnoberfläche hin im Wesentlichen vollständig einkapselt. Das Luftleitblech ist fest mit der Karosserie verbunden und somit nur für die Verwendung bei den hinteren Rädern des Kraftfahrzeugs geeignet.
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Weitere Lösungen zum Aufsammeln von Feinstaub sind beispielsweise aus
CN 2052369 U oder
CN 108715189 A bekannt, in denen jeweils eine Absauganlage beschrieben wird, die unmittelbar hinter den Rädern oder in dem Radkasten angeordnet ist. Bei diesen Lösungen wird jedoch nicht nur der von dem Kraftfahrzeug selbst emittierte Feinstaub, sondern jeglicher aufgewirbelte, in der Luft befindliche Feinstaub aufgesammelt.
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Neben dem Aufsammeln von Feinstaub ist auch die Reduzierung des Luftwiderstands ein wichtiger Faktor, um in einem ganzheitlichen Ansatz eine nachhaltige Lösung zu schaffen. Ein wesentlicher Anteil des Luftwiderstands wird durch die Räder, also durch die Reifen und die Felge, bestimmt, da in diesem Bereich Luftverwirbelungen verursacht werden, die den Luftwiderstand des Fahrzeugs erhöhen. Derartige Luftverwirbelungen werden unter anderem durch Luftdurchströmungen verursacht, die in der Regel zur Kühlung von Bremsen benötigt werden.
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Zur Reduzierung des Luftwiderstands ist beispielsweise aus
DE 10 2010 047 311 A1 eine Verkleidungsbaugruppe bekannt, die in einem nach außen gerichteten Abschnitt eine geschlossene Oberfläche aufweist.
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Aus
DE 2 147 750 A ist eine Vorrichtung zur Verminderung der Eigen- und Fremdverschmutzung für Kraftwagen, deren Räder über den größten Teil ihrer Höhe mit einer Verkleidung abgedeckt sind, bekannt, die so befestigt ist, dass sie den Federungs- und gegebenenfalls Lenkbewegungen des Rades folgt. Bei der Vorrichtung ist innerhalb der Verkleidung auf jeder Seite eine von vorn nach hinten geneigt verlaufende Wasserfangrinne vorgesehen. Zudem ist am hinteren Teil der Verkleidung eine aus elastischem, grobporigem Material, wie zum Beispiel Schaum, bestehende Schürze angeordnet, die bis unmittelbar über die Fahrbahn reicht.
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DE 42 40 873 C2 offenbart eine Bremsstaubrückhaltevorrichtung für Kraftfahrzeuge. Die Bremsstaubrückhaltevorrichtung umfasste eine Absaugdüse, die um die Bremsscheibe in der Nähe des Bremssattels angeordnet ist. Die Absaugdüse ist mit einem Sauggebläse mittels einer Saugleitung verbunden. An dem Sauggebläse ist eine Filtereinheit für den Bremsstaub angeordnet.
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WO 2020/ 094 982 A1 offenbart ein weiteres Absaugsystem von Bremsstaub. Das Absaugsystem umfasst eine Saugvorrichtung, die über einen Saugkanal mit dem Bremssattel einer Scheibenbremse verbunden ist, um Bremsstaub abzusaugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Absaugsystem für Reifenabrieb und ein Fahrzeug mit einem solchen Absaugsystem zu schaffen, die einen nahezu emissionsfreien Betrieb bezüglich des Reifenabriebs ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Absaugsystem gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 13 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Absaugsystems und des Fahrzeugs werden in den Ansprüchen 2 bis 12 und 14 definiert.
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Das erfindungsgemäße Absaugsystem für Reifenabrieb, das insbesondere bei einem elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug Anwendung findet, umfasst wenigstens ein einen Reifen aufweisendes Rad, das eine Innenseite und eine Außenseite hat und das mittels eines Radträgers mit einer Radaufhängung verbunden ist. Das Absaugsystem umfasst ferner eine Radabdeckung, die das Rad sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite umhüllt und einen Innenraum bildet. Weiterhin umfasst das Absaugsystem eine Saugvorrichtung, die außerhalb der Radabdeckung angeordnet ist, einen Saugkanal, der die Saugvorrichtung mit dem Innenraum fluidleitend verbindet, und einen Partikelfilter, der geeignet ist, den mittels der Saugvorrichtung aus dem Innenraum gesaugten Reifenabrieb aus der Luft zu filtrieren.
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Das erfindungsgemäße Absaugsystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Radabdeckung einen Flansch zur Befestigung an dem Radträger aufweist, welcher an einer Außenseite des Radträgers befestigt ist. Die Radabdeckung ist derart ausgestaltet, dass die Radabdeckung einer Lenkbewegung und/oder einer Federbewegung des Rads folgen kann. Zudem weist die Radabdeckung einen Verbindungsanschluss, etwa einen Anschlussstutzen auf, der mit dem Saugkanal verbunden ist. Ferner umfasst die Radabdeckung eine Öffnung umfasst, durch die ein unterer Teil des Reifens ragt. Des Weiteren umfasst die Radabdeckung eine Seitenfläche, die in einem vorgegebenen Abstand zu einer Seitenwand des Reifens derart verläuft, dass sich ein von der Öffnung ausgehender und sich zu dem Verbindungsanschluss hin erstreckender Absaugspalt bildet.
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Mittels eines derartigen Absaugsystems ist es möglich, in effektiver Weise Reifenabrieb abzusaugen. Denn durch die sich aufgrund der Radabdeckung ergebende Umhüllung des Rads, welche zweckmäßigerweise lediglich eine Öffnung mit einem geringen Abstand zu der Fahrbahnoberfläche hat, wird der von dem jeweiligen Reifen erzeugte Reifenabrieb verlässlich abgesaugt. Ferner wird durch das Absaugen der Luft auch eine Kühlung der Reifen ermöglicht, indem die in dem Innenraum enthaltene Luft, welche die Wärme der Reifen aufnimmt, kontinuierlich entfernt wird.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Radabdeckung mit dem Radträger verbunden ist. Die Radabdeckung kann somit der Lenkbewegung und/oder der Federbewegung des Rads und damit sämtlichen Positionsänderungen relativ zu dem Fahrzeugkörper folgen. Dies ist besonders für die lenkbaren vorderen Räder vorteilhaft, gleichwohl kann die derartig angebrachte Radabdeckung auch zur Umhüllung von beispielsweise nicht lenkbaren, aber gefederten hinteren Rädern angewandt werden.
