CN112470362A - 带有燃料电池装置和蓄电池的供应装置、燃料电池车辆以及用于启动供应装置的方法 - Google Patents

带有燃料电池装置和蓄电池的供应装置、燃料电池车辆以及用于启动供应装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于给至少一个耗电器(2,3)供电的供应装置(1)，所述供应装置带有：初级电网(4)，在初级电网中存在有燃料电池装置(5)；次级电网(6)，在次级电网中存在有蓄电池(7)，该蓄电池具有如下运行电压范围，该运行电压范围向上被最大电压限界并且向下被最小电压限界，并且蓄电池具有运行电流强度范围以用于给所述至少一个耗电器(2,3)通电。燃料电池装置(5)的空载电压最高相应于蓄电池(7)的最大电压，其中，在初级电网(4)中存在有阻抗谱装置(15)，该阻抗谱装置构造成，在燃料电池装置(5)处或在燃料电池装置(5)的各个燃料电池单体处执行阻抗谱测量。此外，本发明涉及一种带有这种供应装置(1)的燃料电池车辆以及一种用于启动供应装置(1)的方法。

Description

带有燃料电池装置和蓄电池的供应装置、燃料电池车辆以及 用于启动供应装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于给至少一个耗电器供电的供应装置，所述供应装置带有：初级电网，在初级电网中存在有燃料电池装置。此外，供应装置包括次级电网，在次级电网中存在有蓄电池，该蓄电池具有如下运行电压范围，该运行电压范围向上被最大电压限界并且向下被最小电压限界。此外，蓄电池具有运行电流强度范围以用于给所述至少一个耗电器通电。此外，本发明涉及一种带有这种供应装置的燃料电池车辆以及一种用于启动这种供应装置的方法。
背景技术
如果将供应装置使用在机动车中，所述供应装置经受各种天气条件。在此，处于水的冰点以下的低的温度众所周知当在供应装置中启动燃料电池装置时会随之带来显著的问题。例如，当存在冷冻条件时阳极空间和/或阴极空间可能被冰堵住，从而运行介质无法以期望的规模提供给燃料电池装置的阳极和/或阴极。然而还有在燃料电池装置的入口侧和出口侧，冰冻可导致调节环节、如活门、阀或类似物的功能出错或引起引导运行介质的管路堵塞。
因此，如果满足冷冻启动危险的前提条件，例如如果环境温度低于5摄氏度，则燃料电池装置和由此包括所述燃料电池装置的供应装置在其能够转变到正常运行中之前运行在冷冻启动运行中。
已知的用于在开头提及的类型的供应装置中探测冰冻启动条件的解决方案设置如下初级电网，该初级电网总是经由DC/DC-变换器(电压变换器或变流器)与次级电网连接。在此，DC/DC-变换器包括阻抗谱的功能，由此能够确定燃料电池装置内(因此燃料电池堆叠内)的湿气含量。利用阻抗测量(尤其是利用阻抗谱)能够推断出各个燃料电池单体内的膜电阻、反应物的物料运输，电荷转移电阻以及双层电容。
但电压变换器的使用导致必须为供应装置提供的附加的重量和附加的结构空间。
发明内容
因此，本发明的目的是，给出一种用于给至少一个耗电器供电的供应装置，该供应装置具有尽可能简单的构造并且同时实现关于燃料电池装置的状态的可靠讯息。
此外，本发明的目的是，给出一种带有供应装置的燃料电池车辆和一种用于启动这种供应装置的方法，利用所述燃料电池车辆和所述方法或在所述燃料电池车辆和所述方法的情况下，能够以简单的方式探测冰冻启动条件的存在。
涉及供应装置的目的通过带有权利要求1的特征的供应装置来实现。带有本发明的适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。在此尤其地，燃料电池装置的空载电压最高相应于蓄电池的最大电压，其中，在初级电网中存在有阻抗谱装置，该阻抗谱装置构造成，在燃料电池装置处或在燃料电池装置的各个燃料电池单体处执行阻抗谱测量。
因此那么阻抗谱装置被用于，接着对燃料电池装置进行检查：在该燃料电池装置中或在该燃料电池装置的状况方面是否存在针对冷冻启动的条件。如果确认有冰冻启动条件，则可例如激活加热元件，以便将燃料电池装置加热，由此被冰堵住的部分再次可接近。备选地，也可提高反应物的物质流，以便引起电池单体或反应物空间的冲洗，以便解决可能的堵住问题。此外，考虑使燃料电池装置以较低的电压运行。由于燃料电池装置的低的电压，对于每克H2由各个燃料电池单体产生更多的热，从而燃料电池装置自发地加热并且使可能的冰融化。
