DE102005021722A1

DE102005021722A1 - Vorrichtung mit elektrochemischer Einheit, Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit elektrochemischer Einheit sowie Fahrzeug mit einer elektrochemischen Einheit

Info

Publication number: DE102005021722A1
Application number: DE102005021722A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Ranneberg; Yehia Dr.-Ing. Tadros
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit (11, 12) als Spannungsquelle sowie mindestens einem elektrischen Verbraucher, umfassend einen elektrisch betriebenen Motor (15), mindestens eine Anpassungsvorrichtung (19, 20, 28), mittels der eine von der elektrochemischen Einheit (11, 12) zur Verfügung gestellte elektrische Spannung auf eine Spannung zum Betreiben des Motors (15) einstellbar ist. Die Überbrückungsvorrichtung (38, 39) weist mindestens einen Thyristor (38, 39) auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer elektrochemischen Einheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit als Spannungsquelle, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit sowie ein Fahrzeug mit von wenigstens einer elektrochemischen Einheit antreibbaren Motor nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Der Einsatz von elektrochemischen Einheiten in Fahrzeugen, wie etwa einer Brennstoffzelleneinheit und/oder einer Traktionsbatterie, ist allgemein bekannt. Die elektrische Spannung am Ausgang der elektrochemischen Einheiten ist stark von der Leistungsanforderung der Verbraucher abhängig. Es ist bekannt, zur Anpassung der Ausgangsspannung einer elektrochemischen Einheit an die Anforderungen des anzutreibenden Motors eine Anpassungsvorrichtung vorzusehen, die die elektrische Spannung anhebt, so dass am Eingang des Antriebsumrichters eine höhere Spannung als die Ausgangsspannung anliegt. Häufig wird in Brennstoffzellenfahrzeugen neben der Brennstoffzelleneinheit eine Traktionsbatterie benutzt, um die beispielsweise beim Bremsen anfallende kinetische Energie des Fahrzeugs nach Umwandlung in elektrische Energie zwischenzuspei chern und beispielsweise für einen folgenden Anfahrvorgang zu verwenden.

Aus der Offenlegungsschrift EP 0 972 668 A2 ist ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Batterie bekannt, welches eine Vorrichtung mit einer Anpassungsvorrichtung und einem Antriebsumrichter aufweist. Die Batterie speichert von der Brennstoffzelleneinheit oder vom Motor gelieferte Energie. Ferner weist die Vorrichtung eine Überbrückungsvorrichtung zum Überbrücken der Anpassungsvorrichtung auf. Es treten in der Anpassungsvorrichtung elektrische Verluste auf. Durch die Überbrückung der Anpassungsvorrichtung werden die elektrischen Verluste vermieden. Es sind Schalter vorgesehen, die eine Verbindung der Brennstoffzelleneinheit oder der Batterie mit dem Antriebsumrichter wahlweise mit oder ohne Anpassungsvorrichtung ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit mit einer Anpassungsvorrichtung bereitzustellen, die durch eine Überbrückungseinrichtung überbrückt werden kann, welche eine verbesserte Einschaltbarkeit bei geringem Bauraumbedarf aufweist, sowie ein Verfahren dazu anzugeben. Weiterhin soll ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung angegeben werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit elektrochemischer Einheit vorgesehen, dass eine Überbrückungsvorrichtung einer Anpassungsvorrichtung mindestens einen Thyristor aufweist. Dieser zeichnet sich durch wesentlich geringere Durchlassverluste als die Anpassungsvorrichtung aus, hat einen geringen Bauraumbedarf, ist geräuschlos und benötigt nur einen geringen Impuls zur Einschaltung, besitzt also eine gute Einschaltbarkeit. Ferner ist vorteilhaft, dass ein Stromfluss durch den Thyristor nur in einer Richtung möglich ist. Der Thyristor sperrt, unterbricht also den Stromfluss, wenn eine eingangsseitig anliegende Spannung größer ist als die ausgangsseitig anliegende Spannung. Dies ist der Fall, wenn die Anpassungsvorrichtung aktiv ist, das heißt, wenn die Ausgangsspannung der elektrochemischen Einheit in der Anpassungsvorrichtung hochgesetzt wird.

Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem bevorzugten Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor implementiert, wirkt die Erfindung sehr vorteilhaft. Dazu kann eine variable Eingangsspannung für den Antriebsumrichter vorgesehen sein, die den Anforderungen des Motors gerecht wird und typischerweise zwischen 225 und 450 V liegt. Bei hohen Leistungsanforderungen steht eine hohe Spannung und bei niedrigen Leistungsanforderungen eine niedrige Spannung am Ausgang der Anpassungsvorrichtung zur Verfügung.

Die Überbrückung der Anpassungsvorrichtung wird vorteilhaft eingesetzt, um Leistungsverluste in der Anpassungsvorrichtung, die typischerweise bei 10 bis 20% liegen, zu verringern. Beispielweise müsste bei einer vom Motor geforderten Leistung von 1000 W eingangsseitig eine Leistung von 1100 bis 1200 W bereitstehen. Die eingangsseitige Leistung ist aber durch die Ausgangsspannung der elektrochemischen Einheit festgelegt, wobei eine typische Ausgangsspannung etwa einer Brennstoffzelleneinheit, die üblicherweise aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen besteht, rund 225 V beträgt. Der daraus resultierende Strom beträgt 4,9 A bis 5,33 A. Wird die Eingangsspannung des Motors erhöht, beispielsweise ver doppelt, verringert sich die Stromstärke entsprechend, hier um die Hälfte. Ein geringerer Strom erweist sich als vorteilhaft bei der Auslegung der Elektronik, insbesondere der Leistungshalbleiter, der elektrischen Kabel, der elektrischen Steck- und Schraubverbinder.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei elektrochemische Einheiten vorgesehen, die beide jeweils mit einer separaten Anpassungsvorrichtung mit jeweils einer Überbrückungsvorrichtung ausgestattet sind. Beide elektrochemische Einheiten können mit dem Antriebsumrichter verbunden sein und die Energie für den elektrisch antreibbaren Motor liefern. Der Thyristor jeder Überbrückungsvorrichtung kann durch Einschalten der jeweiligen Anpassungsvorrichtung ausgeschaltet werden. Dies erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors.

Bei kleinen Drehzahlen des elektrischen Motors ist die am Antriebsumrichter anliegende elektrische Spannung niedriger als bei hohen Drehzahlen. Typischerweise ist die elektrische Spannung kleiner oder gleich der Ausgangsspannung der elektrochemischen Einheit. Deshalb ist bei kleinen Drehzahlen eine Anhebung der Spannung in der Anpassungsvorrichtung nicht notwendig. Trotzdem sind die oben diskutierten Leistungsverluste vorhanden. Somit ist es vorteilhaft, bei kleinen Drehzahlen die Anpassungsvorrichtung zu überbrücken, womit die Leistungsverluste entfallen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Versorgung von elektrisch betriebenen Aggregaten eine weitere, überbrückungsfreie Anpassungsvorrichtung vorgesehen, insbesondere wenn die elektrochemische Einheit als Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist, und/oder wenn eine potentialgetrennte Ladung einer Bordnetzbatterie zur Versorgung eines Bordnetzes, beispielsweise mit 12 V, 24 V oder 48 V, erfolgen soll. In einem Brennstoffzellensystem sind verschiedene Hilfsaggregate vorgesehen, beispielsweise ein Kompressor, Pumpen, Ventile und dergleichen. Da die Versorgung der Hilfsaggregate vorteilhaft auch mittels der durch die Anpassungsvorrichtung angehobenen Spannung geleistet werden kann, würde bei Überbrückung der Anpassungsvorrichtung für die Hilfsaggregate nur eine niedrigere elektrische Spannung zur Verfügung stehen. Es ist deshalb günstig, wenn zur Versorgung der Hilfsaggregate und/oder einer Bordnetzbatterie eine separate Anpassungsvorrichtung vorgesehen ist, die dafür eine angehobene Spannung zur Verfügung stellt, die nicht an die Drehzahl des Motors gekoppelt ist.

Zweckmäßigerweise ist die Anpassungsvorrichtung jeweils über eine Entkopplungsdiode mit der oder den elektrochemischen Einheiten verbunden, so dass eine Spannungsversorgung der Anpassungsvorrichtung jeweils mit der elektrochemischen Einheit erfolgt, welche gerade die höhere Ausgangsspannung aufweist. Selbstverständlich könnte die Anpassungsvorrichtung auch nur von einer einzigen elektrochemischen Einheit, vorzugsweise einer Traktionsbatterie, versorgt werden.

