DE102006016454A1

DE102006016454A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006016454A1
Application number: DE102006016454A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Weisser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei in das Bordnetz elektrische Energie sowohl aus einem Akkumulator, der von einem vom Fahrzeug-Antriebsaggregat angetriebenen Generator gespeist wird, als auch aus einer Brennstoffzelle einleitbar ist und wobei die Brennstoffzelle über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und zumindest ein elektrischer Hochleistungsverbraucher unter Umgehung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers im wesentlichen direkt von der Brennstoffzelle aus mit elektrischer Energie versorgt wird. Es wird eine Überwachung hinsichtlich des Auftretens von unzulässig hoher Überspannung im Strompfad zwischen der Brennstoffzelle und dem elektrischen Hochleistungsverbraucher durchgeführt und es wird bei Auftreten von unzulässig hohen Überspannungen über längere Zeit eine geeignete Maßnahme hiergegen ergriffen. Diese kann im Öffnen, Aktivieren oder Ansteuern eines geeigneten Schaltelements im der zum elektrischen Hochleistungsverbraucher führenden Strompfad bestehen oder in einer geeigneten Ansteuerung dieses elektrischen Verbrauchers selbst. Es können aber auch andere elektrische Verbraucher des Fahrzeug-Bordnetzes zugeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei in das Bordnetz 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 und wobei der Zellstapel der Brennstoffzelle über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit dem Bordnetz verbunden ist und zumindest ein elektrischer Hochleistungsverbraucher unter Umgehung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers im wesentlichen direkt von der Brennstoffzelle aus mit elektrischer Energie versorgt wird. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 103 18 172 B4 verwiesen.
In Entwicklung befinden sich Kraftfahrzeuge, deren elektrisches Bordnetz auch bei stillgesetztem Antriebsaggregat, welches ggf. 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 sog. elektrische Peripherie sowie ein oder mehrere Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der bzw. die die bekanntlich stark lastabhängige elektrische Spannung der Brennstoffzelle auf ein geeignetes Spannungsniveau zur Versorgung des elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes oder Teilen davon, ggf. mit integrierten elektrischen Speichern wie Kondensatoren, SuperCaps oder Akkumulatoren, konvertiert bzw. konvertieren.
Da in einem solchen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler insbesondere bei betriebsbereiter Brennstoffzelle und Abnahme von großer elektrischer Leistung elektrische Verlustleistung in nicht vernachlässigbarem Umfang in Form von Abwärme anfällt, wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere elektrische Hochleistungsverbraucher, wie bspw. einen elektromotorisch angetriebenen Kompressor einer Fzg.-Klimaanlage unter Umgehung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers im wesentlichen direkt mit der von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Spannung zu versorgen. Dies ist unter gesamtenergetischer Betrachtungsweise vorteilhaft. Die bekanntermaßen größeren Spannungsschwankungen, die bei Brennstoffzellen aufgrund ihrer stark lastabhängigen Spannungskennlinie zu beobachten sind, können dabei von modernen elektrischen Hochleistungsverbrauchern durch geeignete Ansteuerung (elektronische pulsweitengesteuerte Kommutierung etc.) verarbeitet werden, d.h. diese erlauben einen Betrieb mit weitem Eingangs-Spannungsbereich.
Trotz dieser Robustheit sind jedoch elektrische Überspannungen auf zugänglichen Leitungen bzw. Strompfaden des elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes System jedenfalls für längere Zeiträume (bspw. größer 0,5 Sekunden oder dgl.) zu vermeiden. Wie dies sichergestellt werden kann, soll hiermit aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung hinsichtlich des Auftretens von unzulässig hoher Überspannung im Strompfad zwischen dem Zellstapel der Brennstoffzelle und dem elektrischer Hochleistungsverbraucher durchgeführt wird und dass bei Auftreten von unzulässig hohen Überspannungen über längere Zeit zumindest eine geeignete Maßnahme hiergegen ergriffen wird. Dabei kann es sich auch um eine geeignete Maßnahme zum Schutz des an diesen Strompfad angeschlossenen elektrischen Hochleistungsverbrauchers handeln. Eine unzulässig hohe Überspannung kann dabei in der Größenordnung von 50 Volt liegen und ein unzulässig langer Zeitraum (= „längere Zeit") in der Größenordnung von größer/gleich 0,5 Sekunden. Vorteilhafte Maßnahmen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß findet eine Überwachung der von der Brennstoffzelle abgegebenen Spannung und/oder von der im von der Brennstoffzelle zum genannten Hochleistungsverbraucher führenden Strompfad anliegenden Spannung statt, dahingehend, ob Überspannung für einen Zeitraum, der größer als der zulässige Zeitraum ist, auftritt. Bekanntlich sind zeitlich kurze Überspannungswerte statthaft. Länger andauernde Überspannungswerte hingegen sollen nun nicht nur detektiert werden, sondern es wird daraufhin zumindest eine geeignete Maßnahme ergriffen, mit Hilfe derer die elektrische Spannung im Strompfad (= elektrische Leitung) zum Hochleistungs-Verbraucher innerhalb der zulässigen zeitabhängigen Grenzen gehalten werden kann. Günstig ist hierfür ein geschicktes Zusammenspiel von Hardware und/oder Software.
