DE102006054796A1 - Aktives Isolationssystem für Brennstoffzellen - Google Patents
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Abstract
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen oder andere Kraftfahrzeug-HVDC-Quellen und insbesondere Spannungs- und/oder Stromisolierungssysteme für Brennstoffzellenstapel, die mit leitendem (d.h. nicht isolierendem) Fluid gekühlt sind.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Brennstoffzellenstapel arbeiten bei relativ hohen Spannungspegeln und höheren Temperaturen. Flüssigkeit, die durch einen Kühlmittelkreislauf strömt, wird typischerweise dazu verwendet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu steuern. Der Kühlmittelkreislauf umfasst typischerweise Kühler, Pumpen, Rohre und/oder andere Komponenten. Um die Sicherheit zu verbessern, werden typischerweise Schritte unternommen, um die Hochspannungspegel des Brennstoffzellenstapels von dem in den Kühlmittelkreisläufen strömenden Kühlmittel zu isolieren. Mit anderen Worten sollten, um eine elektrische Isolierung vorzusehen, die Kühlmittelkreisläufe entweder elektrisch isoliert sein oder es sollte ein nichtleitendes Kühlmittel verwendet werden.
- Gegenwärtige Vorgehensweisen verwenden ein Kühlmittel, das eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweist oder isolierend ist, und lange/dünne isolierende Kühlmittelrohre. Beispielsweise kann das Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit deionisiertes (DI) Wasser sein oder das isolierende Kühlmittel könnte Öl sein. Die Kühlmittel, die eine niedrige Leitfähigkeit aufweisen oder isolierend sind, besitzen typischerweise signifikante Leistungsnachteile im Vergleich zu Kühlmitteln mit höherer Leitfähigkeit, wie Kühlmittel für Kraftfahrzeuge (d.h. auf Wasser- und Glykolbasis). Beispielsweise besitzen die isolierenden Kühlmittel typischerweise eine geringe Wärmekapazität, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Viskosität (beispielsweise Öl). Die isolierenden Kühlmittel beeinträchtigen daher die Systemleistungsdichte, die Kühlergröße, die Kühlergebläsegröße und/oder die Kühlmittelpumpenleistung. Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit können auch verschiedene Umweltzwänge aufwerfen. Die Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit besitzen keine Frostschutzeigenschaften und/oder können eine Korrosion bewirken (beispielsweise deionisiertes Wasser). Bei Kontaminationen in dem Kühlmittelsystem besteht auch die Tendenz, dass die Leitfähigkeit eines Kühlmittels mit niedriger Leitfähigkeit über die Zeit erhöht wird und daher die Isolierung schlechter wird.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Brennstoffzelle, durch die ein Kühlmittel strömt, und einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus aufweist, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Eine aktive Isolationsschaltung umfasst einen ersten/zweiten oder mehrere Stromsensoren, die mit dem Kühlmittel an den Kühlmittelaustritts-/-eintrittspfaden zu der Brennstoffzelle in Verbindung stehen und einen Massefehlerstrom in dem Kühlmittel detektieren und ein Fehlersignal erzeugen, wenn der Fehlerstrom detektiert wird. Eine Schalt-Schaltung führt eine Umlenkung und Kompensation des Fehlerstroms auf Grundlage des Fehlersignals durch.
- Bei einer Ausführungsform ist der erste/zweite Stromsensor in das Kühlmittel eingetaucht.
- Bei einer weiteren Ausführungsform überwacht die Schalt-Schaltung das Fehlersignal.
- Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schalt-Schaltung einen Operationsverstärker, der das Fehlersignal aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt. Eine Schaltvorrichtung ermöglicht selektiv einen alternativen Pfad zur Masse für den Fehlerstrom aufgrund Grundlage des Ausgangssignals. Der Schalter umfasst MOSFET-Transistoren, die den alternativen Pfad ermöglichen, wenn sie sich in einer leitenden Betriebsart befinden.
- Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die aktive Isolationsschaltung ferner einen dritten oder mehrere Fehlersensoren, die den Fehlerstrom in allen Kühlmittelpfaden (Austritte/Eintritte/Entlüftungen etc.) detektieren und zu dem Fehlersignal beitragen, wenn der Fehlerstrom detektiert wird. Die Schalt-Schaltung umfasst einen Operationsverstärker, der ein Ausgangssignal erzeugt, und einen ersten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HVDC-Minus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Ausgangssignalpolarität ermöglicht. Ein zweiter Schalter ermöglicht selektiv einen alternativen Pfad von HVDC-Plus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals. Wenn einer der Fehlersensoren einen positiven Fehlerstrom detektiert, signalisiert der Operationsverstärker dem ersten Schalter, den alternativen Pfad zu ermöglichen. Wenn einer der Fehlersensoren einen negativen Fehlerstrom detektiert, signalisiert der Operationsverstärker dem zweiten Schalter, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
- Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verste hen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
-
1 ein elektrisches Schema eines Y-Kondensatoren aufweisenden Hochspannungs-(HV)-Busses eines mit leitender Flüssigkeit gekühlten Brennstoffzellensystems ist; -
2 ein elektrisches Schema des HV-Busses ist, der eine aktive Isolationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält; -
3 ein Schaubild ist, das Fehlerentladeströme gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
4 ein elektrisches Schema des HV-Busses ist, der eine Y-Kondensator-(Y-cap)-Entladekompensationsschaltung und eine aktive Isolationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Für die Zwecke der Klarheit werden in den Zeichnungen zur Bezeichnung gleicher Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
- Bezugnehmend auf
1 umfasst ein Brennstoffzellensystem10 einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Leistungsbus12 und einen Brennstoffzellenstapel14 . Der Brennstoffzellenstapel14 wird durch zwei Spannungsquellen V1 und V2 repräsentiert. Beispielhafte Werte für V1 und V2 sind 200 V, obwohl andere Werte verwendet werden können. Wenn 200V für V1 und V2 angenommen werden, beträgt die Gesamtspannung über den Brennstoffzellenstapel14 400 V. Der Brennstoffzellenstapel14 enthält ein leitendes Kühlmittel, das durch Verteiler strömt. Das Kühlmittel, das in die Brennstoffzelle eintritt bzw. diese verlässt, ist als parallele Widerstände Rc angegeben. Beispielhafte Werte für die Widerstände Rc sind jeweils 20 kΩ oder insgesamt 10 kΩ. Da das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel durch Verteiler an beliebig definierten Punkten der Brennstoffzelle eintreten bzw. den Brennstoffzellenstapel durch Verteiler an beliebig definierten Punkten der Brennstoffzelle verlassen kann, können die Widerstände Rc mit der Brennstoffzellenspannung bei einer beliebigen Zwischenspannung verbunden werden und sind hier der Deutlichkeit halber in einer ausgeglichenen Konfiguration gezeigt (= Eintritt in die/Austritt aus der Brennstoffzelle in der Mitte). - Der HVDC-Leistungsbus