Vorteilhaft ist, wenn die Anpassungsvorrichtungen in einem einzigen Bauteil integriert sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine der Anpassungsvorrichtungen als DC/DC-Gleichspannungswandler ausgebildet. Es kann dazu ein Schaltnetzteil oder ein Eintaktwandler oder ein Gegentaktwandler vorgesehen sein. Gleichspannungswandler weisen einen hohen Wirkungsgrad auf und eignen sich daher für hohe Leistungsanforderungen. Eintaktwandler oder Gegentaktwandler weisen in der Regel einen Zerhacker auf, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung zerlegt, einen Transformator, der die Spannung anhebt und eine elektronische Komponente, die diese angehobene Wechselspannung wieder in eine Gleichspannung umwandelt. Typischerweise werden IGTBs oder MOSFETs, bekannte Halbleiterbauelemente für Leistungselektronik, verwendet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrochemische Einheit als Brennstoffzelleneinheit ausgebildet. Brennstoffzellen sind ein vorteilhafter Lieferant von elektrischer Energie.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrochemische Einheit als Traktionsbatterie ausgebildet. Eine Traktionsbatterie ist typischerweise eine aufladbare Batterie, beispielsweise ein Bleiakkumulator, eine Luft-Zinkbatterie und dergleichen, die sowohl in einem Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor als auch in einem sogenannten Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Anpassungsvorrichtungen als DC/DC-Gleichspannungswandler ausgebildet. Gleichspannungswandler sind notwendig, um eine niedrigere Gleichspannung in eine höhere Gleichspannung umzuwandeln. Bevorzugt für einen hohen Wirkungsgrad sind Schaltnetzteile, Eintakt- und Gegentaktwandler.

Vorzugsweise ist die elektrochemische Einheit als Brennstoffzelleneinheit ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist eine Ausbildung der elektrochemischen Einheit als Traktionsbatterie. Es können in einer Vorrichtung auch sowohl eine Brennstoffzelleneinheit als auch eine Traktionsbatterie vorgesehen sein.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit, die einen elektrischen Motor antreibt, ist es vorteilhaft, wenn zur Überbrückung einer Anpassungsvorrichtung, die eine Spannung der elektrochemischen Einheit auf eine Spannung zum Betreiben des Motors einstellt, bei kleinen Drehzahlen des Motors ein Thyristor eingeschaltet wird. Damit können die Verluste der Anpassungsvorrichtung vermieden werden, wenn der Motor auch mit einer geringeren Spannung betrieben werden kann, wie dies bei kleinen Drehzahlen der Fall ist. In diesem Fall sind auch die benötigte Leistung und damit der benötigte Strom klein.

Vorzugsweise wird der Thyristor bei hohen Drehzahlen des Motors ausgeschaltet. Dies erfolgt besonders vorteilhaft ohne zusätzliche Löschschaltung, indem die Anpassungsvorrichtung eingeschaltet wird. Ist der Thyristor mittels der Anpassungsvorrichtung ausschaltbar, ergibt sich daher eine besonders vorteilhafte und kostengünstige Ausgestaltung. Thyristoren sind im Allgemeinen nicht mittels ihrer Steuerelektrode abschaltbar, sondern es muss eine separate Löschschaltung vorgesehen werden. Wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch die Anpassungsvorrichtung eingeschaltet, um die Ausgangsspannung der elektrochemischen Zelle auf eine höhere Spannung anzuheben, wird der Stromfluss durch den Thyristor unterbrochen und der Thyristor gelöscht, da dann am Thyristor dann ausgangsseitig eine höhere elektrische Spannung anliegt als eingangsseitig. Deshalb kann auf eine separate Löschschaltung verzichtet werden.

Vorteilhaft ist, die ausgangsseitige elektrische Spannung der Anpassungsvorrichtung abhängig von der Drehzahl des Motors anzuheben oder gleich der elektrischen Spannung der elektro chemischen Einheit einzustellen. Dadurch können unnötige Leistungsverluste bei niedrigen Drehzahlen des elektrischen Motors, der folglich mit der Spannung, die die elektrochemische Einheit liefert, vermieden werden.

