WO2022189102A1 - Druckbehältersystem mit einer druckbehälterbaugruppe - Google Patents

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WO2022189102A1
WO2022189102A1 PCT/EP2022/053657 EP2022053657W WO2022189102A1 WO 2022189102 A1 WO2022189102 A1 WO 2022189102A1 EP 2022053657 W EP2022053657 W EP 2022053657W WO 2022189102 A1 WO2022189102 A1 WO 2022189102A1
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pressure vessel
pressure
fuel
vessels
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PCT/EP2022/053657
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Klaus Szoucsek
Christopher DETMAR
Alexander Zotter
Lydia Moral Graci
Joerg Hennecke
Peter Bartl
Oemer Ahmet-Tsaous
Olivier Cousigne
Andreas Pelger
Klaas Kunze
Timo Gutmann
Eric Hendel
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • Pressure vessel system having a pressure vessel assembly
  • a pressure vessel system with a pressure vessel assembly for a motor vehicle for storing fuel is known from the prior art. There is a desire to arrange the fuel accumulators of a motor vehicle in the underfloor area below the passenger compartment.
  • the installation space calls for new pressure vessel systems that provide several small pressure vessels instead of fewer large pressure vessels. The aim is to accommodate as much fuel as possible in the available installation space without having a noticeable adverse effect on costs, weight or other design parameters.
  • Such concepts are known in principle from the following publications:
  • the technology disclosed here relates to a pressure vessel system for a motor vehicle (e.g. passenger cars, motorcycles, commercial vehicles).
  • 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 which is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy.
  • the energy converter can be, for example, an internal combustion engine or a fuel cell system or a fuel cell stack.
  • Such a pressure vessel system comprises a plurality of pressure vessels, preferably composite overwrapped pressure vessels.
  • the pressure vessel can be a high-pressure gas vessel, for example.
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable for storing the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are significantly (eg more than 50 Kelvin or more than 100 Kelvin) below the operating temperature of the motor vehicle.
  • the motor vehicle may include a plurality of pressure vessels.
  • a pressure vessel assembly (also referred to as a “container assembly”) may include the pressure vessels as well as support, attachment, and/or protective elements (e.g., shields, shields, barriers, covers, coatings, wraps, etc.) permanently connected to the pressure vessels.
  • the supporting, fastening and/or protective elements can expediently only be dismantled temporarily and preferably only by specialist personnel and/or cannot be dismantled non-destructively.
  • Such a pressure vessel assembly is particularly suitable for flat installation spaces, especially in the underfloor area below the vehicle interior.
  • a pressure vessel assembly preferably comprises more than 3 or more than 5 or more than 7 or more than 10 pressure vessels. In the installed position in the motor vehicle, the pressure vessels can be oriented in the vehicle transverse direction or in the vehicle longitudinal direction.
  • the pressure vessels can have circular or oval cross-sections.
  • the individual pressure vessels can be designed as storage tubes. For example, 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 5 and 200, preferably between 7 and 100, and particularly preferably between 9 and 50.
  • the length-to-diameter ratio is the quotient of the total length of each pressure vessel (e.g. total length of a storage tube without fluid connectors) in the numerator and the largest outside diameter of the pressure vessel in the denominator.
  • 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 multiple pressure vessels are in fluid communication with one another via a common fuel line. It is regularly provided upstream from the (high-pressure) pressure reducer.
  • the fuel line is expediently designed to withstand essentially the same pressures as the pressure vessels that are connected to the fuel rail.
  • the individual pressure vessels of the pressure vessel assembly are directly fluidly connected to one another via the fuel line or the fuel rail, so that the individual pressure vessels essentially have the same pressure in the intended state according to the principle of communicating tubes.
  • the fuel line can preferably be designed as a fuel rail.
  • the fuel rail may also be referred to as a high pressure fuel rail.
  • such a fuel rail can be configured similarly to a high-pressure injection rail of an internal combustion engine.
  • a single tube or a single block or a single housing preferably forms the fuel rail.
  • the fuel rail expediently includes a number of rail connections for direct connection of the pressure vessels.
  • the individual strip connections are advantageously provided directly on the strip housing or block or pipe and/or all have the same spacing from one another.
  • Such a fuel bar is for example in the German patent applications with the application numbers DE 102020 128 607.4 and DE 102020 123037.0 are disclosed, the content of which with regard to the design of the fuel rail (also referred to as a distributor pipe or rail) and the connection of the pressure vessel is hereby incorporated by reference.
  • the fuel rail can be designed to be essentially rigid.
  • rigid means that the fuel rail is rigid against bending or that in the functional use of the fuel rail there is only an imperceptible and irrelevant bending for the function.
  • the fuel rail can be designed in such a way that the fuel rail can compensate for changes in the position of the pressure vessels, and in particular of their connecting pieces.
  • Changes in position are deviations between an actual position of the pressure vessel (in operation, during manufacture, during a service call or other situation) and a target position assumed during construction. Changes in position result, for example, from the expansion of the components (eg the pressure vessel) due to changes in internal pressure and/or changes in temperature. Furthermore, changes in position (positional deviations) can occur due to manufacturing tolerances.
  • the fuel rail can be set up to enable tolerance compensation perpendicular to the longitudinal axes of the pressure vessel of the pressure vessel system.
  • the fuel line or the fuel rail and, as a rule, also the shut-off valve described below is part of the pressure vessel assembly.
  • the connection of the pressure vessels to the fuel line or the proximal ends of the pressure vessels can be designed, for example, as disclosed in one of the following documents: DE102018118397 A1, EP3346178 A1,
  • At least one thermally activatable pressure relief device can be provided at or immediately adjacent to each end of the fuel line. Adjacent to the end thereby includes the arrangement of the TPRDs at a maximum distance of 0.1 x L, where L is the total length of the fuel rail.
  • TPRD thermal pressure relief device
  • Thermally activatable pressure relief devices are expediently provided at the ends of the pressure vessels that are distal in relation to the fuel line.
  • thermally activatable pressure relief devices can be provided only at the distal ends of the outer pressure vessels.
  • local heat sources can thus be easily detected without a thermally activatable pressure relief device being provided at each end of the pressure vessel, so that the manufacturing complexity, the manufacturing costs and the number of sealing points are reduced.
  • the pressure relief devices are provided in separate housings, which contain other functional components such as sensors and/or valves in addition to the pressure relief devices. For example, the
  • Pressure relief device may be provided in the housing of the shut-off valve disclosed here.
  • At least one pressure relief device can include a housing in or on which a temperature sensor is additionally provided, in particular at the distal end. This simplifies assembly and reduces the number of interfaces to be sealed.
  • An electrically actuable and normally closed shut-off valve can be provided on the pressure vessel assembly or on the fuel line, which is set up to shut off the pressure vessel assembly or the fuel line from the other fuel-carrying lines of the fuel supply system leading to the energy converter.
  • This shut-off valve has the function of an on-tank valve of a conventional pressure vessel. Only one normally closed shut-off valve is expediently provided.
  • the shut-off valve can, for example, be screwed directly onto or onto the pressure vessel assembly.
  • the shut-off valve (common) is the first valve provided downstream of each of the pressure vessels connected to the common fuel line.
  • a pipe rupture valve also known as an excess flow valve, can be provided on any pressure vessel, on the fuel line or in the housing of the shut-off valve.
