EP4093630A1 - Nutzfahrzeug mit brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents

Nutzfahrzeug mit brennstoffzelleneinrichtung

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Publication number
EP4093630A1
EP4093630A1 EP21701270.7A EP21701270A EP4093630A1 EP 4093630 A1 EP4093630 A1 EP 4093630A1 EP 21701270 A EP21701270 A EP 21701270A EP 4093630 A1 EP4093630 A1 EP 4093630A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
commercial vehicle
electrical energy
cell device
trailer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21701270.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Haas
Norbert Burger
Jochen Butscher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of EP4093630A1 publication Critical patent/EP4093630A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a utility vehicle, preferably a truck, with a fuel cell device.
  • DE 10 2016 224 484 A1 discloses an electric vehicle with a traction battery and a range extender.
  • the range extender is designed in such a way that waste heat from the range extender contributes to the heating of the vehicle interior and / or the traction battery.
  • the range extender can include fuel cells.
  • a fuel cell vehicle in which the fuel cell stack is used as a range extender, so to increase the range of the vehicle that can be achieved with the battery or traction battery in the electric Fährbe. It is described that the waste heat from a fuel cell can be used in winter to heat the interior of the vehicle. The heat is also available to control the temperature of the traction battery in the vehicle.
  • the known prior art is primarily dedicated to the integration of a fuel cell in a passenger vehicle. Integration into a commercial vehicle, such as B. a truck with a body or trailer, however, can have alternative or additional requirements.
  • Battery-powered commercial vehicles only use electrical energy storage devices to store the necessary drive energy. As a result, however, they are influenced by the long charging times during operation or forced to standstill for longer. If the commercial vehicle is now expanded to include a body or trailer that requires electrical energy, the energy available for propulsion is significantly reduced. In conventional vehicles, the additional energy supply can be implemented by means of a mechanical power take-off.
  • the invention is based on the object of creating an alternative and / or improved technology for a utility vehicle with a fuel cell device.
  • One aspect of the present disclosure relates to a (e.g. battery-electric or hybrid) utility vehicle, preferably a truck.
  • the utility vehicle has a (z. B. detachable or exchangeable) body or a trailer (z. B. semitrailer or semitrailer) with (at least) one (z. B. electrical and / or thermal) consumer.
  • the commercial vehicle has a fuel cell device which is designed to be switched on as a range extender of the commercial vehicle and / or to supply the consumer with electrical energy and / or waste heat (e.g. through needs-based switching or continuous operation).
  • the fuel cell device can thus preferably be used both as a range extender and as a type of multifunctional power take-off of the utility vehicle, with which a consumer of the body or trailer can be supplied with heat and / or electrical energy.
  • This enables, for example, the elimination of a mechanical power take-off on the drive train of the commercial vehicle.
  • a separate energy supply unit e.g. diesel unit
  • the fuel cell device is designed to be operated when the utility vehicle is parked (for example separately or independently). Even with z. B. longer downtimes, e.g. B. Parking due to legally prescribed rest periods for the driver, the consumer of the body or the trailer can be supplied with waste heat and / or electrical energy. Here, in turn, the traction batteries are not discharged and thus the electric range of the commercial vehicle is not impaired. It is possible that the operation of the consumer is necessary when parking the commercial vehicle or is even only possible at all when parking the commercial vehicle.
  • the fuel cell device is designed to charge a traction battery of the utility vehicle with electrical energy and / or to regulate the temperature with heat.
  • the temperature control can make it possible to dispense with separate high-voltage heaters for the traction battery, which saves costs, weight and installation space.
  • the traction battery of the commercial vehicle can be charged with electrical energy in order to increase the electrical range of the commercial vehicle.
  • the fuel cell device is designed to supply a driver's cab heater and / or at least one auxiliary unit (e.g. pump, compressor, motor, actuator) of the utility vehicle with waste heat and / or electrical energy.
  • the fuel cell device is designed to control the temperature of the traction battery with waste heat when the utility vehicle is parked, to supply the driver's cab heating with waste heat, to supply the consumer with waste heat and / or to supply the auxiliary unit with waste heat.
  • the traction battery can be charged with electrical energy
  • the consumer can be supplied with electrical energy
  • the cab heater can be supplied with electrical energy and / or the auxiliary unit can be supplied with electrical energy.
  • the traction battery can be charged and / or the consumer can be supplied with electrical energy and, at the same time, the driver's cab can be heated with the waste heat.
  • the fuel cell device is designed to control the temperature of the traction battery with waste heat when driving the commercial vehicle, to supply the cab heating with waste heat, to supply the consumer with waste heat and / or to supply the auxiliary unit with waste heat and at the same time the traction battery with electrical To load energy, to supply the consumer with electrical energy, to supply the cab heating with electrical energy and / or to supply the auxiliary unit with electrical energy.
  • the fuel cell device can thus also be used advantageously while the utility vehicle is being driven.
  • the utility vehicle has a control unit that is designed to activate, deactivate and / or operate the fuel cell device (e.g. for the electrical and / or thermal supply of the consumer, the traction battery, the cab heater and / or the at least one auxiliary unit), preferably automatically, to control.
  • the control can be on a planned route of the commercial vehicle, a planned (e.g. legally prescribed) driving time, rest time and / or break time of a driver of the commercial vehicle, preferably provided by a (e.g. digital) tachograph, a current and / or planned loading of the commercial vehicle, preferably the body or trailer, and / or a current and / or forecast climate (e.g.
  • control unit can preferably refer to electronics (e.g. with microprocessors and data storage) and / or mechanical control which, depending on the training, can take on control tasks and / or regulation tasks. Even if the term “control” is used here, it can also expediently include “control” or “control with feedback”.
  • the utility vehicle also has a body / trailer interface which can be supplied with electrical energy and / or waste heat from the fuel cell device and to which the consumer is connected.
  • the body / trailer interface can be provided by the commercial vehicle manufacturer especially for the body manufacturer or trailer manufacturer who can use the body / trailer interface as a power take-off to supply the consumer of the body or trailer.
  • the body / trailer interface is a standardized interface to which a large number of different bodies or trailers for the utility vehicle can be connected, preferably detachably.
  • the consumer is detachably connected to the body / trailer interface, preferably plugged in and / or screwed on.
  • the body / trailer interface is arranged in an area (e.g., rear wall) of a driver's cab of the utility vehicle, preferably at the rear.
  • a connection to the body or trailer can be made easier.
  • the body / trailer interface has an electrical interface for supplying the consumer with electrical energy.
  • the body / trailer interface has a fluid interface for supplying the consumer with waste heat, the fluid interface preferably being in fluid connection and / or in thermal coupling with cooling of the fuel cell device.
  • the utility vehicle also has a lead frame, the fuel cell device being arranged within the lead frame, preferably directly below a driver's cab of the utility vehicle. This preferably results in a protected arrangement of the fuel cell device between the two longitudinal members of the lead frame.
  • the fuel cell device has a fuel cell stack and a fuel tank, the fuel tank being arranged within the lead frame and / or behind the fuel cell stack with regard to a forward direction of travel of the commercial vehicle. This preferably also results in a protected arrangement of the fuel tank between the two longitudinal members of the lead frame.
  • the utility vehicle has several traction batteries.
  • the fuel cell device can have essentially the same dimensions and / of the connection points as each of the multiple traction batteries, so that the fuel cell device and the multiple traction batteries can be arranged interchangeably.
  • a number and / or an arrangement of the fuel cell device (s) and the traction battery can thus be adapted in a simple manner.
  • the fuel cell device is designed as a preassembled and / or independently testable module that has a cooling fluid interface, an electrical interface (e.g. high-voltage connection) and / or a control interface.
  • the functionality of the fuel cell device can thus be checked via the interfaces before it is installed on the utility vehicle, and installation can be carried out quickly and easily.
  • the fuel cell device is designed as a reversible fuel cell device for producing hydrogen during recuperation when braking the commercial vehicle, preferably during a switchable continuous braking mode of the commercial vehicle. This makes it possible, for example, to dispense with additional cooled braking resistors during continuous braking.
  • the fuel cell device has a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC - polymer electrolyte fuel cell), a direct methanol fuel cell (DMFC - direct methanol fuel cell) and / or a reformer methanol fuel cell (RMFC - reforming methanol fule cell).
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • RMFC reformer methanol fuel cell
  • the structure is supported on a frame (z. B. ladder frame) of the utility vehicle and / or is arranged behind a driver's cab of the utility vehicle.
  • the structure is a tank structure (e.g. milk tank structure, fuel tank structure, concrete mixer structure), an emergency vehicle structure (e.g. fire brigade structure, military structure, police structure, technical aid structure), a cleaning structure (e.g. flushing vehicle structure , Suction vehicle body), a loading body (e.g. rear loading body, side loading body), a cooling body or a heating body.
  • the trailer has a tank, a loading area, a loading space, a cooling unit, a heating unit and / or a pump.
  • the trailer is a semi-trailer.
  • the utility vehicle is a trailer truck or an articulated truck.
  • the consumer has an electrically driven machine (e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator) and / or a heat exchanger.
  • an electrically driven machine e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator
  • the consumer has an electrical energy store.
  • the electrical energy store can preferably be charged by the fuel cell device, preferably when the trailer or semitrailer is coupled to the rest of the utility vehicle. This advantageously makes it possible for electrical energy to be available in the trailer or body when it is decoupled from the rest of the utility vehicle and for an electrically driven machine of the trailer or body to be supplied with electrical energy from the electrical energy store of the trailer or body.
  • a decoupled refrigerated superstructure or refrigerated trailer can maintain electrically driven cooling in the decoupled state.
  • the trailer has an electrically drivable axle (for example rigid or steerable) which can be operated with electrical energy from the electrical energy storage device of the consumer.
  • the electrically drivable axle can be operated with electrical energy from the electrical energy store in the uncoupled state of the trailer from a tractor of the utility vehicle. It is also possible for the electrically drivable axle to charge the electrical energy store during ferry operation through recuperation.
  • the trailer can thus be driven independently of the tractor, for example. In a depot to move, z. B. completely self-sufficient or coupled to a driverless transport vehicle for steering.
  • the consumer also has a heat exchanger for controlling the temperature of the electrical energy store.
