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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein elektrisch angetriebenes Brennstoffzellenfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine solche Antriebseinheit aufweist.
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Der zukünftige Motorsport muss emissionsärmer, nachhaltiger, sicherer und kostengünstiger werden, um in der Gesellschaft breite Akzeptanz zu finden.
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In Anbetracht der Entwicklung der Feinstaubemission in der urbanen Umgebung, aber auch der globalen Klimaerwärmung, ist die Entwicklung eines Motorsport-Wettbewerbs mit insbesondere nachhaltigen Antriebstechnologien besonders im Fokus. Denn in der Entwicklung von Rennfahrzeugen werden regelmäßig die machbaren technischen Möglichkeiten ausgelotet, da sich die Rennfahrzeuge unter den härtesten Bedingungen im technischen Grenzbereich des Möglichen bewähren müssen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können langfristig Gegenstand eines Technologietransfers für die Serienfertigung darstellen und somit die Entwicklung hin zu emissionsärmeren, nachhaltigeren und sichereren Straßenfahrzeugen ermöglichen.
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Vor allem Wasserstoff wird meist als Teil einer zukünftigen Antriebstechnologie für elektrisch angetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge für unentbehrlich betrachtet, um die Kohlendioxidemission zu senken. Neben den Bestrebungen die Kohlendioxidemission zu senken, ist auch die Reduzierung von Feinstaub insbesondere im urbanen Raum von großer Bedeutung. Ein großer Anteil der Feinstaubbelastung, die durch Straßenfahrzeuge verursacht werden, resultiert aus dem Abrieb von Bremsen, Reifen und der Straße.
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Ferner gilt es für die Entwicklung eines attraktiven Motorsport-Wettbewerbs, nicht nur die Fans an der Rennstrecke, sondern auch die jungen, digitalaffinen Fans des Motorsports anzusprechen und zu begeistern. Hierfür ist die Verknüpfung des traditionellen Motorsports mit der virtuellen Welt des Motorsports vorgesehen. Bei dem virtuellen Motorsport, auch E-Sports genannt, wird das Renngeschehen so realistisch wie möglich virtuell simuliert. Dabei werden nicht nur die Rennstrecken und Fahrzeuge visuell nachgebildet, sondern auch die realistische Fahrphysik dargestellt, die sich über diverse Fahrzeugmodifikationen in allen denkbaren Parametern individualisieren lässt.
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Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise durch die Offenbarung aus
DE 10 2005 018 907 A1 bekannt, eine Bremse an einem Ausgleichsgetriebe vorzusehen, um eine Abtriebswelle der elektrisch angetriebenen Antriebsachse abzubremsen.
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Ferner ist aus
EP 3 406 943 A1 ein Achsgetriebe bekannt, das für ein mit einem Verbrennungsmotor angetriebenes Arbeitsfahrzeug vorgesehen ist. Das Achsgetriebe des Arbeitsfahrzeugs umfasst ein Gehäuse für eine Achse mit einem Getriebe und einer Bremse. Zum Abtransportieren der Wärme, welche bei hohen Lasten während des Betriebs des Arbeitsfahrzeuges auftreten, ist ein Kühlkanal vorgesehen, der Öl zu einer zusätzlichen außerhalb befindlicher Kammer transportiert. Ein Filter zum Filtrieren von Abrieb ist jedoch nicht vorgesehen.
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EP 3 614 010 A1 offenbart eine Antriebseinheit, die ein Rad direkt antreibt. Die Antriebseinheit umfasst einen elektrischen Motor, ein Getriebe und eine Reibbremse. Die Reibbremse ist hierbei jedoch zwischen dem Motor und dem Getriebe angeordnet, um die Größe der Reibbremse zu reduzieren. Ferner befindet sich die Reibbremse in einem von einem Gehäuse umschlossenen Bereich. Die bei einer Bremsung entstehende Wärme wird mittels eines Kühlmittels abgeführt.
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Für die vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe darin, eine Antriebseinheit und ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit zu schaffen, welche einen nahezu emissionsarmen Betrieb ermöglichen.
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Diese Aufgabe wir durch die Antriebseinheit nach Anspruch 1 und dem Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 16 und 18.