  • the pressure vessels of the pressure vessel assembly are expediently provided on one connection side of the shut-off valve as communicating tubes without a further electrically actuatable shut-off valve, and on the other connection side the rest of the fuel supply system including the energy converter is provided (usually the remaining components of the anode subsystem of a fuel cell system.
  • An excessive flow valve and/or the thermally activatable pressure relief device is/are preferably also provided in the housing of the tank shut-off valve.
  • the pressure vessel system can also include at least one further pressure vessel for storing fuel.
  • the at least one further pressure vessel can have a fuel storage volume that is at least 2 times or at least 3 times or at least 5 times greater than the fuel storage volume of the largest pressure vessel of the pressure vessel assembly. If all pressure vessels in the assembly have the same fuel storage volume, this fuel storage volume shall be used.
  • This at least one further pressure vessel is preferably arranged below or behind a seat, in particular the rear bench seat. A particularly large amount of fuel can thus be stored in the motor vehicle.
  • the volume ratio has a value between 0.15 and 1.0 or a value between 0.2 and 0.75 or a value between 0.25 and 0.5.
  • the volume ratio is the quotient of the fuel volume of the at least one further pressure vessel in the numerator and the total fuel volume of all pressure vessels of the pressure vessel assembly in the denominator. Simulations and tests have shown that in the range of these volume ratios, there are negligibly small overflow processes between the pressure vessel assembly and the additional pressure vessel and at the same time a large amount of fuel can be stored in the vehicle.
  • the pressure vessel system may further include at least one underbody chassis mountable to a vehicle body from below.
  • the pressure vessel assembly and the underbody chassis can be designed in such a way that the pressure vessel assembly can be inserted or mounted into the underbody chassis from above, with the unit of underbody chassis and pressure vessel assembly being able to be assembled onto the vehicle body from below. This facilitates the assembly and disassembly of the pressure vessel system. Furthermore, the pressure vessel system is thus well protected against the effects of the weather and other environmental influences.
  • the ends of the pressure vessels that are proximal in relation to the fuel line are expediently designed as fixed bearings. Furthermore, the ends of the pressure vessels that are distal in relation to the fuel line are advantageously designed as floating bearings. The ends of the pressure vessels are advantageously connected to one another by common holding elements (e.g. cross braces).
  • these common holding elements can be designed at the distal end in such a way that the entire holding element moves relative to the fixed bearing in order to compensate for any lengthening.
  • the loose bearing is formed in that i) each pressure vessel or ii) only some of the pressure vessels are formed together as a subgroup so that they can be displaced relative to the fixed bearing.
  • the fixed bearing/moving bearing principle can be implemented as described in publication US2019047409 AA or in the German patent application with the application number DE 102021 102694.6, the content of which regarding the design of the floating bearing is hereby incorporated by reference.
  • the pressure vessels are advantageously arranged essentially between the door sills.
  • the underbody chassis can comprise energy-absorbing crash deformation structures on the sides, preferably with framework structures, which are set up to at least reduce the impact energy transmitted to the pressure vessel assembly in the event of a collision.
  • the underbody chassis comprises support struts in the floor wall, as disclosed, for example, in EP3667151 A1 or the German patent applications with the application numbers DE 102020 128607.4 and DE 102020 123037.0, the content of which with regard to the design of the support struts (there as “supporting member” or referred to as “fastening elements") and the connection of the pressure vessels is hereby incorporated by reference
  • the electrical energy storage device is a device for storing electrical energy, in particular in order to drive at least one electrical (traction) drive machine.
  • the energy storage device comprises at least one individual cell that forms the electrochemical energy storage cell. A large number of individual cells is usually provided.
  • the energy storage device can be a high-voltage storage device or a high-voltage battery.
  • the underbody chassis can be designed to accommodate the pressure vessel assembly and at least one electrical energy storage device and the at least one other pressure vessel, so that the pressure vessel assembly, the electrical energy storage device and the Pressure vessels can be mounted together with the underbody chassis on the motor vehicle.
  • a distribution block fire protection device is connected to the rail and contains a TPRD as a subcomponent (see Fig. 3)
  • a tank end plug is screwed into each of the outermost flat storage tanks at the distal end of the flat storage tank. It can include as sub-components: a TPRD including vent line and a temperature sensor.
  • Any TPRD that is activated is suitably capable of venting the entire fuel contents of the planar module to the environment. It was found in tests and simulations that the temperature development within the pressure vessel assembly disclosed here is comparatively similar when filling and removing and therefore one or two temperature sensors are sufficient to detect the temperature within the pressure vessel assembly.
  • the pressure vessel assembly has only one temperature sensor. The only one temperature sensor can preferably be provided in or on or adjacent to the housing of the shut-off valve.
  • the senor is provided at or adjacent to the end of the combustion line that is opposite the end of the shut-off valve. This has the advantage that the manufacturing costs are reduced. Furthermore, the interfaces for the TPRDs provided at the distal ends of the pressure vessels can be smaller, since these only have the TPRDs and not an additional temperature sensor. Overall, this has an advantageous effect on the utilization of installation space. Also, no electrical lines have to be routed to the distal ends of the pressure vessels.
  • the temperature sensor is expediently integrated in such a way that the temperature sensor is set up to record the temperature both during refueling and during removal.
  • the pressure sensor could also be transferred from the pressure-reducing unit to the housing of the shut-off valve.
  • the pressure sensor is advantageously provided in such a way that it is provided between the fuel line and the shut-off valve. This means that a pressure measurement can also be carried out when the shut-off valve is closed.
  • the missing information about the temperature in the tank can be replaced in particular as follows:
  • the tank temperature in the pressure vessels can be calculated using a mathematical model.
  • Input signals are the measured pressure and the measured temperature in the fuel line before the shut-off valve.
  • the pressure vessels cool down and the pressure drops.
  • the determined temperature can be checked for plausibility.
  • the tank temperature can be measured with the temperature sensor on the shut-off valve with H2 mass flows from e.g. 1 kg/h.
  • the measurement of the tank temperature can preferably be dispensed with.
  • a strain signal of a pressure vessel could be available in one variant.
  • the signal could come from measuring the change in length, diameter, circumference or volume and sent as an input signal to the tank controller. This means that the pressure in a pressure vessel can be determined.
  • only one temperature sensor is provided at a distal end of one of the pressure vessels of the pressure vessel assembly.
  • Only one temperature sensor can therefore expediently be provided on or in the pressure vessel assembly, with the only one temperature sensor preferably being provided i) at or adjacent to one of the ends of the fuel line, or ii) being provided at the distal end of a pressure vessel.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the shut-off valve 212 of FIG. 1 .
  • FIG. 3 shows a schematic view of the TPRD 220 of FIG. 1
  • FIG. 4 shows a schematic view of the TPRD 120 of FIG. 1
  • Fig. 5 is a perspective view of the pressure vessel assembly 10 of Fig. 1,
  • FIG. 6 is a schematic view of underbody chassis 20 of FIG.
  • Fig. 7 shows a schematic view of the bearing principle of the pressure vessel arrangement 10 of Fig. 1.
  • the tank neck 420 is fluidly connected to a distributor unit 410 via a fuel line.
  • a non-return valve can be provided in distributor unit 410 , which is set up to prevent a backflow to tank neck 420 .
  • the distributor unit 410 is fluidly connected to an on-tank valve 310 of the additional pressure vessel 300, which can be arranged, for example, below the rear seat bench.
  • a shut-off valve, a temperature sensor, a pipe rupture protection device and/or a filter can expediently be provided in the on-tank valve 310 (partially not shown here).
