WO2022129227A1 - Druckbehältersystem mit lastverteilende bodenschicht - Google Patents

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WO2022129227A1
WO2022129227A1 PCT/EP2021/085990 EP2021085990W WO2022129227A1 WO 2022129227 A1 WO2022129227 A1 WO 2022129227A1 EP 2021085990 W EP2021085990 W EP 2021085990W WO 2022129227 A1 WO2022129227 A1 WO 2022129227A1
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pressure vessel
pressure
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Hans-Ulrich Stahl
Christoph Warkotsch
Robert Loch
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • a possible mechanical load on the pressure vessel system can arise if the motor vehicle hits a street bollard.
  • the placement of the underbody panel 70 on a bollard causes a force F that acts essentially in the direction of the vehicle vertical axis Z and locally.
  • the impact energy of the bollard generated by the impact leads to that the underbody panel 70 is deformed and tensioned like the head of a kettledrum under the beater or like a trampoline under a trampoline jumper (cf. underbody panel 70' shown in dashed lines).
  • the impact energy is converted by the tensioning of the underbody panel 70 and its plastic and elastic deformation.
  • the underbody panel 70 is spaced relatively far from the pressure vessels 10 so that the impact energy is not transmitted to the pressure vessels 10 .
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel system for a motor vehicle (eg passenger cars, motorcycles, commercial vehicles).
  • the pressure vessel system includes multiple pressure vessels for storing fuel.
  • the pressure vessel system further includes at least one load-distributing bottom layer.
  • the load-distributing soil layer is advantageous disposed between a lower floor panel and the plurality of pressure vessels.
  • the load-distributing floor layer can be set up to distribute forces that act locally on the lower floor panel and act on the floor panel essentially in the direction of the vehicle's vertical axis, over the plurality of pressure vessels.
  • the vertical axis of the vehicle is the direction that extends perpendicularly to the ground when the motor vehicle is in the position of use.
  • the longitudinal axis of the vehicle runs in the direction of travel and the transverse axis of the vehicle runs in the transverse direction. All three vehicle axles are arranged perpendicular to each other.
  • the pressure vessel system is used to store fuel that is gaseous under ambient conditions.
  • the pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed (also called Compressed Natural Gas or CNG) or liquefied (also called Liquid Natural Gas or LNG) natural gas or with hydrogen.
  • the pressure vessel system is fluidly connected to at least one energy converter that is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy, e.g. a fuel cell or an internal combustion engine.
  • the pressure vessel can be a high-pressure gas vessel, for example.
  • NWP nominal working pressure
  • the pressure vessels can have circular or oval cross-sections exhibit.
  • several pressure vessels can be provided, the longitudinal axes of which run parallel to one another in the installed position.
  • the individual pressure vessels can each have a length-to-diameter ratio with a value between 4 and 200, preferably between 5 and 100, and particularly preferably between 6 and 50.
  • the length-to-diameter ratio is the quotient of the total length of the individual pressure vessels (e.g.
  • the individual pressure vessels can be arranged directly adjacent to one another, for example at a distance from one another of less than 20 cm or less than 15 cm or less than 10 cm or less than 5 cm.
  • the plurality of pressure vessels may each be mechanically coupled to one another at one or both ends.
  • body connection elements common to the plurality of pressure vessels are provided at both ends, by means of which the pressure vessels can be fastened in the motor vehicle.
  • Such a system is particularly suitable for flat installation spaces, especially in the underfloor area below the vehicle interior.
  • the plurality of pressure vessels together with the at least one load-distributing floor layer disclosed here and/or the body connection element(s) form a pressure vessel assembly.
  • the pressure vessel assembly can expediently be accommodated in a housing.
  • Such a pressure vessel assembly (possibly with a housing) is regularly integrated into the motor vehicle as a component.
  • the entire pressure vessel assembly can therefore be installed in a motor vehicle in one assembly step.
  • the lower floor panel is also referred to as the floor panel and generally forms the outer shell of the motor vehicle, at least in some areas towards the ground. It protects the motor vehicle from environmental influences such as splashing water, etc.
  • the floor panel is generally not a flat panel, but rather a metal sheet that is adapted to the underbody assembly or the geometry of the underbody.
  • the lower base plate has a wall thickness of approx. 1 mm to approx. 8 mm, preferably approx.
  • the floor panel is advantageously made of steel or a steel alloy.
  • the lower floor panel and the load-distributing floor layer may be integrally formed.
  • components of the component designed in this way can be made of the same material and/or can be connected in a materially bonded manner.
  • the pressure vessels can be attached directly to the load-distributing floor layer in the installed position and touch it.
  • the pressure vessels can be glued to the bottom layer.
  • receiving troughs are provided in the load-distributing floor layer, with a pressure vessel being at least partially received in each receiving trough.
  • the receiving troughs reduce the space requirement and serve at least partially as a guide element in the event of a deformation caused by an impact.
  • the pressure vessel system can advantageously be set up to absorb the impact energy (depending on the magnitude of the impact energy), which acts on the lower floor panel from the outside—that is, from the road surface—at least partially via the multiple pressure vessels on the upper one to transfer underfloor covering.
  • the impact energy depends on the magnitude of the impact energy
  • the impact energy is dissipated by the lower floor panel and/or by the load-distributing floor layer and the remainder is substantially transferred to the upper underbody cover. Provision is therefore advantageously made for the impact energy not to be completely dissipated in the floor gap.
  • the technology disclosed herein contemplates that the portion of the impact energy impacting the plurality of pressure vessels is transferred from the plurality of pressure vessels to the upper dash cover.
  • a pressure vessel of the plurality of pressure vessels that is provided directly in the area of the locally acting forces can be referred to as a local or proximal pressure vessel. If the load-distributing layer were not provided, the locally acting forces would only be transmitted to the proximal pressure vessel via the lower base plate if the impact energy was not already converted in the base gap (cf. FIG. 1 ). Directly next to this proximal pressure vessel, further pressure vessels are usually arranged on both sides, which are also referred to as immediately adjacent or distal pressure vessels.
  • the load-distributing base layer can expediently distribute the external forces acting locally on the lower base plate over the plurality of pressure vessels in such a way that the forces acting locally are distributed both to the proximal pressure vessel and to the distal pressure vessels.
  • the load-distributing floor layer is designed in such a way that at least 20% or at least 45% or at least 70% of the forces resulting from the impact or that at least 20% or at least 45% or at least 70% of the impact energy resulting from the impact on immediately adjacent pressure vessels of the several pressure vessels is transferred.
  • the upper underfloor cover can be formed, for example, from an upper side of a housing of the pressure vessel system.
  • the upper underfloor covering can be a section of the motor vehicle body, for example a wall that separates the vehicle interior from the underfloor area. This wall can be formed, for example, from sheet metal and structure-reinforcing elements.
  • the underfloor cover can be completely or partially closed. For example, several carrier sections can also form the underfloor covering.
  • the pressure vessel system may further include a load-sharing cover layer to more evenly distribute external impact energy to the lower floor panel.
  • the load-distributing ceiling layer is usually provided in the assembly air gap.
  • the load-distributing cover layer can be set up to more evenly transfer the portion of the impact energy that is transferred from at least one pressure vessel to the cover layer to the upper underfloor covering.
  • the load-distributing cover layer and the upper underfloor covering are preferably formed in one piece or integrally.
  • the top layer and the underfloor covering can be made of the same material and/or can be connected in a materially bonded manner.
  • an assembly air gap (above the pressure tank) is expediently provided at least in regions between the pressure tanks and an upper underfloor cover, which spaces the pressure tanks from the upper underfloor cover in the direction of the vertical axis of the vehicle.
  • a floor gap may be formed between the plurality of pressure vessels and the lower floor panel.
  • the load-distributing floor layer is provided in this floor gap.
  • the load-distributing floor layer or the load-distributing cover layer can at least partially and preferably completely fill the floor gap or the assembly air gap.
  • the layer thickness of the load-distributing bottom layer or the load-distributing top layer can be at least 50% or at least 80% of the gap width of the minimum floor gap or the minimum installation air gap, at least in some areas.
  • the load-sharing floor layer, the load-sharing top layer, and/or the lower floor panel span or cover the plurality of pressure vessels.
  • the load-distributing bottom layer, the load-distributing top layer and/or the lower floor panel span or cover at least 60% or at least 80% of the surface area of the plurality of pressure vessels.
  • the load-distributing floor layer, the load-distributing top layer, and/or the lower floor panel may each have two sides, each having a surface area of from about 0.3 m 2 to about 4 m 2 or from about 1 m 2 to about 3 m 2 have.
  • the layer thickness, in particular the average layer thickness or the minimum layer thickness, of the load-distributing bottom layer and/or the load-distributing floor layer may be at least 3 mm, or at least 8 mm, or at least 10 mm, or at least 15 mm, or at least 20 mm.
  • the layer thickness of the load-distributing floor layer is advantageously at least a factor of 115 or at least a factor of 2 or at least a factor of 2.5 thicker than the layer thickness of the lower floor panel.
  • the load-distributing floor layer has the same thickness as the lower floor panel.
  • the load-distributing floor layer can have a stiffness against deformation in the direction of the vehicle vertical axis Z that is at least 10 times or at least 20 times higher than the corresponding stiffness of the lower floor panel.
  • the load-distributing floor layer and/or the load-distributing top layer can comprise a foamed material, particularly preferably a metal foam.
  • a foamed material particularly preferably a metal foam.
  • metal foam also has advantageous thermal conductivity properties. This can be particularly advantageous in order to transport the locally occurring thermal energy to a thermal pressure relief device in the event of local thermal events.
  • at least one thermal pressure relief device is thermally conductively connected to the load-distributing bottom layer and/or the load-distributing top layer for the purpose of thermal pressure relief.
  • the load-sharing bottom layer and/or the load-sharing top layer may comprise an auxetic material. Such a material is particularly well suited for the load distribution over a larger area disclosed herein.
  • the load-distributing bottom layer and/or the load-distributing top layer can comprise intumescent material.
  • the intumescent material can be a layer of material which is advantageously on the inside of the pressure vessels facing load-distributing floor layer and / or the load-distributing top layer is provided. The effects of thermal events can thus be advantageously reduced.
  • the load-distributing floor layer and/or the load-distributing top layer can comprise a sandwich structure, a truss structure and/or a honeycomb structure. Such a structure enables comparatively good rigidity with a comparatively low weight.
  • the forces acting locally on the lower floor panel which act on the floor panel essentially in the direction of the vertical axis of the vehicle, can in particular be forces that result from impact with or collision with a street bollard.
  • Forces that essentially act in the direction of the vehicle's vertical axis are forces that act in the direction of the vehicle's vertical axis or act only with a negligible deviation from the vehicle's vertical axis.
