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Es wird eine Vorderwagenstruktur eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug aufweisend die Vorderwagenstruktur bereitgestellt.
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Es liegt die Aufgabe zugrunde ein Brennstoffzellensystem bauraumoptimiert in eine Vorderwagenstruktur eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Automobils, zu integrieren, wobei insbesondere ein für einen Elektromotor zur Verfügung stehender Bauraum, ein Luftwiderstand und Crasheigenschaften des Kraftfahrzeugs optimiert werden sollen sowie ein Gewicht einer das Brennstoffzellensystem tragenden Tragstruktur minimiert werden soll.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen zum Inhalt.
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Danach wird die Aufgabe durch eine Vorderwagenstruktur eines Kraftfahrzeugs gelöst, die eine Stirnwand, ein Brennstoffzellensystem und einen Gleichspannungswandler aufweist. Der Gleichspannungswandler ist in einer Kraftfahrzeugbreitenrichtung neben dem Brennstoffzellensystem und in einer Kraftfahrzeughöhenrichtung auf Höhe des Brennstoffzellensystems angeordnet. Das Brennstoffzellensystem und der Gleichspannungswandler sind in einer Kraftfahrzeuglängsrichtung vor der Stirnwand angeordnet.
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Mit anderen Worten, es wird eine Vorderwagenstruktur eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Automobils, bereitgestellt, wobei die Vorderwagenstruktur eine Stirnwand bzw. Spritzwand aufweist, die als Teil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs eine Fahrgastzelle unterhalb einer Front- bzw. Windschutzscheibe von einem Motorraum des Kraftfahrzeugs trennen kann. Innerhalb dieses Motorraums, der sich in der Kraftfahrzeuglängsrichtung näher an einer Front des Kraftfahrzeugs befindet als die Stirnwand, ist ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Fuel-Cell-Stack zusammen mit einem Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler angeordnet.
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Herkömmlich ist das Brennstoffzellensystem regelmäßig in der Kraftfahrzeughöhenrichtung bzw. Vertikalen versetzt zu dem Gleichspannungswandler angeordnet. Der Gleichspannungswandler ist also über oder unterhalb des Brennstoffzellensystems angeordnet, was sich in Form einer Erhöhung negativ auf ein Maß der Vorderwagenstruktur in der Kraftfahrzeughöhenrichtung auswirkt. Durch die Erhöhung und aufgrund einer dadurch regelmäßig nötigen Anhebung einer Kraftfahrzeugkontur im Bereich einer Front- bzw. Motorhaube wirkt sich die herkömmliche Anordnung des Brennstoffzellensystems und des Gleichspannungswandlers auch negativ auf den Cx-Wert des Kraftfahrzeugs aus, was zu einem erhöhten Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs und einer geringeren Effizienz führt.
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Zudem wird durch die herkömmliche Anordnung des Brennstoffzellensystems und des Gleichspannungswandlers regelmäßig eine zusätzliche Tragstruktur zur Anbindung und Lagerung des Brennstoffzellensystems im Kraftfahrzeug benötigt, die relativ viel Bauraum, wiederum insbesondere in der Kraftfahrzeughöhenrichtung, benötigt, aber auch ein Gewicht der Vorderwagenstruktur erhöht.
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Aufgrund der Bauhöhe des Brennstoffzellensystem zusammen mit dem Gleichspannungswandler wird weiterhin eine Integration der E-Maschine bzw. des Elektromotors beschränkt, wodurch lediglich ein relativ kleiner Elektromotor im Vorderwagen integriert werden kann.
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Demgegenüber wird vorliegend eine Anordnung von Brennstoffzellensystem und Gleichspannungswandler vorgeschlagen, bei der die beiden Bauteile nebeneinander im Vorderwagen angeordnet sind.
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Daraus resultiert ein Vorteil in der Maßkette in der Kraftfahrzeughöhenrichtung, wodurch eine flachere Kraftfahrzeugkontur, die in einer verbesserten Effizienz resultiert, und ein Verbau einer vergleichsweise größeren und damit leistungsstärkeren E-Maschine ermöglicht wird.
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Nachfolgend werden die weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen beschrieben.
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Der Gleichspannungswandler kann in der Kraftfahrzeuglängsrichtung auf Höhe des Brennstoffzellensystems angeordnet sein.
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Die Vorderwagenstruktur kann zwei in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung gegenüber angeordnete Federbeindome aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem kann in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung zwischen den Federbeindomen und/oder in der Kraftfahrzeuglängsrichtung auf Höhe der Federbeindome angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Gleichspannungswandler in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung zwischen den Federbeindomen und/oder in der Kraftfahrzeuglängsrichtung auf Höhe der Federbeindome angeordnet sein.
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Bei dem Federbeindom kann es sich um eine versteifte Auswölbung im Radkasten einer selbsttragenden Karosserie des Kraftfahrzeugs handeln, die im Vergleich zu umliegenden Elementen der Karosserie versteift ist. In einem Scheitel der Auswölbung kann sich ein Lager für ein Federbein befinden.