  • a TPRD can also be provided at the opposite end of the further pressure vessel 300.
  • a fuel line 406 connects the distribution unit 410 to a pressure reduction unit 430, in which a pipe rupture valve 432, at least one pressure sensor, at least one temperature sensor, a mechanical safety valve 436 and a pressure reducer 434 can be provided here. Downstream from the pressure reducer 434, a service interface 438 is also provided here, which is provided for draining fuel.
  • the fuel line 402 connects the distributor unit 410 to the shut-off valve 212.
  • the shut-off valve 212 (see FIG. 2) is an electrically actuable shut-off valve which is set up to separate the fluid connection of the pressure vessel assembly 10 from the rest of the fuel supply system.
  • the fuel line 200 is designed here as a fuel rail. It is provided in or on the pressure vessel assembly 10 .
  • the fuel rail is a line from which rail connections for the attachment of the individual pressure vessels 100 branch off.
  • the fuel line 200 can be designed as a fuel rail that is mechanically stiff in such a way that the fuel rail does not break open even if intruded during an accident.
  • a comparatively flexible fuel line can be provided, which is accommodated in a line housing.
  • the line housing serves to additionally protect the fuel line 200 from mechanical intrusion.
  • the individual pressure vessels 100 of the pressure vessel assembly 10 are arranged substantially parallel to one another and equidistant from one another. These pressure vessels 100 have essentially the same length here. Depending on the installation space in which the pressure vessel assembly 10 is to be installed, individual pressure vessels 100 of the pressure vessel assembly 10 can be of different lengths and/or have different diameters.
  • no further electrically actuatable shut-off valves are provided between the individual pressure vessels 100 and the fuel line 200, so that when the pressure vessel system is used as intended, the individual pressure vessels 100 of the pressure vessel assembly 10 are directly fluidly connected to one another, such as communicating tubes.
  • the reference character L denotes the overall length of the fuel line 200.
  • the ends of the pressure vessels 100 that are connected to the fuel line 200 are the proximal ends of the pressure vessels 100.
  • the ends of the pressure vessels 100 that are on the opposite side are provided, the ends of the pressure vessels 100 that are distal in relation to the fuel line 120.
  • a TPRD and advantageously also a temperature sensor are advantageously provided at the distal ends of the two outer pressure vessels 100--ie those pressure vessels 100 which do not have a further pressure vessel 100 on each side in the top view.
  • a TPRD is also provided in the block of the isolation valve 212 .
  • a TPRD is provided at or adjacent the end of the fuel line that opposes the shutoff valve 212 .
  • the TPRDs, the sensors and the valves are advantageously provided in common housings or blocks, provided they are arranged locally at the same points of the pressure vessel 100 or the fuel rail 200, so that the number of interfaces to be sealed is advantageously reduced.
  • the pressure vessel assembly 10 has only one temperature sensor.
  • the only one temperature sensor can preferably be provided in or on or adjacent to the housing of the shut-off valve 212 .
  • the sensor is provided at or adjacent to the end of the combustion line that is opposite the end of the shut-off valve 212 . This has the advantage that the manufacturing costs are reduced.
  • the interfaces for the TPRDs provided at the distal ends of the pressure vessels can be smaller, since these only have the TPRDs and not an additional temperature sensor. Overall, this has an advantageous effect on the utilization of installation space. Also, no electrical lines have to be routed to the distal ends of the pressure vessels.
  • the temperature sensor is expediently integrated in such a way that the temperature sensor is set up to measure both the temperature during refueling and when to record removal. If only one pressure vessel assembly without a further pressure vessel (eg a rear seat tank) is provided, the pressure sensor could also be transferred from the pressure-reducing unit to the housing of the shut-off valve.
  • the pressure sensor is advantageously provided in such a way that it is provided between the fuel line 200 and the shut-off valve 212 . A pressure measurement can thus also be carried out when the shut-off valve 212 is closed.
  • the missing information about the temperature in the tank can be replaced in particular as follows:
  • the tank temperature in the pressure vessels can be calculated using a mathematical model.
  • Input signals are the measured pressure and the measured temperature in the fuel line 200 before the shut-off valve 212.
  • the pressure vessels cool down and the pressure drops.
  • the determined temperature can be checked for plausibility on the basis of the pressure gradient.
  • the tank temperature can be measured with the temperature sensor on the shut-off valve with H2 mass flows from e.g. 1 kg/h.
  • the measurement of the tank temperature can preferably be dispensed with.
  • a strain signal of a pressure vessel could be available in one variant.
  • the signal could come from measuring the change in length, diameter, circumference or volume and sent as an input signal to the tank controller. This means that the pressure in a pressure vessel can be determined.
  • only one temperature sensor is provided at a distal end of one of the pressure vessels of the pressure vessel assembly.
  • shut-off valve 212 which is set up to isolate pressure vessel assembly 10 from the rest of the fuel supply system.
  • a pipe rupture safety device 213, a manual valve 214 and/or a TPRD 216 is also provided in the housing 210 of the shut-off valve 212.
  • a check valve 218 is provided in a flow path parallel to the pipe rupture safety device 213, which blocks the flow in a flow direction away from the pressure vessels and releases the flow in a flow direction towards the pressure vessels.
  • the manual valve 214 and the TPRD can be provided upstream of these two flow paths.
  • the housing is designed as a valve block, in which the corresponding flow channels and sub-components are introduced. The interfaces to be sealed with regard to leakage can thus advantageously be reduced.
  • FIG. 3 shows the other end of the fuel line 200.
  • a TRPD 220 is provided at this end.
  • FIG. 4 shows an assembly which is provided at a distal end of a pressure vessel 100 .
  • This structural unit can also be referred to as a block or housing.
  • the TPRD 120 and a temperature sensor are integrated in this housing.
  • FIG. 5 shows a pressure vessel assembly 10. It comprises a plurality of pressure vessels 100 (here 6 pressure vessels), which are mechanically coupled to one another and thus form a mechanical unit, the Pressure vessel assembly 10, are.
  • the individual pressure vessels are each coupled to one another at the ends.
  • a rail is used here, which fixes the individual pressure vessels 100 here and also stiffens the assembly.
  • a correspondingly rigid fuel strip could also be provided on one side.
  • a fuel line 200 can advantageously be provided on one side (not shown), which can also be protected from mechanical loads by a stable line housing.
  • Fig. 6 shows an underbody chassis 20. It is divided into an energy store receiving area 22, in which an energy store of the motor vehicle can be used, an assembly receiving area 21 for the pressure vessel assembly 10, and a further receiving area 23 for the further pressure vessel 300.
  • the underbody chassis 20 expediently comprises lateral attachment areas 24 which serve to attach the underbody chassis 20 to the vehicle body.
  • FIG. 7 shows a schematic view of the bearing principle of the pressure vessel arrangement 10 of FIG. 1.
  • the pressure vessels 100 are arranged parallel to one another here.
  • the fixed bearing 130 is provided at the proximal ends of the pressure vessels 100 .
  • the fuel line 200 is also arranged on this side.
  • the floating bearing 140 is provided on the opposite side of the pressure vessel 100 .
  • the pressure vessels 100, the bearings 130, 140 and the fuel line are housed in the underbody chassis 20 here.
  • the underbody chassis 20 is in turn attached to the vehicle body in the body connection areas 30 .
  • other components of the pressure vessel assembly 10 such as any valves, TPRDs, etc.