12 umfasst positive und negative Knoten (HV+ bzw. HV–) und eine Kondensatorschaltung16 . Unter der Annahme der beispielhaften Werte von V1 und V2 und der Annahme, dass das Spannungsgleichgewicht symmetrisch ist, liegt HV+ bei +200 V und HV– bei –200 V. Die Kondensatorschaltung umfasst Kondensatoren C1, C2 und C3. - Beispielhafte Werte für C1, C2 und C3 sind 3000 μF, 5 μF bzw. 5 μF. Die Kondensatorschaltung
16 schirmt den HVDC-Leistungsbus12 vor elektromagnetischer Interferenz (EMI) ab. Die Y-Kondensatoren C2, C3 überbrücken den HVDC-Leistungsbus12 an ein Fahrzeugfahrgestell (nicht gezeigt) oder eine Sicherheitsmasse. Die Kondensatoren C1, C2 und C3 können über mehrere Komponenten eines echten Brennstoffzellensystems verteilt sein, das mit dem HVDC-Bus verbunden ist, sind jedoch hier als zusammengeballte Komponenten dargestellt. - Ein typischer Fehlerkontakt, beispielsweise ein menschlicher Körper, ist als ein Fehlerwiderstand RFEHLER angegeben. Obwohl der Fehlerkontakt bei HV+ gezeigt ist, kann der Fehlerkontakt auch bei HV– oder bei einer beliebigen Zwischenspannung auftreten. Ein beispielhafter Wert für RFEHLER ist ein 1 kΩ. Als Ergebnis des Fehlerkontaktes bewirkt ein Entladestrom, dass sich die Y-Kondensatorschaltung
16 durch RFEHLER zu Masse entlädt. Die Energie in der Y-Kondensatorschaltung, die während des Fehlerkontaktes dissipiert wird, ist gleich ½CV2. Wie in3 , die nachfolgend detaillierter beschrieben ist, gezeigt ist, wird der typische Entladestrom bei Fehlerkontakt unmittelbar ein Spitzenwert und nimmt dann allmählich auf unter 25 mA ab, unter der Annahme der hier vorgesehenen beispielhaften Werte. Die Fläche unterhalb der typischen Entladestromkurve gibt die Energie an, die durch RFEHLER (beispielsweise einen menschlichen Körper) dissipiert wird. - Bezugnehmend auf
2 umfasst ein Brennstoffzellensystem20 einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Leistungsbus22 und einen Brennstoffzellenstapel24 . Der Brennstoffzellenstapel24 ist durch zwei Spannungsquellen V1 und V2 repräsentiert. Beispielhafte Werte für V1 und V2 sind 200 V, obwohl auch andere Werte verwendet werden können. Unter der Annahme von 200 V für V1 und V2 beträgt die Gesamtspannung über den Brennstoffzellenstapel24 400 V. Der Brennstoffzellenstapel24 umfasst ein leitendes Kühlmittel, das durch Verteiler strömt und das hier als parallele Widerstände R1 und R4 gezeigt ist. Beispielhafte Werte für R1 und R4 sind 22 kΩ bzw. 18 kΩ. Das Kühlmittel wird durch ein Kühlmittelsystem26 vorgesehen, wie durch parallele Widerstände R9 und R8 angegeben ist. Beispielhafte Werte für R9 und R8 sind jeweils 10 kΩ. R9 und R8 befinden sich in jeweiliger Reihenschaltung mit R1 und R4. - Der HVDC-Leistungsbus
22 umfasst positive und negative Knoten (HV+ bzw. HV–) und eine Kondensator-(cap)-Schaltung28 . Unter der Annahme der beispielhaften Werte von V1 und V2 und der Annahme, dass das Spannungsgleichgewicht symmetrisch ist, befindet sich HV+ bei +200 V und HV– bei –200 V. Die Kondensatorschaltung28 umfasst Kondensatoren C8, C1 und C2. Beispielhafte Werte für C8, C1 und C2 sind 3000 μF, 5 μF bzw. 5 μF. Die Kondensatorschaltung28 schützt den HVDC-Leistungsbus12 vor elektromagnetischer Interferenz (EMI). Die Y-Kondensatoren C1, C2 überbrücken den HVDC-Leistungsbus zu einem Fahrzeugfahrgestell (nicht gezeigt) oder einer Sicherheitsmasse. - Das Brennstoffzellensystem