阻抗谱装置可特别是针对燃料电池装置的要求来构造，而所述阻抗谱装置在此不由于在初级电网和/或次级电网中所使用的DC/DC-变换器而遭受限制。所述阻抗谱装置此外提供比使用DC/DC-变换器更成本适宜的实现方案，以此能够提供供应装置的紧凑的模块，该模块具有简化的构造。
在本发明的范围内例如考虑带有驱动组件的驱动装置作为耗电器。如果所述驱动装置电联接到次级电网处，则驱动装置可用于驱动燃料电池车辆，就此而言即用于提供旨在驱动燃料电池车辆的驱动转矩。驱动装置为此具有至少一个驱动组件，该驱动组件设计为电机，并且经由初级电网和/或次级电网能够被供应以电能。当然，驱动装置可设计为混合动力驱动装置并且就此而言除了所述驱动组件以外具有至少一个另外的驱动组件，所述另外的驱动组件是不同于所述驱动组件的另一种类型的驱动组件。所述另外的驱动组件例如作为内燃机或类似物存在。
初级电网和次级电网优选形成燃料电池车辆的车载电网或者是这种车载电网的至少一个区域。在初级电网中设置有呈燃料电池装置形式的第一电源，并且在次级电网中设置有呈蓄电池形式的第二电源。燃料电池装置能够以唯一的燃料电池单体形式存在或备选地作为带有多个燃料电池单体的燃料电池堆叠(燃料电池堆)。燃料电池装置用于给车载电网可靠地供应以电能。蓄电池同样用于给车载电网可靠地供应以电能并且设置成用于临时存储能量，尤其是将借助于燃料电池装置提供的能量。
耗电器(因此电机)电联接到次级电网处并且优选在燃料电池车辆的行驶运行期间持久地与蓄电池电连接。呈驱动组件形式的耗电器与次级电网的连结可例如经由变流器、尤其是脉冲逆变器实现。
在本发明的范围内已证明为有利的是，阻抗谱装置构造成，将不同频率的交流电施加到燃料电池装置的集电器上。借助该交流电能够确定阻抗、即交流电压电阻。如果该交流电压电阻不同于正常值，则该交流电压电阻提供关于存在冷冻启动条件的反馈信息。
迄今可行的是，利用DC/DC-转换器将这种交流电施加到燃料电池装置的集电器中，以便确定燃料电池装置的阻抗。但由于电压变换器优选在本发明中省去，因此使用阻抗谱装置，以便能够测量或确定燃料电池装置的阻抗，从而该功能在供应装置的没有变换器的设计方案中得以维持。
存在如下可行方案：阻抗谱装置构造成，测量燃料电池装置本身的电流和/或电压并且优选绘出所述电流和/或电压的时间曲线走向。由此，阻抗谱装置形成测量系统，该测量系统提供关于燃料电池装置的运行状态的可靠的讯息。如果绘出时间测量曲线走向，则也能够探测燃料电池装置处的老化效应。
优选地，初级电网具有第一初级电网接头和第二初级电网接头，其中，阻抗谱装置一端联接到第一初级电网接头处并且另一端联接到第二初级电网接头处。此外，次级电网具有第一次级电网接头和第二次级电网接头，其中，第一初级电网接头和第一次级电网接头经由阻塞二极管彼此联接，而第二初级电网接头和第二次级电网接头直接彼此联接。由此，在第二初级电网接头和第二次级电网接头处就此而言存在同一电势。而第一初级电网接头和第一次级电网接头仅间接经由阻塞二极管彼此联接。燃料电池装置和蓄电池彼此相协调并且实现供应装置的极其高效的运行，所述供应装置的特征此外在于非常简单且成本适宜的构造，因为省去了电压变换器。因此就此而言，已证明为有利的是，初级电网在没有电压变换器的情况下联接到次级电网处。
优选地，阻塞二极管具有其从初级电网朝着次级电网方向的导通方向。相应地，在初级电网中的电压足够高的情况下，电能可从初级电网到达次级电网中。与此相对，反过来的传输方向是不可能的，从而没有电流从蓄电池流动到燃料电池装置中。避免了初级电网被加载以不允许高的电压。
本发明的一种扩展方案设置成，蓄电池具有特定数量的蓄电池单体并且/或者燃料电池装置具有特定数量的燃料电池单体，其中，蓄电池单体的数量和/或燃料电池单体的数量如此选择，使得燃料电池装置的空载电压相应于蓄电池的最大电压。但优选地，燃料电池装置的空载电压基本上至少相应于蓄电池的最大电压的85%、优选蓄电池的最大电压的90%、进一步优选蓄电池的最大电压的95%。通过这种配置，可实现燃料电池装置的电压-电流-特征线和蓄电池的电压-电流-特征线的协调，更确切地说关于蓄电池单体的数量和/或燃料电池装置的燃料电池单体的数量。备选地或补充地，可考虑不同类型的蓄电池单体、例如带有不同额定电压，以用于使蓄电池的特征线与燃料电池装置的特征线相协调。
此外，通过相应选择运行电流强度范围和/或又通过选择蓄电池单体的数量和实施形式和/或燃料电池单体的数量和实施形式或蓄电池单体的类型确保，由燃料电池装置提供的燃料电池单体电压在运行电流强度范围上大于蓄电池的最小电压。燃料电池装置和蓄电池彼此的协调就此而言仅通过待简单地实现的措施在燃料电池装置和蓄电池的设计中实现。
