DE102011081182A1

DE102011081182A1 - Geschaltete Batterie- und Kondensator-Anordnung und diesbezügliche Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102011081182A1
Application number: DE201110081182
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lienkamp; Peter Kilian; Stephen Raiser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: US8981589B2; CN102431464A; CN102431464B; US10336208B2; US20120133203A1; US20150165925A1; DE102011081182B4

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für das Regeln des Ladezustands einer Batterie geliefert. Ein beispielhaftes elektrisches System beinhaltet eine Brennstoffzelle, welche an einen Bus gekoppelt ist, und eine Batterie, welche an den Bus über eine Schaltanordnung gekoppelt ist, welche an einen Kondensator gekoppelt ist. Ein beispielhaftes Verfahren für das Betreiben des elektrischen Systems beinhaltet das Betreiben der Schaltanordnung, so dass eine Spannung der Batterie im Wesentlichen gleich zu einer Spannung der Brennstoffzelle ist, wenn ein Ladezustand der Batterie größer als ein unterer Schwellwert und geringer als ein oberer Schwellwert ist, und Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie nicht zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert ist.

Description

Querverweis auf diesbezügliche Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/376,605, angemeldet am 24. August 2010.
Technischer Bereich
Ausführungsformen des behandelten Gegenstandes, welcher hier beschrieben wird, beziehen sich im Allgemeinen auf elektrische Systeme in Automobilfahrzeugen, und, spezieller ausgedrückt, Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstandes beziehen sich auf Systeme und Verfahren, um den Ladezustand eines Energiespeicherelementes, wie z. B. einer Batterie, zu regeln.
Hintergrund
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie, ebenso wie sich immer neu entwickelte Geschmacksstile, zu wesentlichen Veränderungen in der Gestaltung von Automobilen geführt. Eine der Veränderungen beinhaltet die Leistungsverwendung und die Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme innerhalb der Automobile, speziell der Fahrzeuge mit alternativem Brennstoff, wie z. B. hybride, elektrische und Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Viele der elektrischen Komponenten teilen sich einen gewöhnlichen Gleichstrom-(DC-)Spannungsbus. Der DC-Spannungsbus (alternativ als ein Hochspannungs-DC-Bus, ein Leistungsbus oder ein elektrischer Bus bezeichnet) ist konfiguriert, um die DC-Leistung von einer oder von mehreren DC-Leistungsquellen in dem Fahrzeug zu zahlreichen anderen elektrischen Komponenten in dem Fahrzeug zu tragen, wie z. B. Leistungs-Wechselrichtern, Luftkompressoren, Leistungswandlern, Hilfsleistungsmodulen und Ähnlichen.
Eine Brennstoffzelle (oder ein Brennstoffzellenstapel) ist eine DC-Leistungsquelle, welche an den DC-Spannungsbus angeschlossen werden kann, um DC-Leistung an andere elektrische Komponenten in dem Fahrzeug zu liefern. Aufgrund von Innenwiderständen und/oder Ohmschen Verlusten und anderen Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle erfordern schwere Lastzustände und/oder das Starten des Fahrzeugs häufig eine Leistung, welche über das hinausgeht, was eine Brennstoffzelle liefern kann. Entsprechend wird eine Batterie (oder eine aufladbare Batteriepackung) häufig angewendet, um zusätzliche Leistung während schwerer Lastzustände und/oder des Startens zu liefern, ebenso um regenerative Energie von der Antriebseinheit des Fahrzeuges zu speichern. Viele Batterien sind jedoch nicht in der Lage, großen Spannungsausschlägen der Brennstoffzelle während des Betriebes Rechnung zu tragen. Einige Systeme entsprechend dem Stand der Technik benutzen einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, um die Spannung von der Batterie hochzustufen, um mit der DC-Spannungsbus-Spannung übereinzustimmen, welche durch den Spannungsausgang der Brennstoffzelle vorgegeben wird, oder alternativ, um die Brennstoffzellenspannung während des Wiederaufladens der Batterie herunterzustufen. DC/DC-Wandler sind verhältnismäßig groß, kostspielig und schwer, womit sie offensichtliche Nachteile liefern.
Kurze Zusammenfassung
Entsprechend einer Ausführungsform wird ein elektrisches Fahrzeug für ein Fahrzeug geliefert. Das elektrische System weist auf: ein kapazitives Element, eine Schaltanordnung, welche an das kapazitive Element gekoppelt ist, wobei die Schaltanordnung konfiguriert ist, um zwischen einer Schiene eines Busses und einem Energiespeicherelement gekoppelt zu werden, und ein Steuermodul, welches an die Schaltanordnung und das Energiespeicherelement gekoppelt ist. Das Steuermodul ist so konfiguriert, um die Schaltanordnung so zu betreiben, dass eine Spannung des Energiespeicherelementes im Wesentlichen gleich zu einer Spannung der Schiene des Busses ist, wenn ein Ladezustand der Energiequelle größer als ein unterer Schwellwert und geringer als ein oberer Schwellwert ist. Das Steuermodul ist ferner konfiguriert, um die Schaltanordnung zu betreiben, um eine Spannung des kapazitiven Elementes an die Spannung des Energiespeicherelementes hinzuzufügen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes größer als der obere Schwellwert ist. Das Steuermodul ist ferner konfiguriert, um die Schaltanordnung zu betreiben, um die Spannung des kapazitiven Elementes von der Spannung des Energiespeicherelementes abzuziehen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer als der untere Schwellwert ist.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren geliefert, um ein elektrisches System in einem Fahrzeug zu betreiben. Das elektrische System weist auf: eine Brennstoffzelle, welche an einen Bus gekoppelt ist, und eine Batterie, welche an den Bus über eine Schaltanordnung an einen Kondensator gekoppelt ist. Das Verfahren weist auf: Betreiben der Schaltanordnung, so dass eine Batteriespannung der Batterie im Wesentlichen gleich zu einer Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelle ist, wenn ein Ladezustand der Batterie größer als ein unterer Schwellwert und kleiner als ein oberer Schwellwert ist, Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie kleiner als der untere Schwellwert ist, und Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie größer als der obere Schwellwert ist.
Entsprechend einer noch anderen Ausführungsform wird ein elektrisches System bereitgestellt. Das elektrische System weist auf: einen Bus, welcher eine positive Schiene und eine negative Schiene aufweist, eine Batterie, welche einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss an die negative Schiene des Busses gekoppelt hat, und einen Kondensator, welcher einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss besitzt. Ein erstes Schaltelement ist zwischen dem positiven Anschluss des Kondensators und der positiven Schiene des Busses gekoppelt, und das erste Schaltelement ist konfiguriert, um Strom von dem positiven Anschluss des Kondensators an die positive Schiene zuzulassen, wenn das erste Schaltelement geschlossen ist. Ein zweites Schaltelement ist zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators und der positiven Schiene des Busses gekoppelt, und das zweite Schaltelement ist konfiguriert, um Strom von der positiven Schiene an den negativen Anschluss des Kondensators zuzulassen, wenn das zweite Schaltelement geschlossen ist. Ein drittes Schaltelement ist zwischen dem positiven Anschluss des Kondensators und dem positiven Anschluss der Batterie gekoppelt, und das dritte Schaltelement ist konfiguriert, um Strom von dem positiven Anschluss des Kondensators zu dem positiven Anschluss der Batterie zuzulassen, wenn das dritte Schaltelement geschlossen ist. Ein viertes Schaltelement ist zwischen dem negativen Anschluss des Kondensators und dem positiven Anschluss der Batterie gekoppelt, und das vierte Schaltelement ist konfiguriert, um Strom von dem positiven Anschluss der Batterie zu dem negativen Anschluss des Kondensators zuzulassen, wenn das vierte Schaltelement geschlossen ist.
Diese Zusammenfassung wird geliefert, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, welche weiter nachfolgend in der detaillierten Beschreibung beschrieben wird. Diese Zusammenfassung soll nicht dazu dienen, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes zu identifizieren, noch ist beabsichtigt, dass sie als eine Hinzufügung für das Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes genutzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes kann mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, wobei ähnliche Referenzzahlen sich auf ähnliche Elemente innerhalb der Figuren beziehen.
1 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Systems, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug geeignet ist, entsprechend einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Systems, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug geeignet ist, entsprechend einer anderen Ausführungsform; und
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Batterieladezustands-(SOC-)Steuerungsprozesses, welcher für den Gebrauch mit dem elektrischen System der 1 geeignet ist, entsprechend einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung ist ihrer Art nach nur erläuternd und es ist nicht beabsichtigt, die Ausführungsformen des Gegenstandes oder der Anwendung und den Gebrauch derartiger Ausführungsformen zu begrenzen. Wie es hier benutzt wird, bedeutet das Wort ”beispielhaft” ”als ein Beispiel, ein Umstand, oder eine Erläuterung dienend”. Jegliche Implementierung, welche hier als ”beispielhaft” beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise so auszulegen, dass sie bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen ist. Außerdem besteht keine Absicht, durch irgendwelche ausgedrückte oder beinhaltete Theorie gebunden zu sein, welche in dem vorausgegangenen technischen Bereich, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird.
