DE102006016453A1 - Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz mit Akkumulator und Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in das elektrische Energie sowohl aus einem Akkumulator, der von einem vom Fahrzeug-Antriebsaggregat angetriebenen Generator gespeist wird, als auch aus einer Brennstoffzelle einleitbar ist, wobei die Brennstoffzelle über einen unidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und die sog. elektrische Peripherie der Brennstoffzelle aus dem Fahrzeug-Bordnetz mit Abgriff auf der Akkumulator-Seite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers versorgt wird. Dabei ist die Peripherie der Brennstoffzelle elektrisch über eine eigenständige Sicherung abgesichert, wobei vorzugsweise eine Trennung zwischen einer der Brennstoffzelle zugeordneten elektronischen Steuereinheit einerseits sowie den elektrischen Hilfsaggregaten der Brennstoffzelle andererseits vorgesehen ist. Ferner kann der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler über eine eigenständige Sicherung abgesichert sein. Vorzugsweise ist der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler als reiner Abwärtswandler ohne galvanische Trennung ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz, in das elektrische Energie sowohl aus einem insbesondere als Akkumulator ausgebildeten Speicher für elektrische Energie, der vorzugsweise von einem vom Fahrzeug-Antriebsaggregat angetriebenen Generator gespeist wird, als auch aus dem Zellstapel einer Brennstoffzelle einleitbar ist, wobei der Zellstapel der Brennstoffzelle über einen insbesondere unidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und die sog. elektrische Peripherie der Brennstoffzelle aus dem Fahrzeug-Bordnetz mit Abgriff auf der Akkumulator-Seite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers versorgt wird. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 102 03 033 A1 verwiesen.
  • In Entwicklung befinden sich Kraftfahrzeuge, deren elektrisches Bordnetz auch bei stillgesetztem Antriebsaggregat, welches auch einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt, mit ausreichender elektrischer Energie bspw. zur Versorgung einer sog. Stand-Klimaanlage oder dgl. versorgt werden kann, und zwar durch eine Brennstoffzelle, genauer durch einen Zellstapel einer Brennstoffzelle, der/die auch als APU (auxillary power unit) bezeichnet werden kann. Bestandteil dieser APU sind dabei neben der Brennstoffzelle selbst bzw. einem Zellstapel derselben (im weiteren wird für diesen nur noch der Begriff „Brennstoffzelle" verwendet), deren (bzw. dessen) sog. elektrische Peripherie, wie Pumpen, Gebläse, Ventile sowie eine elektronische Steuereinheit, die die Ansteuerung dieses Systems übernimmt. Ferner kann zum Umfang der APU ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gezählt werden, der die stark lastabhängige elektrische Spannung der Brennstoffzelle in einen im wesentlichen konstanten elektrischen Spannungswert des elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes konvertiert.
  • In zu entwickelnden Systemen verbreitet sind bidirektionale Gleichstrom-Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler), wobei die elektrische Peripherie vom von der Brennstoffzelle zum DC/DC-Wandler führenden Stromzweig aus versorgt wird, d.h. von der der Brennstoffzelle zugewandten Seite des DC/DC-Wandlers aus. Diese bekannte Anordnung ist für den im Hinblick auf den Energiebedarf kritischen Systemstart weniger günstig. Die Belastung des Akkumulators auf der der Brennstoffzelle abgewandten Seite des DC/DC-Wandlers wird dann nämlich immens, da dessen abgegebene Spannung mit begrenztem Wirkungsgrad im DC/DC-Wandler konvertiert werden muss, ehe sie der elektrischen Peripherie der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden kann. Daher wurde auch bereits vorgeschlagen, die elektrische Peripherie unter Umgehung des DC/DC-Wandlers direkt von der bezüglich des DC/DC-Wandlers der Brennstoffzelle abgewandten sog. Akkumulatorseite des Fahrzeug-Bordnetzes aus zu versorgen.
  • Hier nun weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie der Brennstoffzelle elektrisch über eine eigenständige Sicherung abgesichert ist.
