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Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes für ein Kraftfahrzeug.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge, können ein Hochvolt-Netz aufweisen, welches insbesondere der Bereitstellung elektrischer Energie für einen elektrischen Antrieb dient. Unter einem Hochvolt-Netz in einem Fahrzeug, auch als Hochvolt-Bordnetz bezeichnet, wird üblicherweise ein Bordnetz mit einer Betriebsspannung größer als 60 Volt bei Betrieb mit einer Gleichspannung und größer als 30 Volt bei Betrieb mit einer Wechselspannung verstanden. Durch die Brennstoffzelle wird dabei Energie in das Hochvolt-Netz eingespeist, insbesondere in einen Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes, an den verschiedene Verbraucher gekoppelt sein können. Weiterhin ist üblicherweise als Energiespeicher des Hochvolt-Netzes eine Hochvolt-Batterie vorgesehen, die Energie in den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen oder aus diesem entnehmen und speichern kann.
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Eine Beschädigung, beispielsweise eine Verletzung einer Leitung, oder eine Degradation der Isolation eines Hochvolt-Netzes beispielsweise infolge einer Wassereinlagerung kann zu einem unerwünschten Parallelstrom führen, welcher an der bereits vorgeschädigten Komponente eine weitere fortschreitende Schädigung und gegebenenfalls ein Übergreifen auf weitere Komponenten verursachen kann. Üblicherweise verfügt das Hochvolt-Netz zwar über Schutzmechanismen, wie Schütze und Hochvolt-Sicherungen, liegt jedoch ein Kurzschlussstrom unterhalb der Auslösekennlinie einer Sicherung vor, wie beispielsweise ein Kurzschluss in der Leistungselektronik oder im Hochvolt-Leitungssatz, so greift kein Schutzmechanismus und Schädigungen in den Komponenten oder im Leitungssatz können nicht verhindert werden. Dies kann zu größeren Beschädigungen führen, wenn der Fehler nicht detektiert wird.
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Aus der
US 2010/0237872 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Erkennen eines Leckstroms einer Batterie bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen potentialfreien Kondensator, welcher mit einer von einem Kathodenanschluss oder einem Anodenanschluss einer Batterie erfassten Spannung aufgeladen ist, einer Kathodenanschlussauswahl-Schalteinheit zum Auswählen eines Spannungserfassungspfads für den Kathodenanschluss und zum Aufladen des potentialfreien Kondensators mit einer Erfassungsspannung des Kathodenanschlusses, einer Anodenanschlussauswahl-Schalteinheit zum Auswählen eines Spannungserfassungspfads für den Anodenanschluss und zum Aufladen des potentialfreien Kondensators mit einer Erfassungsspannung des Anodenanschlusses, einer Gleichspannungs-Anlegeeinheit zum Anlegen einer Gleichspannung durch den Spannungserfassungspfad für den Anodenanschluss, einer Spannungs-Messeinheit zum Messen der geladenen Erfassungsspannung des Kathodenanschlusses oder Anodenanschlusses, und eine Leckstrom-Bestimmungseinheit zur Bestimmung des Auftretens eines Leckstroms auf der Grundlage der gemessenen Erfassungsspannungen des Kathodenanschlusses und Anodenanschlusses.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches mit einfachen Mitteln einen Schutz im Falle eines Fehlerstroms in dem Hochvolt-Netz ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hochvolt-Netz sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug weist einen Gleichspannungszwischenkreis auf, eine an den Gleichspannungszwischenkreis anschließbare Hochvolt-Batterie, eine an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Komponente, eine an den Gleichspannungszwischenkreis anschließbare Brennstoffzelle und eine Steuervorrichtung. Dabei ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, einen von der Brennstoffzelle in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeisten Brennstoffzellenstrom, einen Batteriestrom, der aus dem Gleichspannungszwischenkreis in die Hochvolt-Batterie oder aus der Hochvolt-Batterie in den Gleichspannungszwischenkreis fließt, und einen Komponentenstrom, der aus dem Gleichspannungszwischenkreis in die Komponente oder aus der Komponente in den Gleichspannungszwischenkreis fließt, zu ermitteln. Des Weiteren ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von einem Summenstrom, welcher durch eine Summe zumindest des Brennstoffzellenstroms, des Batteriestroms und des Komponentenstroms gebildet ist, wobei in die Summe in den Gleichspannungszwischenkreis fließende Ströme und aus dem Gleichspannungskreis fließende Ströme mit verschiedenen Vorzeichen eingehen, eine vorbestimmte Sicherheitsmaßnahme auszulösen.