Techniken und Technologien können hier in Termen von funktionellen und/oder logischen Blockbauteilen und mit Bezug auf symbolische Wiedergaben von Operationen, Prozessaufgaben und Funktionen, welche durch verschiedene Berechnungsbauteile oder -einrichtungen ausgeführt werden. Es sollte gewürdigt werden, dass die verschiedenen Blockbauteile, welche in den Figuren gezeigt werden, durch irgendeine Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Bauteilen realisiert werden kann, welche so konfiguriert sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung verschiedene integrierte Schaltbaukomponenten, z. B. Speicherelemente, Digitalsignal-Verarbeitungselemente, logische Elemente, Look-up- bzw. Verweistabellen oder Ähnliches anwenden, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuereinrichtungen ausführen können.
Wie es hier benutzt wird, bedeutet ”Knoten” irgendeinen internen oder externen Referenz- bzw. Bezugspunkt, Verbindungspunkt, eine Verbindung, Signalleitung, ein leitendes Element oder Ähnliches, bei welchem ein gegebenes Signal, ein logischer Pegel, eine Spannung, ein Datenfeld, ein Strom oder eine Menge bzw. Größe vorhanden ist. Außerdem können zwei oder mehrere Knoten durch ein physikalisches Element realisiert sein (und zwei oder mehrere Signale können gemultiplext, moduliert oder in anderer Weise unterschieden werden, obwohl sie an einem gewöhnlichen Knoten empfangen oder ausgegeben werden).
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, welche miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Wie es hier gebraucht wird, ohne dass es ausdrücklich festgestellt wird, bedeutet ”verbunden”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise auf mechanische Weise. In ähnlicher Weise, es sei denn, es wird ausdrücklich in anderer Weise festgestellt, bedeutet ”gekoppelt”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise auf mechanische Art. Demnach, obwohl die Figuren eine beispielhafte Anordnung von Elementen darstellen, können zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstandes vorhanden sein. Zusätzlich kann eine gewisse Terminologie in der folgenden Beschreibung nur des Bezuges wegen benutzt werden, und dies soll nicht eingrenzend sein. Die Terme „erster”, „zweiter” und andere derartige numerischen Terme, welche sich auf Strukturen beziehen, beinhalten keine Reihenfolge oder Ordnung, es sei denn, dies wird klar durch den Kontext ausgedrückt.
Der Kürze wegen können herkömmliche Techniken und Bauteile, welche sich auf analoge Schaltungsgestaltung, Signalisieren, Abtasten, auf Schalten basierend auf Transistoren, Energie- und/oder Leistungswandlung, und andere funktionelle Gesichtspunkte des Systems (und die individuellen Betriebsbauteile des Systems) beziehen, hier nicht im Detail beschrieben werden. Außerdem sollen die Verbindungslinien, welche in den verschiedenen Figuren, welche hier enthalten sind, gezeigt werden, beispielhafte funktionelle Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen repräsentieren. Es sollte beachtet werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionelle Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein können.
Technologien und Konzepte, welche hier diskutiert werden, beziehen sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren, um ein Energiespeicherelement, wie z. B. eine Batterie (oder ein anderes geeignetes Energiespeicherelement) an einen DC-Spannungsbus ohne einen DC/DC-Wandler zu koppeln. Eine Schaltanordnung ist an ein kapazitives Element gekoppelt, wie z. B. einen Ultra-Kondensator, welcher zwischen der Batterie und dem DC-Spannungsbus liegen kann. Die Schaltanordnung wird in einer Weise betrieben, welche zulässt, dass die Batterie zusätzliche Leistung (oder Strom) liefert und/oder einen Ladestrom während des Betriebes während des elektrischen Systems empfängt, während zur gleichen Zeit sichergestellt wird, dass der Ladezustand (SOC) der Batterie innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches aufrechterhalten wird, d. h. zwischen einer unteren SOC-Grenze und einer oberen SOC-Grenze. Diesbezüglich, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, wird die Schaltanordnung in einer Weise betrieben, in welcher das kapazitive Element elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem DC-Spannungsbus liegt, wenn der SOC der Batterie nicht innerhalb des vorher festgelegten Bereichs ist, und verändert effektiv die Polarität des Kondensators, so dass die Kombination der Leerlaufspannung der Batterie und der Kondensatorspannung im Wesentlichen gleich zu der DC-Bus-Spannung ist.
1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 100 dar, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug 150 geeignet ist, wie z. B. für ein Brennstoffzellenfahrzeug und/oder Hybridfahrzeug. Das elektrische System 100 beinhaltet, ohne Begrenzung, eine Brennstoffzelle 102, ein Energiespeicherelement 104, ein kapazitives Element 106, eine Schaltanordnung 108 und eine elektrische Last 110. Die verschiedenen Elemente des elektrischen Systems 100 sind an einen Bus 112 gekoppelt, welcher hier als ein DC-Spannungsbus, ein Leistungsbus, ein allgemeiner (oder Gemeinschafts-)Bus oder ein elektrisches Bus bezeichnet werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das elektrische System 100 ferner ein Steuermodul 114, welches geeigneterweise konfiguriert ist, um den Betrieb des elektrischen Systems zu unterstützen, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird. Es sollte davon ausgegangen werden, dass 1 für die Zwecke der Erklärung eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 100 ist, und es ist nicht beabsichtigt, den Umfang oder die Anwendbarkeit des hier beschriebenen Gegenstandes in irgendeiner Weise einzugrenzen.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Bus 112 auf: eine positive Schiene 116, welche an einen positiven Anschluss 120 der Brennstoffzelle 102 gekoppelt ist, und eine negative Schiene 118, welche an einen negativen Anschluss 122 der Brennstoffzelle 102 gekoppelt ist, um eine Spannungspotenzialdifferenz zwischen der positiven Schiene 116 und der negativen Schiene 118 in einer herkömmlichen Weise, wie unten beschrieben, zu bilden. Diesbezüglich ist die Busspannung (z. B. das Spannungspotenzial zwischen der positiven Schiene 116 und der negativen Schiene 118) gleich der Spannung über die Anschlüsse 120, 122 der Brennstoffzelle 102 (mit V_FC bezeichnet und alternativ hier als Brennstoffzellenspannung bezeichnet) und fluktuiert abhängig von dem Strombetrag, welcher zu/von der elektrischen Last 110 (i_L) fließt, welche an beide Schienen 116, 118 des Busses 112 gekoppelt ist. Ein negativer Anschluss 126 des Energiespeicherelementes 104 ist an die negative Schiene 118 gekoppelt, und ein positiver Anschluss 124 des Energiespeicherelementes 104 ist an die Schaltanordnung 108 gekoppelt. Die Schaltanordnung 108 ist an die positive Schiene 116 so gekoppelt, dass der positive Anschluss 124 des Energiespeicherelementes 104 an die positive Schiene 116 des Busses 112 über die Schaltanordnung 108 gekoppelt ist. Die Schaltanordnung 108 ist an das kapazitive Element 106 gekoppelt, und das Steuermodul 114 ist so konfiguriert, um die Schaltanordnung zu betreiben, so dass das kapazitive Element 106 selektiv elektrisch in Reihe zwischen dem positiven Anschluss 124 der Batterie 104 und der positiven Schiene 116 des Busses 112 liegt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das elektrische System 100 so konfiguriert, dass der Bus 112 einen Hochspannungsbus aufweist. Es sollte davon ausgegangen werden, dass der Term ”Hochspannung”, wie er hier im Allgemeinen benutzt wird, sich auf Spannungspegel oder Spannungsnennwerte von größer als 60 Volt DC (oder 30 Volt AC) bezieht. Diesbezüglich wird in einer beispielhaften Ausführungsform die Brennstoffzelle 102 als eine oder mehrere Brennstoffzellen (z. B. ein Brennstoffzellenstapel) realisiert, welche bzw. welcher elektrisch in Reihe angeordnet und/oder konfiguriert ist bzw. sind, so dass der Bus 112 einen nominalen bzw. Nennspannungsbereich von ungefähr 200 Volt bis 400 Volt hat. Beispielsweise kann eine einzelne Brennstoffzelle eine Leerlaufspannung von ungefähr 1 Volt besitzen, wobei die Brennstoffzelle 102 ungefähr 400 einzelne Brennstoffzellen aufweist, welche elektrisch in Reihe konfiguriert sind, um eine Leerlaufspannung von ungefähr 400 Volt zu liefern. Jedoch aufgrund von Innenwiderständen und/oder Ohmschen Verlusten nimmt die Spannung über die Anschlüsse 120, 122 der Brennstoffzelle 102 ab, wenn sich der Strom, welcher durch die Brennstoffzelle 102 geliefert wird, erhöht, d. h. die Brennstoffzellenspannung (V_FC) und der Strom, welcher durch die Brennstoffzelle 102 geliefert wird, stehen im umgekehrten Bezug zueinander. Beispielsweise kann eine Brennstoffzelle 102, welche eine Leerlaufspannung von ungefähr 400 Volt besitzt, eine Spannung von ungefähr 200 Volt über ihre Anschlüsse 120, 122 besitzen, wenn die Brennstoffzelle 102 den maximalen Strombetrag liefert, welchen sie in der Lage ist zu liefern (z. B. unter Vollnennlast).
