DE102011053376B3 - Fuel cell system for vehicle, has transmission control devices to perform regular and unregulated operations of transmission device which transmits electrical power of fuel cell device to battery device at preset conditions - Google Patents

Fuel cell system for vehicle, has transmission control devices to perform regular and unregulated operations of transmission device which transmits electrical power of fuel cell device to battery device at preset conditions Download PDF

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Abstract

The system (100) has a transmission device (126) for transmitting electrical power of fuel cell device (102) to battery device (124) or to load (122). The transmission device is provided with an input unit connected to fuel cell device and an output unit connected to battery device. A transmission control device is set to perform regular operation of the transmission device, if input voltage is above preset value. Other transmission control device is set to perform unregulated operation of the transmission device, if input voltage is below preset value. An independent claim is included for a method for transmitting electrical power of fuel cell device to battery device and/or to load.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Batterievorrichtung und eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung zu der Batterievorrichtung und/oder zu einem Verbraucher umfasst, wobei die Übertragungsvorrichtung Folgendes umfasst:

  • – einen Übertragungseingang, welcher mit der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden ist und an welchem mittels der Brennstoffzellenvorrichtung eine Eingangsspannung bereitstellbar ist;
  • – einen Übertragungsausgang, welcher mit der Batterievorrichtung und/oder mit dem Verbraucher verbunden ist und an welchem eine Ausgangsspannung für die Batterievorrichtung und/oder für den Verbraucher bereitstellbar ist; und
  • – eine Übertragungsregelungsvorrichtung, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen geregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchzuführen, in welchem bei Bereitstellung einer Eingangsspannung oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung eine vorgegebene, kontante Ausgangsspannung bereitgestellt wird, welche höchstens dem oberen Grenzwert entspricht.
The present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell device, a battery device and a transmission device for transmitting electrical energy from the fuel cell device to the battery device and / or to a consumer, the transmission device comprising:
  • A transmission input which is connected to the fuel cell device and to which an input voltage can be provided by means of the fuel cell device;
  • A transmission output which is connected to the battery device and / or to the consumer and to which an output voltage for the battery device and / or for the consumer can be provided; and
  • A transmission control device adapted and arranged to perform a controlled operation of the transmission device in which, upon provision of an input voltage above a predetermined upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage, a predetermined, continuous output voltage is provided which is at most the upper one Limit value corresponds.

Der grundsätzliche Aufbau eines Brennstoffzellensystems ist beispielsweise aus der WO 2006/032359 A2 bekannt.The basic structure of a fuel cell system is for example from the WO 2006/032359 A2 known.

Die DE 44 31 747 A1 , die US 2010/0143812 A1 und die US 2011/0001453 A1 offenbaren Stromversorgungsvorrichtungen, welche eine Brennstoffzellenvorrichtung umfassen.The DE 44 31 747 A1 , the US 2010/0143812 A1 and the US 2011/0001453 A1 disclose power supply devices comprising a fuel cell device.

Die DE 10 2007 005 138 A1 offenbart ein Steuer-/Regelverfahren für ein Brennstoffzellenfahrzeug.The DE 10 2007 005 138 A1 discloses a control method for a fuel cell vehicle.

Die DE 10 2010 001 817 A1 offenbart ein Regelungskonzept mit Grenzwertmanagement für DC/DC-Wandler in einem Energiesystem.The DE 10 2010 001 817 A1 discloses a control concept with limit management for DC / DC converters in an energy system.

Brennstoffzellensysteme, insbesondere Hybridsysteme mit Batterien oder Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicher, haben komplexe Aufbau-, Verschaltungs- und Regelstrategien. Der elektrochemische Energiewandler Brennstoffzellensystem zusammen mit dem elektrochemischen Energiespeicher Batterie oder mit dem physikalischen Elektroenergiespeicher Kondensator versorgt in paralleler oder serieller Anordnung eine angeschlossene Elektrolast. Das Brennstoffzellensystem kann als Wandler mit einem großen chemischen Speicher, z. B. einem Druckwasserstoffbehälter, einen großen Energievorrat halten und umwandeln, ist aber überhaupt nicht auf Dauer überlastfähig zur Abgabe einer hohen elektrischen Spitzenlast über die Nennlast des Systems hinaus. Dazu kommt noch, dass sich die Ausgangsspannung eines Brennstoffzellensystems derzeit ohne elektronische Maßnahme der Spannungskonstanthaltung beispielsweise bei einem 24 V DC-System im Bereich 0–100% Nennlast von etwa 40 V auf 24 V, also um 40 Prozent, ändert. Ein modernes 24 V Batteriesystem (LiFePO4) hat im selben Lastbereich (auch noch abhängig von der aktuellen Kapazität) eine Spannungsänderung von 25,6 V auf 20 V, also nur ca. 22 Prozent. Für die Ladung des Beispiel-Batteriesystems ist jedoch zur Erreichung der Nominalkapazität eine Spannungsüberhöhung auf 29 V, also um 13 Prozent, notwendig. Die wesentlichen Vorteile des Batteriesystems gegenüber dem Brennstoffzellensystem bei der Lastversorgung sind, dass der Spannungseinbruch mit wachsender Stromabgabe sehr moderat bleibt und dass z. B. das Beispiel-Batteriesystem eine Stromüberlastung von 100% für einen Zeitraum von 30 Sekunden zulässt. Andere Batteriesysteme zeigen ein sehr ähnliches Verhalten. Unterschiede kommen hauptsächlich durch die eingesetzte Zellchemie zustande.Fuel cell systems, in particular hybrid systems with batteries or double-layer capacitors as energy storage, have complex assembly, interconnection and control strategies. The electrochemical energy converter fuel cell system together with the electrochemical energy storage battery or with the physical energy storage capacitor supplied in parallel or serial arrangement a connected electric load. The fuel cell system can be used as a converter with a large chemical storage, for. As a compressed hydrogen tank, hold a large amount of energy and convert, but is not permanent overload capacity for delivering a high peak electrical load on the rated load of the system addition. In addition, the output voltage of a fuel cell system is currently changing from about 40 V to 24 V, ie by 40 percent, without an electronic measure of voltage maintenance, for example in the case of a 24 V DC system in the 0-100% nominal load range. A modern 24 V battery system (LiFePO 4 ) has a voltage change from 25.6 V to 20 V in the same load range (even depending on the current capacity), ie only about 22 percent. For the charge of the example battery system, however, an increase in voltage to 29 V, ie by 13 percent, is necessary to achieve the nominal capacity. The main advantages of the battery system over the fuel cell system in the load supply are that the voltage drop remains very moderate with increasing current output and that z. For example, the example battery system allows a current overload of 100% for a period of 30 seconds. Other battery systems show a very similar behavior. Differences are mainly due to the cell chemistry used.

Beispielsweise in einem dynamischen Fahrzeugeinsatz des Hybridsystems mit 4-facher bis 8-facher Leistungsüberhöhung zwischen Anfahren des Fahrzeugs und Rollen des Fahrzeugs mit gleichbleibender Geschwindigkeit werden praktisch alle Hybridsysteme in verschiedenen Systemkonzepten mit kontinuierlicher geregelter, elektronischer Spannungsanpassung zwischen Brennstoffzellen- und Batterievorrichtung in serieller oder paralleler Anordnung mit ein oder zwei Spannungswandlern ausgerüstet, wobei eine kontinuierliche Regelung des bzw. der Spannungswandler und des Gesamt-Hybridsystems durch ein übergeordnetes Steuergerät erfolgt.For example, in a dynamic vehicle deployment of the hybrid system with 4x to 8x performance between launch of the vehicle and rolling of the vehicle at steady speed, virtually all hybrid systems in different system concepts with continuous regulated electronic voltage adjustment between the fuel cell and battery device in serial or parallel arrangement equipped with one or two voltage transformers, wherein a continuous control of the voltage converter and the total hybrid system is carried out by a higher-level control unit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches mit geringem Steuer- und Regelaufwand zuverlässig betreibbar ist.The present invention has for its object to provide a fuel cell system which is reliably operable with little control and regulation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Übertragungsvorrichtung eine Übertragungssteuervorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchzuführen, in welchem bei Bereitstellung einer Eingangsspannung unterhalb des vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung die mittels der Brennstoffzellenvorrichtung am Übertragungseingang bereitgestellte Eingangsspannung abzüglich eines Spannungsabfalls in der Übertragungsvorrichtung als Ausgangsspannung am Übertragungsausgang bereitgestellt wird.This object is achieved in accordance with the invention in that the transmission device comprises a transmission control device which is designed and configured to perform an uncontrolled operation of the transmission device in which, when an input voltage is provided below the predetermined upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage the fuel cell device is provided at the transmission input input voltage minus a voltage drop in the transmission device as an output voltage at the transmission output.

Dadurch, dass die Übertragungsvorrichtung erfindungsgemäß eine Übertragungssteuervorrichtung zur Durchführung eines ungeregelten Betriebs der Übertragungsvorrichtung, insbesondere eines Betriebs ohne eine externe Regelung der Übertragungsvorrichtung, umfasst, kann zumindest in einem Bereich unterhalb des vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung ein besonders einfacher Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgen. Insbesondere ist hierbei keinerlei Regelung mittels einer separaten Steuervorrichtung oder einer separaten Regelungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems notwendig. Due to the fact that the transmission device according to the invention comprises a transmission control device for carrying out an unregulated operation of the transmission device, in particular an operation without an external regulation of the transmission device, a particularly simple operation of the fuel cell system can take place at least in a region below the predetermined upper limit value for the input voltage. In particular, in this case no regulation by means of a separate control device or a separate control device of the fuel cell system is necessary.

In dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ist unter den genannten Spannungen, beispielsweise der Eingangsspannung oder der Ausgangsspannung, stets ein Betrag der genannten Spannung zu verstehen.In this specification and the appended claims, among said voltages, for example, the input voltage or the output voltage, is always an amount of said voltage.

Ein Spannungsabfall in der Übertragungsvorrichtung ergibt sich insbesondere, vorzugsweise ausschließlich, aus einem bauteilbedingten Spannungsabfall und einem Spannungsabfall, welcher aus einer für den Betrieb der Übertragungsvorrichtung notwendigen Leistungsaufnahme resultiert.A voltage drop in the transmission device results in particular, preferably exclusively, from a component-related voltage drop and a voltage drop which results from a power consumption necessary for the operation of the transmission device.

Vorzugsweise kann mittels der Übertragungssteuervorrichtung ein ungeregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchgeführt werden, bei welchem keine externe Einflussnahme auf die Übertragungsvorrichtung erfolgt.Preferably, by means of the transmission control device an unregulated operation of the transmission device can be carried out, in which there is no external influence on the transmission device.

Bei dem ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung ergibt sich vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Differenz zwischen der Eingangsspannung am Übertragungseingang und der Ausgangsspannung am Übertragungsausgang. Die Übertragungsvorrichtung dient während des ungeregelten Betriebs vorzugsweise im Wesentlichen als Tiefsetzsteller.In the unregulated operation of the transmission device preferably results in a substantially constant difference between the input voltage at the transmission input and the output voltage at the transmission output. The transfer device preferably serves essentially as buck converter during unregulated operation.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der vorgegebene obere Grenzwert für die Eingangsspannung im Wesentlichen der Summe aus einer Ladeschlussspannung der Batterievorrichtung und dem Spannungsabfall in der Übertragungsvorrichtung entspricht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass bei ausreichender Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung und ohne Leistungsbedarf durch einen Verbraucher oder zumindest bei lediglich geringem Leistungsbedarf des Verbrauchers eine Ladung der Batterievorrichtung bis zu einer vorgegebenen Ladeschlussspannung erfolgt.It can be advantageous if the predetermined upper limit value for the input voltage essentially corresponds to the sum of a charging end voltage of the battery device and the voltage drop in the transmission device. In this way it can be ensured that with sufficient power of the fuel cell device and without power consumption by a consumer or at least with only low power consumption of the consumer, a charge of the battery device is up to a predetermined charge end voltage.

Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Grenzwert, insbesondere der obere Grenzwert und/oder ein unterer Grenzwert, für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung mittels der Übertragungsvorrichtung einstellbar ist. Auf diese Weise kann der Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung insbesondere an einen Zustand, insbesondere an das Alter, der Batterievorrichtung angepasst werden. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass mittels der Übertragungsvorrichtung erkennbar ist, dass bei konstanter Ladeendspannung (Ladeschlussspannung) der Batterievorrichtung, wenn diese am Übertragungsausgang anliegt, noch immer ein zu hoher Strom fließt. Hieraus kann geschlossen werden, dass die Batterievorrichtung gealtert ist und nicht mehr die ursprüngliche Kapazität aufweist. Durch die Anpassung der Grenzwerte, insbesondere eine Senkung des vorgegebenen (oberen) Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung, kann dann eine Anpassung an den Zustand der Batterievorrichtung erfolgen.It may be advantageous if at least one limit value, in particular the upper limit value and / or a lower limit value, for the input voltage and / or for the output voltage by means of the transmission device is adjustable. In this way, the limit value for the input voltage and / or the output voltage can be adapted in particular to a state, in particular to the age, of the battery device. For example, it can be provided that it can be seen by means of the transmission device that at a constant charge end voltage (charge end voltage) of the battery device, when it is present at the transmission output, an excessively high current still flows. From this it can be concluded that the battery device has aged and no longer has the original capacity. By adapting the limit values, in particular a reduction of the predetermined (upper) limit value for the input voltage and / or for the output voltage, an adaptation to the state of the battery device can then take place.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der (obere und/oder untere) Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung mittels einer analogen Einstellvorrichtung, beispielsweise mittels eines Potentiometers, und/oder mittels einer digitalen Einstellvorrichtung, beispielsweise mittels einer Eingabevorrichtung zur digitalen Eingabe von Werten durch einen Benutzer, einstellbar ist.It can be advantageous if the (upper and / or lower) limit value for the input voltage and / or for the output voltage by means of an analog setting device, for example by means of a potentiometer, and / or by means of a digital setting device, for example by means of an input device for the digital input of Values by a user, is adjustable.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine autonome Regelung und/oder Steuerung der Übertragungsvorrichtung durchführbar ist. Eine solche autonome Regelung und/oder Steuerung der Übertragungsvorrichtung erfordert keinerlei Eingaben, Messwerte oder Ähnliches von außerhalb der Übertragungsvorrichtung, so dass die Übertragungsvorrichtung ein geschlossenes Subsystem bildet.In one embodiment of the invention it is provided that an autonomous control and / or control of the transmission device can be carried out. Such autonomous control and / or control of the transmission device does not require any inputs, measurements or the like from outside the transmission device, so that the transmission device forms a closed subsystem.

Mittels der Übertragungssteuervorrichtung ist der ungeregelte Betrieb der Übertragungsvorrichtung vorzugsweise oberhalb eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für die Eingangsspannung durchführbar.By means of the transmission control device, the unregulated operation of the transmission device is preferably feasible above a predetermined lower limit value for the input voltage.

Der untere Grenzwert für die Eingangsspannung liegt dabei vorzugsweise unter dem oberen Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung.The lower limit value for the input voltage is preferably below the upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage.

Grundsätzlich kann der untere Grenzwert für die Eingangsspannung gemäß einer oder mehrerer der vorstehend genannten Möglichkeiten zur Einstellung des oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung seinerseits eingestellt werden.In principle, the lower limit value for the input voltage can in turn be set in accordance with one or more of the aforementioned possibilities for setting the upper limit value for the input voltage.

Günstig kann es sein, wenn der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung eine Nennspannung der Brennstoffzellenvorrichtung ist.It may be favorable if the predetermined lower limit value for the input voltage is a rated voltage of the fuel cell device.

Die Nennspannung ist dabei vorzugsweise die vorgegebene minimale Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung. Durch die Vorgabe des unteren Grenzwerts für die Eingangsspannung kann vorzugsweise eine unerwünschte Überlastung der Brennstoffzellenvorrichtung vermieden werden.The rated voltage is preferably the predetermined minimum output voltage Fuel cell device. By specifying the lower limit for the input voltage, an undesirable overload of the fuel cell device can preferably be avoided.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei maximaler Leistungsabgabe ist.In one embodiment of the invention, it is provided that the predetermined lower limit value for the input voltage is the voltage of the fuel cell device at maximum power output.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung der Übertragungsvorrichtung die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei Erreichen einer Nennleistung der Brennstoffzellenvorrichtung ist.Alternatively or additionally, it may be provided that the predetermined lower limit value for the input voltage of the transmission device is the output voltage of the fuel cell device when a nominal power of the fuel cell device is reached.

Die (Ausgangs-)Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei Erreichen der Nennleistung ist insbesondere die Nennspannung.The (output) voltage of the fuel cell device upon reaching the rated power is in particular the rated voltage.

Vorteilhaft kann es sein, wenn mittels der Übertragungssteuervorrichtung und/oder mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung eine Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung zu der Batterievorrichtung und/oder zu dem Verbraucher bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Eingangsstroms der Übertragungsvorrichtung und/oder eines vorgegebenen maximalen Ausgangsstroms der Brennstoffzellenvorrichtung unterbrechbar ist. Auf diese Weise kann eine zu hohe Leistungsaufnahme durch die Batterievorrichtung und/oder durch den Verbraucher, welche ein Absinken der Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung und eine Überlastung der Brennstoffzellenvorrichtung zur Folge haben kann, wirksam vermieden werden.It can be advantageous if, by means of the transmission control device and / or by means of the transmission control device, a transmission of electrical energy from the fuel cell device to the battery device and / or to the consumer when a predetermined maximum input current of the transmission device and / or a predetermined maximum output current of the fuel cell device is exceeded interruptible is. In this way, an excessive power consumption by the battery device and / or by the consumer, which may result in a decrease in the output voltage of the fuel cell device and an overload of the fuel cell device can be effectively avoided.

Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels der Übertragungssteuervorrichtung und/oder mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung eine Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung zu der Batterievorrichtung und/oder zu dem Verbraucher bei Unterschreiten einer vorgegebenen minimalen Eingangsspannung der Übertragungsvorrichtung und/oder einer vorgegebenen minimalen Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung unterbrechbar ist.Furthermore, it can be provided that, by means of the transmission control device and / or by means of the transmission control device, a transmission of electrical energy from the fuel cell device to the battery device and / or to the consumer falls below a predetermined minimum input voltage of the transmission device and / or a predetermined minimum output voltage of the fuel cell device is.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Übertragungsvorrichtung mindestens eine Sicherung, insbesondere eine Überstromschutzeinrichtung, beispielsweise eine Schmelzsicherung, eine elektronische Sicherung und/oder einen Leistungsschutzschalter, zur Vermeidung zu hoher elektrischer Ströme umfasst.Alternatively or additionally, it can be provided that the transmission device comprises at least one fuse, in particular an overcurrent protection device, for example a fuse, an electronic fuse and / or a circuit breaker, to avoid excessive electrical currents.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Übertragungseingang zu dem Übertragungsausgang eine Leistungselektronikvorrichtung umfasst. Eine solche Leistungselektronikvorrichtung ermöglicht die direkte Durchführung der elektrischen Leistung von dem Übertragungseingang zu dem Übertragungsausgang ohne galvanische Trennung des Übertragungseingangs von dem Übertragungsausgang.It can be advantageous if the transmission device for transmitting the electrical power from the transmission input to the transmission output comprises a power electronic device. Such a power electronics device allows the direct conduction of electrical power from the transmission input to the transmission output without galvanic isolation of the transmission input from the transmission output.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Leistungselektronikvorrichtung als ein DC/DC-Wandler ausgebildet ist.In particular, it can be provided that the power electronics device is designed as a DC / DC converter.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Übertragungseingang zu dem Übertragungsausgang eine Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst, bei welcher der Übertragungseingang von dem Übertragungsausgang galvanisch entkoppelt (getrennt) ist.Alternatively, it may be provided that the transmission device for transmitting the electrical power from the transmission input to the transmission output comprises a power transmission device, wherein the transmission input from the transmission output is galvanically decoupled (disconnected).

Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Leistungsübertragungsvorrichtung als ein Transformator ausgebildet ist. Eine Übertragung von Leistung kann bei einer solchen Übertragungsvorrichtung insbesondere über eine große Entfernung erfolgen.In particular, it can be provided here that the power transmission device is designed as a transformer. A transmission of power can take place in such a transmission device, in particular over a large distance.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für die Eingangsspannung ein geregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchführbar ist, in welchem die Übertragung von elektrischer Energie so begrenzt ist, dass die Ausgangsspannung am Übertragungsausgang einen unteren Grenzwert für die Ausgangsspannung nicht unterschreitet.In one embodiment of the invention, it is provided that by means of the transmission control device upon reaching a predetermined lower limit for the input voltage, a controlled operation of the transmission device is feasible, in which the transmission of electrical energy is limited so that the output voltage at the transmission output a lower limit for the Output voltage does not fall below.

Der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung ist vorzugsweise die Nennspannung der Brennstoffzellenvorrichtung.The predetermined lower limit value for the input voltage is preferably the rated voltage of the fuel cell device.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Übertragungsvorrichtung eine Kühlvorrichtung umfasst. Hierdurch kann in der Übertragungsvorrichtung entstehende Wärme besonders einfach abgeführt werden.It can be advantageous if the transmission device comprises a cooling device. As a result, heat generated in the transfer device can be removed particularly easily.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Übertragungsvorrichtung in einem gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmten Gehäuse, beispielsweise in einem störfesten (EMV-dichten) Gehäuse, angeordnet ist. Das Gehäuse weist vorzugsweise lediglich Öffnungen/Zugänge für einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang auf. Ein Informationsaustausch mit weiteren Bauteilen des Brennstoffzellensystems ist vorzugsweise nicht notwendig.Furthermore, it may be advantageous if the transmission device is arranged in a housing which is shielded against electromagnetic radiation, for example in an interference-proof (EMC-proof) housing. The housing preferably has only openings / entrances for a power input and a power output. An exchange of information with other components of the fuel cell system is preferably not necessary.

Günstig kann es sein, wenn die Übertragungsvorrichtung mindestens eine Messvorrichtung, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung, umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels einer Messvorrichtung eine Eingangsspannung am Übertragungseingang und/oder eine Ausgangsspannung am Übertragungsausgang ermittelbar ist. It may be favorable if the transmission device comprises at least one measuring device, for example a voltage measuring device. In particular, it can be provided that an input voltage at the transmission input and / or an output voltage at the transmission output can be determined by means of a measuring device.

Die Übertragungsvorrichtung kann insbesondere als ein Modul ausgebildet sein.The transmission device may in particular be designed as a module.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie von einer Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Batterievorrichtung und/oder zu einem Verbraucher, bei welchem eine Eingangsspannung mittels der Brennstoffzellenvorrichtung an einem Übertragungseingang einer Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung zu der Batterievorrichtung und/oder zu dem Verbraucher bereitgestellt wird und bei welcher eine Ausgangsspannung mittels der Übertragungsvorrichtung an einem Übertragungsausgang der Übertragungsvorrichtung bereitgestellt wird, wobei mittels einer Übertragungsregelungsvorrichtung ein geregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchgeführt wird, wenn die Eingangsspannung oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung liegt, wobei in dem geregelten Betrieb eine vorgegebene, konstante Ausgangsspannung bereitgestellt wird, welche höchstens dem oberen Grenzwert entspricht.The present invention further relates to a method for transmitting electrical energy from a fuel cell device to a battery device and / or to a consumer, in which an input voltage by means of the fuel cell device at a transmission input of a transmission device for transmitting electrical energy from the fuel cell device to the battery device and / / or to the load and wherein an output voltage is provided by means of the transmission device at a transmission output of the transmission device, wherein a regulated operation of the transmission device is performed by means of a transmission control device when the input voltage above a predetermined upper limit for the input voltage and / or for Output voltage is, wherein in the regulated operation, a predetermined, constant output voltage we provided d, which is at most the upper limit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches mit geringem Steuer- und Regelaufwand zuverlässig durchführbar ist.The present invention has the further object of providing a method which can be reliably carried out with little control and regulation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer Übertragungssteuervorrichtung ein ungeregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung durchgeführt wird, wenn die Eingangsspannung unterhalb des vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung liegt, wobei in dem ungeregelten Betrieb die mittels der Brennstoffzellenvorrichtung am Übertragungseingang bereitgestellte Eingangsspannung abzüglich eines Spannungsabfalls in der Übertragungsvorrichtung als Ausgangsspannung am Übertragungsausgang bereitgestellt wird.This object is achieved in that by means of a transmission control device, an unregulated operation of the transmission device is performed when the input voltage is below the predetermined upper limit for the input voltage and / or for the output voltage, wherein in the unregulated operation provided by the fuel cell device at the transmission input Input voltage minus a voltage drop in the transmission device is provided as an output voltage at the transmission output.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The method according to the invention preferably has the features and / or advantages described above in connection with the fuel cell system according to the invention.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung stets im Wesentlichen konstant ist.In one embodiment of the method according to the invention can be provided that in the unregulated operation of the transmission device, a difference between the input voltage and the output voltage is always substantially constant.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der obere Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem Zustand der Batterievorrichtung gewählt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der obere Grenzwert für die Eingangsspannung in Abhängigkeit von dem Alter und/oder der Temperatur, etc. der Batterievorrichtung gewählt wird.It can be advantageous if the upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage is selected as a function of a state of the battery device. In particular, it can be provided that the upper limit value for the input voltage is selected as a function of the age and / or the temperature, etc. of the battery device.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der obere Grenzwert für die Eingangsspannung abgesenkt wird, wenn bei nicht vorhandenem Leistungsbedarf des Verbrauchers nach unerwartet langer Batterieladezeit noch eine kontinuierliche Leistungsabgabe durch die Brennstoffzelle erfolgt. Hieraus kann geschlossen werden, dass die Batterie nicht mehr die volle Kapazität besitzt, so dass der obere Grenzwert abgesenkt werden muss oder die Batterie ausgetauscht werden muss.For example, it can be provided that the upper limit value for the input voltage is lowered if a non-existent power requirement of the consumer after an unexpectedly long battery charging time is still a continuous output by the fuel cell. From this it can be concluded that the battery is no longer full capacity, so that the upper limit must be lowered or the battery must be replaced.

Günstig kann es sein, wenn bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Grenzwerts für die Eingangsspannung in einem geregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung die Übertragung von elektrischer Energie so begrenzt wird, dass die Ausgangsspannung am Übertragungsausgang einen unteren Grenzwert für die Ausgangsspannung nicht unterschreitet. Auf diese Weise kann eine Überlastung der Brennstoffzellenvorrichtung wirksam vermieden werden.It may be favorable if, upon reaching a predetermined lower limit value for the input voltage in a controlled operation of the transmission device, the transmission of electrical energy is limited such that the output voltage at the transmission output does not fall below a lower limit value for the output voltage. In this way, an overload of the fuel cell device can be effectively avoided.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie weisen vorzugsweise die nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf:
Mittels der Übertragungsvorrichtung ist vorzugsweise eine autonome Leistungsanpassung der Brennstoffzellenvorrichtung möglich.The fuel cell system according to the invention and / or the method according to the invention for the transmission of electrical energy preferably have the features and / or advantages described below:
By means of the transmission device, an autonomous power adaptation of the fuel cell device is preferably possible.

Die Übertragungsvorrichtung ist vorzugsweise nicht verbrauchergetrieben, sondern lieferantengetrieben.The transfer device is preferably not user-driven but supplier-driven.

Vorzugsweise kann im Gegensatz zu einem regulären DC/DC-Wandler bei der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung eine eingestellte minimale Spannung unterschritten werden, ohne eine Leistungsübertragung zu unterbrechen.Preferably, in contrast to a regular DC / DC converter in the transmission device according to the invention a set minimum voltage can be exceeded, without interrupting a power transmission.

Mittels einer echten Eingangssicherung und/oder einer echten Ausgangssicherung, mittels welcher ein Maximalstrom, der durch die Übertragungsvorrichtung fließt, begrenzt werden kann, kann eine zuverlässige Absicherung des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Brennstoffzellenvorrichtung, erfolgen, ohne einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Übertragungsvorrichtung, elektronisch abschalten zu müssen.By means of a real input fuse and / or a real output fuse, by means of which a maximum current flowing through the transmission device can be limited, a reliable protection of the fuel cell system, in particular the fuel cell device, take place without having to switch off individual components of the fuel cell system, in particular the transmission device, electronically.

Mittels der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung erfolgt insbesondere im ungeregelten Betrieb derselben keine Frequenzregelung bei Unterschreiten des oberen Grenzwertes für die Eingangsspannung.By means of the transmission device according to the invention is carried out in particular in unregulated operation of the same no frequency control falls below the upper limit for the input voltage.