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Unter einem elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug im Allgemein zu verstehen. Reifenabrieb im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch andere Feinstaubpartikel, etwa Bremsstaub, umfassen. Unter Radaufhängung ist eine Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenfahrzeug und dem jeweiligen Rad zu verstehen, die insbesondere für die vorderen und/oder hinteren Räder beweglich sein kann. Der Radträger ist ein Teil der Radaufhängung, der beispielsweise die Radlagerung und insbesondere radseitige Anlenkpunkte umfasst. Als Außenseite ist die äußere Seite des Brennstoffzellenfahrzeugs zu verstehen. Als Innenseite ist die der Außenseite abgewandte Seite zu verstehen, die dem Brennstoffzellenfahrzeug zugewandt ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Radabdeckung eine Öffnung, durch die ein Teil des Reifens ragt, und einen Teilbereich, der im Wesentlichen parallel zur Seitenwand des Reifens verläuft. Auf diese Weise wird ein Absaugspalt gebildet. Der Absaugspalt verläuft ausgehend von der Öffnung und entlang eines Spalts zwischen dem Teilbereich der Radabdeckung und dem Reifen. Der Absaugspalt bildet eine strömungsleitende Führung hin zu dem Verbindungsanschluss. Dies hat den Vorteil, dass durch den reduzierten Durchmesser, den der Absaugspalt relativ zu dem Saugkanal aufweist, eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise ist der Saugkanal gelenkig mit dem Verbindungsanschluss verbunden. Auf diese Weise wird bei Lenkbewegungen oder Federbewegungen eine sichere Verbindung gewährleistet. Somit wird eine hohe Dauerbelastbarkeit der Verbindung sichergestellt.
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Vorteilhafterweise ist der Radträger frei von einer mechanischen Bremse. Das heißt, in dem Innenraum der Radabdeckung ist lediglich das Rad angeordnet und keine mechanische Bremse. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Fahrzeug, das im Bereich des Radträgers eine mechanische Bremse vorsieht, fällt somit kein durch die Bremse verursachter Abrieb an. Der sogenannte Bremsstaub entsteht durch die Abnutzung von Bremsbelag und Bremsscheibe bei der Bremsung und besteht zu einem wesentlichen Teil aus Feinstaub, der aufgrund seiner geringen Partikelgröße und seiner chemischen Zusammensetzung gesundheitsschädlich und umweltbelastend ist. Er trägt erheblich zur Feinstaubbelastung durch den Straßenverkehr bei. Ein weiterer besonderer Vorteil ist, dass im Wesentlichen keine Wärme emittierende Quelle in dem Radträger angeordnet ist, wie beispielsweise eine konventionelle Reibbremse.
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Die mechanische Bremse kann in solch einem Fall etwa Bestandteil einer Antriebseinheit und außerhalb des Radkastens in dem Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet sein. Somit kann auch der die Radabdeckung umfassende Radkasten beziehungsweise das Radhaus entsprechend kleiner gestaltet werden. Aufgrund der fehlenden Bremse muss die Radabdeckung keine Kühlöffnungen aufweisen. Dementsprechend lässt sich der Luftwiderstand des Brennstoffzellenfahrzeugs vorteilhaft beeinflussen.
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Vorteilhafterweise ist der Saugkanal als biegsame Rohr- oder Schlauchleitung ausgestaltet ist, um einer Lenkbewegung und/oder einer Federbewegung des Rads verlässlich folgen zu können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist relativ zu der Fahrbahnoberfläche der in Fahrtrichtung vordere Abschnitt der Öffnung höher als der hintere Abschnitt der Öffnung. Somit können problemlos kleinere Hindernisse, wie beispielsweise Kurvenbegrenzungen einer Rennstrecke, überfahren werden. Ferner lässt sich der generierte Reifenabrieb effektiv einsammeln. Bei einem Personenkraftfahrzeug oder einem vergleichbaren Fahrzeug ist in zweckmäßiger Weise der vordere Abschnitt und der hintere Abschnitt im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Diese alternative Ausgestaltung bewirkt, dass im täglichen Gebrauch eine Beschädigung vermieden wird.
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Vorteilhafterweise ist der Partikelfilter in dem Saugkanal angeordnet oder in die Saugvorrichtung integriert. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Partikelfilter in einem an die Saugvorrichtung angrenzenden Bereich angeordnet ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine relativ hohe Filterleistung dann zu erzielen ist, wenn der Partikelfilter in der Nähe der Saugvorrichtung angeordnet oder in diese integriert ist.
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Vorteilhafterweise umfasst die Radabdeckung eine Außenfläche, die eine geschlossene, vorzugsweise glatte, Oberfläche hat. Durch eine solche aerodynamisch vorteilhafte Ausgestaltung lässt sich der Luftwiderstand des Brennstoffzellenfahrzeugs weiter reduzieren. Zusätzlich können auf der Außenfläche Designelemente angebracht werden.
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Zweckmäßigerweise weist die Radabdeckung einen Flansch zur Befestigung an dem Radträger auf. Mittels des Flanschs lässt sich eine sichere Befestigung erreichen, die ein schnelles Aufstecken auf den Radträger ermöglicht und zugleich eine feste Verbindung sicherstellt.
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Vorteilhafterweise ist die Radabdeckung mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgestaltet. Die Radabdeckung weist bevorzugt eine Innenschale und eine Außenschale auf. Auf diese Weise kann sowohl ein einfacher und schneller Radwechsel, als auch eine einfache Montage ermöglicht werden. Hierzu wird insbesondere zuerst die Innenschale auf die Außenseite des Radträgers gesteckt. Anschließend wird das Rad mit einer Antriebswelle oder einer nicht angetriebenen Achse verbunden. Zuletzt wird die Außenschale an die Innenschale im Bereich einer Trennstelle befestigt. Die Trennstelle kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ein Dichtungsmittel, etwa einen Dichtring, umfassen, das dazu dient, eine luftdichte Verbindung zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das Rad eine Innenkontur, wobei zumindest ein Teilbereich der Innenschale im Wesentlichen parallel zu der Innenkontur verläuft. Auf diese Weise wird das Volumen des Innenraums möglichst gering gehalten, sodass die Saugleistung der Saugvorrichtung effektiv auf die Absaugung des Reifenabriebs gerichtet werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Innenschale an dem Radträger an.
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Vorteilhafterweise weist der Saugkanal ein Mittel zur Abscheidung von Wasser und/oder eine verschließbare Klappe auf, wobei vorzugsweise die Klappe in einem in Strömungsrichtung hinteren Bereich des Saugkanals angeordnet ist. Bei einer nassen Fahrbahn wird der Reifenabrieb durch das Wasser gebunden. In solch einem Fall wird das Absaugsystem zum Absaugen von Reifenabrieb nicht benötigt und kann durch das Verschließen des Absaugkanals oder mittels des Wasserabscheidungsmittels trocken gehalten werden. Das Wasserabscheidungsmittel kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben und etwa als Heizdraht und/oder als Drainage ausgestaltet sein.
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Vorteilhafterweise wird die Klappe durch ein Steuergerät betätigt. Ein solches Klappensteuergerät erhält Informationen zu den vorherrschenden Umweltbedingungen, wie beispielsweise dem Vorhandensein von Nässe auf der Fahrbahnoberfläche. Davon abhängig wird dann die Klappe gesteuert und der Saugkanal mittels der Klappe zumindest wasserdicht verschlossen.