In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die eingangsseitige elektrische Spannung eines Antriebsumrichters bei kleinen Drehzahlen gleich der Spannung der wenigstens einen elektrochemischen Einheit eingestellt.

Bei hohen Drehzahlen des Motors ist die Leistungsanforderung an den Antriebsumrichter und an die Brennstoffzelleneinheit hoch. Die elektrische Leistung ist gegeben durch das Produkt von elektrischer Spannung und elektrischem Strom. Deshalb kann theoretisch bei erhöhter Leistungsanforderung sowohl der Strom als auch die Spannung erhöht werden. Dies ist allerdings durch die Kenndaten des Motors beschränkt, der bestimmte Werte für Strom und Spannung fordert. Es ist überdies sinnvoller eine höhere Spannung anzulegen und den Strom somit zu erniedrigen. Diese erhöhte Spannung wird aus der von der elektrochemischen Einheit, beispielsweise der Brennstoffzelle, gelieferten Spannung mittels einer Anpassungsvorrichtung bereitgestellt. Diese ist erfindungsgemäß ein Gleichspannungswandler, genannt DC/DC-Konverter.

Das Verfahren ist vorteilhaft einsetzbar in einem Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem die zum Antreiben des elektrischen Motors erforderliche Energie von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt wird, oder in einem Hybridfahrzeug, insbesondere mit einer Traktionsbatterie und einem Verbrennungsmotor, deren elektrochemischen Einheiten eine lastabhängige Ausgangsspannung liefern.

Bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug mit einem von wenigstens einer elektrochemischen Einheit antreibbaren Motor mit einer Brennstoffzelleneinheit und/oder einer Traktionsbatterie ist eine Anpassungsvorrichtung mit einer Überbrückungsvorrichtung vorgesehen, welche einen Thyristor aufweist.

Ein bevorzugtes Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Traktionsbatterie auf, die es erlaubt, das dynamische Verhalten des Antriebs des Motors unabhängig von der Dynamik der Brennstoffzelleneinheit zu gestalten. Beispielsweise kann bei kurzfristig hoher Leistungsanforderung des Antriebs kurzfristig Energie aus der Traktionsbatterie bereitgestellt werden. Ferner kann in der Traktionsbatterie auch Energie, beispielsweise kinetische Energie, gespeichert werden, die beim Bremsen anfällt. Die derart gespeicherte Energie kann für nachfolgende Leistungsanforderungen verwendet werden, beispielsweise für einen späteren Anfahrvorgang.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Fahrzeugs ist zur Versorgung von Aggregaten eines Brennstoffzellensystems eine separate Anpassungsvorrichtung vorgesehen, die überbrückungsfrei und unabhängig von einer Drehzahl des Motors betrieben werden kann. Dies ermöglicht eine von der elektrochemischen Einheit des Fahrzeugs unabhängige Spannungsversorgung der Aggregate oder gegebenenfalls auch eine potentialgetrennte Ladung einer Bordnetzbatterie.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.

