CN109411785A - 用于运行燃料电池组件的方法以及相应的燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池组件(1)的方法，其具有用于提供在电路(6)中的电能的燃料电池(5)、经由直流电压变换器(7)电联接到燃料电池(5)处的电路(6)、和电池(12)。在此设置成，在燃料电池组件(1)的至少一个运行形式中在燃料电池(5)的调试后，电池(12)与电路(6)电分离，且非节拍地运行直流电压变换器(7)用于以由燃料电池(5)提供的电能供给电路(6)的至少一个电消耗器。本发明此外涉及一种燃料电池组件(1)。

Description

用于运行燃料电池组件的方法以及相应的燃料电池组件
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃料电池组件的方法，其具有用于提供在电路中的电能的燃料电池、经由直流电压变换器电联接到燃料电池处的电路、和电池。本发明此外涉及一种燃料电池组件。
背景技术
燃料电池组件例如形成用于机动车的驱动设备的组成部分。驱动设备用于驱动机动车，就此而言即用于提供针对机动车的驱动的驱动转矩。驱动设备具有至少一个驱动机组，其优选地设计为电机。在该情况中，燃料电池组件用于提供电能，以运行电机。电机也可称为牵引机。
燃料电池组件具有燃料电池，其用于提供电能以及电流用于电路。至少一个消耗器、例如驱动机组联接到电路处。电路自身经由直流电压变换器电联接到燃料电池处。电路此外关联有电池，借助于其可临时存储电能或电流，尤其由燃料电池提供的电能。附加地，燃料电池辅助机组可联接到电路处。
从现有技术中例如已知印刷文献DE 10 2015 207 413 A1。这描述了用于在电驱动的车辆中的电流供给的功率线路。功率线路包括直流电压端口、电牵引驱动器、和DCAC变换器。其具有交变电压侧，该交变电压侧与牵引驱动器连接。功率线路的DCDC变换器设计成带有两个变换器侧。第一变换器侧经由联结点与DCAC变换器的直流电压侧连接。直流电压端口同样与该联结点连接。此外，提到的印刷文献描述了静止的能量供给系统，其互补地构造且其设计用于与功率线路连接。
发明内容
本发明的任务是，提出一种用于运行燃料电池组件的方法，其相对于已知的方法具有优点，尤其以较高效率实现了燃料电池组件的运行。
这根据本发明以带有权利要求1的特征的用于运行燃料电池组件的方法实现。在此设置成，在燃料电池组件的至少一个运行形式中在燃料电池的调试后，电池从电网电分离，且非节拍地(ungetaktet)运行直流电压变换器以用于以由燃料电池提供的电流供给电路的至少一个电消耗器。
在燃料电池的调试的范围中，其准备用于提供电能。燃料电池在此电联接到电路处，即经由直流电压变换器。直流电压变换器用于将由燃料电池提供使用的燃料电池电压变换到在电路中存在的电路电压上，其通常相应于电池的电池电压(至少在电池与电路电连接期间)。例如，电池电压始终大于燃料电池电压。优选地，电池电压为至少250伏特、至少300伏特、至少225伏特或至少350伏特。燃料电池电压在每个情况中小于相应的电池电压，至少在完全充电的电池中。
在燃料电池电压和电池电压之间的区别借助于直流电压变换器来补偿，其中直流电压变换器例如作为充电泵工作。直流电压变换器具有至少一个功率开关，其为了变换电压周期性地开启和闭合。在该情况中，直流电压变换器节拍地(getaktet)运行，因此在确定的节奏中开启和闭合。
直流电压变换器的节拍的运行引起燃料电池组件的效率损失。同时，其然而需要，将电池和燃料电池与电路同时连接。为了提高燃料电池组件的效率，因此在至少一个运行形式中设置成，在燃料电池的调试后将电池从电路电分离且直流电压变换器非节拍地运行。因此，在电路中存在的电压相应于燃料电池电压。
如果机动车的行驶运行、即牵引机的运行以较低的负荷波动和/或在较低的功率的情形中进行，该描述的操作方式尤其有意义。附加地或备选地，如果借助于燃料电池提供的电能不用于执行机动车的行驶运行，而是应用于车辆外部的设备的运行，可使用该描述的操作方式。对于运行该设备需要的电功率通常如此小，使得其不导致燃料电池电压和因此电路电压的扰动(或崩溃，即Einbruch)。在两个情况中轻易可能的是，直流电压变换器非节拍地运行且牵引机和/或外部设备仅借助于燃料电池供给以电能。
需要电能以用于燃料电池的调试，尤其用于起动和/或运行上文已经提及的燃料电池辅助机组。燃料电池辅助机组例如以流体泵的形式存在，借助于其可供应或至少供应燃料和/或氧化剂、尤其空气氧气给燃料电池。燃料电池辅助机组联接到电路处。