Vorteilhaft kann es sein, wenn bei Erreichen des unteren Grenzwerts für die Eingangsspannung eine Leistungsübertragung mittels der Übertragungsvorrichtung zurückgeregelt (reduziert) wird. Insbesondere kann dies durch eine weiche Regelung erfolgen.It can be advantageous if, when the lower limit value for the input voltage is reached, a power transmission is regulated back (reduced) by means of the transmission device. In particular, this can be done by a soft control.

Die Übertragungsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen, beispielsweise induktiven, Zwischenspeicher, eine Leistungselektronik, eine elektronische Leistungsregelung, eine Sicherheitsregelung und/oder Sicherheitssteuerung, mittels welcher elektronisch Grenzwerte, Rampen und/oder Steilheiten für den Betrieb der Übertragungsvorrichtung vorgebbar sind, und/oder eine analoge oder digitale Verbindung nach außen.The transmission device preferably comprises a, for example, inductive, intermediate storage, power electronics, electronic power control, safety regulation and / or safety control, by means of which limit values, ramps and / or slopes for the operation of the transmission device can be predetermined electronically, and / or an analogue or digital one Connection to the outside.

Die Ausgangsspannung der Übertragungsvorrichtung wird vorzugsweise so gesteuert oder geregelt, dass stets die weitere Funktion der Übertragungsvorrichtung gewährleistet ist und kein Abschalten der Übertragungsvorrichtung erfolgt.The output voltage of the transmission device is preferably controlled or regulated so that always the further function of the transmission device is ensured and no switching off of the transmission device takes place.

Vorzugsweise werden zum Betrieb der Übertragungsvorrichtung notwendige Parametersätze, insbesondere Grenzwerte der Übertragungsvorrichtung, einmalig eingestellt und im späteren Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht mehr nachjustiert. Alternativ hierzu kann auch eine spätere Steuerung und/oder Regelung der Grenzwerte vorgesehen sein.Preferably, parameter sets required for operating the transmission device, in particular limit values of the transmission device, are set once and are no longer readjusted during later operation of the fuel cell system. Alternatively, a later control and / or regulation of the limits may be provided.

Eine zusätzliche (Leistungs-)Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung ist bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung vorzugsweise entbehrlich, da mittels der Übertragungsvorrichtung in einem vorgegebenen Bereich eine automatische Anpassung der Leistungsabfrage an der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt und in diesem vorgegebenen Bereich keine Beschädigung der Brennstoffzellenvorrichtung, beispielsweise durch eine Überlastung derselben, zu befürchten ist.An additional (power) control and / or regulation of the fuel cell device is preferably dispensable when using the transmission device according to the invention, since the transmission device automatically adjusts the power demand on the fuel cell device by means of the transmission device and no damage to the fuel cell device occurs in this predetermined range, for example, by an overload of the same, is to be feared.

Das Brennstoffzellensystem wird vorzugsweise durch die Durchführung der folgenden Schritte in Betrieb genommen:

  • – Hochfahren der Brennstoffzelle;
  • – Überprüfen (intern), ob die Brennstoffzellenvorrichtung vollständig hochgefahren ist;
  • – Hochfahren der Übertragungsvorrichtung;
  • – Überprüfen (intern), ob die Übertragungsvorrichtung vollständig hochgefahren ist; und
  • – Freigeben der von der Brennstoffzellenvorrichtung abgebbaren Leistung mittels der Übertragungsvorrichtung.
The fuel cell system is preferably put into operation by performing the following steps:
  • - startup of the fuel cell;
  • - Check (internally) whether the fuel cell device has fully started up;
  • - startup of the transmission device;
  • - Check (internally) whether the transmission device has fully started up; and
  • Releasing the power deliverable by the fuel cell device by means of the transmission device.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ermöglicht einen Betrieb desselben ohne Rückmeldung von einem Verbraucher. Insbesondere muss abgesehen von dem Lastabgriff durch den Verbraucher keinerlei Information von dem Verbraucher zu der Übertragungsvorrichtung und/oder der Brennstoffzellenvorrichtung übertragen werden.The fuel cell system according to the invention enables an operation thereof without feedback from a consumer. In particular, apart from the load tap by the consumer, no information needs to be transmitted from the load to the transmission device and / or the fuel cell device.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ermöglicht vorzugsweise eine unabhängige Spannungs-Konstanthaltung am Übertragungsausgang der Übertragungsvorrichtung mit ausschließlich interner Regelung basierend auf der Vorgabe von Spannungsgrenzwerten und vorzugsweise der Ausnutzung von Schwächen der Übertragungsvorrichtung, beispielsweise eines DC/DC-Wandlers, zur Erreichung neuer Funktionen im Zusammenspiel von Brennstoffzellenvorrichtung, Übertragungsvorrichtung und Batterievorrichtung.The fuel cell system according to the invention preferably enables an independent voltage constant at the transmission output of the transmission device with exclusively internal control based on the specification of voltage limits and preferably the utilization of weaknesses of the transmission device, for example a DC / DC converter, to achieve new functions in the interaction of the fuel cell device, Transfer device and battery device.

Im Gegensatz zu bekannten Wandlern ermöglicht die Übertragungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems einen Betrieb auch unterhalb von vorgegebenen Spannungsgrenzen, ohne dass die Übertragungsvorrichtung abgeschalten wird.In contrast to known converters, the transmission device of the fuel cell system according to the invention enables operation even below predetermined voltage limits, without the transmission device being switched off.

Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung (Leistungsanpassungseinheit) kann vorzugsweise vollständig modularisiert werden.The transfer device (power adjustment unit) according to the invention can preferably be fully modularized.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ermöglicht vorzugsweise eine verteilte Intelligenz in voneinander unabhängigen Systemmodulen, nämlich in der Brennstoffzellenvorrichtung, in der Übertragungsvorrichtung und in der Batterievorrichtung.The fuel cell system according to the invention preferably enables distributed intelligence in independent system modules, namely in the fuel cell device, in the transmission device and in the battery device.

Alterungsbedingte oder lastbedingte Degradationseffekte und zeitlich befristete Spannungseinbrüche können mittels der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung ausgesteuert werden.Aging-induced or load-related degradation effects and time-limited voltage dips can be controlled by means of the transmission device according to the invention.

Vorzugsweise ergibt sich das gewünschte Gesamtsystemverhalten des Brennstoffzellensystems zumindest abschnittsweise aus dem elektrochemischen Kennlinienverhalten ohne künstlichen Regelungseinfluss.Preferably, the desired overall system behavior of the fuel cell system results, at least in sections, from the electrochemical characteristic behavior without artificial control influence.

Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung kann vorzugsweise unabhängig von der Funktionsweise und der Art der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder der Batterievorrichtung ausgebildet werden. Insbesondere ist die Übertragungsvorrichtung auf verschiedene Systeme anpassbar.The transmission device according to the invention can preferably be formed independently of the mode of operation and the type of the fuel cell device and / or the battery device. In particular, the transmission device is adaptable to different systems.

Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung ermöglicht einen störungssicheren Aufbau derselben, da eine Batterievorrichtung nur ausgangsseitig angeschlossen ist und keine EMV-Lecks durch gekoppelte Regelungskreisläufe mit externen Modulen auftreten können. The transmission device according to the invention allows a trouble-free construction of the same, as a battery device is connected only on the output side and no EMC leaks can occur through coupled control circuits with external modules.

Vorzugsweise bildet die Leistungselektronikvorrichtung zugleich eine Sicherungsvorrichtung zur Sicherung der Übertragungsvorrichtung gegen eine zu hohe Verbraucherlast.Preferably, the power electronics device also forms a safety device for securing the transmission device against excessive load.

Durch eine konsequente Modularisierung ist vorzugsweise eine einfache Wartung und eine hohe Reparaturfreundlichkeit bei gleichzeitig hoher Verfügbarkeit des Gesamtsystems, insbesondere durch einen einfachen Austausch einzelner defekter Module durch voreingestellte und getestete neue Module, gegeben.By a consistent modularization is preferably a simple maintenance and high ease of repair with high availability of the overall system, in particular by a simple replacement of individual defective modules by preset and tested new modules given.

Die Übertragungsvorrichtung ist vorzugsweise ein Bestandteil eines Gesamtsicherheitskonzepts des Brennstoffzellensystems, da sie eine Trennfunktion zwischen dem batteriebetriebenen Antriebsstrang (Verbraucher) und dem wasserstoffbetriebenen Energiewandler (Brennstoffzellenvorrichtung) bildet. Insbesondere ist hierdurch eine hohe Gassicherheit gewährleistet.The transmission device is preferably part of an overall safety concept of the fuel cell system, as it forms a separation function between the battery-powered powertrain (consumer) and the hydrogen-powered energy converter (fuel cell device). In particular, this ensures a high gas safety.

Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.Further features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and the diagrammatic representation of an embodiment.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 ein Diagramm zur Illustration der Funktionsweise eines Brennstoffzellensystems; 1 a diagram illustrating the operation of a fuel cell system;

2 ein Diagramm zur Illustration der Funktionsweise einer Übertragungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems aus 1; 2 a diagram illustrating the operation of a transmission device of the fuel cell system 1 ;

3 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung der Kennlinien der Brennstoffzellenvorrichtung und der Batterievorrichtung aus 1; und 3 a current-voltage diagram for explaining the characteristics of the fuel cell device and the battery device 1 ; and

4 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Übertragungsvorrichtung aus 2. 4 a current-voltage diagram for explaining the operation of the transmission device 2 ,

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numerals in all figures.