  • superimposed forces can also occur in other directions (e.g. vehicle transverse axis or vehicle longitudinal axis) as well as moments in all directions.
  • the load-distributing bottom layer is advantageously also set up to distribute the forces in other directions and any moments to the multiple pressure vessels.
  • the pressure vessel system can also have a number of cross braces.
  • the cross braces extend parallel to the plurality of pressure vessels.
  • the transverse struts are preferably arranged at least in regions and at least partially in intermediate regions formed by immediately adjacent pressure vessels.
  • the cross braces may be attached to the load bearing floor layer.
  • the cross braces may be formed integrally with the load bearing floor layer.
  • the cross braces can be provided on the load-bearing cover layer be.
  • the cross braces can advantageously further stiffen the load-bearing floor layer without requiring additional installation space. Furthermore, this additional stiffening can be achieved with a comparatively low dead weight.
  • the cross braces can have a substantially triangular cross section.
  • the transverse struts can also be suitable for distributing the impact energy more evenly over the pressure vessels and for aligning the pressure vessels in the event of a deformation.
  • the pressure vessel system can also include at least one body connection element for mechanically coupling the plurality of pressure vessels to the vehicle body.
  • the body connection can be set up to enable the several pressure vessels to be displaced into the assembly air gap in order to convert the impact energy.
  • the at least one body connection element is used for direct or indirect attachment of the pressure vessel to the body of the motor vehicle and can have any suitable shape.
  • the connection piece disclosed here or the body connection element is/are designed to transmit the (static and dynamic) forces and moments resulting from the pressure vessel itself during operation of the motor vehicle to the body.
  • the body connection element(s) can advantageously act on the respective end(s) of the pressure vessel.
  • the body connection element can be a carrier to which a plurality of pressure vessels are fastened.
  • the carrier can be connected to the body of the motor vehicle via body connection points.
  • the body connection element can be a side member or a cross member.
  • the body connection element can in particular be connected to the body in such a way that it can be displaced in the direction of the vertical axis of the vehicle. For this it can over Floating bearings may be connected to the body or have predetermined breaking points that allow a shift in the direction of the vehicle's vertical axis from a threshold value.
  • the pressure vessel system can also have at least one fuel line system which is connected to the plurality of pressure vessels (100) and which is fluidly connected to at least one fuel consumer, e.g. a fuel cell stack or an internal combustion engine.
  • the fuel line system can be set up to enable the multiple pressure vessels to be displaced into the assembly air gap in order to convert the impact energy, in particular in such a way that there is little or no escape of fuel into the environment during the displacement.
  • provision can be made, for example, for the displacement of the pressure vessels in the direction of the vertical axis of the vehicle to be compensated for by flexible or elastically deformable line sections.
  • any pipe rupture safety devices also known as excessive flow valves, prevent fuel from escaping from destroyed fuel lines.
  • the fuel power system includes a fuel rail to which the plurality of pressure vessels are connected.
  • the fuel rail may also be referred to as a high pressure fuel rail. It is regularly provided upstream from the (high-pressure) pressure reducer.
  • such a fuel rail can be configured similarly to a high-pressure injection rail of an internal combustion engine.
  • the fuel rail expediently comprises a number of rail connections for direct parallel connection of the pressure vessels without any additional connecting line.
  • the individual strip connections are advantageously provided directly on the strip housing and/or all have the same spacing from one another.
  • the fuel rail is suitably designed to withstand substantially the same pressures as the pressure vessel(s) connected to the fuel rail.
  • the multiple pressure vessels are in fluid communication with one another or with one another without interruption.
  • “uninterrupted” means that no valve is provided between the individual pressure vessels that would interrupt this fluid connection during error-free operation.
  • the fuel pressure in the various pressure vessels generally has essentially the same value.
  • the fuel rail is not made from a special housing, but instead is made from a fuel line or a fuel pipe, preferably a metal pipe and particularly preferably a stainless steel pipe.
  • the strip connections can be designed as thickened areas of the fuel line.
  • the fuel rail can, expediently in each case between two rail connections, comprise curved partial areas to compensate for changes in the position of the pressure vessels.
  • these partial areas of the fuel strip which are formed by the bent fuel strip, can deform essentially elastically.
  • the shape or course of the fuel line is designed precisely for this purpose in the curved sub-area.
  • the at least one fuel rail and the at least one body connection element can each clamp a plurality of pressure vessels.
  • At least one thermally activatable pressure relief device can be used directly without further Line sections to be connected to the at least one fuel rail disclosed here.
  • at least one thermally activatable pressure relief device can be provided on the at least one pressure vessel and preferably on each of the pressure vessels, preferably on the distal end(s) with respect to the fuel-carrying section or on the proximal end(s) or at both ends.
  • the pressure relief devices that can be activated thermally can be provided in the connection pieces and/or corresponding end pieces at the opposite ends of the pressure vessels.
  • TPRD Thermal Pressure Relief Device
  • At least one valve unit can be connected to the fuel rail directly and without further line sections, the valve unit comprising at least one normally closed valve.
  • the plurality of pressure vessels are particularly preferably fluidly connected to the valve during functional operation of the motor vehicle.
  • the valve is the valve whose inlet pressure is (substantially) equal to the pressure of the multiple pressure vessels.
  • the valve is in particular a controllable or regulatable valve.
  • EU Commission Regulation
  • EC Regulation
  • a tank shut-off valve is also used as the first valve designated.
  • the valve is used, among other things, in normal operation, the fluid connection between the individual pressure vessels and the downstream components To interrupt the fuel supply system, for example if the motor vehicle is in a parked state and/or if a malfunction has been detected and the fluid connection is to be interrupted for safety. As a rule, no normally closed valves are provided between the fuel storage volume of the pressure vessel and the rail connections.
  • the technology disclosed herein also relates to a motor vehicle having the pressure vessel system disclosed herein.
  • An underfloor area of the motor vehicle can be divided into different underfloor installation areas by at least one carrier. Such carriers can be provided in order to transfer the loads introduced into the motor vehicle in the event of a side impact to the opposite rocker panel.
  • a fuel rail can be provided on or in several or all underfloor installation areas, to which the pressure tanks arranged in the respective underfloor installation area are connected. In one embodiment, it can be provided that, depending on the customer's wishes, the individual underfloor installation areas are equipped with high-voltage batteries or with pressure vessel systems.
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel system for an underfloor installation space.
  • the underfloor installation space can be used equally for high-voltage batteries and for pressure vessels.
  • pressure vessels are naturally designed for high internal pressure and therefore have a comparatively more robust outer wall.
  • the pressure vessels are able (generally better than batteries) to withstand external mechanical loads, especially if these are flat.
  • the (soil) gap between the floor plate and the pressure vessels can preferably be completely (or partially) filled.
  • the pressure vessel can therefore carry the load from the first millimeter when the bollard touches the base plate and thus reduces the penetration depth for the same kinetic impact energy compared to the prior art (cf. FIG. 1; base plate and air gap).
  • this gap can also be used to dissipate energy if the pressure vessel suspension is designed in such a way that it allows this.
  • the gap or the upper "assembly space” can also be filled with a load-distributing (ceiling) layer. As a result, more energy can be dissipated and the impact of the pressure vessel on the upper limit of the underfloor installation space can be softened or distributed over a large area. The relocation of the pressure vessel can also allow a greater energy dissipation distance.
  • shape-adapted (approximately triangular) cross struts can be used at least on the bottom side between all pressure vessels.
  • the triangular cross braces can now be used on the one hand to reduce the width to be spanned compared to the prior art (e.g. by a factor of 3 to 4) and at the same time a support on the pressure vessels can also take place here, as described above, so that the counterforce is stronger with the penetration depth increases and the maximum penetration depth is thus reduced.
  • the bottom plate and the intermediate load-sharing layers can also be formed in one piece.
  • the load-distributing intermediate layer can include technical foams, such as those used in bicycle helmets.
  • the foam preferably has auxetic properties in order to offer a particularly high level of resistance to an impactor and to distribute the impact over a larger area.
  • sandwich panels with metal cover layers and a foam core can be used. In particular, these sandwich panels can already have the triangular structures.
  • a type of "corrugated cardboard in aluminum” can be used under the pressure tanks.
  • the pressure vessels can be glued to the base plate with an elastic adhesive as an intermediate layer. Preferably between the triangular cross members.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic view of an embodiment of the technology disclosed herein;
  • FIG. 3 shows a further schematic view of the embodiment according to FIG. 2;
  • 5 shows a schematic view of a further embodiment
  • 6 shows a schematic view of a further embodiment
  • FIG. 7 is a schematic view of an underfloor area of a
  • FIG. 8 shows a schematic view of an underfloor area of a motor vehicle according to a further embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the technology disclosed herein. Shown here are three pressure vessels 100, each comprising a liner 110 and a fiber-reinforced layer 120.
  • the three pressure vessels 100 are of the same size and are provided parallel to one another in the underfloor area of a motor vehicle (not shown).
  • the pressure vessels 100 are shown in their installed position. Instead of three pressure vessels 100, any larger number of pressure vessels 100 could also be provided in the underfloor area.
  • the pressure vessels 100 are provided between two beams 500 . These supports 500 form the structure of the vehicle body. For example, they can be part of the body of the motor vehicle.
  • a pressure vessel assembly comprising at least the pressure vessels 100 and expediently also the load-distributing bottom layer 720 is installed in the space formed by the two supports 500 .
  • the carriers 500 are also part of the pressure vessel assembly, with the pressure vessel assembly being able to be installed as a whole in the body of the vehicle.
  • the vehicle interior (not shown) is delimited here by the upper underfloor covering 600 from the underfloor area.
  • the upper underfloor cover 600 can be formed, for example, by a wall of a housing of the pressure vessel assembly. Alternatively, the upper underfloor cover can be part of the bodywork of the be motor vehicle.
  • the upper underfloor cover 600 and the lower base plate 700 are flat here and cover the pressure vessel 100 and the carrier 500.
  • the pressure vessels 100 are aligned here essentially parallel to the longitudinal axis X of the vehicle.
  • the pressure vessel 100 and the carrier 50 could be installed in the direction of the vehicle transverse axis.
  • the pressure vessels 100 are provided equidistant from the lower floor panel 700 and from the upper underfloor cover 600 here.
  • the lower floor panel 700 and the upper underfloor covering 600 are here formed parallel to the vehicle underbody. But this does not have to be the case.
  • the lower base plate 700 and the upper underfloor covering 600 could run differently, adapted to the installation situation.
  • a load-distributing floor layer 700 is formed on the lower floor panel 700 .
  • the floor layer 720 has a layer thickness D that is at least 5 times or at least 10 times thicker than the lower floor panel 700.