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Die Antriebseinheit für ein elektrisch angetriebenes Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen das Brennstoffzellenfahrzeug beschleunigenden oder abbremsenden Elektromotor/ -generator, ein Getriebe, eine erste und zweite Antriebswelle, ein erstes Gehäuse, eine mechanische Bremse und einen Filter. Der Elektromotor/ - generator ist geeignet, beim Abbremsen kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Das Getriebe ist ausgebildet, eine Eingangsdrehzahl in eine Ausgangsdrehzahl zu übersetzen. Die erste Antriebswelle ist geeignet, ein Drehmoment zwischen dem Elektromotor/ -generator und dem Getriebe zu übertragen. Die zweite Antriebswelle ist geeignet, ein Drehmoment von und zu dem Getriebe zu übertragen. Das erste Gehäuse umschließt zumindest teilweise das Getriebe. Die mechanische Bremse ist an dem ersten Gehäuse angeordnet und derart ausgebildet, kinetische Energie mittels Reibung abzubauen. Hierzu kann die Bremse zusätzlich an der ersten Antriebswelle, der zweiten Antriebswelle oder direkt an dem Getriebe angeordnet sein, um kinetische Energie abzubauen. Der Filter ist ausgebildet, einen Abrieb der mechanischen Bremse zu filtrieren.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit zeichnet sich durch ein zweites Gehäuse aus, das die mechanische Bremse umschließt, und ferner durch eine Achswelle mit einem ersten getriebeseitigen Antriebswellengelenk und einem zweiten radseitigen Antriebswellengelenk, die geeignet ist, ein Drehmoment zwischen der zweiten Antriebswelle und dem Rad zu übertragen.
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Die Antriebseinheit weist den Vorteil auf, dass das Getriebe als auch die mechanische Bremse luftdicht umschlossen sind und einen Filter zum Aufnehmen des Abriebs aufweist. Somit kann kein Feinstaub oder Abrieb unkontrolliert in die Umgebung gelangen, welcher insbesondere bei einer Bremsung entstehen kann. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine kompakte Antriebseinheit für ein elektrisch angetriebenes Brennstoffzellenfahrzeug mit einer hohen Antriebsleistung geschaffen. Besonders vorteilhaft ist, dass der mechanischen Bremse ein Gehäuse zugeordnet ist. Dadurch lässt sich der durch den Bremsenabrieb erzeugte Abrieb gezielt und effizient filtrieren. In einer bevorzugten Ausgestaltung hiervon ist der Filter auswechselbar an dem zweiten Gehäuse angeordnet. Der bei einer Bremsung entstehende Abrieb kann mittels des auswechselbaren Filters somit leicht recycelt werden. Entsprechend wird ein verschleißarmer Betrieb der Antriebseinheit und insbesondere der rotierenden Bauteile, welche sich im Gehäuse befinden, ermöglicht. Ferner ist es besonders vorteilhaft, dass die Achswelle mit dem ersten getriebeseitigen Antriebswellengelenk und dem zweiten radseitigen Antriebswellengelenk vorgesehen ist. Denn dadurch wird es ermöglicht, dass die Antriebseinheit innerhalb des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist. Folglich kann die Antriebseinheit beispielsweise größer als das Rad ausgestaltet sein und ferner kann eine höhere Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden. Außerdem kann eine Lenkbewegung und/oder Federbewegung des Rads ermöglicht werden, welches beispielsweise mittels einer Radaufhängung mit dem Brennstoffzellenfahrzeug verbunden ist.
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Unter einem elektrisch angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug im Allgemein zu verstehen. Unter Filter ist ein Partikelfilter zu verstehen, der geeignet ist, Abrieb von insbesondere der mechanischen Bremse aufzunehmen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit umschließt das zweite Gehäuse ausschließlich die mechanische Bremse. Unter ausschließlich der mechanischen Bremse ist zusätzlich ein Bereich der ersten oder der zweiten Antriebswelle, mit welcher die mechanische Bremse verbunden ist, zu verstehen. Der Abrieb der Bremse kann dadurch leichter gefiltert werden. Besonders vorteilhaft ist es, dass der Abrieb der Bremse nicht in den Bereich des Getriebes gelangen kann. Die Lebensdauer des Getriebes wird somit deutlich erhöht.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit umschließ das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse einen Raum gemeinsam. In dem Raum sind das Getriebe und die mechanische Bremse angeordnet. Zweckmäßigerweise sind das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse einteilig ausgebildet. Indem das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse einen Raum gemeinsam umschließen kann eine leichtere und kompaktere Antriebseinheit geschaffen werden.
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Während einer Reibbremsung mit einer mechanischen Bremse, aber auch während des Betriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs mit hohen Beschleunigungen können auch hohe Temperaturen im Getriebe auftreten. Zum Kühlen des Getriebes und/oder der mechanischen Bremse weist das erste Gehäuse und/oder das zweite Gehäuse eine Einrichtung mit einem geschlossenen Kühlkreislauf auf. Zweckmäßigerweise weist der Kühlkreislauf ein fluides Medium zum Kühlen der mechanischen Bremse und/oder des Getriebes auf. Unter fluides Medium ist beispielsweise ein Öl oder geeignetes Schmiermittel zu verstehen. Das Kühlmedium, das Abrieb der mechanischen Bremse beinhalten kann, ist durch den geschlossenen Kühlkreislauf vollständig von der Umgebung gekapselt. Mittels des Filters wird das Kühlmedium von dem Abrieb gereinigt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkreislauf Kühlrippen zum Ableiten von Wärme auf. Die Kühlrippen erhöhen die exponierte Fläche und ermöglichen somit eine erhöhte Abgabe von Wärme an die Umgebung, wodurch sich die Kühlleistung zusätzlich erhöht.
