CN113302770A - 电压变换器装置、燃料电池系统和用于运行电压变换器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将在输入侧连接或可连接的燃料电池单元（102）与在输出侧连接或可连接的牵引电网（106）电耦合的电压变换器装置（100），所述牵引电网包括高压电池组（104），所述电压变换器装置具有用于测量由燃料电池单元（102）提供的输入电压的测量单元（108），以及具有与测量单元（108）电连接的比较单元（110），所述比较单元在其侧与调节单元（112）电耦合，所述调节单元被构造用于促使燃料电池单元（102）在可预给定的运行点（200；202）处被运行，并且所述调节单元被构型用于，从燃料电池单元（102）请求在阻抗运行中时间上变换的运行点（200；202）。本发明此外涉及一种燃料电池系统和一种用于运行电压变换器装置（100）的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将在输入侧连接或可连接的燃料电池单元与在输出侧连接或可连接的牵引电网电耦合的电压变换器装置，所述牵引电网包括高压电池组，所述电压变换器装置具有用于测量由燃料电池单元提供的输入电压的测量单元，以及具有与所述测量单元电连接的比较单元，所述比较单元在其侧与调节单元电耦合，所述调节单元被构造用于促使燃料电池单元在可预给定的运行点处被运行。本发明此外涉及一种燃料电池系统和一种用于运行电压变换器装置的方法。
背景技术
已知并且例如在US 9,461,320 B2中描述了：可以对电化学电池、尤其是燃料电池单元进行电化学阻抗谱分析。通过这样的阻抗谱分析可以确定状态、尤其是由于燃料电池单元的退化效应引起的老化状态，其中交流电压被施加在燃料电池单元的电极上，以便询问电流和/或电压响应。该响应准许关于燃料电池单元的状态的推断。这例如也在示出了权利要求 1 的前序部分的特征的WO 2016/146 971 A1 中得以描述。
阻抗测量是在研究和应用中广泛流行的方法，以便能够在运行燃料电池期间执行无损测量。当在燃料电池处进行测量时，阻抗测量设备被连接到燃料电池的所述两个电极上。测量设备在测量中施加典型正弦形交流电压。
因此，需要使用单独的测量设备或单独的测量电路来执行阻抗谱分析或阻抗测量，这导致在其中应执行这样的阻抗谱分析或阻抗测量的燃料电池系统的复杂结构。
发明内容
因此，本发明的任务是说明一种电压变换器装置、一种燃料电池系统和一种用于运行电压变换器装置的方法，它们减少或避免上述缺点。
该任务通过具有权利要求1的特征组合的电压变换器装置、具有权利要求5的特征组合的燃料电池系统以及具有权利要求6的特征组合的方法来解决。具有本发明的适宜改进方案的有利构型方案在从属权利要求中予以说明。
所述电压变换器装置的特点尤其是在于，所述电压变换器装置的调节单元被构造用于从燃料电池单元请求在阻抗运行中时间上变换的运行点。这些运行点优选地以周期性变换的方式、优选正弦形变换的方式被从燃料电池单元请求。
该构型方案带来如下优点：能够采用通常构成为直流电压变换器（DC/DC变换器）的变换器的总归存在的硬件用于阻抗测量。因此取消了单独的测量装置，这降低总系统的复杂性。同时也减少了使用电压变换器装置的燃料电池系统的所需要的结构空间和重量。
已经证实有利的是，调节单元被构造用于作为指令参量而预给定所得出的交流电压或所得出的交流电流，测量单元被构造用于探测燃料电池单元在输入侧端子对上所施加的对于时间上变化的或变换的运行点的电流和/或电压响应，以及比较单元被构造用于将所测量的电流和/或电压响应与指令参量进行比较。通过这种比较，可以相应地适配指令参量。
由调节单元预给定的指令参量由直流电压分量和通过询问不同的负载点产生的周期性电压信号的叠加组成，其中由燃料电池单元在阻抗运行期间“平均地”提供所述直流电压分量。由直流电压信号和交流电压信号组成的叠加于是形成调节单元的振荡的指令参量，这引起与在硬件侧施加交流电压相同的效果；例如与借助于单独的或分开的阻抗谱分析装置相同的效果。
已表明有利的是：即使在阻抗运行中也能够在电池组侧输出构成为直流电压的输出电压。因此，在阻抗运行期间由此保证：在电压变换器装置的输出侧上仅存在直流电压，使得即使正好对燃料电池单元进行检查的情况下，也仍然可以给可能的驱动机组或可能的用电器供应该直流电压。