  • the load-distributing floor layer 720 has at least 10 times or at least 20 times greater stiffness against deformation in the direction of the vehicle vertical axis Z than the lower floor panel 700.
  • FIG. 2 shows the floor gap BS and the assembly air gap ML.
  • the floor gap BS quantifies the minimum distance between the pressure vessels 100 and the inside of the lower floor plate 700. If the pressure vessels 100 are at different distances from the load-distributing floor layer 700, different floor distances BS result.
  • the assembly air gap ML is required for the assembly of the pressure vessel 100 and is therefore provided in any case.
  • FIG. 3 shows the pressure vessel system of FIG. 2 in a state after the lower base plate 700 had placed on an object, for example a street bollard. As a result of the impact, the lower floor panel 700 was deformed from its initial position (shown in dashed lines) due to the forces acting locally and essentially in the direction of the vehicle vertical axis Z, which result from the impact.
  • the base plate 700 together with the load-distributing base layer 720 moves upwards in the direction of the vehicle's vertical axis Z toward the plurality of pressure vessels 100 and makes contact with them.
  • the pressure vessels 100 are of such a robust design that they can absorb and transmit the forces or impact energy transmitted by the load-distributing base plate 720 without further damage.
  • the impact here causes the load-distributing base plate 720 to push the pressure vessel 100 essentially in the direction of the vehicle vertical axis Z into the assembly air gap ML. This displacement further converts the forces resulting from the impact and the impact energy. If necessary, the pressure vessels can transfer the forces and the impact energy to the upper underfloor covering 600 over a large area.
  • an upper load-distributing cover layer 620 can expediently be provided for this purpose (not shown, cf. FIG. 4).
  • this load-distributing cover layer 620 can be set up to convert the impact energy acting on this layer as well as possible.
  • the layer can have an elastic intermediate layer, for example.
  • the load-distributing cover layer 620 can be set up to distribute the impact energy transmitted by the pressure vessels 100 even more evenly, so that the surface pressure resulting from the impact energy, with which the upper cover layer 620 presses on the upper underfloor cover 600, becomes even more even.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the technology disclosed here. Only the differences from the previous embodiment are explained below and otherwise reference is made to the previous description.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the load-distributing floor layer 720 has receiving troughs. A pressure vessel 100 is at least partially accommodated in each receiving trough. The space requirement can thus advantageously be reduced with the same rigidity of the load-distributing floor layer 720 . Furthermore, the receiving troughs guide the pressure vessels 100 at least a little when they are displaced in the direction of the vertical axis Z of the vehicle. 5 shows a schematic cross-sectional view of a further embodiment. Only the differences or additions to the previous embodiments are explained below. Otherwise, reference is made to the previous description.
  • the fuel rail 200 is essentially linear here and includes three rail connections 210 via which the three pressure vessels 100 are fluidly connected to one another without interruption. Not shown are any other components such as a pipe rupture valve or a thermally activatable pressure relief valve.
  • a connection piece 130 is led out of each pressure vessel 100 .
  • These connection pieces 130 are advantageously made of a metal alloy and are surrounded at least in regions by the fiber-reinforced layer 120 (cf. FIG. 1).
  • the fuel strip 200 is pressed here by means of clamping means 400, preferably with the interposition of support plates (not shown here), against the side surfaces of the areas of the connecting pieces 130 that are led out of the respective pressure vessel 100.
  • the sealing surfaces of the fittings 130 are aligned by the strip fittings 210 at the same time.
  • the body connection element 300 applies the counteracting forces. This also holds the fittings 130 in place.
  • Cross braces 710 protrude from the load-distributing floor layer 720 . These transverse struts 710 are used for additional reinforcement of the load-distributing floor layer 720.
  • a valve unit 220 is attached directly to the fuel rail 200 on the side of the fuel rail 200 here.
  • a normally closed valve is provided in the valve unit 220, which prevents the fuel supply to the downstream components of the fuel supply system (eg the components of an anode subsystem of a fuel cell system).
  • a pressure reducer is provided adjacent to the valve unit 220 or in the valve unit 220, which reduces the pressure to a medium-pressure area (usually to a value between 5 bar and 50 bar) lowers.
  • a medium-pressure area usually to a value between 5 bar and 50 bar
  • an extraction line connection 202 Leading out of the valve unit 220 here is an extraction line connection 202, which can be connected, for example, to the extraction line (not shown).
  • a refueling line connection 204 is provided here, which can be connected to a refueling line.
  • further fuel rails or other elements could also be directly coupled there.
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a further embodiment. Only the most important differences from the previous exemplary embodiments are explained in more detail below. Otherwise, reference is made to the explanations for the other figures.
  • An alternative course of the fuel rail 200 is shown in dotted lines. Instead of a straight fuel rail 200 whose rail connections lie on the axis AA, the fuel rail 200 could have curved sections which are at least partially spaced from the axis AA.
  • the fuel rail may not be straight but snake-shaped, meander-shaped or zigzag-shaped.
  • changes in position can thus be better compensated for by elastic deformations.
  • the fuel rail 200 includes a further pressure relief connection for connecting the thermally activatable pressure relief device 240 . If a thermal event occurs, the pressure relief device 240 is triggered and the pressure in all three pressure vessels 100 is relieved. It can preferably be provided that at the ends of the fuel rail 200, in particular at or in the line connections 202, 204 and/or in the valve unit 220, a pipe rupture protection is provided, which should prevent the fluid connection to the adjacent components of the fuel supply system from the motor vehicle
  • the fuel rail 200 may additionally include another valve assembly 230 (shown in phantom) that may be provided at the other end of the fuel rail 200 .
  • a check valve for example, can be provided in this valve unit 230, which prevents the backflow of fuel into the upstream region of the refueling path.
  • thermally activatable pressure relief devices 240 are also provided on the ends facing away from the connecting pieces 130, at least on every third or at least on every second pressure vessel 100.
  • the carriers 500 which subdivide the individual underfloor installation spaces, are shown schematically here.
  • the left-hand beam 500 here extends downwards from the floor 600 of the motor vehicle.
  • the refueling line connection 204 is provided here oriented downwards.
  • FIG. 7 shows a plan view of an underfloor area of a motor vehicle.
  • the supports 500 divide the underfloor area into different underfloor installation areas.
  • the underfloor installation areas are essentially the same size here.
  • the individual supports 500 extend here in the transverse direction of the vehicle from one side sill to the other side sill and contribute significantly to the rigidity of the body structure.
  • a pressure tank system is provided in the right underfloor installation area.
  • the pressure vessel system comprises three pressure vessels 100 which are provided between two carriers 500.
  • the pressure vessels 100 are arranged parallel to each other and parallel to the carriers 500 .
  • One end of the pressure vessels 100 is connected to the fuel rail 200 via a connection piece 130 .
  • Thermally activatable pressure relief devices 240 are provided at the opposite end of the pressure vessel 100 .
  • the fuel rail 200 forms the fuel-carrying section.
  • a fuel line 270 is connected to one end of the fuel rail 200 and serves as a refueling line and is connected to the fuel tank coupling (not shown) of the motor vehicle.
  • the valve unit 220 with the normally closed valve is provided at the other end of the fuel rail 200 .
  • the normally closed valve is regulated or controlled by a control unit of the motor vehicle.
  • the valve unit 220 is fluidly connected to a pressure reducer 290 via a fuel line 270 .
  • a further fuel line 270 is provided downstream of the pressure reducer 290 and leads to the energy converter (not shown) of the motor vehicle.
  • additional pressure vessels and additional fuel rails 200 can be provided in the additional underfloor installation areas, the same as those shown Pressure vessels are fluidly connected in series or in parallel. It is also conceivable that high-voltage storage batteries are provided in one or more underfloor installation areas. It is also conceivable that the same vehicle architecture could be used for a purely battery-powered motor vehicle without a pressure vessel system.
  • FIG. 8 shows a further plan view of an underfloor area of a motor vehicle.
  • four fuel rails 200 are provided, with one fuel rail 200 each having three pressure vessels 100 being arranged in an underfloor area.
  • the fuel rails 200 are connected in series here and are each connected to one another by means of fuel lines 270 .
  • the fuel lines 270 are routed around the supports 500 .
  • a valve unit 220 is provided between the pressure reducer 290 and the fuel rails 200, which also contains the normally closed valve and shuts off all the pressure vessels 100 provided in the underfloor area from the rest of the fuel supply system. Only one fuel rail 200 of the four fuel rails 200 is connected to a fuel line 270 serving as a refueling line.
  • the two middle fuel rails 200 are only connected to adjacent fuel rails 200 .
  • the term “essentially” includes the exact property or value (e.g. "perpendicular") as well as deviations that are irrelevant for the function of the property/value (e.g. "tolerable deviation from vertical”).
  • any number of pressure vessels 100 can be provided in a pressure vessel assembly.
  • a fuel rail 200 can extend over the entire underfloor area.
  • separate fuel lines 270 can also be formed from a fuel rail 200 , for example by routing the fuel rail 200 around a carrier 500 .
  • the fuel rail 200 as discussed in connection with FIG. 6, can also be provided in the configurations according to the other figures. It is also conceivable that load-distributing floor layers with or without troughs can be used in all configurations. In addition to the body connection elements 300 explained here and the fuel line system explained here, a completely different fuel line system can also be used.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Druckbehältersystem. Das Druckbehältersystem umfasst mehrere Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff und mindestens eine lastverteilende Bodenschicht (720). Die lastverteilende Bodenschicht (720) ist vorteilhaft zwischen einer unteren Bodenplatte 700 und den mehreren Druckbehältern (100) angeordnet. Die lastverteilende Bodenschicht (720) ist eingerichtet, lokal auf die untere Bodenplatte (700) angreifende Kräfte F, die im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse Z auf die untere Bodenplatte (700) einwirken, auf die mehreren Druckbehälter (100) zu verteilen.

Description

Druckbehältersystem mit lastverteilende Bodenschicht
Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit Druckbehältern bekannt. l.d.R. sind pro Kraftfahrzeug bis zu drei große Druckbehälter vorgesehen. Solche Druckbehälter lassen sich aufgrund ihrer Ausmaße vergleichsweise schlecht in ein Kraftfahrzeug integrieren. Es gibt ferner Fahrzeugkonzepte, bei denen deutlich mehr Druckbehälter in das Kraftfahrzeug integriert werden, wobei jeder einzelne Druckbehälter im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. In der Fig. 1 ist ein solches System gezeigt. Die mehreren Druckbehälter 10 sind zwischen den Trägern 50 der Karosserie angeordnet. An der Unterseite des Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) ist ein Unterbodenblech 70 vorgesehen.