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Vorteilhaft ist der Filter in dem Kühlkreislauf integriert. Der durch das Kühlmedium aufgenommene Abrieb kann somit leicht filtriert werden. Zweckmäßigerweise umfasst der Kühlkreislauf einen Kühlkanal, in welchem sich der Filter befindet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkreislauf eine Regeleinheit auf, die geeignet ist, die Durchflussmenge des Mediums zum Kühlen zu regulieren. Mittels dieser Regeleinheit ist es beispielsweise möglich, die Bremse während und nach einer starken Bremsung stärker zu kühlen, indem die Regeleinheit die Durchflussmenge erhöht. Ebenso wäre es denkbar, die Kühlung der Bremse zu stoppen, solange die Bremse unter einem vorbestimmten Temperaturbereich ist. Eine bedarfsgerechte Regelung wird somit ermöglicht.
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Vorteilhaft ist der Elektromotor/ -generator an dem ersten Gehäuse befestigt. Dies weist den Vorteil auf, dass eine besonders kompakte Antriebseinheit geschaffen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Getriebe als Stirnradgetriebe oder als Planetengetriebe und/oder die mechanische Bremse als Lamellenbremse ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Antriebseinheit zwei Elektromotoren/ -generatoren, zwei Getriebe, zwei mechanische Bremsen, zwei erste Antriebswellen und zwei zweite Antriebswellen sowie zwei zweite Gehäuse auf. Jedes der beiden Einheiten sind jeweils einem rechten Rad und einem linken Rad zugeordnet, sodass beide Räder unabhängig voneinander angetrieben werden können. Das erste Gehäuse umschließt die beiden Getriebe. Jedes der beiden zweiten Gehäuse umschließt jeweils eine mechanische Bremse. Die derart ausgestaltete Antriebseinheit zeichnet sich durch eine kompakte und stabile Bauweise aus. Ferner ermöglicht dies in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine mittige Anordnung in dem Brennstoffzellenfahrzeug zwischen einem linken und einem rechte Rad.
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Vorteilhaft ist die mechanische Bremse durch ein Bremssteuergerät betätigbar. Das Bremssteuergerät kann mit einem sogenannten „Brake-by-Wire“ System verbunden werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bremssteuergerät ausgebildet, die mechanisch Bremse mittels eines mechanischen oder hydraulischen Systems zu aktuieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Antriebseinheit ein Antriebssteuergerät zum Steuern des Elektromotor/ -generators auf.
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Vorteilhaft sind das Antriebssteuergerät und das Bremssteuergerät mit einem Fahrzeugsteuergerät verbunden, welche in einem Steuergeräteverbund mit einem Supervisor-Steuergerät des Brennstoffzellenfahrzeugs integriert sind. Das Fahrzeugsteuergerät ermittelt die benötigte Bremsenergie und kommuniziert den benötigten Befehl sowohl an das Antriebssteuergerät als auch an das Bremssteuergerät. Das Supervisor-Steuergerät überwacht die jeweils übermittelte Kommunikation. Indem sowohl das Antriebssteuergerät als auch das Bremssteuergerät über das Fahrzeugsteuergerät gesteuert werden, kann in einer vorteilhaften Weise eine Kombination von elektrischer Rekuperation und Eingriff der Bremseinheit zur Erzielung der vom Fahrer gewünschten Verzögerung des Fahrzeuges dargestellt werden. Ferner kann ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs gewährleistet werden, insbesondere durch die zusätzliche Überwachung durch das Supervisor-Steuergerät.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Steuergeräteverbund ausgebildet, ein vorgegebenes Bremsmoment zwischen dem Elektromotor/ -generator und der mechanischen Bremse zu verteilen. Vorzugsweise steuert das Fahrzeugsteuergerät und/oder das Supervisor-Steuergerät das Bremssteuergerät und das Antriebssteuergerät derart, dass der Elektromotor/ -generator bevorzugt das Bremsmoment erzeugt.
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Ferner weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug vorteilhaft eine Karosserie auf. Dies ermöglicht es, dass die Antriebseinheit mittelbar und/oder unmittelbar mit der Karosserie verbunden werden kann. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere mit einer in einem Rad integrierten Antriebseinheit zu unterscheiden.
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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. 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 21r, 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 31G und ein zweites Gehäuse 31B 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, 35Wl 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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Ferner weist der Kühlkreislauf 37B eine Regeleinheit auf, die geeignet ist, die Durchflussmenge des Mediums zum Kühlen bedarfsgerecht zu regulieren.
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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, 45Wl. 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. 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. 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 zu folgende Spur 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 313 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 eine niederohmige 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, 40l, 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
- 35Wl, 35Wr
- hintere 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, 41Br
- 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
- Brennstoffzellen-Steuergerät
- 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
- 213In
- Innenseite
- 213Au
- Außenseite
- 214In
- 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
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005018907 A1 [0006]
- EP 3406943 A1 [0007]
- EP 3614010 A1 [0008]