为了燃料电池的调试，现在可设置成，首先将电池与电路电连接，且运行燃料电池辅助机组，以便使燃料电池运行。燃料电池在此优选地不贡献于以电能供给燃料电池辅助机组。相反地，对于运行燃料电池辅助机组需要的电能优选地完全地且仅仅从电池提取。备选地，也可设置成，电能至少部分地或完全地通过回收、尤其借助于牵引机来提供。因此可例如设置成，能量部分地从电池提取且部分地借助于牵引机提供。如果燃料电池辅助机组在运行中，则燃料电池同样在运行中，以便随后提供电能用于电路。对此，根据上文的实施方案进行。
在本发明的另外的实施方式的范围中，可设置成，直流电压变换器在电池与电路分离前运行用于调节到电池电流的电池电流强度上且在分离后运行用于调节到电压上。电池电流强度理解为电流的电流强度，其从电池流到电路中或反过来。
在将电池从电路分离之前，不仅燃料电池而且电池与电路电连接。相应地，直流电压变换器节拍地运行，以便将燃料电池电压变换到电池电压上。这优选地如此进行，使得电池电流强度尤其调节到零。这意味着，如此操控直流电压变换器，使得对于运行电路或至少一个消耗器需要的电能绝大部分地或甚至完全地借助于燃料电池提供，且电池仅用于补偿在需要的功率中的波动。
在将电池从电路分离之后，直流电压变换器应与此相反用于调节到电压。例如，直流电压变换器直接在分离之后此外至少暂时地节拍地运行，其中，燃料电池电压此外变换到电池电压上。例如，以该方式和形式，电路电压可连续地匹配于燃料电池电压且随后、即在到达燃料电池电压后通过电路电压非节拍地运行直流电压变换器。因此确保了在燃料电池组件的运行形式之间的柔和的过渡。
在本发明的另外的实施方式的范围中设置成，在分离之前直流电压变换器如此运行，使得电池电流强度小于电流强度阈值，且紧接着电池从电路分离。电池电流强度越小，则电池可从电路越没有问题地分离。出于该原因，直流电压变换器应在电池从电路分离之前如此运行，使得沿电路的方向从电池提取的电池电流尽可能地小，尤其小于电流强度阈值，或等于零。
例如，对此，直流电压变换器如此运行，以至于其初始电压至少相应于或等于电池的电池电压。如果以该方式和形式电池电流或电池电流强度降低，优选地降低到零，则电池从电路分离，从而电路从现在起经由直流电压变换器由燃料电池供给以电能。电池从电路的该解耦实现了直流电压变换器的随后非节拍的运行。
本发明的另一优选的设计方案设置成，在电路中，直流电压变换器在调试后运行用于提供第一电压且在电池从电路分离后运行用于提供与第一电压不同的第二电压。在电池与电路连接时，直流电压变换器应在电路的侧上提供第一电压，从而因此直流电压变换器的初始电压相应于第一电压。
在电池从电路分离后，直流电压变换器的初始电压应相应于第二电压。优选地，第二电压小于第一电压且就此而言小于电池电压。第二电压通过直流电压变换器的节拍的或非节拍的运行实现。在非节拍的运行的情况中，燃料电池组件的效率明显地改善。节拍的运行可例如被使用，以便使第二电压连续地匹配于燃料电池电压。自达到燃料电池起通过第二电压可非节拍地运行直流电压变换器，从而得到上文描述的效率优点。
本发明的一种改进方案设置成，直流电压变换器具有可节拍地运行的功率开关，其在电池从电路分离前节拍地运行且在分离后非节拍地运行。已经指出直流电压变换器的功率开关。其可节拍地运行，即周期性地开启和闭合。在直流电压变换器的非节拍地运行期间，功率开关优选地保持持久地开启。带有功率开关的直流电压变换器的设计方案不仅实现了以连结到电路处的电池的燃料电池组件的运行而且实现了以从电路电解耦的电池的燃料电池组件的运行，其中，在后者的情况中实现了一种极其能量高效的运行。
本发明的另一设计方案设置成，在直流电压变换器的非节拍地运行期间燃料电池经由直流电压变换器的二极管与电路连接。二极管以阻塞二极管的形式存在，且具有从燃料电池沿电路的方向的其贯通方向(或通过方向，即Durchgangsrichtung)。反过来，即存在从电路沿燃料电池的方向的其阻塞方向。经由二极管，就此而言电能从燃料电池到达到电路中，只要燃料电池电压大于电路电压。燃料电池在非节拍的运行期间仅经由二极管与电路连接，即仅经由无源的电结构元件。上文提及的功率开关与之相反优选地保持永久开启。
本发明的一种特别优选的另外的实施方式设置成，作为消耗器使用机动车的牵引机，其经由脉冲逆变器联接到电网处。牵引机是上文已经提及的驱动机组。牵引机经由脉冲逆变器联接到电网处，从而因此脉冲逆变器用于以电能供给牵引机。例如，牵引机在至少一个运行形式中在从电路分离的电池的情形中仅借助于从燃料电池提取的电能运行(尤其如果出现在牵引机处的负荷波动较小)。以该方式和形式，牵引机以非节拍地运行的直流电压变换器的运行、即在燃料电池组件的特别高效的情形中也是可能的。