In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Energiespeicherelement 104 als eine wiederaufladbare Batterie (oder eine wiederaufladbare Batteriepackung) realisiert. Entsprechend kann der Bequemlichkeit wegen, jedoch ohne Eingrenzung, das Energiespeicherelement 104 hier alternativ als eine Batterie bezeichnet werden. In einer ähnlichen Weise nimmt, wie oben im Kontext der Brennstoffzelle 102 beschrieben, die Spannung über die Anschlüsse 124, 126 der Batterie 104 (bezeichnet durch V_B und alternativ hier als die Batteriespannung bezeichnet) ab, wenn der Strom, welcher durch die Batterie 104 geliefert wird, sich erhöht, und umgekehrt nimmt die Spannung über die Anschlüsse 124, 126 der Batterie 104 zu, wenn sich ein Ladestrom zu der Batterie 104 erhöht (z. B. Strom zu dem positiven Anschluss 124 der Batterie 104). In einer beispielhaften Ausführungsform besitzt die Batterie 104 eine Leerlaufspannung, welche größer als die Spannung der Brennstoffzelle 102 unter Vollnennlast ist, aber geringer als die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 102. Beispielsweise besitzt die Batterie 104 in einer beispielhaften Ausführungsform, bei welcher die Brennstoffzelle 102 eine Leerlaufspannung von ungefähr 400 Volt und eine Spannung von ungefähr 200 Volt unter Vollnennlast besitzt, eine nominelle Leerlaufspannung von ungefähr 300 Volt DC. Wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird, wird in einer beispielhaften Ausführungsform, während des Betriebs des elektrische Systems 100, die Schaltanordnung 108 so betrieben, dass die Batterie 104 entweder zusätzliche Leistung an die elektrische Last 110 liefert, bis eine untere SOC-Grenze erreicht wird, oder auf andere Weise regenerative Energie (oder Ladestrom) von der elektrischen Last 110 (z. B. i_L < 0) empfängt oder speichert, bis eine obere SOC-Grenze erreicht wird. Diesbezüglich werden die untere SOC-Grenze und die obere SOC-Grenze vorzugsweise gewählt, um zu gestatten, dass die Batterie 104 effektiv Schwerlastzuständen während des Betriebs des elektrischen Systems 100 und/oder elektrische Last 110 Rechnung trägt, während zur gleichen Zeit der SOC-Ausschlag der Batterie 104 begrenzt wird, wodurch die Batterielebensdauer und/oder die Zuverlässigkeit der Batterie 104 verbessert wird. Beispielsweise ist in einer beispielhaften Ausführungsform die untere SOC-Grenze vorzugsweise um 50% und die obere SOC-Grenze ist vorzugsweise um 70%, so dass der Gesamt-SOC-Ausschlag der Batterie 104 ungefähr 20% ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird das kapazitive Element 106 als einer oder mehrere einzelne Kondensatoren (z. B. eine Kondensatorbank) realisiert. Entsprechend einer Ausführungsform wird das kapazitive Element 106 als ein Ultra-Kondensator (oder Superkondensator) realisiert, welcher eine Kapazität von ungefähr 500 F besitzt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das kapazitive Element 106 polarisiert und besitzt einen positiven Anschluss 128, welcher an die Schaltanordnung 108 am Knoten 132 gekoppelt ist, und einen negativen Anschluss 130, welcher an die Schaltanordnung 108 am Knoten 134 gekoppelt ist. Der Bequemlichkeit wegen, jedoch ohne Eingrenzung, kann das kapazitive Element 106 hier alternativ als ein Kondensator bezeichnet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Schaltanordnung 108 eine Vielzahl von Schaltelementen und eine Vielzahl von Dioden auf, welche geeigneterweise so konfiguriert sind, um die Spannung über die Anschlüsse 128, 130 des Kondensators 106 (mit V_C bezeichnet und alternativ hier als die Kondensatorspannung bezeichnet) zuzulassen, so dass sie in Reihe mit der Batteriespannung kombiniert werden kann, um mit der Spannung zwischen der positiven Schiene 116 und der negativen Schiene 118 des Busses 112 (alternativ hier als die Busspannung bezeichnet) übereinzustimmen. Wie oben beschrieben, in einer beispielhaften Ausführungsform, ist die Busspannung gleich der Brennstoffzellenspannung. Diesbezüglich ist die Reihenkombination der Kondensatorspannung und der Batteriespannung im Wesentlichen gleich (z. B. innerhalb realistischer und/oder praktischer Betriebstoleranzen und unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls über die Schaltelemente und/oder Dioden der Schaltanordnung 108) zu der Brennstoffzellenspannung.
In der dargestellten Ausführungsform weist die Schaltanordnung 108 vier Schaltelemente 140, 142, 144, 146 auf, wobei jedes Schaltelement eine Diode 141, 143, 145, 147 besitzt, welche antiparallel zu dem jeweiligen Schaltelement konfiguriert sind. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Schaltelemente 140, 142, 144, 146 Transistoren und können realisiert werden, wobei irgendein geeigneter Halbleitertransistorschalter benutzt wird, wie z. B. ein Bipolar-Sperrschichttransistor (z. B. ein IGBT), ein Feldeffekttransistor (z. B. ein MOSFET) oder eine andere geeignete Schalteinrichtung. Die Schaltelemente 140, 142, 144, 146 und die Dioden 141, 143, 145, 147 sind antiparallel, was bedeutet, dass ein jeweiliges Schaltelement und seine jeweilige Diode elektrisch parallel mit entgegengesetzter oder umgekehrter Polarität sind. Die antiparallele Konfiguration gestattet einen bidirektionalen Stromfluss, während die Spannung einer Richtung blockiert wird, wie dies in der Fachwelt gewürdigt werden wird. In dieser Konfiguration ist die Richtung des Stromes durch das jeweilige Schaltelement entgegengesetzt zu der Richtung des zulässigen Stromes durch die jeweilige Diode.
Wie in 1 gezeigt wird, ist ein erstes Schaltelement 140 der Schaltanordnung 108 zwischen dem positiven Anschluss 128 des Kondensators 106 beim Knoten 132 und der positiven Schiene des Busses 112 beim Knoten 136 gekoppelt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das erste Schaltelement 140 konfiguriert, um einen Stromfluss von dem Knoten 132 zum Knoten 136 zu gestatten, wenn es geschlossen (oder EIN) ist, und die Spannung am Knoten 132 größer ist, als die Spannung am Knoten 136. Diesbezüglich ist für eine Einrichtung vom N-Typ ein Kollektoranschluss (für eine IGBT-Implementierung) oder ein Drain-Anschluss (für eine FET-Implementierung) des ersten Schaltelemente 140 an den Knoten 132 angeschlossen, und ein Emitter-Anschluss (für eine IGBT-Implementierung) oder Quellenanschluss (für eine FET-Implementierung) des ersten Schaltelementes 140 ist an den Knoten 136 angeschlossen. Eine erste Diode 141 ist zwischen dem Knoten 132 und dem Knoten 136 gekoppelt und ist antiparallel zu dem ersten Schaltelement 140 konfiguriert, so dass die erste Diode 141 gestattet, dass ein Strom vom Knoten 136 zum Knoten 132 fließt, wenn das erste Schaltelement 140 offen ist (oder AUS), und die Spannung am Knoten 136 größer ist, als die Spannung am Knoten 132. Diesbezüglich ist ein Anodenanschluss der ersten Diode 141 an den Knoten 136 angeschlossen, und ein Kathodenanschluss der ersten Diode 141 ist an den Knoten 132 angeschlossen.
In einer ähnlichen Weise ist ein zweites Schaltelement 142 zwischen dem Knoten 136 und dem Knoten 134 angeschlossen und ist konfiguriert, um zuzulassen, dass ein Strom vom Knoten 136 zu dem Knoten 134 fließt, wenn es geschlossen ist, und die Spannung am Knoten 136 größer ist, als die Spannung am Knoten 134. Eine zweite Diode 143 ist zwischen dem Knoten 134 und dem Knoten 136 angeschlossen und ist konfiguriert, um zuzulassen, dass der Strom vom Knoten 134 zum Knoten 136 fließt, wenn das zweite Schaltelement 142 offen ist und die Spannung am Knoten 134 größer ist, als die Spannung am Knoten 136. Ein drittes Schaltelement 144 ist zwischen dem Knoten 132 und dem Knoten 138 angeschlossen und ist konfiguriert, um zu gestatten, dass ein Strom vom Knoten 132 zum Knoten 138 fließt, wenn es geschlossen ist, und die Spannung am Knoten 132 größer ist, als die Spannung am Knoten 138. Eine dritte Diode 145 ist zwischen dem Knoten 132 und dem Knoten 138 angeschlossen und ist konfiguriert, um zu gestatten, dass der Strom vom Knoten 138 zum Knoten 132 fließt, wenn das dritte Schaltelement 144 offen ist, und die Spannung am Knoten 138 größer ist, als die Spannung am Knoten 132. Ein viertes Schaltelement 146 ist zwischen dem Knoten 134 und dem Knoten 138 angeschlossen und ist so konfiguriert, um zu gestatten, dass der Strom von Knoten 138 zum Knoten 134 fließt, wenn es geschlossen ist und die Spannung am Knoten 138 größer ist, als die Spannung am Knoten 134. Eine vierte Diode 147 ist zwischen dem Knoten 134 und dem Knoten 138 angeschlossen und ist konfiguriert, um zu gestatten, dass der Strom vom Knoten 134 zum Knoten 138 fließt, wenn das vierte Schaltelement 146 offen ist und die Spannung am Knoten 134 größer ist, als die Spannung am Knoten 138.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird die elektrische Last 110 als die elektrische Antriebseinheit für das Fahrzeug 150 realisiert. Diesbezüglich kann die elektrische Last 110 einen Leistungswechselrichter aufweisen, welcher in der Lage ist, DC-Spannung (oder DC-Strom) von dem Bus 112 zu empfangen und die DC-Spannung in eine AC-Spannung zu wandeln, um einen elektrischen Motor anzutreiben. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die elektrische Last 110 und/oder die elektrische Antriebseinheit auch in der Lage, DC-Strom an den Bus 112 zu liefern, welcher benutzt werden kann, um die Batterie 104 und/oder den Kondensator 106, beispielsweise während des regenerativen Bremsens, zu laden. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen die elektrische Last 110 als ein Hilfsleistungsmodul, ein Luftkompressormodul, ein DC-zu-DC-Wandler (oder Boost-Wandler), ein Leistungslenkungsmotor-Antriebsglied oder als eine andere geeignete elektrische Hilfskomponente oder eine Kombination davon realisiert werden, und der Gegenstand soll nicht auf irgendeine spezielle Last, welche an den Bus 112 gekoppelt ist, begrenzt sein.
