CN116669986A - 用于能量分配的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统中的能量分配的设备(1)，该设备具有：至少一个燃料电池堆(2)；高压电池(3)；用于燃料电池堆(2)和高压电池(3)的电联接部；至少一个通信接口(12、14)；转换器(5)；用于使高压电池(3)与燃料电池堆(2)断开的电池保护开关(9)；用于使燃料电池堆(2)的极相连接的紧急切断装置(6)，其中，电池保护开关(9)布置在转换器(5)与高压电池(3)之间。根据本发明的设备的特征在于，设置有EMV滤波器(10)，电池保护开关(9)设计为用于使连接的两个电极断开。

Description

用于能量分配的设备
技术领域
本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的用于燃料电池系统中的能量分配的设备。
背景技术
在燃料电池系统中的能量分配大多通过所谓的燃料电池接口(Fuel CellInterface)实现，该燃料电池接口布置在燃料电池自身的区域中。就此而言，例如可以参考申请人的DE 10 2014 017 953 A1或参考US 2020/0235411A1或US 2015/0295401 A1。也已经从DE 100 06 781A1中基本上已知这种布局。
DE 10 2018 213 159 A1描述了具有这种类型的燃料电池接口的此类的电的能量系统。在此，在直流转换器之后并且由此在直流转换器与电池之间，通过电池保护开关实现用于电池的紧急切断装置。燃料电池自身布置在直流转换器的对置侧上并且自身又具有紧急放电装置。
发明内容
现在，在此本发明的目的是，进一步改进燃料电池接口或Fuel Cell Interface(FCI)的原理上从现有技术中已知的结构。
根据本发明，该目的通过具有在权利要求1中所述的且在此特别是在权利要求1的特征部分中的特征的、用于能量分配的设备实现。从与此相关的从属权利要求中得到有利的设计方案和改进方案。
与现有技术中的结构相似地，根据本发明的设备的结构设置燃料电池和电池的组合，其中，在这两个部件之间布置有转换器以及用于连接燃料电池的极的紧急切断装置和用于使电池和燃料电池断开的电池保护开关。电池保护开关布置在转换器与电池之间。与现有技术中不同地，在根据本发明的设备中，在此规定，电池保护开关设计为用于使连接的两个电极断开。此外，设置有EMV滤波器。
由此，根据本发明的设备的结构保证了该结构的电磁兼容性(EMV)，并且提高了在电池保护开关打开的情况下的安全性，因为电池保护开关通过相应的接触器可靠地断开在转换器与电池之间的两极。通过电池保护开关布置在转换器之后，在此得到的优点是，与在以上所述的现有技术中通常在转换器之前长距离的布置方案相比，需要接入的电流更低。
在根据本发明的设备中根据一个非常有利的改进方案，紧急切断装置可以设计为烟火式关闭器或者可以包括这种关闭器，并且可以与外部通信接口连接。例如，这种烟火式关闭器可以与配备有该设备的车辆的碰撞传感器连接。于是，在发生事故的情况下，例如对于气囊触发等情况，可以通过该传感器同时将信号发送给以所描述的有利的改进方案的根据本发明的设备，以触发烟火式关闭器并且使燃料电池堆的极相连接。
根据本发明的设备的另一个非常有利的设计方案在此规定，设置有用于对部件进行控制的微控制器，该微控制器自身又与外部通信接口连接。该连接特别可以是与上述设计方案中的烟火式关闭器的连接不同的连接。在此，所述部件至少包括通常作为升压斩波器运行的转换器和电池保护开关，电池保护开关通常设计为用于根据微控制器的控制信号断开电连接的两极的接触器。
按照根据本发明的设备的另一个非常适宜的设计方案，此外可以设置用于监控绝缘电阻的装置，该装置特别布置在紧急切断装置与转换器之间，即，布置在转换器的面对燃料电池的侧上。该装置也可以与外部通信接口中的所述或一个通信接口连接。因此，在根据本发明的设备的这种有利的设计方案中，可以通过绝缘电阻测量检查燃料电池接口的无故障的且可靠的绝缘功能。在此，以接地的方式不仅测量正极而且测量负极。此时，绝缘电阻的大小必须为几兆欧，并且通常根据相应的标准预设。于是，通过用于监控绝缘电阻的装置，可以测量并监控绝缘电阻的当前值，从而在绝缘电阻变差的情况下，特别是当绝缘电阻下降到低于预设的限值时，可以触发警报，随后该警报实现进一步的响应、例如紧急切断等。
按照根据本发明的设备的另一个非常适宜的设计方案，此外替代地或补充地可以设置电气分离的可调整的变压器，该变压器设计为用于高压预充电，该变压器与设备的低压联接部连接。此外，变压器可以通过微控制器控制，只要设置了这种根据上述有利的设计方案的微控制器。由此简单地实现，使燃料电池接口处的电压与电池的电压水平相匹配。因此，电池侧上的电压可以用作用于通过低压进行高压预充电的电压调整的理论值。这特别能够实现，在给燃料电池堆供给其介质、即空气或氧气之前就已经在高压电池处接入通常通过接触器实现的触点。于是，实际的直流电压转换器自身可以单向地设计为升压斩波器，如按照根据本发明的设备的一个有利的改进方案规定的那样。