Eine in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Brennstoffzellensystems umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung 102, eine Brennstoffversorgungsvorrichtung 104 zur Versorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit Brennstoff, eine Oxidatorversorgungsvorrichtung 106 zur Versorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit einem Oxidator, eine Steuervorrichtung 108 zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 und eine Kühlvorrichtung 110 zur Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung 102.One in the 1 and 2 illustrated embodiment of a whole with 100 designated fuel cell system includes a fuel cell device 102 , a fuel supply device 104 for supplying the fuel cell device 102 with fuel, an oxidizer supply device 106 for supplying the fuel cell device 102 with an oxidizer, a control device 108 for controlling the fuel cell system 100 and a cooling device 110 for cooling the fuel cell device 102 ,

Als Brennstoff wird beispielsweise Wasserstoff verwendet, so dass der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mittels der Brennstoffversorgungsvorrichtung 104 Wasserstoff zuführbar ist.As fuel, for example, hydrogen is used, so that the fuel cell device 102 by means of the fuel supply device 104 Hydrogen can be supplied.

Der Wasserstoff wird hierbei beispielsweise in zwei Brennstoffspeichervorrichtungen 112, insbesondere in Wasserstofftanks, gespeichert.The hydrogen is in this case, for example, in two fuel storage devices 112 , especially in hydrogen tanks, stored.

Als Oxidator wird insbesondere Luft verwendet, so dass der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mittels der Oxidatorversorgungsvorrichtung 106 Luft zuführbar ist. Insbesondere ist der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mittels der Oxidatorversorgungsvorrichtung 106 Umgebungsluft zuführbar. Eine separate Oxidatorspeichervorrichtung ist somit entbehrlich.In particular, air is used as the oxidizer, so that the fuel cell device 102 by means of the oxidizer supply device 106 Air can be supplied. In particular, the fuel cell device is 102 by means of the oxidizer supply device 106 Ambient air can be supplied. A separate oxidizer storage device is thus dispensable.

Mittels der Kühlvorrichtung 110 kann beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 entstehende Wärme abgeführt werden. Insbesondere kann die Kühlvorrichtung 110 hierzu einen Kühler 114 oder einen Radiator 116 aufweisen, um die in der Brennstoffzellenvorrichtung 102 anfallende Wärme an die Umgebung abgeben zu können.By means of the cooling device 110 may during operation of the fuel cell device 102 resulting heat to be dissipated. In particular, the cooling device 110 this a cooler 114 or a radiator 116 to those in the fuel cell device 102 to be able to deliver accumulating heat to the environment.

Zur Steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 102, der Brennstoffversorgungsvorrichtung 104, der Oxidatorversorgungsvorrichtung 106 und der Kühlvorrichtung 110 ist die Steuervorrichtung 108 des Brennstoffzellensystems 100 mittels Signalleitungen 118 mit den genannten Vorrichtungen des Brennstoffzellensystems verbunden.For controlling the fuel cell device 102 , the fuel supply device 104 , the oxidizer supply device 106 and the cooling device 110 is the control device 108 of the fuel cell system 100 by means of signal lines 118 connected to said devices of the fuel cell system.

Die von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 bereitgestellte elektrische Energie kann über elektrische Leitungen 120 einem Verbraucher 122 zugeführt werden.That of the fuel cell device 102 provided electrical energy can be via electrical lines 120 a consumer 122 be supplied.

Zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst das Brennstoffzellensystem 100 mindestens eine, beispielsweise vier, Batterievorrichtungen 124, welche mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 geladen werden können und hierzu mittels elektrischer Leitungen 120 an die Brennstoffzellenvorrichtung 102 angeschlossen sind.For storing electrical energy, the fuel cell system comprises 100 at least one, for example four, battery devices 124 , which by means of the fuel cell device 102 can be charged and this by means of electrical cables 120 to the fuel cell device 102 are connected.

Ferner sind die Batterievorrichtungen 124 mit dem Verbraucher 122 verbunden, um dem Verbraucher 122 elektrische Energie aus den Batterievorrichtungen 124 zuführen zu können.Further, the battery devices 124 with the consumer 122 connected to the consumer 122 electrical energy from the battery devices 124 to be able to supply.

Die Übertragung der elektrischen Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu dem Verbraucher 122 und/oder den Batterievorrichtungen 124 erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 nicht unmittelbar, sondern mittels einer Übertragungsvorrichtung 126.The transmission of electrical energy from the fuel cell device 102 to that consumer 122 and / or the battery devices 124 takes place in the illustrated embodiment of the fuel cell system 100 not directly, but by means of a transmission device 126 ,

Die Übertragungsvorrichtung 126 dient der Steuerung und/oder Regelung der Leistungsübertragung von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 auf den Verbraucher 122 und/oder auf die Batterievorrichtungen 124.The transmission device 126 serves to control and / or regulate the power transmission from the fuel cell device 102 to the consumer 122 and / or on the battery devices 124 ,

Der Aufbau der Übertragungsvorrichtung 126 ist in 2 detaillierter dargestellt, wobei nachfolgend statt mehrerer Batterievorrichtungen 124 vereinfachend eine einzige Batterievorrichtung 124 vorgesehen und beschrieben ist.The structure of the transmission device 126 is in 2 shown in more detail, wherein subsequently instead of several battery devices 124 simplifying a single battery device 124 provided and described.

Wie 2 zu entnehmen ist, umfasst die Übertragungsvorrichtung 126 einen Übertragungseingang 128, an welchem die Brennstoffzellenvorrichtung 102 mittels einer elektrischen Leitung 120 anschließbar ist.As 2 can be seen, comprises the transmission device 126 a transmission input 128 at which the fuel cell device 102 by means of an electrical line 120 is connectable.

Ferner umfasst die Übertragungsvorrichtung 126 einen Übertragungsausgang 130, an welchem mittels elektrischer Leitungen 120 die Batterievorrichtung 124 und der Verbraucher 122 angeschlossen sind.Furthermore, the transmission device comprises 126 a transmission output 130 , at which by means of electrical lines 120 the battery device 124 and the consumer 122 are connected.

Weitere elektrische Leitungen 120 sind zwischen der Batterievorrichtung 124 und dem Verbraucher 122 vorgesehen.Other electrical lines 120 are between the battery device 124 and the consumer 122 intended.

Die Übertragungsvorrichtung 126 umfasst eine Leistungsübertragungsvorrichtung 132, mittels welcher die elektrische Leistung von dem Übertragungseingang 128 zu dem Übertragungsausgang 130 übertragbar ist.The transmission device 126 includes a power transmission device 132 by which the electrical power from the transmission input 128 to the transmission output 130 is transferable.

Die Leistungsübertragungsvorrichtung 132 kann beispielsweise als ein Transformator ausgebildet sein, so dass der Übertragungseingang 128 galvanisch von dem Übertragungsausgang 130 getrennt ist.The power transmission device 132 may for example be designed as a transformer, so that the transmission input 128 galvanic from the transmission output 130 is disconnected.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Leistungsübertragungsvorrichtung 132 als eine Leistungselektronikvorrichtung zur direkten Leistungsübertragung ohne galvanische Trennung ausgebildet ist.Furthermore, it can be provided that the power transmission device 132 is designed as a power electronics device for direct power transmission without galvanic isolation.

Die Leistungsübertragungsvorrichtung 132 der Übertragungsvorrichtung 126 wird mittels einer Übertragungsregelungsvorrichtung 134 geregelt und/oder mittels einer Übertragungssteuervorrichtung 136 der Übertragungsvorrichtung 126 gesteuert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Übertragungsregelungsvorrichtung 134 und die Übertragungssteuervorrichtung 136 der Übertragungsvorrichtung 126 in einem Bauteil vereint sind.The power transmission device 132 the transmission device 126 is by means of a transmission control device 134 regulated and / or by means of a transmission control device 136 the transmission device 126 controlled. In particular, it can be provided that the transmission control device 134 and the transmission control device 136 the transmission device 126 are united in one component.

Die Übertragungsvorrichtung 126 umfasst des Weiteren eine Eingabevorrichtung 138, mittels welcher noch zu beschreibende Grenzwerte für den Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 vorgegeben werden können.The transmission device 126 further comprises an input device 138 , by means of which limits to be described for the operation of the transmission device 126 can be specified.

Der Übertragungseingang 128 und der Übertragungsausgang 130 sind bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Übertragungsvorrichtung 126 mit Sicherungsvorrichtungen 140, beispielsweise mit Schmelzsicherungen, versehen, um eine unerwünschte Überlastung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 bei zu großer Verbraucherlast wirksam verhindern zu können.The transmission input 128 and the transmission output 130 are at the in 2 illustrated embodiment of the transfer device 126 with safety devices 140 For example, provided with fuses, to an undesirable overload of the fuel cell device 102 to be able to effectively prevent excessive load.

Mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung 134 ist insbesondere ein geregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 durchführbar.By means of the transmission control device 134 is in particular a controlled operation of the transmission device 126 feasible.

Mittels der Übertragungssteuervorrichtung 136 ist insbesondere ein ungeregelter, gesteuerter Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 durchführbar.By means of the transmission control device 136 is in particular an unregulated, controlled operation of the transmission device 126 feasible.

Der geregelte Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 sieht vor, dass eine Ausgangsspannung am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.The controlled operation of the transmission device 126 provides that an output voltage at the transmission output 130 the transmission device 126 is regulated to a predetermined value.

Im ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 wird die Ausgangsspannung am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 hingegen nicht geregelt, sondern hängt im Wesentlichen ausschließlich von einer am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 bereitgestellten Eingangsspannung ab.In unregulated operation of the transfer device 126 becomes the output voltage at the transmission output 130 the transmission device 126 however, not regulated, but essentially depends solely on one at the transfer entrance 128 the transmission device 126 by means of the fuel cell device 102 provided input voltage.

