DE102006032586A1

DE102006032586A1 - Strombegrenzer für ein System aus einer Brennstoffzelle und ein hieran angekoppeltes elektrisches Netz mit mindestens einem Verbraucher

Info

Publication number: DE102006032586A1
Application number: DE102006032586A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Weisser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer für ein System aus einer Brennstoffzelle und ein hieran angekoppeltes elektrisches Netz, insbesondere ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, an das zumindest ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist. Dabei enthält der Strombegrenzer eine Gradientenregelung, die, ausgehend vom Zuschalten des Verbrauchers, den von der Brennstoffzelle in das Netz eingespeisten elektrischen Strom auf vorgegebene und über der Zeit bis zu einem Maximalwert ansteigende Werte für Stromstärke begrenzt. Bevorzugt enthält die Gradientenregelung unterschiedliche zeitliche Verläufe für die Stromstärke, die unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen und/oder Zuständen oder Charakteristika der Brennstoffzelle(n) zugeordnet sind. Das elektrische Netz kann einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler enthalten, an den mehrere Verbraucher angeschlossen sind, und ferner einen parallel hierzu angeschlossenen Hochleistungsverbraucher, wobei ein erster Strombegrenzer für den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und ein zweiter Strombegrenzer für den Hochleistungsverbraucher vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer für ein System aus einer Brennstoffzelle und ein hieran angekoppeltes elektrisches Netz, insbesondere ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, an das zumindest ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die US 2004/0170038 A1 verwiesen.
Brennstoffzellen weisen bspw. für den Einsatz in Kraftfahrzeugen den Vorteil auf, dass sie in größerem Umfang elektrische Energie bereitstellen können als andere bekannte Energiespeicher wie Akkumulatoren oder Hochleistungskondensatoren, jedenfalls dann, wenn ausreichend Brennstoff zur Verfügung steht. Dabei wird hier der Begriff „Brennstoffzelle" für ein geeignet verschaltetes System von Einzel-Brennstoffzellen verwendet, welches einen im angeschlossenen elektrischen Netz, bspw. dem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, üblichen Spannungswert innerhalb einer lastverträglichen Ober- und Untergrenze bereitzustellen in der Lage ist.
Bekanntlich ist jedoch die Höhe der von einer Brennstoffzelle bereitgestellten elektrischen Spannung stark lastabhängig, d.h. mit Abgriff einer höheren Leistung bzw. einer größeren Stromstärke nimmt die von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung stark ab. Da ein an das Netz angeschlossener elektrischer Verbraucher bei konstanter Leistungsanforderung mit abnehmender Spannung mehr elektrischen Strom nachfragt, kann die elektrische Spannung ggf. vollständig zusammenbrechen. Diese Gefahr besteht insbesondere auch dann, wenn sprungartig eine Last aufgeschaltet wird, die mehr Leistung abfordert als augenblicklich durch Brennstoffnachschub sichergestellt ist. Dem könnte zwar durch eine geregelte Strombegrenzung oder eine geeignete Leistungssteuerung mit intensiver Kommunikation zwischen dem oder den (mehreren) Verbraucher(n) und der Steuerung der Brennstoffzelle (insbesondere deren Steuerung für den Betriebsstoff-Fluss) bzw. eine entsprechende Stabilisierungsschaltung entgegengewirkt werden, jedoch erscheint dies aufwändig und ist ggf. im Falle einer Nachrüstung nicht leicht in ein bereits bestehenden, hierfür jedoch nicht eingerichtetes Bordnetz zu integrieren.
Einen demgegenüber vereinfachten Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer eine Gradientenregelung (für die Strombegrenzung) enthält, die ausgehend vom Zuschalten des Verbrauchers den von der Brennstoffzelle in das Netz eingespeisten elektrischen Strom auf vorgegebene und über der Zeit bis zu einem Maximalwert ansteigende Werte für die Stromstärke begrenzt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist im Strombegrenzer zumindest ein sog. verträglicher Stromstarke-Gradient (beispielsweise in der Größenordnung von 15 Ampere pro Sekunde bis zu 100 A/s) vorgegeben, der Grenzwerte für die von der Brennstoffzelle abgegebene bzw. von dem oder den an das elektrische Netz angeschlossenen Verbraucher(n) abgezogene elektrische Stromstärke enthält und anhand derer, genauer auf welche die Stärke des abgezogenen Stroms beschränkt wird. Dieser Gradient ist durch über der Zeit ansteigende Stromstärkenwerte definiert, d.h. mit I = Stromstärke und t = Zeit ist der Differentialquotient dI/dt größer als Null, und zwar solange, bis ein ggf. ebenfalls vorgebbarer Maximalwert für die Stromstärke 1 erreicht ist. Ausgehend von einem Zuschalten des bzw. eines oder mehrerer elektrischen Verbraucher(s), d.h. ausgehend von einer Lastaufschaltung, wird diesem (oder diesen) Verbraucher(n) somit zunächst nur eine geringe Stromstärke zugestanden, welche über der Zeit kontinuierlich – vorzugsweise linear – ansteigt, d.h. bis zum Erreichen einer ggf. vorgegebbaren Maximal-Stromstärke (von bspw. 120 A) wird dem Verbraucher zeitlich zunehmend mehr elektrischer Strom zur Verfügung gestellt.