So kann bspw. ein geeignetes Schaltelement, das in der zu dem (oder den ggf. mehreren) elektrischen Hochleistungsverbraucher(n) führenden Strompfad oder -leitung vorgesehen ist, geöffnet oder aktiviert werden. Vorzugsweise kann es sich hierbei um ein Halbleiter-Schaltelement oder um ein bistabiles Relais handeln. Als lineares Halbleiter-Schaltelement kann ein Mosfet oder ein Transistor oder ein IGBT auf dem Pfad von der Brennstoffzelle zum elektrischen Hochleistungsverbraucher vorgesehen sein und bedarfsweise die an diesen angelegte maximal mögliche Spannung begrenzen. Da die elektrische Spannung mit Inbetriebnahme des großen elektrischen Verbrauchers ohnehin in den zulässigen Bereich absinkt, liegt also nur kurzzeitig eine höhere Verlustleistung an diesem Schaltelement an. Im übrigen kann als Sicherheitsbauteil für eine gewollte Abschaltung ein entsprechendes Bauteil ggf. ohnehin sinnvoll sein. Alternativ ist es auch denkbar, den elektrischen Hochleistungsverbraucher oder großen Verbrau cher, der im wesentlichen direkt von der Brennstoffzelle versorgt wird, derart zu gestalten, dass er die zu hohe elektrische Spannung auf externe Anforderung oder selbsttätig klemmt oder ggf. sogar selbsttätig in Betrieb geht, um hierdurch die anliegende elektrische Spannung geeignet abzusenken.
In einer vorteilhaften Ausführung kann der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler dahingehend dimensioniert oder ausgelegt sein, dass es in Verbindung mit ggf. zu aktivierenden elektrischen Lasten oder Verbrauchern des Fzg.-Bordnetzes möglich ist, die von der Brennstoffzelle abgegebene elektrische Spannung zumindest kurzzeitig bis zum Aktivieren des Hochleistungsverbrauchers soweit abzusenken, dass der Arbeitsbereich der Brennstoffzellen-Spannung im zulässigen Bereich verbleibt. Insbesondere sei hierbei an die kurzzeitige Inbetriebsetzung geeigneter elektrischer Verbraucher des Fzg.-Bordnetzes gedacht, wie bspw. an eine elektrische Heckscheibenheizung oder an eine geeignete Verstimmung des Reglers zum Aufladen des Akkumulators, so dass dieser elektrische Leistung in großem Maße abzieht. Diese sog. Lastaufschaltung erfolge erfindungsgemäß derart, dass die zu hohe Spannung innerhalb der zulässigen Zeit abgesenkt wird, noch bevor der oder die größeren direkt an die Brennstoffzelle angeschlossene(n) elektrischen Verbraucher aktiviert wird oder werden.
Die beiden beigefügten 1, 2 zeigen elektrische Schaltkreise bevorzugter Ausführungsbeispiele, mit Hilfe derer bzw. an denen ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann.
1 zeigt eine Brennstoffzelle 1 (genauer den Zellstapel einer Brennstoffzelle), deren (bzw. dessen) elektrische Ausgangsspannung an den Mess-Stellen „Usens" und/oder „Usens1" erfasst werden kann bzw. erfasst wird. Einerseits wird die elektrische Spannung des Brennstoffzellen-Zellstapels 1 direkt einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 2 (DC/DC-Wandler) zugeführt, der sie auf eine für elektrische Verbraucher 3 und einen Energie speicher 4 des Fahrzeug-Bordnetzes geeignete Spannungslage umwandelt. Dieser Energiespeicher 4 kann dabei ein SuperCap, ein Kondensator oder ein Akkumulator vom Typ Blei, NiMH oder ähnliches sein. Andererseits gelangt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 über ein Schaltelement T1 und einen zugängliche elektrischen Strompfad 6 (= elektrische Leitung 6) an einen oder mehrere Hochleistungsverbraucher 5 im Fzg.-Bordnetz.
Beispielhaft sollen folgende Betriebsszenarien für eine betriebsbereite Brennstoffzelle 1, d.h. wenn diese bereit ist, die Nennleistung an den Hochleistungsverbraucher 5 abzugeben, genannt werden:

(1) Das Schaltelement T1 – wahlweise realisiert als mono- oder bistabiles Relais oder als HalbleiterSchaltelement wie Mosfet, IGBT oder dergleichen – wird geschlossen und der elektrische Hochleistungsverbraucher 5 eingeschaltet. Normalerweise werden die elektrischen Spannungswerte an den Stellen „Usens1" und „Usens" rasch in den zulässigen Spannungsbereich absinken. Durch die Überwachung der Spannungswerte an „Usens1" und/oder „Usens" wird dies überwacht und ggf. sicherheitshalber das Schaltelement T1 geöffnet, wobei der Hochleistungsverbraucher 5 sinnvollerweise zuvor abgeschaltet worden sein sollte. Beim Abschalten (dieser Last) ist darauf zu achten, dass das Schaltelement T1 rechtzeitig geöffnet wird, um zeitlich zu lange zu hohe Spannungswerte in/an der elektrischen Leitung 6 zu vermeiden.