20 umfasst eine aktive Isolationsschaltung29 . Das aktive Isolationssystem besteht aus einer Überwachungsschaltung60 und einer Schalt-Schaltung32 . Die Überwachungsschaltung60 umfasst Fehlersensoren62 ,64 , die dem Kühlmittel zugeordnet sind, und Widerstände RS1 und RS2. Die Fehlersensoren62 ,64 sammeln einen Nettofehlerstrom, der durch alle Kühlmittelwiderstandspfade des Brennstoffzellensystems20 durch RS1, RS2 an die Masse fließt. RS1, RS2 (die ein einzelner kombinierter Widerstand sein könnten) wandeln die Fehlerströme, die von den Sensoren62 ,64 stammen, in eine Fehlersignalspannung um. Die Fehlersignalspannung ist mit dem invertierenden Eingang40 des Operationsverstärkers34 verbunden. Die Schalt-Schaltung32 um fasst einen Operationsverstärker (Op-Amp)34 , einen ersten MOSFET-Transistor S1 und einen zweiten MOSFET-Transistor S2. Der Operationsverstärker34 umfasst einen positiven Eingang36 , der mit Masse verbunden ist. Ein Ausgang38 ist mit S1 und S2 verbunden. Ein negativer Eingang40 ist mit der Überwachungsschaltung und dem Ausgang durch einen Kondensator C7 und einen Widerstand R7 verbunden. S1 umfasst einen Gateeingang42 , der mit dem Ausgang38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang46 (Drain) ist mit dem HV– durch einen Widerstand R17 verbunden, und ein Ausgang48 (Source) ist mit der Masse über einen Widerstand RINJ verbunden. S2 umfasst einen Gateeingang50 , der mit dem Ausgang38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang54 (Drain) ist mit dem HV+ über einen Widerstand R16 verbunden, und ein Ausgang56 (Source) ist mit der Masse durch den Widerstand RINJ verbunden. Beispielhafte Werte für R16 und R17 umfassen jeweils 50 Ω, und ein beispielhafter Wert für RINJ umfasst 10 Ω. S1 und S2 funktionieren als Schalter. In einem leitenden Zustand sehen S1 oder S2 einen Strompfad von dem HVDC-Bus positiv oder negativ zur Masse durch RINJ und R16 oder R17 vor. C11 und R19 sehen eine Tiefpassfilterung für das injizierte Stromsignal vor, das von RINJ stammt, R18 speist das gefilterte Signal zurück an den Eingang40 des Operationsverstärkers. Beispielhafte Werte für C11, R18, R19 umfassen 1 μF, 5 kOhm und 5 kOhm. - Im Betrieb signalisiert in dem Fall eines ausreichenden Fehlerstromes durch die Kühlmittelwiderstandspfade die aktive Isolationsschaltung
60 der Schalt-Schaltung32 , einen alternativen Strompfad zur Masse vorzusehen. Wenn beispielsweise ein ausreichender positiver Fehlerstrom durch den Fehlersensor64 oder62 detektiert wird, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S2, um einen alternativen Strompfad zur Masse durch R16, RINJ zu erzeugen. Infolgedessen wird der Fehlerstrom in Richtung 0 mA getrieben. Wenn ähnlicherweise ein ausreichender negativer Fehlerstrom von dem Fehlersensor62 oder64 detektiert wird, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S1, um einen alternativen Strompfad zu Masse durch R17, RINJ zu erzeugen, was wiederum zum Ergebnis hat, dass der Fehlerstrom in Richtung 0 mA getrieben wird. - Die aktive Isolationsschaltung