Das Steuermodul 114 repräsentiert im Allgemeinen die Kombination Hardware, Firmware und/oder Software, welche so konfiguriert ist, um die Schaltanordnung 108 zu betreiben, so dass der Ladezustand der Batterie 104 innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches verbleibt, wodurch der SOC-Ausschlag der Batterie 104 reduziert wird und die Lebensdauer und/oder Zuverlässigkeit der Batterie 140 erhöht wird. Abhängig von der Ausführungsform kann das Steuermodul 114 mit einem Prozessor für allgemeine Zwecke, einem inhaltsadressierbaren Speicher, einem digitalen Signalprozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, einem feldprogrammierten Gate-Feld, einer geeigneten programmierbaren logischen Einrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardware-Komponenten oder irgendeiner Kombination davon implementiert oder realisiert werden, welche gestaltet sind, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Diesbezüglich kann das Steuermodul 114 als ein Mikroprozessor, ein Steuerglied, ein Mikrosteuerglied, eine Zustandsmaschine oder Ähnliches realisiert werden. Das Steuermodul 114 kann auch als eine Kombination von Recheneinrichtungen implementiert werden, z. B. eine Kombination von einem digitalen Signalprozessor und einem Mikroprozessor, eine Vielzahl von Mikroprozessoren, einem oder mehreren Mikroprozessoren in Verbindung mit einem digitalen Signalprozessorkern oder als irgendeine andere derartige Konfiguration. In der Praxis beinhaltet das Steuermodul 114 eine Verarbeitungslogik, welche konfiguriert sein kann, um Funktionen, Techniken und Verarbeitungsaufgaben, welche zu dem Betrieb des elektrischen Systems 100 gehören, auszuführen, wie dies in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird. Außerdem können die Schritte eines Verfahrens oder Algorithmus, welche in Verbindung mit den Ausführungsformen, welche hier veröffentlicht sind, direkt in Hardware, in Firmware, in einem Software-Modul durch das Steuermodul 114 oder in irgendeiner praktischen Kombination davon beinhaltet sein.
2 stellt ein elektrisches System 200 dar, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug 250 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform geeignet ist. Das elektrische System 200 beinhaltet ohne Eingrenzung eine Brennstoffzelle 202, ein Energiespeicherelement 204, ein kapazitives Element 206, eine Schaltanordnung 208, eine elektrische Last 210 und ein Steuermodul 214. Die verschiedenen Elemente des elektrischen Systems 200 sind an einen Bus 212 gekoppelt. Die Elemente des elektrischen Systems 200 der 2 sind ähnlich zu den Gegenstückelementen in dem elektrischen System 100 der 1, und entsprechend werden diese gebräuchlichen Elemente nicht redundant im Detail hier im Kontext der 2 beschrieben. Jedoch wird in der Ausführungsform der 2 der Kondensator 206 als ein nicht polarisierter (oder bipolarer) Kondensator realisiert. Es sollte davon ausgegangen werden, dass 2 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 200 ist, für Erklärungszwecke, und es ist nicht beabsichtigt, den Umfang oder die Anwendbarkeit des hier beschriebenen Gegenstandes in irgendeiner Weise zu begrenzen.
In der dargestellten Ausführungsform der 2 weist die Schaltanordnung 208 ein erstes Schaltelement 240 auf, welches zwischen einem ersten Anschluss 228 des Kondensators 206 beim Knoten 232 gekoppelt ist, welches auch an die positive Schiene 216 des Busses 212 gekoppelt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das erste Schaltelement 250 so konfiguriert, um zuzulassen, dass ein Strom vom Knoten 232 zum Knoten 236 fließt, wenn es geschlossen (oder EIN) ist und die Spannung am Knoten 232 größer als die Spannung am Knoten 236 ist. Eine erste Diode 241 ist zwischen dem Knoten 232 und dem Knoten 236 gekoppelt und antiparallel zu dem ersten Schaltelement 240 gekoppelt, so dass die erste Diode 241 gestattet, dass Strom vom Knoten 236 zum Knoten 232 fließt, wenn das erste Schaltelement 240 offen (oder AUS) und die Spannung am Knoten 236 größer als die Spannung am Knoten 232 ist. Ein zweites Schaltelement 242 ist zwischen dem Knoten 236 und einem zweiten Anschluss 230 des Kondensators 206 beim Knoten 234 angeschlossen, und das zweite Schaltelement ist konfiguriert, um zu gestatten, dass der Strom vom Knoten 234 zum Knoten 236 fließt, wenn es geschlossen ist und die Spannung am Knoten 236 kleiner als die Spannung am Knoten 234 ist. Diesbezüglich kann das erste Schaltelement 240 als eine N-Typ-Einrichtung realisiert werden, und das zweite Schaltelement 242 kann als eine P-Typ-Einrichtung realisiert werden. Eine zweite Diode 243 ist zwischen dem Knoten 234 und dem Knoten 236 angeschlossen und konfiguriert, um zu gestatten, dass der Strom vom Knoten 236 zum Knoten 234 fließt, wenn das zweite Schaltelement 242 offen ist und die Spannung am Knoten 236 größer als die Spannung am Knoten 234 ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Schaltanordnung 208 ein Relais (z. B. ein Einrast-Relais, ein Nicht-Einrast-Relais, ein Kontaktglied oder einen anderen elektromechanischen Schalter) aufweisen, welches zwischen den Knoten 232, 234 angeschlossen ist und konfiguriert ist, um zu gestatten, dass ein bidirektionaler Strom zwischen den Knoten 232, 234 fließt, wenn das Relais geschlossen (oder EIN) ist.
Mit Bezug nun auf 3, in einer beispielhaften Ausführungsform, kann ein elektrisches System konfiguriert sein, um einen Batterie-SOC-Steuerungsprozess 300 und zusätzliche Aufgaben, Funktionen und Operationen, welche nachfolgend beschrieben werden, durchführen. Die verschiedenen Aufgaben können über Software, Hardware, Firmware oder eine Kombination davon ausgeführt werden. Zu erläuternden Zwecken kann sich die folgende Beschreibung auf Elemente beziehen, welche oben in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. In der Praxis können die Aufgaben, Funktionen und Operationen durch verschiedene Elemente des beschriebenen Systems durchgeführt werden, wie z. B. die Schaltanordnung 108, 208, die elektrische Last 110, 210 und/oder das Steuermodul 114, 214. Es sollte gewürdigt werden, dass jegliche Anzahl von zusätzlichen oder alternativen Aufgaben beinhaltet sein kann und in einer komprimierteren Prozedur oder in einem Prozess eingearbeitet sein kann, welcher zusätzliche Funktionalität besitzt, welche hier nicht im Detail beschrieben wird.
Mit Bezug auf 3 und mit fortlaufendem Bezug auf 1 und 2 kann ein Batterie-SOC-Steuerungsprozess 300 durchgeführt werden, um einen Batteriezustand des Ladens (SOC) innerhalb eines vorher festgelegten SOC-Bereiches aufrechtzuerhalten, d. h. größer als oder gleich zu einer unteren SOC-Grenze und kleiner oder gleich zu einer oberen SOC-Grenze. In einer beispielhaften Ausführungsform initiiert die Batterie den SOC-Steuerungsprozess 300, wobei die Batterie-SOC größer ist als eine untere SOC-Grenze und kleiner ist als eine obere SOC-Grenze. Der Batterie-SOC-Steuerungsprozess 300 beginnt mit dem Bestimmen, ob die Spannung über das kapazitive Element größer als null ist (Aufgabe 302). Diesbezüglich ist das Steuermodul 114, 214 an den Kondensator 106, 206 gekoppelt oder erhält auf andere Weise das Spannungspotenzial (V_C) zwischen dem Knoten 132, 232 und dem Knoten 134, 234.