有利的是，电压变换器装置适配于燃料电池单元的功率等级。在此情况下可以使用大小为100千瓦（kW）至180kW、优选大约140kW的功率。在执行阻抗测量时应该保证：不从燃料电池单元请求过高或过低的功率，因为要选择的运行点应该优选地处于针对燃料电池单元而言典型的U/I特性曲线的线性范围内。因此，就此而论证明为有利的是：选择围绕可预给定的或预给定的参考运行点的变换的运行点，其中所述参考运行点基本上对应于参考电压UR和/或参考电流强度IR。
为了此外不请求燃料电池单元的U/I特性曲线的线性范围之外的运行点，已证实为有利的是：所述变换的运行点与参考运行点偏差不超过百分之十、优选地不超过百分之五。
当在包括燃料电池单元的燃料电池系统中使用时，电压变换器装置展现自身优点，其中所述燃料电池单元借助于电压变换器装置电连接到包括高压电池组的牵引电网上。针对电压变换器装置提及的优点和优选构型方案也适用于根据本发明的燃料电池系统。
本发明的特点此外在于一种用于运行电压变换器装置的方法，所述电压变换器装置将在输入侧连接的燃料电池单元与在输出侧连接的牵引电网电耦合，其中所述牵引电网包括高压电池组。电压变换器装置包括测量单元，所述测量单元被构造用于测量由燃料电池单元提供的输入电压。此外，存在与测量单元电连接的比较单元，所述比较单元在其侧与调节单元电耦合，所述调节单元促使燃料电池单元在预给定的运行点处被运行。在此，该方法尤其是包括步骤：从燃料电池单元请求时间上变换的、尤其是周期性变换的、优选正弦形变换的运行点。
通过该方法，电压变换器装置因此被置于阻抗运行或阻抗谱分析运行中，其中“虚拟”交流电压被施加在燃料电池单元上。所述“虚拟”交流电压被用于进行阻抗测量。同时，如果遍历针对燃料电池单元处的正弦形地构成的交流电压的不同的波长和/或幅度并且检测相应的电流和/或电压响应，则阻抗谱分析是可能的。
在使用这种方法时，同时存在以下优点，即可以放弃分开的或附加的测量装置以便在燃料电池单元处进行阻抗测量。
调节单元优选地预给定所得出的交流电压作为指令参量，其中测量单元探测或检测燃料电池单元在输入侧端子对上所施加的对于所促成的时间上变换的运行点的电流和/或电压响应。比较单元将所测量的电流和/或电压响应与由调节单元预给定的指令参量进行比较，使得调节单元必要时可以重新调整指令参量，以便从燃料电池单元获得所期望的响应信号。
已证实为有意义的是：在阻抗运行中在电压变换器装置的电池组侧输出直流电压，使得即使正好在燃料电池单元处执行阻抗测量的情况下，也还是可以继续给用电器供应所述直流电压。
为了以特别运行安全的方式执行阻抗测量，已经证明有利的是，选择围绕可预给定的或预给定的参考运行点的变换的运行点。就此而论有意义的是：所述变换的运行点与参考运行点偏差不超过百分之十、优选不超过百分之五。
附图说明
上面在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或在图中单独示出的特征和特征组合不仅可以以分别说明的组合、而且可以以其他组合或以单独的方式被使用，而不脱离本发明的范围。因此，在图中未明确示出或阐明的、然而通过单独的特征组合从所阐述的实施方案中得知并且可产生的实施方案也应被视为由本发明包括和公开。
本发明的其他优点、特征和细节从权利要求、优选实施方式的以下描述以及根据附图得出。在此：
图1示出具有电压变换器装置的燃料电池系统的示意图，所述电压变换器装置将燃料电池单元与包括电池组的牵引电网电连接，两个用电器连接到所述牵引电网上，
图2示出燃料电池单元的U/I特性曲线，在所述U/I特性曲线处强调了两个运行点和位于其间的参考运行点，和
图3示出在阻抗或阻抗谱分析运行中由燃料电池单元提供的输入电压的时间电压曲线。
具体实施方式
在图1中示出包括燃料电池单元102的燃料电池系统的示意图。该燃料电池单元102连接到电压变换器装置100的输入侧端子对的端子114、116，所述电压变换器装置100例如被构型为经更改的DC/DC变换器。电压变换器装置100利用其两个端子118、120、因此利用其输出侧端子对与牵引电网106（车载电网）电连接，其中在所述牵引电网中存在高压电池组104。该车载电网用于对第一用电器122和第二用电器124供电。但是，牵引电网106优选地也可以给未详细示出的其他用电器供应电能。