  • the consumer also has an electrically driven machine (e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator) that can be operated with electrical energy from the electrical energy store of the consumer, preferably when the trailer is disconnected or Structure of the utility vehicle.
  • an electrically driven machine e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator
  • the electrical energy store can be charged externally (from the commercial vehicle) by means of an electrical charging connection, the electrical charging connection preferably being arranged on the commercial vehicle separately from the trailer or body (e.g. on a tractor, a driver's cab and / or a vehicle frame of the commercial vehicle).
  • the electrical charging connection preferably being arranged on the commercial vehicle separately from the trailer or body (e.g. on a tractor, a driver's cab and / or a vehicle frame of the commercial vehicle).
  • the trailer or body it is also possible for the trailer or body to have its own electrical charging connection (e.g. with an on-board charger) for external charging of the electrical energy store.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of an exemplary utility vehicle with a fuel cell device and a structure
  • FIG. 2 shows a schematic view of an exemplary frame of a utility vehicle with a fuel cell device
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an exemplary utility vehicle with a fuel cell device and a trailer.
  • FIG. 1 shows a utility vehicle 10.
  • the utility vehicle 10 is preferably designed as a truck.
  • the utility vehicle 10 has a fuel cell device 12 and a control unit 14.
  • the fuel cell device 12 is designed to consist of a fuel, e.g. B. hydrogen or methanol to generate electrical energy. In operation, the fuel cell device 12 also produces waste heat.
  • a fuel e.g. B. hydrogen or methanol
  • the fuel cell device 12 can, for example, have a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC - polymer electrolyte fuel cell), a direct methanol fuel cell (DMFC - direct methanol fuel cell) and / or a reformer methanol fuel cell (RMFC - reforming methanol fule cell).
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • RMFC - reformer methanol fuel cell a reformer methanol fuel cell
  • the fuel cell device 12 can on the one hand provide electrical energy. On the other hand, the fuel cell device 12 can make available waste heat which arises when generating the electrical energy and which can also be used. To use the waste heat from the fuel cell device 12, a fluid connection and / or a thermal coupling to the cooling circuit of the fuel cell device 12 can be provided, for example.
  • the fuel cell device 12 can be used in a variety of ways, as explained below with reference to examples which can be combined with one another and which - if desired - can also be used individually.
  • the fuel cell device 12 can be used as a range extender of the commercial vehicle 10.
  • the fuel cell device 12 can be switched on as a range extender, if desired.
  • the connection can be controlled by the control unit 14.
  • the fuel cell device 12 can, for example, charge at least one traction battery 16 of the utility vehicle 10 with electrical energy. In this way, an electrical range of the commercial vehicle 10 can be increased.
  • the fuel cell device 12 can be used to control the temperature of the traction battery 16.
  • the traction battery 16 is supplied with waste heat from the fuel cell device 12.
  • a temperature control circuit of the traction battery 16 can be coupled to a cooling circuit of the fuel cell device 12, e.g. B. by means of Winnipegübertra ger.
  • the fuel cell device 12 can supply at least one auxiliary unit 18 of the utility vehicle 10 with electrical energy and / or waste heat.
  • the at least one auxiliary unit 18 can, for example, have a driver's cab heater of the commercial vehicle 10, which can be supplied with electrical energy and / or with waste heat.
  • the driver's cab heater can use the waste heat from the fuel cell device 12 to heat a driver's cab 26 of the utility vehicle 10.
  • the cab heater can have an electrical heating unit that can be supplied with electrical energy from the fuel cell device 12 in order to heat the cab 26.
  • the auxiliary unit 18 can, however, also have other devices such as a pump, a motor, a compressor, an actuator, a heat exchanger and / or a socket, etc.
  • the fuel cell device 12 can supply at least one consumer 20 of a body 22 of the utility vehicle 10 with electrical energy and / or waste heat.
  • the fuel cell device 12 can preferably provide the energy required to operate the structure 22 or the consumer 20 by hydrolysis. The electrical range of the commercial vehicle 10 is therefore not influenced.
  • the fuel cell device 12 can also be used as a thermal power take-off.
  • the waste heat from the fuel cell device 12 can, for example, supply a heating system of the structure 22 with heat.
  • the structure 22 is supported on a ladder frame 24 of the commercial vehicle 10.
  • the structure 22 is arranged behind the driver's cab 26 of the commercial vehicle 10 with respect to a forward direction of travel of the commercial vehicle 10.
  • the body 22 can be manufactured by a so-called body builder or body manufacturer.
  • the body 22 is placed on the lead frame 24 by the specialized body manufacturer.
  • the structure 22 can be a tank structure (e.g. milk tank structure, fuel tank structure, concrete mixer structure), a deployment vehicle structure (e.g. fire service structure, military structure, police structure, technical aid structure), a cleaning structure (e.g. flushing vehicle structure, suction vehicle structure ), a loading structure (e.g.
  • the structure 22 can have at least one electrically driven machine (e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator) and / or a heat exchanger as the at least one consumer 20.
  • electrically driven machine e.g. electric motor, pump, compressor, working cylinder, actuator
  • the consumer 20 of the body 22 can be ruled out to a body (s) / trailer interface 28, 30 of the utility vehicle 10 for the supply of waste heat and / or electrical energy. ok
  • the interface 28, 30 can be standardized in order to enable the connection of a large number of different structures.
  • the interface 28, 30 can have an electrical interface 28 and / or a fluid interface 30. Electrical energy can be transmitted from the fuel cell device 12 to the consumer 20 via the electrical interface 28. A fluid heated directly or indirectly by the fuel cell device 12 can be transmitted to the consumer 20 via the fluid interface 30.
  • the fluid can originate, for example, directly from a cooling circuit of the fuel cell device 12 or be coupled to the cooling circuit of the fuel cell device 12 via a heat exchanger.
  • the consumer 20 can be detachably connected to the interface 28, 30, e.g. B. by means of a screw connection and / or a plug connection.
  • the electrical interface 28 can, for example, be a plug-socket interface.
  • the fluid interface 30 can be, for example, a pipe flange interface.
  • the interface 28, 30 can preferably be arranged in the area of the driver's cab 26 of the utility vehicle 10.
  • the interface 28, 30 can be arranged in a rear region of the cab 26, e.g. B. on a rear wall of the driver's cab 26.
  • the fuel cell device 12 it is possible for the fuel cell device 12 to be operated when the utility vehicle 10 is parked, the drive device (e.g. electric drive unit (s), internal combustion engine, etc.) of the utility vehicle 10 being deactivated.
  • the drive device e.g. electric drive unit (s), internal combustion engine, etc.
  • the consumer 20, the auxiliary unit 18 and / or the traction battery 16 can thus be supplied with electrical energy and / or waste heat from the fuel cell device 12 when the utility vehicle 10 is parked, depending on the requirement.
  • the traction battery 16 can be charged with electrical energy from the fuel cell device 12.
  • the electrical range of the commercial vehicle 10 can thus be increased without the traction battery 16 having to be charged externally.
  • the auxiliary unit 18, the consumer 20 and / or the traction battery 16 can be supplied with the resulting waste heat from the fuel cell device 12.
  • the consumer 20 can be supplied with electrical energy.
  • the traction battery 16, the auxiliary unit 18 and / or the consumer 20 can in turn be supplied with the waste heat from the fuel cell device 12.
  • the fuel cell device 12 can be operated accordingly by the control unit 14 depending on the instantaneous requirement. It is also possible for the fuel cell device 12 to be operated while the utility vehicle 10 is being driven, e.g. B. as described above.
  • the operation of the fuel cell device 12 can be controlled accordingly by the control unit 14.
  • the control unit 14 can activate and deactivate the fuel cell device 12 as desired. It is possible that the control unit 14 z. B. a circuit to and shutdown of the fuel cell device 12 controls automatically to generate electrical energy and waste heat as desired.
  • the overall efficiency of the utility vehicle 10 can thus be increased.
  • the connection can be dependent on different parameters which can be combined with one another and which can only be used individually if desired.
  • the connection can be dependent on a planned route of the commercial vehicle 10.
  • Information on the upcoming route can be, for. B. be provided by a navigation system of the utility vehicle.
  • the information can have charging station positions, tank station positions, route lengths, inclines, inclines, traffic data and / or traffic rules, etc. If the electrical range of the traction battery 16 is not or no longer sufficient for the planned route, or if there are insufficient charging options, the fuel cell device 12 can be activated in the background as a range extender. If, on the other hand, the electric range is sufficient and the commercial vehicle 10 can then be charged, for example, it is not necessary to be connected as a range extender.
  • connection can be dependent on a planned (z. B. legally prescribed) driving time, rest time and / or break time of the driver of the commercial vehicle 10. Information about these times can be provided by a digital tachograph (tachograph) of the utility vehicle 10. Using the information, the control unit 14 can estimate when the utility vehicle 10 will make a stop and how long this stop will last at least. During the stop, for example, it may be necessary to supply the consumer 20 or the auxiliary unit 18 with waste heat and / or electrical energy from the fuel cell device 12 without the electrical range of the utility vehicle being impaired, i.e. the traction battery 16 being discharged.
  • control unit 14 determines that the activation of the fuel cell device 12 z. B. to extend the range only takes place when the utility vehicle 10 is parked, and waste heat from the fuel cell device 12 can be used, for example, to heat the driver's cab 26 and / or to control the temperature of the traction battery (s) 16, z. B. in winter.
  • waste heat from the fuel cell device 12 can be used, for example, to heat the driver's cab 26 and / or to control the temperature of the traction battery (s) 16, z. B. in winter.
  • an outside thermometer of the commercial vehicle 10 or a received temperature forecast can be used to recognize that it will be necessary to heat the driver's cab 26 when the vehicle is at a standstill.
  • the control unit 14 can recognize the imminent parking, for example, from information relating to the current or planned driving time, rest time and / or break time and / or depending on the planned route (e.g. planned stopovers for loading, unloading, etc.).
  • the connection can be dependent on a current and / or planned loading of the utility vehicle 10, preferably the body 22 (for example up to 40 t or empty).
  • a changing energy consumption for driving the commercial vehicle 10 and / or a changing energy consumption of the consumer 20 e.g. only cooling necessary when loaded
  • Information regarding the planned loading of the utility vehicle 10 can be, for. B. entered via a user interface of the utility vehicle 10 and / or received by means of a communication interface of the utility vehicle 10, z. B. from a control center.