Wenn die Spannung über das kapazitive Element größer als null ist, fährt der Batterie-SOC-Steuerprozess 300 fort, indem die Energie, welche durch das kapazitive Element gespeichert ist, basierend auf dem Betriebsmodus entladen wird (Aufgabe 304). Beispielsweise ist das Steuermodul 114 in der Ausführungsform der 1 an den Bus 112 gekoppelt und konfiguriert, um den Betriebsmodus für das elektrische System 100 basierend auf dem Ladestrom (i_L) auf dem Bus 112 zu bestimmen. Diesbezüglich kann das Steuermodul 114 bestimmen, dass das elektrische System 100 in einem Energieliefermodus ist, wenn die Brennstoffzelle 102 und/oder die Batterie 104 Strom an die Last 110 liefern, d. h. wenn Strom an die Last 110 fließt (z. B. i_L > 0). Um die Energie, welche durch den Kondensator 106 gespeichert ist, zu entladen und zusätzlichen Storm an die Last 110 zu liefern, betreibt das Steuermodul 114 die Schaltanordnung 108, indem das erste Schaltelement 140 und das vierte Schaltelement 146 geschlossen wird (oder EIN-geschaltet wird), während das zweite Schaltelement 142 und das dritte Schaltelement 144 in einem offenen (oder AUS-)Zustand beibehalten wird. Wenn das erste Schaltelement 140 und das vierte Schaltelement 146 geschlossen sind, sind der Kondensator 106 und die Batterie 104 elektrisch in Reihe zwischen den Schienen 116, 118 des Busses 112 konfiguriert. Als ein Ergebnis stimmt die kombinierte Kondensatorspannung (V_C) und die Batteriespannung (V_B) mit der Busspannung und/oder der Brennstoffzellenspannung (V_FC) überein. Mit anderen Worten, die Summe der Kondensatorspannung (V_C) und der Batteriespannung (V_B) ist im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung (V_FC), wobei der Spannungsabfall über die Schaltelemente 140, 146 vernachlässigt wird. Wenn sich die Kondensatorspannung entlädt, fluktuieren die Batteriespannung (V_B) und die Brennstoffzellenspannung (V_FC), um den gewünschten Strom an die Last 110 beizubehalten.
Umgekehrt bestimmt das Steuermodul 114, dass das elektrische System 100 in einem regenerativen Modus (oder Wiederauflademodus) ist, wenn Strom nicht an die Last 110 fließt (z. B. i_L ≤ 0), d. h. wenn die Last 110 regenerative Energie (z. B. vom regenerativen Bremsen) an das elektrische System 100 liefert oder auf andere Weise nicht Strom von der Brennstoffzelle 102 empfängt. Um die Energie, welche durch den Kondensator 106 gespeichert ist, zu entladen und zusätzlichen Ladestrom an die Batterie 104 zu liefern, betreibt das Steuermodul 114 die Schaltanordnung 108 durch Schließen (oder durch EIN-Schalten) des zweiten Schaltelementes 142, und das dritte Schaltelement 144, während das erste Schaltelement 140 und das vierte Schaltelement 146 in einem offenen Zustand verbleiben. Wenn das zweite Schaltelement 142 und das dritte Schaltelement 144 geschlossen sind, sind der Kondensator 106 und die Batterie 104 zwischen den Schienen 116, 118 des Busses 112 elektrisch in Reihe, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, so dass die Kondensatorspannung (V_C) von der Batteriespannung (V_B) subtrahiert wird, um mit der Busspannung und/oder Brennstoffzellenspannung (V_FC) übereinzustimmen. Mit anderen Worten, die Summe der Kondensatorspannung (V_C) und der Brennstoffzellenspannung (V_FC) ist im Wesentlichen gleich zu der Batteriespannung (V_B), wobei jeglicher Spannungsabfall über die Schaltelemente 142, 144 hinweg vernachlässigt wird. Diesbezüglich ist in einem regenerativen Modus die Summe der Kondensatorspannung (V_C) und der Brennstoffzellenspannung (V_FC) größer als die Leerlaufspannung der Batterie 104.
In der Ausführungsform der 2, durch die Wirkung des bipolaren Kondensators 206, öffnet das Steuermodul 124 die Schaltelemente 240, 242, wenn die Kondensatorspannung größer als null ist und die Batterie-SOC größer als eine untere SOC-Grenze und kleiner als eine obere SOC-Grenze ist, ungeachtet des Betriebsmodus. Dies veranlasst, dass die Summe der Kondensatorspannung (V_C) und der Batteriespannung (V_B) im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung (V_FC) ist, und gestattet, dass die Kondensatorspannung entladen wird, um das Gleichgewicht beizubehalten. Sobald die Kondensatorspannung entladen ist, schließt das Steuermodul 214 die Schaltelemente 240, 242 (ungeachtet des Betriebsmodus), um den Kondensator 206 kurzzuschließen. Wenn die Schaltanordnung 208 ein Relais zwischen den Knoten 232, 234 aufweist, öffnet das Steuermodul 214 das Relais, so dass der Kondensator 206 elektrisch in Reihe zwischen der positiven Schiene 216 des Busses 212 und dem positiven Anschluss 224 der Batterie 204 konfiguriert ist, um die Kondensatorspannung zu entladen, und dann schließt das Relais, um den Kondensator 206 kurzzuschließen.
Mit Bezug wieder auf 3 entlädt in einer beispielhaften Ausführungsform der Batterie-SOC-Steuerprozess 300 das kapazitive Element, während die Spannung über das kapazitive Element größer als null ist, und schließt dann das kapazitive Element kurz, sobald die Spannung auf null Volt entladen ist (Aufgaben 306, 308). Diesbezüglich, für die Ausführungsform der 1, wenn das Spannungspotenzial zwischen den Knoten 132 und dem Knoten 134 gleich null ist (innerhalb realistischer und/oder praktischer Betriebstoleranzen), betreibt das Steuermodul 114 die Schaltanordnung 108, indem alle der Schaltelemente 140, 142, 144, 146 geschlossen werden (oder EIN-geschaltet werden), um den Kondensator 106 kurzzuschließen. Wenn die Schaltelemente 140, 142, 144, 146 alle geschlossen sind, wird der positive Anschluss 124 der Batterie 104 an die positive Schiene 116 des Busses 112 gekoppelt (z. B. über die dritte Diode 145 und das erste Schaltelement 140 und/oder das vierte Schaltelement 146 und die zweite Diode 143). Als Ergebnis sind die Batteriespannung (V_B) und die Brennstoffzellenspannung (V_FC) im Wesentlichen gleich und fluktuieren, um den richtigen Strom zu/von der Last 110 beizubehalten. Für die Ausführungsform der 2 schließt das Steuermodul 214 die Schaltelemente 240, 242 (oder das Relais zwischen den Knoten 232, 234 in einer alternativen Ausführungsform), so dass die Batteriespannung (V_B) und die Brennstoffzellenspannung (V_FC) im Wesentlichen gleich sind (wobei die Spannungsabfälle über die Schaltelemente 240, 242 und/oder die Dioden 241, 243 vernachlässigt werden), und fluktuiert, um den richtigen Strom zu/von der Last 210 beizubehalten.
Wieder mit Bezug auf 3 fährt der Batterie-SOC-Steuerprozess 300 in einer beispielhaften Ausführungsform fort, indem die SOC der Batterie überwacht wird, und das kapazitive Element in einer Weise geladen wird, welche die SOC der Batterie zwischen einem unteren SOC-Schwellwert und einem oberen SOC-Schwellwert beibehält (Aufgaben 310, 312). Diesbezüglich entspricht der untere SOC-Schwellwert einer unteren SOC-Grenze, welches eine SOC der Batterie 104, 204 ist, unter welche diese nicht entladen werden sollte, und der obere SOC-Schwellwert entspricht einer oberen SOC-Grenze, welches eine SOC der Batterie 104, 204 ist, welche nicht oberhalb geladen werden sollte. Die Differenz zwischen der oberen SOC-Grenze und der unteren SOC-Grenze definiert den SOC-Ausschlag der Batterie 104, 204 während des Betriebes. Wie oben dargelegt, ist die untere SOC-Grenze vorzugsweise ungefähr 50%, und die obere SOC-Grenze ist vorzugsweise ungefähr 70%, so dass der SOC-Ausschlag der Batterie 104, 204 auf ungefähr 20% begrenzt ist. Es wird gewürdigt werden, dass das Begrenzen des SOC-Ausschlages der Batterie 104, 204 die Zuverlässigkeit und/oder die Langlebigkeit der Batterie 104, 204 verbessert.
In einer beispielhaften Ausführungsform, für die Ausführungsform der 1, um die SOC der Batterie 104 innerhalb der unteren und oberen SOC-Grenzen beizubehalten, betreibt das Steuermodul 114 die Schaltanordnung 108, indem die Schaltelemente 140, 142, 144, 146 geöffnet werden (oder AUS-geschaltet werden), wenn die SOC der Batterie 104 entweder den oberen oder den unteren SOC-Schwellwert erreicht. Diesbezüglich, wenn die Schaltelemente 140, 142, 144, 146 offen sind, wird der Kondensator 106 elektrisch in Reihe zwischen die positive Schiene 116 des Busses 112 und den positiven Anschluss 124 der Batterie 104 über ein Paar von Dioden (z. B. entweder die Dioden 143, 145 oder die Dioden 141, 147) angeschlossen, basierend auf der Busspannung und/oder der Brennstoffzellenspannung, wie dies in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird. Dies gestattet, dass die Spannung über die Anschlüsse 124, 136 der Batterie 104 zu der offenen Leerlaufspannung der Batterie 104 zurückkehrt, und verhindert das Laden und/oder Entladen der Batterie 104 unterhalb die vorher festgelegten SOC-Grenzen.