Dabei zeigen:
1a, b; in schematischer Darstellung eine Vorrichtung in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit zwei elektrochemischen Einheiten und zwei Gleichstromwandlern (a) und eine Ausgestaltung mit einem separaten Anpassungsvorrichtung für Hilfsaggregate (b);
2 in schematischer Darstellung eine Überbrückungsvorrichtung mittels Thyristor für den in 1b dargestellten Aufbau.
Für funktionell gleiche Komponenten werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1a und 1b zeigen in schematischer Darstellung Varianten einer Struktur von bevorzugten Vorrichtungen 10 für ein nicht dargestelltes Brennstoffzellenfahrzeug.
Es sind zwei elektrochemische Einheiten in Form einer Brennstoffzelleneinheit 11 und einer Traktionsbatterie 12 vorgesehen. Die Brennstoffzelleneinheit 11 ist zum Antrieb eines elektrischen Motors 15 einsetzbar. Die Brennstoffzelleneinheit 11 ist mit nicht näher dargestellten Aggregaten 17 eines nicht dargestellten, üblichen Brennstoffzellensystems verbunden, welches einen üblichen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 11 ermöglicht. Das Brennstoffzellensystem kann sowohl eines mit einer Reformierungseinheit sein, bei dem aus einem Brennmittel ein wasserstoffreiches Reformat erzeugt wird, als auch ein System, bei dem direkt Wasserstoffgas eingesetzt wird.
Die Aggregate umfassen weiterhin eine nicht dargestellte Bordnetzbatterie, die über einen DC/DC-Gleichspannungswandler 18 geladen wird und das mit üblichen Bordnetzspannungen, beispielsweise 12 V, betriebe Bordnetz stützt.
Auf die Brennstoffzelleneinheit 11 folgt eine Anpassungsvorrichtung 19, an deren Eingangsseite 13 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 11 liegt und die auf ihrer Ausgangsseite 14 mit einer Eingangsseite 25 eines Antriebsumrichters 24 verbunden ist. Dort liegt die Ausgangsspannung Ud der Anpassungsvorrichtung 19 an. Der Antriebsumrichter 24 setzt die Gleichspannung Ud an seiner Eingangsseite 25 in eine Wechselspannung an seiner Ausgangsseite 26 um, an der der Motor 15 angeschlossen ist.
Die jeweiligen Polaritäten der Vorrichtung sind mit Plus- und Minuszeichen angedeutet.
Eine zweite Anpassungsvorrichtung 20 ist der Traktionsbatterie 12 zugeordnet, deren Ausgangsspannung Ubatt an einer Eingangsseite 21 der Anpassungsvorrichtung 20 liegt und deren Ausgangsseite 22 an dem Antriebsumrichter 24 liegt. Die Anpassungsvorrichtungen 19, 20 sind hierbei als DC/DC-Gleichspannungswandler ausgeführt. Die in 1a abgebildete Struktur hat die Funktion, eine an der Eingangsseite 13 der Anpassungsvorrichtung 19 anliegende elektrische Spannung Ubz und an der Eingangsseite 21 der Anpassungsvorrichtung 20 anliegende elektrische Spannung Ubatt anzuheben und zwar auf einen Wert Ud deutlich über den Spannungen Ubz bzw. Ubatt, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 400 V und 500 V, besonders bevorzugt um 450 V. Dabei erfolgt die Anhebung der Spannung durch die Anpassungsvorrichtungen 19, 20 bevorzugt abhängig von einer Drehzahl des Motors 15, wie anhand der Ausgestaltung in 2 beschrieben wird. Die Anpassungsvorrichtungen 19, 20 sind insbesondere Überbrückbar mit einer hier nicht dargestellten Überbrückungsvorrichtung 38, 39 (2). Die Spannung Ud ist daher abhängig von der Drehzahl des Motors 15 und entspricht bei kleinen Drehzahlen der Ausgangsspannung Ubz oder Ubatt und bei großen Drehzahlen dem bevorzugten, konstanten Wert deutlich oberhalb von Ubz und Ubatt. Bei welcher Last bzw. Drehzahl des Motors 15 auf den konstanten hohen Wert umgeschaltet wird, kann vorgeben werden und wird sinnvollerweise anhand der gewünschten Auslegung der Leistungselektronik festgelegt.
Die Spannung Ud liegt auch an den Aggregaten 17 an und steht dem DC/DC-Gleichspannungswandler 18 für das Bordnetz zur Verfügung. Diese ist entsprechend dem vorstehend gesagten abhängig von einer Drehzahl des Motors.
