DE102016009346A1 - Coolant circuit coupling to a circuit arrangement with fuel cell stack and high-voltage battery for a motor vehicle - Google Patents

Coolant circuit coupling to a circuit arrangement with fuel cell stack and high-voltage battery for a motor vehicle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeugs, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (11), eine Hochvolt-Batterie (13), einen leistungselektronischen Energiewandler (12), über welchen der Brennstoffzellenstapel (11) mit der Hochvolt-Batterie (13) unter Nutzung einer gemeinsamen Potentialverbindung (16) elektrisch gekoppelt ist, eine Isolationsüberwachungsvorrichtung (14), welche dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen der Schaltungsanordnung (10) und einem davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotential (20) zu überwachen, und einen Kühlmittelkreislauf (15) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (11). Der Kühlmittelkreislauf (15) ist elektrisch mit der gemeinsamen Potentialverbindung (16) gekoppelt, wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) zwischen die gemeinsame Potentialverbindung (16) und das Erdpotential (20) geschaltet ist. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit eines Isolationswiderstands in einem die Schaltungsanordnung (10) umfassenden Hochvolt-Netz wird entsprechend vorgeschlagen, den Kühlmittelkreislauf (15) auf die gemeinsame Potentialverbindung (16) zu legen und die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) auf die gemeinsame Potentialverbindung (16) zu legen.The invention relates to a circuit arrangement (10) for a motor vehicle, comprising: a fuel cell stack (11), a high-voltage battery (13), a power electronic energy converter (12), via which the fuel cell stack (11) with the high-voltage battery (13) electrically coupled using a common potential connection (16), an insulation monitoring device (14) adapted to monitor an insulation resistance between the circuit arrangement (10) and a ground potential (20) operatively electrically isolated therefrom, and a coolant circuit (15). for cooling the fuel cell stack (11). The coolant circuit (15) is electrically coupled to the common potential connection (16), wherein the insulation monitoring device (14) between the common potential connection (16) and the ground potential (20) is connected. In order to improve the measurement accuracy of an insulation resistance in a high-voltage network comprising the circuit arrangement (10), it is accordingly proposed to place the coolant circuit (15) on the common potential connection (16) and to place the insulation monitoring device (14) on the common potential connection (16) ,

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.The invention relates to a circuit arrangement for a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating a circuit arrangement for a motor vehicle according to the preamble of patent claim 5.

Ein elektrisches Hochvolt-System wird in einem Kraftfahrzeug aus Sicherheitsgründen als sogenanntes IT-Netz (Isolated Terra) betrieben. Unter einem Hochvolt-Netz wird hierbei ein elektrisches Netz mit einer Betriebsspannung größer gleich 60 Volt bei Betrieb mit Gleichspannung und größer gleich 30 Volt bei Betrieb mit einer Wechselspannung verstanden. Um sicherzustellen, dass der Isolationszustand zwischen dem isolierten Hochvolt-Netz und einem umgebenden Erdpotential, bei einem Kraftfahrzeug das Potential der Fahrzeugkarosserie (Fahrzeugchassis), aufrechterhalten wird, ist eine Überwachung des Isolationszustands obligatorisch, der üblicherweise durch einen sogenannten Iso-Wächter permanent überprüft wird. Eine zuverlässige Funktion des Iso-Wächters in dem Hochvolt-Netz wird jedoch durch Spannungsschwankung innerhalb des Hochvolt-Netzes gestört. Mit zunehmenden Spannungsschwankungen werden hierbei die Störungen höher. In einem Hochvolt-Netz mit einem Brennstoffzellensystem sind typischerweise zwei Energiequellen verbaut, nämlich ein Brennstoffzellenstapel und eine Hochvolt-Batterie. Ein Hochvolt-Netz mit einem Brennstoffzellensystem ist jedoch weniger tolerant gegenüber Störungen, da erstens der elektrische Isolationswiderstand zwischen dem Hochvolt-Netz