用电器122包括以电机形式存在的驱动机组128。该电机典型地可以借助于三相交流电流被运行并且优选地被构成为用于机动车的牵引电动机。由于在牵引电网106中存在高直流电压和直流电流，因此附加地给用电器122分配逆变器126，所述逆变器将直流电流变换为三相交流电流。在用电器122的一种扩展方案中，驱动机组128也可以被用作发电机，使得例如在制动过程情况下由驱动机组128产生的能量可以经由逆变器 126再次被输送给高压电池组104。
第二用电器124同样可以连接到牵引电网上，其中所述牵引电网例如可以构成为燃料电池系统的辅助机组之一、诸如压缩机、再循环风扇、喷射泵等。也可以考虑：用电器124被构成为充电设备、十二伏直流-直流变换器、高压加热器、电空调压缩机等。
下面更详细地探讨电压变换器装置100的结构。电压变换器装置100包括测量单元108，所述测量单元测量或检测由燃料电池单元102提供的输入电压，如通过以虚线方式示出的箭头图解的那样。测量单元108与比较单元110电连接，所述比较单元110在其侧与调节单元112电耦合。调节单元112被构造用于促使燃料电池单元102在可预给定的运行点200、202处运行，如通过沿燃料电池单元102的方向的以虚线方式示出的箭头图解的那样。
为了能够在燃料电池单元102处进行阻抗测量，调节单元112被构型用于，从燃料电池单元102请求在阻抗运行中时间上变化的或周期性变换的运行点200、202。这基本上对应于燃料电池单元102的时间上变化的或周期性变换的负载要求。在运行点200、202之间的变换优选地正弦形地进行。
图2示出燃料电池单元102的典型的U/I特性曲线，其中在U/I特性曲线处标出了具有低负载要求的运行点200和具有高负载要求的运行点202。这两个运行点200、202位于燃料电池单元102的特性曲线的线性范围内。调节单元112根据本发明被构型用于在电压变换器装置100的阻抗或阻抗谱分析运行中询问不同的负载要求100，所述负载要求处于从具有低负载要求的运行点200出发直至具有高负载要求的运行点202的范围内。
在此，由调节单元112连续地或逐步地“预给定”或“询问（abfahren）”位于该范围内的运行点。尤其是在运行点200和运行点202之间；尤其是包括这两个运行点在内，周期性地以升序和降序的方式进行对各个运行点的这种询问。
可以看出，在运行点202中存在低电压U1并且在运行点200中存在相对于U1更高的电压U2。因此，在连续地或逐步地遍历位于运行点200和运行点202之间的这些运行点时，从燃料电池单元102请求或提供处于这两个电压U2和U1之间的所有电压。
然而，可替代地也可能的是，在请求时直接在两个运行点 200、202 之间或直接在两个电压 U1、U2 之间变换或“跃变（springen）”，因为在一些情况下，作为对请求本身的反应，燃料电池单元 102 的“惯性”导致在时间上波纹形或正弦形的电压曲线。
如果调节单元112现在促成周期性变换或“沿着”在运行点200、202之间的线性范围“运行”，则出现随时间t绘制的在图3中所示的、尤其是正弦形电压U。由调节单元112引起的电压信号于是是交流电压250，所述交流电压由直流电压（当前为对应于参考运行点204的电压）和正弦形电压分量组成。这种运行方式导致即使在无外部测量设备或无外部电路装置的情况下也虚拟地在燃料电池单元102上施加交流电压250，所述交流电压被用于阻抗测量或阻抗谱分析。
调节单元112优选地被构造用于作为指令参量而预给定所得出的交流电压250，其中测量单元108被构造用于检测燃料电池单元102在输入侧端子对上所施加的对于由调节单元112促成的时间上变换的运行点200、202的电流和/或电压响应，其中比较单元110被构造用于将所测量的电流和/或电压响应与指令参量进行比较。必要时，相应地适配指令参量，以便使电流和/或电压响应对应于期望值或期望曲线。
在阻抗测量情况下已经证明是有利的是：变换的运行点200、202与参考运行点204偏差不超过百分之十、优选地不超过百分之五。由此保证：围绕参考运行点204的运行点200、202仍然处于燃料电池单元102的U/I特性曲线的线性范围之内。
因此，本发明的特点在于，阻抗测量即使在不使用外部测量设备的情况下也是可能的，其中可以使用总归存在的硬件用于测量。这降低成本并且导致燃料电池系统或使用该燃料电池系统的机动车的更紧凑和简化的结构。
附图标记列表：