Beispielsweise, wenn das elektrische System 100 in einem Energieliefermodus ist (z. B. i_L > 0), überwacht das Steuermodul 114 die SOC der Batterie 104, während sich die Batterie 104 entlädt, und liefert Strom an die elektrische Last 110. Wenn die SOC der Batterie 104 kleiner als oder gleich dem unteren SOC-Schwellwert ist, öffnet das Steuermodul 114 die Schaltelemente 140, 142, 144, 146, wobei dadurch gestattet wird, dass die Batterie 104 den Kondensator 106 über die Diode 145 und die Diode 143 lädt. Diesbezüglich fließt Strom von dem positiven Anschluss 124 der Batterie 104 durch die Diode 145 zu dem positiven Anschluss 128 des Kondensators 106, wodurch die Spannung über die Anschlüsse 128, 130 erhöht wird, wodurch der Kondensator 106 geladen wird. Die Kondensatorspannung wird effektiv von der Batteriespannung subtrahiert (oder zu der Brennstoffzellenspannung hinzugefügt), so dass die Summe der Brennstoffzellenspannung und der Kondensatorspannung im Wesentlichen gleich zur Leerlaufspannung der Batterie 104 ist. Wenn die Spannung der Batterie 104 zu der Leerlaufspannung der Batterie 104 zurückkehrt, hört die Batterie 104 auf, Strom an die elektrische Last 110 zu liefern, wobei dadurch ihre SOC beibehalten wird. Auf diese Weise verhindert das Betreiben der Schaltanordnung 108 durch Öffnen der Schaltelemente 140, 142, 144, 146 das Entladen der Batterie 104 unter die untere SOC-Grenze. Es sollte gewürdigt werden, dass in der Praxis die Batterie 104 weiterhin entladen werden kann, bis der Kondensator 106 vollgeladen ist, d. h., wenn die Kondensatorspannung (V_C) gleich zu der Differenz zwischen dem Leerlauf der Batterie 104 und der Busspannung und/oder der Brennstoffzellenspannung (V_FC) ist. In dieser Situation kann der untere SOC-Schwellwert entsprechend eingestellt werden, um das zusätzliche Entladen zu bedingen, um den gewünschten SOC-Ausschlag (oder die untere SOC-Grenze) für die Batterie 104 beizubehalten.
Umgekehrt, wenn das elektrische System 100 in einem regenerativen Modus (z. B. i_L < 0) ist, überwacht das Steuermodul 114 den Ladezustand der Batterie 104, während die Brennstoffzelle 102 und/oder die elektrische Last 110 einen Ladestrom an die Batterie 104 liefern. Wenn die SOC der Batterie 104 größer als oder gleich zu dem oberen SOC-Schwellwert ist, öffnet das Steuermodul 114 die Schaltelemente 140, 142, 144, 146, wobei dadurch zugelassen wird, dass die Batterie 104 den Kondensator 106 über die Diode 141 und die Diode 147 lädt. In einem regenerativen Modus fließt Strom von der positiven Schiene 116 des Busses 112 durch die Diode 141 an den positiven Anschluss 128 des Kondensators 106, wobei dadurch die Spannung über die Anschlüsse 128, 130 des Kondensators 106 erhöht wird (oder dessen Laden). Wenn die elektrische Last 110 und/oder die Brennstoffzelle 102 den Kondensator 106 lädt, kehrt die Spannung der Batterie 104 zu ihrer Leerlaufspannung zurück. Die Kondensatorspannung wird effektiv zu der Batteriespannung addiert (oder von der Brennstoffzellenspannung subtrahiert), so dass die Summe der Leerlaufspannung der Batterie 104 und die Kondensatorspannung gleich zu der Brennstoffzellenspannung und/oder Busspannung ist. Auf diese Weise verhindert das Betreiben der Schaltanordnung 108 durch Öffnen der Schaltelemente 140, 142, 144, 146 das Laden der Batterie 104 über die obere SOC-Grenze. Wie oben dargelegt, sollte gewürdigt werden, dass in der Praxis die Batterie 104 weiterhin geladen werden kann, bis der Kondensator 106 vollgeladen ist, in welchem Falle der obere SOC-Schwellwert entsprechend eingestellt werden kann, um das zusätzliche Laden zu bewirken, um den gewünschten SOC-Ausschlag für die Batterie 104 beizubehalten.
Für die Ausführungsform der 2, um die SOC der Batterie 204 oberhalb der unteren SOC-Grenze beizubehalten, betreibt das Steuermodul 214 die Schaltanordnung 208 durch Öffnen (oder AUS-Schalten) des ersten Schaltelementes 240 und Schließen (oder EIN-Schalten) des zweiten Schaltelementes 242, wenn die SOC der Batterie 204 den unteren SOC-Schwellwert erreicht. Diesbezüglich wird der SOC der Batterie 204 den unteren SOC-Schwellwert in einem Energie-Liefermodus erreichen, wobei der Kondensator 206 elektrisch in Reihe zwischen der positiven Schiene 216 des Busses 212 und dem positiven Anschluss 224 der Batterie 204 angeschlossen ist. In dem Energie-Liefermodus fließt Strom von dem positiven Anschluss 224 der Batterie 204 an den Anschluss 230 des Kondensators 206, wobei dadurch die Spannung von dem Anschluss 230 zum Anschluss 228 des Kondensators 206 (z. B. V_C < 0) erhöht wird. Dadurch lädt die Batterie 204 den Kondensator 206 in einer Weise, dass die Kondensatorspannung effektiv von der Batteriespannung subtrahiert wird (oder zu der Brennstoffzellenspannung addiert wird). Als Ergebnis ist die Summe der Brennstoffzellenspannung und der Kondensatorspannung im Wesentlichen gleich zur Leerlaufspannung der Batterie 204. Dies gestattet, dass die Spannung über die Anschlüsse 224, 226 der Batterie 204 zurückkehrt, und verhindert das Laden und/oder Entladen der Batterie 204 unterhalb der unteren SOC-Grenze.
Umgekehrt, um die SOC der Batterie 204 unterhalb der oberen SOC-Grenze beizubehalten, betreibt das Steuermodul 214 die Schaltanordnung 208 durch Öffnen (oder AUS-Schalten) des zweiten Schaltelementes 242 und Schließen (oder EIN-Schalten) des ersten Schaltelementes 240, wenn die SOC der Batterie 204 den oberen SOC-Schwellwert erreicht. Diesbezüglich wird die SOC der Batterie 204 den oberen SOC-Schwellwert in einem regenerativen Modus erreichen, wobei der Kondensator 206 elektrisch in Reihe zwischen der positiven Schiene 206 des Busses 212 und dem positiven Anschluss 224 der Batterie 204 angeschlossen ist. In dem regenerativen Modus fließt Strom von der positiven Schiene 216 des Busses 212 an den Anschluss 228 des Kondensators 206, wodurch die Spannung vom Anschluss 228 zum Anschluss 230 des Kondensators 206 erhöht wird. Wenn die elektrische Last 210 und/oder die Brennstoffzelle 202 den Kondensator 206 lädt, kehrt die Spannung der Batterie 204 zu ihrer Leerlaufspannung zurück. Die Kondensatorspannung wird effektiv zu der Batteriespannung addiert (oder von der Brennstoffzellenspannung subtrahiert), so dass die Summe der Leerlaufspannung der Batterie 204 und die Kondensatorspannung gleich zu der Brennstoffzellenspannung und/oder der Busspannung ist. Auf diese Weise verhindert der Batterie-SOC-Steuerprozess 300 das Laden der Batterie 204 oberhalb der oberen SOC-Grenze. In der Ausführungsform, bei welcher die Schaltanordnung 208 ein Relais zwischen den Knoten 232, 234 aufweist, öffnet das Steuermodul 214 das Relais (oder schaltet es AUS), so dass die Kondensatorspannung addiert wird und/oder von der Batteriespannung subtrahiert wird, wie es benötigt wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform fährt der Batterie-SOC-Steuerprozess 300 fort, indem bestimmt wird, dass es eine Änderung im Betriebsmodus gibt, beispielsweise vom Energie-Liefermodus zum regenerativen Modus oder umgekehrt (Aufgabe 314). Wenn sich der Betriebsmodus ändert, wiederholt sich die Schleife, welche durch die Aufgaben 302, 304, 306, 308, 210, 212 und 214 definiert ist, wie dies durch den Betrieb des elektrischen Systems 100 gewünscht wird. Wann immer die Kondensatorspannung größer als null ist und die SOC der Batterie 104, 204 innerhalb der unteren und oberen SOC-Grenzen ist, wird der Kondensator 106, 206 in einer ähnlichen Weise entladen, wie dies oben dargelegt ist (Aufgaben 302, 304). Es wird gewürdigt werden, dass dies die Effektivität des elektrischen Systems 100, 200 erhöht, indem sichergestellt wird, dass irgendwelche durch den Kondensator 106, 206 gespeicherte Energie benutzt wird, jedesmal, wenn sich der Betriebsmodus ändert. Beispielsweise werden, wenn das elektrische System 100, 200 anfangs in einem Energie-Liefermodus ist, die Brennstoffzelle 102, 202 und die Batterie 104, 204 Strom an die elektrische Last 110, 210 liefern, bis der untere SOC-Schwellwert der Batterie 104, 204 erreicht wird (Aufgaben 306, 308, 310). Nach dem Erreichen des unteren SOC-Schwellwertes betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 106, 206 zu laden, wobei gestattet wird, dass die Batteriespannung zu der Leerlaufspannung zurückkehrt, und wodurch verhindert wird, dass die Batterie 104, 204 weiter entladen wird (Aufgabe 312). Wenn das elektrische System 100, 200 sich in einen regenerativen Modus ändert (z. B. regeneratives Bremsen), betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 106, 206 zu entladen, und liefert einen zusätzlichen Ladestrom an die Batterie 104, 204, bis der Kondensator völlig entladen ist (Aufgaben 302, 304, 306, 314). Nach dem Entladen des Kondensators 106, 206 betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 206, 206 kurzzuschließen und die Batterie 104, 204 zu laden, bis der obere SOC-Schwellwert erreicht wird (Aufgaben 308, 310). Sobald der obere SOC-Schwellwert erreicht wird, betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 106, 206 zu laden, wobei gestattet wird, dass die Batteriespannung zur Leerlaufspannung zurückkehrt und ein weiteres Laden der Batterie 104, 204 verhindert wird (Aufgabe 312). Wenn das elektrische System 100, 200 zu einem Energie-Liefermodus wechselt, betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 106, 206 zu entladen, und liefert zusätzlichen Strom an die elektrische Last 110, 210, bis der Kondensator 106, 206 vollständig entladen ist (Aufgaben 302, 304, 306, 314). Nach Entladen des Kondensators 106, 206 betreibt das Steuermodul 114, 214 die Schaltanordnung 108, 208, um den Kondensator 106, 206 kurzzuschließen, und entlädt die Batterie 104, 204, bis der untere SOC-Schwellwert erreicht wird, wie dies oben dargelegt ist (Aufgaben 308, 310). Die Schleife, welche durch die Aufgaben 302, 304, 306, 308, 210, 212 und 214 definiert ist, kann wie gewünscht während des Betriebes des elektrischen Systems wiederholt werden.