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Hieraus ergibt sich der Vorteil einer Plausibilitätsprüfung der in den Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes eingespeisten Ströme in Bezug auf die aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommenen Ströme. Die Summenstromüberwachung vergleicht damit die erzeugten und verbrauchten Ströme im Hochvoltgleichspannungskreis. Dabei kann die Hochvoltbatterie Energie bzw. Strom aufnehmen und Energie bzw. Strom abgeben, was durch das entsprechende Vorzeichen bei der Summenbildung berücksichtigt wird. Ebenfalls kann die Komponente, wie beispielsweise eine Leistungselektronik zum Antrieb der E-Maschine, Energie bzw. Strom aufnehmen oder auch abgeben, was dann ebenfalls durch das entsprechende Vorzeichen bei der Summenbildung berücksichtigt wird. Die Brennstoffzelle kann dagegen nur Energie bzw. Strom abgeben. Die Summenstromüberwachung vergleicht also Plusströme und Minusströme im System. Die Summe über alle in und aus dem Gleichspannungszwischenkreis fließenden Ströme ist im Normalfall Null, so dass sich bei einer Ungleichheit von in den Gleichspannungszwischenkreis fließenden Strömen und aus dem Gleichspannungszwischenkreis fließenden Strömen auf einen Defekt, zum Beispiel einen Kurzschluss, schließen lässt. Auf der Basis dieser Bilanzbetrachtung der Ströme, welche über den Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes geführt werden, kann so besonders einfach ermittelt werden, ob ein Parallelstrom in nennenswerter Höhe innerhalb des Hochvolt-Netzes fließt, welcher von keinem der an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Komponenten, d. h. weder von der Brennstoffzelle noch von der Hochvolt-Batterie oder von der Komponenten oder einer anderen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Komponente erfasst wird. Die Bereitstellung der einzelnen durch die aufgezählten Komponenten fließenden Ströme an die Steuervorrichtung kann in dem Kraftfahrzeug besonders einfach dadurch realisiert werden, dass die Daten der in den jeweiligen Komponenten ohnehin eingesetzten Stromsensoren über ein Bussystem, beispielsweise einen CAN-Bus, an die Steuervorrichtung übertragen. Ebenso ist es damit auch möglich, eine entsprechende Steuerungsvorgabe von der Steuervorrichtung an die Brennstoffzelle und gegebenenfalls weiterer Komponenten zu übertragen. Durch die Erfindung kann ein verbesserter Schutz des Hochvolt-Netzes (Hochvolt-Antriebssystems), der Verbraucher, der Hochvolt-Batterie, der Brennstoffzelle sowie auch des Fahrers und der weiteren Mitfahrer erzielt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, als vorbestimmte Sicherheitsmaßnahme ein Warnsignal auszugeben und/oder den Stromfluss zwischen der Brennstoffzelle und dem Gleichspannungszwischenkreis und/oder zwischen der Hochvolt-Batterie und dem Gleichspannungszwischenkreis zu unterbinden. insbesondere ist die Steuervorrichtung dabei dazu ausgelegt, zum Unterbinden des Stromflusses die Brennstoffzelle und/oder die Hochvolt-Batterie mittels einer Schalteinrichtung, zum Beispiel jeweilige Schütze, über welche die Hochvoltbatterie und die Brennstoffzelle mit dem Gleichspannungszwischenkreis koppelbar sind, vom Gleichspannungszwischenkreis zu entkoppeln und/oder eine Medienzuführung der Brennstoffzelle zu stoppen. Bevorzugt wird, bevor allerdings die Schütze geöffnet werden, als Warnsignal im Bedien-und-Anzeigekonzept eine rote Warnlampe betätigt. Der Fahrer des Fahrzeugs ist somit gewarnt. Innerhalb einer vorgegebenen Zeit werden dann die Schütze der Hochvoltbatterie und Brennstoffzelle geöffnet. Dies führt zu einem Vortriebsverlust, das Fahrzeug rollt aus oder wenn das Fahrzeug schon steht, kann die Fahrt nicht mehr aufgenommen werden. Dadurch sind vorteilhafterweise umfassende Sicherheitsmaßnahmen bereitgestellt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung stellt die Komponente einen Hauptverbraucher, insbesondere eine Leistungselektronik, und/oder mindestens einen Nebenverbraucher, insbesondere einen elektrischer Kältemittelverdichter und/oder einen Hochvoltzuheizer, dar. Dabei soll der Begriff Verbraucher nicht dahingehend ausgelegt werden, dass ein Verbraucher lediglich dazu ausgelegt ist, Energie bzw. Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu beziehen, sondern er kann auch dazu ausgelegt sein, dem Gleichspannungszwischenkreis Energie bzw. Strom zuzuführen, wie beispielsweise im Fall der Leistungselektronik. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, alle mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelten Verbraucher auch in der Summenstrombetrachtung zu berücksichtigen. Rückschlüsse auf einen Defekt lassen sich durch entsprechende Näherungen bereits aus einer Summenstrombetrachtung ziehen, die nicht alle Verbraucher berücksichtigt. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn zumindest ein Hauptverbraucher berücksichtigt wird, der also einen gegenüber anderen Verbrauchern erhöhten Strombedarf aufweist. Je mehr der an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Verbraucher bei der Summenstrombetrachtung berücksichtigt werden, desto zuverlässiger lassen sich auch Defekte detektieren. Daher ist es zudem besonders vorteilhaft, auch Nebenverbraucher bei der Summenstrombetrachtung zu berücksichtigen. Damit lassen vorteilhafterweise auch Verbraucher mit geringerer Leistung, welcher einen deutlich kleineren Strom aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnehmen als beispielsweise der Hauptverbraucher, in die Plausibilitätsprüfung mit aufnehmen. Dies ist insbesondere in Situationen besonders vorteilhaft, in welchen die Leistungselektronik wie der Antriebsstromrichter nur einen sehr geringen Stromverbrauch aufweist. Demgegenüber können weitere an dem Gleichspannungszwischenkreis betriebene Nebenverbraucher unter Umständen sogar den überwiegenden Teil der an dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Last stellen. Daher ist es sehr vorteilhaft, wenn auch Nebenverbraucher in die Plausibilitätsprüfung integriert sind.
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Eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der Defektdetektion lässt sich erzielen, wenn alle mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelten Verbraucher bzw. Komponenten berücksichtigt werden. In gleicher Weise ist es auch besonders vorteilhaft, weitere mögliche Energiequellen, die dem Gleichspannungszwischenkreis Strom führen, zu berücksichtigen.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die Steuervorrichtung dazu ausgelegt ist, einen durch ein an den Gleichspannungszwischenkreis anschließbares Ladegerät im angeschlossenen Zustand bewirkten und in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeisten Ladestrom zu ermitteln und bei einer Bestimmung des Summenstroms zu berücksichtigen.
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Hierdurch wird die größtmögliche Prüfungsgenauigkeit erzielt, sodass im Idealfall die Summe aller aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommenen Ströme identisch zu den in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeisten Ströme ist, wobei die jeweiligen Ströme auf einfache Weise durch die jeweiligen Komponenten bzw. ihren Stromsensoren als Strommesswerte bereitgestellt werden können. Die Differenz unter Berücksichtigung der entsprechenden Genauigkeiten der jeweiligen Strommesswerte stellt damit beispielsweise einen parasitär fließenden Parallelstrom dar.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, die vorbestimmte Sicherheitsmaßnahme auszulösen wenn der Summenstrom eine vorbestimmte Abweichung von Null aufweist bzw. wenn eine Differenz zwischen den in den Gleichspannungszwischenkreis fließenden Strömen und aus dem Gleichspannungszwischenkreis fließenden Strömen einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Wie bereits beschreiben, kann als Sicherheitsmaßnahmen beispielsweise die Brennstoffzelle durch Öffnen der Schütze vom Gleichspannungszwischenkreis getrennt werden und die Brennstoffzelle selbst kann deaktiviert werden. Zum Deaktivieren der Brennstoffzelle kann beispielsweise ein Stopp der Medienzuführung der Brennstoffzelle, wie z. B. Luft und/oder Wasserstoff, sofort eingeleitet werden, zum Beispiel durch ein Schließen von Ventilen in den entsprechenden Zuführleitungen von einem Medienreservoir zur Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle produziert somit nur noch kurz geringfügig Leistung und letztendlich gar keine Leistung mehr, wodurch der Stromfluss im Gleichspannungszwischenkreis von der Brennstoffzelle unterbunden wird. Zusätzlich können von der Steuereinrichtung noch weitere Maßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise kann eine Trennung der Hochvolt-Batterie vom Gleichspannungszwischenkreis durch ein Öffnen der Schütze, über welche die Hochvolt-Batterie mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar ist, bewirkt werden. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, das Hochvolt-Netz spannungsfrei zu schalten, sodass eine weitere Schädigung zuverlässig verhindert wird. Zudem kann auch dem Fahrer eine Warninformation ausgegeben werden, wie zum Beispiel durch ein Einschalten einer roten Warnlampe, was bevorzugt zeitlich als erste Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird, um einen Fahrer des Fahrzeugs auf den aus den anderen Sicherheitsmaßen resultierenden Vortriebsverlust des Fahrzeugs vorzubereiten.