  • the expression “at least one” has been partially omitted for the sake of simplicity.
  • the term “essentially” includes the precise property or value (e.g. "parallel pressure vessels") and for the function of the property/value insignificant deviations (e.g. "tolerable deviation from pressure vessels arranged in parallel”).

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff mit mehreren Druckbehältern (100), die zu einer Druckbehälterbaugruppe (10) zusammengefasst sind, wobei die Druckbehälter (100) in der Einbaulage im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Druckbehälter (100) über eine gemeinsame Brennstoffleitung (200) miteinander fluidverbunden sind.

Description

Druckbehältersystem mit einer Druckbehälterbaugruppe
Ein Druckbehältersystem mit einer Druckbehälterbaugruppe für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff ist aus dem Stand der Technik bekannt. Es existiert ein Bestreben, die Brennstoffspeicher eines Kraftfahrzeugs in den Unterflurbereich unterhalb der Fahrgastzelle anzuordnen. Der Bauraum verlangt dafür neue Druckbehältersysteme, die anstatt weniger große Druckbehälter mehrere kleine Druckbehälter vorsehen. Ziel ist es dabei, möglichst viel Brennstoff in dem vorhandenen Bauraum unterzubringen, ohne dass sich dies merklich nachteilig auf die Kosten, das Gewicht oder sonstige Konstruktionsparameter auswirkt. Solche Konzepte sind grundsätzlich bekannt aus folgenden Druckschriften:
DE 102018215447 B3, DE 102018210699 A1 , US 2006102398 AA,
DE 102018116090 A1 , DE 102018119087 A1 , DE 102018000756 A1 ,
DE102017004902 A1 und EP 3441253 A1. 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 kostengünstiges, leichtes und/oder bauraumkonformes Speicherkonzept bereitzustellen, dass zudem die Sicherheit weiter verbessert. 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 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. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Brennstoffzellenstapel sein.
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mehrere Druckbehälter, bevorzugt composite overwrapped pressure vessels. 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. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (z.B. mehr als 50 Kelvin oder mehr als 100 Kelvin) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Das Kraftfahrzeug kann eine Mehrzahl an Druckbehälter umfassen. Bevorzugt kann eine Druckbehälterbaugruppe (auch „Container Assembly“ genannt) die Druckbehälter sowie permanent mit den Druckbehältern verbundene Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente aufweisen (z.B. Schutzschilder, Abschirmungen, Sperrschichten, Abdeckungen, Beschichtungen, Umwicklungen, etc.). Die Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente können zweckmäßig nur temporär und bevorzugt nur von Fachpersonal und/oder nicht zerstörungsfrei demontierbar sein. Eine solche Druckbehälterbaugruppe eignet sich besonders für flache Einbauräume, insbesondere im Unterflurbereich unterhalb des Fahrzeuginnenraums. Bevorzugt umfasst eine Druckbehälterbaugruppe mehr als 3 oder mehr als 5 oder mehr als 7 oder mehr als 10 Druckbehälter. Die Druckbehälter können in der Einbaulage im Kraftfahrzeug in Fahrzeugquerrichtung oder in Fahrzeuglängsrichtung orientiert sein.
Die Druckbehälter können kreisförmige oder ovale Querschnitte aufweisen. Die einzelnen Druckbehälter können als Speicherrohre ausgebildet sein. 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 5 und 200, bevorzugt zwischen 7 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 9 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 sind über eine gemeinsame Brennstoffleitung miteinander fluidverbunden. Sie ist regelmäßig stromauf vom (Hochdruck- Druckminderer vorgesehen. Die Brennstoffleitung ist zweckmäßig ausgebildet, im Wesentlichen denselben Drücken standzuhalten wie die Druckbehälter, die an der Brennstoffleiste angeschlossen sind. Die einzelnen Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe sind über die Brennstoffleitung bzw. der Brennstoffleiste unmittelbar miteinander fluidverbunden, so dass die einzelnen Druckbehälter nach dem Prinzip kommunizierender Röhren im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Zustand denselben Druck aufweisen.
Die Brennstoffleitung kann bevorzugt als Brennstoffleiste ausgebildet sein. Die Brennstoffleiste kann auch als Hochdruckbrennstoffleiste bezeichnet werden. Grundsätzlich kann eine solche Brennstoffleiste ähnlich ausgestaltet sein wie eine Hochdruckeinspritzleiste einer Brennkraftmaschine. Bevorzugt bildet ein einziges Rohr bzw. ein einziger Block oder ein einziges Gehäuse die Brennstoffleiste aus. Zweckmäßig umfasst die Brennstoffleiste mehrere Leistenanschlüsse zum direkten Anschluss der Druckbehälter. Vorteilhaft sind die einzelnen Leistenanschlüsse direkt am Leistengehäuse bzw. Block bzw. Rohr vorgesehen und/oder weisen alle denselben Abstand untereinander auf. Eine solche Brennstoffleiste ist beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern DE 102020 128 607.4 und DE 102020 123037.0 offenbart, deren Inhalt hinsichtlich der Ausgestaltung der Brennstoffleiste (auch als Verteilerrohr oder Rail bezeichnet) und der Anbindung der Druckbehälter hiermit per Verweis hier mit aufgenommen wird. Die Brennstoffleiste kann im Wesentlichen biegesteif ausgebildet sein. Biegesteif bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Brennstoffleiste gegen Verbiegen steif ist bzw. dass im funktionsgemäßen Gebrauch der Brennstoffleiste nur eine für die Funktion unmerkliche und unbeachtliche Verbiegung sich einstellt. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Brennstoffleiste derart ausgebildet sein, dass die Brennstoffleiste Lageänderungen der Druckbehälter, und insbesondere von deren Anschlussstücken, kompensieren kann. Lageänderungen sind Abweichungen zwischen einer Istlage der Druckbehälter (im Betrieb, während der Herstellung, während eines Serviceeinsatzes oder sonstigen Situation) und einer bei der Konstruktion angenommenen Solllage. Lageänderungen resultieren beispielsweise durch die Ausdehnung der Bauteile (z.B. der Druckbehälter) aufgrund von Innendruckänderungen und/oder Temperaturänderungen. Ferner können aufgrund von Fertigungstoleranzen Lageänderungen (Lageabweichungen) auftreten. Die Brennstoffleiste kann eingerichtet sein, einen Toleranzausgleich senkrecht zu den Druckbehälterlängsachsen des Druckbehältersystems zu ermöglichen. Vorteilhaft ist die Brennstoffleitung bzw. die Brennstoffleiste und i.d.R. auch das nachstehend beschriebene Absperrventil Bestandteil der Druckbehälterbaugruppe. Die Anbindung der Druckbehälter an die Brennstoffleitung bzw. die proximalen Enden der Druckbehälter können beispielsweise so gestaltet sein, wie es in einer der nachstehenden Druckschriften offenbart ist: DE102018118397 A1 , EP3346178 A1 ,
EP3346179 A1 , DE102018101300 A1 , JP2020128784 A2, JP2019032034 A2, deren Inhalt hinsichtlich der Ausgestaltung der proximalen Enden und gegebenenfalls der Brennstoffleitung hiermit per Verweis hier mit aufgenommen werden.