1b zeigt eine Struktur, die der der 1a weitgehend entspricht und auf die zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen bei der Beschreibung der Komponenten verwiesen wird. Zusätzlich ist hier jedoch eine als DC/DC-Gleichspannungswandler ausgebildete Anpassungsvorrichtung 28 vorgesehen, die es ermöglicht, eine konstante und drehzahlunabhängige Spannung Uhb zur Speisung der Aggregate 17 zur Verfügung zu stellen. Über Entkopplungsdioden 42 und 43 wird die Anpassungsvorrichtung 28 gerade aus derjenigen Spannungsquelle, nämlich der Brennstoffzelleneinheit 11 oder der Traktionsbatterie 12, gespeist, welche die höhere Spannung Ubz bzw. Ubatt aufweist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel entsprechend der in der 1b gezeigten Struktur mit drei Anpassungsvorrichtungen 19, 20 und 28, wobei die Anpassungsvorrichtungen 19 und 20 jeweils eine Überbrückungseinheit 38, 39 und die Anpassungsvorrichtung 28 keine Überbrückungsvorrichtung aufweist, da die Spannung Uhb zur Speisung der Hilfsbetriebe konstant sein soll.
Die Anpassungsvorrichtung 19 ist unidirektional ausgebildet, da die Brennstoffzelle keine elektrische Leistung aufnehmen kann, wobei ihre Überbrückungsvorrichtung 38 einen Thyristor 40 umfasst. Ferner ist eine als Stellerdrossel ausgebildete Induktivität 29 vorgesehen mit einem Leistungstransistor 33 und einer Freilaufdiode 35. An der Eingangsseite 13 liegt die Ausgangsspannung Ubz der Brennstoffzelleneinheit 11 an, an der Ausgangsseite 14 die Spannung Ud.
Die Anpassungsvorrichtung 20 der Traktionsbatterie 12 ist bidirektional mit einer als Stellerdrossel ausgebildeten Induktivität 30 sowie zwei Leistungshalbleitern 33 und zwei Freilaufdioden 36 ausgebildet, da die Traktionsbatterie 12 sowohl entladen als auch geladen werden kann, etwa in einem Rekuperationsbetrieb des Motors 15. Eine Überbrückungsvorrichtung 39 weist einen Thyristor 41 auf. An der Eingangsseite 21 der Anpassungsvorrichtung 20 liegt eine Ausgangsspannung Ubatt der Traktionsbatterie 12 an, an ihrer Ausgangsseite 22 die Spannung Ud.
Schaltet der Thyristor 40 oder 41 bei kleinen Drehzahlen des Motors 15 ein, werden die Anpassungsvorrichtungen 19, 20 nicht betrieben und am Ausgang 14 bzw. 22 liegt die Spannung Ubz bzw. Ubatt. Schaltet der Thyristor 40 oder 41 aus, indem die Anpassungsvorrichtung 19, 20 eingeschaltet wird, wird die Spannung Ud über die Wert Ubz bzw. Ubatt angehoben. Die Ausgangsspannungen Ubz bzw. Ubatt können verschieden sein.
Die Minusleitungen beider Seiten der Anpassungsvorrichtungen 19, 20, 28 sind durchverbunden. Denkbar sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, etwa mit durchverbundenen Pluspolen mit sinngemäß angeordneten Thyristoren 40, 41 und Dioden 42, 43, 35, 36, 37.
Die dritte Anpassungsvorrichtung 28 ist eingangsseitig über eine Entkopplungsdiode 42 mit der Eingangsseite 14 der Anpassungsvorrichtung 19 der Brennstoffzelleneinheit 11 und über eine Entkopplungsdiode 43 mit der Eingangsseite 21 der Anpassungsvorrichtung 20 der Traktionsbatterie 12 verbunden. Die Anpassungsvorrichtung umfasst eine als Stellerdrossel ausgebildete Induktivität 31 und einen Leistungshalbleiter 34 sowie eine Freilaufdiode 37. Eingangsseitig steht die höhere der Ausgangsspannungen Ubz oder Ubatt an, während ausgangsseitig eine konstante Spannung Uhb zur Verfügung steht.
Die Leistungstransistoren 32, 33, 34 sind vorzugsweise als IGTBs oder MOSFETs ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Thyristoren 40, 41 in den Überbrückungsvorrichtungen 38, 39 können Verluste der DC/DC-Gleichspannungswandler bis auf die in den Thyristoren 40, 41 anfallenden minimalen Durchlassverluste vermieden werden. Insbesondere die sonst in den als Stellerdrosseln ausgebildeten Induktivitäten 29, 30 können durch den jeweiligen Thyristor 40, 41 vermieden werden.