Um kurz die Vorteile des Systems und/oder des Verfahrens, welches oben beschrieben ist, zusammenzufassen, besteht dies darin, dass das elektrische System den gewünschten Strom und/oder die Leistung während der Spitzenlastzustände liefern kann, während der SOC-Ausschlag der Batterie begrenzt wird, wodurch die Zuverlässigkeit und/oder die Langlebigkeit der Batterie verbessert wird. Zusätzlich gestatten die Systeme und/oder Verfahren, welche oben beschrieben sind, dass die Batterie an den Bus gekoppelt wird, ohne einen DC/DC-Boost-Wandler zu erfordern, während die Möglichkeit beibehalten wird, den SOC-Ausschlag der Batterie beizubehalten. Zusätzlich kann die Batteriespannung gewählt werden, um irgendeine Spannung zwischen der Leerlaufspannung (oder Leerlauf-Zell-)Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Vollnennlastspannung des Brennstoffzellenstapels zu sein, und gestattet das Verwenden von kleineren Kondensatoren 106, 206 aufgrund der reduzierten Leistung und/oder der Energie-Handhabungserfordernisse im Vergleich zu herkömmlichen Batterie-/Kondensatorkonfigurationen.
Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen, welche hier beschrieben sind, nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des beanspruchten Gegenstandes in irgendeiner Weise eingrenzen sollen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleuten eine bequeme Anleitung für das Implementieren der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen liefern. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen, welche bekannte Äquivalente und voraussehbare Äquivalente zur Zeit des Einreichens dieser Patentanmeldung beinhalten.
Weitere Ausführungsformen

1. Elektrisches System für ein Fahrzeug, wobei das elektrische System aufweist: ein kapazitives Element; eine Schaltanordnung, welche an das kapazitive Element gekoppelt ist, wobei die Schaltanordnung so konfiguriert ist, um zwischen einer Schiene eines Busses und einem Energiespeicherelement gekoppelt zu werden; und ein Steuermodul, welches an die Schaltanordnung und das Steuerelement gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: die Schaltanordnung zu betreiben, so dass eine Spannung des Energiespeicherelements im Wesentlichen gleich zu einer Spannung der Schiene des Busses ist, wenn ein Ladezustand der Energiequelle größer als ein unterer Schwellwert und kleiner als ein oberer Schwellwert ist; die Schaltanordnung zu betreiben, um eine Spannung des kapazitiven Elements zu der Spannung des Energiespeicherelements hinzuzufügen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelements größer als der obere Schwellwert ist; und die Schaltanordnung zu betreiben, um die Spannung des kapazitiven Elementes von der Spannung des Energiespeicherelementes zu subtrahieren, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer als der untere Schwellwert ist.
2. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei das kapazitive Element einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an den zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes gekoppelt ist; einen dritten Knoten, welcher an die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen vierten Knoten, welcher an das Energiespeicherelement gekoppelt ist; einen ersten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der erste Schalter so konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der erste Schalter geschlossen ist; eine erste Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die erste Diode antiparallel zu dem ersten Schalter konfiguriert ist; einen zweiten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zuzulassen, wenn der zweite Schalter geschlossen ist; eine zweite Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die zweite Diode antiparallel zu dem zweiten Schalter konfiguriert ist; einen dritten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei der dritte Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem vierten Knoten zuzulassen, wenn der dritte Schalter geschlossen ist; eine dritte Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei die dritte Diode antiparallel zu dem dritten Schalter gekoppelt ist; einen vierten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei der vierte Schalter konfiguriert ist, um zu Strom von dem vierten Knoten zu dem zweiten Knoten zuzulassen, wenn der vierte Schalter geschlossen ist; und eine vierte Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei die vierte Diode antiparallel zu dem vierten Schalter konfiguriert ist.
3. Elektrisches System nach Ausführungsform 2, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist; und den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes größer oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist.
4. Elektrisches System nach Ausführungsform 2, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: den ersten Schalter und den vierten Schalter zu schließen, wenn die Spannung des kapazitiven Elementes größer als null ist und der Ladezustand des Energiespeicherelementes größer oder gleich zu dem unteren Schwellwert in einem ersten Betriebsmodus ist; und den zweiten Schalter und den dritten Schalter zu schließen, wenn das spannungskapazitive Element größer als null ist und der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer als oder gleich dem oberen Schwellwert in einem zweiten Betriebsmodus ist.
5. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei: das kapazitive Element einen nicht polarisierten Kondensator aufweist, welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes und die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an den zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes und das Energiespeicherelement gespeichert ist; einen dritten Knoten; einen ersten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der erste Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der erste Schalter geschlossen ist; eine erste Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die erste Diode antiparallel zu dem ersten Schalter gekoppelt ist; einen zweiten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem zweiten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der zweite Schalter geschlossen ist; und eine zweite Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die zweite Diode antiparallel zu dem zweiten Schalter konfiguriert ist.
6. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei: das kapazitive Element einen nicht polarisierten Kondensator aufweist, welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes und die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an dem zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes und das Energiespeicherelement gekoppelt ist; ein Relais, welches zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das Relais konfiguriert ist, um bidirektionalen Strom zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten zuzulassen.
7. Verfahren für das Betreiben eines elektrischen Systems in einem Fahrzeug, wobei das elektrische System aufweist: eine Brennstoffzelle, welche an einen Bus gekoppelt ist, und eine Batterie, welche an den Bus über eine Schaltanordnung gekoppelt ist, welche an einen Kondensator gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: Betreiben der Schaltanordnung, so dass eine Batteriespannung der Batterie im Wesentlichen gleich zu einer Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelle ist, wenn ein Ladezustand der Batterie größer als ein unterer Schwellwert und kleiner als ein oberer Schwellwert ist; Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie kleiner als oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist; und Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie größer als oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist.
8. Verfahren nach Ausführungsform 7, wobei das Betreiben der Schaltanordnung, so dass die Batteriespannung im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung ist, das Kurzschließen des Kondensators aufweist, wenn der Ladezustand der Batterie zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert ist.
9. Verfahren nach Ausführungsform 8, wobei das Betreiben der Schaltanordnung, so dass die Batteriespannung im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung ist, ferner aufweist: Wenn eine Spannung des Kondensators größer als null ist und der Ladezustand der Batterie zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert ist, Entladen des Kondensators vor dem Kurzschließen des Kondensators.
10. Verfahren nach Ausführungsform 7, wobei: das Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie geringer als oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist, das Subtrahieren einer Spannung des Kondensators von der Batteriespannung aufweist; und das Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie größer als oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist, das Hinzufügen einer Spannung des Kondensators zu der Batteriespannung aufweist.
11. Elektrisches System, welches aufweist: einen Bus, welcher eine positive Schiene und eine negative Schiene aufweist; eine Batterie, welche einen positiven Batterieanschluss besitzt und welche einen negativen Batterieanschluss besitzt, welcher an die negative Schiene gekoppelt ist; ein kapazitives Element, welches einen positiven Kondensatoranschluss und einen negativen Kondensatoranschluss besitzt; ein erstes Schaltelement, welches zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und der positiven Schiene gekoppelt ist, wobei das erste Schaltelement konfiguriert ist, um Strom von dem positiven Kondensatoranschluss zu der positiven Schiene zuzulassen, wenn dieses geschlossen ist; ein zweites Schaltelement, welches zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und der positiven Schiene gekoppelt ist, wobei das zweite Schaltelement konfiguriert ist, um Strom von der positiven Schiene zu dem negativen Kondensatoranschluss zuzulassen, wenn dieses geschlossen ist; ein drittes Schaltelement, welches zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei das dritte Schaltelement konfiguriert ist, um Strom von dem positiven Kondensatoranschluss zu dem positiven Batterieanschluss zuzulassen, wenn dieses geschlossen ist; und ein viertes Schaltelement, welches zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei das vierte Schaltelement konfiguriert ist, um Strom von dem positiven Batterieanschluss zu dem negativen Kondensatoranschluss zuzulassen, wenn dieses geschlossen ist.