Auf diese Weise werden ansonsten beim plötzlichen Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers – wie bspw. eines elektrischen Fensterhebers – auftretende Lastsprünge bzw. Last-Anforderungen stabilitätsverträglich abgepuffert an die Brennstoffzelle weitergereicht, derart, dass die Brennstoffzelle und deren Steuerung auf die neue Leistungsanforderung geeignet reagieren kann, d.h. insbesondere durch Zufuhr einer erhöhten Menge von Brennstoffen bzw. Betriebsstoffen dem vorgegebenen Stromstärke-Gradienten folgend entsprechend elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann, ohne dass die elektrische Spannung am Ausgang der Brennstoffzelle plötzlich unzulässig stark einbricht.
Indem mit der Gradientenregelung zumindest ein solcher verträglicher Stromstärken-Gradient fest vorgegeben ist und/oder geeignet programmier- oder parametrierbar vorgegeben ist, sind keine aufwändigen Kommunikationsmaßnahmen zwischen den einzelnen Elementen des Gesamtsystems, nämlich zwischen der Brennstoffzelle und deren Steuerung sowie dem oder den Verbrauchern und dem Strombegrenzer nötig. Der erforderliche Kommunikationsaufwand (betreffend Hardware und Software sowie zeitliche Anforderungen) zwischen den Systemkomponenten kann durch die Ausprägung des erfindungsgemäßen Strombegrenzers somit denkbar gering gehalten werden. Dieser Vorteil macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn beispielsweise eine Brennstoffzelle ggf. mit zugeordnetem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nachträglich in ein bereits bestehendes elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs integriert werden soll. Dabei kann der Stromstärken-Gradient statisch fest vorgegeben sein, oder es kann der Gradient, d.h. der entsprechende zeitliche Verlauf der maximalen Stromstärke auch nachträglich programmierbar sein, um bspw. im Rahmen von Applikationsarbeiten verändert werden zu können. Dies sowie die alternative oder zusätzliche Möglichkeit, den Stromstärke-Gradienten adaptiv nachgesteuert verändern zu können, kann in bspw. vorgegebenen zeitlichen Abständen erfolgen, und zwar in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen, so bspw. zum Ausgleich alterungsbedingter Veränderungen von Systemkomponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die besagte Gradientenregelung unterschiedliche zeitliche Verläufe für die Stromstärke, welche unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen und/oder Zuständen oder Charakteristika der Brennstoffzelle(n) zugeordnet sind. Damit können mit einem einheitlichen Strombegrenzer bspw. für einen bestimmten Fahrzeugtyp unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen an das Bordnetz dieses Fahrzeugs angekoppelt werden, bspw. je nach Kundenwunsch eine leistungsstärkere oder eine leistungsschwächere Brennstoffzelle. Verschiedene an ein elektrisches Netz ankoppelbare Brennstoffzellen können aber auch unterschiedliches Verhalten auf Lastsprünge aufweisen, weswegen hierfür auch unterschiedliche Gradienten erforderlich sein können. Hiermit können aber auch Alterungs-Einflüsse oder weitere Einflüsse berücksichtigt werden, die auf das Verhalten der Brennstoffzelle auf Lastsprünge Einfluß nehmen können.
Insbesondere im Falle eines Fahrzeug-Bordnetzes mit angekoppelter Brennstoffzelle und einem erfindungsgemäßen Strombegrenzer kann das elektrische Bord-Netz einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler enthalten, an den mehrere Verbraucher angeschlossen sind und wobei weiterhin zumindest ein elektrischer Hochleistungsverbraucher parallel zum Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler an das elektrische Netz angeschlossen ist, wobei ein erster Strombegrenzer für den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und ein zweiter oder weiterer Strombegrenzer für den oder die Hochleistungsverbraucher vorgesehen ist oder sind. Die jeweiligen Strombegrenzer können dabei derart ausgelegt sein, dass im ungünstigsten Fall, d.h. bei einem gleichzeitigen Zuschalten aller Hochleistungsverbraucher und ausgewählter Verbraucher über den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler kein vollständiges Zusammenbrechen der elektrischen Spannung erfolgt, so dass einerseits die geforderten Verbraucher vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines Pufferspeichers bspw. in Form eines Akkumulators ausreichend betrieben werden können und die Brennstoffzelle schnell genug hochgefahren werden kann, so dass diese zeitlich vor im wesentlichen vollständiger Entladung des genannten Pufferspeichers ausreichende elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann. Eine aufwändige Regelung mit intensiver Kommunikation zwischen den einzelnen beteiligen Systemen ist selbst dann nicht erforderlich, da spontane Lastsprünge auf dem elektrischen Netz nur mit zulässigem Anstieg in einer für die Brennstoffzelle verträglichen Weise an letztere weitergereicht werden.
Die für die vorgeschlagene Gradientenregelung erforderliche Hardware und Software kann bspw. im genannten Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und/oder in einem oder mehreren der Hochleistungsverbraucher integriert sein, jedoch kann dies sowie eine Vielzahl von Details durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets zeichnet sich jedoch das vorgeschlagene System bei ausreichender Funktionalität durch äußerst einfachen Aufbau und ebenso einfache Arbeitsweise aus.