此外，另一个非常适宜的设计方案设置有用于对断开的电路限制电压的装置，该装置同样通过微控制器控制。由此实现了限制燃料电池堆的电压、所谓的电压限幅(Voltage Clipping)。特别是与具有用于高压预充电的变压器的根据本发明的燃料电池系统的上述设计方案相结合，现在这种电压限幅不再能作为自己的构件实现，而是可以通过实际的直流电压转换器一起实施，这再次简化了结构。因为燃料电池堆现在也可以通过转换器加载，也可以完全取消电压的限制，由此可以完全取消上述可选的电压限制器。
现在，根据本发明的设备的另一个非常适宜的设计方案还规定，在EMV滤波器与电池联接部之间设置有至少一个通过保险装置确保安全的电联接部，该电联接部用于燃料电池系统的附件装置，即，例如用于空气的输送装置、氢气再循环鼓风机等，从而通过所述设备也可以直接为这些部件供给功率并且利用位于设备中的保险装置保护这些部件。于是，根据一个有利的设计方案，负载自身可以通过电池联接部一起连接，或者说以与电池并联的方式连接，以便由此保持结构简单紧凑。
在此，按照根据本发明的设计方案的一个有利的改进方案，整个设备可以集成在共同的壳体中，该壳体设计为用于安装在燃料电池、即燃料电池堆处。因此，燃料电池接口集成在燃料电池堆的结构中，特别是集成在燃料电池堆的壳体中或壳体处，以便由此相应地降低布线消耗，并且利用根据本发明的设备实现唯一一个高效的接口模块。
附图说明
从以下参考附图详细描述的实施例中也得到根据本发明的设备的其它有利的设计方案。
图中：
图1示出以第一实施方式的根据本发明的设备的可行的结构；
图2示出以第二实施方式的根据本发明的设备的可行的结构；和
图3示出以第三实施方式的根据本发明的设备的可行的结构。
具体实施方式
根据本发明的设备1用作燃料电池接口并且根据图1中的图示布置在简单指出的燃料电池堆2与以3表示的高压电池之间。该设备特别可以布置在此处未具体示出的、而是仅简单指出的壳体4中，该壳体特别设计为与燃料电池堆2连接。在此，作为燃料电池接口的设备1将升压斩波器的电流分配单元的功能和用于燃料电池堆2和/或电池3的相应的保护功能组合在一个共同的结构单元或模块中。因此，设备1能够实现在燃料电池堆2与高压电池3之间最优的且成本适宜的电流和电压转换。此时，由以下仅称为转换器5并且通常作为升压斩波器运行的直流电压转换器5将燃料电池堆2的相对低的电压提升到电池3的较高的电压，同时在功率尽可能相同且电流相应较低的情况下。
作为燃料电池接口的设备1复制了作为升压斩波器的转换器5的功能，现在也包括对于燃料电池堆2来说必要的保护功能、切换功能、测量功能和分配功能。该设备代表着对转换器、保护功能和功率分配方案的有效组合，因此，该分配方案特别可以最优地用于燃料电池在车辆、例如乘用汽车或特别是商用汽车中的应用。在此，所有这些都能在共同的壳体4中实现，该壳体实现了模块化并且将不同功能组合在一个模块中。这种组合节省了结构空间以及成本并且还可以节省联接部件和导线，特别是在壳体4直接布置在燃料电池堆2的区域中、优选布置在燃料电池堆的电池堆-壳体处时。因此，特别是对于移动式燃料电池应用，例如在车辆、例如特别是商用汽车中的应用，设备1能够实现在批量生产方面显著的成本节省。这不仅适用于硬件方面而且适用于在安装时的时间和成本节省。
现在，在图1中示出的这种设备1的第一可行的结构在壳体4中包括已经提及的转换器5。在该转换器5与燃料电池堆2或者说燃料电池堆2在设备1处的电联接部之间，存在烟火式关闭装置6以及用于在电路断开时限制电压的装置7。紧接着是已经提及的作为升压斩波器的转换器5，该转换器不仅在燃料电池侧上而且在电池侧上都具有相应的被动放电可能性8。这种可能性分别以8表示。随后，在转换器5与用于高压电池3的联接部之间的是电池安全开关9，如在此示出的那样，可以根据需要通过该电池安全开关断开电连接的两极。在此之后是具有被动放电的EMV滤波器10。此外，设置有用于测量电流(A)和电压(V)的传感器。此外，设置有保险装置11，该保险装置设计具有用于附件装置的外部电流供给的相应的接口19，例如用于风机叶轮、液力压缩机、冷却介质泵等的电流供给。此外，设备1包括外部的通信接口12，通过该外部的通信接口联接微控制器13，该微控制器设置成用于控制至少限压装置7、转换器5和电池安全开关9。通常，烟火式关闭装置6具有自己的外部通信接口14，该外部通信接口例如相应地与车辆的碰撞传感器连接。
在设备1的这种结构中，电池安全开关9布置在转换器5之后，由此电池安全开关9的相应的开关或接触器可以较小地设计，因为如以上示出的那样，由于作为升压斩波器的转换器5的典型应用，在转换器5的这一侧上虽然存在较高的电压，但是存在的电流小得多。其结果是在设备1的简单且成本适宜的结构方面的另一结构方案。为了相应地减小设备1的重量，在此可以设置不带电气分离的升压斩波器。由此可以省去独立的预充电电路，因为通过转换器5进行电压匹配。