und dem umgebenden Erdpotential, also dem Potential der elektrisch leitenden der Fahrzeugkarosserie, herabgesetzt ist und zweitens eine elektrische Quelle in Form einer Brennstoffzelle naturgemäß hohe Spannungsschwankungen aufweist.An electric high-voltage system is operated in a motor vehicle for safety reasons as a so-called IT network (Isolated Terra). Under a high-voltage network here is an electrical network with an operating voltage greater than or equal to 60 volts when operating with DC and greater than or equal to 30 volts when operating with an AC voltage. To ensure that the insulation state between the isolated high-voltage network and a surrounding ground potential, the potential of the vehicle body (vehicle chassis) is maintained in a motor vehicle, a monitoring of the isolation state is mandatory, which is usually permanently checked by a so-called iso-guard. However, a reliable function of the iso-monitor in the high-voltage network is disturbed by voltage fluctuation within the high-voltage network. With increasing voltage fluctuations in this case the disturbances are higher. In a high-voltage network with a fuel cell system, typically two energy sources are installed, namely a fuel cell stack and a high-voltage battery. However, a high-voltage network with a fuel cell system is less tolerant of interference, since firstly the electrical insulation resistance between the high-voltage network and the surrounding ground potential, ie the potential of the electrically conductive vehicle body, is reduced and secondly an electrical source in the form of a fuel cell naturally has high voltage fluctuations.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2014 103 117 A1 ein Verfahren zum Überwachen des Isolationswiderstands in einem Fahrzeugvortriebssystem bekannt, wobei das Verfahren umfasst: Umwälzen eines Kühlmittels in einem Kühlmittelsystem, das mit einem Brennstoffzellenstapel, der wenigstens einen Teil des Fahrzeugvortriebssystems bildet, fluidtechnisch gekoppelt ist, wobei das Kühlmittel ein Wärmemanagement innerhalb des Brennstoffzellenstapels bereitstellt und wobei das Kühlmittel eine elektrische Isolation zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Fahrzeugfahrwert bereitstellt; Schließen wenigstens eines Schaltschützes in einem elektrischen System, das eine Stapelspannung und eine Batteriespannung umfasst; Messen eines ersten Isolationswerts, eines zweiten Isolationswerts, der Stapelspannung und der Batteriespannung. Das Verfahren umfasst des Weiteren Öffnen des wenigstens einen Schaltschützes mit dem elektrischen System; Messen eines ersten negativen Isolationswerts; Berechnen eines Stapelisolationswiderstands unter Verwendung des ersten Isolationswerts, des zweiten Isolationswerts, des ersten negativen Isolationswerts, der Stapelspannung und der Batteriespannung; Berechnen eines Kühlmittelleitfähigkeitswerts; und Angeben, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelsystem ersetzt werden muss, wenn der Kühlmittelleitfähigkeitswert einen Schwellenwert überquert.In this context is from the DE 10 2014 103 117 A1 a method of monitoring insulation resistance in a vehicle propulsion system, the method comprising: circulating a coolant in a coolant system fluidly coupled to a fuel cell stack forming at least part of the vehicle propulsion system, wherein the coolant provides thermal management within the fuel cell stack; wherein the coolant provides electrical isolation between the fuel cell stack and a vehicle driving value; Closing at least one contactor in an electrical system comprising a stack voltage and a battery voltage; Measuring a first isolation value, a second isolation value, the stack voltage, and the battery voltage. The method further comprises opening the at least one contactor to the electrical system; Measuring a first negative isolation value; Calculating a stack insulation resistance using the first insulation value, the second insulation value, the first negative insulation value, the stack voltage, and the battery voltage; Calculating a coolant conductivity value; and indicating that the coolant in the coolant system must be replaced when the coolant amenity value crosses a threshold.