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Die vorbestimmte Abweichung bzw. die vorbestimmte Schwellwert bezüglich der Differenz kann dabei in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Messgenauigkeiten sowie des Grads der Abdeckung der möglichen an dem Gleichspannungszwischenkreis betriebenen Verbraucher bestimmt werden. Insbesondere kann die vorbestimmte Abweichung bzw. der vorbestimmte Schwellwert auch im Hinblick darauf gewählt werden, dass eine an einer schadhaften Komponente umgesetzte Leistung einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes für ein Kraftfahrzeug, wobei ein von einer Brennstoffzelle in einen Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes eingespeister Brennstoffzellenstroms, ein Batteriestrom, der aus dem Gleichspannungszwischenkreis in eine Hochvolt-Batterie oder aus der Hochvolt-Batterie in den Gleichspannungszwischenkreis fließt, und ein Komponentenstrom, der aus dem Gleichspannungszwischenkreis in eine Komponente oder aus der Komponente in den Gleichspannungszwischenkreis fließt, ermittelt wird und eine vorbestimmte Sicherheitsmaßnahme in Abhängigkeit von einem Summenstrom, welcher durch eine Summe zumindest des Brennstoffzellenstroms, des Batteriestroms und des gebildet ist, ausgelöst wird, wobei in die Summe in den Gleichspannungszwischenkreis fließende Ströme und aus dem Gleichspannungskreis fließende Ströme mit verschiedenen Vorzeichen eingehen.
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Die für das erfindungsgemäße Hochvolt-Netz beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Netzes.
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Ein Gleichspannungszwischenkreis eines Hochvolt-Netzes 10 ist mit einer Hochvolt-Batterie 12 über eine erste Schaltvorrichtung in Form zweier Batterie-Hochvolt-Schütze 14 elektrisch gekoppelt. Zur Ansteuerung der Batterie-Hochvolt-Schütze 14 ist eine Steuervorrichtung 16 vorgesehen, welche außerdem noch die Möglichkeit bietet, ein zum Laden der Hochvolt-Batterie 12 an den Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes 10 anschließbares Ladegerät 20 anzusteuern, den Betrieb einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis über einen DC/DC-Wandler 21 verbundenen Brennstoffzelle 23, sowie eine zweite Schaltvorrichtung in Form zweier Brennstoffzellen-Schütze 25, über welche die Brennstoffzelle 23, insbesondere auch der DC/DC-Wandler 21, mit dem Gleichspannungszwischenkreis koppelbar und von diesem entkoppelbar ist. Darüber hinaus ist der Brennstoffzelle 23 über eine Luftzuführleitung 27a Luft und über eine Wasserstoffzuführleitung 27b Wasserstoff zuführbar. Diese Medienzuführung kann beispielsweise durch Schließen zweier Ventile 29a und 29b, welche in den entsprechenden Zuführleitungen 27a und 27b angeordnet sind, und welche zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle 23 durch die Steuereinrichtung 16 ansteuerbar sind, unterbunden werden.
