DE202021106439U1

DE202021106439U1 - Fahrzeug mit Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit

Info

Publication number: DE202021106439U1
Application number: DE202021106439.0U
Authority: DE
Original assignee: Gumpert Automobile GmbH
Current assignee: Gumpert Automobile GmbH
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2031-11-26

Abstract

Fahrzeug zur Beförderung von Personen und / oder Gütern mit einer Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) mit einem elektrischen Fahrantrieb, hierbei mit mindestens einer mit Methanol gespeisten Brennstoffzelleneinheit (2) und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) zur Versorgung des Antriebs mit Strom, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (2) und die batterieelektrische Energieeinheit (3) miteinander verbunden sind und die batterieelektrische Energieeinheit (3) die nötige Nennleistung (Pnenn) für den elektrischen Antrieb bereitstellt, während die Brennstoffzelleneinheit (2) anwendungsspezifisch anläuft und die batterieelektrische Energieeinheit (3) nach dem Anlaufvorgang derart stationär mit bevorzugt weniger als der Hälfte der elektrischen Leistung, besonders bevorzugt sogar weniger als einem Viertel der elektrischen Leistung der Nennleistung (Pnenn) der rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) versorgt, wodurch die Brennstoffzelleneinheit (2) den Durchschnittsverbrauch eines Standardanwendungsfalles eines elektrischen Fahrzeugs zumindest zu 80%, aber idealerweise sogar zu 100% abgedeckt wird und hiermit bevorzugt dynamische Leistungsspitzen (Pdyn) gedeckt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen und/oder Nutzlasten mit einem elektrischen Fahrantrieb und einer Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Fahrzeuge, bei denen ein elektrischer Fahrantrieb zumindest zeitweilig dafür sorgt oder mit dazu beiträgt, dass das Fahrzeug beschleunigt und die Fahrbewegung unter Überwindung der Fahrwiderstände beibehält, sind aus Umweltschutzgründen stark im Kommen; es werden immer mehr sog. ZEV oder Zero Emission Vehicles nachgefragt.
Derzeit werden solche Fahrzeuge in der überwiegenden Zahl der Fälle von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist, wobei die wiederaufladbare Batterie in manchen Fällen durch einen als Range Extender fungierenden Verbrennungsmotor unterstützt wird, der während der Fahrt nachladen kann. Damit gehen die bekannten Probleme einher. Insbesondere stellt sie nach wie vor das Schadstoffproblemproblem (HC-Emissionen, CO, NOx, etc). Ein anderes gravierendes Problem ist, dass nach wie vor noch keine tragfähigen Konzepte dafür entwickelt werden konnten, wie man in überschaubarer Zeit die benötigte, flächendeckende Anzahl von Ladestationen errichten kann.
Abhilfe schafft hier die Brennstoffzellentechnik und hier insbesondere die Methanol-Brennstoffzellentechnik. Sie gestattet es, ein Fahrzeug in mehr oder minder gewohnter Art und Weise mit flüssigem Treibstoff zu betanken. Dieser wird dann mithilfe einer Brennstoffzelle an Bord in Strom umgesetzt. Der bislang im Rahmen der Brennstoffzellentechnik häufig als Treibstoff verwendete Wasserstoff in seiner Reinform hat allerdings den entscheidenden Nachteil, dass er sich nur bedingt und mit großen technischen Aufwand speichern lässt. Zudem geht von dem nach wie vor unvermeidlich während der Lagerung entweichenden, leichtflüchtigen Wasserstoff ein hohes Gefahrenpotenzial aus sobald das Fahrzeug nicht an einem gut belüfteten Ort geparkt wird.
Aufgrund dessen ist zunehmend die Methanol-Brennstoffzelle im Vordringen. Ähnlich wie der bekannte Alkohol (Ethanol) kann Methanol problemlos gelagert und getankt werden. Zudem lässt sich Methanol im Endstadium des Übergangs zur Nachhaltigkeit unproblematisch unter Verwendung von Solarstrom oder Windstrom aus dem vor Ort durch Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff herstellen.
Auch dort, wo fortschrittliche Methanol-Brennstoffzellen verwendet werden, besteht aber noch ein erheblicher Optimierungsbedarf.