Des Weiteren ist aus der JP 2007 305377 A ein Brennstoffzellensystem bekannt, in dem eine Erhöhung der Ionenleitfähigkeit des Kühlwassers sicher unterdrückt werden soll. Dazu weist eine Brennstoffzelle Stromabnehmerplatten auf, welche die von einem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie, die durch Zuführung eines Oxidationsmittels und eines Brennstoffs zu den jeweils einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden, sammeln. An der Brennstoffzelle ist ein Kühlwasserrohr zum Einführen des Kühlwassers in die Brennstoffzelle verbunden. Das Kühlwasserrohr weist einen isolierenden Rohrteil auf, welcher an die Brennstoffzelle angeschlossen ist und weist einen leitfähigen Rohrteil auf, welcher sich an den isolierenden Rohrteil anschließt. Zwischen der Brennstoffzelle und dem leitfähigen Rohrteil wird eine Potentialdifferenz durch ein Spannungsversorgungsgerät oder einen Umrichter erzeugt.Furthermore, from the JP 2007 305377 A a fuel cell system in which an increase in the ionic conductivity of the cooling water is to be securely suppressed. For this purpose, a fuel cell to pantograph plates, which collect the electrical energy generated by a fuel cell stack, which are generated by supplying an oxidizing agent and a fuel to the respective individual cells of the fuel cell stack. At the fuel cell, a cooling water pipe for introducing the cooling water into the fuel cell is connected. The cooling water pipe has an insulating pipe part which is connected to the fuel cell and has a conductive pipe part which adjoins the insulating pipe part. Between the fuel cell and the conductive pipe part, a potential difference is generated by a power supply device or an inverter.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluss des Kühlmittelkreislaufs auf die Isolationsüberwachung des Hochvolt-Netzes mit einfacheren Mitteln zu erreichen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.It is an object of the present invention to achieve the influence of the coolant circuit on the insulation monitoring of the high-voltage network with simpler means. This object is achieved by a circuit arrangement having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 5. Advantageous developments of the present invention are the subject matter of the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, welche einen Brennstoffzellenstapel, eine Hochvolt-Batterie, einen leistungselektronischen Energiewandler, eine Isolationsüberwachungsvorrichtung und einen Kühlmittelkreislauf umfasst. Über den leistungselektronischen Energiewandler ist der Brennstoffzellenstapel mit der Hochvolt-Batterie unter Nutzung einer gemeinsamen Potentialverbindung elektrisch gekoppelt. Insbesondere handelt es sich dabei um genau nur ein einziges gemeinsames Potential innerhalb des gesamten Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs. Die Isolationsüberwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, einen Isolationswiderstand zwischen der Schaltungsanordnung und einem davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotential zu überwachen. Als Erdpotential in einem Kraftfahrzeug wird hierbei das Potential betrachtet, welches durch die Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs gegeben ist. Der Kühlmittelkreislauf dient zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels, wobei als Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs bevorzugt Wasser, insbesondere Wasser mit einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit, eingesetzt wird. Der leistungselektronische Energiewandler ist bevorzugt als Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgeführt. Insbesondere ist der leistungselektronische Energiewandler als nicht galvanisch getrennter Energiewandler ausgeführt.The invention is based on a circuit arrangement for a motor vehicle, which comprises a fuel cell stack, a high-voltage battery, a power electronic energy converter, an insulation monitoring device and a coolant circuit. About the power electronic energy converter, the fuel cell stack is electrically coupled to the high-voltage battery using a common potential connection. In particular, it is precisely just a single common potential within the entire high-voltage network of the motor vehicle. The insulation monitoring device is designed to monitor an insulation resistance between the circuit arrangement and an operationally electrically isolated earth potential. In this case, the potential which is given by the vehicle body of the motor vehicle is considered as earth potential in a motor vehicle. Of the Coolant circuit is used to cool the fuel cell stack, wherein as the coolant of the coolant circuit preferably water, especially water with a very low electrical conductivity, is used. The power electronic energy converter is preferably designed as a DC-DC converter (DC / DC converter). In particular, the power electronic energy converter is designed as a non-galvanic energy converter.