此外，已证明为有利的是，阻抗谱装置形成为能按节拍运行的功率半导体开关。以此能够将交流电、优选不同频率的交流电施加到燃料电池装置中。MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)已被证明为特别运行安全的、寿命长的且具有短的切换时间的功率半导体开关。
涉及燃料电池车辆的目的利用带有权利要求9的特征的燃料电池车辆来实现。电供应装置在该燃料电池车辆中的使用引起较小的总重量，其中，节省了结构空间和成本。
涉及所述方法的目的通过一种带有权利要求10的特征的方法实现，该方法的特征尤其在于以下步骤：
a.借助于阻抗谱装置(15)将交流电施加到燃料电池装置(5)的集电器上，
b.检测响应信号并且比较响应信号与预设的信号值，以及
c1.在确认响应信号与预设的信号值的偏差处于至少一个预定义的数值的高度中的情况下，在冷冻启动运行中启动供应装置，或
c2.在确认响应信号与预设的信号值的偏差处于低于预定义的数值的高度中的情况下，在正常运行中启动供应装置。
冷冻启动条件的确认因此借助于燃料电池装置处的阻抗测量、尤其是电化学的阻抗谱实现。为此，使用特别紧凑地形成的供应装置。例如将电压信号亦或电流信号考虑作为信号。也展现的可行方案是，直接确定阻抗、即燃料电池装置的交流电压电阻或该燃料电池装置的各个燃料电池单体的交流电压电阻。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由权利要求、随后对优选的实施形式的描述以及依据附图得出。其中：
图1示出用于给呈驱动装置形式的至少一个耗电器供电的供应装置的示意图，该驱动装置带有驱动组件用于驱动燃料电池车辆。
具体实施方式
在图1中示出用于给第一耗电器2和第二耗电器3供电的供应装置1的示意图。当前的供应装置1优选也可给另外的未更详细示出的耗电器供应以电能。
供应装置1包括初级电网4，在该初级电网中存在有燃料电池装置5。此外，供应装置1包括次级电网6，在该次级电网中存在有蓄电池7，该蓄电池具有如下运行电压范围，该运行电压范围向上被最大电压限界并且向下被最小电压限界。此外，蓄电池7具有运行电流强度范围，该运行电流强度范围向下被最小电流强度并且向上被最大电流强度限界。蓄电池7设计成用于给耗电器2,3通电。
耗电器2包括驱动组件8，该驱动组件以电机形式存在。该电机通常能够借助于三相交流电运行并且优选形成为用于燃料电池车辆的行驶马达。由于初级电网4以及还有次级电网6提供高电压和直流电，因此耗电器2附加地关联有逆变器9，该逆变器将直流电变换成三相交流电。在耗电器2的一种扩展方案中，驱动组件8也可用作发电机，从而例如在制动过程中通过驱动组件8产生的能量可经由逆变器9再次输送给蓄电池7。
耗电器3同样可联接到由初级电网4和次级电网6形成的车载电网处。作为耗电器3例如考虑燃料电池装置5的副组件、充电器、12V-直流-直流变换器、高压-加热器、电的空调压缩机或类似物。
如从图1能够得出的，初级电网4在没有变换器的情况下或在没有电压变换器的情况下联接到次级电网6处。燃料电池装置5具有第一初级电网接头10和第二初级电网接头11。与此相应地，次级电网6中的蓄电池7具有第一次级电网接头12和第二次级电网接头13。第一初级电网接头10经由阻塞二极管14联接到第一次级电网接头12处。在此，阻塞二极管14的导通方向存在于从初级电网4向着次级电网6的方向。而第二初级电网接头11直接与第二次级电网接头13电连接。
此外，在初级电网4中存在有阻抗谱装置15，该阻抗谱装置构造成，在燃料电池装置5处执行阻抗谱测量。当前，阻抗谱装置15并联于燃料电池装置5并且构造成，将不同频率的交流电施加到燃料电池装置5的集电器上。备选地或补充地，阻抗谱装置15也构造成，测量燃料电池装置5的电流和/或电压并且优选绘出所述电流和/或电压的时间曲线走向。优选地，阻抗谱装置15一端电联接在第一初级电网接头10处，而另一端与第二初级电网接头11电连接。两种连接在此是直接的，从而尤其是阻塞二极管14不对阻抗谱装置15产生影响。阻抗谱装置15可形成为能按节拍运行的功率半导体开关、尤其是MOSFET。