12. Elektrisches System nach Ausführungsform 11, welches ferner aufweist: eine erste Diode, welche zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und der positiven Schiene gekoppelt ist, wobei die erste Diode konfiguriert ist, um Strom von der positiven Schiene zu dem positiven Kondensatoranschluss zuzulassen; eine zweite Diode, welche zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und der positiven Schiene gekoppelt ist, wobei die zweite Diode konfiguriert ist, um Strom von dem negativen Kondensatoranschluss zu der positiven Schiene zuzulassen; eine dritte Diode, welche zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei die dritte Diode konfiguriert ist, um Strom von dem positiven Batterieanschluss zu dem positiven Kondensatoranschluss zuzulassen; und eine vierte Diode, welche zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei die Diode konfiguriert ist, um Strom von dem negativen Kondensatoranschluss zu dem positiven Batterieanschluss zuzulassen.
13. Elektrisches System nach Ausführungsform 11, welches ferner eine Brennstoffzelle aufweist, welche besitzt: einen positiven Brennstoffzellenanschluss, welcher an die positive Schiene des Busses gekoppelt ist, und einen negativen Brennstoffzellenanschluss, welcher an die negative Schiene des Busses gekoppelt ist.
14. Elektrisches System nach Ausführungsform 13, wobei das kapazitive Element eine Kondensatorspannung zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und dem negativen Kondensatoranschluss besitzt, wobei das elektrische System ferner ein Steuermodul aufweist, welches an die Batterie und das kapazitive Element gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um das kapazitive Element kurzzuschließen, wobei wenigstens eines von dem ersten Schaltelement, dem zweiten Schaltelement, dem dritten Schaltelement und dem vierten Schaltelement benutzt wird, wenn die Spannung des kapazitiven Elements gleich zu null ist und ein Ladezustand der Batterie innerhalb eines vorher definierten Bereiches ist.
15. Elektrisches System nach Ausführungsform 14, welches ferner aufweist: eine erste Diode, welche zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und der positiven Schiene des Busses gekoppelt ist, wobei die erste Diode konfiguriert ist, um Strom von der positiven Schiene zu dem positiven Kondensatoranschluss zuzulassen; eine zweite Diode, welche zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und der positiven Schiene des Busses gekoppelt ist, wobei die zweite Diode konfiguriert ist, um Strom von dem negativen Kondensatoranschluss zu der positiven Schiene zuzulassen; eine dritte Diode, welche zwischen dem positiven Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei die dritte Diode konfiguriert ist, um Strom von dem positiven Batterieanschluss zu dem positiven Kondensatoranschluss zuzulassen; und eine vierte Diode, welche zwischen dem negativen Kondensatoranschluss und dem positiven Batterieanschluss gekoppelt ist, wobei die vierte Diode konfiguriert ist, um Strom von dem negativen Kondensatoranschluss zu dem positiven Batterieanschluss zuzulassen.
16. Elektrisches System nach Ausführungsform 15, wobei das Steuermodul an das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement gekoppelt ist, und das Steuermodul konfiguriert ist, um das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement zu öffnen, wenn der Ladezustand der Batterie nicht innerhalb des vorher definierten Bereiches ist.
17. Elektrisches System nach Ausführungsform 14, wobei das Steuermodul an das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement gekoppelt ist, wobei in Antwort auf eine Änderung im Betriebsmodus das Steuermodul konfiguriert ist, um: das kapazitive Element durch Schließen des ersten Schaltelementes und des vierten Schaltelementes zu entladen, wenn der Ladezustand der Batterie größer als ein unterer Schwellwert ist; und das kapazitive Element durch Schließen des zweiten Schaltelementes und des dritten Schaltelementes zu entladen, wenn der Ladezustand der Batterie geringer als ein oberer Schwellwert ist.
18. Elektrisches System nach Ausführungsform 13, wobei eine Leerlaufspannung der Batterie geringer als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle ist und größer als eine Spannung der Brennstoffzelle unter voller Last ist.
19. Elektrisches System nach Ausführungsform 13, wobei das kapazitive Element einen Ultra-Kondensator aufweist.
20. Elektrisches System nach Ausführungsform 13, welches ferner eine elektrische Treibereinheit aufweist, welche an den Bus gekoppelt ist, wobei die elektrische Treibereinheit konfiguriert ist, um: Strom von dem Bus in einem ersten Betriebsmodus zu erhalten; und Strom an den Bus in einem zweiten Betriebsmodus zu liefern.

Claims

Elektrisches System für ein Fahrzeug, wobei das elektrische System aufweist: ein kapazitives Element; eine Schaltanordnung, welche an das kapazitive Element gekoppelt ist, wobei die Schaltanordnung so konfiguriert ist, um zwischen einer Schiene eines Busses und einem Energiespeicherelement gekoppelt zu werden; und ein Steuermodul, welches an die Schaltanordnung und das Steuerelement gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: die Schaltanordnung zu betreiben, so dass eine Spannung des Energiespeicherelements im Wesentlichen gleich zu einer Spannung der Schiene des Busses ist, wenn ein Ladezustand der Energiequelle größer als ein unterer Schwellwert und kleiner als ein oberer Schwellwert ist; die Schaltanordnung zu betreiben, um eine Spannung des kapazitiven Elements zu der Spannung des Energiespeicherelements hinzuzufügen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelements größer als der obere Schwellwert ist; und die Schaltanordnung zu betreiben, um die Spannung des kapazitiven Elementes von der Spannung des Energiespeicherelementes zu subtrahieren, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer als der untere Schwellwert ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Element einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an den zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes gekoppelt ist; einen dritten Knoten, welcher an die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen vierten Knoten, welcher an das Energiespeicherelement gekoppelt ist; einen ersten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der erste Schalter so konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der erste Schalter geschlossen ist; eine erste Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die erste Diode antiparallel zu dem ersten Schalter konfiguriert ist; einen zweiten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zuzulassen, wenn der zweite Schalter geschlossen ist; eine zweite Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die zweite Diode antiparallel zu dem zweiten Schalter konfiguriert ist; einen dritten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei der dritte Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem vierten Knoten zuzulassen, wenn der dritte Schalter geschlossen ist; eine dritte Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei die dritte Diode antiparallel zu dem dritten Schalter gekoppelt ist; einen vierten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei der vierte Schalter konfiguriert ist, um zu Strom von dem vierten Knoten zu dem zweiten Knoten zuzulassen, wenn der vierte Schalter geschlossen ist; und eine vierte Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei die vierte Diode antiparallel zu dem vierten Schalter konfiguriert ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist; und den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter und den vierten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des Energiespeicherelementes größer oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist.
Elektrisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: den ersten Schalter und den vierten Schalter zu schließen, wenn die Spannung des kapazitiven Elementes größer als null ist und der Ladezustand des Energiespeicherelementes größer oder gleich zu dem unteren Schwellwert in einem ersten Betriebsmodus ist; und den zweiten Schalter und den dritten Schalter zu schließen, wenn das spannungskapazitive Element größer als null ist und der Ladezustand des Energiespeicherelementes geringer als oder gleich dem oberen Schwellwert in einem zweiten Betriebsmodus ist.
Elektrisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: das kapazitive Element einen nicht polarisierten Kondensator aufweist, welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes und die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an den zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes und das Energiespeicherelement gespeichert ist; einen dritten Knoten; einen ersten Schalter, welcher zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der erste Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der erste Schalter geschlossen ist; eine erste Diode, welche zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die erste Diode antiparallel zu dem ersten Schalter gekoppelt ist; einen zweiten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter konfiguriert ist, um Strom von dem zweiten Knoten zu dem dritten Knoten zuzulassen, wenn der zweite Schalter geschlossen ist; und eine zweite Diode, welche zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei die zweite Diode antiparallel zu dem zweiten Schalter konfiguriert ist.
Elektrisches System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei: das kapazitive Element einen nicht polarisierten Kondensator aufweist, welcher einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss besitzt; und die Schaltanordnung aufweist: einen ersten Knoten, welcher an den ersten Anschluss des kapazitiven Elementes und die Schiene des Busses gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an dem zweiten Anschluss des kapazitiven Elementes und das Energiespeicherelement gekoppelt ist; ein Relais, welches zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das Relais konfiguriert ist, um bidirektionalen Strom zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten zuzulassen.
Verfahren für das Betreiben eines elektrischen Systems in einem Fahrzeug, wobei das elektrische System aufweist: eine Brennstoffzelle, welche an einen Bus gekoppelt ist, und eine Batterie, welche an den Bus über eine Schaltanordnung gekoppelt ist, welche an einen Kondensator gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: Betreiben der Schaltanordnung, so dass eine Batteriespannung der Batterie im Wesentlichen gleich zu einer Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelle ist, wenn ein Ladezustand der Batterie größer als ein unterer Schwellwert und kleiner als ein oberer Schwellwert ist; Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie kleiner als oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist; und Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie größer als oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Betreiben der Schaltanordnung, so dass die Batteriespannung im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung ist, das Kurzschließen des Kondensators aufweist, wenn der Ladezustand der Batterie zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Betreiben der Schaltanordnung, so dass die Batteriespannung im Wesentlichen gleich zu der Brennstoffzellenspannung ist, ferner aufweist: Wenn eine Spannung des Kondensators größer als null ist und der Ladezustand der Batterie zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert ist, Entladen des Kondensators vor dem Kurzschließen des Kondensators.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei: das Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie geringer als oder gleich zu dem unteren Schwellwert ist, das Subtrahieren einer Spannung des Kondensators von der Batteriespannung aufweist; und das Betreiben der Schaltanordnung, um den Kondensator elektrisch in Reihe zwischen der Batterie und dem Bus zu koppeln, wenn der Ladezustand der Batterie größer als oder gleich zu dem oberen Schwellwert ist, das Hinzufügen einer Spannung des Kondensators zu der Batteriespannung aufweist.