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Weiterhin ist an dem Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes 10 als Hauptverbraucher ein Antriebsstromrichter 22 (Leistungselektronik) angeschlossen. Der Antriebsstromrichter 22 dient zur Ansteuerung einer Antriebsmaschine 24. Bevorzugt handelt es sich bei der Antriebsmaschine 24 um ein Drehstrommaschine, insbesondere um eine Drehstrom-Asynchronmaschine. Vorteilhaft kann auch eine permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine zum Einsatz kommen. Des Weiteren ist an dem Gleichspannungszwischenkreis des Hochvolt-Netzes 10 ein erster Nebenverbraucher 26, insbesondere ein elektrischer Kältemittelverdichter, sowie ein zweiter Nebenverbraucher 28, insbesondere ein Hochvoltzuheizer, zum Beispiel ein HV-PTC, angeschlossen. Zusätzlich können noch weitere, hier nicht dargestellte Nebenverbraucher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt sein.
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Ist für einen Ladevorgang das Ladegerät 20 mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt, so fließt ein Ladestrom I20 aus dem Ladegerät 20 in den Gleichspannungszwischenkreis. Weiterhin kann der Antriebsstromrichter 22 einen Strom, im Folgenden als Hauptverbraucherstrom I22 bezeichnet, aus dem Gleichspannungszwischenkreis beziehen oder in diesen einspeisen. Darüber hinaus fließt im Betrieb des ersten Nebenverbrauchers 26 und des zweiten Nebenverbrauchers 28 jeweils ein erster Nebenverbraucherstrom I26 aus dem Gleichspannungszwischenkreis in den ersten Nebenverbraucher 26 und ein zweiter Nebenverbraucherstrom I28 aus dem Gleichspannungszwischenkreis in den zweiten Nebenverbraucher 28. Der der Hochvolt-Batterie zugeordnete Batteriestrom I12 kann je nach Situation entweder aus dem Gleichspannungszwischenkreis in die Hochvolt-Batterie 12 oder aus der Hochvolt-Batterie 12 in den Gleichspannungszwischenkreis fließen. Weiterhin wird auch ein Brennstoffzellenstrom I23a im Betrieb der Brennstoffzelle 23 mittelbar über den DC/DC-Wandler 21 dem Gleichspannungszwischenkreis zugeführt, wobei ein unmittelbare Brennstoffzellenstrom I23b direkt von der Brennstoffzelle 23 in den DC/DC-Wandler 21 fließt.
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Selbstverständlich kann auch jede andere Anzahl von Nebenverbrauchern an dem Gleichspannungszwischenkreis betrieben werden. Ebenso kann auch vorgesehen sein, mehr als einen Hauptverbraucher an dem Gleichspannungszwischenkreis zu betreiben.
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In einem Hochvolt-Netz, insbesondere einem Hochvolt-Antriebsstrang (Hochvolt-Batterie, Leistungselektronik, E-Maschine, DC/DC-Wandler, Hochvolt-Nebenaggregate wie HV-EKMV und HV-PTC) findet üblicherweise keine Stromplausibilisierung statt, d. h. ein elektrischer Strom, der durch die Brennstoffzelle 23 bereitgestellt wird, wird nicht abgeglichen. Es findet keine Summenstrombetrachtung der Verbraucher zum Stromerzeuger statt. Die Hochvolt-Batterie verfügt zwar über zwei Schutzmechanismen, Schütze und Hochvolt-Sicherung. Liegt aber ein Kurzschlussstrom unterhalb der Auslösekennlinie der (Hochvolt-)Sicherung vor, z. B. Kurzschluss in der Leistungselektronik oder im Hochvolt-Leitungssatz, so greift kein Schutzmechanismus, der das Ladegerät 20, die Hochvolt-Batterie 12 oder die Brennstoffzelle 23 vom Fahrzeug-Hochvoltstrang trennt. Schädigungen in den Komponenten oder im Leitungssatz werden nicht verhindert. Dies kann zu größeren Beschädigungen führen, wenn der Fehler nicht detektiert wurde.