An oder unmittelbar benachbart zu jedem Ende der Brennstoffleitung kann jeweils mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung vorgesehen sein. Benachbart zum Ende umfasst dabei die Anordnung der TPRDs in einem Abstand von maximal 0,1 x L, wobei L die Gesamtlänge der Brennstoffleiste ist. Eine 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 das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs überschritten wird (=wird thermisch aktiviert). Es können ferner Auslöseleitungen vorgesehen sein. Ein solches System zur thermischen Druckentlastung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 102015222252 A1 gezeigt. Vorteilhaft kann somit bereits frühzeitig ein lokaler Brand detektiert werden.
Zweckmäßig sind an den mit Bezug auf die Brennstoffleitung distalen Enden der Druckbehälter thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen vorgesehen. Vorteilhaft können nur an den distalen Enden der äußeren Druckbehälter thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen vorgesehen sein. Vorteilhaft lassen sich somit lokale Hitzequellen leicht detektieren, ohne dass an jedem Druckbehälterende eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung vorgesehen ist, so dass sich der Herstellungsaufwand, die Herstellungskosten und die Anzahl an Dichtstellen verringern. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Druckentlastungseinrichtungen in separaten Gehäusen vorgesehen, die neben den Druckentlastungseinrichtungen weitere Funktionsbauteile wie Sensoren und/oder Ventile enthalten. Beispielsweise kann die
Druckentlastungseinrichtung im Gehäuse des hier offenbarten Absperrventils vorgesehen sein. Mindestens eine Druckentlastungseinrichtung kann ein Gehäuse umfassen, in oder an dem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen ist, insbesondere am distalen Ende. Somit kann die Montage vereinfacht und die Anzahl an abzudichtenden Schnittstellen reduziert werden.
An der Druckbehälterbaugruppe bzw. an der Brennstoffleitung kann ein elektrisch betätigbares und stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen sein, das eingerichtet ist, die Druckbehälterbaugruppe bzw. die Brennstoffleiste gegenüber den übrigen brennstoffführenden Leitungen der zum Energiewandler führenden Brennstoffversorgungsanlage abzusperren. Dieses Absperrventil besitzt die Funktion eines On-Tank-Valves eines herkömmlichen Druckbehälters. Zweckmäßig ist lediglich ein stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen. Das Absperrventil kann beispielsweise unmittelbar an die Druckbehälterbaugruppe an- bzw. einschraubbar sein. Das (gemeinsame) Absperrventil ist das erste Ventil, das stromab eines jeden der an der gemeinsamen Brennstoffleitung angeschlossenen Druckbehälter vorgesehen ist. Eine Rohrbruchsicherung, auch Überströmventil (engl. Excess Flow Valve) genannt, kann an jedem Druckbehälter, an der Brennstoffleitung oder im Gehäuse des Absperrventils vorgesehen sein. Zweckmäßig sind auf der einen Anschlussseite des Absperrventils die Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe als kommunizierende Röhren ohne ein weiteres elektrisch betätigbares Sperrventil vorgesehen und auf der anderen Anschlussseite ist die restliche Kraftstoffversorgungsanlage samt Energiewandler vorgesehen, (i.d.R. die restlichen Komponenten des Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems. Bevorzugt ist/sind im Gehäuse des Tankabsperrventils ferner ein Exessive Flow Valve und/oder die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung vorgesehen.
Das Druckbehältersystem kann ferner mindestens einen weiteren Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff umfassen. Der mindestens eine weitere Druckbehälter kann ein Brennstoffspeichervolumen aufweisen, dass mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 3 oder mindestens um den Faktor 5 größer ist als das Brennstoffspeichervolumen des größten Druckbehälters der Druckbehälterbaugruppe. Falls alle Druckbehälter der Baugruppe dasselbe Brennstoffspeichervolumen aufweisen, ist dieses Brennstoffspeichervolumen heranzuziehen. Bevorzugt ist dieser mindestens eine weitere Druckbehälter unterhalb bzw. hinter eines Sitzes, insbesondere der Rücksitzbank, angeordnet. Somit lässt sich besonders viel Kraftstoff im Kraftfahrzeug speichern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Volumenverhältnis einen Wert zwischen 0,15 und 1 ,0 oder einen Wert zwischen 0,2 und 0,75 oder einen Wert zwischen 0,25 und 0,5 auf. Das Volumenverhältnis ist der Quotient aus dem Brennstoffvolumen des mindestens einen weiteren Druckbehälters im Zähler und dem Gesamtbrennstoffvolumen aller Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe im Nenner. Simulationen und Versuche haben ergeben, dass im Bereich dieser Volumenverhältnisse es bei der Entnahme zu vernachlässigbar geringen Überströmvorgängen zwischen der Druckbehälterbaugruppe und dem weiteren Druckbehälter kommt und gleichzeitig viel Brennstoff im Fahrzeug gespeichert werden kann. Das Druckbehältersystem kann ferner mindestens ein Unterbodenchassis umfassen, welches von unten an eine Fahrzeugkarosserie montierbar ist. Die Druckbehälterbaugruppe und das Unterbodenchassis können derart ausgebildet sein, dass die Druckbehälterbaugruppe von oben in das Unterbodenchassis einsetzbar bzw. montierbar ist, wobei die Einheit von Unterbodenchassis und Druckbehälterbaugruppe von unten an die Fahrzeugkarosserie montierbar ist. Dies erleichtert die Montage und Demontage des Druckbehältersystems. Ferner ist somit das Druckbehältersystem gut gegen Witterungseinflüsse und sonstige Umgebungseinflüsse geschützt.
Zweckmäßig sind die mit Bezug zur Brennstoffleitung proximalen Enden der Druckbehälter als Festlager ausgebildet. Ferner vorteilhaft sind die mit Bezug auf die Brennstoffleitung distalen Enden der Druckbehälter als Loslager ausgebildet. Vorteilhaft werden die Enden der Druckbehälter durch gemeinsame Halteelemente (z.B. Querstreben) miteinander verbunden.
Diese gemeinsamen Haltelemente können am distalen Ende in einer Ausgestaltung so beschaffen sein, dass sich das gesamte Halteelement relativ zum Festlager bewegt, um etwaige Längendehnungen auszugleichen. In einer anderen Ausgestaltung wird das Loslager ausgebildet, indem i) jeder Druckbehälter oder ii) nur einige der Druckbehälter als Untergruppe zusammen relativ zum Festlager verschieblich ausgebildet sind. Beispielsweise kann das Festlager-Loslager-Prinzip so umgesetzt sein, wie es in der Druckschrift US2019047409 AA oder in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 102021 102694.6, deren Inhalt bzgl. der Loslagerausbildung hiermit per Verweis hier mit aufgenommen werden.
Somit lassen sich vorteilhaft die brennstoffinnendruckbedingten Längenänderungen auf einfache Art und Weise kompensieren. Vorteilhaft sind die Druckbehälter in der Einbaulage im Wesentlichen zwischen den Türschwellern angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Unterbodenchassis an den Seiten energieabsorbierende Crash- Deformationsstrukturen, bevorzugt mit Fachwerkstrukturen, umfassen, die eingerichtet sind, die an die Druckbehälterbaugruppe übertragene Impaktenergie im Fall einer Kollision zumindest zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Unterbodenchassis in der Bodenwand Stützstreben, wie sie beispielsweise in der EP3667151 A1 oder den deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern DE 102020 128607.4 und DE 102020 123037.0 offenbart, deren Inhalt hinsichtlich der Ausgestaltung der Stützstreben (dort als „supporting member“ oder als „Befestigungselemente“ bezeichnet) und der Anbindung der Druckbehälter hiermit per Verweis hier mit aufgenommen wird
Die elektrische Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie, insbesondere um mindestens eine elektrische (Traktions-)Antriebsmaschine anzutreiben. Die Energiespeichereinrichtung umfasst mindestens eine Einzelzelle, die die elektrochemische Energiespeicherzelle ausbildet. In der Regel ist eine Vielzahl an Einzelzellen vorgesehen. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher bzw. eine Hochvolt-Batterie sein.