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Durch die obige Ausgestaltung können das Brennstoffzellensystem und der Gleichspannungswandler außerhalb einem in der Fahrzeuglängsrichtung vor den Federbeindomen liegendem Bereich angeordnet sein und in einem crashsicheren Bereich zwischen den Federbeindomen verortet werden. Denkbar ist, dass auch der Elektromotor in dem Bereich zwischen den Federbeindomen angeordnet ist.
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Ein Gehäuse des Gleichspannungswandlers kann zusammen mit dem Brennstoffzellensystem eine selbsttragende Struktur bilden.
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Die selbsttragende Struktur kann sich über eine gesamte Länge in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung zwischen den Federbeindomen erstrecken.
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Insbesondere durch diese Ausgestaltung, d.h. durch die selbstragende Struktur, kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
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Die Vorderwagenstruktur kann eine Brennstoffzellensystemperipherie aufweisen, die in der Kraftfahrzeuglängsrichtung vor dem Brennstoffzellensystem und/oder dem Gleichspannungswandler angeordnet ist.
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Wie oben beschrieben können das Brennstoffzellensystem und der Gleichspannungswandler außerhalb einem in der Fahrzeuglängsrichtung vor den Federbeindomen liegendem Bereich angeordnet sein und in einem crashsicheren Bereich zwischen den Federbeindomen verortet werden. Denkbar ist, dass die Brennstoffzellensystemperipherie, welche im Crash beaufschlagt werden darf, in dem crashrelevanten bzw. sich im Kollisionsfall deformierenden Bereich vor dem Brennstoffzellensystem und dem Gleichspannungswandler befindet.
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Die Peripheriekomponenten können bzw. die Brennstoffzellensystemperipherie kann insbesondere zwischen einem Kühler sowie einem Verbund aus dem Gleichspannungswandler und dem Brennstoffzellensystem angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ können die Peripheriekomponenten direkt an dem Gleichspannungswandler und/oder dem Brennstoffzellensystem angebunden sein, wodurch sich eine Verringerung von Bauteilen und/oder des Gewichts ergeben kann.
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Bei den Peripheriekomponenten des Brennstoffzellensystems kann es sich beispielsweise um ein Antriebsaggregat, insbesondere aufweisend einen Kompressor, und/oder ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems handeln.
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Die Vorderwagenstruktur kann ein Anodensystem aufweisen, das in der Kraftfahrzeuglängsrichtung vor dem Brennstoffzellensystem und/oder dem Gleichspannungswandler angeordnet ist.
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Durch diese Anordnung ist das Anodensystem von außen bzw. von vorne relativ leicht zugänglich, wodurch Wartungsarbeiten am Anodensystem mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden können.
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Das Brennstoffzellensystem und der Gleichspannungswandler können an der Vorderwagenstruktur, insbesondere an einem der Federbeindome oder an beiden Federbeindomen, gelagert sein.
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Die Vorderwagenstruktur kann, zusätzlich oder alternativ, zwei in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung gegenüber angeordnete Motorlängsträger aufweisen. Das Brennstoffzellensystem und der Gleichspannungswandler können an einem der Motorlängsträger oder an beiden Motorlängsträgern gelagert sein.
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Der Verbund aus Gleichspannungswandler und Brennstoffzellensystem kann also sowohl an den Federbeindomen als auch, zusätzlich oder alternativ, an den Motorlängsträgern gelagert werden. Sowohl die Federbeindome als auch die Motorlängsträger sind relativ steife Bauteile und ermöglichen daher eine akustische Entkopplung des Verbundes von der Karosserie des Kraftfahrzeugs.
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Die Vorderwagenstruktur kann einen Elektromotor aufweisen, der in der Kraftfahrzeughöhenrichtung unter dem Brennstoffzellensystem und/oder dem Gleichspannungswandler angeordnet ist.
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Wie oben beschrieben kann durch diese Anordnung ein relativ großer und damit leistungsstarker Elektromotor in der Vorderwagenstruktur verbaut werden.
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Genauer gesagt kann durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Vorderwagenstruktur in Abhängigkeit einer Länge der Vorderwagenstruktur eine Brennstoffzellenleistung angepasst werden, ohne die oben beschriebene Anordnung der einzelnen Komponenten relativ zueinander zu verändern, da die Brennstoffzellenleistung zu einer Anzahl von Brennstoffzellen korreliert, welche in dieser Anordnung in der Kraftfahrzeuglängsrichtung gestapelt werden können. Kleinere und damit leistungsschwächere Brennstoffzellensysteme benötigen damit eine kürze Länge in der Kraftfahrzeuglängsrichtung als größere und damit leistungsstärkere Brennstoffzellensysteme. So ist es möglich ein Brennstoffzellensystem abhängig von der jeweiligen Länge der Vorderwagenstruktur eines Fahrzeugderivats anzupassen. Dadurch kann vorliegend eine Lösung für ein Baukastenprinzip des Brennstoffzellensystems für verschiedene Fahrzeugderivate bereitgestellt werden.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben.