Eine mögliche mechanische Belastung des Druckbehältersystems kann dadurch entstehen, dass das Kraftfahrzeug auf einen Straßenpoller aufsetzt. Das Aufsetzen des Unterbodenblechs 70 auf einen Poller bewirkt eine im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse Z und lokal wirkende Kraft F. Die durch den Aufprall erzeugte Aufprallenergie des Pollers führt dazu, dass das Unterbodenblech 70 wie das Fell einer Pauke unter dem Schlägel oder wie ein Trampolin unter einem Trampolinspringer verformt und gespannt wird (vgl. gestrichelt gezeigtes Unterbodenblech 70‘). Durch das Spannen des Unterbodenblechs 70 sowie dessen plastische und elastische Verformung wird die Aufprallenergie umgewandelt. Das Unterbodenblech 70 ist vergleichsweise weit von den Druckbehältern 10 beabstandet, damit die Aufprallenergie nicht auf die Druckbehälter 10 übertragen wird.
U.a. nachteilig an dieser Lösung ist, dass vergleichsweise viel Bauraum im Unterflurbereich für die Aufnahme der Aufprallenergie benötigt wird, der nicht zur Speicherung von Brennstoff genutzt werden kann. Somit verringert sich bei gleichem Bauraum die erzielbare Reichweite des Kraftfahrzeugs.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein vergleichsweise einfaches, kostengünstiges, sicheres, leichtes und/oder bauraumoptimiertes Druckbehältersystem vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 . Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Druckbehältersystem umfasst mehrere Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Das Druckbehältersystem umfasst ferner mindestens eine lastverteilende Bodenschicht. Die lastverteilende Bodenschicht ist vorteilhaft zwischen einer unteren Bodenplatte und den mehreren Druckbehältern angeordnet. Die lastverteilende Bodenschicht kann eingerichtet sein, lokal auf die untere Bodenplatte angreifende Kräfte, die im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse auf die Bodenplatte einwirken, auf die mehreren Druckbehälter zu verteilen.
Die Fahrzeughochachse ist dabei die Richtung, die sich in der Gebrauchslage des Kraftfahrzeugs senkrecht zum Untergrund erstreckt. Die Fahrzeuglängsachse verläuft in Fahrtrichtung und die Fahrzeugquerachse läuft in Querrichtung. Alle drei Fahrzeugachsen sind senkrecht zueinander angeordnet.
Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Das Druckbehältersystem ist mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, z.B. eine Brennstoffzelle oder eine Brennkraftmaschine.
Die Druckbehälter können beispielsweise ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Die Druckbehälter können kreisförmige oder ovale Querschnitte aufweisen. Beispielsweise können mehrere Druckbehälter vorgesehen sein, deren Längsachsen in der Einbaulage parallel zueinander verlaufen. Die einzelnen Druckbehälter können jeweils ein Länge-zu-Durchmesser- Verhältnis mit einem Wert zwischen 4 und 200, bevorzugt zwischen 5 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 6 und 50 aufweisen. Das Länge-zu- Durchmesser-Verhältnis ist der Quotient aus der Gesamtlänge der einzelnen Druckbehälter (z.B. Gesamtlänge eines Speicherrohrs ohne Fluidverbindungselemente) im Zähler und dem größten Außendurchmesser des Druckbehälters im Nenner. Die einzelnen Druckbehälter können unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand zueinander von weniger als 20 cm oder weniger als 15 cm oder weniger als 10 cm oder weniger als 5 cm. Die mehreren Druckbehälter können jeweils an einem oder an beiden Enden mechanisch miteinander gekoppelt sein. Vorteilhaft kann ferner vorgesehen sein, dass an beiden Enden jeweils für die mehreren Druckbehälter gemeinsame Karosserieanbindungselemente vorgesehen sind, mittels derer die Druckbehälter im Kraftfahrzeug befestigbar sind. Ein solches System eignet sich besonders für flache Einbauräume, insbesondere im Unterflurbereich unterhalb des Fahrzeuginnenraums. In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die mehreren Druckbehälter zusammen mit der hier offenbarten mindestens einen lastverteilenden Bodenschicht und/oder der/den Karosserieanbindungselement(en) eine Druckbehälterbaugruppe aus. Zweckmäßig kann die Druckbehälterbaugruppe in einem Gehäuse aufgenommen sein. Eine solche Druckbehälterbaugruppe (ggfls. mit Gehäuse) wird regelmäßig als ein Bauteil in das Kraftfahrzeug integriert. Die gesamte Druckbehälterbaugruppe kann also in einem Montageschritt in ein Kraftfahrzeug montierbar sein. Die untere Bodenplatte wird auch als Bodenblech bezeichnet und bildet i.d.R. zumindest bereichsweise zum Untergrund hin die Außenhülle des Kraftfahrzeugs aus. Sie schützt das Kraftfahrzeug vor Umwelteinflüsse wie beispielsweise Spritzwasser, etc. Die Bodenplatte ist regelmäßig keine eben ausgebildete Platte sondern ein an die Unterbodengruppe bzw. Unterbodengeometrie angepasstes Blech. In der Regel weist die untere Bodenplatte eine Wandstärke von ca. 1 mm bis ca. 8 mm, bevorzugt von ca.
1 ,5 mm bis ca. 4 mm auf. Vorteilhaft ist das Bodenblech aus Stahl bzw. einer Stahllegierung hergestellt.
Die untere Bodenplatte und die lastverteilende Bodenschicht können einstückig bzw. integral ausgebildet sein. Hierzu können beispielsweise Komponenten des so ausgebildeten Bauteils aus demselben Material hergestellt sein und/oder stoffschlüssig verbunden sein. In einer Ausgestaltung können die Druckbehälter in der Einbaulage direkt an der lastverteilenden Bodenschicht befestigt sein und diese berühren. Beispielsweise können die Druckbehälter an die Bodenschicht geklebt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der lastverteilenden Bodenschicht Aufnahmemulden vorgesehen, wobei in jeder Aufnahmemulde jeweils ein Druckbehälter zumindest teilweise aufgenommen ist. Die Aufnahmemulden verringern bei gleicher Steifigkeit der Bodenschicht den Bauraumbedarf und dienen bei einer durch einen Aufprall verursachten Deformation zumindest teilweise als Führungselement.
Vorteilhaft kann das Druckbehältersystem eingerichtet sein, die Aufprallenergie (je nach Höhe der Aufprallenergie), die von außen - also vom Fahrbahnuntergrund her - auf die untere Bodenplatte einwirkt, zumindest teilweise über die mehreren Druckbehälter auf die obere Unterflurabdeckung zu übertragen. Bevorzugt wird zumindest ein Teil der Aufprallenergie von der unteren Bodenplatte und/oder von der lastverteilenden Bodenschicht umgewandelt und der Rest wird im Wesentlichen auf die obere Unterflurabdeckung übertragen. Vorteilhaft ist also vorgesehen, dass die Aufprallenergie nicht im Bodenspalt vollständig abgebaut wird. Stattdessen ist gemäß der hier offenbarten Technologie vorgesehen, dass der auf die mehreren Druckbehälter einwirkende Anteil der Aufprallenergie von den mehreren Druckbehältern auf die obere Unterflurabdeckung übertragen wird. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Druckbehältersystem, insbesondere die lastverteilende Bodenschicht und die mehreren Druckbehälter, eingerichtet ist, zur zumindest teilweisen Umwandlung und/oder zur zumindest teilweisen Weiterleitung der Aufprallenergie eine Verschiebung der mehreren Druckbehälter in Richtung der Fahrzeughochachse in den Montageluftspalt hinein zuzulassen.
Ein Druckbehälter der mehreren Druckbehälter, der unmittelbar im Bereich der lokal angreifenden Kräfte vorgesehen ist, kann als lokaler bzw. proximaler Druckbehälter bezeichnet werden. Wäre die lastverteilende Schicht nicht vorgesehen, so würden die lokal angreifenden Kräfte lediglich über die untere Bodenplatte auf den proximalen Druckbehälter übertragen, falls die Aufprallenergie nicht schon im Bodenspalt umgewandelt würde (vgl. Fig. 1 ). Unmittelbar neben diesem proximalen Druckbehälter sind i.d.R. auf beiden Seiten weitere Druckbehälter angeordnet, die auch als unmittelbar benachbarte bzw. distale Druckbehälter bezeichnet werden. Zweckmäßig kann die lastverteilende Bodenschicht die lokal an die untere Bodenplatte angreifenden äußeren Kräfte derart auf die mehreren Druckbehälter verteilen, dass die lokal angreifenden Kräfte sowohl auf den proximalen Druckbehälter als auch auf die distalen Druckbehälter aufgeteilt werden. Dies ist die lastverteilende Wirkung der lastverteilenden Bodenschicht. Bevorzugt ist die lastverteilende Bodenschicht derart ausgebildet, dass mindestens 20% oder mindestens 45% oder mindestens 70% der aus dem Aufprall resultierende Kräfte bzw. dass mindestens 20% oder mindestens 45% oder mindestens 70% der aus dem Aufprall resultierende Aufprallenergie auf unmittelbar benachbarte Druckbehälter der mehreren Druckbehälter übertragen wird.
Die obere Unterflurabdeckung kann beispielsweise von einer Oberseite eines Gehäuses des Druckbehältersystems ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die obere Unterflurabdeckung ein Abschnitt der Kraftfahrzeugkarosserie sein, beispielsweise eine Wand, die den Fahrzeuginnenraum vom Unterflurbereich abgrenzt. Diese Wand kann beispielsweise aus Blechen und strukturverstärkenden Elementen ausgebildet werden. Die Unterflurabdeckung kann ganz oder teilweise geschlossen sein. Beispielsweise können auch mehrere Trägerabschnitte die Unterflurabdeckung ausbilden.