Erfindungsgemäß wird die Schaltungsanordnung dadurch weitergebildet, dass der Kühlmittelkreislauf elektrisch mit der gemeinsamen Potentialverbindung gekoppelt ist, wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung zwischen die gemeinsame Potentialverbindung und das Erdpotential geschaltet ist.According to the invention, the circuit arrangement is further developed in that the coolant circuit is electrically coupled to the common potential connection, wherein the insulation monitoring device is connected between the common potential connection and the ground potential.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der von einem Brennstoffzellensystem herrührende Isolationswiderstand maßgeblich von dem Kühlsystem, speziell von dem auch als Kühlmittelstrecke bezeichneten Kühlmittelkreislauf bestimmt wird. Die Erfinder haben des Weiteren erkannt, dass alle Komponenten mit potentiell einflussreichen Isolationswerten, das heißt Komponenten, welche kleine elektrische Isolationswiderstände in das Hochvolt-Netz einbringen, nicht an Potentiale ankoppeln sollen, die in Reihe mit der Isolationsüberwachungsvorrichtung (Iso-Wächter) verbunden sind. Mit anderen Worten sollen die zu überwachenden Isolationsstrecken von der Isolationsüberwachungsvorrichtung nicht durch eine oder mehrere Spannungsquellen mit variabler Spannung getrennt sein. Durch die explizite Kontaktierung des Kühlmittelkreislaufs als Teil des Kühlsystems mit der gemeinsamen Potentialverbindung können Störungen durch Spannungsschwankungen des Brennstoffzellenstapels verringert werden. Deshalb wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Kühlmittelkreislauf (Kühlmittelstrecke) auf ein gemeinsames Potential zu legen, nämlich das Potential der gemeinsamen Potentialverbindung. Durch diese Art der Anbindung wird somit der störende Einfluss von Spannungsschwankungen auf die Isolationsüberwachung minimiert. Dadurch kann eine zuverlässige Isolationsmessung erreicht werden, was es ermöglicht, einen absoluten Grenzwert des Isolationswerts tiefer zu legen, bei dem eine Meldung eines Isolationsfehlers durch die Isolationsüberwachungsvorrichtung erfolgt. Dadurch können die Anforderungen an die Isolationsüberwachungsvorrichtung reduziert werden, beispielsweise im Hinblick auf die Betriebssicherheit, Kosten und projektübergreifende Anwendbarkeit.The invention is based on the finding that the insulation resistance arising from a fuel cell system is largely determined by the cooling system, especially by the coolant circuit, which is also referred to as the coolant line. The inventors have also recognized that all components with potentially influential isolation values, that is, components that introduce small electrical isolation resistances into the high-voltage network, should not couple to potentials that are connected in series with the isolation monitor (iso-monitor). In other words, the insulation paths to be monitored by the insulation monitoring device should not be separated by one or more voltage sources with variable voltage. By explicitly contacting the coolant circuit as part of the cooling system with the common potential connection, disturbances due to voltage fluctuations of the fuel cell stack can be reduced. Therefore, it is proposed according to the invention to place the coolant circuit (coolant line) at a common potential, namely the potential of the common potential connection. This type of connection thus minimizes the disruptive influence of voltage fluctuations on the insulation monitoring. As a result, a reliable insulation measurement can be achieved, which makes it possible to lower an absolute limit value of the insulation value at which an insulation fault is reported by the insulation monitoring device. As a result, the requirements for the insulation monitoring device can be reduced, for example with regard to operational safety, costs and cross-project applicability.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass der Minuspol der Hochvolt-Batterie und der Minuspol des Brennstoffzellenstapels mit der gemeinsamen Potentialverbindung elektrisch verbunden ist oder der Pluspol der Hochvolt-Batterie und der Pluspol des Brennstoffzellenstapels mit der gemeinsamen Potentialverbindung elektrisch verbunden ist.According to an advantageous embodiment of the circuit arrangement is provided that the negative pole of the high-voltage battery and the negative terminal of the fuel cell stack is electrically connected to the common potential connection or the positive pole of the high-voltage battery and the positive pole of the fuel cell stack is electrically connected to the common potential connection.