Das in den 1 und 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 funktioniert wie folgt:
Wie dem in 3 dargestellten Strom-Spannungs-Diagramm zu entnehmen ist, verlaufen eine Kennlinie 142 der Brennstoffzellenvorrichtung 102 und eine Kennlinie 144 der Batterievorrichtung 124 ähnlich, jedoch nicht parallel.That in the 1 and 2 illustrated fuel cell system 100 works as follows:
Like the one in 3 can be seen from the current-voltage diagram, run a characteristic 142 the fuel cell device 102 and a characteristic 144 the battery device 124 similar but not parallel.

Insbesondere ist 3 zu entnehmen, dass sich die Kennlinien 142, 144 schneiden.In particular 3 to see that the characteristics 142 . 144 to cut.

Eine Leistungsanforderung durch den Verbraucher 122, welche einen Spannungsabfall an der Brennstoffzellenvorrichtung 102 und an der Batterievorrichtung 124 zur Folge hat, kann in Abhängigkeit von der Menge der angeforderten Leistung und der Verschaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit der Batterievorrichtung 124 dazu führen, dass die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu stark absinkt und die Brennstoffzellenvorrichtung 102 hierdurch überlastet und möglicherweise beschädigt wird.A performance requirement by the consumer 122 , which causes a voltage drop across the fuel cell device 102 and on the battery device 124 may result, depending on the amount of power requested and the interconnection of the fuel cell device 102 with the battery device 124 cause the voltage of the fuel cell device 102 drops too much and the fuel cell device 102 thereby overloaded and possibly damaged.

Mittels der Übertragungsvorrichtung 126 kann eine einfache Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 erfolgen, um einen zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ohne Beschädigung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu ermöglichen.By means of the transmission device 126 may be a simple control and / or regulation of the fuel cell device 102 done to ensure reliable operation of the fuel cell system 100 without damaging the fuel cell device 102 to enable.

In 4 ist ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Illustration derjenigen Spannung U dargestellt, welche bei einer angefragten Leistung und somit anfallendem Strom I mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 und der Übertragungsvorrichtung 126 dem Verbraucher 122 und/oder der Batterievorrichtung 124 bereitstellbar ist.In 4 is a current-voltage diagram for illustrating that voltage U shown, which at a requested power and thus resulting current I by means of the fuel cell device 102 and the transfer device 126 the consumer 122 and / or the battery device 124 is available.

Die Kennlinie 142 ist dabei die Kennlinie der Brennstoffzellenvorrichtung 102.The characteristic 142 is the characteristic of the fuel cell device 102 ,

Die Kennlinie 142' ist die Kennlinie der Kombination aus Brennstoffzellenvorrichtung 102 und Übertragungsvorrichtung 126, das heißt, dass bei der Kennlinie 142' die zum Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 benötigte Energie, welche eine Spannungsminderung zur Folge hat, berücksichtigt ist.The characteristic 142 ' is the characteristic of the fuel cell device combination 102 and transfer device 126 , that is, in the characteristic curve 142 ' to operate the transfer device 126 required energy, which has a voltage reduction result, is taken into account.

Wie 4 zu entnehmen ist, können drei Betriebsmodi unterschieden werden.As 4 can be seen, three modes of operation can be distinguished.

Zwischen einer Leerlaufspannung U0 der Brennstoffzellenvorrichtung 102, welche ohne eine Leistungsanforderung des Verbrauchers 122 oder der Batterievorrichtung 124 an dem Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 anliegt, und einer Spannung UL, welche durch eine Ladeendspannung der Batterievorrichtung 124 als oberer Grenzwert vorgegeben ist, ist ein Betriebsmodus I durchführbar.Between an open circuit voltage U 0 of the fuel cell device 102 which without a power requirement of the consumer 122 or the battery device 124 at the transmission entrance 128 the transmission device 126 is applied, and a voltage U L , which by a Ladeendspannung the battery device 124 is specified as the upper limit, an operating mode I is feasible.

Zwischen der Spannung UL und einer Spannung Umin, welche durch eine minimale Betriebsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 als unterer Grenzwert vorgegeben ist, ist ein Betriebsmodus II durchführbar.Between the voltage U L and a voltage U min , which by a minimum operating voltage of the fuel cell device 102 is specified as the lower limit, an operating mode II is feasible.

In einem Bereich unterhalb der Spannung Umin ist ein Betriebsmodus III durchführbar.In an area below the voltage U min an operating mode III is feasible.

Im Betriebsmodus I, welcher ein geregelter Betriebsmodus ist, wird die mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellte Spannung, welche größer ist als ein vorgegebener oberer Grenzwert für die Eingangsspannung, vorliegend die Spannung UL, gewandelt und als konstante Spannung UL' am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 für den Verbraucher 122 und/oder für die Batterievorrichtung 124 bereitgestellt.In the operating mode I, which is a controlled operating mode, the means of the fuel cell device 102 at the transmission entrance 128 the transmission device 126 provided voltage which is greater than a predetermined upper limit for the input voltage, in this case the voltage U L , converted and as a constant voltage U L 'at the transmission output 130 the transmission device 126 for the consumer 122 and / or for the battery device 124 provided.

Die Spannung UL', welche im Betriebsmodus I am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellt wird, ist dabei stets konstant, so dass unabhängig von der mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 im Betriebsmodus I bereitgestellten Spannung U am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 stets dieselbe Spannung anliegt, nämlich die Spannung UL'.The voltage U L ', which in the operating mode I at the transmission output 130 the transmission device 126 is always constant, so that regardless of the means of the fuel cell device 102 in operating mode I provided voltage U at the transmission output 130 the transmission device 126 always the same voltage is applied, namely the voltage U L '.

Im Betriebsmodus I kann insbesondere eine vollständige Ladung der Batterievorrichtung 124 erfolgen, da die Spannung UL und entsprechend die am Übertragungsausgang 130 bereitgestellte Spannung UL' gerade so gewählt werden, dass an der Batterievorrichtung 124 stets die Ladeendspannung der Batterievorrichtung 124 anliegt.In operating mode I, in particular, a complete charge of the battery device 124 take place, since the voltage U L and the corresponding at the transmission output 130 provided voltage U L 'are just chosen so that on the battery device 124 always the Ladeendspannung the battery device 124 is applied.

Die Ladeendspannung UL' ist beispielsweise bei einer als Lithium-Eisenphosphatakkumulator (LiFePO4) ausgebildeten Batterievorrichtung 124 ungefähr 29 V.The charge end voltage U L 'is, for example, a battery device designed as a lithium iron phosphate accumulator (LiFePO 4 ) 124 about 29 V.

Der Betriebsmodus I ist mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung 134 der Übertragungsvorrichtung 126 durchführbar.The operation mode I is by means of the transmission control device 134 the transmission device 126 feasible.

Die als oberer Grenzwert für die Eingangsspannung dienende Spannung UL wird mittels der Eingabevorrichtung 138 vorgegeben.The voltage U L serving as the upper limit value for the input voltage is determined by means of the input device 138 specified.

In dem Betriebsmodus II ist die am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 anliegende Ausgangsspannung nicht konstant, sondern hängt von der mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 102 am Übertragungseingang 128 bereitgestellten Eingangsspannung ab.In the operating mode II is at the transmission output 130 the transmission device 126 applied output voltage is not constant, but depends on the means of the fuel cell device 102 at the transmission entrance 128 provided input voltage.

Der Betriebsmodus II ist ein ungeregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 und wird mittels der Übertragungssteuervorrichtung 136 durchgeführt.The operating mode II is an unregulated operation of the transmission device 126 and is transmitted by means of the transfer control device 136 carried out.

Insbesondere wird mittels der Übertragungsvorrichtung 126 im Betriebsmodus II die am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellte Spannung U abzüglich eines Spannungsabfalls ΔU in der Übertragungsvorrichtung 126, welcher aus einer Leistungsaufnahme der Übertragungsvorrichtung 126 zum Betrieb derselben resultiert, als Ausgangsspannung am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellt.In particular, by means of the transmission device 126 in operating mode II the at the transmission input 128 the transmission device 126 provided voltage U less a voltage drop .DELTA.U in the transmission device 126 , which consists of a power consumption of the transmission device 126 to operate the same results as output voltage at the transmission output 130 the transmission device 126 provided.

Während im Betriebsmodus I eine Leistungsanforderung durch den Verbraucher 122 und/oder die Batterievorrichtung 124 zwar zu einem Absinken der Eingangsspannung am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126, jedoch nicht zu einem Absinken der Ausgangsspannung am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 geführt hat, ist im Betriebsmodus II eine direkte Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung zu beobachten. Dies resultiert aus dem ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126.While in mode I, a power demand by the consumer 122 and / or the battery device 124 although a drop in the input voltage at the transmission input 128 the transmission device 126 , but not to a decrease of the output voltage at the transmission output 130 of the transfer device 126 has led to observe a direct dependence of the output voltage of the input voltage in the operating mode II. This results from the unregulated operation of the transfer device 126 ,

Wenn somit nach und nach mehr Leistung durch den Verbraucher 122 und/oder die Batterievorrichtung 124 von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 angefordert wird, wird zunächst die am Übertragungsausgang 130 bereitgestellte Spannung konstant bleiben (Betriebsmodus I), dann jedoch kontinuierlich abfallen (Betriebsmodus II).Thus, if gradually more power by the consumer 122 and / or the battery device 124 from the fuel cell device 102 is requested, the first is the transmission output 130 supplied voltage remain constant (operating mode I), but then fall continuously (operating mode II).