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Vorteilhafterweise umfasst das Absaugsystem einen Abluftkanal, der sich in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter und/oder hinter der Saugvorrichtung anschließt und dazu dient, die gefilterte Luft abzuführen. Die abzuführende Luft kann dabei unmittelbar abgeführt oder mittelbar durch das Brennstoffzellenfahrzeug geleitet werden. In letzterem Fall ergibt sich die Möglichkeit, die abzuleitende Luft zu Kühlzwecken, beispielsweise der Brennstoffzelle, heranzuziehen. Darüber hinaus ist es möglich, die gefilterte Luft zweier oder mehrerer Absaugsysteme zu sammeln und gemeinsam aus dem Brennstoffzellenfahrzeug zu führen. Die gefilterte Luft wird in vorteilhafter Weise in Fahrtrichtung hinter dem Brennstoffzellenfahrzeug und/oder unter dem Brennstoffzellenfahrzeug ausgeleitet, wodurch ein geringer Luftwiderstand des Brennstoffzellenfahrzeugs gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug, welches das zuvor beschriebene Absaugsystem umfasst, weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Antriebseinheit auf, welche eine mechanische Bremse hat. Die mechanische Bremse ist vorteilhafterweise unmittelbar oder zumindest nahe der Antriebseinheit angeordnet. In solch einem Fall ist der Radträger frei von der mechanischen Bremse. Folglich kann der Radkasten ausgelegt werden, ohne eine mechanische Bremse berücksichtigen zu müssen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen die Erfindung detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs, welches eine Anordnung zur Verschaltung, eine Antriebseinheit, ein Absaugsystem und ein Steuergeräteverbund aufweist;
- 1b eine schematische Darstellung der Antriebseinheit und des Absaugsystems in dem Brennstoffzellenfahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung der Antriebsarchitektur des Brennstoffzellenfahrzeugs;
- 3 eine schematische Darstellung der Anordnung der Verschaltung des Brennstoffzellenfahrzeugs;
- 4 einen schematischen Aufbau der Antriebseinheit des Brennstoffzellenfahrzeugs;
- 5a einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie V-V in 1a, der die Antriebseinheit und das Absaugsystem des Brennstoffzellenfahrzeugs zeigt;
- 5b eine schematische Vorderansicht auf den Querschnitt gemäß 5a;
- 6 eine schematische Darstellung des Steuergeräteverbunds des Brennstoffzellenfahrzeugs.
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1a und 1b zeigen ein Brennstoffzellenfahrzeug 200, das für den Motorsport-Wettbewerb geeignet ist. Der Motorsport-Wettbewerb zeichnet sich durch eine Verknüpfung von E-Sport und realem Motorsport aus. Dabei hat jedes Team für jedes Fahrzeug, das reale Brennstoffzellenfahrzeug 200 und ein virtuelles Brennstoffzellenfahrzeug, zwei Fahrer. Ein Fahrer nimmt an den realen Wertungsläufen und einer an den gleichfalls zur Meisterschaft zählenden E-Sport Wertungsläufen teil. Die Ergebnisse beider Rennen fließen zu gleichen Teilen in die Meisterschaftswertung ein, so dass am Ende ein Team als Gesamtsieger beider Disziplinen gekürt wird.
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Das Brennstoffzellenfahrzeug 200 weist, wie es in 1a dargestellt ist, zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 20r auf. Ferner umfasst das Brennstoffzellenfahrzeug 200 zwei vordere Räder 213r, 213l und zwei hintere Räder 214r, 214l.
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Dem Brennstoffzellenfahrzeug 200 steht insgesamt eine Antriebsleistung von 750 PS bis 850 PS bei einem Gewicht zwischen 1300 kg und 1700 kg zur Verfügung.
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Bauteile, Einheiten, Systeme oder sonstige Elemente, die einer rechten Seite des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 zugeordnet sind, sind mit einem „r“ gekennzeichnet, und Bauteile, Einheiten, Systeme oder sonstige Elemente der gleichen Funktion, die in gespiegelter Weise einer linken Seite des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 zugeordnet sind, sind mit demselben Bezugszeichen und mit einem „I“ gekennzeichnet. Beispielsweise sind demnach auf der linken Seite des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 die Brennstoffzelleneinheit 20l, das vordere Rad 213l und das hintere Rad 214l angeordnet. Auf der rechten Seite des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 sind die Brennstoffzelleneinheit 20r, das vordere Rad 213r und das hintere Rad 214r angeordnet, welche jedoch aufgrund der in 1a dargestellten Seitenansicht des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 nicht gezeigt sind. Im Folgenden wird die Bezeichnung anhand einer Seite verwendet, insofern dies dienlich erscheint.
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Das angewandte Koordinatensystem entspricht den Angaben der DIN 70000. Entsprechend verläuft beispielsweise die X-Richtung entlang der Fahrtrichtung.
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Das für den Motorsport-Wettbewerb geeignete Brennstoffzellenfahrzeug 200 umfasst eine in 2 schematisch gezeigte Antriebsarchitektur. Die Antriebsarchitektur des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 weist zwei Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l, zwei vordere Antriebseinheiten 30r, 30l und zwei hintere Antriebseinheiten 40r, 40l auf. Diese sind symmetrisch in dem Brennstoffzellenfahrzeugs 200 verteilt angeordnet. Unter symmetrische Anordnung ist insbesondere eine gespiegelte Anordnung über die mittige Längsachse des Brennstoffzellenfahrzeugs 200, welche entlang der X-Richtung verläuft, zu verstehen. Ferner umfasst die in 2 gezeigte Antriebsarchitektur ein mittig angeordnetes Hochvoltspeichersystem 50. Über einen DC/DC Wandler 62 kann Strom von den Hochvoltleitungen 38, 48 mit einer relativ hohen Spannung von beispielsweise mehr als 60V auf eine niedrigere Spannung von beispielsweise 12 V gewandelt werden. Die beschriebene Verteilung zeichnet sich durch einen niedrigen und mittigen Gesamtschwerpunkt des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 aus.
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Die beiden Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l umfassen jeweils eine Brennstoffzelle 21r, 21l. Die Brennstoffzellen 21 r, 21l erzeugen primäre Energie mit einer gleichbleibenden Leistung, die an die primäre Hochvoltleitung 28 abgegeben wird. Die primäre Energie wird entweder direkt während des Betriebs der Antriebseinheiten 30, 40 verbraucht, oder bei nicht Abnahme durch die Antriebseinheiten 30, 40 wird die primäre Energie durch das Hochvoltspeichersystem 50 aufgenommen.
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Die Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l umfassen ferner jeweils einen DC/DC Wandler 22r, 22l, die das volatile Spannungsniveau der Brennstoffzellen 21r, 21l ausgleichen. Der DC/DC Wandler 22r, 22l stellt somit sicher, dass die an die Hochvoltleitung 28 abgegebene Spannung der primären Energie auf eine hohe Genauigkeit und Stabilität erfolgt.
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Jedem der vier Räder 213r, 213l, 214r, 214l ist eine Antriebseinheit 30r, 30l, 40r, 40l zugeordnet, sodass das Brennstoffzellenfahrzeug 200 einen Allradantrieb aufweist. Über den Allradantrieb mittels einer unabhängig voneinander gesteuerten Antriebseinheit 30r, 30l, 40r, 40l für jedes Rad 213r, 213l, 214r, 214l ist eine Drehmomentverteilung auf die einzelnen Räder 213r, 213l, 214r, 214l möglich. Unter Drehmomentverteilung, auch „Torque Vectoring“ genannt, versteht man die aktive Beeinflussung des Gierwinkels bzw. der Gierwinkelgeschwindigkeit. Diese Wirkung beruht auf einer kontrollierten Umverteilung der Drehmomente der jeweiligen Antriebseinheiten 30, 40 und nicht auf der Änderung der Reifenstellung. Dies ist besonders bei Kurvenfahrten mit hoher Geschwindigkeit vorteilhaft.