Das Unterbodenchassis kann ausgebildet sein, die Druckbehälterbaugruppe sowie mindestens eine elektrische Energiespeichereinrichtung und den mindestens einen weiteren Druckbehälter aufzunehmen, so dass Druckbehälterbaugruppe, die elektrische Energiespeichereinrichtung und der Druckbehälter gemeinsam mit dem Unterbodenchassis an das Kraftfahrzeug montierbar sind.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Tanksystem (=Druckbehältersystem) mit beispielsweise 6 Flachspeichertanks (=Druckbehälter) und einem Rücksitztank (=weiterer Tank). Das Verteilerblockventil (=Absperrventil samt Gehäuse; vgl. Fig. 2) ist mit der Rail (=Brennstoffleiste) verbunden und umfasst ein manuell verschließbares Ventil, ein TPRD, ein zur Rail hin öffnendes Rückschlagventil samt vorgeschaltetem Filter sowie fluidisch parallel zum Rückschlagventil ein Excess Flow Valve und ein Bleed Valve. Am anderen Ende der Rail ist eine Verteilerblockbrandsicherung mit der Rail verbunden und enthält als Subkomponente ein TPRD (vgl. Fig. 3)
In die äußersten Flachspeichertanks ist jeweils ein Tankendplug am distalen Ende der Flachspeichertanks eingeschraubt. Es kann als Subkomponenten umfassen: ein TPRD samt Abblaseleitung und ein Temperatursensor.
Vorteilhaft sind also in allen vier Ecken des Flachspeichermoduls (=Druckbehälterbaugruppe) ein TPRD vorgesehen. Eine punktuelle Wärmequelle kann damit noch schneller erkannt werden. Jedes TPRD das aktiviert wird, ist zweckmäßig in der Lage, den gesamten Brennstoffinhalt des Flachspeichermoduls in die Umgebung ausströmen zu lassen. Es wurde in Versuchen und Simulationen festgestellt, dass die Temperaturentwicklung innerhalb der hier offenbarten Druckbehälterbaugruppe beim Betanken und Entnehmen vergleichsweise ähnlich ist und daher bereits ein oder zwei Temperatursensoren ausreichen, um die Temperatur innerhalb der Druckbehälterbaugruppe zu erfassen. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Druckbehälterbaugruppe lediglich einen Temperatursensor aufweist. Der lediglich eine Temperatursensor kann bevorzugt im bzw. am bzw. benachbart zum Gehäuse des Absperrventils vorgesehen sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Sensor an bzw. benachbart zu dem Ende der Brennleitung vorgesehen ist, dass dem Ende vom Absperrventil gegenüber liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Fertigungskosten sich verringern. Ferner können somit die Schnittstellen für die an den distalen Enden der Druckbehälter vorgesehenen TPRDs kleiner ausfallen, da diese nur die TPRDs und nicht noch zusätzlich einen Temperatursensor aufweisen. Insgesamt wirkt sich dies vorteilhaft auf die Bauraumausnutzung aus. Auch müssen keine elektrischen Leitungen zu den distalen Enden der Druckbehälter geführt werden. Zweckmäßig ist der Temperatursensor derart integriert, dass der Temperatursensor eingerichtet ist, sowohl die Temperatur während der Betankung als auch bei der Entnahme zu erfassen. Sofern lediglich eine Druckbehälterbaugruppe ohne weiteren Druckbehälter (z.B. ein Rücksitztank) vorgesehen ist, könnte auch der Drucksensor aus der Druckminderungseinheit in das Gehäuse des Absperrventils überführt werden. Vorteilhaft ist der Drucksensor derart vorgesehen, dass er zwischen der Brennstoffleitung und dem Absperrventil vorgesehen ist. Somit kann eine Druckmessung auch bei geschlossenem Absperrventil durchgeführt werden.
Die fehlende Information über die Temperatur im Tank kann insbesondere folgendermaßen ersetzt werden:
- Im Betriebsmodus Betanken kann die Tanktemperatur in den Druckbehältern mit einem mathematischen Modell berechnet werden. Eingangssignale sind der gemessene Druck und die gemessene Temperatur in der Brennstoffleitung vor dem Absperrventil. Am Ende der Betankung kühlen sich die Druckbehälter ab und der Druck fällt. An dem Druckgefälle kann in einer bevorzugten Ausgestaltung die ermittelte Temperatur plausibilisiert werden.
- Im Betriebsmodus Fahren (bzw. Entnahme) kann bei H2-Massenströmen ab z.B. 1 kg/h die Tanktemperatur mit dem Temperatursensor am Absperrventil gemessen werden.
- Im Betriebsmodus Parken (bzw. Speichern) kann bevorzugt auf die Messung der Tanktemperatur verzichtet werden.
Zusätzlich zu den bisher genannten Verbesserungsmaßnahmen könnte in einer Variante ein Dehnungssignal eines Druckbehälters zur Verfügung stehen. Das Signal könnte aus der Messung der Längen-, Durchmesser-, Umfangs- oder Volumenveränderung stammen und als Eingangssignal an das Tanksteuergerät gesendet werden. Damit kann also der Druck in einem Druckbehälter ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der lediglich eine Temperatursensor an einem distalen Ende einer der Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe vorgesehen.
Zweckmäßig kann also an oder in der Druckbehälterbaugruppe lediglich ein Temperatursensor vorgesehen sein, wobei der lediglich eine Temperatursensor bevorzugt i) an oder benachbart zu einem der Enden der Brennstoffleitung vorgesehen ist, oder ii) an dem distalen Ende eines Druckbehälters vorgesehen ist.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Druckbehältersystems,
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Absperrventils 212 der Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Ansicht des TPRDs 220 der Fig. 1 , Fig. 4 eine schematische Ansicht des TPRDs 120 der Fig. 1 ,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Druckbehälteranordnung 10 der Fig. 1,
Fig. 6 eine schematische Ansicht vom Unterbodenchassis 20 der
Fig. 1, und
Fig. 7 eine schematische Ansicht des Lagerprinzips der Druckbehälteranordnung 10 der Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des Druckbehältersystems der hier offenbarten Technologie. Der Tankstutzen 420 ist über eine Brennstoffleitung mit einer Verteilereinheit 410 fluidverbunden. In der Verteilereinheit 410 kann ein Rückschlagventil vorgesehen sein, das eingerichtet ist, ein Rückströmen zum Tankstutzen 420 hin zu unterbinden. Die Verteilereinheit 410 ist fluidverbunden mit einem On-Tank-Valve 310 des weiteren Druckbehälters 300, der beispielsweise unterhalb der Rücksitzbank angeordnet sein kann. In dem On-Tank-Valve 310 kann zweckmäßig ein Absperrventil, ein Temperatursensor, eine Rohrbruchsicherung und/oder ein Filter vorgesehen sein (hier teilweise nicht gezeigt). In einer weiteren Ausgestaltung kann am gegenüberliegenden Ende des weiteren Druckbehälters 300 ebenfalls ein TPRD vorgesehen sein..
