CN102668293B - 低压电压供应 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在具有牵引蓄电池（12）的蓄电池车辆（10）中和在具有牵引蓄电池（12）的燃料电池车辆（50）中和在具有牵引蓄电池（12）和/或燃料电池（51）的燃料电池车辆（50）中给低电压电路（32）的电组件（34,36,38）供应低电压的设备和方法。用于对电组件（34,36,38）进行供应的接通/关断过程用的低电压在牵引蓄电池（12）的至少一个模块（14-24）处或者在燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）处被截取。

Description

低压电压供应
现有技术
在目前的机动车情况下，所有电组件被设计到14V的低电压。车辆的控制设备、舒适电子装置和照明装置属于这样的电组件。出于成本和安全原因，当前并且以高的安全性也在将来不设计用于高压应用的组件，使得不仅蓄电池车辆而且燃料电池车辆允许具有或者将具有低电压网。为此，需要至少一个从高压电压到低压电压的DC/DC转换器，该DC/DC转换器引起另外的成本。此外，一般需要低压蓄电池（Batterie），该低压蓄电池在接通和关断期间给蓄电池系统和/或燃料电池系统供应电压，这样例如在接通或切断之前在系统检查范围中需要低压蓄电池。
DE102007027902A1涉及具有用于高电流运行的转换装置的蓄电池组。公开了包括多个蓄电池端子和一个接线柱对的电路，其中蓄电池端子和接线柱对分别具有正极和负极，其中该电路被设置用于可选地将蓄电池端子与接线柱对连接。该电路包括开关元件，所述开关元件将蓄电池端子中的至少两个子组可选地以与电压相加串联的方式或以与电流相加并联的方式相互连接成至少一个组并且将该至少一个组与接线柱连接。子组分别包括一个或多个蓄电池端子，所述蓄电池端子又分配给原电池。
发明内容
根据本发明建议，直接从牵引蓄能器或燃料电池的单个电池组（Zellpaket）截取低压电压，其中需要所述低压电压用于接通/关断并且用于对蓄电池车辆和燃料电池车辆的低电压组件进行供应。牵引蓄能器或燃料电池的该单个电池组这样被确定尺寸，使得根据运行状态或充电状态，在典型地11V和14.8V之间的所需要的电压可供使用。这以特别有利的方式能够放弃高压/低压DC/DC转换器并且根据车辆设计而能够节省低压蓄电池。由于转换器的节省和必要时低压蓄电池的节省，一方面减少车辆的重量，这积极地影响燃料消耗，并且另一方面节省结构空间，所述结构空间或者可以通过其他部件利用或者能够实现紧凑的、也即小结构的车辆。
对于蓄电池驱动车辆而言，放弃低压蓄电池和高压/低压DC/DC转换器意味着，在牵引蓄电池的一个或多个模块处截取用于对14V外围设备、也即上述的电组件控制设备、舒适电子装置和照明装置进行供应所需要的低压电压。对于这些相应的模块，这意味着较高的电负荷、改变的充电状态和必要时进展较快的老化。这可以在蓄电池运行的车辆的蓄电池管理时相应地予以考虑。可替代地存在可能性：牵引蓄电池的该至少一个模块仅提供对于接通/切断过程需要的能量，所述能量如此小，使得该模块的充电状态几乎不被改变。用于在车辆运行中对低压组件进行供应的能量此外经由DC/DC转换器、这意味着最后由整个牵引蓄电池提供，使得至少可以放弃低压蓄电池。
对于装备有燃料电池的车辆，放弃低压蓄电池和高压/低压DC/DC转换器意味着：在系统的接通/关断期间在存在牵引蓄电池的情况下、也即如果燃料电池还未处于运行中或者不再处于运行中，则牵引蓄电池的模块承担系统的供应。牵引蓄电池的存在在装备有燃料电池的车辆的情况下可被假定为正常情况。前述的发展如下进行，即将来以“增程器（Range-Extender）”形式可预料燃料电池与蓄电池的以全混合形式的混合化。“增程器”被理解为包括大蓄电池的系统，主要从所述大蓄电池对牵引发动机进行供应。在该系统的范围内存在牵引发动机与机组的连接，所述机组从以化学方式存储的能量中获得电流，这样例如燃料电池或具有发电机的内燃机，所述发电机对大蓄电池再充电。
由于小的能量需求，系统的接通/关断仅意味着牵引蓄电池的模块的可忽略的附加负荷，使得没有提高的老化可被预期。这必要时可以通过更换牵引蓄电池的对于系统的接通或关断过程所需要的模块来均衡，使得保证不总是使同一模块承受负荷。