为了探测冰冻启动条件，MOSFET如此按节拍运行，从而使得如此形成的阻抗谱装置15将交流电施加到燃料电池装置的集电器上。然后检测响应信号并且将其与预设的信号值相比较。如果确认响应信号与预设的信号值有偏差，则这可以是存在冷冻情况的指示。但是，可忍受轻微的偏差，从而预设偏差范围。在预设的数值左右的偏差因此仍然引起供应装置1在正常运行中启动。但如果确认如下偏差，该偏差处于预设的偏差范围之外并且该偏差由此大于预定义的偏差数值，则供应装置1在冷冻启动运行中运行或启动。
利用这种设计，可确保供应装置1的非常高效的运行。相应情况也适用于驱动装置，该驱动装置利用这种供应装置1被供应以电能。此外，供应装置1可非常简单地实施，从而在使用在燃料电池车辆中时产生结构空间优点和成本优点。
附图标记列表
1 供应装置
2 耗电器
3 (第二)耗电器
4 初级电网
5 燃料电池装置
6 次级电网
7 蓄电池
8 驱动组件
9 逆变器
10 第一初级电网接头
11 第二初级电网接头
12 第一次级电网接头
13 第二次级电网接头
14 阻塞二极管
15 阻抗谱装置

Claims (10)

1.一种用于给至少一个耗电器(2,3)供电的供应装置(1)，所述供应装置带有：初级电网(4)，在所述初级电网中存在有燃料电池装置(5)；次级电网(6)，在所述次级电网中存在有蓄电池(7)，所述蓄电池具有如下运行电压范围，所述运行电压范围向上被最大电压限界并且向下被最小电压限界，并且所述蓄电池具有运行电流强度范围以用于给所述至少一个耗电器(2,3)通电，其特征在于，所述燃料电池装置(5)的空载电压最高相应于所述蓄电池(7)的最大电压，并且在所述初级电网(4)中存在有阻抗谱装置(15)，所述阻抗谱装置构造成，在所述燃料电池装置(5)处或在所述燃料电池装置(5)的各个燃料电池单体处执行阻抗谱测量。
2.根据权利要求1所述的供应装置(1)，其特征在于，所述阻抗谱装置(15)构造成，将不同频率的交流电施加到所述燃料电池装置(5)的集电器上。
3.根据权利要求1或2所述的供应装置(1)，其特征在于，所述阻抗谱装置(15)构造成，测量所述燃料电池装置(5)的电流和/或电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的供应装置(1)，其特征在于，所述初级电网(4)具有第一初级电网接头(11)和第二初级电网接头(12)，所述阻抗谱装置(15)一端联接到所述第一初级电网接头(11)处并且另一端联接到所述第二初级电网接头(12)处，所述次级电网(6)具有第一次级电网接头(12)和第二次级电网接头(13)，并且所述第一初级电网接头(10)和所述第一次级电网接头(12)经由阻塞二极管(14)彼此联接，而所述第二初级电网接头(11)和所述第二次级电网接头(13)直接彼此联接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的供应装置(1)，其特征在于，所述初级电网(4)在没有电压变换器的情况下联接到所述次级电网(6)处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的供应装置(1)，其特征在于，所述蓄电池(7)具有特定数量的蓄电池单体并且/或者所述燃料电池装置(5)具有特定数量的燃料电池单体，其中，所述蓄电池单体的数量和/或所述燃料电池单体的数量如此选择，使得所述燃料电池装置(5)的空载电压相应于所述蓄电池(7)的最大电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的供应装置(1)，其特征在于，所述阻抗谱装置(15)形成为能按节拍运行的功率半导体开关。
8.根据权利要求7所述的供应装置(1)，其特征在于，所述能按节拍运行的功率半导体开关是MOSFET。
9.一种燃料电池车辆，带有根据权利要求1至8中任一项所述的供应装置(1)。
10.一种用于启动根据权利要求1至8中任一项所述的供应装置(1)的方法，其特征在于以下步骤：
a.借助于阻抗谱装置(15)将交流电施加到燃料电池装置(5)的集电器上，
b.检测响应信号并且比较所述响应信号与预设的信号值，以及
c1.在确认所述响应信号与所述预设的信号值的偏差处于至少一个预定义的数值的高度中的情况下，在冷冻启动运行中启动所述供应装置，或
c2.在确认所述响应信号与所述预设的信号值的偏差处于低于所述预定义的数值的高度中的情况下，在正常运行中启动所述供应装置。
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