So ist es derzeit üblich, dass sowohl die die Methanol-Brennstoffzelle und eine rein batterieelektrische Energieeinheit zusammen das Fahrzeug mit Strom versorgen. Hierbei stellt sich jedoch das Problem, dass beide Komponenten teils sehr viel Raum im Fahrzeug einnehmen und ein großes Zusatzgewicht bedeuten. Dies geht wiederum mit einem erhöhten Leistungsbedarf des Fahrzeugs einher.
DIE DER ERFINDUNG ZU GRUNDE LIEGENDE AUFGABE
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug zu entwickeln, welches elektrisch mit mindestens einer Methanol-Brennstoffzelle und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit angetrieben wird, die derart ausgeführt sind, dass bei idealerweise nur geringen Performanceeinbußen die Antriebseinheit kleiner und/oder leichter ausgeführt werden kann.
DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
So wird ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen und / oder Gütern mit einer Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit mit einem elektrischen Fahrantrieb, hierbei mit mindestens einer mit Methanol gespeisten Brennstoffzelleneinheit und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit zur (direkten oder indirekten) Versorgung des Antriebs mit Strom vorgeschlagen. Dieses Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit und die batterieelektrische Energieeinheit miteinander verbunden sind und die batterieelektrische Energieeinheit die nötige Nennleistung (Pnenn) für den elektrischen Antrieb bereitstellt, während die Brennstoffzelleneinheit anwendungsspezifisch anläuft und die batterieelektrische Energieeinheit nach dem Anlaufvorgang derart stationär mit bevorzugt weniger als der Hälfte der elektrischen Leistung, besonders bevorzugt sogar weniger als einem Viertel der elektrischen Leistung der Nennleistung (Pnenn) der rein batterieelektrischen Energieeinheit versorgt, wodurch die Brennstoffzelleneinheit den Durchschnittsverbrauch eines Standardanwendungsfalles eines elektrischen Fahrzeugs zumindest zu 80%, aber idealerweise sogar zu 100% abgedeckt wird und hiermit bevorzugt dynamische Leistungsspitzen (Pdyn) gedeckt werden.
Die Brennstoffzelleneinheit versorgt somit die rein batterieelektrische Energieeinheit zusätzlich mit elektrischer Leistung. Während die batterieelektrische Energieeinheit jedoch auf die Nennleistung des Fahrzeugs ausgelegt ist, wird die Brennstoffzelleneinheit auf den Durchschnittsverbrauch eines Standardanwendungsfalls ausgelegt, was einer entsprechend deutlich geringeren Leistung entspricht.
Ein derartiger „Standardanwendungsfall“ ist beispielsweise die kontinuierliche Fahrt auf einer Strecke mit nur begrenzten Anstiegen und mit Richtgeschwindigkeit.
Diese Leistung, die von der Brennstoffzelleneinheit an die batterieelektrische Energieeinheit weitergegeben wird, wird dort größtenteils zur Deckung von dynamischen Leistungsspitzen verwendet, also beispielsweise bei starken Anstiegen oder Überholvorgängen.
Die batterieelektrische Einheit sollte dabei ein hochstromfähiger Akkumulator sein, der immer genügend Kapazität zur Aufnahme der Leistung der Brennstoffzelleneinheit bietet, damit diese erzeugte Leistung nicht einfach verloren gehen kann, falls sie aktuell nicht gebraucht wird.
Durch die Auslegung der Brennstoffzelleneinheit auf den durchschnittlichen Verbrauch anstelle der Nennleistung wird eine bedeutende Gewichts- und Materialeinsparung sowohl der Brennstoffzelleneinheit, aber auch der batterieelektrischen Energieeinheit erzielt.
Es sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass der Begriff „Fahrzeug“ einen weiteren und einen engeren Sinn aufweist. Im engeren Sinne meint „Fahrzeug“ ein konventionelles Landfahrzeug wie beispielsweise einen PKW, einen LKW oder einen Transporter. Zudem umfasst der Begriff natürlich auch unkonventionelle Landfahrzeuge wie Baumaschinen, etc.
Im weiteren Sinne umfasst der Begriff „Fahrzeug“ aber optional auch Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge.
Figurenliste