在系统运行期间，低压电压供应由燃料电池堆叠的电池堆叠来承担。该附加负荷仅意味着相应的电池堆叠的供应状态的轻微变化，其可忽略或者必要时可以通过具有较大横截面的气体供应通道来防止。因此，对于这些电池自动地得出与燃料电池堆叠内布置的剩余燃料电池相比较好的气体供应和从而较高的电流容许负荷。一般适用的是，通过尤其在小负载时起作用的降低的燃料电池运行电压可以预期附加地承受负荷的电池堆叠的减小的老化。
在具有燃料电池的非混合化车辆、也即缺少牵引蓄电池情况下，该车辆包括用于接通/关断的低压起动器蓄电池，其中在车辆运行中从燃料电池堆叠对电低压组件进行供应。仅需要小规模的充电电子装置用于在运行期间借助于堆叠模块对起动器蓄电池再充电。起动器蓄电池因此可以非常小并且必要时完全通过电容器代替。
利用根据本发明所建议的解决方案可以改善燃料电池的效率，因为虽然使电池中的单个较高地承受负荷并且所述电池具有较差的效率，但是这通过DC/DC转换器损耗和低压蓄电池的充电或放电损耗来取消。此外，在燃料电池情况下不存在附加地承受负荷的电池的较高的老化，这在可达的寿命方面是有益的。
附图说明
根据附图详细地阐述本发明。
图1示出在蓄电池车辆处所实施的根据本发明所建议的解决方案的实施变型方案，和
图2示出在具有牵引蓄电池的燃料电池车辆处实施的根据本发明所建议的解决方案的另一实施变型方案，和
图3示出用于更好地对燃料电池的附加承受负荷的电池进行供应的深入地构造的气体供应通道的图示。
具体实施方式
图1示出在具有牵引蓄电池的蓄电池车辆处的根据本发明所建议的设备的实施例。
在下面将牵引蓄电池或蓄电池理解为多个蓄电池模块的电路连接和其中所集成的或与之分开的蓄电池管理。在该方面可以将模块理解为多个蓄电池电池的电路连接，电池（Zelle）或单个电池表示具有分别所安装的原电池的电压的基本单元。
从根据图1的图示可以得出，蓄电池车辆10包括牵引蓄电池12。牵引蓄电池12在图1中示例性示出的实施变型方案中包括多个模块，这样例如第一模块14、第二模块16、第三模块18、第四模块20、第五模块22以及第六模块24。代替这里所列举的六个模块14至24，牵引蓄电池12也可以包含与此不同数量的模块。如图1此外所示，给牵引蓄电池12分配蓄电池管理30。蓄电池管理30不仅可以与牵引蓄电池12分开地布置，另一方面也存在以下可能性：如上已经提及的，将蓄电池管理30集成在牵引蓄电池12中。在牵引蓄电池12的各个模块14至24与蓄电池管理30之间分别延伸有电连接26。在模块14至24与蓄电池管理30之间的电连接26中的每一个包括开关28，所述开关在根据图1的该图是中仅示意性地示出。
此外，从根据图1的图示可以得出，蓄电池车辆10具有低电压电路32。所有电组件均位于该低电压电路32中，所述电组件在11和14.8V之间的数量级的电压水平上被运行。对此可以理解控制设备34、舒适电子装置36，这样例如用于窗玻璃、伸缩车棚等的执行机构。此外，照明装置38集成在蓄电池车辆10的低电压电路32中。
利用根据本发明所建议的在蓄电池车辆10的根据图1的图示中示例性示出的设备，可以产生低压电压，所述低压电压被需要用于接通/关断并且用于对蓄电池车辆10中的低压电路32的电组件34、36、38进行供应。该低压电压直接从牵引蓄电池12的模块14至24中的单个来截取。单个模块14至24如此被确定尺寸，使得根据运行或充电状态，在典型地11和14.8V之间的低电压水平上的所需要的电压可供使用。由此可以以有利的方式实现放弃高压/低压DC/DC转换器和根据车辆设计放弃否则在低压电路中为了实现关断过程要设置的低压蓄电器。由图1的图示得知，在相应构造的蓄电池管理30情况保证不总是采用模块14至24中的同一个用于在接通或关断过程时截取或者用于对低压电路的电组件34、36、38进行电压供应。因为模块24至24中的每一个均经由单独的电连接26连同开关28与蓄电池管理30连接，所以该蓄电池管理可以分别根据模块14至24的充电状态动用模块14至14之一。因此保证，循环运行通过牵引蓄电池12的所有模块14至24来保证，使得不总是采用同一模块14、24用于低压电路32的低压电压供应。通过根据本发明所建议的设备的在图1中所示的实施变型方案，可以由于放弃HV/NV-DC/DC转换器而实现显著的成本节省、系统复杂性减小以及结构空间的节省。
根据图1概述的设备也可以作为实施变型方案仅仅被用于低电压电路32的电组件34、36、38的接通/切断过程的低电压供应。在接通或切断过程时所需要的该能量如此小，使得分别保证低电压供应的模块14至24的充电状态几乎不被改变。用于在车辆运行中对低电压电路32的电组件34、36、38进行供应的能量此外经由DC/DC转换器、也即最后由整个蓄电池提供，使得在该实施变型方案情况至少可以放弃低压蓄电池。