  • Durch den direkten Anschluss der sog. elektrischen Peripherie der Brennstoffzelle an das elektrische Fzg.-Bordnetz wird eine höhere Ausfallsicherheit erreicht. Sollte am DC/DC-Wandler bzw. an dessen elektrischer Absicherung ein Defekt auftreten, so kann immer noch die Brennstoffzelle geeignet betrieben und hierbei insbesondere kontrolliert in den Stillstandmodus gefahren werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn eine der Brennstoffzelle zugeordnete elektronische Steuereinheit einerseits sowie die elektrischen Hilfsaggregate der Brennstoffzelle andererseits (bspw. die weiter oben bereits genannten Pumpen, Gebläse, Ventile) über eigenständige elektrische Sicherungen abgesichert sind. Dann kann selbst dann, wenn in einem der elektrischen Leistungszweige bspw. ein elektrischer Kurzschluss auftritt, die Brennstoffzelle immer noch in geeigneter Weise angesteuert werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler als reinen Abwärtswandler ohne galvanische Trennung auszubilden. Dies reduziert – über die bereits bekannte und hier als vorzugsweise vorzusehende Unidirektionalität des DC/DC-Wandlers hinaus – den aufzubringenden Aufwand weiter. Im übrigen zeichnen sich solch einfache DC/DC-Wandler durch gute Wirkungsgrade aus. Ggf. wird der Einsatz von Wandlern ähnlich denen aus der Telekommunikationsindustrie ermöglicht.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, de Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler selbst über eine eigenständige Sicherung abzusichern, so dass der Ausgang des Wandlers im Falle eines Kurzschlusses vom Bordnetz und von der genannten Peripherie abgetrennt wird, um bei einem Kurzschluss bestimmte wichtige Restfunktionalitäten des Systems sicherstellen zu können. Vorteilhafterweise kann dabei die Sicherung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers mit zumindest einer der bereits genannten Sicherungen der Brennstoffzellen-Peripherie zusammengelegt sein.
  • Das beigefügte elektrische Schaltbild zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierin ist mit der Bezugsziffer 1 ein Zellstapel einer Brennstoffzelle und mit der Bezugsziffer 2 ein unidirektionaler DC/DC-Wandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) gekennzeichnet. Diese beiden Elemente versorgen das elektrische Fahrzeug-Bordnetz 3 mit elektrischer Energie, wobei an das Bordnetz 3 ein Akkumulator 4 (als elektrischer Energiespeicher) sowie diverse elektrische Verbraucher 5a, 5b und ferner ein elektrischer Generator 6, der vom nicht dargestellten Fzg.-Antriebsaggregat mechanisch angetrieben wird, angekoppelt sind. Bezüglich des DC/DC-Wandlers 2 liegen diese genannten Elemente auf der der Brennstoffzelle 1 abgewandten, weiter oben sog. Akkumulatorseite.
  • Auch die mit der Bezugsziffer 7 gekennzeichnete elektrische Periphere der Brennstoffzelle 1 (bzw. deren Zellstapel) wird von dieser Akkumulatorseite des Fzg.-Bordnetzes 3 aus elektrisch versorgt, wofür hier (uns somit vorzugsweise) zwei Stromzweige, in denen jeweils eine eigenständige elektrische Sicherung 8a bzw. 8b vorgesehen ist, vorgesehen sind. Der erste dieser Stromzweige versorgt die elektronische Steuereinheit der Brennstoffzelle 1 und der zweite Stromzweig deren elektrische Hilfsaggregate. Vorteilhafterweise müssen mit der vorgeschlagenen elektrischen Verschaltung diese Peripherie bzw. die(se) Hilfsaggregate nicht für unterschiedliche Spannungswerte ausgelegt sein und es kann hinsichtlich des elektrischen Bordnetzes im wesentlichen langjährig bewährte Technik angewendet werden.
  • Auch der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 2 ist gegenüber dem Bordnetz 3 mit einer eigenständigen Sicherung 8c abgesichert, weshalb der Ausgang des Wandlers 2 im Falle eines Kurzschlusses vom Bordnetz 3 und insbesondere auch von der Peripherie 7 abgetrennt werden kann, so dass bei einem Kurzschluss weiterhin bestimmte wichtige Restfunktionalitäten des Systems sichergestellt werden können, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

  1. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz (3), in das elektrische Energie sowohl aus einem insbesondere als Akkumulator (4) ausgebildeten Speicher für elektrische Energie, der vorzugsweise von einem vom Fahrzeug-Antriebsaggregat angetriebenen Generator (6) gespeist wird, als auch aus dem Zellstapel einer Brennstoffzelle (1) einleitbar ist, wobei der Zellstapel der Brennstoffzelle (1) über einen insbesondere unidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (2) mit dem Bordnetz (3) verbunden ist und die sog. elektrische Peripherie (7) der Brennstoffzelle (1) aus dem Fahrzeug-Bordnetz (3) mit Abgriff auf der Akkumulator-Seite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers (2) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie (7) der Brennstoffzelle (1) elektrisch über eine eigenständige Sicherung (8a, 8b) abgesichert ist.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Brennstoffzelle (1) zugeordnete elektronische Steuereinheit einerseits sowie elektrische Hilfsaggregate der Brennstoffzelle (1) andererseits über eigenständige elektrische Sicherungen (8a, 8b) abgesichert sind.
  3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (2) über eine eigenständige Sicherung (8c) abgesichert ist.
  4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (8c) des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers (2) mit zumindest einer der Sicherungen (8a, 8b) der Brennstoffzellen-Peripherie (7) zusammengelegt ist.
  5. Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (2) als reiner Abwärtswandler ohne galvanische Trennung ausgebildet ist.
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