Eine Brennstoffleitung 406 verbindet die Verteilereinheit 410 mit einer Druckminderungseinheit 430, in der hier eine Rohrbruchsicherung 432, mindestens ein Drucksensor, mindestens ein Temperatursenor, ein mechanisches Sicherheitsventil 436 sowie ein Druckminderer 434 vorgesehen sein kann. Stromab vom Druckminderer 434 ist hier ferner eine Serviceschnittstelle 438 vorgesehen, die zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen ist. Die Brennstoffleitung 402 verbindet die Verteilereinheit 410 mit dem Absperrventil 212. Das Absperrventil 212 (vgl. Fig. 2) ist ein elektrisch betätigbares Absperrventil, das eingerichtet ist, die Fluidverbindung der Druckbehälterbaugruppe 10 vom restlichen Kraftstoffversorgungssystem abzutrennen. Die Brennstoffleitung 200 ist hier als Brennstoffleiste ausgebildet. Sie ist in bzw. an der Druckbehälterbaugruppe 10 vorgesehen. Die Brennstoffleiste ist eine Leitung, von der Leistenanschlüsse für die Befestigung der einzelnen Druckbehälter 100 abgehen. Die Brennstoffleitung 200 kann als derart mechanisch steife Brennstoffleiste ausgeführt sein, dass auch bei Intrusion während eines Unfalls die Brennstoffleiste nicht aufbricht. Alternativ kann eine vergleichsweise flexible Brennstoffleitung vorgesehen sein, die in ein Leitungsgehäuse aufgenommen ist. Das Leitungsgehäuse dient dazu, die Brennstoffleitung 200 zusätzlich vor mechanischer Intrusion zu schützen. Die einzelnen Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 sind im Wesentlichen parallel zueinander und gleich beabstandet voneinander angeordnet. Diese Druckbehälter 100 weisen hier im Wesentlichen dieselbe Länge auf. Je nach Bauraum, in den die Druckbehälterbaugruppe 10 eingebaut werden soll, können einzelne Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 unterschiedlich lang sein und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Bevorzugt sind zwischen den einzelnen Druckbehältern 100 und der Brennstoffleitung 200 keine weiteren elektrisch betätigbare Absperrventile vorgesehen, so dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Druckbehältersystems die einzelnen Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 untereinander direkt fluidverbunden sind, so wie kommunizierende Röhren. Das Bezugszeichen L bezeichnet hier die Gesamtlänge der Brennstoffleitung 200.
Die Enden der Druckbehälter 100, die mit der Brennstoffleitung 200 verbunden sind, sind die proximalen Enden der Druckbehälter 100. Die Enden der Druckbehälter 100, die an der gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind, sind die mit Bezug auf die Brennstoffleitung 120 distalen Enden der Druckbehälter 100.
Vorteilhaft sind an den distalen Enden der beiden äußeren Druckbehälter 100 - also diejenigen Druckbehälter 100, die in der Draufsicht nicht an jeder Seite einen weiteren Druckbehälter 100 aufweisen - jeweils ein TPRD und vorteilhaft auch jeweils ein Temperatursensor vorgesehen. In dem Gehäuse bzw. Block des Absperrventils 212 ist ebenfalls ein TPRD vorgesehen. Ferner ist am bzw. benachbart zum Ende der Brennstoffleitung ein TPRD vorgesehen, das dem Absperrventil 212 gegenüberliegt. Vorteilhaft sind die TPRDs, die Sensoren und die Ventile, sofern lokal an denselben Stellen der Druckbehälter 100 bzw. der Brennstoffleiste 200 angeordnet, in gemeinsamen Gehäusen bzw. Blöcken vorgesehen, so dass vorteilhaft die Anzahl an abzudichtenden Schnittstellen verringert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Druckbehälterbaugruppe 10 lediglich einen Temperatursensor aufweist. Der lediglich eine Temperatursensor kann bevorzugt im bzw. am bzw. benachbart zum Gehäuse des Absperrventils 212 vorgesehen sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Sensor an bzw. benachbart zu dem Ende der Brennleitung vorgesehen ist, dass dem Ende vom Absperrventil 212 gegenüber liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Fertigungskosten sich verringern. Ferner können somit die Schnittstellen für die an den distalen Enden der Druckbehälter vorgesehenen TPRDs kleiner ausfallen, da diese nur die TPRDs und nicht noch zusätzlich einen Temperatursensor aufweisen. Insgesamt wirkt sich dies vorteilhaft auf die Bauraumausnutzung aus. Auch müssen keine elektrischen Leitungen zu den distalen Enden der Druckbehälter geführt werden. Zweckmäßig ist der Temperatursensor derart integriert, dass der Temperatursensor eingerichtet ist, sowohl die Temperatur während der Betankung als auch bei der Entnahme zu erfassen. Sofern lediglich eine Druckbehälterbaugruppe ohne weiteren Druckbehälter (z.B. ein Rücksitztank) vorgesehen ist, könnte auch der Drucksensor aus der Druckminderungseinheit in das Gehäuse des Absperrventils überführt werden. Vorteilhaft ist der Drucksensor derart vorgesehen, dass er zwischen der Brennstoffleitung 200 und dem Absperrventil 212 vorgesehen ist. Somit kann eine Druckmessung auch bei geschlossenem Absperrventil 212 durchgeführt werden.
Die fehlende Information über die Temperatur im Tank kann insbesondere folgendermaßen ersetzt werden:
- Im Betriebsmodus Betanken kann die Tanktemperatur in den Druckbehältern mit einem mathematischen Modell berechnet werden. Eingangssignale sind der gemessene Druck und die gemessene Temperatur in der Brennstoffleitung 200 vor dem Absperrventil 212. Am Ende der Betankung kühlen sich die Druckbehälter ab und der Druck fällt. An dem Druckgefälle kann in einer bevorzugten Ausgestaltung die ermittelte Temperatur plausibilisiert werden.
- Im Betriebsmodus Fahren (bzw. Entnahme) kann bei H2-Massenströmen ab z.B. 1 kg/h die Tanktemperatur mit dem Temperatursensor am Absperrventil gemessen werden.
- Im Betriebsmodus Parken (bzw. Speichern) kann bevorzugt auf die Messung der Tanktemperatur verzichtet werden.
Zusätzlich zu den bisher genannten Verbesserungsmaßnahmen könnte in einer Variante ein Dehnungssignal eines Druckbehälters zur Verfügung stehen. Das Signal könnte aus der Messung der Längen-, Durchmesser-, Umfangs- oder Volumenveränderung stammen und als Eingangssignal an das Tanksteuergerät gesendet werden. Damit kann also der Druck in einem Druckbehälter ermittelt werden. In einer weiteren Ausgestaltung ist der lediglich eine Temperatursensor an einem distalen Ende einer der Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt das Absperrventil 212, das eingerichtet ist, die Druckbehälterbaugruppe 10 vom restlichen Kraftstoffversorgungssystem abzutrennen. Im Gehäuse 210 des Absperrventils 212 ist ferner eine Rohrbruchsicherung 213, ein Manual Valve 214 und/oder ein TPRD 216 vorgesehen. In einem zur Rohrbruchsicherung 213 parallelen Strömungspfad ist ein Rückschlagventil 218 vorgesehen, welches in einer Strömungsrichtung von den Druckbehältern weg den Durchfluss versperrt und in eine Strömungsrichtung zu den Druckbehältern hin den Durchfluss freigibt. Stromauf von diesen beiden Strömungspfaden kann das Manual Valve 214 und das TPRD vorgesehen sein. In der Regel ist das Gehäuse als ein Ventilblock ausgebildet, in dem die entsprechenden Strömungskanäle und Subkomponenten eingebracht sind. Vorteilhaft lassen sich somit die hinsichtlich Leckage abzudichtenden Schnittstellen reduzieren.