从根据图2的图示中可以得出在燃料电池车辆处所实施的根据本发明所建议的设备。
在图2中所示的实施变型方案中，燃料电池车辆50同样包括牵引蓄电池12。根据图2的示意性结构对应于全混合形式的由燃料电池51与牵引蓄电池12的混合。全混合下面被理解为：混合驱动的该实施变型方案从燃料电池51取得可用功率的大部分并且牵引蓄电池12仅仅用于缓冲。其他发展趋势如下进行，即燃料电池51以“增程器”形式仅用于对相应地被较大地确定尺寸的牵引蓄电池12再充电。
图2示出，燃料电池车辆50在图2中所示的实施变型方案中包含牵引蓄电池12。牵引蓄电池12包括已经结合图1所提及的模块，即第一模块14、第二模块16、第三模块18、第四模块20、第五模块22以及第六模块24。电连接26分别在模块14至24中的每一个和同样设置的蓄电池管理30之间伸展，所述电连接可以借助于开关28被打开或闭合。在系统管理内进行燃料电池51的功率调节以及牵引蓄电池12内的能量管理。在管理燃料电池51时值得注意的是，不能单独地调节单个电池堆叠52至60，而是只能调节燃料电池51的整个堆叠。在该燃料电池堆叠51内不进行单个电池电压监控，这节省昂贵的接触。
从根据图2的图示此外可以得出，燃料电池车辆50包括燃料电池51。该燃料电池51包括燃料单个电池的堆叠、也即第一电池堆叠52、第二电池堆叠54、第三电池堆叠56、第四电池堆叠58、第五电池堆叠60以及第六电池堆叠62并且最后第七电池堆叠64。根据图2中的图示的燃料电池51也可以包含与所示的七个电池堆叠不同数量的电池堆叠。
下面假设，根据图2中的图示的燃料电池车辆50包含牵引蓄电池12。对于该情况，在接通或关断低电压电路32的组件34、36、38期间，牵引蓄电池12的模块14、16、18、20、22、24之一承担低压电路32的电组件34、36、38的电压供应。在接通或关断系统期间，燃料电池51还未处于运行中并且还不能提供电压。由于在接通或关断时以及在执行系统检验流程时所需要的低能量需求，仅出现牵引蓄电池12的模块14、16、18、20、22、24之一的可忽略的附加负荷，使得没有提高的老化可被预期。模块14、16、18、20、22、24中的分别要起动的模块（在该模块处通过经由电连接26闭合开关28最后实现电压截取）与牵引蓄电池12的相应的模块14至24的充电状态有关。蓄电池管理30可选地保证，不总是采用模块14至24中的同一个来覆盖低电压电路32中的即使小的能量需求。在燃料电池51的情况下，一般没有提高的老化可被期望，因此完全地存在以下可能性：总是使用牵引蓄电池12的模块14、16、18、20、22、24中的同一个，以便节省昂贵的接触。模块14、24中的分别要经由蓄电池管理30与低电压电路32连接的模块通过闭合相应的电连接26的开关28被寻址。
如果燃料电池51投入运行，则在系统运行期间优选地从燃料电池51的电池堆叠52、54、56、58、60、62、64之一来对低电压电路32的电组件34、36、38进行低电压供应。可替代地，也可以通过牵引蓄电池12的模块14、16、18、20、22、24之一来进行低电压供应。该附加负荷仅意味着从用于对低压电路32的电组件34、36、38进行供应的多个电池堆叠52至64中选择的相应的电池堆叠的相应供应状态的轻微变化。相应供应状态的变化是可忽略的并且必要时可以通过各个电池堆叠52至65中的气体供应通道的放大的截面来补偿。对于相应的堆叠52至74，由此隐性地自动地得出更好的气体供应，该改善的气体供应对于电流容许负荷又是有益的。一般而言适用的是，通过尤其是在小的负载情况下积极地起作用的下降的运行电压而出现电池堆叠52至64中的附加地承受负荷的电池堆叠的减小的老化。
但是如果在燃料电池车辆50处缺少在图2中所示的牵引蓄电池12，则在这样建立的非混合化燃料电池车辆情况下装入低压起动器蓄电池68。在该情况下，系统经位置72分开，也即不存在牵引蓄电池12。在设置低压起动器蓄电池68的情况下，通过该低压起动器蓄电池提供对于电组件34、36、38的接通/关断需要的低电压水平。在运行中，经由连接74从燃料电池51的相应寻址的电池堆叠52至64中对低电压电路32进行供应。用附图标记66表示充电电子装置，所述充电电子装置被使用来在运行期间借助于燃料电池51的电池堆叠52至64对低压起动器蓄电池68再充电。充电电子装置66是简单的并且比高压/低压转换器成本低。在燃料电池车辆50的该缩减的实施变型方案中所使用的起动器蓄电池68可以非常小或者必要时也如在根据图2的图示中那样通过电容器70代替。