Die 1 zeigt ein skizziertes Schema der Hybrid-Leistungsbereitstellungeinheit

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Hybrid-Leistungsbereitstellungeinheit 1 kann in seiner grundlegenden Funktionsweise mit dem skizzierten Schema aus 1 erklärt werden.
Die Hybrid-Leistungsbereitstellungeinheit 1 liefert hier nach außen die für den Antrieb eines Fahrzeugs benötigte Leistung P_Antrieb. Diese wird allein von der rein batterieelektrischen Energieeinheit 3 abgegeben. Diese abgegebene Leistung P_Antrieb setzt sich jedoch aus der Nennleistung Pnenn und der Leistung zum Decken dynamischer Lastspitzen P_dyn zusammen. Die batterieelektrischen Energieeinheit 3 wird hierbei wie erwähnt nur auf die Nennleistung Pnenn ausgelegt. Die Leistung Pdyn kann nur dadurch gedeckt werden, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 zusätzliche elektrische Leistung an die batterieelektrischen Energieeinheit 3 weitergibt. Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist hierbei jedoch nicht direkt auf diese dynamischen Lastspitzen ausgelegt, sondern auf den Durchschnittsverbrauch bzw. die benötigte Durchschnittsleistung P_∅ eines Standardanwendungsfalls eines Fahrzeugs, der oben schon erläutert wurde.
Die Brennstoffzelleneinheit 2 läuft hierbei meist anwendungsspezifisch an und liefert nicht direkt diese benötigte Leistung P_∅. Sobald die Brennstoffzelleneinheit 2 jedoch diesen Anlaufvorgang abgeschlossen hat, ist sie in der Lage diese Leistung nahezu stationär zu liefern, was in 1 mit dem Bezugszeichen Pstat gezeigt wird.
SONSTIGES
Es ist geplant zu gegebener Zeit optional auch Folgendes zu beanspruchen:

Verwendung einer Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) an einem Fahrzeug mit einem elektrischen Fahrantrieb, hierbei mit mindestens einer mit Methanol gespeisten Brennstoffzelleneinheit (2) und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) zur (direkten oder indirekten) Versorgung des Antriebs mit Strom, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (2) und die batterieelektrische Energieeinheit (3) miteinander verbunden sind und die batterieelektrische Energieeinheit (3) die nötige Nennleistung (P_nenn) für den elektrischen Antrieb bereitstellt, während die Brennstoffzelleneinheit (2) anwendungsspezifisch anläuft und die batterieelektrische Energieeinheit (3) nach dem Anlaufvorgang derart stationär mit bevorzugt weniger als der Hälfte der elektrischen Leistung, besonders bevorzugt sogar weniger als einem Viertel der elektrischen Leistung der Nennleistung Pnenn der rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) versorgt, wodurch die Brennstoffzelleneinheit (2) den Durchschnittsverbrauch eines Standardanwendungsfalles eines elektrischen Fahrzeugs zumindest zu 80%, aber idealerweise sogar zu 100% abgedeckt wird und hiermit bevorzugt dynamische Leistungsspitzen (P_dyn) gedeckt werden.

Bezugszeichenliste

1: Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit
2: Brennstoffzelleneinheit
3: Rein batterieelektrische Energieeinheit
Pnenn: Nennleistung
Pdyn: Dynamische Spitzen der Leistung
PAntrieb: Zum Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Leistung
P∅: Durchschnittsleistung eines Standardfalls
Pstat: Stationäre Leistung

Claims

Fahrzeug zur Beförderung von Personen und / oder Gütern mit einer Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) mit einem elektrischen Fahrantrieb, hierbei mit mindestens einer mit Methanol gespeisten Brennstoffzelleneinheit (2) und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) zur Versorgung des Antriebs mit Strom, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (2) und die batterieelektrische Energieeinheit (3) miteinander verbunden sind und die batterieelektrische Energieeinheit (3) die nötige Nennleistung (P_nenn) für den elektrischen Antrieb bereitstellt, während die Brennstoffzelleneinheit (2) anwendungsspezifisch anläuft und die batterieelektrische Energieeinheit (3) nach dem Anlaufvorgang derart stationär mit bevorzugt weniger als der Hälfte der elektrischen Leistung, besonders bevorzugt sogar weniger als einem Viertel der elektrischen Leistung der Nennleistung (P_nenn) der rein batterieelektrischen Energieeinheit (3) versorgt, wodurch die Brennstoffzelleneinheit (2) den Durchschnittsverbrauch eines Standardanwendungsfalles eines elektrischen Fahrzeugs zumindest zu 80%, aber idealerweise sogar zu 100% abgedeckt wird und hiermit bevorzugt dynamische Leistungsspitzen (P_dyn) gedeckt werden.
Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) umfassend einer Brennstoffzelleneinheit und einer rein batterieelektrischen Energieeinheit, die miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) ein oder mehrere Merkmale der Hybrid-Leistungsbereitstellungseinheit (1) aus dem vorangehenden Anspruch aufweist.