29 ermöglicht ein Kühlmittelschema für einen Brennstoffzellenstapel, das ein leitendes Kühlmittel aufweist, das in den Brennstoffzellenstapel24 bei einer gemeinsamen Spannungspotenzialplatte oder bei einem beliebigen Brennstoffzellenspannungsort eintritt und den Brennstoffzellenstapel24 bei einer gemeinsamen Spannungspotenzialplatte oder bei einem beliebigen Brennstoffzellenspannungsort verlässt. Die Spannungspotenzialplatte kann eine Endplatte oder eine Mittenabgreifplatte in dem Fall von Anordnungen mit mehreren Stapeln sein. Die aktive Isolationsschaltung29 sieht ferner eine zusätzliche Sicherheitsmasse für alle leitenden Komponenten des Kühlmittelkreislaufes vor, die mit dem Kühlmittel in Kontakt stehen. Ferner erfordert die Implementierung der aktiven Isolationsschaltung29 die Verwendung isolierter oder nichtleitender Kühlmittelverteiler oder nichtleitender Kühlmitteleintritts- und -austrittsbereiche, um einen definierten Kühlmittelwiderstandspfad oberstromig und unterstromig der Fehlersensoren62 ,64 zu bilden. - Bezugnehmend auf
4 überbrückt eine aktive Isolationsschaltung mit zusätzlicher Y-Kondensatorentladungskompensationsschaltung29 den HVDC-Leistungsbus22 und weist eine Überwachungsschaltung30 und60 und eine Schalt-Schaltung32 auf. Die Überwachungsschaltung30 umfasst Kondensatoren C12 und C13 und Widerstände RY-CAP, R21 und R22. Beispielhafte Werte für C12 und C13 umfassen jeweils 1 μF. Ein beispielhafter Wert für RY-CAP umfasst 100 Ω, und beispielhafte Werte für R21 und R22 umfassen jeweils 5 kΩ. Die Überwachungsschaltung60 umfasst auch die Fehlersensoren62 ,64 , die mit dem invertierenden Eingang40 des O perationsverstärkers34 und der Masse durch die Widerstände RS1 bzw. RS2 verbunden sind. Die Fehlersensoren62 ,64 messen den Nettofehlerstrom, der durch alle Kühlmittelwiderstandspfade des Brennstoffzellensystems20 an die Masse durch RS1, RS2 fließt. - Die Schalt-Schaltung
32 umfasst einen Operationsverstärker (Op-Amp) 34, einen ersten MOSFET-Transistor S1 und einen zweiten MOSFET-Transistor S2. Der Operationsverstärker34 umfasst einen positiven Eingang36 , der mit Masse verbunden ist. Ein Ausgang38 ist mit S1 und S2 verbunden. Ein negativer Eingang40 ist mit der Überwachungsschaltung und dem Ausgang durch einen Kondensator C7 und einen Widerstand R7 verbunden. S1 umfasst einen Gateeingang42 , der mit dem Ausgang38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang46 (Drain) ist mit de HV– durch einen Widerstand R17 verbunden, und ein Ausgang48 (Source) ist mit der Masse durch einen Widerstand RINJ verbunden. S2 umfasst einen Gateeingang50 , der mit dem Ausgang38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang54 (Drain) ist mit dem HV+ durch einen Widerstand R16 verbunden, und ein Ausgang56 (Source) ist mit Masse durch den Widerstand RINJ verbunden. Beispielhafte Werte für R16 und R17 umfassen jeweils 50 Ω, und ein beispielhafter Wert für RINJ umfasst 10 Ω. S1 und S2 funktionieren als Schalter. In einem leitenden Zustand sehen S1 oder S2 einen Strompfad von dem HVDC-Bus positiv oder Negativ zu Masse durch RINJ und R16 oder R17 vor. - Im Betrieb liefert die Überwachungsschaltung
30 Strom an die Schalt-Schaltung32 , der einen Entladestrom der Y-Kondensatorschaltung28 gibt. Insbesondere überwacht die Überwachungsschaltung30 die Rate der Änderung der Spannung (dV/dt) der Kondensatorschaltung28 bezüglich Masse. Wenn dV/dt der Kondensatorschaltung28 größer als ein Schwellenpegel ist, wird eine externe Entladestromsituation angegeben. - Dies bedeutet, dass bewirkt wird, dass die Y-Kondensatoren C2, C1 durch einen Fehlerkontakt entladen werden, wie eine Person, die entweder HV+, HV– oder einen beliebigen Zwischenspannungspunkt berührt.