本发明的一种改进方案设置成，在燃料电池组件的与该运行形式不同的另外的运行形式中，电池与电路保持电连接，且直流电压变换器节拍地运行，其中，由燃料电池和/或电池提供的电能用于运行牵引机。当在至少一种运行形式中直流电压变换器非节拍地运行时，其在另外的运行形式中节拍地运行。此外，电池与电路电连接。相应地，用于运行牵引机的电能或仅由燃料电池、仅由电池或由二者共同提供。如果强烈的负荷波动在牵引机的运行期间出现，该运行形式尤其具有优点。在该描述的范围中的描述的方法因此可在牵引机的整个运行区域上无限制地使用。
最终，在本发明的另外的设计方案的范围中设置成，在牵引机的负荷波动在波动阈值下方的情形中使用该运行形式且在负荷波动在波动阈值上方的情形中使用另外的运行形式。负荷波动可理解为在牵引机的负荷或功率在时间上的波动。如果牵引机的负荷或功率近似恒定或仅缓慢地改变，则可使用该运行形式，在该运行形式期间直流电压变换器非节拍地运行，从而实现特别高的效率。
如果反之出现更强的负荷波动，即在波动阈值上方的负荷波动，则考虑另外的运行形式，其设置直流电压变换器的节拍的运行。例如，作为负荷波动，使用牵引机的负荷或功率在时间上的梯度。波动阈值在此例如是恒定的阈值或而是取决于燃料电池组件的运行条件和/或环境条件测定的阈值。
本发明此外涉及一种燃料电池组件，尤其用于执行根据上文的实施方案所述的方法，其中，燃料电池组件具有用于提供在电路中的电能的燃料电池、经由直流电压变换器电联接到燃料电池处的电路、和电池。在此设置成，燃料电池组件构造用于在燃料电池组件的至少一个运行形式中在与燃料电池的调试后将电池从电路电分离，且非节拍地运行直流电压变换器用于以由燃料电池提供的电流供给电路的至少一个电消耗器。
已经探讨了燃料电池组件的这样的操作方式或这样的设计方案的优点。不仅燃料电池组件而且用于其运行的方法可根据上文的实施方案改进，从而就此而言参照它们。
附图说明
本发明随后根据在图纸中呈现的实施例更详细地阐释，而不进行本发明的限制。在此，
唯一的图示出了燃料电池组件的示意图。
具体实施方式
该图示出了燃料电池组件1的示意图，例如作为在此仅表明的机动车3的驱动设备2的组成部分。驱动设备2具有牵引机4，其为了提供针对机动车3的驱动的驱动转矩可加载以电能。电能在此借助于燃料电池组件1提供。
燃料电池组件1具有燃料电池5，其用于在电路6中提供电能。燃料电池5经由直流电压变换器7联接到电路6处。直流电压变换器7具有至少一个功率开关8、入口侧的电容器9、出口侧的电容器10以及二极管11。二极管11具有从燃料电池5沿电路6的方向上的其流通方向(即Durchlassrichtung)。此外，电池12联接到电路6处，即经由一个或多个开关设备13。借助于开关设备13，电池12可选地与电路6可选地解耦或与其电连接。开关设备13可例如设计为开关保护器。
此外，牵引机4经由脉冲逆变器14联接到电路6处。同样，至少一个燃料电池辅助机组15、即刚好一个燃料电池辅助机组15或多个燃料电池辅助机组15与电路6电连接。经由接口16，此外逆变器17可联接到电路6处，其用于提供电能、尤其以交变电流的形式，例如用于在此未呈现的车辆外部的设备。
现在设置成，为了燃料电池5的调试，首先将电池12与电路6电连接，即通过闭合开关设备13。紧接着，运行燃料电池辅助机组15，其中，从电池12提取为了运行燃料电池辅助机组15需要的电能。随后，燃料电池5运行。如果这实现，即得到燃料电池5的静止运行，则电池12应与电路6分离，即通过开启开关设备13。
此外，直流电压变换器7应非节拍地运行，功率开关8也就是说持久地开启。电路6就此而言仅经由二极管11与燃料电池5电连接。燃料电池辅助机组15的运行在电池12从电路6的分离后仅借助于如下电能完成，该电能由燃料电池5提供。这同样适用于逆变器17或车辆外部的设备的运行。
利用燃料电池组件1的描述的设计方案，一方面用于执行机动车3的行驶运行的牵引机4的运行是轻易可能的，其中，在燃料电池组件的第一运行形式中，电池还为了执行行驶运行或为了运行牵引机4从电路6电分离，且直流电压变换器7节拍地运行。
在燃料电池组件1的与该运行形式不同的另外的运行形式中，然而也可设置成，电池5保持与电路6电连接且直流电压变换器7节拍地运行。前者尤其在牵引机4的负荷波动在波动阈值下方的情形中设置且后者在负荷波动在波动阈值上方的情形中设置。在其中执行直流电压变换器7的非节拍的运行的运行形式中，以特别有效的形式和方式，车辆外部的消耗器可经由逆变器17供给以电能。