  • Information regarding a current load of the utility vehicle 10 can be, for. B. detected by load sensors, estimated by an acceleration-based mass estimator, input via a user interface and / or received by means of a communication interface.
  • connection can be dependent on a current and / or forecast climate (transnational) on a planned route of the commercial vehicle 10.
  • a current and / or forecast climate national
  • an energy consumption of the cab heater and / or of the consumer 20 can be taken into account or forecast, e.g. B. depending on an outside temperature along the planned route.
  • the fuel cell device 12 is preferably designed as a preassembled and independently testable module.
  • the module can, for example, have a cooling fluid interface, an electrical interface (for example high-voltage connection) and / or a control interface.
  • the module can be checked for functionality outside of the utility vehicle 10 before it is installed on the utility vehicle 10 via the interfaces.
  • the assembly on the commercial vehicle 10 can be done quickly and easily thanks to the modular design. In addition to the attachment, only the interfaces need to be connected to the appropriate lines on the commercial vehicle.
  • the module can e.g. B. also have a fuel tank.
  • the fuel cell device 12 is designed as a reversible fuel cell device for producing hydrogen during recuperation when braking the commercial vehicle 10, preferably during a switchable continuous braking mode of the commercial vehicle 10.
  • a continuous braking mode of the commercial vehicle 10 can be activated manually or automatically when the commercial vehicle 10 is a z. B. longer slope be driving.
  • the reversible fuel cell device is designed to generate hydrogen from excess electricity (electrolysis). Since when braking in commercial vehicles very high braking power, z. B. downhill, the fuel cell device 12 can be used to recuperate the excess electrical energy in the form of hydrogen. This means that, for example, cooled braking resistors can be dispensed with.
  • FIG. 2 shows an exemplary integration of the fuel cell device 12 into a utility vehicle 10.
  • the fuel cell device 12 can preferably be arranged below the driver's cab 26.
  • the fuel cell device 12 can be arranged in a protected manner between two longitudinal members of the conductor frame 24.
  • the fuel cell device 12 may include a fuel cell stack 12A and a fuel tank 12B.
  • the fuel tank 12B has a tank neck 32, via which the fuel tank 12B can be filled with fuel externally.
  • the fuel tank 12B can be arranged within the lead frame 24 behind the fuel cell stack 12A with respect to the forward direction of travel of the utility vehicle 10.
  • the fuel tank 12B may be a pressure tank, e.g. B. for storing z. B. 5-10 kg of hydrogen at 350 bar or more (e.g. up to 700 bar).
  • the fuel cell stack 12A can, for example, have an output of approximately 60 kW.
  • the fuel tank 12B can be connected to the fuel cell stack 12A via at least one line. If the fuel cell device 12 is designed as a reversible fuel cell device 12, a compressor (not shown) can additionally be included. The compressor can compress the hydrogen generated by the fuel cell device 12 and convey it to the fuel tank 12B. Cooling of the fuel cell device 12 can be connected to a cooling / heating circuit 34 which can have a cooler 36. The cooler 36 can be arranged on the front of the utility vehicle 10 for cooling by means of the airflow. The cooling circuit 34 and / or the cooler 36 can preferably be taken over from a conventional truck with an internal combustion engine without significant modifications (so-called “carry-over parts”).
  • the utility vehicle 10 can have multiple traction batteries 16, e.g. B. in the form of high-voltage batteries, each with its own battery management system.
  • the traction batteries 16 can be arranged, for example, on the outer sides of the lead frame 24 and / or between the longitudinal members of the lead frame 24.
  • the traction batteries 16 can each have a capacity of 100 kWh, for example.
  • the traction batteries 16 can be lithium ion batteries, for example.
  • the fuel cell device 12 (with or without fuel tank 12B) preferably has essentially the same dimensions and / of the connection points as each of the multiple traction batteries 16.
  • the fuel cell device 12 and the multiple traction batteries 16 can thus be arranged interchangeably. Depending on customer requirements, a different number of traction batteries 16 and fuel cell devices 12 can thus be built ver. With a number of traction batteries 16 and fuel cell devices 12 matched to the respective purpose of the utility vehicle 10, a vehicle weight that is as low as possible can be achieved, which is not increased by unnecessary traction batteries, etc. As a result of the interchangeability, a number and operating configuration of the fuel cell device (s) 12 can also be freely selected by the customer.
  • a subsequent adaptation by a body builder is desired, which energy is required (e.g. cooling body), this can be taken into account in the vehicle design in order to obtain the desired vehicle range.
  • Places can also be left free, e.g. B. right frame side of the lead frame 24 free for milk collectors.
  • the ratio of hydrogen storage (fuel tank 12B) to electrical storage (traction battery 16) can be optimally adjusted depending on the application.
  • the commercial vehicle 10 can furthermore have an electrical charging connection 38 for external charging of the traction batteries 16, a high-voltage distributor 40, an inverter 42 and an electrical drive train 44.
  • the electric drive train 44 can, for example, a central electric drive unit, a transmission, a cardan shaft, etc. aufwei sen. It is also possible that there are several electric drive units, e.g. B. as Wheel hub motors or as motors close to the wheel.
  • the fuel cell device 12 is used in a commercial vehicle with an internal combustion engine, for. B. as a range extender to supply the consumer 20 and / or the Ne benaggregate 18.
  • the energy density of a lithium-ion battery can be 1-2kWh / kg.
  • Compressed gaseous hydrogen (approx. 350 bar), on the other hand, has an energy density of ⁇ 30kWh / kg. According to this, 7-8 kg of hydrogen or approx. 2001 hydrogen are sufficient to carry twice the energy of a lithium-ion battery with 100 kWh.
  • the traction batteries 16 can be charged while driving. This increases the range of the commercial vehicle 10 considerably.
  • a commercial vehicle needs approx. 100-130 kWh per 100 km.
  • a lithium-ion battery with 100 kWh of energy (until the next charge in 4 hours) realistically enables a range of approx. 80 km.
  • the traction batteries 16 can be charged externally with 200 kWh within 1 hour.
  • the fuel cell stack 12A weighs approx. 250 kg.
  • the fuel tank 12B weighs about 150 kg.
  • the package weight can be reduced by up to 250 kg compared to a purely battery-electric utility vehicle, although the range is increased.
  • the utility vehicle 10 it is possible for the utility vehicle 10 to have a trailer 46 with a consumer 20, as shown in FIG. 3.
  • the interface 28, 30 would consequently be a trailer interface. All of the features described herein with regard to the structure 22 with the consumer 20 can also be implemented in the commercial vehicle 10 with the trailer 46 and the consumer 20.
  • the trailer 46 can be, for example, a semitrailer or semi-trailer, as is shown in FIG.
  • the trailer 46 can, for example, also be a trailer of a trailer truck.
  • an electrical energy store By means of the electrical energy store, for example, an electrically drivable axle of the trailer 46 can be supplied with electrical energy, e.g. B. when the trailer 46 is uncoupled from a tractor of the commercial vehicle 10.
  • the electrical energy storage device By means of the electrical energy storage device, other electrically driven machines of the trailer 46 (or the body 22) can alternatively or additionally be supplied with electrical energy, preferably also in the uncoupled state of the trailer 46 or body 22 from the utility vehicle 10.
  • the electrical energy storage device can The temperature is controlled by a heat exchanger, which is supplied with waste heat from the fuel cell device 12, for example.
  • the electrical energy store can also be charged externally by means of the electrical charging connection 38.
  • the electrical energy store can also be charged by recuperation of the electrically drivable axle of the trailer 46.
  • the invention is not restricted to the preferred exemplary embodiments described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible which also make use of the inventive concept and therefore fall within the scope of protection.
  • the invention also claims protection for the subject matter and the features of the subclaims independently of the claims referred to.
  • the individual features of independent claim 1 are disclosed independently of one another.
  • the features of the subclaims are also independent of all the features of independent claim 1 and, for example, independent of the Merkma len with regard to the presence and / or the configuration of the body or trailer and / or the fuel cell device of independent claim 1 disclosed. All range information disclosed herein is to be understood in such a way that all values falling within the respective range are disclosed individually, e.g. B. also as each preferred narrower outer limits of the respective area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug (10), vorzugsweise einen Lastkraftwagen, aufweisend einen Aufbau (22) oder Anhänger (46) mit einem Verbraucher (20) und eine Brennstoffzellen- einrichtung (12). Die Brennstoffzelleneinrichtung (12) ist dazu ausgebildet, als ein Reichweitenverlängerer des Nutzfahrzeugs (10) zuschaltbar zu sein und den Verbraucher (20) mit elektrischer Energie und/oder Abwärme zu versorgen.

Description

Nutzfahrzeug mit Brennstoffzelleneinrichtung Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Nutzfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen, mit einer Brenn stoffzelleneinrichtung.
Die DE 10 2016224 484 A1 offenbart ein Elektrofahrzeug mit einer Traktionsbatterie und ei nem Range-Extender. Der Range-Extender ist so ausgebildet, dass eine Abwärme des Range-Extenders zur Erwärmung des Fahrzeuginneren und/oder der Traktionsbatterie bei trägt. Der Range-Extender kann Brennstoffzellen umfassen.
Aus der DE 10 2015 011 274 A1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug bekannt, bei welchem der Brennstoffzellenstapel als Range-Extender eingesetzt wird, also um im elektrischen Fährbe trieb die mit der Batterie oder Traktionsbatterie erreichbare Reichweite des Fahrzeugs zu ver größern. Es wird beschrieben, dass die Abwärme einer Brennstoffzelle im Winter dazu genutzt werden kann, den Innenraum des Fahrzeugs zu heizen. Zudem steht die Wärme zur Verfü gung, um die Traktionsbatterie im Fahrzeug zu temperieren.
Der bekannte Stand der Technik widmet sich vorrangig der Integration einer Brennstoffzelle in einem Personenkraftfahrzeug. Die Integration in ein Nutzfahrzeug, wie z. B. einen Lastkraft wagen mit Aufbau oder Anhänger, kann hingegen alternative oder zusätzliche Anforderungen stellen.