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4 zeigt den schematischen Aufbau der Antriebseinheiten 30, 40. Im Nachfolgenden wird die Anordnung und Funktionsweise der vorderen Antriebseinheiten 30r und 30l beschrieben.
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Die hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l sind vergleichbar zu den vorderen Antriebseinheiten 30r, 30l aufgebaut. Die Bezugszeichen funktionsgleicher Bauteile der vorderen Antriebseinheiten 30r, 30l entsprechen denen der hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l und sind mit Bezugszeichen versehen, die um den Wert 10 addiert sind. Beispielsweise weist demnach der Elektromotor/ -generator der vorderen linken Antriebseinheit das Bezugszeichen 34l und der Elektromotor/ -generator der hinteren linken Antriebseinheit das Bezugszeichen 44l auf.
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Die gezeigten Antriebseinheiten 30r, 30l umfassen jeweils zumindest einen Elektromotor/ -generator 34r, 34l, der mit einem AC/DC Wandler 32r, 32l verbunden ist, ein Getriebe 36r, 36l und eine mechanische Bremse 39r, 39l. Die Antriebseinheiten 30r, 30l weisen ferner einen Raum R auf, welcher durch ein erstes Gehäuse 31 G und ein zweites Gehäuse 31 B umschlossen ist. In dem von dem ersten Gehäuse 31G umschlossen Raum R befindet sich das Getriebe 36r, 36l. In dem von dem zweiten Gehäuse 31B umschlossenen Raum R befindet sich die mechanische Bremse 39r, 39l.
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Die dem linken vorderen Rad 213l zugeordnete Antriebseinheit 30l und die dem rechten vorderen Rad 213r zugeordnete Antriebseinheit 30r können mittels des ersten Gehäuses 31G verbunden sein. Hierzu befinden sich beide Getriebe 36r, 36l in einem gemeinsamen Raum R des ersten Gehäuse 31G, wie in 4 gezeigt ist. Die derart gebildete Antriebseinheit 30, 40 kann somit mittig im Brennstoffzellenfahrzeug 200 positioniert werden.
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Das erste Gehäuse 31G und das zweite Gehäuse 31B können einteilig ausgebildet sein. Das erste Gehäuse 31G und das zweite Gehäuse 31B können ferner in einer möglichen Ausgestaltung einen gemeinsamen Raum R umschließen, in welchem das Getriebe 36r, 36l und die mechanische Bremse 39r, 39l angeordnet sind.
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Das zweite Gehäuse 31B ist insbesondere derart ausgebildet, dass diese zumindest die mechanische Bremse 39r, 39l luftdicht umschließt. In der weiteren möglichen Ausgestaltung kann auch das einteilig ausgebildete Gehäuse 31B die mechanische Bremse 39r, 39l und das Getriebe 36r, 36l luftdicht umschließen.
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Die mechanische Bremse 39r, 39l ist zweckmäßigerweise an dem erste Gehäuse 31G befestigt und das erste Gehäuse 31G ist an dem Brennstoffzellenfahrzeug 200 befestigt. Die mechanische Bremse 39r, 39l ist des Weiteren auf der zweiten Antriebswelle 35Wr, 35WI angeordnet und ist geeignet, mittels Reibung kinetische Energie des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 abzubauen. Unter Abbauen ist beispielsweise die Umwandlung kinetischer Energie in Wärmeenergie zu verstehen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die mechanische Bremse 39r, 49l auch auf der ersten Antriebswelle 35Er, 35El oder direkt auf einem Zahnrad des Getriebes 36 angeordnet sein, wie beispielsweise einem Hohlrad eines Planetengetriebes. Die mechanische Bremse 39r, 39l ist derart dimensioniert, dass diese zumindest einmal das Brennstoffzellenfahrzeug 200 bis zum Stillstand abbremsen kann. Hierzu kann die mechanische Bremse 39r, 39l beispielsweise als eine Lamellenbremse ausgebildet sein. Bei einer Bremsung, die mittels der mechanischen Bremse 39r, 39l durchgeführt wird, entsteht Abrieb, auch Feinstaub genannt. Dieser Feinstaub entsteht unter anderem durch die Reibung zwischen den Bremsbelägen mit den Bremsscheiben während einer Reibbremsung.
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Die Aktuatorik der mechanischen Bremse 39r, 39l wird mittels eines Bremssteuergeräts 139, 149 gesteuert. Das vordere Bremssteuergerät 139 dient zur Steuerung der vorderen mechanischen Bremse 39r, 39l und das hintere Bremssteuergerät 149 dient zur Steuerung der hinteren mechanischen Bremse 49r, 49l.
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Zur Kühlung der mechanischen Bremse 39r, 49l ist ein geschlossener Kühlkreislauf 37Br, 37Bl vorgesehen, in dem ein Filter 33r, 33l angeordnet ist. Zur Kühlung des Getriebes 36r, 36l ist ebenfalls ein geschlossener Kühlkreislauf 37Gr, 37Gl vorgesehen, in dem ein weiterer Filter angeordnet sein kann.
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Der Kühlkreislauf 37B weist ferner ein Kühlmedium, insbesondere Öl, zum Transportieren von Wärme auf, welche beispielsweise bei einer Reibbremsung entsteht. Der geschlossene Kühlkreislauf 37B welcher der mechanischen Bremse 39 zugeordnet ist, ist derart an dem Gehäuse 31B angeordnet, so dass das Kühlmedium zur mechanischen Bremse 39 und insbesondere den Bremsscheiben der mechanischen Bremse 39 fließen kann. Das Kühlmedium kühlt die mechanische Bremse 39 und kann zugleich den bei einer Bremsung erzeugten Abrieb aufnehmen und abtransportieren. Der aufgenommene Abrieb wird dann in dem Kühlkreislauf durch den darin enthaltenen Filter 33 filtriert.
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In einer weiteren nicht dargestellten möglichen Ausgestaltung ist nur ein gemeinsamer geschlossener Kühlkreislauf 37 zur Kühlung des Getriebes 36 und der mechanischen Bremse 39 vorgesehen. Der Filter 33r, 33l ist derart angeordnet, so dass dieser leicht entnommen werden kann.
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Die Elektromotor/ -generatoren 34r, 34l sind Drehstrommaschinen, die sowohl als Motor als auch als Generator genutzt werden können. Wenn der Elektromotor/ - generatoren 34r, 34l als Motor genutzt wird, muss dieser mit einer Drei-Phasen-Wechselspannung gespeist werden. Hierzu wird der durch das Hochvoltspeichersystem 50 zur Verfügung gestellte Gleichstrom über den AC/DC Wandler 32r, 32l in die benötigte Drei-Phasen-Wechselspannung umgewandelt. Zur Drehzahlsteuerung wird die Frequenz der Drei-Phasen-Wechselspannung variiert.