Das Druckbehältersystem kann ferner zur gleichmäßigeren Verteilung der von außen auf die untere Bodenplatte einwirkende Aufprallenergie eine lastverteilende Deckenschicht umfassen. Die lastverteilende Deckenschicht ist die i.d.R. im Montageluftspalt vorgesehen. Die lastverteilende Deckenschicht kann insbesondere eingerichtet sein, den Anteil der Aufprallenergie, der von mindestens einen Druckbehälter auf die Deckenschicht übertragen wird, gleichmäßiger auf die obere Unterflurabdeckung zu übertragen. Bevorzugt sind die lastverteilende Deckenschicht und die obere Unterflurabdeckung einstückig bzw. integral ausgebildet. Hierzu können die Deckenschicht und die Unterflurabdeckung aus demselben Material hergestellt sein und/oder stoffschlüssig verbunden sein. In der Einbauposition im Kraftfahrzeug ist zweckmäßig ein Montageluftspalt (oberhalb der Druckbehälter) zwischen den Druckbehältern und einer oberen Unterflurabdeckung zumindest bereichsweise vorgesehen, der die Druckbehälter in Richtung der Fahrzeughochachse von der oberen Unterflurabdeckung beabstandet. Zwischen den mehreren Druckbehältern und der unteren Bodenplatte kann ein Bodenspalt ausgebildet sein. In diesem Bodenspalt ist die lastverteilende Bodenschicht vorgesehen. Die lastverteilende Bodenschicht bzw. die lastverteilende Deckenschicht kann den Bodenspalt bzw. den Montageluftspalt zumindest teilweise und bevorzugt ganz ausfüllen. Die Schichtdicke der lastverteilenden Bodenschicht bzw. der lastverteilenden Deckenschicht kann zumindest bereichsweise mindestens 50 % oder mindestens 80% der Spaltbreite des minimalen Bodenspalt bzw. des minimalen Montageluftspaltes betragen.
Die lastverteilende Bodenschicht, die lastverteilende Deckenschicht und/oder die untere Bodenplatte Überspannen bzw. bedecken die mehreren Druckbehälter. Bevorzugt Überspannen bzw. bedecken die lastverteilende Bodenschicht, die lastverteilende Deckenschicht und/oder die untere Bodenplatte mindestens 60% oder mindestens 80% der Mantelfläche der mehreren Druckbehälter.
Die lastverteilende Bodenschicht, die lastverteilende Deckenschicht und/oder die untere Bodenplatte kann/können jeweils zwei Seiten aufweisen, die jeweils eine Oberfläche von ca. 0,3 m2 bis ca. 4 m2 oder von ca. 1 m2 bis ca. 3 m2 aufweisen.
Die Schichtdicke, insbesondere die mittlere Schichtdicke oder die minimale Schichtdicke, der lastverteilenden Bodenschicht und/oder der lastverteilenden Deckenschicht kann mindestens 3 mm oder mindestens 8 mm oder mindestens 10 mm oder mindestens 15 mm oder mindestens 20 mm betragen. Die Schichtdicke der lastverteilenden Bodenschicht ist vorteilhaft mindestens um den Faktor 115 oder mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 2,5 dicker ist als die Schichtdicke der untere Bodenplatte. In einer Ausgestaltung ist die lastverteilende Bodenschicht genauso dick wie die untere Bodenplatte. Die lastverteilende Bodenschicht kann eine Steifigkeit gegen Verformung in Richtung der Fahrzeughochachse Z aufweisen, die mindestens um den Faktor 10 oder mindestens um den Faktor 20 höher ist als die entsprechende Steifigkeit der unteren Bodenplatte.
Die lastverteilende Bodenschicht und/oder die lastverteilende Deckenschicht kann ein geschäumtes Material umfassen, besonders bevorzugt einen Metallschaum. Ein solches Material weist eine vorteilhafte Steifigkeit für die Lastverteilung bei geringem Eigengewicht auf. Metallschaum weist überdies vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um bei lokalen thermischen Ereignissen die lokal auftretende Wärmenergie zu einer thermischen Druckentlastungseinrichtung zu transportieren. Hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eine thermische Druckentlastungseinrichtung mit der lastverteilenden Bodenschicht und/oder der lastverteilenden Deckenschicht zum Zweck der thermischen Druckentlastung wärmeleitend verbunden ist. Die lastverteilende Bodenschicht und/oder die lastverteilende Deckenschicht kann ein auxetisches Material umfassen. Ein solches Material ist besonders gut für die hier offenbarte Lastverteilung auf eine größere Fläche geeignet. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die lastverteilende Bodenschicht und/oder die lastverteilende Deckenschicht intumeszentes Material umfassen. Zweckmäßig kann das intumeszente Material eine Materialschicht sein, die vorteilhaft auf der den Druckbehältern zugewandten Innenseite der lastverteilenden Bodenschicht und/oder der lastverteilenden Deckenschicht vorgesehen ist. Vorteilhaft lassen sich somit die Auswirkungen von thermischen Events reduzieren. Die lastverteilende Bodenschicht und/oder die lastverteilende Deckenschicht kann eine Sandwich-Struktur, eine Fachwerkstruktur und/oder eine Wabenstruktur umfassen. Ein solcher Aufbau ermöglicht eine vergleichsweise gute Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Eigengewicht.
Die lokal auf die untere Bodenplatte angreifenden Kräfte, die im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse auf die Bodenplatte einwirken, können insbesondere Kräfte sein, die aus dem Aufprall auf bzw. Zusammenstoß mit einem Straßenpoller resultieren. Im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse wirkende Kräfte sind Kräfte, die in Richtung der Fahrzeughochachse wirken oder nur mit vernachlässigbarer Abweichung zur Fahrzeughochachse wirken. Neben den Kräften in Fahrzeughochachse können überlagernd noch Kräfte in andere Richtungen (z.B. Fahrzeugquerachse bzw. Fahrzeuglängsachse) sowie Momente in allen Richtungen auftreten. Vorteilhaft ist die lastverteilende Bodenschicht ebenfalls eingerichtet, die Kräfte in andere Richtungen und etwaige Momente auf die mehreren Druckbehälter zu verteilen.
Das Druckbehältersystem kann ferner mehrere Querstreben aufweisen. Die Querstreben erstrecken sich parallel zu den mehreren Druckbehältern. Bevorzugt sind die Querstreben zumindest bereichsweise und zumindest teilweise in von unmittelbar benachbarten Druckbehältern ausgebildete Zwischenbereiche angeordnet. Die Querstreben können an die lasttragende Bodenschicht befestigt sein. Alternativ können die Querstreben einstückig mit der lasttragenden Bodenschicht ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Querstreben an der lasttragenden Deckenschicht vorgesehen sein. Die Querstreben können vorteilhaft die lasttragende Bodenschicht weiter versteifen, ohne dass dazu zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Ferner kann diese zusätzliche Versteifung bei vergleichbar geringem Eigengewicht erzielt werden. Die Querstreben können einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Auch die Querstreben können geeignet sein, die Aufprallenergie gleichmäßiger auf die Druckbehälter zu verteilen und die Druckbehälter bei einer Deformation auszurichten.
Das Druckbehältersystem kann ferner mindestens ein Karosserieanbindungselement zur mechanischen Kopplung der mehreren Druckbehälter an die Fahrzeugkarosserie umfassen. Die Karosserieanbindung kann eingerichtet sein, zur Umwandlung der Aufprallenergie eine Verschiebung der mehreren Druckbehälter in den Montageluftspalt hinein zu ermöglichen. Das mindestens eine Karosserieanbindungselement dient zur direkten oder indirekten Befestigung des Druckbehälters an die Karosserie des Kraftfahrzeugs und kann jede geeignete Gestalt aufweisen. Das hier offenbarte Anschlussstück bzw. das Karosserieanbindungselement ist/sind ausgebildet, die beim Betrieb des Kraftfahrzeugs aus dem Druckbehälter selbst resultierenden (statischen und dynamischen) Kräfte und Momente auf die Karosserie zu übertragen. Vorteilhaft kann das bzw. können die Karosserieanbindungselement(e) an dem/den jeweiligen Ende(n) der Druckbehälter angreifen. In einer Ausgestaltung kann das Karosserieanbindungselement ein Träger sein, an dem mehrere Druckbehälter befestigt sind. Der Träger kann seinerseits über Karosserieanbindungspunkte an die Karosserie des Kraftfahrzeugs angebunden sein. Beispielsweise kann das Karosserieanbindungselement ein Längsträger oder ein Querträger sein. Das Karosserieanbindungselement kann insbesondere derart an die Karosserie angebunden sein, dass es in Richtung der Fahrzeughochachse verschiebbar ist. Hierzu kann es über Loslager an die Karosserie angebunden sein oder Sollbruchstellen aufweisen, die ab einem Schwellwert eine Verschiebung in Richtung der Fahrzeughochachse ermöglichen.
Das Druckbehältersystem kann ferner mindestens ein mit den mehreren Druckbehältern (100) verbundenes Brennstoffleitungssystem aufweisen, das mit mindestens einem Brennstoffverbraucher, z.B. einem Brennstoffzellenstapel oder einer Brennkraftmaschine fluidverbunden ist. Das Brennstoffleitungssystem kann eingerichtet sein, zur Umwandlung der Aufprallenergie eine Verschiebung der mehreren Druckbehälter in den Montageluftspalt hinein zu ermöglichen, insbesondere derart, dass es während der Verschiebung zu keinem oder nur zu einem geringen Brennstoffaustritt in die Umgebung kommt. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verschiebung der Druckbehälter in Richtung der Fahrzeughochachse durch flexible bzw. elastisch verformbare Leitungsabschnitte kompensiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass etwaige Rohrbruchsicherungen, auch Excessive Flow Valves genannt, den Austritt von Brennstoff aus zerstörten Brennstoffleitungen unterbinden.
Bevorzugt umfasst das Brennstoffleistungssystem eine Brennstoffleiste, an die die mehreren Druckbehälter angeschlossen sind. Die Brennstoffleiste kann auch als Hochdruckbrennstoffleiste bezeichnet werden. Sie ist regelmäßig stromauf vom (Hochdruck-)Druckminderer vorgesehen.