- Der Operationsverstärker
34 nimmt das Stromsignal von der Überwachungsschaltung30 auf, wenn dV/dt der Y-Kondensatorschaltung28 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Insbesondere wird das dV/dt-Signal durch das differenzierende Kondensator-Widerstands-Netzwerk erzeugt, das RY-CAP und C12 enthält. Das dV/dt-Signal wird durch R21 und C13 gefiltert und geglättet. Das gefilterte Signal bewirkt, dass sich der Ausgang38 des Operationsverstärkers abhängig von dem Vorzeichen von dV/dt nach positiv oder negativ ändert, was davon abhängt, ob sich der Fehlerort an dem positiven oder negativen HVDC-Busanschluss befindet. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers die Einschaltgateschwellenspannung der MOSFET-Schalter S1 (beispielsweise –5 V) oder S2 (beispielsweise +5 V) überschreitet, bewirkt dies, dass S1 oder S2 einschalten, was den Hauptfehlerentladestrompfad umlenkt. Beispielsweise in dem Fall eines Fehlers bei HV+, wie in4 gezeigt ist, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S2, um einen Entladepfad zu Masse durch R16 und RINJ zu erzeugen. Infolgedessen wird die Energie der Y-Kondensatorschaltung28 hauptsächlich durch R16 und RINJ anstatt durch RFEHLER dissipiert. Ähnlicherweise schließt in dem Fall eines Fehlers bei HV– der Ausgang des Operationsverstärkers S1, um einen Entladepfad zur Masse durch R17 und RINJ zu erzeugen. Obwohl das Brennstoffzellensystem20 von4 so gezeigt ist, dass es sowohl die Y-Kondensator-Entladekompensationsschaltung29 als auch die aktive Isolationsschaltung60 gemeinsam enthält, kann die Funktion der aktiven Isolationsschaltung60 durch Verwendung der aktiven Isolationsschaltung60 und der Schalt-Schaltung32 allein erreicht werden. - Bezugnehmend auf
3 zeigt ein Schaubild Y-Kondensator-Fehlerentladeströme gemäß der vorliegenden Erfindung. Typische Entladeströme für herkömmliche Schaltungen sind durch die höchste gestrichelte Linie dargestellt. Der Entladestrom für die aktive Isolationsschaltung29 der vorliegenden Erfindung ist durch die mittlere gestrichelte Linie dargestellt. Der Entladestrom fällt auf einen wesentlich niedrigeren und sicheren stabilen Wert, der einer hohen Isolation gleichwertig ist. Der Entladestrom für die Entladekompensationsschaltung29 der vorliegenden Erfindung ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Entladestrom fällt schneller ab. Zusätzlich zeigt die Fläche unter jeder der Kurven die Menge an Energie an, die durch RFEHLER dissipiert wird. Eine signifikant verringerte Menge an Energie wird durch RFEHLER unter Verwendung der Entladekompensationsschaltung29 dissipiert. - Fachleute erkennen nun aus der vorhergehenden Beschreibung, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher sollte, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben worden ist, der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt sein, da andere Abwandlungen für Fachleute nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.
Claims (23)
- Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, durch die ein Kühlmittel strömt; einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist; und einer aktiven Isolationsschaltung zur Implementierung mit einem Brennstoffzellensystem, durch das ein Kühlmittel strömt, mit: einem ersten oder mehrfachen Stromsensor, der einen Fehlerstrom in dem Kühlmittel detektiert und ein erstes Fehlersignal erzeugt, wenn der Fehlerstrom detektiert ist; und einer Schalt-Schaltung, die den Fehlerstrom auf Grundlage des ersten Fehlersignals umlenkt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Stromsensor in das Kühlmittel eingetaucht ist.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Schalt-Schaltung das erste Fehlersignal überwacht.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Schalt-Schaltung umfasst: einen Operationsverstärker, der das erste Fehlersignal aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt; und eine Schalteinheit, die selektiv einen alternativen Pfad von HV+ oder HV– zu Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Schalteinheit MOSFET-Transistoren umfasst, die die alternativen Pfade ermöglichen, wenn sie sich in einer leitenden Betriebsart befinden.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Schalt-Schaltung umfasst: einen Operationsverstärker, der ein Ausgangssignal erzeugt; einen ersten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HVDC Minus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals ermöglicht; und einen zweiten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HVDC Plus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals ermöglicht.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei, wenn die Stromsensoren einen negativen Fehlerstrom detektieren, der Operationsverstärker dem ersten Schalter signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei, wenn die Stromsensoren einen positiven Fehlerstrom detektieren, der Operationsverstärker dem zweiten Schalter signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