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Im sogenannten Motorbetrieb erzeugt der Elektromotor/ -generatoren 34r, 34l, 44r, 44l ein Drehmoment, das über die erste Antriebswelle 35Er, 35El, 45Er, 45El des Elektromotors/ -generators 34r, 34l, 44r, 44l an das Getriebe 36r, 36l, 46r, 46l übertragen wird. Das Getriebe 36r, 36l, 46r, 46l übersetzt das Drehmoment und überträgt das übersetzte Drehmoment an die zweite Antriebswelle 35Wr, 35Wl, 45Wr, 45WI. Die zweite Antriebswelle 35W, 45W ist auf einer dem Getriebe zugewandten Seite mittels eines getriebeseitigen Antriebswellengelenk 35G-GA, 45G-GA und auf einer dem Rad 213 zugewandten Seite mittels eines radseitigen Antriebswellengelenk 35G-AW, 45G-AW gelenkig mit einer Achswelle 35A, 45A verbunden. Mittels des derart verbundenen Rads 213, 214 ist es möglich, einer Lenk- und/oder Federbewegung des Rads 213, 214 zu folgen, während ein Drehmoment übertragen wird.
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Im Generatorbetrieb erzeugt der Elektromotor/ -generator 34r, 34l, 44r, 44l einen Drei-Phasen-Wechselstrom. Während dem sogenannten Generatorbetrieb wird die erzeugte Drei-Phasen-Wechselspannung in Gleichstrom über den AC/DC Wandler 32r, 32l, 42r, 42l umgewandelt und dem Hochvoltspeichersystem 50 als sekundäre Energie zur Verfügung gestellt. Die Elektromotoren/ -generatoren 34r, 34l, 44r, 44l fungieren demnach während eines Bremsvorgangs als sogenannte regenerative Bremse. Dabei wird während dem regenerativen Bremsen Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die als sekundäre Energie in das Hochvoltspeichersystem 50 eingespeist wird. Der Elektromotor/ -generator 34r, 34l, 44r, 44l erzeugt dabei einen elektromotorischen Widerstand, wodurch das Brennstoffzellenfahrzeug 200 abgebremst wird. Die erzeugte sekundäre Energie hängt dabei von dem Drehmoment ab, das über die jeweiligen Räder 213r, 213l, 214r, 214l an die Antriebseinheiten 30r, 30l, 40r, 40l übertragen werden kann.
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Während einer Bremsung entsteht ein Moment um die Querachse des Brennstoffzellenfahrzeugs 200, auch Nickachse genannt. Dabei werden die vorderen Räder 213r, 213l zusätzlich belastet und die hinteren Räder 214r, 214l entlastet. Folglich kann über die vorderen Antriebseinheiten 30l, 30r eine höheres Drehmoment rekuperiert werden, als durch die hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l. Ferner kann bei einer derartigen Bremsung auf eine mechanische Bremse 39, 49 verzichtet werden, sodass durch das elektromotorische Bremsen die Entstehung von Feinstaub, der während einer Reibbremsung entstehen würde, erheblich verringert wird.
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Feinstaub kann auch durch Reifenabrieb entstehen. Damit der Feinstaub, welcher durch Reifenabrieb entsteht, aufgenommen werden kann, ist ein Absaugsystem 300 vorgesehen, das im Nachfolgenden anhand der 5a und 5b detailliert beschrieben wird. Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des Absaugsystems 300 anhand eines vorderen Rads 213 beschrieben, das in gleicher Weise für die weiteren Räder 214 des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 angewandt wird.
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Wie in 5a und 5b gezeigt, weist das Absaugsystem 300 eine Radabdeckung 310, die ein Rad 213, 214 umhüllt, eine Saugvorrichtung 320 und einen die Saugvorrichtung 320 mit der Radabdeckung 310 verbundenen Saugkanal 330 auf, in welchem ein Partikelfilter 340 angeordnet ist.
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Das Rad 213 umfasst einen Reifen 216 und eine Felge 218 und hat eine Innenseite 213ln und eine Außenseite 213Au. Die Außenseite 213Au ist dem Brennstoffzellenfahrzeug 200 abgewandt. Die Oberfläche der Innenseite 213ln verläuft entlang einer Innenkontur 219 des Rads 213. Das Rad 213 ist mittels der Antriebswelle 35W mit der Antriebseinheit 30 verbunden. Die Antriebswelle 35W kann in einer weiteren alternativen Ausgestaltung auch mit einer nicht angetriebenen Achse ersetzt werden, sodass das Rad 213 mit einer Achse verbunden ist. Auf dem außenliegenden Bereich der Antriebswelle 35W ist eine Radlagerung 223 und ein Radträger 222 angeordnet, welcher mit einer Radaufhängung 220 verbunden ist. Ferner kann an dem Radträger 222 eine Lenkstange zur Lenkung des Rads 213 angebracht sein, welche beispielsweise für das hintere Rad 214 nicht benötigt wird. Die Antriebswelle 35W weist zusätzlich wie zuvor bereits beschrieben ein getriebeseitiges Gelenk 35G-GA, ein radseitiges Gelenk 35G-AW und eine zwischen den beiden Gelenken 35G-GA, 35G-AW verbundene Achswelle 35A auf. Diese Anordnung ermöglicht es, dass während einer Lenkung mittels des Radträgers 222 die Lenkbewegung des Rads 213 angepasst werden kann und/oder dass eine Federbewegung des Rads 213 durchgeführt werden kann.
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Die Radabdeckung 310 bildet einen Innenraum 311, in welchem sich das Rad 213, 214 befindet. An einer Unterseite der Radabdeckung 310 weist die Radabdeckung 310 eine Öffnung 316 auf, durch welche der Reifen 216 zumindest teilweise ragt.
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Die dargestellte Radabdeckung 310 umfasst des Weiteren eine Innenschale 312 und eine Außenschale 314, welche im Bereich einer Trennstelle 313 miteinander verbunden sind. Die Innenschale 312 verläuft im Wesentlichen parallel zu der Innenkontur 219 des Rads 213, 214. Die Innenschale 312 weist zusätzlich einen Flansch 319 auf und ist mit einer Außenseite des Radträgers 222 verbunden, sodass sich beispielsweise die Lenkstange außerhalb des Innenraums 311 befindet. Die Innenschale 312 umragt den Reifen 216 derart, so dass die Außenschale 214 lediglich eine glatte und ebene Fläche aufweist.
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Die Radabdeckung 310 umfasst einen Verbindungsanschluss 318, der eine Verbindung mit dem Saugkanal 330 ermöglicht. Der Verbindungsanschluss 318 ist derart geformt, sodass der Saugkanal 330 auf den Verbindungsanschluss 318 aufgesteckt werden kann. In der gezeigten Ausführungsform, kann der Verbindungsanschluss 318 im unteren Bereich in der Nähe der Öffnung 316 positioniert sein.
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Die Radabdeckung 310 weist außerdem einen Teilbereich auf, der im Wesentlichen parallel zur Seitenwand des Reifens 216 verläuft, wodurch ein Absaugspalt 317 ausgehend von der Öffnung 316 und einem Spalt zwischen dem Teilbereich der Radabdeckung 310 und dem Reifen 216 gebildet wird.
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Der Saugkanal 330 weist ein Wasserabscheidungsmittel 336 oder eine Klappe 338 zum Verschließen des Saugkanals 330, sodass kein Wasser eintritt, auf. Die Klappe 338 ist mit einem nicht dargestellten Klappensteuergerät 1338 verbunden und wird von diesem gesteuert.