Die Spannung, welche als Augangsspannung am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellt wird, fällt jedoch höchstens bis auf ein Minimum Umin' ab, welche durch eine minimale Ausgangsspannung Umin der Brennstoffzellenvorrichtung 102 vorgegeben ist und insbesondere der minimalen Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 abzüglich des Spannungsabfalls in der Übertragungsvorrichtung 126 entspricht.The voltage, which as an output voltage at the transmission output 130 the transmission device 126 is, however, at most to a minimum U min 'from which, by a minimum output voltage U min of the fuel cell device 102 is given and in particular the minimum output voltage of the fuel cell device 102 minus the voltage drop in the transmission device 126 equivalent.

Die Spannung Umin bzw. die Spannung Umin' dient der Sicherung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 gegen eine unerwünschte Beschädigung derselben durch eine Überlastung der Brennstoffzellenvorrichtung 102.The voltage U min or the voltage U min 'serves to secure the fuel cell device 102 against undesirable damage thereof by overloading the fuel cell device 102 ,

Hierzu geht die Übertragungsvorrichtung 126 bei zu starker Lastanforderung durch den Verbraucher 122 und/oder die Batterievorrichtung 124 in den Betriebsmodus III über, in welchem die Ausgangsspannung, welcher am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 anliegt, auf den Wert Umin' geregelt wird. Der Betriebsmodus III ist somit ein geregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126 und wird vorzugsweise mittels der Übertragungsregelungsvorrichtung 134 durchgeführt.For this purpose, the transmission device 126 if load demand is too high by the consumer 122 and / or the battery device 124 in the operating mode III on, in which the output voltage, which at the transmission output 130 the transmission device 126 is applied, the value U min 'is regulated. The operating mode III is thus a regulated operation of the transmission device 126 and is preferably by means of the transmission control device 134 carried out.

Durch die Regelung der Ausgangsspannung auf den Wert Umin' wird die am Übertragungseingang 128 anliegende Spannung auf Umin als unterer Grenzwert festgelegt.By regulating the output voltage to the value U min 'is the at the transmission input 128 applied voltage to U min set as the lower limit.

Durch die beschriebenen drei Betriebsmodi der Übertragungsvorrichtung 126 kann die Brennstoffzellenvorrichtung 102 ohne aufwändige Regelung betrieben werden.By the described three modes of operation of the transmission device 126 can the fuel cell device 102 operated without complicated control.

In Kombination mit den Batterievorrichtungen 124 kann dem Verbraucher 122 besonders zuverlässig und ohne aufwändige Regelung elektrische Energie bereitgestellt werden.In combination with the battery devices 124 can the consumer 122 be provided particularly reliable and without expensive control electrical energy.

Betrachtet man die Kombination aus Brennstoffzellenvorrichtung 102 und Batterievorrichtung 124, so ist im Betriebsmodus I die mittels der Kombination bereitgestellte Spannung für den Verbraucher 122 stets die Ladeendspannung der Batterievorrichtung 124, das heißt die Spannung UL'.Considering the combination of fuel cell device 102 and battery device 124 Thus, in mode I, the voltage provided by the combination is to the load 122 always the Ladeendspannung the battery device 124 that is the voltage U L '.

Wird nun nach und nach mehr Leistung von dem Verbraucher 122 angefordert, so sinkt die von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellte Eingangsspannung und die Übertragungsvorrichtung 126 geht von dem geregelten Betrieb im Betriebsmodus I in den ungeregelten Betrieb im Betriebsmodus II über. In dem Betriebsmodus II ergibt sich die dem Verbraucher 122 bereitgestellte Spannung durch eine Kombination der Spannung der Batterievorrichtung 124 und der am Übertragungsausgang 130 der Übertragungsvorrichtung 126 anliegenden Ausgangsspannung. Mit abfallender Leistung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 und sinkendem Ladezustand der Batterievorrichtung 124 geht die Übertragungsvorrichtung 126 bei Unterschreiten des unteren Grenzwerts, das heißt der Spannung Umin bzw. Umin', in den Betriebsmodus III über, in welchem der Verbraucher 122 mit elektrischer Energie zunächst nur noch aus der Batterievorrichtung 124 versorgt wird und die Übertragungsvorrichtung 126 die am Übertragungsausgang 130 anliegende Spannung auf den unteren Grenzwert regelt, was zu einer Reduktion der mittels der Übertragungsvorrichtung 126 von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zur Verfügung gestellten Leistung führt.Will now gradually more power from the consumer 122 requested, so decreases from the fuel cell device 102 at the transmission entrance 128 the transmission device 126 provided input voltage and the transmission device 126 Switches from regulated operation in operation mode I to uncontrolled operation in operation mode II. In operating mode II, this results in the consumer 122 provided voltage by a combination of the voltage of the battery device 124 and at the transmission output 130 the transmission device 126 applied output voltage. With declining performance of the fuel cell device 102 and decreasing state of charge of the battery device 124 goes the transmission device 126 falls below the lower limit, that is the voltage U min or U min ', in the operating mode III on, in which the consumer 122 with electrical energy initially only from the battery device 124 is supplied and the transmission device 126 at the transmission output 130 voltage applied to the lower limit, which leads to a reduction of the means of transmission 126 from the fuel cell device 102 provided performance.

Diese Reduktion der Leistungsübertragung hat jedoch zur Folge, dass die von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 am Übertragungseingang 128 der Übertragungsvorrichtung 126 bereitgestellte Eingangsspannung erhöht wird und die Brennstoffzellenvorrichtung 102 mittels der Übertragungsvorrichtung 126 erneut zur Energieversorgung des Verbrauchers 122 beitragen kann.However, this reduction in power transmission results in that of the fuel cell device 102 at the transmission entrance 128 the transmission device 126 provided input voltage is increased and the fuel cell device 102 by means of the transmission device 126 again to the energy supply of the consumer 122 can contribute.

Die Grenzwerte für den Betrieb der Übertragungsvorrichtung 126, insbesondere zur Festlegung der Grenzen der Betriebsmodi I, II und III, können beispielsweise mittels eines Potentiometers oder über eine Spannungsvorgabe in einem analogen Sollwertbereich von 0 bis 10 V, insbesondere für unterschiedliche Batterietypen, angepasst werden.The limits for the operation of the transmission device 126 , in particular for determining the limits of the operating modes I, II and III, can for example be adjusted by means of a potentiometer or via a voltage specification in an analog setpoint range of 0 to 10 V, in particular for different types of batteries.

Die Sicherungsvorrichtungen 140 der Übertragungsvorrichtung 126 schließlich dienen als zusätzliche Sicherung, um eine sofortige Entlastung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu erzielen, wenn ein zu hoher Strom I mittels der Übertragungsvorrichtung 126 übertragen wird.The security devices 140 the transmission device 126 Finally, serve as an additional backup to immediate relief of the fuel cell device 102 to achieve if too high a current I by means of the transmission device 126 is transmitted.

Ein Schutz der Brennstoffzellenvorrichtung 102 lässt sich ferner über die Steuervorrichtung 108 des Brennstoffzellensystems 100 erzielen, wobei vorzugsweise eine Notaus-Funktion vorgesehen ist, mittels welcher sich das Brennstoffzellensystem 100 zweistufig schützen lässt. In einer ersten Stufe kann ein Notaus aktiviert und das Brennstoffzellensystem 100 in einen sicheren Zustand gefahren werden. Mittels einer Sperrung der Übertragungsvorrichtung 126 in einer zweiten Stufe kann, insbesondere zeitlich parallel zur Durchführung der ersten Stufe, die Leistungsübertragung sofort deaktiviert werden, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung 102 zur Vermeidung von Schäden entlastet wird.A protection of the fuel cell device 102 can also be via the control device 108 of the fuel cell system 100 achieve, wherein preferably an emergency stop function is provided, by means of which the fuel cell system 100 two-stage protection. In a first stage, an emergency stop can be activated and the fuel cell system 100 be driven to a safe state. By means of a blocking of the transmission device 126 In a second stage, in particular in time parallel to the implementation of the first stage, the power transmission can be deactivated immediately, so that the fuel cell device 102 to relieve damage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
102102
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
104104
BrennstoffversorgungsvorrichtungFuel supply device
106106
OxidatorversorgungsvorrichtungOxidatorversorgungsvorrichtung
108108
Steuervorrichtungcontrol device
110110
Kühlvorrichtungcooler
112112
BrennstoffspeichervorrichtungFuel storage device
114114
Kühlercooler
116116
Radiatorradiator
118118
Signalleitungsignal line
120120
elektrische Leitungelectrical line
122122
Verbraucherconsumer
124124
Batterievorrichtungbattery device
126126
Übertragungsvorrichtungtransfer device
128128
Übertragungseingangtransmission input
130130
Übertragungsausgangtransfer output
132132
LeistungsübertragungsvorrichtungPower transmission device
134134
ÜbertragungsregelungsvorrichtungTransmission control device
136136
ÜbertragungssteuervorrichtungTransmission control device
138138
Eingabevorrichtunginput device
140140
Sicherungsvorrichtungsafety device
142142
Kennlinie der BrennstoffzellenvorrichtungCharacteristic of the fuel cell device
144144
Kennlinie der BatterievorrichtungCharacteristic of the battery device

Claims (14)