(2) Das Schaltelement T1 wird geschlossen. Der elektrische Hochleistungsverbraucher 5 erkennt und begrenzt selbsttätig den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung – ggf. durch Anlaufen, d.h. in Betrieb gehen. Falls die Spannungswerte an „Usens" und/oder „Usens1" für einen Zeitraum größer bspw. 0.5 Sekunden höher als bspw. 48 Volt sind, wird das Schaltelement T1 geöffnet.
(3) Der DC/DC-Wandler 2 und die daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher 3 werden so gesteuert, dass der Spannungswert an „Usens" dauerhaft kleiner oder gleich als bspw. 48V bleibt. Gegebenenfalls kann kurzzeitig verstärkt Energie in den elektrischen Energiespeicher 4 geleitet werden durch Anpassung der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 2. Ggf. kann der Hochleistungsverbraucher 5 zugeschaltet werden in Verbindung mit dem Schließen des Schaltelements T1.

2 zeigt als alternative Ausführungsform bei ansonsten gleichen Elementen bzw. gleicher Anordnung derselben anstelle des Schaltelements T1 ein lineares Halbleiter-Schaltelement T2, das durch die Steuerspannung „Ust" angesteuert wird. Im Zusammenspiel mit dem Hochleistungsverbraucher 5 wirkt dieses derart, dass Spannungen größer 48 Volt auf der zugänglichen elektrischen Leitung 6 vermieden werden und die Verlustleistung im Schaltelement T2 minimiert wird. Beispielsweise wird der Wert für „Ust" so gewählt, dass der Spannungswert an „Usens1" stets kleiner oder gleich 48 Volt beträgt. Nach dem Einschalten des Hochleistungsverbrauchers 5 wird der Spannungsabfall zwischen den Messstellen „Usens1" und „Usens" über dem Schaltelement T2 kontrolliert und es wird oberhalb eines Schwellwertes von bspw. 0,1 Volt das Schaltelement T2 geöffnet, um so einer thermischem Überhitzung dieses Schaltelements T2 entgegen zu wirken.
Diese oder ähnliche schaltungstechnischen Ideen und Betriebsmodi vermeiden eine kostenintensive Überdimensionierung von Bauteilen wie Begrenzer, Wandler etc., wobei mit etwas Geschick der Hardware-Aufwand und der Software-Aufwand klein gehalten werden kann und 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

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei in das Bordnetz elektrische Energie sowohl aus einem insbesondere als Akkumulator ausgebildeten Speicher (4) für elektrische Energie, der vorzugsweise von einem vom Fahrzeug-Antriebsaggregat angetriebenen Generator gespeist wird, als auch aus dem Zellstapel einer Brennstoffzelle (1) einleitbar ist und wobei der Zellstapel der Brennstoffzelle (1) über einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (2) mit dem Bordnetz verbunden ist und zumindest ein elektrischer Hochleistungsverbraucher (5) unter Umgehung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers (2) im wesentlichen direkt von der Brennstoffzelle (1) aus mit elektrischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung hinsichtlich des Auftretens von unzulässig hoher Überspannung im Strompfad (6) zwischen dem Zellstapel der Brennstoffzelle (1) und dem elektrischer Hochleistungsverbraucher (5) durchgeführt wird und dass bei Auftreten von unzulässig hohen Überspannungen über längere Zeit zumindest eine geeignete Maßnahme hiergegen ergriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geeignete Maßnahme zum Schutz des an diesen Strompfad (6) angeschlossenen elektrischen Hochleistungsverbrauchers (5) ergriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geeignete Maßnahme im Öffnen oder Aktivieren eines geeigneten Schaltelements (T1, T2) im zum elektrischen Hochleistungsverbraucher (5) führenden Strompfad (6) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geeignete Maßnahme in einer geeigneten Ansteuerung des elektrischen Hochleistungsverbrauchers (6) selbst besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der etwaige Überspannungen selbsttätig erkennende elektrische Hochleistungsverbraucher (6) die angelegte elektrische Spannung durch ein gesteuertes Aktivieren seiner Leistungsstufe auf zulässige Werte begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als gesteuertes lineareres Schaltelement ausgebildete Schaltelement (T2), welches die Spannung auf zuverlässige Werte begrenzt, basierend auf laufender Überwachung der Spannung oder der Chip-Temperatur rechtzeitig vor einer Gefahr des Ausfalls geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geeignete Maßnahme im Zuschalten anderer elektrischer Verbraucher (3) des Fahrzeug-Bordnetzes und/oder in geeigneter elektrische Leistung abziehender Ansteuerung derselben besteht, wobei insbesondere der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (2) im Hinblick auf die Durchführung dieser Maßnahme geeignet ausgelegt ist.