Die Fig. 3 zeigt das andere Ende der Brennstoffleitung 200. An diesem Ende ist ein TRPD 220 vorgesehen. Die Fig. 4 zeigt eine Baueinheit, die an ein distales Ende eines Druckbehälters 100 vorgesehen ist. Diese Baueinheit kann auch als Block oder Gehäuse bezeichnet werden. In diesem Gehäuse ist hier das TPRD 120 sowie ein Temperatursensor integriert.
Die Fig. 5 zeigt eine Druckbehälterbaugruppe 10. Sie umfasst eine Mehrzahl an Druckbehältern 100 (hier 6 Druckbehälter), die mechanisch aneinander gekoppelt sind und somit zu einer mechanischen Einheit, der Druckbehälterbaugruppe 10, werden. Die einzelnen Druckbehälter werden jeweils an den Enden miteinander gekoppelt. Dazu dient hier eine Schiene, die hier die einzelnen Druckbehälter 100 fixiert und zudem auch die Baugruppe versteift. Anstatt einer Schiene könnte an einer Seite auch eine entsprechend steife Brennstoffleiste vorgesehen sein. Vorteilhaft kann in einer Ausgestaltung an einer Seite eine Brennstoffleitung 200 vorgesehen sein (nicht gezeigt), die zusätzlich durch ein stabiles Leitungsgehäuse vor mechanischen Belastungen geschützt sein kann.
Die Fig. 6 zeigt ein Unterbodenchassis 20. Es ist unterteilt in einen Energiespeicheraufnahmebereich 22, in dem ein Energiespeicher des Kraftfahrzeugs einsetzbar ist, einen Baugruppenaufnahmebereich 21 für die Druckbehälterbaugruppe 10, und einen weiteren Aufnahmebereich 23 für den weiteren Druckbehälter 300. Zweckmäßig umfasst das Unterbodenchassis 20 laterale Befestigungsbereiche 24, die dazu dienen, das Unterbodenchassis 20 an die Fahrzeugkarosserie zu befestigen.
Die Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht des Lagerprinzips der Druckbehälteranordnung 10 der Fig. 1. Die Druckbehälter 100 sind hier parallel zueinander angeordnet. An den proximalen Enden der Druckbehälter 100 ist die Festlagerung 130 vorgesehen. An dieser Seite ist ebenfalls die Brennstoffleitung 200 angeordnet. An der gegenüberliegenden Seite der Druckbehälter 100 ist das Loslager 140 vorgesehen. Die Druckbehälter 100, die Lager 130, 140 und die Brennstoffleitung sind hier in dem Unterbodenchassis 20 aufgenommen. Das Unterbodenchassis 20 ist wiederum in den Karosserieanbindungsbereichen 30 an der Fahrzeugkarosserie befestigt. Nicht gezeigt sind weitere Komponenten der Druckbehälteranordnung 10, wie beispielsweise etwaige Ventile, TPRDs, etc. Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, die/eine Energiespeichereinrichtung, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Energiespeichereinrichtung, etc.).
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen parallel angeordnete Druckbehälter“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „parallel angeordnete Druckbehälter“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von parallel angeordnete Druckbehälter“).
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.

Claims

Ansprüche
1. Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff, mit mehreren Druckbehältern (100), die zu einer Druckbehälterbaugruppe (10) zusammengefasst sind, wobei die Druckbehälter (100) in der Einbaulage im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Druckbehälter (100) über eine gemeinsame Brennstoffleitung (200) miteinander fluidverbunden sind.
2. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 , wobei die Brennstoffleitung (200) als Brennstoffleiste ausgebildet ist.
3. Druckbehältersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei an oder benachbart zu jedem Ende der Brennstoffleitung (200) jeweils mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung (216, 220) vorgesehen ist.
4. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an den distalen Enden der Druckbehälter (100) thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen (120) vorgesehen sind.
5. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nur an den distalen Enden der äußeren Druckbehälter (100) thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen (120) vorgesehen sind.
6. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eine Druckentlastungseinrichtung (120) ein Gehäuse umfasst, in oder an dem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen ist, insbesondere am distalen Ende.
7. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an oder in der Druckbehälterbaugruppe (10) lediglich ein Temperatursensor vorgesehen ist.
8. Druckbehältersystem nach Anspruch 7, wobei der lediglich eine Temperatursensor i) an oder benachbart zu einem der Enden der Brennstoffleitung (200) vorgesehen ist, oder ii) an dem distalen Ende eines Druckbehälters (100) vorgesehen ist.
9. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen weiteren Druckbehälter (300) zur Speicherung von Brennstoff, wobei der weitere Druckbehälter (300) ein Brennstoffspeichervolumen aufweist, dass mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 3 oder mindestens um den Faktor 5 größer ist als das Brennstoffspeichervolumen des größten Druckbehälters (100) der Druckbehälterbaugruppe (10).
10. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Volumenverhältnis einen Wert zwischen 0,15 bis 1 ,0 oder einen Wert zwischen 0,2 und 0,75 oder einen Wert zwischen 0,25 und 0,5 aufweist, und wobei das Volumenverhältnis der Quotient ist aus dem Brennstoffvolumen des mindestens einen weiteren Druckbehälters (300) im Zähler und dem Gesamtbrennstoffvolumen aller Druckbehälter (100) der Druckbehälterbaugruppe (10) im Nenner.
11. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend ein Unterbodenchassis (20), welches von unten an eine Fahrzeugkarosserie montierbar ist, wobei die Druckbehälterbaugruppe (10) und das Unterbodenchassis (20) derart ausgebildet sind, dass die Druckbehälterbaugruppe (10) von oben in das Unterbodenchassiss (20) montierbar ist, und wobei die Einheit von Unterbodenchassis (20) und Druckbehälterbaugruppe (10) von unten an die Fahrzeugkarosserie montierbar ist.
12. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die proximalen Enden der Druckbehälter (100) als Festlager (130) ausgebildet sind, und wobei die distalen Enden der Druckbehälter (100) als Loslager (140) ausgebildet sind, wobei an den proximalen Enden die Brennstoffleiste (200) vorgesehen ist.
13. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an der Brennstoffleitung (200) ein Absperrventil (212) vorgesehen ist, und wobei die Druckbehälter (100) der Druckbehälterbaugruppe (10) als kommunizierende Röhren ohne weiteres elektrisch betätigbares Sperrventil ausgebildet sind.
14. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Gehäuse (210) des Absperrventils (212) ferner eine Rohrbruchsicherung (213) und/oder die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung (216) vorgesehen ist.
15. Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Unterbodenchassis (20) ausgebildet ist, die Druckbehälterbaugruppe (10) sowie mindestens eine elektrische Energiespeichereinrichtung und den mindestens einen weiteren Druckbehälter (300) aufzunehmen, so dass die Druckbehälterbaugruppe (10), die elektrische Energiespeicher einrichtung und der Druckbehälter (300) gemeinsam mit dem Unterbodenchassis (20) an das Kraftfahrzeug montierbar sind.
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