Batteriebetriebene Nutzfahrzeuge nutzen ausschließlich elektrische Energiespeicher zur Spei cherung der notwendigen Antriebsenergie. Demzufolge sind diese allerdings durch die langen Ladezeiten im Betrieb beeinflusst bzw. zu längeren Standzeiten gezwungen. Wird das Nutz fahrzeug nun um einen Aufbau oder Anhänger erweitert, der elektrische Energie benötigt, re duziert sich die zum Antrieb zur Verfügung stehenden Energie maßgeblich. Bei konventionel len Fahrzeug kann die Zusatzenergieversorgung durch einen mechanischen Nebenabtrieb re alisiert sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte Technik für ein Nutzfahrzeug mit Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein (z. B. batterieelektrisches oder Hybrid-) Nutzfahrzeug, vorzugsweise einen Lastkraftwagen. Das Nutzfahrzeug weist einen (z. B. lös baren oder wechselbaren) Aufbau oder einen Anhänger (z. B. Sattelanhänger bzw. Sattelauf lieger) mit (mindestens) einem (z. B. elektrischen und/oder thermischen) Verbraucher auf. Das Nutzfahrzeug weist eine Brennstoffzelleneinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, als ein Reichweitenverlängerer des Nutzfahrzeugs zuschaltbar zu sein und/oder den Verbraucher mit elektrischer Energie und/oder Abwärme zu versorgen (z. B. durch bedarfsgerechte Zuschal tung oder kontinuierlichen Betrieb).
Vorzugsweise kann die Brennstoffzelleneinrichtung somit sowohl als Range-Extender (Reich weitenverlängerer) als auch als eine Art multifunktionaler Nebenabtrieb des Nutzfahrzeugs verwendet werden, mit dem ein Verbraucher des Aufbaus oder Anhängers mit Wärme und/o der elektrischer Energie versorgt werden kann. Dies ermöglicht bspw. den Entfall eines me chanischen Nebenabtriebs am Antriebsstrang des Nutzfahrzeugs. Es kann auch auf eine se parate Energieversorgungseinheit (z. B. Dieselaggregat) am Aufbau oder Anhänger verzichtet werden. Es ist auch nicht notwendig, die Traktionsbatterien des Nutzfahrzeugs zu entladen und damit eine elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs zu beeinträchtigen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinrichtung dazu ausgebildet, beim Par ken des Nutzfahrzeugs (z. B. separat oder unabhängig) betrieben zu werden. Auch bei z. B. längeren Stillstandzeiten, z. B. Parken aufgrund von gesetzlich vorgeschriebenen Ruhezeiten für den Fahrer, kann der Verbraucher des Aufbaus oder des Anhängers mit Abwärme und/oder elektrischer Energie versorgt werden. Hierbei werden wiederum die Traktionsbatterien nicht entladen und somit eine elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs nicht beeinträchtigt. Es ist möglich, dass der Betrieb des Verbrauchers beim Parken des Nutzfahrzeugs notwendig ist oder sogar nur beim Parken des Nutzfahrzeugs überhaupt möglich ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinrichtung dazu ausgebildet, eine Traktionsbatterie des Nutzfahrzeugs mit elektrischer Energie zu laden und/oder mit Ab wärme zu temperieren. Das Temperieren kann einen Entfall von separaten Hochvolt-Heizern für die Traktionsbatterie ermöglichen, wodurch Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart wer den können. Die Traktionsbatterie des Nutzfahrzeugs kann mit elektrischer Energie geladen werden, um eine elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs zu erhöhen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinrichtung dazu ausgebildet, eine Fahrerhausheizung und/oder mindestens ein Nebenaggregat (z. B. Pumpe, Verdichter, Motor, Aktor) des Nutzfahrzeugs mit Abwärme und/oder elektrischer Energie zu versorgen.
In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinrichtung dazu ausgebildet, beim Parken des Nutzfahrzeugs die Traktionsbatterie mit Abwärme zu temperieren, die Fahrerhausheizung mit Abwärme zu versorgen, den Verbraucher mit Abwärme zu versorgen und/oder das Neben aggregat mit Abwärme zu versorgen. Gleichzeitig kann die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie geladen, der Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt, die Fahrerhausheizung mit elektrischer Energie versorgt und/oder das Nebenaggregat mit elektrischer Energie ver sorgt werden. Beispielsweise kann beim Parken im Winter die Traktionsbatterie geladen und/oder der Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt und gleichzeitig mit der Abwärme das Fahrerhaus geheizt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinrichtung dazu ausgebildet, beim Fahren des Nutzfahrzeugs die Traktionsbatterie mit Abwärme zu temperieren, die Fahrerhaus heizung mit Abwärme zu versorgen, den Verbraucher mit Abwärme zu versorgen und/oder das Nebenaggregat mit Abwärme zu versorgen und gleichzeitig die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie zu laden, den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, die Fah rerhausheizung mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder das Nebenaggregat mit elektri scher Energie zu versorgen. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann somit auch vorteilhaft wäh rend des Fahrens des Nutzfahrzeugs eingesetzt werden.
In einer Ausführungsvariante weist das Nutzfahrzeug eine Steuereinheit auf, die dazu ausge bildet ist, ein Aktivieren, ein Deaktivieren und/oder einen Betrieb der Brennstoffzelleneinrich tung (z. B. zum elektrischen und/oder thermischen Versorgen des Verbrauchers, der Trakti onsbatterie, der Fahrerhausheizung und/oder des mindestens einen Nebenaggregats), vor zugsweise automatisch, zu steuern. Die Steuerung kann auf einer geplanten Route des Nutz fahrzeugs, einer geplanten (z. B. gesetzlich vorgeschriebenen) Lenkzeit, Ruhezeit und/oder Pausenzeit eines Fahrers des Nutzfahrzeugs, vorzugsweise bereitgestellt von einem (z. B. digitalen) Tachographen, einer aktuellen und/oder geplanten Beladung des Nutzfahrzeugs, vorzugsweise des Aufbaus oder Anhängers, und/oder eines aktuellen und/oder prognostizier ten Klimas (z. B. Umgebungstemperatur), vorzugsweise auf einer geplanten Route des Nutz fahrzeugs, basieren. Damit kann vorzugsweise ein intelligenter Betrieb der Brennstoffzellen einrichtung umgesetzt werden. Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozes soren) und Datenspeicher) und/oder mechanische Steuerung beziehen, die je nach Ausbil dung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hie rin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ umfasst sein.
In einer Ausführungsvariante weist das Nutzfahrzeug ferner eine Aufbau-/Anhänger-Schnitt- stelle auf, die von der Brennstoffzelleneinrichtung mit elektrischer Energie und/oder Abwärme versorgbar ist und an die der Verbraucher angeschlossen ist. Die Aufbau-/Anhänger-Schnitt- stelle kann vom Nutzfahrzeughersteller extra für die Aufbautenhersteller oder Anhängerher steller vorgesehen sein, die die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle als Nebenabtrieb zur Versor gung des Verbrauchers des Aufbaus oder Anhängers nutzen können.
In einer Weiterbildung ist die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle eine standardisierte Schnittstelle, an die eine Vielzahl von unterschiedlichen Aufbauten oder Anhängern für das Nutzfahrzeug, vorzugsweise lösbar, anschließbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Verbraucher lösbar an die Aufbau-/Anhänger-Schnitt- stelle angeschlossen, vorzugsweise angesteckt und/oder aufgeschraubt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle in einem, vor zugsweise hinteren, Bereich (z. B. Rückwand) eines Fahrerhauses des Nutzfahrzeugs ange ordnet. Somit kann bspw. ein Anschluss an den Aufbau oder Anhänger erleichtert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle eine elektri sche Schnittstelle zum Versorgen des Verbrauchers mit elektrischer Energie auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle eine Fluid schnittstelle zum Versorgen des Verbrauchers mit Abwärme auf, wobei vorzugsweise die Flu idschnittstelle in Fluidverbindung und/oder in Wärmekopplung mit einer Kühlung der Brenn stoffzelleneinrichtung ist.
In einer Ausführungsform weist das Nutzfahrzeug ferner einen Leiterrahmen auf, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung innerhalb des Leiterrahmens angeordnet ist, vorzugsweise direkt unterhalb eines Fahrerhauses des Nutzfahrzeugs. Vorzugsweise ergibt sich so eine ge schützte Anordnung der Brennstoffzelleneinrichtung zwischen den beiden Längsträgern des Leiterrahmens. In einer Weiterbildung weist die Brennstoffzelleneinrichtung einen Brennstoffzellenstapel und einen Brennstofftank auf, wobei der Brennstofftank innerhalb des Leiterrahmens und/oder be züglich einer Vorwärtsfahrtrichtung des Nutzfahrzeugs hinter dem Brennstoffzellenstapel an geordnet ist. Vorzugsweise ergibt sich so auch eine geschützte Anordnung des Brenn stofftanks zwischen den beiden Längsträgern des Leiterrahmens.
In einer Ausführungsvariante weist das Nutzfahrzeug mehrere Traktionsbatterien auf. Vor zugsweise kann die Brennstoffzelleneinrichtung im Wesentlichen gleiche Abmessungen und/der Anbindungspunkte aufweisen wie jede der mehreren Traktionsbatterien, sodass die Brennstoffzelleneinrichtung und die mehreren Traktionsbatterien austauschbar anordenbar sind. Je nach Kundenanforderung bzw. Einsatzzweck des Nutzfahrzeugs kann somit eine An zahl und/oder eine Anordnung der Brennstoffzelleneinrichtung(en) und der Traktionsbatte riein) auf einfache Weise angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Brennstoffzelleneinrichtung als vormontiertes und/oder eigenständig prüfbares Modul ausgeführt, das eine Kühlfluid-Schnittstelle, eine elekt rische Schnittstelle (z. B. Hochvoltanschluss) und/oder eine Steuerschnittstelle aufweist. Die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelleneinrichtung kann somit noch vor der Montage am Nutz fahrzeug über die Schnittstellen geprüft werden, und die Montage kann schnell und einfach erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinrichtung als eine reversible Brennstoff zelleneinrichtung zum Herstellen von Wasserstoff während eines Rekuperierens beim Brem sen des Nutzfahrzeugs, vorzugsweise während eines zuschaltbaren Dauerbremsmodus des Nutzfahrzeugs, ausgeführt. Dies ermöglicht beispielsweise den Entfall von zusätzlichen ge kühlten Bremswiderständen beim Dauerbremsbetrieb.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzelleneinrichtung eine Polymerelektrolyt brennstoffzelle (PEMFC - polymer electrolyte fuel cell), eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC - direct methanol fuel cell) und/oder eine Reformer-Methanolbrennstoffzelle (RMFC - reforming methanol fule cell) auf.