在图2中所示的两个实施变型方案中，可以节省高压/低压DC-DC转换器，在存在牵引蓄电池12时此外也可以取消低压起动器蓄电池68。
另一在制图上没有示出的实施变型方案包括燃料电池51、牵引蓄电池12以及低压蓄电池（参见附图标记68）。
图3示出用于更好地对堆叠形式的燃料电池的附加承受负荷的电池进行供应的深入地构造的气体供应通道的构造。
从图3可以看出，燃料电池51具有在其横截面方面不同地被确定大小的气体供应通道75。在例如在图3中所示的第一电池堆叠52内，第一截面78的气体供应通道75位于阳极处的双极板内。在阳极的第一双极板76和阴极侧的第一双极板（参见位置82）之间设置薄膜电极单元80。第一双极板76的气体供应通道75以第一截面78被构造，所述第一截面这里具有梯形几何形状。在阴极侧的第一双极板（参见位置82）中，气体供应通道75具有放大的第二通道截面84。在阳极侧的第二双极板86中，构造第三通道截面88，其中具有第四通道截面92的气体供应通道75在阴极侧的第二双极板90中与所述第三通道截面88相对（通过薄膜电极单元80分开）。气体供应通道75的第四通道截面（参见位置92）超过阴极侧的第一双极板82内的第二通道截面84。

Claims (4)

1.用于给低电压电路（32）的电组件（34,36,38）供应低电压的设备，其中该设备具有燃料电池（51）和牵引蓄电池（12），其中，从燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）或牵引蓄电池（12）的模块（14-24）截取用于接通和关断、系统检验过程和/或用于对电组件（34,36,38）进行供应的低电压，其特征在于，燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）具有在其通道截面（78,84,88,92）方面扩展的气体供应通道（75），给燃料电池（51）和牵引蓄电池（12）分配蓄电池管理（30），所述蓄电池管理（30）能与燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）中的每一个或者牵引蓄电池（12）的模块（14-24）中的每一个连接并且根据牵引蓄电池（12）的模块（14-24）的充电状态动用牵引蓄电池（12）的模块（14-24）中的一个。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，低电压的电压水平位于11V和14.8V之间。
3.用于给低电压电路（32）的电组件（34,36,38）供应低电压的设备，其中该设备具有燃料电池（51），从电容器截取用于接通/关断过程、系统检验过程的低电压并且在运行中从燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）之一进行低电压供应，其特征在于，燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）具有在其通道截面（78,84,88,92）方面扩展的气体供应通道（75），该设备还具有分配给燃料电池（51）的蓄电池管理（30），所述蓄电池管理（30）能与燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）中的每一个连接。
4.用于利用牵引蓄电池（12）和/或燃料电池（51）给蓄电池车辆（10）或者燃料电池车辆（50）的电组件（34,36,38）供应低电压的方法，其特征在于，在运行中在牵引蓄电池（12）的至少一个模块（14-24）处截取用于接通/关断过程、系统检验过程和/或用于对电组件（34,36,38）进行供应的低电压，其中通过分配给牵引蓄电池（12）和/或燃料电池（51）的蓄电池管理（30）根据牵引蓄电池（12）的模块（14-24）的充电状态在每个截取时从另一模块（14-24）截取低电压，或者从燃料电池（51）的至少一个电池堆叠（52-64）截取用于接通/关断过程、系统检验过程和/或用于对电组件（34,36,38）进行供应的低电压，其中在每个截取时从燃料电池（51）的另一电池堆叠（52-64）截取低电压，其中所述蓄电池管理（30）能与牵引蓄电池（12）的模块（14-24）中的每一个或者与燃料电池（51）的电池堆叠（52-64）中的每一个连接。
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