Grundsätzlich kann eine solche Brennstoffleiste ähnlich ausgestaltet sein wie eine Hochdruckeinspritzleiste einer Brennkraftmaschine. Zweckmäßig umfasst die Brennstoffleiste mehrere Leistenanschlüsse zum direkten Parallelanschluss der Druckbehälter ohne weitere Verbindungsleitung. Vorteilhaft sind die einzelnen Leistenanschlüsse direkt am Leistengehäuse vorgesehen und/oder weisen alle denselben Abstand untereinander auf. Die Brennstoffleiste ist zweckmäßig ausgebildet, im Wesentlichen denselben Drücken standzuhalten wie der/die Druckbehälter, der/die an der Brennstoffleiste angeschlossen ist/sind. Die mehreren Druckbehälter sind untereinander bzw. miteinander unterbrechungsfrei fluidverbunden. „Unterbrechungsfrei“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen den einzelnen Druckbehältern kein Ventil vorgesehen ist, das im fehlerfreien Betrieb diese Fluidverbindung unterbrechen würde. Folglich weist der Brennstoffdruck in den verschiedenen Druckbehältern i.d.R. im Wesentlichen denselben Wert auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Brennstoffleiste nicht aus einem speziellen Gehäuse gefertigt, sondern wird stattdessen aus einer Brennstoffleitung bzw. einem Brennstoffrohr, bevorzugt einem Metallrohr und besonders bevorzugt aus einem Edelstahlrohr gefertigt. Die Leistenanschlüsse können als verdickte Bereiche der Brennstoffleitung ausgebildet sein. Die Brennstoffleiste kann, zweckmäßig jeweils zwischen zwei Leistenanschlüsse, gebogene Teilbereiche zur Kompensation von Lageänderungen der Druckbehälter umfassen. Hierzu können sich diese Teilbereiche der Brennstoffleiste, die durch die gebogene Brennstoffleiste ausgebildet werden, im Wesentlichen elastisch verformen. Die Form bzw. der Verlauf der Brennstoffleitung ist in dem gebogenen Teilbereich genau zu diesem Zweck gestaltet. Die mindestens eine Brennstoffleiste und das mindestens eine Karosserieanbindungselement können in einer Ausgestaltung jeweils mehrere Druckbehälter einklemmen. Vorteilhaft kann somit ein besonders einfaches, platzsparendes und kosteneffizientes Druckbehältersystem erzielt werden, welches leicht, zuverlässig und schnell montierbar ist. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung direkt ohne weitere Leitungsabschnitte an die hier offenbarte mindestens eine Brennstoffleiste angeschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann an den mindestens einen Druckbehälter und bevorzugt an jedem der Druckbehälter mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung vorgesehen sein, bevorzugt an dem/den mit Bezug auf den brennstoffführenden Abschnitt distalen Ende(n) oder an dem/den proximalen Ende(n) oder an beiden Enden. Beispielsweise können die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen in den Anschlussstücken und/oder entsprechenden Endstücken an den abgewandten Enden der Druckbehälter vorgesehen sein. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung, auch Thermal Pressure Relief Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt, ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch diese Druckentlastungseinrichtung der in den Druckbehältern gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen.
Mindestens eine Ventileinheit kann an der Brennstoffleiste direkt und ohne weitere Leitungsabschnitte angeschlossen sein, wobei die Ventileinheit mindestens ein stromlos geschlossenes Ventil umfasst. Besonders bevorzugt sind die mehreren Druckbehälter beim funktionsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs unterbrechungsfrei mit dem Ventil fluidverbunden. Das Ventil ist das Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Druck der mehreren Druckbehälter entspricht. Das Ventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares Ventil. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Typgenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet. Das Ventil dient u.a. dazu, im Normalbetrieb die Fluidverbindung zwischen den einzelnen Druckbehältern und den nachgelagerten Komponenten der Brennstoffversorgungsanlage zu unterbrechen, beispielsweise falls das Kraftfahrzeug einen geparkten Zustand einnimmt, und/oder falls eine Fehlfunktion detektiert wurde und die Fluidverbindung zur Sicherheit unterbrochen werden soll. Zwischen dem Brennstoffspeichervolumen der Druckbehälter und den Leistenanschlüssen sind i.d.R. keine stromlos geschlossenen Ventile vorgesehen.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit dem hier offenbarten Druckbehältersystem. Ein Unterflurbereich des Kraftfahrzeugs kann durch mindestens einen Träger in verschiedene Unterflureinbaubereiche unterteilt sein. Solche Träger können vorgesehen sein, um die bei einem Seitenaufprall in das Kraftfahrzeug eingebrachten Lasten auf den gegenüberliegenden Schweller zu übertragen. An oder in mehreren oder allen Unterflureinbaubereichen kann eine Brennstoffleiste vorgesehen sein, an die die im jeweiligen Unterflureinbaubereich angeordneten Druckbehälter angeschlossen sind. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass je nach Kundenwunsch, die einzelnen Unterflureinbaubereiche mit Hochvoltbatterien oder mit Druckbehältersystemen bestückt werden.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Druckbehältersystem für einen Unterflurbauraum. Der Unterflurbauraum kann gleichermaßen für Hochvolt-Batterien und für Druckbehälter nutzbar sein. Es gibt ein Bestreben, dass ein lokales Aufsetzen des Fahrzeugs (z.B. beim Herunterfahren einer entsprechend hoher Bordsteinkante) keinen Schaden an dem Druckbehältersystem verursacht. Anders als Hochvoltspeicher sind Druckbehälter naturgemäß auf einen hohen Innendruck ausgelegt und verfügen dadurch über eine vergleichsweise robustere Außenwand. Die Druckbehälter sind (im Allgemeinen besser als Batterien) in der Lage mechanische Belastungen von außen zu tragen, insbesondere wenn diese flächig erfolgen. Durch Einbringen einer lastverteilenden (Boden)Schicht zwischen (unterer) Bodenplatte und den Druckbehältern kann der (Boden)Spalt zwischen Bodenplatte und Druckbehältern bevorzugt ganz (oder teilweise) gefüllt werden.
Bei einem Pollerimpakt kann der Druckbehälter somit bei Berührung der Bodenplatte durch den Poller ab dem ersten Millimeter mittragen und reduziert somit für die gleiche kinetische Impaktenergie die Eindringtiefe verglichen mit dem Stand der Technik (vgl. Fig. 1 ; Bodenplatte und Luftspalt).
Der Spalt zwischen den Druckbehältern und der oberen Begrenzung (= obere Unterflurabdeckung) des Unterflurbauraums kann typischerweise als sogenannte "Montageluft" (=Montageluftspalt) vorgehalten werden. Im Fall eines Pollerimpakts kann dieser Spalt aber ebenfalls zum Energieabbau genutzt werden, wenn die Aufhängung der Druckbehälter so gestaltet wird, dass sie dies erlaubt. Der Spalt bzw. die obere "Montageluft" kann ebenfalls mit einer lastverteilenden (Decken)Schicht gefüllt werden. Dadurch kann mehr Energie abgebaut werden und der Anschlag der Druckbehälter an der oberen Begrenzung des Unterflurbauraums kann abgemildert bzw. flächig verteilt werden. Die Verlagerung der Druckbehälter kann darüber hinaus eine größere Energieabbaustrecke ermöglichen.
An Stelle weniger rechteckiger Querstreben können zwischen allen Druckbehältern formangepasste (etwa dreieckige) Querstreben zumindest untenseitig verwendet werden. Die dreieckigen Querstreben können nun einerseits dazu dienen, die zu überspannende Breite gegenüber dem Stand der Technik zu reduzieren (z.B. um den Faktor 3 bis 4) und zugleich kann hier ebenfalls wie oben beschrieben eine Abstützung auf den Druckbehältern stattfinden, so dass die Gegenkraft stärker mit der Eindringtiefe steigt und die maximale Eindringtiefe so reduziert wird. Die Bodenplatte und die lastverteilende Zwischenschicht können auch aus einem Teil ausgebildet sein.
Die lastverteilende Zwischenschicht kann technische Schäume umfassen, wie sie beispielsweise bei Fahrradhelmen eingesetzt werden. Bevorzugt weist der Schaum auxetische Eigenschaften auf, um so einem Impaktor besonders viel Widerstand entgegenzusetzen und den Impakt auf eine größere Fläche zu verteilen. Alternativ oder ergänzend können Sandwich- Paneele mit Metalldeckschichten und einem Schaumkern eingesetzt werden. Insbesondere können diese Sandwich-Paneele bereits die dreieckigen Strukturen aufweisen.
Um lokale Druckspitzen zu verteilen kann unter den Druckbehältern eine Art "Wellpappe in Alu" unter den Druckbehältern verwendet werden. Ergänzend oder alternativ können die Druckbehälter mit einem elastischen Klebstoff als Zwischenschicht auf die Bodenplatte geklebt werden. Bevorzugt zwischen den dreieckigen Querträgern.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie;
Fig. 3 eine weitere schematische Ansicht der Ausgestaltung gemäß der Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung; Fig. 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung;
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Unterflurbereichs von einem
Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Unterflurbereichs von einem Kraftfahrzeug gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Hier gezeigt sind drei Druckbehälter 100, die jeweils einen Liner 110 und eine faserverstärkte Schicht 120 umfassen. Die drei Druckbehälter 100 sind gleich groß und parallel zueinander im Unterflurbereich eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Druckbehälter 100 sind in ihrer Einbaulage gezeigt. Es könnten anstatt drei Druckbehälter 100 auch eine beliebig größere Anzahl an Druckbehälter 100 im Unterflurbereich vorgesehen sein. Die Druckbehälter 100 sind zwischen zwei Träger 500 vorgesehen. Diese Träger 500 bilden die Struktur der Fahrzeugkarosserie mit aus. Sie können beispielsweise Bestandteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs sein. Dann kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Druckbehälterbaugruppe umfassend zumindest die Druckbehälter 100 und zweckmäßig auch der lastverteilenden Bodenschicht 720 in den durch die beiden Träger 500 ausgebildeten Raum montiert wird. In einer anderen Ausgestaltung sind auch die Träger 500 Bestandteil der Druckbehälterbaugruppe, wobei die Druckbehälterbaugruppe als Ganzes in die Karosserie des Fahrzeugs einbaubar ist. Der Fahrzeuginnenraum (nicht gezeigt) wird hier durch die obere Unterflurabdeckung 600 gegenüber den Unterflurbereich abgegrenzt. Die obere Unterflurabdeckung 600 kann beispielsweise durch eine Wandung eines Gehäuses der Druckbehälterbaugruppe ausgebildet werden. Alternativ kann die obere Unterflurabdeckung ein Bestandteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs sein. Die obere Unterflurabdeckung 600 sowie die untere Bodenplatte 700 sind hier flächig ausgebildet und überdecken die Druckbehälter 100 sowie die Träger 500. Somit sind die Druckbehälter 100 sowie etwaige brennstoffführende Komponenten des Druckbehältersystems, die i.d.R. zwischen Trägern 500 angeordnet sein können, gegen Umwelteinflüsse geschützt. Die Druckbehälter 100 sind hier im Wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsachse X ausgerichtet. Ebenso könnten die Druckbehälter 100 und die Träger 50 in Richtung der Fahrzeugquerachse eingebaut sein. Die Druckbehälter 100 sind hier gleich weit beabstandet von der unteren Bodenplatte 700 und von der oberen Unterflurabdeckung 600 vorgesehen. Die untere Bodenplatte 700 und die obere Unterflurabdeckung 600 sind hier parallel zum Fahrzeuguntergrund ausgebildet. Dies muss aber nicht so sein. Gleichsam könnten untere Bodenplatte 700 und die obere Unterflurabdeckung 600 an die Einbausituation angepasst anders verlaufen. An der unten Bodenplatte 700 ist eine lastverteilende Bodenschicht 700 ausgebildet. Die Bodenschicht 720 weist eine Schichtdicke D auf, die mindestens um den Faktor 5 oder mindestens um den Faktor 10 dicker ist als die untere Bodenplatte 700. Die lastverteilende Bodenschicht 720 weist eine mindestens um den Faktor 10 oder mindestens um den Faktor 20 höhere Steifigkeit gegen Verformung in Richtung der Fahrzeughochachse Z auf als die untere Bodenplatte 700.