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Die gefilterte Luft wird über einen Abluftkanal 322 durch das Brennstoffzellenfahrzeug 200 nach außen geleitet.
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Gefilterte Luft zweier gegenüberliegenden Absaugsystemen 300, wobei ein Absaugsystem 300 dem linken Rad 213l und ein dem rechten Rad 213r zugeordnet ist, können in einen gemeinsamen Abluftkanal 322 zusammengeführt und gemeinsam aus dem Brennstoffzellenfahrzeug 200 heraus geleitet werden.
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Anders als bei reinen Elektroautos ohne eine Brennstoffzelle braucht das Brennstoffzellenfahrzeug 200 nur ein kleines, aber sehr leistungsfähiges Hochvoltspeichersystem 50, um die beim Bremsen rekuperierte oder auch regenerierte sekundäre Energie oder auch erzeugte elektrische Energie aufzufangen. Denn die während des Bremsvorgangs erzeugte Energie wird nur kurzfristig in dem Hochvoltspeichersystem 50 gespeichert, bevor diese wieder zur Beschleunigung des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 abgegeben wird.
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Die hierfür vorgesehene Anordnung der Verschaltung 10 der Batteriearchitektur des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 als auch der Aufbau des Hochvoltspeichersystems 50 wird anhand der 3 nachfolgend detailliert beschrieben.
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Die Anordnung der Verschaltung weist zumindest drei Teilsysteme 20, 30, 40 auf, die parallel über Hochvoltleitungen 28, 38, 48 mit dem Hochvoltspeichersystem 50 verbunden sind. Das erste Teilsystem umfasst zumindest den der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeordneten DC/DC Wandler 22. Das zweite Teilsystem umfasst zumindest den der vorderen Antriebseinheit 30 zugeordneten AC/DC Wandler 32 und das dritte Teilsystem umfasst zumindest den der hinteren Antriebseinheit 40 zugeordneten AC/DC Wandler 32.
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Das Hochvoltspeichersystem 50 weist zumindest eine Hochvoltbatterie 51, eine Anschlussschiene 54, ein primäres Schütz 56.2, ein vorderes sekundäres Schütz 56.3, ein hinteres sekundäres Schütz 56.4 und eine Batteriemanagementsystem 52 auf.
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Die Hochvoltbatterie 51 umfasst zur Speicherung der elektrischen Energie Hochleistungs-Batteriezellen, welche kompakt verbaut sind. Die Hochvoltbatterie kann auch ein vergleichbar leistungsfähiger Stromspeicher sein, wie beispielsweise ein Superkondensator.
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Die Anschlussschiene 54 führt die elektrische Energie der drei Teilsysteme zusammen und speist diese in die Hochvoltbatterie 51 zur kurzfristigen Speicherung oder Pufferung ein. Die Anschlussschiene 54 kann hierzu beispielsweise ein Teil einer Junction-Box, welche auch außerhalb der Hochvoltbatterie 51 angeordnet sein kann, oder einer niederohmigen Verbindung, die aus mehreren Teilen bestehen kann, sein.
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Die Schütze 56.2, 56.3, 56.4 sind ausgebildet, die Hochvoltbatterie 51 von den Hochvoltleitungen 28, 38, 48 zu trennen. Dadurch wird die Sicherheit erhöht werden, insbesondere in einem ausgeschalteten Zustand des Brennstoffzellenfahrzeugs 200. Folglich können somit auch beim Einschalten mittels der Schütze 56.2, 56.3, 56.4 Vorkehrungen getroffen werden, um den Ladestrom anfangs zu begrenzen. Die vordere sekundäre Schütze 56.3 und die hintere sekundäre Schütze 56.4 sind zudem für einen bidirektionalen Stromfluss geeignet, um eine rekuperative Bremsung mittels des Elektromotor/ -generators 32r, 32l, 42r, 42l zu ermöglichen.
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Zur Steuerung der Schütze 56.2, 56.3, 56.4 sind diese mit dem Batteriemanagementsystem 52 verbunden. Das Batteriemanagementsystem 52 ist ausgebildet, eigene Entscheidungen zu treffen und die Schütze 56.2, 56.3, 56.4 unabhängig voneinander anzusteuern.
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Das Batteriemanagementsystem 52 erhält zusätzlich die Befehle zur Steuerung der Schütze 56.2, 56.3, 56.4 von einem übergeordneten Steuergerät 199, welches auch Supervisor-Steuergerät genannt werden kann. Das Batteriemanagementsystem 52 und das übergeordneten Steuergerät 199 sind in einem Steuergeräteverbund 100 integriert.
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Die in dem ersten Teilsystem durch die Brennstoffzelleneinheit 20 erzeugte primäre Energie wird über die primäre Hochvoltleitung 28 durch die primäre Schütz 56.2 auf die Anschlussschiene 54 übertragen und in die Hochvoltbatterie 51 eingespeist. Das erste Teilsystem weist in der gezeigten Darstellung zwei Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l auf, welche jeweils mit einem DC/DC Wandler 22r, 22l verbunden sind. Die beiden Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l mit je einem DC/DC Wandler 22r, 22l sind parallel über die primäre Hochvoltleitung 28 geschalten, bevor diese die erzeugte primäre Energie in das Hochvoltspeichersystem 50 einspeisen.
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Wie in 3 dargestellt, umfasst das zweite Teilsystem zwei vordere Antriebseinheiten 30r, 30l mit je einem AC/DC Wandler 32r, 32l. Die beiden vorderen Antriebseinheiten 30r, 30l mit je einem AC/DC Wandler 32r, 32l sind parallel über die vordere sekundäre Hochvoltleitung 38 geschalten. Die erzeugte sekundäre Energie wird über die vordere sekundäre Hochvoltleitung 38 durch die vordere sekundäre Schütz 56.3 auf die Anschlussschiene 54 übertragen und in die Hochvoltbatterie 51 eingespeist.
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Wie in 3 dargestellt, umfasst das dritte Teilsystem zwei hintere Antriebseinheiten 40r, 40l mit je einem AC/DC Wandler 42r, 42l. Die beiden hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l mit je einem AC/DC Wandler 42r, 42l sind parallel über die hintere sekundäre Hochvoltleitung 38 geschalten. Die erzeugte sekundäre Energie wird über die hintere sekundäre Hochvoltleitung 48 durch die hintere sekundäre Schütz 56.4 auf die Anschlussschiene 54 übertragen und in die Hochvoltbatterie 51 eingespeist.
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Zusätzlich zu den hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l ist über einen DC/DC Wandler 22.1C und einem nachfolgend angeordneten DC/AC Wandler 22.2C ein Kompressor 21C für den Betrieb der Brennstoffzellen 21r, 21l parallel über die hintere sekundäre Hochvoltleitung 48 geschalten. Der Kompressor 21C kann auch in einer nicht dargestellten Ausgestaltung ebenso parallel über die vordere sekundäre Hochvoltleitung 38 geschalten sein oder direkt ohne einen eigenen DC/DC Wandler an der Hochvoltbatterie 51 angeschlossen werden.