In einer Ausführungsform ist der Aufbau auf einem Rahmen (z. B. Leiterrahmen) des Nutzfahr zeugs abgestützt und/oder hinter einem Fahrerhaus des Nutzfahrzeugs angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist der Aufbau ein Tankaufbau (z. B. Milchtankaufbau, Kraftstofftankaufbau, Betonmischeraufbau), ein Einsatzfahrzeugaufbau (z. B. Feuerwehrauf bau, Militäraufbau, Polizeiaufbau, Technisches-Hilfswerk-Aufbau), ein Reinigungsaufbau (z. B. Spülfahrzeugaufbau, Saugfahrzeugaufbau), ein Ladeaufbau (z. B. Heckladeaufbau, Seiten ladeaufbau), ein Kühlaufbau oder ein Heizaufbau.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Anhänger einen Tank, eine Ladefläche, einen Laderaum, ein Kühlaggregat, ein Heizaggregat und/oder eine Pumpe auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Anhänger ein Sattelanhänger.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Nutzfahrzeug ein Hängerzug oder ein Sattelzug.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Verbraucher eine elektrisch angetriebene Ma schine (z. B. Elektromotor, Pumpe, Verdichter, Arbeitszylinder, Aktor) und/oder einen Wärme überträger auf.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Verbraucher einen elektrischen Energiespeicher auf. Vorzugsweise kann der elektrische Energiespeicher von der Brennstoffzelleneinrichtung gela den werden, vorzugsweise wenn der Anhänger oder Auflieger an das restliche Nutzfahrzeug angekoppelt ist. Vorteilhaft kann damit ermöglicht werden, dass im Anhänger oder Aufbau elektrische Energie im vom restlichen Nutzfahrzeug abgekoppelten Zustand verfügbar ist und eine elektrisch angetriebene Maschine des Anhängers oder Aufbaus mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher des Anhängers oder Aufbaus versorgt werden kann. Bspw. kann so auch ein abgekoppelter Kühlaufbau oder Kühlanhänger eine elektrisch ange triebene Kühlung im abgekoppelten Zustand aufrecht erhalten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Anhänger eine elektrisch antreibbare Achse (z. B. starr oder lenkbar) auf, die mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespei cher des Verbrauchers betreibbar ist. Vorzugsweise ist elektrisch antreibbare Achse mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher im abgekoppelten Zustand des Anhängers von einer Zugmaschine des Nutzfahrzeugs betreibbar. Es ist auch möglich, dass die elektrisch antreibbare Achse im Fährbetrieb durch Rekuperation den elektrischen Energie speicher lädt. Vorteilhaft kann damit der Anhänger unabhängig von der Zugmaschine bspw. auf einem Betriebshof zum Bewegen angetrieben werden, z. B. vollkommen autark oder zum Lenken gekoppelt an ein fahrerloses Transportfahrzeug. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Verbraucher ferner einen Wärmeübertrager zum Temperieren des elektrischen Energiespeichers auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Verbraucher ferner eine elektrisch angetrie bene Maschine (z. B. Elektromotor, Pumpe, Verdichter, Arbeitszylinder, Aktor) auf, die mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher des Verbrauchers betreibbar ist, vorzugsweise im abgekoppelten Zustand des Anhängers oder Aufbaus von dem Nutzfahr zeug.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der elektrische Energiespeicher mittels eines elektri schen Ladeanschlusses extern (von dem Nutzfahrzeug) ladbar, wobei der elektrische Lade anschluss vorzugsweise am Nutzfahrzeug separat von dem Anhänger oder Aufbau angeord net ist (z. B. an einer Zugmaschine, einem Fahrerhaus und/oder einem Fahrzeugrahmen des Nutzfahrzeugs). Vorteilhaft kann somit auf einen extra Ladeanschluss mit entsprechendem Bordladegerät am Anhänger oder Auflieger verzichtet werden. Es ist zusätzlich oder alternativ auch möglich, dass der Anhänger oder Aufbau einen eigenen elektrischen Ladeanschluss (z. B. mit Bordladegerät) zum externen Laden des elektrischen Energiespeichers aufweist.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines beispielhaften Nutzfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinrichtung und einem Aufbau;
Figur 2 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Rahmens eines Nutzfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinrichtung; und
Figur 3 eine schematische Seitenansicht eines beispielhaften Nutzfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinrichtung und einem Anhänger.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Figur 1 zeigt ein Nutzfahrzeug 10. Das Nutzfahrzeug 10 ist bevorzugt als ein Lastkraftwagen ausgeführt. Das Nutzfahrzeug 10 weist eine Brennstoffzelleneinrichtung 12 und eine Steuereinheit 14 auf.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, aus einem Brennstoff, z. B. Wasser stoff oder Methanol, elektrische Energie zu erzeugen. Im Betrieb produziert die Brennstoffzel leneinrichtung 12 zudem Abwärme.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann bspw. eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC - polymer electrolyte fuel cell), eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC - direct methanol fuel cell) und/oder eine Reformer-Methanolbrennstoffzelle (RMFC - reforming methanol fule cell) aufweisen. Somit kann bspw. auch ein Betrieb mittels reformierten Methanol möglich sein, sodass der Betrieb mit konventionellen Biokraftstoffen möglich ist. Dadurch kann eine welt weite Kraftstoffverfügbarkeit gesichert sein.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann einerseits elektrische Energie zur Verfügung stellen. Andererseits kann die Brennstoffzelleneinrichtung 12 Abwärme zur Verfügung stellen, die beim Erzeugen der elektrischen Energie anfällt und ebenfalls genutzt werden kann. Zur Nut zung der Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann bspw. eine Fluidverbindung und/o der eine Wärmekopplung zum Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinrichtung 12 vorgesehen sein.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 ist auf vielfältige Weise einsetzbar, wie nachfolgend an hand von miteinander kombinierbaren Beispielen, die - wenn gewünscht - auch jeweils einzeln anwendbar sind, erläutert ist.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann als ein Reichweitenverlängerer bzw. Range-Extender des Nutzfahrzeugs 10 verwendet werden. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann als Reich weitenverlängerer zugeschaltet werden, wenn gewünscht. Die Zuschaltung kann von der Steu ereinheit 14 gesteuert sein. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann bspw. mindestens eine Traktionsbatterie 16 des Nutzfahrzeugs 10 mit elektrischer Energie laden. So kann eine elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs 10 erhöht werden.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann zum Temperieren der Traktionsbatterie 16 verwendet werden. Die Traktionsbatterie 16 wird mit Abwärme von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 versorgt. Beispielsweise kann ein Temperierungskreislauf der Traktionsbatterie 16 mit einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinrichtung 12 gekoppelt sein, z. B. mittels Wärmeübertra ger. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann mindestens ein Nebenaggregat 18 des Nutzfahr zeugs 10 mit elektrischer Energie und/oder Abwärme versorgen. Das mindestens eine Neben aggregat 18 kann beispielsweise eine Fahrerhausheizung des Nutzfahrzeugs 10, die mit elektrischer Energie und/oder mit Abwärme versorgt werden kann, aufweisen. Die Fahrerhaus heizung kann die Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 zum Heizen eines Fahrerhau ses 26 des Nutzfahrzeugs 10 verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann die Fahrerhaushei zung eine elektrische Heizeinheit aufweisen, die mit elektrischer Energie von der Brennstoff zelleneinrichtung 12 versorgbar ist, um das Fahrerhaus 26 zu heizen. Das Nebenaggregat 18 kann allerdings auch andere Einrichtungen wie eine Pumpe, einen Motor, einen Verdichter, einen Aktor, einen Wärmeübertrager und/oder eine Steckdose usw. aufweisen.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann mindestens einen Verbraucher 20 eines Aufbaus 22 des Nutzfahrzeugs 10 mit elektrischer Energie und/oder Abwärme versorgen. Bevorzugt kann die Brennstoffzelleneinrichtung 12 durch Hydrolyse die notwendige Energie zum Betrieb des Aufbaus 22 bzw. des Verbrauchers 20 zur Verfügung stellen. Die elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs 10 wird somit nicht beeinflusst. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann zudem als thermischer Nebenabtrieb genutzt werden. Die Abwärme von der Brennstoffzelleneinrich tung 12 kann bspw. ein Heizsystem des Aufbaus 22 mit Wärme versorgen.
Der Aufbau 22 ist auf einem Leiterrahmen 24 des Nutzfahrzeugs 10 abgestützt. Der Aufbau 22 ist bezüglich einer Vorwärtsfahrtrichtung des Nutzfahrzeugs 10 hinter dem Fahrerhaus 26 des Nutzfahrzeugs 10 angeordnet. Der Aufbau 22 kann von einem sogenannten Aufbauer bzw. Aufbautenhersteller hergestellt sein. Typischerweise ist der Aufbau 22 nach der Herstel lung des Nutzfahrzeugs 10 durch den Nutzfahrzeughersteller auf den Leiterrahmen 24 durch den spezialisierten Aufbautenhersteller aufgesetzt. Beispielsweise kann der Aufbau 22 einen Tankaufbau (z. B. Milchtankaufbau, Kraftstofftankaufbau, Betonmischeraufbau), ein Einsatz fahrzeugaufbau (z. B. Feuerwehraufbau, Militäraufbau, Polizeiaufbau, Technisches-Hilfswerk- Aufbau), ein Reinigungsaufbau (z. B. Spülfahrzeugaufbau, Saugfahrzeugaufbau), ein La deaufbau (z. B. Heckladeaufbau, Seitenladeaufbau), ein Kühlaufbau oderein Heizaufbau sein. Der Aufbau 22 kann mindestens eine elektrisch angetriebene Maschine (z. B. Elektromotor, Pumpe, Verdichter, Arbeitszylinder, Aktor) und/oder einen Wärmeüberträger als den mindes tens einen Verbraucher 20 aufweisen.