In der Fig. 2 weiter gezeigt sind der Bodenspalt BS sowie der Montageluftspalt ML. Der Bodenspalt BS beziffert den minimalen Abstand zwischen den Druckbehältern 100 und der Innenseite der unteren Bodenplatte 700. Sofern die Druckbehälter 100 unterschiedlich weit von der lastverteilenden Bodenschicht 700 entfernt sind, ergeben sich jeweils unterschiedliche Bodenabstände BS. Der Montageluftspalt ML wird für die Montage der Druckbehälter 100 benötigt und ist daher ohnehin vorgesehen. Die Fig. 3 zeigt das Druckbehältersystem der Fig. 2 in einem Zustand, nachdem die untere Bodenplatte 700 auf einen Gegenstand, beispielsweise einem Straßenpoller aufgesetzt hatte. Durch den Aufprall wurde die untere Bodenplatte 700 aufgrund der lokal und im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse Z wirkenden Kräfte, die aus dem Aufprall resultieren, aus ihrer Ausgangslage (gestrichelt gezeigt) heraus verformt. Dabei bewegt sich hier die Bodenplatte 700 samt lastverteilende Bodenschicht 720 nach oben in Richtung der Fahrzeughochachse Z auf die mehreren Druckbehälter 100 zu und kontaktiert diese. Die Kräfte wirken nur lokal und nur unmittelbar benachbart zum mittleren Druckbehälter 100 (= proximaler Druckbehälter). Aufgrund der Steifigkeit der lastverteilenden Bodenschicht 720 ist diese in der Lage, die lokal wirkenden Kräfte auf alle Druckbehälter 100, also auf den proximalen mittleren Druckbehälter und den zwei seitlich vom proximalen Druckbehälter angeordneten distalen Druckbehältern, aufzuteilen. Folglich wirkt auf jeden der Druckbehälter Kräfte, die geringer sind als die außen an die unteren Bodenplatte 700 angreifenden lokalen Kräfte. Durch diese Aufteilung und bevorzugt Gleichverteilung der Kräfte - und damit einhergehend der Aufprallenergie - kann insgesamt eine günstigere da schonendere Energieaufnahme bzw. Energieumwandlung erreicht werden. Die Druckbehälter 100 sind derart robust ausgebildet, dass diese die von der lastverteilenden Bodenplatte 720 übertragenden Kräfte bzw. übertragende Aufprallenergie ohne weitere Beschädigungen aufnehmen und übertragen können. Wie hier gut zu sehen ist, bewirkt hier der Aufprall, dass die lastverteilende Bodenplatte 720 die Druckbehälter 100 im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse Z in den Montageluftspalt ML hinein verschiebt. Durch diese Verschiebung werden die aus dem Aufprall resultierenden Kräfte und die Aufprallenergie weiter umgewandelt. Gegebenenfalls können die Druckbehälter die Kräfte und die Aufprallenergie großflächig auf die obere Unterflurabdeckung 600 übertragen. Insgesamt werden dadurch die lokal auf die untere Bodenplatte 700 wirkenden Kräfte über die lastverteilende Bodenschicht 720 und den mehreren Druckbehälter 100 auf eine vergleichsweise große Fläche verteilt, so dass die so verteilte Aufprallenergie dann durch eine vergleichsweise geringe elastische bzw. plastische Verformung umgewandelt werden kann. Zweckmäßig kann hierzu insbesondere eine obere lastverteilende Deckenschicht 620 vorgesehen sein (nicht gezeigt, vgl. Fig. 4). In einer Ausgestaltung kann diese lastverteilende Deckenschicht 620 eingerichtet sein, möglichst gut die auf diese Schicht einwirkende Aufprallenergie umzuwandeln. Hierzu kann die Schicht beispielsweise eine elastische Zwischenschicht aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die lastverteilende Deckenschicht 620 eingerichtet sein, die von den Druckbehältern 100 übertragende Aufprallenergie noch gleichmäßiger zu verteilen, so dass die aus der Aufprallenergie resultierende Flächenpressung, mit der die obere Deckenschicht 620 auf die obere Unterflurabdeckung 600 drückt, noch gleichmäßiger wird.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorangegangenen Ausführungsform erläutert und ansonsten auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Die Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die lastverteilende Bodenschicht 720 Aufnahmemulden aufweist. In jeder Aufnahmemulde ist jeweils ein Druckbehälter 100 zumindest teilweise aufgenommen. Vorteilhaft kann somit der Bauraumbedarf bei gleicher Steifigkeit der lastverteilenden Bodenschicht 720 verringert werden. Ferner führen die Aufnahmemulden bei der Verschiebung in Richtung der Fahrzeughochachse Z die Druckbehälter 100 zumindest ein wenig. Die Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede bzw. Ergänzungen zu den vorangegangenen Ausführungsformen erläutert. Ansonsten wird auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Die Brennstoffleiste 200 ist hier im Wesentlichen geradlinig ausgebildet und umfasst drei Leistenanschlüsse 210, über die drei Druckbehälter 100 unterbrechungsfrei miteinander fluidverbunden sind. Nicht gezeigt sind etwaige weitere Komponenten wie beispielsweise eine Rohrbruchsicherung oder ein thermisch aktivierbares Druckentlastungsventil. Aus jedem Druckbehälter 100 ist jeweils ein Anschlussstück 130 herausgeführt. Diese Anschlussstücke 130 sind vorteilhaft aus einer Metalllegierung hergestellt und werden zumindest bereichsweise von der faserverstärkten Schicht 120 (vgl. Fig. 1) umschlossen. Die Brennstoffleiste 200 wird hier mittels Spannmittel 400, bevorzugt unter Zwischenlage von Auflageplatten (hier nicht gezeigt), gegen Seitenflächen der aus den jeweiligen Druckbehälter 100 herausgeführten Bereichen der Anschlusstücke 130 gedrückt. Die Dichtflächen der Anschlussstücke 130 werden durch die Leistenanschlüsse 210 gleichzeitig ausgerichtet. Das Karosserieanbindungselement 300, insbesondere dessen Innenoberflächen, bringen die Gegenkräfte auf. Dadurch werden die Anschlussstücke 130 zudem in ihrer Position gehalten. Von der lastverteilenden Bodenschicht 720 stehen Querstreben 710 ab. Diese Querstreben 710 dienen der zusätzlichen Versteifung der lastverteilenden Bodenschicht 720. Seitlich an der Brennstoffleiste 200 ist hier eine Ventileinheit 220 direkt an die Brennstoffleiste 200 befestigt. In der Ventileinheit 220 ist ein stromlos geschlossenes Ventil vorgesehen, welches die Brennstoffzufuhr zu den nachgelagerten Komponenten des Brennstoffversorgungssystems (z.B. die Komponenten eines Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems) unterbindet. l.d.R. ist benachbart zur Ventileinheit 220 oder in der Ventileinheit 220 ein Druckminderer vorgesehen, der den Druck auf einen Mitteldruckbereich (i.d.R. auf einen Wert zwischen 5 bar und 50 bar) absenkt. Aus der Ventileinheit 220 herausgeführt ist hier ein Entnahmeleitungsanschluss 202, der beispielsweise mit der Entnahmeleitung (nicht gezeigt) verbunden sein kann. Am anderen Ende der Brennstoffleiste ist hier ein Betankungsleitungsanschluss 204 vorgesehen, der mit einer Betankungsleitung verbunden sein kann. Anstatt zu weiteren Komponenten führende Leitungen könnten auch weitere Brennstoffleisten oder andere Elemente dort direkt angekoppelt sein.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels. Nachstehend werden lediglich die wichtigsten Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Ansonsten wird auf die Erläuterungen zu den anderen Figuren verwiesen. Punktiert gezeigt ist ein alternativer Verlauf der Brennstoffleiste 200. Anstatt einer geraden Brennstoffleiste 200, deren Leistenanschlüsse auf der Achse A-A liegen, könnte die Brennstoffleiste 200 gebogene Teilbereiche aufweisen, die zumindest teilweise von der Achse A-A beabstandet ist. Beispielsweise kann die Brennstoffleiste nicht gerade, sondern schlangenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft lassen sich somit Lageänderungen durch elastische Verformungen besser kompensieren. Die Brennstoffleiste 200 umfasst zusätzlich zu den Leistenanschlüssen 210 für die Druckbehälter 100 und den Anschlüssen für die Ventileinheit 220 bzw. der Leitungsanschlüsse 202, 204 einen weiteren Druckentlastungsanschluss zum Anschluss der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung 240 auf. Kommt es zu einem thermischen Event, so löst die Druckentlastungseinrichtung 240 aus und es kommt zur Druckentlastung aller drei Druckbehälter 100. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass an den Enden der Brennstoffleiste 200, insbesondere an bzw. in den Leitungsanschlüssen 202, 204 und/oder in der Ventileinheit 220, eine Rohrbruchsicherung vorgesehen ist, die die Fluidverbindung zu den angrenzenden Komponenten des Brennstoffversorgungssystems vom Kraftfahrzeug unterbindet, sollte
(i) es zur Beschädigung der Druckbehälter 100, und/oder der Brennstoffleiste 200 kommen; und/oder
(ii) sollte die Druckentlastungseinrichtung 240 aktiviert werden; und/oder
(iii) sollte es aufgrund der Verschiebung der mehreren Druckbehälter 100 in Richtung der Fahzeughochachse Z zu einem Leitungsbruch kommen.