如所述的那样，烟火式关闭装置6可以通过其自己的外部通信接口14联接在外部通信装置处。在配备有设备1的车辆——在其中例如电池3与燃料电池堆2分离——碰撞的情况下，可以通过烟火式关闭装置使燃料电池堆短路并且由此放电。在此布置在烟火式关闭装置6之后的限压件7用于，相应地降低用于启动包括燃料电池堆的燃料电池系统的燃料电池堆2的空载电压。因此，在燃料电池系统启动时，限压件保持燃料电池堆2的空载电压低于高压电池3的电压，以确保转换器5的启动安全。燃料电池系统的电负载、即特别是用于车辆的驱动电机通过联接部18与电池3并联并且联接在设备1的电池联接部处。LV联接部17保证利用车辆的车载电源的低压(LV)供给微控制器13。
在图2的图示中可看出根据本发明的设备1的替代的和扩展的设计方案。该设备基本上包括至此已经描述的部件。这些部件分别设有相同的附图标记。此外附加地，该设备也包括用于监控绝缘电阻的装置15，通过该装置可以检查设备1的无故障的且可靠的绝缘功能。为此，以接地的方式测量正极以及负极。在其之间的绝缘电阻必须为几兆欧。如果绝缘电阻低于例如根据相应标准预设的限值，则可以触发警报并且必要时切断系统以保证安全。
此外，在此示出的设备1的实施方式现在附加地包括电气分离的可调整的变压器16，该变压器能够实现通过低压进行高压预充电，以用于将在燃料电池接口处的电压调整到高压电池的电压水平。为此，电池侧的电压用作用于通过低压进行高压预充电的电压调整的理论值。这通过电气分离的可调整的变压器16实现，该变压器将LV联接部17的低压转换成高压(HV)。变压器同样通过微控制器13相应地控制或调节。这种低压预充电的优点是，在给燃料电池堆2供给其介质之前已经实现燃料电池接口的触点在高压电池3上的接入。于是，实际的转换器5可以单向地设计为单纯的升压斩波器。于是，转换器也可以同时承担电压限制功能。此外，可以有目的地通过转换器5加载燃料电池堆2，从而可以完全取消限压功能和为此所需的装置7，如在图3中的实施方案中示出的那样。
通过低压进行高压预充电的其它优点在于，在燃料电池堆启动时，可以防止以峰值负载加载燃料电池堆2。此外，用于在燃料电池堆中查找故障的测试可以因此更简单地设计。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统中的能量分配的设备(1)，所述设备具有：至少一个燃料电池堆(2)；高压电池(3)；用于燃料电池堆(2)和高压电池(3)的电联接部；至少一个通信接口(12、14)；转换器(5)；用于使高压电池(3)与燃料电池堆(2)断开的电池保护开关(9)；用于使燃料电池堆(2)的极相连接的紧急切断装置(6)，其中，电池保护开关(9)布置在转换器(5)与高压电池(3)之间，
其特征在于，
设置有EMV滤波器(10)，电池保护开关(9)设计为用于使连接的两个电极断开。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，紧急切断装置(6)包括烟火式关闭器并且与外部通信接口(14)连接。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，设置有用于对部件(5、9)进行控制的微控制器(13)，所述微控制器与外部通信接口(12)连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备(1)，其特征在于，设置有用于监控绝缘电阻的装置(15)，所述装置特别布置在紧急切断装置(6)与转换器(5)之间。
5.根据权利要求3或4所述的设备(1)，其特征在于，设置有电气分离的可调整的变压器(16)，所述变压器设计为用于高压预充电，所述变压器与转换器(5)的低压侧连接并且能通过微控制器(13)控制。
6.根据权利要求5所述的设备(1)，其特征在于，转换器(5)设计为单向的。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(1)，其特征在于，设置有用于在电路断开时限制电压的装置(7)，所述限制电压的装置布置在燃料电池堆(2)与转换器(5)之间并且能通过微控制器(13)控制。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在EMV滤波器(10)与高压电池(3)之间设置有通过至少一个保险装置(11)确保安全的至少一个电联接部，所述至少一个电联接部用于燃料电池系统的附件装置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(1)，其特征在于，通过设备(1)的电池联接部连接主负载。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1)，其特征在于，设置有用于安装在燃料电池堆(2)处的共同的壳体(4)。
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