Der Verbraucher 20 des Aufbaus 22 kann an eine Aufbau(er)/Anhänger-Schnittstelle 28, 30 des Nutzfahrzugs 10 zur Versorgung mit Abwärme und/oder elektrischer Energie angeschlos sen sein. io
Die Schnittstelle 28, 30 kann standardisiert sein, um den Anschluss einer Vielzahl unterschied licher Aufbauten zu ermöglichen. Die Schnittstelle 28, 30 kann eine elektrische Schnittstelle 28 und/oder eine Fluidschnittstelle 30 aufweisen. Über die elektrische Schnittstelle 28 kann elektrische Energie von den Brennstoffzelleneinrichtung 12 an den Verbraucher 20 übertragen werden. Über die Fluidschnittstelle 30 kann ein von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 direkt oder indirekt erwärmtes Fluid zu dem Verbraucher 20 übertragen werden. Das Fluid kann bspw. direkt aus einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinrichtung 12 stammen oder über einen Wärmeübertrager mit dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinrichtung 12 gekoppelt sein. Bevorzugt kann der Verbraucher 20 lösbar mit der Schnittstelle 28, 30 verbunden sein, z. B. mittels einer Schraubverbindung und/oder einer Steckverbindung. Die elektrische Schnitt stelle 28 kann beispielsweise eine Stecker-Steckdose-Schnittsteile sein. Die Fluidschnittstelle 30 kann beispielsweise eine Rohrflansch-Schnittstelle sein.
Die Schnittstelle 28, 30 kann bevorzugt im Bereich des Fahrerhauses 26 des Nutzfahrzeugs 10 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Schnittstelle 28, 30 in einem hinteren Bereich des Fahrerhauses 26 angeordnet sein, z. B. an einer Rückwand des Fahrerhauses 26.
Es ist möglich, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 12 beim Parken des Nutzfahrzeugs 10 betrieben wird, wobei die Antriebseinrichtung (z. B. elektrische Antriebseinheit(en), Brennkraft maschine usw.) des Nutzfahrzeugs 10 deaktiviert ist. Somit können der Verbraucher 20, das Nebenaggregat 18 und/oder die Traktionsbatterie 16 beim Parken des Nutzfahrzeugs 10 mit elektrischer Energie und/oder Abwärme von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 versorgt wer den, je nach Anforderung.
Beispielsweise kann die Traktionsbatterie 16 mit elektrischer Energie von der Brennstoffzel leneinrichtung 12 geladen werden. So kann die elektrische Reichweite des Nutzfahrzeugs 10 erhöht werden, ohne dass die Traktionsbatterie 16 extern geladen werden muss. Mit der ent stehenden Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann das Nebenaggregat 18, der Ver braucher 20 und/oder die Traktionsbatterie 16 versorgt werden.
In einem anderen Beispiel kann der Verbraucher 20 mit elektrischer Energie versorgt werden. Mit der Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann wiederum die Traktionsbatterie 16, das Nebenaggregat 18 und/oder der Verbraucher 20 versorgt werden. Die Brennstoffzellen einrichtung 12 kann je nach momentaner Anforderung entsprechend von der Steuereinheit 14 betrieben werden. Es ist auch möglich, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 12 beim Fahren des Nutzfahrzeugs 10 betrieben wird, z. B. wie obenstehend beschrieben.
Der Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann von der Steuereinheit 14 entsprechend gesteuert werden. Bspw. kann die Steuereinheit 14 die Brennstoffzelleneinrichtung 12 wie ge wünscht aktivieren und deaktivieren. Es ist möglich, dass die Steuereinheit 14 z. B. eine Zu schaltung und Abschaltung der Brennstoffzelleneinrichtung 12 automatisch steuert, um elektrische Energie und Abwärme wie gewünscht zu erzeugen. Damit kann die Gesamteffizi enz des Nutzfahrzeugs 10 erhöht werden. Die Zuschaltung kann von unterschiedlichen, mitei nander kombinierbaren Parametern abhängig sein, die auch jeweils nur einzeln anwendbar sind, wenn gewünscht.
Die Zuschaltung kann abhängig von einer geplanten Route des Nutzfahrzeugs 10 sein. Infor mationen zur bevorstehenden Route können z. B. von einem Navigationssystem des Nutz fahrzeugs bereitgestellt werden. Die Informationen können Ladestationspositionen, Tankstati onspositionen, Streckenlängen, Gefälle, Steigungen, Verkehrsdaten und/oder Verkehrsregeln usw. aufweisen. Ist die elektrische Reichweite der Traktionsbatterie 16 für die geplante Route nicht oder nicht mehr ausreichend, oder sind unzureichende Lademöglichkeiten vorhanden, so kann die Brennstoffzelleneinrichtung 12 im Hintergrund als Range-Extender aktiviert wer den. Ist die elektrische Reichweite hingegen ausreichend und kann das Nutzfahrzeug 10 bspw. im Anschluss geladen werden, so ist eine Zuschaltung als Range Extender nicht notwendig.
Die Zuschaltung kann abhängig von einer geplanten (z. B. gesetzlich vorgeschriebenen) Lenk zeit, Ruhezeit und/oder Pausenzeit des Fahrers des Nutzfahrzeugs 10 sein. Informationen zu diesen Zeiten können von einem digitalen Tachographen (Fahrtenschreiber) des Nutzfahr zeugs 10 bereitgestellt werden. Anhand der Informationen kann die Steuereinheit 14 abschät zen, wann das Nutzfahrzeug 10 einen Stopp einlegen wird und wie lange dieser Stopp min destens dauern wird. Während des Stopps kann bspw. eine Versorgung des Verbrauchers 20 oder des Nebenaggregats 18 mit Abwärme und/oder elektrischer Energie von der Brennstoff zelleneinrichtung 12 notwendig sein, ohne dass hierfür die elektrische Reichweite des Nutz fahrzeugs beeinträchtigt wird, d.h. die Traktionsbatterie 16 entladen wird.
Es ist bspw. auch möglich, dass die Steuereinheit 14 bestimmt, dass die Aktivierung der Brenn stoffzelleneinrichtung 12 z. B. zur Reichweitenverlängerung erst erfolgt, wenn das Nutzfahr zeug 10 parkt, und eine Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 bspw. zur Heizung des Fahrerhauses 26 und/oder zum Temperieren derTraktionsbatterie(n) 16 genutzt werden kann, z. B. im Winter. Beispielsweise kann ein Außenthermometer des Nutzfahrzeugs 10 oder eine empfangene Temperaturvorhersage dazu verwendet werden, zu erkennen, dass ein Heizen des Fahrerhauses 26 im Stillstand notwendig sein wird. Das bevorstehende Parken kann die Steuereinheit 14 bspw. aus Informationen bezüglich der aktuellen bzw. geplanten Lenkzeit, Ruhezeit und/oder Pausenzeit erkennen und/oder in Abhängigkeit der geplanten Route (z. B. geplante Zwischenstopps zur Beladung, Entladung usw.).
Die Zuschaltung kann abhängig von einer aktuellen und/oder geplanten Beladung des Nutz fahrzeugs 10, vorzugsweise des Aufbaus 22, sein (z. B. bis zu 40 t oder leer). Hierbei kann bspw. ein sich verändernder Energieverbrauch zum Antreiben des Nutzfahrzeugs 10 und/oder ein sich verändernder Energieverbrauch des Verbrauchers 20 (z. B. nur Kühlung notwendig, wenn beladen) berücksichtigt oder prognostiziert werden. Informationen bezüglich der geplan ten Beladung des Nutzfahrzeugs 10 können z. B. über eine Benutzerschnittstelle des Nutz fahrzeugs 10 eingegeben und/oder mittels einer Kommunikationsschnittstelle des Nutzfahr zeugs 10 empfangen werden, z. B. von einer Leitstelle. Informationen bezüglich einer aktuellen Beladung des Nutzfahrzeugs 10 können z. B. von Beladungssensoren erfasst, von einem be schleunigungsbasierten Masseschätzer geschätzt, über einer Benutzerschnittstelle eingege ben und/oder mittels einer Kommunikationsschnittstelle empfangen werden.
Die Zuschaltung kann abhängig von einem aktuellen und/oder prognostizierten Klima (länder- übergreifend) auf einer geplanten Route des Nutzfahrzeugs 10 sein. Hierbei kann bspw. ein Energieverbrauch der Fahrerhausheizung und/oder des Verbrauchers 20 berücksichtigt oder prognostiziert werden, z. B. in Abhängigkeit von einer Außentemperatur entlang der geplanten Route.
Nutzfahrzeuge werden im Gegensatz zu Personenkraftwagen kontinuierlich und planbar be trieben. Dies kommt dem Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 12 zu Gute. Die für eine Brennstoffzelle kritischen Betriebsbereiche Start-Stopp sowie kurzzeitige Betriebe können weitestgehend reduziert werden, um die Lebensdauer der Brennstoffzelleneinrichtung 12 zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinrichtung 12 als vormontiertes und eigenständig prüf bares Modul ausgeführt. Das Modul kann bspw. eine Kühlfluid-Schnittstelle, eine elektrische Schnittstelle (z. B. Hochvoltanschluss) und/oder eine Steuerschnittstelle aufweisen. Das Mo dul kann auf Funktionsfähigkeit außerhalb des Nutzfahrzeugs 10 noch vor einer Montage am Nutzfahrzeug 10 über die Schnittstellen geprüft werden. Die Montage am Nutzfahrzeug 10 kann durch die Modulbauweise schnell und einfach erfolgen. Neben der Anbringung müssen lediglich noch die Schnittstellen mit entsprechenden Leitungen am Nutzfahrzeug verbunden werden. Das Modul kann z. B. auch einen Brennstofftank aufweisen.