100 电压变换器装置
102 燃料电池单元
104 高压电池组
106 牵引电网
108 测量单元
110 比较单元
112 调节单元
114 端子（输入侧端子对）
116 端子（输入侧端子对）
118 端子（输出侧端子对）
120 端子（输出侧端子对）
122 用电器
124（第二）用电器
126 逆变器
128 驱动机组
200 运行点（低负载要求）
202 运行点（高负载要求）
204 参考运行点
250 交流电压。
Claims (10)
1.一种用于将在输入侧连接或可连接的燃料电池单元（102）与在输出侧连接或可连接的牵引电网（106）电耦合的电压变换器装置（100），所述牵引电网包括高压电池组（104），所述电压变换器装置具有用于测量由所述燃料电池单元（102）提供的输入电压的测量单元（108），以及具有与所述测量单元（108）电连接的比较单元（110），所述比较单元在其侧与调节单元（112）电耦合，所述调节单元被构造用于促使所述燃料电池单元（102）在可预给定的运行点（200；202）处被运行，其特征在于，所述调节单元（112）被构型用于从所述燃料电池单元（102）请求在阻抗运行中时间上变换的运行点（200；202）。
2.根据权利要求1所述的电压变换器装置（100），其特征在于，所述调节单元（112）被构造用于作为指令参量而预给定所得出的交流电压（250）或所得出的交流电流，所述测量单元（108）被构造用于探测所述燃料电池单元（102）在输入侧端子对上所施加的对于所促成的时间上变换的运行点（200；202）的电流和/或电压响应，以及所述比较单元（110）被构造用于将所测量的电流和/或电压响应与所述指令参量进行比较。
3.根据权利要求1或2所述的电压变换器装置（100），其特征在于，也能够在阻抗运行中在电池组侧输出构成为直流电压的输出电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压变换器装置（100），其特征在于，选择围绕可预给定的或预给定的参考运行点（204）的变换的运行点（200；202）。
5.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池单元（102）、牵引电网（106）以及根据权利要求1至4中任一项所述的电压变换器装置（100），其中在所述牵引电网中存在高压电池组（104）。
6.一种用于运行根据权利要求1至4中任一项所述的电压变换器装置（100）的方法，所述电压变换器装置（100）将在输入侧连接的燃料电池单元（102）与在输出侧连接的牵引电网（106）电耦合，其中所述牵引电网包括高压电池组（104），所述电压变换器装置包括用于测量由所述燃料电池单元（102）提供的输入电压的测量单元（108）以及与所述测量单元（108）电连接的比较单元（110），所述比较单元在其侧与调节单元（112）电耦合，所述调节单元促使所述燃料电池单元（102）在可预给定的运行点（200；202）处被运行，所述方法包括步骤：从所述燃料电池单元（102）请求时间上变换的运行点（200；202）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调节单元（112）作为指令参量而预给定所得出的交流电压（250），所述测量单元（108）探测所述燃料电池单元（102）在输入侧端子对上所施加的对于所促成的时间上变换的所述运行点（200；202）的电流和/或电压响应，以及所述比较单元（110）将所测量的所述电流和/或电压响应与所述指令参量进行比较。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，也在阻抗运行中在电池组侧输出构成为直流电压的输出电压。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，选择围绕可预给定的或预给定的参考运行点（204）的所述变换的运行点（200；202）。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述变换的运行点（200；202）与所述参考运行点（204）偏差不超过百分之十。
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