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Mittels einer Plausibilitätsprüfung der Ströme in dem erfindungsgemäßen Hochvolt-Netz 10, insbesondere dem Hochvolt-Antriebsstrang, kann ein Abgleich der elektrischen Ströme, die in den Gleichspannungszwischenkreis fließen, insbesondere der Brennstoffzellenstrom I23 und ggf. der Batteriestrom I12 und der Hauptverbraucherstrom I22 sowie unter Umständen der Ladestrom I20, in Bezug zu den Strömen, die aus dem Gleichspannungszwischenkreis fließen, insbesondere in die jeweiligen aktiven Verbraucher 26, 28 und ggf. in die Hochvolt-Batterie 12 und in den Hauptverbraucher 22. Die Summe all dieser Ströme, insbesondere unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen, ist im Normalfall Null, das heißt, die in den Gleichspannungszwischenkreis fließenden Ströme sind in ihrer Summe gleich den aus dem Gleichspannungszwischenkreis fließenden Ströme. Liegt z. B. ein Kurzschlussstrom in der Leistungselektronik vor, so ist der Stromverbrauch in der Leistungselektronik um ein Vielfaches höher. Wird dieser erhöhte Stromverbrauch jedoch von dem der Leistungselektronik zugeordneten Stromsensor nicht erfasst, so entsteht in der Summenstrombetrachtung ein Ungleichgewicht.
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Die Summenstromüberwachung vergleicht also die erzeugten und verbrauchten Ströme im Hochvoltgleichspannungskreis, das heißt Plusströme und Minusströme im System. Ist die Summe ungleich einem vorgegebenen Maximalwert, erfolgt eine Reaktion. Liegt zum Beispiel ein Ungleichgewicht wegen einem Kurzschluss vor, schlägt die Summenstromüberwachung an. Die oben beschriebenen Ströme können dabei durch jeweilige Stromsensoren gemessen werden und die Strommesswerte der Steuervorrichtung 16 zugeführt werden.
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In dem als die Steuervorrichtung 16 dargestellten übergeordneten Steuergerät, z. B. einem sogenannten „Common Powertrain Controller” (CPC) wird erkannt, dass ein Ungleichgewicht vorliegt, wobei eine Schwelle zu definieren ist, und eine Aktion, wie beispielsweise eine Deaktivierung der Brennstoffzelle 23 durch eine Unterbindung der Medienzuführung der Brennstoffzelle 23, insbesondere durch Schließen der Ventile 29a, 29b, sowie alternativ oder zusätzlich weitere Aktionen wie ein Ladestopp der Hochvolt-Batterie 12 über das Ladegerät 20 oder eine Abkopplung der Hochvolt-Batterie durch Öffnen der Batterie-Schütze 14 oder eine Abkopplung der Brennstoffzelle 23 durch Öffnen der Brennstoffzellen-Schütze 25 kann eingeleitet werden. Zusätzlich kann der Fahrer vor Einleitung der oben beschriebenen Sicherheitsmaßnahmen über ein Bedien- und Anzeigekonzept informiert werden, beispielsweise mittels einer roten Warnlampe. Zusätzlich kann der detektierte Fehler auch im Motorsteuergerät abgelegt werden. Die Plausibilitätsprüfung des Stroms stellt also eine zusätzliche Schutzfunktion des Hochvolt-Netzes 10 bereit. Dem „Common Powertrain Controller” liegen alle nötigen Informationen über den CAN-Bus vor.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Anordnungen der Verbraucher beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
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Insgesamt wird so ein Hochvolt-Netz und ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes bereitgestellt, welche es über eine Summenstrombetrachtung auf einfache Weise ermöglichen einen besonders hohen und effektiven Schutz des Hochvolt-Antriebssystems inklusive der Brennstoffzelle, der Haupt- und Nebenaggregate, der Hochvolt-Batterie, des Ladegeräts sowie des Fahrers und Beifahrers bereitzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvolt-Netz
- 12
- Hochvolt-Batterie
- 14
- Batterie-Hochvolt-Schütz
- 16
- Steuervorrichtung
- 20
- Ladegerät
- 21
- DC/DC-Wandler
- 22
- Antriebsstromrichter
- 23
- Brennstoffzelle
- 24
- Antriebsmaschine
- 25
- Brennstoffzellen-Schütz
- 26
- Erster Nebenverbraucher
- 27a
- Luftzuführleitung
- 27b
- Wasserstoffzuführleitung
- 28
- Zweiter Nebenverbraucher
- 29a, 29b
- Ventile
- I12
- Batteriestrom
- I20
- Ladestrom
- I23a, I23b
- Brennstoffzellenstrom
- I22
- Hauptverbraucherstrom
- I26
- Erster Nebenverbraucherstrom
- I28
- Zweiter Nebenverbraucherstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0237872 A1 [0004]