- 1 zeigt schematisch eine Vorderwagenstruktur gemäß der Ausführungsform mit Blick aus einer Kraftfahrzeuglängsrichtung, und
- 2 zeigt schematisch die Vorderwagenstruktur aus 1 mit Blick aus einer Kraftfahrzeughöhenrichtung.
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In den 1 und 2 ist schematisch die Vorderwagenstruktur 100 des Kraftfahrzeugs gemäß der Ausführungsform dargestellt.
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Die Vorderwagenstruktur 100 weist ein Brennstoffzellensystem 1, einen Gleichspannungswandler 2, ein Anodensystem 3, eine Brennstoffzellensystemperipherie 4, zwei Motorlängsträger 5, zwei Federbeindome 6, vier Lagerungspunkte 7, einen Elektromotor 8 und eine Stirnwand 9 auf.
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Zudem ist in 1 und 2 jeweils ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt, das eine sich in Kraftfahrzeuglängsrichtung erstreckende X-Achse, eine sich in Kraftfahrzeugbreitenrichtung erstreckende Y-Achse und eine sich in Kraftfahrzeughöhenrichtung erstreckende Z-Achse aufweist. Die Kraftfahrzeuglängsrichtung X erstreckt sich vorliegend von einer Front zu einem Heck des Kraftfahrzeugs.
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Die Stirnwand 9 trennt in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X einen (nicht dargestellten) Kraftfahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs von der Vorderwagenstruktur 100.
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Ausgehend von der Stirnwand 9 erstrecken sich die zwei in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung Y gegenüber angeordneten Motorlängsträger 5 in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X nach vorne, das heißt in Richtung der Kraftfahrzeugfront.
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Ausgehend von den zwei Motorlängsträgern 5 erstreckt sich jeweils eine Federstütze in der Kraftfahrzeughöhenrichtung Z nach oben, wobei jede der Federstützen an ihrem oberen Ende einen der zwei Federbeindome 6 aufweist. Die zwei Federbeindome 6 sind ebenso wie die Motorlängsträger 5 in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung Y gegenüber angeordnet.
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Das Brennstoffzellensystem 1, der Gleichspannungswandler 2 und der Elektromotor 8 sind in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X vor der Stirnwand 9 angeordnet.
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Sowohl das Brennstoffzellensystem 1 als auch der Gleichspannungswandler 2 sind in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung Y zwischen den Federbeindomen 6 und in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X auf Höhe der Federbeindome 6 angeordnet.
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Ein Gehäuse des Gleichspannungswandlers 2 bildet zusammen mit dem Brennstoffzellensystem 1 eine selbsttragende Struktur, die sich über eine gesamte Länge in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung Y zwischen den vier Lagerpunkten 7 erstreckt.
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Zwei der Lagerpunkte 7 sind vorliegend an den Federbeindomen 6 ausgebildet und die anderen zwei Lagerpunkte 7 sind an der jeweiligen Federstütze ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 1 und der Gleichspannungswandler 2 können, zusätzlich oder alternativ, an einem der Motorlängsträger 5 oder an beiden Motorlängsträgern 5 gelagert sein.
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Der Gleichspannungswandler 2 ist in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X und in der Kraftfahrzeughöhenrichtung Z auf Höhe des Brennstoffzellensystems 1 und in der Kraftfahrzeugbreitenrichtung Y neben dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet.
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In dem durch diese Anordnung resultierenden Bauraum unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 und des Gleichspannungswandlers 2 ist der Elektromotor 8 angeordnet.
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In der Kraftfahrzeuglängsrichtung X beginnt vor den beiden Federbeindomen 6 ein sogenannter crashrelevanter Bereich 10, der so ausgelegt ist, dass er sich bei einem Frontalcrash des Kraftfahrzeugs deformieren kann.
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Da das Brennstoffzellensystem 1, der Gleichspannungswandler 2 und der Elektromotor 8 in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X auf Höhe der Federbeindome 6 angeordnet sind, sind diese Bauteile nicht in dem crashrelevanten Bereich 10 angeordnet und werden bei dem Frontalcrash nicht mit einer Kraft beaufschlagt.
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Das Anodensystem 3 und die Brennstoffzellensystemperipherie 4 sind in dem crashrelevanten Bereich 10, d.h. in der Kraftfahrzeuglängsrichtung X vor dem Brennstoffzellensystem 1, dem Gleichspannungswandler 2 und dem Elektromotor 8, angeordnet. Sowohl das Anodensystem 3 als auch die Brennstoffzellensystemperipherie 4 sind damit in der Kraftfahrzeuglängsrichtung von vorne im Wesentlichen frei zugänglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Gleichspannungswandler
- 3
- Anodensystem
- 4
- Brennstoffzellensystemperipherie
- 5
- Motorlängsträger
- 6
- Federbeindom
- 7
- Lagerungspunkt
- 8
- Elektromotor
- 9
- Stirnwand
- 10
- crashrelevanter Bereich
- 100
- Vorderwagenstruktur
- X
- Kraftfahrzeuglängsrichtung
- Y
- Kraftfahrzeugbreitenrichtung
- Z
- Kraftfahrzeughöhenrichtung