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Durch die beschriebene Anordnung der Verschaltung 10 ist es möglich, die primäre Energie und gleichzeitig hohe Leistungen der sekundären Energie beim Bremsen in die Hochvoltbatterie 51 einzuspeisen. Während einer Vollbremsung zeichnen sich die Batteriearchitektur und insbesondere das Hochvoltspeichersystems 50 und die Anschlussschiene 54 des Hochvoltspeichersystems 50 dadurch aus, dass zwischen 75% und 85% der Bremsleistung in elektrische Energie rekuperiert und in die Hochvoltbatterie 51 eingespeist werden kann. Ferner zeichnet sich das Hochvoltspeichersystem 50 dadurch aus, dass kein DC/DC Wandler für die Hochvoltbatterie 51 benötigt wird. Kosten, Bauraum und Gewicht werden somit gespart und zusätzlich wird ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht.
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Damit beispielsweise während eines Rennens der sichere Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 gewährleistet werden kann, ist der in 5 schematisch dargestellte Steuergeräteverbund 100 mit dem folgenden Aufbau vorgesehen.
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Der Aufbau des Steuergeräteverbunds 100 sieht eine erste Befehlsebene 101 und eine zweite Befehlsebene 102 vor. Der ersten Befehlsebene 101 sind die Steuergeräte zugeordnet, welche zur Steuerung einer bestimmten Komponente oder des Fahrzeugs dienen. Die Steuergeräte der ersten Befehlsebene 101 kommunizieren über ein Bus-System, hier ein CAN-Bus. Der zweiten Befehlsebene 102 ist ein übergeordnetes Steuergerät 199, auch Supervisor-Steuergerät genannt, zugeordnet, das mit dem Bus-System verbunden ist und zur Prüfung der Kommunikation der jeweiligen Steuergeräte der ersten Befehlsebene 101 dient.
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Die ersten Befehlsebene 101 weist im Detail die folgenden Steuergeräte auf, die mit einem Fahrzeugsteuergerät 110 kommunizieren können.
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Zur Lenkung der Reifen sieht das Brennstoffzellenfahrzeug 200 ein Lenkungssteuergerät 115 vor. Dieses Lenkungssteuergerät 115 ermöglicht eine Steuerung nach dem sogenannten „Steer-by-Wire“ Konzept.
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Die Brennstoffzelleneinheiten 20r, 20l umfassen zwei Steuergeräte. Ein Brennstoffzellensteuergerät 121r, 121l, das zur Steuerung der Brennstoffzelle 21r, 21l dient, und ein DC/DC Wandler Steuergerät 122r, 122l, das zur Steuerung des DC/DC Wandlers 22r, 22l dient.
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Ferner ist ein weiteres DC/DC Wandler Steuergerät 122.2C zur Steuerung des DC/DC Wandlers 22.2C vorgesehen, welches wiederum dem Kompressors 21C zugeordnet ist. Dabei wird insbesondere die Zufuhr an Luft zu der Brennstoffzelle 21 geregelt, welche über einen Kompressor 21C der Brennstoffzelle 21 zugeführt wird.
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Die vordere Antriebseinheiten 30r, 30l weisen jeweils ein vorderes Antriebssteuergerät 132r, 132l und die hinteren Antriebseinheiten 40r, 40l weisen jeweils ein hinteres Antriebssteuergerät 142r, 142l auf. Die Antriebssteuergeräte 132r, 132l, 142r, 142l dienen zur Steuerung des jeweiligen AC/DC Wandlers 32r, 32l, 42r, 42l, welcher je einem Elektromotor/ -generator 34r, 34l, 44r, 44l zugeordnet ist. Ferner umfassen die Antriebseinheiten 30r, 30l, 40r, 40l jeweils ein Bremssteuergerät 139r, 139l, 149r, 149l, das einer mechanischen Bremse 39r, 39l, 49r, 49l zugeordnet ist. Die Bremssteuergeräte 139r, 139l, 149r, 149l sind derart ausgelegt, dass diese ein sogenanntes „Brake-by-Wire“ Konzept ermöglichen.
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Ferner ist in der ersten Befehlsebene 101 ein Batteriemanagementsystem 52 zur Steuerung der Schütze 56.2, 56.3, 56.4 vorgesehen, wie es zuvor bereits beschrieben wurde.
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Des Weiteren sind ebenfalls ein Niedervoltwandlersteuergerät 162, ein Hochvoltwandlersteuergerät 167, ein Speichermodul 170a und ein FIA Speichermodul 170b sowie eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 180 und eine Telemetriegerät 105 vorgesehen, die in der ersten Befehlsebene 101 umfasst sind.
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Die erste Befehlsebene 101 umfasst ferner ein Tanksteuergerät 125, welches einer Brennstoffzelleneinheit 20 zugeordnet ist. Ferner ist das Tanksteuergerät 125 ausgebildet, mit einer Schnittstelle zu einer Tankanlage zu kommunizieren.
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Das Speichermodul 170a dient dazu, die über das Bus-System übertragene Kommunikation, wie beispielsweise Daten über systemrelevante Größen und Eingriffe des Fahrers, zu speichern. Das FIA Speichermodul 170b dient dazu, Informationen zu speichern, die für den Rennbetrieb relevant sind.
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Das Telemetriegerät 105 dient dazu, eine kabellose Datenübertragung zu ermögliche, wodurch beispielsweise Softwareupdates empfangen werden können. In einer weiteren Ausgestaltung kann das Telemetriegerät 105 während eines Rennens direkt Informationen aus dem Bus-System an eine Zentrale Verwaltungseinheit übertragen, wodurch beispielsweise ein E-Sport Event ermöglicht wird.
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Das Fahrzeugsteuergerät 110 steuert das zu erbringende Antriebsdrehmoment und Bremsdrehmoment der jeweiligen Antriebseinheiten 30r, 30l, 40r, 401, indem diese nach dem Steer-by-Wire und dem Brake-by-Wire Konzept die Aufgaben an die jeweiligen Steuergeräte verteilt. Damit können beispielsweise Lenk- und Beschleunigungsimpulse eines Fahrers elektronisch verarbeitet werden. Entsprechend dem geforderten Lenkbefehl wird demnach die Reifenstellung der vorderen Räder 213r, 213l eingestellt oder falls benötigt durch eine kontrollierte Drehmomentverteilung an die Antriebseinheiten unterstützt. Durch die Drehmomentverteilung kann ein erhöhtes Drehmoment durch die Antriebseinheiten einer Seite geniert werden, beispielsweise an der vorderen, rechten Antriebseinheit 30r und an der hinteren, rechten Antriebseinheit 40r, im Vergleich zu den Antriebseinheiten der gegenüberliegenden Seite. Folglich wird dadurch eine optimale Verteilung des Antriebsdrehmoments, aber auch die optimale Rekuperation der möglichen zu regenerierenden kinetischen Energie in jeder Fahrsituation ermöglicht.
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Ferner ist das Fahrzeugsteuergerät 110 geeignet auch die zu erzeugende primäre Energie in Abhängigkeit der erzeugten sekundären Primären Energie zu bestimmen und umgekehrt.