10: Vorrichtung
11: Brennstoffzelleneinheit
12: Traktionsbatterie
13: Eingangsseite Anpassungsvorrichtung
14: Ausgangsseite Anpassungsvorrichtung
15: elektrischer Motor
17: Hilfsaggregate
18: Bordnetzversorgung
19: erste Anpassungsvorrichtung
20: zweite Anpassungsvorrichtung
21: Eingangsseite Anpassungsvorrichtung
22: Ausgangsseite Anpassungsvorrichtung
24: Antriebsumrichter
25: Eingangsseite Antriebsumrichter
26: Ausgangsseite Antriebsumrichter
28: dritte Anpassungsvorrichtung
29: Induktivität
30: Induktivität
31: Induktivität
32: Leistungstransistor
33: Leistungstransistor
34: Leistungstransistor
35: Freilaufdiode
36: Freilaufdiode
37: Freilaufdiode
38: Überbrückungsvorrichtung
39: Überbrückungsvorrichtung
40: Thyristor
41: Thyristor
42: Entkopplungsdiode
43: Entkopplungsdiode

Claims

Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit (11, 12) als Spannungsquelle sowie mindestens einem elektrischen Verbraucher, umfassend einen elektrisch betriebenen Motor (15), mindestens eine Anpassungsvorrichtung (19, 20, 28), mittels der eine von der elektrochemischen Einheit (11, 12) zur Verfügung gestellte elektrische Spannung auf eine Spannung zum Betreiben des Motors (15) einstellbar ist, einen Antriebsumrichter (24) und wenigstens eine Überbrückungsvorrichtung (38, 39) zum Überbrücken der Anpassungsvorrichtung (19, 20) so, dass die elektrochemische Einheit (11, 12), insbesondere direkt, mit dem Antriebsumrichter (24) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (38, 39) einen Thyristor (40, 41) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei elektrochemische Einheiten (11, 12) vorgesehen sind, wobei jede elektrochemische Zelleneinheit (11, 12) je eine Anpassungsvorrichtung (19, 20) mit jeweils einer Überbrückungsvorrichtung (38, 39) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung von zusätzlichen elektrisch betriebenen Aggregaten (17) und/oder Energiespeichern eine zusätzliche überbrückungsfreie Anpassungsvorrichtung (28) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Anpassungsvorrichtung (28) jeweils über eine Entkopplungsdiode (42, 43) mit der oder den elektrochemischen Einheit(en) (11, 12) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsvorrichtungen (19, 20, 28) in einem einzigen Bauteil integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsvorrichtungen (19, 20, 28) als Gleichspannungswandler ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit (11, 12) als Brennstoffzelleneinheit (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit (11, 12) als Batterie (12) ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit wenigstens einer elektrochemischen Einheit (11, 12), insbesondere in einem Fahrzeug mit einem mittels der elektrochemischen Einheit (11, 12) angetriebenen Motor (15), wobei eine Anpassungsvorrichtung (19, 20, 28) überbrückt werden kann, die eine von der wenigstens einen elektrochemischen Einheit (11, 12) erzeugte elektrische Spannung auf einen vorgegebenen Spannungswert zum Betreiben des Motors (15) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinen Drehzahlen des Motors (15) ein Thyristor (40, 41) zur Überbrückung der Anpassungsvorrichtung (19, 20) eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor (40, 41) bei hohen Drehzahlen des Motors (15) ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor (40, 41) durch Einschalten der Anpassungsvorrichtung (19, 20) ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige elektrische Spannung der Anpassungsvorrichtung (19, 20) abhängig von der Drehzahl des Motors (15) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine eingangsseitige elektrische Spannung eines Antriebsumrichters (24) bei kleinen Drehzahlen gleich der Spannung der elektrochemischen Einheit(en) (11, 12) eingestellt wird.
Fahrzeug mit einem von wenigstens einer elektrochemischen Einheit (11, 12) antreibbaren Motor (15), umfassend mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (11) und/oder eine Traktionsbatterie (12), mit einem Antriebsumrichter (24), mindestens einer Anpassungsvorrichtung (19, 20) zur Anpassung einer ausgangsseitigen elektrischen Spannung der Brennstoffzelleneinheit (11) und/oder der Traktionsbatterie (12) an eine Spannung des Antriebsumrichters (24) und einer Überbrückungsvorrichtung (38, 39) zur Überbrückung der mindestens einen Anpassungsvorrichtung (19, 20), dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückungsvorrichtung (38, 39) der mindestens einen Anpassungsvorrichtung (19, 20, 28) einen Thyristor (40, 41) aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung von Aggregaten (17) eines Brennstoffzellensystems (12, 14, 16) eine separate, überbrückungsfreie Anpassungsvorrichtung (28) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsvorrichtung (19, 20, 28) ein Gleichspannungswandler ist.