- Schaltung, die mit einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus eines Brennstoffzellensystems, durch das ein Kühlmittel strömt, und einer Y-Kondensator-(Y-cap)-Schaltung verbunden ist, die mit dem HVDC-Bus in Verbindung steht, mit: einer aktiven Isolationsschaltung mit einem Stromsensor, der einen Kühlmittelfehlerstrom durch das Kühlmittel detektiert und der ein erstes Fehlersignal erzeugt, wenn der Kühlmittelfehlerstrom auftritt; und einer Fehlerentladungskompensationsschaltung, mit: einer Überwachungsschaltung, die einen externen Fehlerentladestrom der Y-Kondensatorschaltung überwacht und die ein zweites Fehlersignal erzeugt, wenn der externe Fehlerstrom auftritt; und einer Schalt-Schaltung, die den Kühlmittelfehlerstrom auf Grundlage des ersten Fehlersignals umlenkt und den externen Fehlerentladestrom auf Grundlage des zweiten Fehlersignals umlenkt.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei der Stromsensor in das Kühlmittel eingetaucht ist.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Schalt-Schaltung das erste Fehlersignal aufnimmt, das von dem Stromsensor erzeugt ist.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Y-Kondensatorschaltung positive und negative Anschlüsse des HVDC-Busses zu Masse überbrückt.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei das zweite Fehlersignal auf einer Änderungsrate einer Spannung der Y-Kondensatorschaltung basiert.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Schalt-Schaltung das zweite Fehlersignal aufnimmt.
- Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Schalt-Schaltung umfasst: einen Operationsverstärker, der ein Ausgangssignal erzeugt; und einen ersten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HV- zur Masse für den externen Entladestrom und/oder den Kühlmittelfehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht; und einen zweiten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HV+ zur Masse für den externen Entladestrom und/oder den Kühlmittelfehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht.
- Schaltung nach Anspruch 15, wobei, wenn ein Fehlerzustand an einem positiven Anschluss des HVDC-Busses erzeugt wird, der Operationsverstärker dem zweiten Schalter signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
- Schaltung nach Anspruch 15, wobei, wenn ein Fehlerzustand an einem negativen Anschluss des HVDC-Busses erzeugt wird, der Operationsverstärker dem ersten Schalter signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
- Aktive Isolationsschaltung für ein Brennstoffzellensystem, durch das ein Kühlmittel strömt, mit: einem Stromsensor, der einen Fehlerstrom in dem Kühlmittel detektiert und ein Fehlersignal erzeugt, wenn der Fehlerstrom detektiert ist; und einer Schalt-Schaltung, die den Fehlerstrom auf Grundlage des Fehlersignals umlenkt.
- Aktive Isolationsschaltung nach Anspruch 18, wobei der Stromsensor in das Kühlmittel eingetaucht ist.
- Aktive Isolationsschaltung nach Anspruch 18, wobei die Schalt-Schaltung das Fehlersignal überwacht.
- Aktive Isolationsschaltung nach Anspruch 18, wobei die Schalt-Schaltung umfasst: einen Operationsverstärker, der das Fehlersignal aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt; und einen Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht.
- Aktive Isolationsschaltung nach Anspruch 21, wobei der Schalter MOSFET-Transistoren umfasst, die den alternativen Pfad ermöglichen, wenn sie sich in einer leitenden Betriebsart befinden.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 21, wobei, wenn der Stromsensor den Fehlerstrom detektiert, der Operationsverstärker den Schaltern signalisiert, die alternativen Pfade von HVDC Plus zur Masse oder HVDC Minus zur Masse auf Grundlage der Fehlerstrompolarität zu ermöglichen, so dass der Kühlmittelfehlerstrom umgelenkt oder in Richtung 0 mA kompensiert wird.
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