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Das Supervisor-Steuergerät 199 übernimmt die übergeordnete Überwachung des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 und stellt somit eine zusätzliche Sicherheitsstufe dar. Dabei liegt die primäre Aufgabe des Supervisor-Steuergeräts 199 darin, die Plausibilität der wichtigsten Kernfunktionen der Steuergeräte der ersten Befehlsebene 101 zu prüfen. Insbesondere überwacht das Supervisor-Steuergerät 199 das Hochvoltspeichersystem 50 und die mit dem Hochvoltspeichersystem 50 verbunden Komponenten. Ferner kann das Supervisor-Steuergerät 199 hierzu direkt mit dem Batteriemanagementsystem 52 des Hochvoltspeichersystems 50 austauschen. Das Supervisor-Steuergerät 199 leitet entsprechende Maßnahmen ein, sobald eine Komponente ausfällt oder einen Fehler verursacht wird, indem ein Korrektursignal in das Bus-System oder eine digitale, bzw. analoge Leitung, übergeben wird. Beispielsweise kann dadurch ein Teilsystem von der Hochvoltbatterie durch die Schütze getrennt werden. Das Supervisor-Steuergerät 199 kann das Brennstoffzellenfahrzeug 200 derart steuern, dass dieses auch ohne das getrennte Teilsystem weiter sicher betrieben werden kann.
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Des Weiteren steuert das Supervisor-Steuergerät 199 das Ein- und Ausschalten, sowie die Notabschaltung des Brennstoffzellenfahrzeugs 200. Außerdem kann ferner das Supervisor-Steuergerät 199 ebenfalls eine Schnittstelle für Softwareupdates für das gesamte Brennstoffzellenfahrzeug 200 bilden.
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Ein Wert ist Plausibel, wenn eine übermittelte Information über einen Betriebszustand einer Komponente des Brennstoffzellenfahrzeugs 200 realistisch ist. Beispielsweise wird demnach ein Fehler erfasst, wenn ein plötzlicher Drehzahlanstieg an der zweiten Antriebswelle 35Wr des vorderen Rads 213r erfasst wird, aber zugleich an der Antriebswelle 35Er des Elektromotors 34r kein Anstieg der Drehzahl vorliegt und auch keine Schaltung im Getriebe 36r durchgeführt wurde. Da die Drehzahl der ersten Antriebswelle 35Er und der zweiten Antriebswelle 35Wr in einem bestimmten Verhältnis, bestimmt durch das Getriebe 36r, zueinander stehen, ist der erfasste Anstieg der Drehzahl nicht plausibel. Folglich wird ein Fehler ausgegeben und ein Korrektursignal für die Antriebseinheit 30r gesendet.
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Jedes Steuergerät umfasst bekanntermaßen einen Mikrocomputer, eine CPU, einen Speicher mit einem ROM, einem RAM, einen Eingangsport und einen Ausgangsport und ähnliche Komponenten.
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Der Steuergeräteverbund 100 ermöglicht ein Sicherheitskonzept für das Brennstoffzellenfahrzeug 200, bei dem vor allem der Schutz der Wasserstoff-Komponenten und des Fahrers im Fokus steht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verschaltung
- 15
- Lenkungssteuergerät „Steer-by-Wire“
- 20l, 20r
- Brennstoffzelleneinheit
- 21l, 21r
- Brennstoffzelle
- 21C
- Kompressor
- 22l, 22r
- DC/DC Wandler
- 22.1C
- DC/DC Wandler
- 22.2C
- AC/DC Wandler
- 28
- primäre Hochvoltleitung
- 30
- vordere Antriebseinheit
- 31G
- Gehäuse Getriebe
- 31Bl, 31Br
- Gehäuse Bremse
- 32l, 32r
- AC/DC Wandler
- 33l, 33r
- Filter
- 34l, 34r
- Elektromotor/ -generator
- 35El, 35Er
- vordere Antriebswelle
- 35WI,
- 35Wrhintere Antriebswelle
- 35Al 35Ar
- Achswelle
- 35G-GA
- getriebeseitiges Antriebswellengelenk
- 35G-AW
- radseitiges Antriebswellengelenk
- 36l, 36r
- Getriebe
- 37G
- Kühlung Getriebe
- 37Bl, 37Br
- Kühlung Bremse
- R
- Raum
- 38
- vordere sekundäre Hochvoltleitung
- 39l, 39r
- mechanische Bremse
- 139
- Bremssteuergerät
- 40
- hintere Antriebseinheit
- 41G
- Gehäuse
- 41Bl, 41 Br
- Gehäuse Bremse
- 42l, 42r
- AC/DC Wandler
- 43l, 43r
- Filter
- 44l, 44r
- Elektromotor/ -generator
- 45El, 45Er
- Elektromotor/ -generator Antriebswelle
- 45Wl, 45Wr
- Rad Antriebswelle
- 45Al, 45Ar
- Achswelle
- 45G-GA
- getriebeseitiges Antriebswellengelenk
- 45G-AW
- radseitiges Antriebswellengelenk
- 46l, 46r
- Getriebe
- 47G
- Kühlung Getriebe
- 47Bl, 47Br
- Kühlung Bremse
- 48
- hintere sekundäre Hochvoltleitung
- 49l, 49r
- mechanische Bremse
- 149
- Bremssteuergerät
- 50
- Hochvoltspeichersystem
- 51
- Hochvoltbatterie
- 52
- Batteriemanagementsystem
- 54
- Anschlussschiene
- 56.2
- primäre Schütz
- 56.3
- vordere sekundäre Schütz
- 56.4
- hintere sekundäre Schütz
- 60
- Niederspannungsbatterie
- 62
- DC/DC Wandler
- 100
- Steuergeräteverbund
- 101
- erste Befehlsebene
- 102
- zweite Befehlsebene
- 105
- Telemetriegerät
- 110
- Fahrzeugsteuergerät
- 120r, 120l
- BrennstoffzellenSteuergerät
- 125
- Tanksteuergerät
- 130r, 130l
- vorderes Antriebssteuergerät
- 140r, 140r
- hinteres Antriebssteuergerät
- 150
- Batteriemanagementsystem
- 162
- Niedervoltwandlersteuergerät
- 167
- Hochvoltwandlersteuergerät
- 170a
- Speichergerät
- 170b
- FIA Speichergerät
- 180
- Human Machine Interface
- 1300
- Absaugsystemsteuergerät
- 1338
- Klappensteuergerät
- 199
- Supervisor-Steuergerät
- 200
- Brennstoffzellenfahrzeug
- 213r
- vorderes rechtes Rad
- 213l
- vorderes linkes Rad
- 214r
- hinteres rechtes Rad
- 214l
- hinteres linkes Rad
- 213ln
- Innenseite
- 213Au
- Außenseite
- 214ln
- Innenseite
- 214Au
- Außenseite
- 216
- Reifen
- 218
- Felge
- 219
- Innenkontur
- 220
- Radaufhängung
- 222
- Radträger
- 223
- Lager
- 300
- Absaugsystem
- 310
- Radabdeckung
- 311
- Innenraum
- 312
- Innenschale
- 313
- Trennstelle
- 314
- Außenschale
- 315
- Außenfläche
- 316
- Öffnung
- 317
- Absaugspalt
- 318
- Verbindungsanschluss
- 319
- Flansch
- 320
- Saugvorrichtung
- 322
- Abluftkanal
- 330
- Saugkanal
- 336
- Wasserabscheidungsmittel
- 338
- Klappe
- 340
- Partikelfilter