总体而言，该方法根据该描述优选地包括多个步骤。在第一步骤中设置成，直流电压变换器7如此运行，使得电池12的电池电流小于阈值，尤其等于零。如果达到该状态，电池12从电路6分离，即通过开启至少一个开关设备13，在描述的实施例的情况中多个开关设备13。
在将电池12从电路6分离之后，在第二步骤中，直流电压变换器7的输出电压且因此在电路6中的电压经过一定的时间段后、优选地持续地适应于燃料电池电压。取决于必须由电路6提供的功率，尤其为了运行至少一个燃料电池辅助机组15和/或牵引机4，燃料电池电压在此由较高的电压、尤其燃料电池5的空转电压下降到较低的运行电压上。在电路6中的电压优选地借助于直流电压变换器7尤其持续地追踪(nachführen)该较低的电压。换而言之，优选地借助于直流电压变换器7设置校正(Ausregeln)需要的功率，尤其由燃料电池辅助机组15和/或牵引机4需要的功率。在此，直流电压变换器7节拍地运行。
如果在电路6中的电压相应于燃料电池电压，则在第三步骤中直流电压变换器7随后非节拍地运行，从而实现燃料电池组件1的高效的运行。

Claims (10)

1.一种用于运行燃料电池组件(1)的方法，该燃料电池组件具有用于提供在电路(6)中的电能的燃料电池(5)、经由直流电压变换器(7)电联接到所述燃料电池(5)处的电路(6)、和电池(12)，其特征在于，在所述燃料电池组件(1)的至少一个运行形式中在所述燃料电池(5)的调试后，将所述电池(12)从所述电路(6)电分离，且非节拍地运行所述直流电压变换器(7)用于以由所述燃料电池(5)提供的电能供给所述电路(6)的至少一个电消耗器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电压变换器(7)在所述电池(12)从所述电路(6)分离前运行用于调节到电池电流的电池电流强度上且在所述分离之后运行用于调节到电压上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述分离前，所述直流电压变换器(7)如此运行，使得所述电池电流强度小于电流强度阈值，且紧接着所述电池(12)与所述电路(6)分离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述直流电压变换器(7)在所述调试之后运行用于提供第一电压且在所述电池(12)从所述电路(6)分离之后运行用于提供在所述电路(6)中的与所述第一电压不同的第二电压。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述直流电压变换器(7)具有可节拍地运行的功率开关(8)，其在所述电池(12)从所述电路(6)分离之前节拍地运行且在所述分离之后非节拍地运行。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述直流电压变换器(7)的非节拍的运行期间，所述燃料电池(5)经由所述直流电压变换器(7)的二极管(11)与所述电路(6)相连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为消耗器应用机动车(3)的牵引机(4)，其经由脉冲逆变器(14)联接到所述电网(6)处。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述燃料电池组件(1)的与所述运行形式不同的另外的运行形式中，所述电池(12)与所述电路(6)保持电连接，且所述直流电压变换器(7)节拍地运行，其中，由所述燃料电池(5)和/或所述电池(12)提供的电能被使用于运行所述牵引机(4)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述牵引机(4)的负荷波动在波动阈值下方的情形中使用所述运行形式，且在负荷波动在所述波动阈值上方的情形中使用所述另外的运行形式。
10.一种燃料电池组件(1)，尤其用于执行根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其中，所述燃料电池组件(1)具有用于提供在电路(6)中的电能的燃料电池(5)、经由直流电压变换器(7)电联接到所述燃料电池(5)处的电路(6)和电池(12)，其特征在于，所述燃料电池组件(1)构造用于，在所述燃料电池组件(1)的至少一个运行形式中，在所述燃料电池(5)的调试之后，将所述电池(12)从所述电路(6)电分离且非节拍地运行所述直流电压变换器(7)用于以由所述燃料电池(5)提供的电能供给所述电路(6)的至少一个电消耗器。
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