Brennstoffzellensystem (100), umfassend eine Brennstoffzellenvorrichtung (102), eine Batterievorrichtung (124) und eine Übertragungsvorrichtung (126) zur Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zu der Batterievorrichtung (124) und/oder zu einem Verbraucher (122), wobei die Übertragungsvorrichtung (126) umfasst: – einen Übertragungseingang (128), welcher mit der Brennstoffzellenvorrichtung (102) verbunden ist und an welchem mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (102) eine Eingangsspannung bereitstellbar ist; – einen Übertragungsausgang (130), welcher mit der Batterievorrichtung (124) und/oder mit dem Verbraucher (122) verbunden ist und an welchem eine Ausgangsspannung für die Batterievorrichtung (124) und/oder für den Verbraucher (122) bereitstellbar ist; und – eine Übertragungsregelungsvorrichtung (134), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen geregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) durchzuführen, in welchem bei Bereitstellung einer Eingangsspannung oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung eine vorgegebene, konstante Ausgangsspannung bereitgestellt wird, welche höchstens dem oberen Grenzwert entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (126) eine Übertragungssteuervorrichtung (136) umfasst, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) durchzuführen, in welchem bei Bereitstellung einer Eingangsspannung unterhalb des vorgegebenen oberen Grenzwertes für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung die mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (102) am Übertragungseingang (128) bereitgestellte Eingangsspannung abzüglich eines Spannungsabfalls in der Übertragungsvorrichtung (126) als Ausgangsspannung am Übertragungsausgang (130) bereitgestellt wird.Fuel cell system ( 100 ) comprising a fuel cell device ( 102 ), a battery device ( 124 ) and a transmission device ( 126 ) for transmitting electrical energy from the fuel cell device ( 102 ) to the battery device ( 124 ) and / or to a consumer ( 122 ), wherein the transmission device ( 126 ) comprises: - a transmission input ( 128 ), which with the fuel cell device ( 102 ) and at which by means of the fuel cell device ( 102 ) an input voltage can be provided; - a transmission output ( 130 ) connected to the battery device ( 124 ) and / or with the consumer ( 122 ) and at which an output voltage for the battery device ( 124 ) and / or for the consumer ( 122 ) is available; and a transmission control device ( 134 ), which is designed and set up, a regulated operation of the transmission device ( 126 ) in which, upon the provision of an input voltage above a predetermined upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage, a predetermined, constant output voltage is provided which corresponds at most to the upper limit value, characterized in that the transmission device ( 126 ) a transmission control device ( 136 ), which is designed and configured to prevent unregulated operation of the transmission device ( 126 in which, when an input voltage below the predetermined upper limit value for the input voltage and / or for the output voltage is provided by means of the fuel cell device (in which 102 ) at the transmission input ( 128 ) provided input voltage minus a voltage drop in the transmission device ( 126 ) as output voltage at the transmission output ( 130 ) provided. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene obere Grenzwert für die Eingangsspannung im Wesentlichen der Summe aus einer Ladeschlussspannung der Batterievorrichtung (124) und dem Spannungsabfall in der Übertragungsvorrichtung (126) entspricht.Fuel cell system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the predetermined upper limit value for the input voltage substantially the sum of a charge end voltage of the battery device ( 124 ) and the voltage drop in the transmission device ( 126 ) corresponds. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert und/oder ein unterer Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung mittels der Übertragungsvorrichtung (126) einstellbar ist.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the upper limit value and / or a lower limit value for the input voltage and / or for the output voltage by means of the transmission device ( 126 ) is adjustable. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (126) zur Durchführung einer autonomen Regelung und/oder Steuerung ausgebildet und eingerichtet ist.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transmission device ( 126 ) is designed and set up to carry out autonomous regulation and / or control. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungssteuervorrichtung (136) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den ungeregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) oberhalb eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für die Eingangsspannung durchzuführen.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transmission control device ( 136 ) is designed and set up to control the unregulated operation of the transmission device ( 126 ) above a predetermined lower limit for the input voltage. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung eine Nennspannung der Brennstoffzellenvorrichtung (102) ist.Fuel cell system ( 100 ) according to claim 5, characterized in that the predetermined lower limit value for the input voltage has a nominal voltage of the fuel cell device ( 102 ). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene untere Grenzwert für die Eingangsspannung die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung (102) bei maximaler Leistungsabgabe ist. Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 5 or 6, characterized in that the predetermined lower limit value for the input voltage, the voltage of the fuel cell device ( 102 ) at maximum power output. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungssteuervorrichtung (136) und/oder die Übertragungsregelungsvorrichtung (134) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zu der Batterievorrichtung (124) und/oder zu dem Verbraucher (122) bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Eingangsstroms der Übertragungsvorrichtung (126) und/oder eines vorgegebenen maximalen Ausgangsstroms der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zu unterbrechen.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the transmission control device ( 136 ) and / or the transmission control device ( 134 ) is adapted and arranged to transfer electrical energy from the fuel cell device ( 102 ) to the battery device ( 124 ) and / or to the consumer ( 122 ) when a predetermined maximum input current of the transmission device is exceeded ( 126 ) and / or a predetermined maximum output current of the fuel cell device ( 102 ) to interrupt. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (126) zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Übertragungseingang (128) zu dem Übertragungsausgang (130) eine Leistungselektronikvorrichtung umfasst.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the transmission device ( 126 ) for transmitting the electrical power from the transmission input ( 128 ) to the transmission output ( 130 ) comprises a power electronics device. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung (126) zur Übertragung der elektrischen Leistung von dem Übertragungseingang (128) zu dem Übertragungsausgang (130) eine Leistungsübertragungsvorrichtung (132) umfasst, bei welcher der Übertragungseingang (128) von dem Übertragungsausgang (130) galvanisch entkoppelt ist.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the transmission device ( 126 ) for transmitting the electrical power from the transmission input ( 128 ) to the transmission output ( 130 ) a power transmission device ( 132 ), in which the transmission input ( 128 ) from the transmission output ( 130 ) is galvanically decoupled. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsregelungsvorrichtung (134) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Grenzwerts für die Eingangsspannung einen geregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) durchzuführen, in welchem die Übertragung von elektrischer Energie so begrenzt ist, dass die Ausgangsspannung am Übertragungsausgang (130) einen unteren Grenzwert für die Ausgangsspannung nicht unterschreitet.Fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the transmission control device ( 134 ) is designed and set up, upon reaching a predetermined lower limit value for the input voltage, a controlled operation of the transmission device ( 126 ) in which the transmission of electrical energy is limited so that the output voltage at the transmission output ( 130 ) does not fall below a lower limit for the output voltage. Verfahren zur Übertragung von elektrischer Energie von einer Brennstoffzellenvorrichtung (102) zu einer Batterievorrichtung (124) und/oder zu einem Verbraucher (122), umfassend Folgendes: – Bereitstellen einer Eingangsspannung mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (102) an einem Übertragungseingang (128) einer Übertragungsvorrichtung (126) zur Übertragung von elektrischer Energie von der Brennstoffzellenvorrichtung (102) zu der Batterievorrichtung (124) und/oder zu dem Verbraucher (122); – Bereitstellen einer Ausgangsspannung mittels der Übertragungsvorrichtung (126) an einem Übertragungsausgang (130) der Übertragungsvorrichtung (126), wobei mittels einer Übertragungsregelungsvorrichtung (134) ein geregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) durchgeführt wird, wenn die Eingangsspannung oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung liegt, wobei in dem geregelten Betrieb eine vorgegebene, konstante Ausgangsspannung, welche höchstens dem oberen Grenzwert entspricht, bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Übertragungssteuervorrichtung (136) ein ungeregelter Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) durchgeführt wird, wenn die Eingangsspannung unterhalb des vorgegebenen oberen Grenzwerts für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung liegt, wobei in dem ungeregelten Betrieb die mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (102) am Übertragungseingang (128) bereitgestellte Eingangsspannung abzüglich eines Spannungsabfalls in der Übertragungsvorrichtung (126) als Ausgangsspannung am Übertragungsausgang (130) bereitgestellt wird.Method for transmitting electrical energy from a fuel cell device ( 102 ) to a battery device ( 124 ) and / or to a consumer ( 122 ), comprising the following: - providing an input voltage by means of the fuel cell device ( 102 ) at a transmission input ( 128 ) a transmission device ( 126 ) for transmitting electrical energy from the fuel cell device ( 102 ) to the battery device ( 124 ) and / or to the consumer ( 122 ); Providing an output voltage by means of the transmission device ( 126 ) at a transmission output ( 130 ) of the transmission device ( 126 ), wherein by means of a transmission control device ( 134 ) a regulated operation of the transmission device ( 126 ) is carried out when the input voltage is above a predetermined upper limit for the input voltage and / or for the output voltage, wherein in the regulated operation, a predetermined, constant output voltage which corresponds at most to the upper limit, is provided, characterized in that by means of a Transmission control device ( 136 ) an unregulated operation of the transmission device ( 126 ) is carried out when the input voltage is below the predetermined upper limit for the input voltage and / or for the output voltage, wherein in the unregulated operation the means of the fuel cell device ( 102 ) at the transmission input ( 128 ) provided input voltage minus a voltage drop in the transmission device ( 126 ) as output voltage at the transmission output ( 130 ) provided. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert für die Eingangsspannung und/oder für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem Zustand der Batterievorrichtung (124) gewählt wird.A method according to claim 12, characterized in that the upper limit for the input voltage and / or for the output voltage in dependence on a state of the battery device ( 124 ) is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorgegebenen unteren Grenzwerts für die Eingangsspannung in einem geregelten Betrieb der Übertragungsvorrichtung (126) die Übertragung von elektrischer Energie so begrenzt wird, dass die Ausgangsspannung am Übertragungsausgang (130) einen unteren Grenzwert für die Ausgangsspannung nicht unterschreitet.Method according to one of claims 12 or 13, characterized in that upon reaching a predetermined lower limit value for the input voltage in a controlled operation of the transmission device ( 126 ) the transmission of electrical energy is limited so that the output voltage at the transmission output ( 130 ) does not fall below a lower limit for the output voltage.
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