DE102021106038A1

DE102021106038A1 - Druckbehältersystem mit einer Druckbehälterbaugruppe

Info

Publication number: DE102021106038A1
Application number: DE102021106038.9A
Authority: DE
Inventors: Timo Gutmann; Klaus SZOUCSEK; Christopher Detmar; Alexander Zotter; Lydia Moral Graci; Joerg HENNECKE; Peter Bartl; Oemer AHMET-TSAOUS; Olivier Cousigne; Andreas Pelger; Klaas Kunze; Eric Hendel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-05-12
Also published as: CN116917657A; US20240149663A1; WO2022189102A1

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

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 10 2018215447 B3 , DE 10 2018210699 A1 , US 2006102398 AA , DE 102018116090 A1 , DE 10 2018119087 A1 , DE 10 2018000756 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 10 2020 128 607.4 und DE 10 2020 123 037.0 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 10 2015222252 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 Überstromventil (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 10 2021 102 694.6 , 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 10 2020 128 607.4 und DE 10 2020 123 037.0 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. 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. 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:

1 eine schematische Ansicht des Druckbehältersystems,
2 eine schematische Ansicht des Absperrventils 212 der 1,
3 eine schematische Ansicht des TPRDs 220 der 1,
4 eine schematische Ansicht des TPRDs 120 der 1,
5 eine perspektivische Ansicht der Druckbehälteranordnung 10 der 1,
6 eine schematische Ansicht vom Unterbodenchassis 20 der 1, und
7 eine schematische Ansicht des Lagerprinzips der Druckbehälteranordnung 10 der 1.

Die 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. 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 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 3 zeigt das andere Ende der Brennstoffleitung 200. An diesem Ende ist ein TRPD 220 vorgesehen. Die 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 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 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 7 zeigt eine schematische Ansicht des Lagerprinzips der Druckbehälteranordnung 10 der 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018215447 B3 [0001]
DE 102018210699 A1 [0001]
US 2006102398 AA [0001]
DE 102018116090 A1 [0001]
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EP 3441253 A1 [0001]
DE 102020128607 [0008, 0019]
DE 102020123037 [0008, 0019]
DE 102018118397 A1 [0008]
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EP 3346179 A1 [0008]
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DE 102021102694 [0016]
EP 3667151 A1 [0019]

Claims

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.
Druckbehältersystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffleitung (200) als Brennstoffleiste ausgebildet ist.
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.
Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an den distalen Enden der Druckbehälter (100) thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen (120) vorgesehen sind.
Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nur an den distalen Enden der äußeren Druckbehälter (100) thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen (120) vorgesehen sind.
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.
Druckbehältersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an oder in der Druckbehälterbaugruppe (10) lediglich ein Temperatursensor vorgesehen ist.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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 Energiespeichereinrichtung und der Druckbehälter (300) gemeinsam mit dem Unterbodenchassis (20) an das Kraftfahrzeug montierbar sind.