Die Brennstoffleiste 200 kann zusätzlich eine weitere Ventileinheit 230 (gestrichelt gezeigt) umfassen, die am anderen Ende der Brennstoffleiste 200 vorgesehen sein kann. In dieser Ventileinheit 230 kann beispielsweise ein Rückschlagventil vorgesehen sein, welches den Rückfluss von Brennstoff in den stromaufwärtigen Bereich des Betankungspfads unterbindet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind auch am von den Anschlussstücken 130 abgewandten Enden thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen 240 zumindest an jedem dritten oder zumindest an jedem zweiten Druckbehälter 100 vorgesehen. Hier schematisch gezeigt sind die Träger 500, die die einzelnen Unterflureinbauräume unterteilen. Der linke Träger 500 erstreckt sich hier von dem Boden 600 des Kraftfahrzeugs nach unten. Zur Überwindung ist hier der Betankungsleitungsanschluss 204 nach unten orientiert vorgesehen. Somit kann hier eine Betankungsleitung unterhalb des Trägers 500 verlegt werden. Am rechten Rand kann die Brennstoffleitung über den Träger 500 hinweg verlegt sein. Die konkrete Anordnung der Leitungen kann der Einbausituation entsprechend angepasst sein. Die lastverteilende Bodenschicht 720 weit hier Aufnahmemulden auf, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 erläutert wurden. Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Unterflurbereich eines Kraftfahrzeugs. Die Träger 500 unterteilen den Unterflurbereich in verschiedene Unterflureinbaubereiche. Die Unterflureinbaubereiche sind hier im Wesentlichen gleich groß. Die einzelnen Träger 500 erstrecken sich hier in Fahrzeugquerrichtung von einem Seitenschweller zum anderen Seitenschweller und tragen wesentlich zur Steifigkeit der Karosseriestruktur bei. In dem rechten Unterflureinbaubereich ist hier ein Druckbehältersystem vorgesehen. Das Druckbehältersystem umfasst drei Druckbehälter 100, die zwischen zwei Träger 500 vorgesehen sind. Die Druckbehälter 100 sind parallel zueinander und parallel zu den Trägern 500 angeordnet. Ein Ende der Druckbehälter 100 ist jeweils über ein Anschlussstück 130 an die Brennstoffleiste 200 angeschlossen. Am gegenüberliegenden Ende der Druckbehälter 100 sind jeweils thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen 240 vorgesehen. Die Brennstoffleiste 200 bildet den brennstoffführenden Abschnitt aus. An einem Ende der Brennstoffleiste 200 ist eine Brennstoffleitung 270 angeschlossen, die als Betankungsleitung dient und mit der Tankkupplung (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Am anderen Ende der Brennstoffleiste 200 ist die Ventileinheit 220 mit dem stromlos geschlossenen Ventil vorgesehen. Das stromlos geschlossene Ventil wird durch ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs geregelt bzw. gesteuert. Durch die Betätigung des Ventils wird die Brennstoffentnahme aus den Druckbehältern bewirkt. Die Ventileinheit 220 ist über eine Brennstoffleitung 270 mit einem Druckminderer 290 fluidverbunden. Stromab vom Druckminderer 290 ist eine weitere Brennstoffleitung 270 vorgesehen, die zum Energiewandler (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs führt. Je nach Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs können in den weiteren Unterflureinbaubereichen weitere Druckbehälter und weitere Brennstoffleisten 200 vorgesehen sein, die mit den gezeigten Druckbehältern in Serie oder parallel fluidverbunden sind. Ebenso ist denkbar, dass in einem oder in mehreren Unterflureinbaubereichen Hochvoltspeicherbatterien vorgesehen sind. Auch ist vorstellbar, dass dieselbe Fahrzeugarchitektur für ein rein batterieelektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug ohne Druckbehältersystem genutzt wird.
Die Fig. 8 zeigt eine weitere Draufsicht auf einen Unterflurbereich eines Kraftfahrzeugs. In dieser Ausgestaltung sind vier Brennstoffleisten 200 vorgesehen, wobei jeweils eine Brennstoffleiste 200 mit drei Druckbehältern 100 in einem Unterflurbereich angeordnet ist. Die Brennstoffleisten 200 sind hier in Serie geschaltet und jeweils mittels Brennstoffleitungen 270 miteinander verbunden. Die Brennstoffleitungen 270 sind um die Träger 500 herum geführt. Zwischen dem Druckminderer 290 und den Brennstoffleisten 200 ist eine Ventileinheit 220 vorgesehen, die ebenfalls das stromlos geschlossene Ventil enthält und alle im Unterflurbereich vorgesehenen Druckbehälter 100 gegenüber der restlichen Brennstoffversorgungsanlage absperrt. Lediglich eine Brennstoffleiste 200 der vier Brennstoffleisten 200 ist an eine als Betankungsleitung dienende Brennstoffleitung 270 angeschlossen. Die zwei mittleren Brennstoffleisten 200 sind lediglich an benachbarte Brennstoffleisten 200 angeschlossen.
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrecht“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrecht“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrecht“).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Es können anstatt drei Druckbehälter eine beliebige Anzahl an Druckbehältern 100 in einer Druckbehälterbaugruppe vorgesehen sein. Auch können anstatt einer Brennstoffleiste 200 bzw. vier Brennstoffleisten 200 auch eine andere Anzahl an Brennstoffleisten 200 vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung kann sich eine Brennstoffleiste 200 über den gesamten Unterflurbereich erstrecken. Es können vorteilhaft auch separate Brennstoffleitungen 270 von einer Brennstoffleiste 200 ausgebildet werden, beispielsweise indem die Brennstoffleiste 200 um einen Träger 500 herumgeführt wird. Die Brennstoffleiste 200, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 6 diskutiert wurde, kann auch in den Ausgestaltungen gemäß den anderen Figuren vorgesehen sein. Ebenso ist vorstellbar, dass lastverteilende Bodenschichten mit oder ohne Mulden in allen Ausgestaltungen eingesetzt werden können. Neben den hier erläuterten Karosserieanbindungselementen 300 und dem hier erläuterten Brennstoffleitungssystem kann auch ein ganz anderes Brennstoffleitungssystem eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
70, 70‘ Unterbodenblech
100, 10 Druckbehälter
110 Liner
120 faserverstärkte Schicht
130 Anschlussstück 200 Brennstoffleiste
202 Entnahmeleitungsanschluss
204 Betankungsleitungsanschluss
210 Leistenanschluss
211 gebogene Teilbereiche
220,230 Ventileinheit
240 thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung
270 Brennstoffleitung
290 Druckminderer
300 Karosserieanbindungselement
400 Spannmittel
500, 50 Träger
600 oberen Unterflurabdeckung
620 lastverteilende Deckenschicht
700 unteren Bodenplatte
710 Querstreben
720 lastverteilende Bodenschicht
A -A Achse
BS Bodenspalt
D Schichtdicke
F lokal angreifende Kräfte
F1 , F2, F3 Kräfte
ML Montageluftspalt
X Fahrzeuglängsachse
Y Fahrzeugquerachse
Z Fahrzeughochachse

Claims

29 Ansprüche
1 . Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend:
- mehrere Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff; und
- mindestens eine lastverteilende Bodenschicht (720), die zwischen einer unteren Bodenplatte (700) und den mehreren Druckbehälter (100) angeordnet ist; wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) eingerichtet ist, lokal auf die untere Bodenplatte (700) angreifende Kräfte (F), die im Wesentlichen in Richtung der Fahrzeughochachse (Z) auf die untere Bodenplatte (700) einwirken, auf die mehreren Druckbehälter (100) zu verteilen.
2. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 , wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) die mehreren Druckbehälter (100) bedeckt.
3. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) zwei Seiten aufweist, die jeweils eine Oberfläche von ca. 0,3 m2 bis ca. 4 m2 besitzen.
4. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) mindestens 60% oder mindestens 80% der Mantelfläche der Druckbehälter (100) bedeckt.
5. wobei ein Montageluftspalt (ML) zwischen den Druckbehältern (100) und einer oberen Unterflurabdeckung (600) vorgesehen ist; und wobei das Druckbehältersystem eingerichtet ist, eine Verschiebung der mehreren Druckbehälter (100) in Richtung der Fahrzeughochachse (Z) in den Montageluftspalt (ML) hinein zuzulassen. 30 Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend:
- mindestens ein Karosserieanbindungselement (300) zur mechanischen Kopplung der mehreren Druckbehälter an die Fahrzeugkarosserie; und/oder
- mindestens ein Brennstoffleitungssystem, das mit den mehreren Druckbehälter (100) fluidverbunden ist; wobei das Karosserieanbindungselement (300) und/oder das Brennstoffleitungssystem eingerichtet sind, eine Verschiebung der mehreren Druckbehälter (100) in den Montageluftspalt (ML) zu ermöglichen. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Druckbehälter (100), der unmittelbar im Bereich der lokal angreifenden Kräfte (F) vorgesehen ist, ein proximaler Druckbehälter ist; wobei unmittelbar benachbart zum proximalen Druckbehälter (100) angeordnete Druckbehälter (100) distale Druckbehälter sind; und wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) die lokal auf die untere Bodenplatte (700) angreifenden Kräfte (F) derart auf die mehreren Druckbehälter (100) verteilt, dass die lokal angreifenden Kräfte (F) auf den proximalen Druckbehälter und die distalen Druckbehälter aufgeteilt werden, insbesondere derart, dass mindestens 30% der angreifenden Kräfte auf die distalen Druckbehälter (100) übertragen werden. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Druckbehältersystem eingerichtet ist, auf die untere Bodenplatte (700) einwirkende Aufprallenergie zumindest teilweise über die mehreren Druckbehälter (100) auf die obere Unterflurabdeckung (600) zu übertragen. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur gleichmäßigeren Verteilung von Aufprallenergie auf eine obere Unterflurabdeckung (600) eine lastverteilende Deckenschicht (620) im Montageluftspalt (ML) vorgesehen ist. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei von der Bodenschicht (720) abstehende Querstreben (710) zumindest bereichsweise in von unmittelbar benachbarten Druckbehältern (100) ausgebildete Zwischenbereiche hineinragen. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen den Druckbehältern (100) und der unteren Bodenplatte (700) jeweils ein Bodenspalt (BS) ausgebildet ist, und wobei die Schichtdicke (D) der lastverteilenden Bodenschicht (720) zumindest bereichsweise mindestens 50 % oder mindestens 80% der Spaltbreite (d) des jeweiligen Bodenspalt (BS) beträgt Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckbehälter (100) in der Einbaulage direkt an der Bodenschicht (720) befestigt sind und diese berühren. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die untere Bodenplatte (700) und die lastverteilende Bodenschicht (720) einstückig ausgebildet sind. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Schichtdicke (D) der lastverteilenden Bodenschicht (720) und/oder der lastverteilenden Deckenschicht (620) mindestens 5 mm oder mindestens 8 mm oder mindestens 10 mm oder mindestens 15 mm oder mindestens 20 mm beträgt. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) und/oder die lastverteilende Deckenschicht (620) ein geschäumtes Material, bevorzugt einen Metallschaum, umfasst. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die lastverteilende Bodenschicht (720) und/oder die lastverteilende Deckenschicht (620) ein auxetisches Material und/oder ein intumeszentes Material umfasst. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die lastverteilenden Bodenschicht (720) und/oder die lastverteilende Deckenschicht (620) eine Sandwich-Struktur, eine Fachwerkstruktur und/oder eine Wabenstruktur umfasst. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die lastverteilenden Bodenschicht (720) und die mehreren Druckbehälter (100) eine Druckbehälterbaugruppe mit ausbilden, wobei die gesamte Druckbehälterbaugruppe in einem Montageschritt in ein Kraftfahrzeug montierbar ist.
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