Es ist auch möglich, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 12 als reversible Brennstoffzellen einrichtung zum Herstellen von Wasserstoff während eines Rekuperierens beim Bremsen des Nutzfahrzeugs 10 ausgeführt ist, vorzugsweise während eines zuschaltbaren Dauerbremsmo dus des Nutzfahrzeugs 10. Bspw. kann ein Dauerbremsmodus des Nutzfahrzeugs 10 manuell oder automatisch aktiviert werden, wenn das Nutzfahrzeug 10 ein z. B. längeres Gefälle be fährt. Die reversible Brennstoffzelleneinrichtung ist dazu ausgebildet, aus überschüssigem Strom Wasserstoff zu erzeugen (Elektrolyse). Da beim Bremsbetrieb im Nutzfahrzeug sehr hohe Bremsleistungen, z. B. Bergabfahrt, anfallen, kann die Brennstoffzelleneinrichtung 12 genutzt werden, um die überschüssige elektrische Energie in Form von Wasserstoff zu reku- perieren. Damit kann bspw. auf gekühlte Bremswiderstände verzichtet werden.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Integration der Brennstoffzelleneinrichtung 12 in ein Nutzfahr zeug 10.
Bevorzugt kann die Brennstoffzelleneinrichtung 12 unterhalb des Fahrerhauses 26 angeordnet sein. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann geschützt zwischen zwei Längsträgern des Lei terahmens 24 angeordnet sein.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann einen Brennstoffzellenstapel 12A und einen Brenn stofftank 12B aufweisen. Der Brennstofftank 12B weist einen Tankstutzen 32 auf, über den der Brennstofftank 12B extern mit Brennstoff gefüllt werden kann. Der Brennstofftank 12B kann innerhalb des Leiterrahmens 24 bezüglich der Vorwärtsfahrtrichtung des Nutzfahrzeugs 10 hinter dem Brennstoffzellenstapel 12A angeordnet sein.
Der Brennstoffstank 12B kann ein Drucktank sein, z. B. zur Speicherung von z. B. 5-10 kg Wasserstoff bei 350 bar oder mehr (z. B. bis zu 700 bar). Der Brennstoffzellenstapel 12A kann bspw. eine Leistung von ca. 60 kW aufweisen.
Der Brennstofftank 12B kann über mindestens eine Leitung mit dem Brennstoffzellenstapel 12A verbunden sein. Wenn die Brennstoffzelleneinrichtung 12 als reversible Brennstoffzellen einrichtung 12 ausgeführt ist, kann zusätzlich ein Verdichter (nicht dargestellt) umfasst sein. Der Verdichter kann den von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 erzeugten Wasserstoff ver dichten und zu dem Brennstofftank 12B leiten. Eine Kühlung der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann mit einem Kühl-/Heizkreislauf 34 ver bunden sein, der einen Kühler 36 aufweisen kann. Der Kühler 36 kann frontseitig am Nutzfahr zeug 10 zur Kühlung mittels Fahrtwind angeordnet sein. Der Kühlkreislauf 34 und/oder der Kühler 36 können vorzugsweise von einem konventionellen Lastkraftwagen mit Verbren nungskraftmaschine ohne wesentliche Modifikationen übernommen werden (sogenannte „carry-over parts“).
Das Nutzfahrzeug 10 kann mehrere Traktionsbatterien 16, z. B. in Form von Hochvoltbatterien mit jeweils eigenem Batteriemanagementsystem, aufweisen. Die Traktionsbatterien 16 kön nen bspw. an den Außenseiten des Leiterrahmens 24 und/oder zwischen den Längsträgern des Leiterrahmens 24 angeordnet sein. Die Traktionsbatterien 16 können bspw. jeweils eine Kapazität von 100 kWh aufweisen. Die Traktionsbatterien 16 können beispielsweise Lithium- lonen-Batterien sein.
Bevorzugt weist die Brennstoffzelleneinrichtung 12 (mit oder ohne Brennstofftank 12B) im We sentlichen die gleichen Abmessungen und/der Anbindungspunkte auf wie jede der mehreren Traktionsbatterien 16. Die Brennstoffzelleneinrichtung 12 und die mehreren Traktionsbatterien 16 können somit austauschbar angeordnet werden. Je nach Kundenwunsch kann somit eine unterschiedliche Anzahl von Traktionsbatterien 16 und Brennstoffzelleneinrichtungen 12 ver baut werden. Durch eine auf den jeweiligen Einsatzzweck des Nutzfahrzeugs 10 abgestimmte Anzahl von Traktionsbatterien 16 und Brennstoffzelleneinrichtungen 12 kann ein möglichst ge ringes Fahrzeuggewicht erreicht werden, das nicht durch unnötige Traktionsbatterien usw. er höht wird. Durch die Austauschbarkeit kann auch eine Anzahl und Betriebskonfiguration der Brennstoffzelleneinrichtung(en) 12 durch den Kunden frei gewählt werden. Ist beispielsweise eine anschließende Anpassung durch einen Aufbauhersteller gewünscht, welche Energie be nötigt (z. B. Kühlaufbau), so kann dies in der Fahrzeugauslegung berücksichtigt werden, um die gewünschte Fahrzeugreichweite zu erhalten. Es können auch Plätze freigelassen werden, z. B. rechte Rahmenseite des Leiterrahmens 24 frei für Milchsammler. Das Verhältnis von Wasserstoff-Speicher (Brennstofftank 12B) zu elektrischem Speicher (Traktionsbatterie 16) kann je nach Anwendungsfall optimal abgestimmt werden.
Das Nutzfahrzeug 10 kann ferner einen elektrischen Ladeanschluss 38 zum externen Laden der Traktionsbatterien 16, einen Hochvolt-Verteiler 40, einen Inverter 42 und einen elektri schen Antriebsstrang 44 aufweisen. Wie dargestellt ist, kann der elektrische Antriebsstrang 44 bspw. eine zentrale elektrische Antriebseinheit, ein Getriebe, eine Gelenkwelle usw. aufwei sen. Es ist auch möglich, dass mehrere elektrische Antriebseinheiten vorhanden sind, z. B. als Radnabenmotoren oder als radnahe Motoren. Es ist übrigens auch möglich, dass die Brenn stoffzelleneinrichtung 12 in einem Nutzfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird, z. B. als Reichweitenverlängerer, zum Versorgen des Verbrauchers 20 und/oder der Ne benaggregate 18.
Nachfolgend verdeutlichen einige Rechenbeispiele die Anwendbarkeit des oben beschriebe nen Systems.
Die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie kann bei 1-2kWh/kg liegen. Komprimierter gas förmiger Wasserstoff (ca. 350 bar) hingegen hat eine Energiedichte von ~30kWh/kg. Demzu folge sind 7-8 kg Wasserstoff bzw. ca. 2001 Wasserstoff ausreichend, um die doppelte Energie einer Lithium -lonen-Batterie mit 100 kWh mitzuführen.
Durch elektrochemische Umwandlung der Energie des Wasserstoffs in der Brennstoffzellen einrichtung 12 können die Traktionsbatterien 16 während der Fahrt geladen werden. Dadurch erhöht sich die Reichweite des Nutzfahrzeugs 10 erheblich. Ein Nutzfahrzeug benötigt ca. 100- 130 kWh pro 100 km. Demzufolge ermöglicht eine Lithium-Ionen-Batterie mit 100 kWh Ener gieinhalt (bis zum nächsten Laden in 4h) realistisch eine Reichweite von ca. 80 km. Mit einer Brennstoffzelle mit 60 kW Leistung können über einen Zeitraum von 4 h 240 kWh umgewan delt werden. Die Reichweite wird somit um mindestens 200 km erhöht.
Mit einer maximalen elektrischen Ladeleistung von 200 kW können die Traktionsbatterien 16 innerhalb von 1 h mit 200 kWh extern geladen werden. Um die gleiche Energie Wasserstoff „nachzutanken“ sind nur 6-7kg komprimierter Wasserstoff notwendig. Dies geschieht in weni gen Minuten (< 5min). Dadurch wird der Fahrer niemals zu einem längeren Stillstand gezwun gen.
Die Abwärme der Brennstoffzelleneinrichtung 12 kann bei kalten Außentemperaturen (z. B. auch im Stillstand) genutzt werden, um Batterie- und Faherhaus-Kreislauf zu erhitzen. (P_therm = 15-20kW bzw. p_td = 83%) Dadurch können bspw. die Hochvolt-Heizer entfallen, wodurch Energie, Bauraum und Kosten gespart werden können. Dadurch, dass der Kühlkreis lauf der Brennstoffzelle mit dem Hochvolt-Kühlkreislauf kombiniert werden kann, kann die Komplexität im Vergleich zu einem reinen batterieelektrischen Fahrzeug reduziert werden. Bei warmen Temperaturen kann die Kühlfähigkeit (z. B. mittels Chiller bzw. Zwischenkühler) des komprimierten Wasserstoffs genutzt werden, um die Temperatur im Kühlkreislauf zu senken. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem Energieinhalt von 100 kWh wiegt ca. 640 kg. Demzu folge ergibt sich ein pro kg der Batterie weniger als 1 kWh Kapazität. Der Brennstoffzellensta pel 12A wiegt ca. 250 kg. Der Brennstofftank 12B wiegt ca. 150 kg. Demzufolge kann das Packagegewicht im Vergleich zu einem reinen batterieelektrischen Nutzfahrzeug um bis zu 250 kg reduziert werden, obwohl die Reichweite erhöht wird.
Es ist möglich, dass das Nutzfahrzeug 10 einen Anhänger 46 mit einem Verbraucher 20 auf weist, wie in Figur 3 dargestellt ist. Die Schnittstelle 28, 30 wäre demzufolge eine Anhänger- Schnittstelle. Sämtliche hierin beschriebenen Merkmale bezüglich des Aufbaus 22 mit dem Verbraucher 20 sind ebenfalls bei dem Nutzfahrzeug 10 mit dem Anhänger 46 und dem Ver braucher 20 realisierbar. Der Anhänger 46 kann bspw. ein Sattelanhänger bzw. Sattelauflieger sein, wie in Figur 3 dargestellt ist. Der Anhänger 46 kann bspw. auch ein Anhänger eines Hängerzugs sein.