Claims

Strombegrenzer für ein System aus einer Brennstoffzelle und ein hieran angekoppeltes elektrisches Netz, insbesondere elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, an das zumindest ein elektrischer Verbraucher angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strombegrenzer eine Gradientenregelung enthält, die ausgehend vom Zuschalten des Verbrauchers den von der Brennstoffzelle in das Netz eingespeisten elektrischen Strom auf vorgegebene und über der Zeit bis zu einem Maximalwert ansteigende Werte für Stromstärke begrenzt.
Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenregelung unterschiedliche zeitliche Verläufe für die Stromstärke enthält, die unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen und/oder Zuständen oder Charakteristika der Brennstoffzelle(n) zugeordnet sind.
Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gradientenregelung zeitliche Änderungen der Stromstärke vorzugsweise in der Größenordnung von 15 A/s und 100 A/s von außen oder in Anhängigkeit von Randbedingungen festlegbar sind.
Strombegrenzer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gradientenregelung die Parameter Gradient und Stromstärken-Grenzwert neben einer vorgegebenen Einstellung vorzugsweise in zeitlichen Abständen durch einen Kommunikationspfad vorgebbar sind.
Strombegrenzer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenregelung über die Laufzeit des Systems adaptiv an die Erfordernisse eines stabilen Systemverbunds angepasst werden kann.
Strombegrenzer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das elektrische Netz einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler enthält, an den mehrere Verbraucher angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein elektrischer Hochleistungsverbraucher parallel zum Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler an das elektrische Netz angeschlossen ist und dass ein erster Strombegrenzer für den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und ein zweiter oder weitere Strombegrenzer für den oder die Hochleistungsverbraucher vorgesehen ist oder sind.
Strombegrenzer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Gradientenregelung erforderliche Hardware und Software im Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und/oder in einem oder mehreren der Hochleistungsverbraucher integriert ist.