Es ist auch möglich, dass der Verbraucher 20 einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Mittels des elektrischen Energiespeichers kann bspw. eine elektrisch antreibbare Achse des Anhängers 46 mit elektrischer Energie versorgt werden, z. B. wenn der Anhänger 46 von einer Zugmaschine des Nutzfahrzeugs 10 abgekoppelt ist. Mittels des elektrischen Energiespei chers können alternativ oder zusätzlich auch andere elektrisch angetriebene Maschine des Anhängers 46 (oder des Aufbaus 22) mit elektrischer Energie versorgt werden, vorzugsweise ebenfalls im abgekoppelten Zustand des Anhängers 46 oder Aufbaus 22 von dem Nutzfahr zeug 10. Der elektrische Energiespeicher kann von einem Wärmeübertrager temperiert wer den, der bspw. mit Abwärme von der Brennstoffzelleneinrichtung 12 versorgt wird. Der elekt rische Energiespeicher kann auch mittels des elektrischen Ladeanschlusses 38 extern gela den werden. Der elektrische Energiespeicher kann auch durch Rekuperation der elektrisch antreibbaren Achse des Anhängers 46 geladen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und beispielsweise unabhängig von den Merkma len bezüglich des Vorhandenseins und/oder der Konfiguration des Aufbaus oder Anhängers und/oder der Brennstoffzelleneinrichtung des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Be reichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Au ßengrenzen des jeweiligen Bereichs.
Bezugszeichenliste
10 Nutzfahrzeug
12 Brennstoffzelleneinrichtung
12A Brennstoffzellenstapel
12B Brennstofftank
14 Steuereinheit
16 Traktionsbatterie
18 Nebenaggregat
20 Verbraucher
22 Aufbau
24 Leiterrahmen
26 Fahrerhaus
28,30 Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle
32 Tankstutzen
34 Kühl-/Heizkreislauf
36 Kühler
38 Ladeanschluss
40 Hochvoltverteiler
42 Inverter
44 Elektrischer Antriebsstrang
46 Anhänger

Claims

Patentansprüche
1. Nutzfahrzeug (10), vorzugsweise Lastkraftwagen, aufweisend: einen Aufbau (22) oder einen Anhänger (46) mit einem Verbraucher (20); und eine Brennstoffzelleneinrichtung (12), die dazu ausgebildet ist: als ein Reichweitenverlängerer des Nutzfahrzeugs (10) zuschaltbar zu sein; und den Verbraucher (20) mit elektrischer Energie und/oder Abwärme zu versor gen.
2. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 1, wobei: die Brennstoffzelleneinrichtung (12) dazu ausgebildet ist, beim Parken des Nutz fahrzeugs (10) betrieben zu werden.
3. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Brennstoffzelleneinrich tung (12) dazu ausgebildet ist: eine Traktionsbatterie (16) des Nutzfahrzeugs (10) mit elektrischer Energie zu la den und/oder mit Abwärme zu temperieren; und/oder eine Fahrerhausheizung (18) des Nutzfahrzeugs (10) mit Abwärme und/oder elektrischer Energie zu versorgen; und/oder mindestens ein Nebenaggregat (18) des Nutzfahrzeugs (10) mit Abwärme und/o der elektrischer Energie zu versorgen.
4. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffzelleneinrichtung (12) dazu aus gebildet ist, beim Parken des Nutzfahrzeugs (10): die Traktionsbatterie (16) mit Abwärme zu temperieren, die Fahrerhausheizung (18) mit Abwärme zu versorgen, den Verbraucher (20) mit Abwärme zu versorgen und/o der das Nebenaggregat (18) mit Abwärme zu versorgen; und gleichzeitig die Traktionsbatterie (16) mit elektrischer Energie zu laden, den Verbraucher (20) mit elektrischer Energie zu versorgen, die Fahrerhausheizung (18) mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder das Nebenaggregat (18) mit elektrischer Energie zu versorgen.
5. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die Brennstoffzelleneinrich tung (12) dazu ausgebildet ist, beim Fahren des Nutzfahrzeugs (10): die Traktionsbatterie (16) mit Abwärme zu temperieren, die Fahrerhausheizung (18) mit Abwärme zu versorgen, den Verbraucher (20) mit Abwärme zu versorgen und/o der das Nebenaggregat (18) mit Abwärme zu versorgen; und gleichzeitig die Traktionsbatterie (16) mit elektrischer Energie zu laden, den Verbraucher (20) mit elektrischer Energie zu versorgen, die Fahrerhausheizung (18) mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder das Nebenaggregat (18) mit elektrischer Energie zu versorgen.
6. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: eine Steuereinheit (14), die dazu ausgebildet ist, ein Aktivieren, ein Deaktivieren und/oder einen Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung (12), vorzugsweise automatisch, zu steuern, basierend auf: einer geplanten Route des Nutzfahrzeugs (10); und/oder einer geplanten Lenkzeit, Ruhezeit und/oder Pausenzeit eines Fahrers des
Nutzfahrzeugs (10), vorzugsweise bereitgestellt von einem Tachographen; und/oder einer aktuellen und/oder geplanten Beladung des Nutzfahrzeugs (10), vorzugs weise des Aufbaus (22) oder des Anhängers (46); und/oder eines aktuellen und/oder prognostizierten Klimas, vorzugsweise auf einer ge planten Route des Nutzfahrzeugs (10).
7. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: eine Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30), die von der Brennstoffzelleneinrich tung (12) mit elektrischer Energie und/oder Abwärme versorgbar ist und an die der Ver braucher (20) angeschlossen ist.
8. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 7, wobei: die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30) eine standardisierte Schnittstelle ist, an die eine Vielzahl von unterschiedlichen Aufbauten oder Anhängern für das Nutzfahrzeug (10), vorzugsweise lösbar, anschließbar ist; und/oder der Verbraucher (20) lösbar an die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30) ange schlossen, vorzugsweise angesteckt oder aufgeschraubt, ist; und/oder die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30) in einem, vorzugsweise hinteren, Be reich eines Fahrerhauses (26) des Nutzfahrzeugs (10) angeordnet ist; und/oder die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30) eine elektrische Schnittstelle (28) zum Versorgen des Verbrauchers (20) mit elektrischer Energie aufweist; und/oder die Aufbau-/Anhänger-Schnittstelle (28, 30) eine Fluidschnittstelle (30) zum Ver sorgen des Verbrauchers (20) mit Abwärme aufweist, wobei die Fluidschnittstelle (30) in Fluidverbindung und/oder in Wärmekopplung mit einer Kühlung der Brennstoffzellenein richtung (12) ist.
9. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: einen Leiterrahmen (24), wobei die Brennstoffzelleneinrichtung (12) innerhalb des Leiterrahmens (24) angeordnet ist, vorzugsweise direkt unterhalb eines Fahrerhauses (26) des Nutzfahrzeugs (10).
10. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 9, wobei: die Brennstoffzelleneinrichtung (12) einen Brennstoffzellenstapel (12A) und einen Brennstofftank (12B) aufweist, wobei der Brennstofftank (12B) innerhalb des Leiterrah mens (24) und bezüglich einer Vorwärtsfahrtrichtung des Nutzfahrzeugs (10) hinter dem Brennstoffzellenstapel (12A) angeordnet ist.
11. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: mehrere Traktionsbatterien (16), wobei die Brennstoffzelleneinrichtung (12) im Wesentlichen gleiche Abmessungen und/der Anbindungspunkte aufweist wie jede der mehreren Traktionsbatterien (16), so- dass die Brennstoffzelleneinrichtung (12) und die mehreren Traktionsbatterien (16) aus tauschbar anordenbar sind.
12. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die Brennstoffzelleneinrichtung (12) als vormontiertes und/oder eigenständig prüf bares Modul ausgeführt ist, das eine Kühlfluid-Schnittstelle, eine elektrische Schnittstelle und eine Steuerschnittstelle aufweist.
13. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die Brennstoffzelleneinrichtung (12) als eine reversible Brennstoffzelleneinrichtung zum Herstellen von Wasserstoff während eines Rekuperierens beim Bremsen des Nutz fahrzeugs (10), vorzugsweise während eines zuschaltbaren Dauerbremsmodus des Nutz fahrzeugs (10), ausgeführt ist.
14. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: die Brennstoffzelleneinrichtung (12) eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Di rektmethanolbrennstoffzelle und/oder eine Reformer-Methanolbrennstoffzelle aufweist.
15. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Aufbau (22) auf einem Rahmen (24) des Nutzfahrzeugs (10) abgestützt und/o der hinter einem Fahrerhaus (26) des Nutzfahrzeugs (10) angeordnet ist; und/oder der Aufbau (22) ein Tankaufbau, ein Einsatzfahrzeugaufbau, ein Reinigungsauf bau, ein Ladeaufbau, ein Kühlaufbau oder ein Heizaufbau ist; und/oder der Anhänger (46) einen Tank, eine Ladefläche, einen Laderaum, ein Kühlaggre gat, ein Heizaggregat und/oder eine Pumpe aufweist; und/oder der Anhänger (46) ein Sattelanhänger ist; und/oder das Nutzfahrzeug (10) ein Hängerzug oder ein Sattelzug ist; und/oder der Verbraucher (20) eine elektrisch angetriebene Maschine und/oder einen Wär meübertrager aufweist.
16. Nutzfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der Verbraucher (20) einen elektrischen Energiespeicher aufweist.
17. Nutzfahrzeug (10) nach Anspruch 16, wobei: der Anhänger (46) eine elektrisch antreibbare Achse aufweist, die mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher des Verbrauchers (20) betreibbar ist, vor zugsweise im abgekoppelten Zustand von einer Zugmaschine des Nutzfahrzeugs (10) und/oder die im Fährbetrieb durch Rekuperation den elektrischen Energiespeicher lädt; und/oder der Verbraucher (20) ferner einen Wärmeübertrager zum Temperieren des elektri schen Energiespeichers aufweist; und/oder der Verbraucher (20) ferner eine elektrisch angetriebene Maschine aufweist, die mit elektrischer Energie von dem elektrischen Energiespeicher des Verbrauchers (20) be treibbar ist, vorzugsweise im abgekoppelten Zustand des Anhängers (46) oder Aufbaus (22) von dem Nutzfahrzeug (10); und/oder der elektrische Energiespeicher mittels eines elektrischen Ladeanschlusses (38) extern ladbar ist, wobei der elektrische Ladeanschluss (38) vorzugsweise am Nutzfahr zeug (10) separat von dem Anhänger (46) oder Aufbau (22) angeordnet ist.
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