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Isolationsüberwachungsvorrichtung mit dem Minuspol der Hochvolt-Batterie oder dem Pluspol der Hochvolt-Batterie elektrisch gekoppelt ist. Eine interne Prüfspannung der Isolationsüberwachungsvorrichtung kann somit zeitweise an einen der beiden Pole der Hochvolt-Batterie angekoppelt sein, beispielsweise über eine Umschaltvorrichtung.It can preferably be provided that the insulation monitoring device is electrically coupled to the negative pole of the high-voltage battery or the positive pole of the high-voltage battery. An internal test voltage of the insulation monitoring device can thus be temporarily coupled to one of the two poles of the high-voltage battery, for example via a switching device.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Isolationsüberwachungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen Isolationsfehler ausschließlich in Abhängigkeit von einem zwischen der gemeinsamen Potentialverbindung und dem Erdpotential ermittelten Isolationswiderstand anzuzeigen. Es versteht sich von selbst, dass bei der erläuterten Isolationsüberwachungsvorrichtung mit einer Prüfspannung keinesfalls nur der Isolationswiderstand gegenüber nur einem Hochvolt-Potential, also beispielweise gegenüber dem Pluspol der Hochvolt-Batterie oder gegenüber dem Minuspol der Hochvolt-Batterie, gemessen werden kann. Grundsätzlich werden stets auch die Isolationswiderstände der restlichen Potentiale mitgemessen. Somit verursachen veränderliche Spannungsquellen in Reihe zu einer Isolationsstrecke und der Prüfspannung der Isolationsüberwachungsvorrichtung veränderliche Messspannungen, welche nicht mehr eindeutig mit dem Isolationswiderstand der Isolationsstrecke korrelieren, was zu Messfehlern führt. Sind die mitgemessenen Isolationswiderstände der restlichen Potentiale jedoch von untergeordneter Größe (hoher Widerstand) gegenüber einem Isolationswiderstand zu der gemeinsamen Potentialverbindung, sind auch Spannungsschwankungen der beteiligten Quellen von untergeordnetem Wert.According to an advantageous development, it is provided that the insulation monitoring device is set up to display an insulation fault exclusively as a function of an insulation resistance determined between the common potential connection and the ground potential. It goes without saying that in the described insulation monitoring device with a test voltage not only the insulation resistance against only a high-voltage potential, so for example against the positive pole of the high-voltage battery or against the negative pole of the high-voltage battery can be measured. In principle, the insulation resistances of the remaining potentials are always measured as well. Thus, variable voltage sources in series with an isolation path and the test voltage of the insulation monitoring device cause variable measurement voltages which no longer unequivocally correlate with the isolation resistance of the isolation path, resulting in measurement errors. However, if the measured insulation resistances of the residual potentials are of subordinate magnitude (high resistance) to an insulation resistance to the common potential connection, voltage fluctuations of the sources involved are also of secondary importance.

Die Erfindung geht des Weiteren aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Schaltungsanordnung einen Brennstoffzellenstapel, eine Hochvolt-Batterie und einen leistungselektronischen Energiewandler umfasst. Dabei wird der Brennstoffzellenstapel mit der Hochvolt-Batterie unter Nutzung einer gemeinsamen Potentialverbindung elektrisch gekoppelt. Das Verfahren umfasst Überwachen eines Isolationswiderstands zwischen der Schaltungsanordnung und einen davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotential mittels einer Isolationsüberwachungsvorrichtung. Erfindungsgemäß wird das Verfahren weitergebildet durch Kühlen des Brennstoffzellenstapels mittels eines Kühlmittelkreislaufs, wobei der Kühlmittelkreislauf elektrisch mit der gemeinsamen Potentialverbindung gekoppelt wird, und wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung zwischen die gemeinsame Potentialverbindung und das Erdpotential geschaltet wird.The invention is further based on a method for operating a circuit arrangement for a motor vehicle, wherein the circuit arrangement comprises a fuel cell stack, a high-voltage battery and a power electronic energy converter. In this case, the fuel cell stack is electrically coupled to the high-voltage battery using a common potential connection. The method comprises monitoring an insulation resistance between the circuit arrangement and an operationally electrically isolated ground potential by means of an insulation monitoring device. According to the invention, the method is developed by cooling the fuel cell stack by means of a coolant circuit, wherein the coolant circuit is electrically coupled to the common potential connection, and wherein the insulation monitoring device is connected between the common potential connection and the ground potential.

Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellten Ausführungsformen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein. The embodiments and advantages shown for the circuit arrangement according to the invention apply mutatis mutandis to the inventive method. Consequently, corresponding device features and vice versa can be provided for device features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein elektrisches Ersatzschaltbild einer beispielhaften gattungsgemäßen Schaltungsanordnung, und 1 in a simplified schematic representation of an electrical equivalent circuit diagram of an exemplary generic circuit arrangement, and

2 in vereinfachter schematischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit den entsprechenden komplexen Ersatzwiderständen. 2 in a simplified schematic representation of a preferred embodiment according to the invention with the corresponding complex equivalent resistors.

In einem elektrischen Hochvolt-System eines Brennstoffzellenantriebs sind typischerweise zwei elektrische Quellen vorhanden, nämlich ein Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack), welcher in der Darstellung gemäß der 1 durch eine Spannungsquelle mit einer ersten Spannung U1 repräsentiert ist und eine Hochvolt-Batterie, welche durch eine Spannungsquelle mit einer zweiten Spannung U2 repräsentiert wird. Da die beiden Spannungsquellen nicht exakt gleiches Spannungsverhalten aufweisen, müssen die Spannungsquellen über einen Wandler gekoppelt werden. Dieser Wandler wirkt wie eine in Reihe geschaltete Spannungsquelle mit einer dritten Spannung U1-2. Alle in einem solchen Hochvolt-Netz wirksamen Isolationswiderstände können jeweils zusammengefasst betrachtet werden. Es existieren jeweils von den hier dargestellten drei Potentialen I, II, III entsprechende Isolationswiderstände RISO,1, RISO,2, RISO,3. Parallelgeschaltete Kapazitäten dürfen bei der Isolationsüberwachung, beispielsweise bei benachbarten Flächen zwischen dem Hochvolt-Netz und einem Gehäuse, aber auch explizit eingesetzte sogenannte Y-Kondensatoren zur Entstörung nicht vernachlässigt werden. Diese Kapazitäten sind in der 1 als Kapazitäten CY,1, CY,2, CY,3 dargestellt. Diese jeweils zwischen den Potentialen I, II, III und einem auch als Ground bezeichneten Erdpotential 20 wirksamen elektrischen Kopplungen stören insbesondere dann die Isolationsmessung durch einen Isolationswächter 14, wenn sich die erste Spannung U1 oder die zweite Spannung U2 ändern, da dann verschiedene Ströme durch die Kapazitäten CY,1, CY,2, CY,3 den Strom durch den „Isolationspfad” (gleich Fehlerstrom), welcher durch einen Isolationswächter 14 erfasst wird, ist zusätzlich vergrößern.In a high-voltage electrical system of a fuel cell drive, there are typically two electrical sources, namely a fuel cell stack (fuel cell stack), which in the illustration according to FIG 1 is represented by a voltage source having a first voltage U 1 and a high-voltage battery, which is represented by a voltage source having a second voltage U 2 . Since the two voltage sources do not have exactly the same voltage behavior, the voltage sources must be coupled via a converter. This converter acts like a serially connected voltage source with a third voltage U 1-2 . All insulation resistors operating in such a high-voltage network can be considered together. There are corresponding insulation resistances R ISO, 1 , R ISO, 2 , R ISO, 3 from the three potentials I, II, III shown here. Capacitors connected in parallel must not be neglected in insulation monitoring, for example in neighboring areas between the high-voltage network and a housing, but also explicitly used so-called Y capacitors for interference suppression. These capacities are in the 1 as capacities C Y, 1 , C Y, 2 , C Y, 3 shown. These each between the potentials I, II, III and a ground potential, also referred to as Ground 20 effective electrical couplings interfere in particular then the insulation measurement by an insulation guard 14 when the first voltage U 1 or the second voltage U 2 change, since then different currents through the capacitances C Y, 1 , C Y, 2 , C Y, 3 the current through the "isolation path" (equal fault current), which through an insulation guard 14 is recorded, is in addition enlarge.

Ein erheblicher Anteil des Isolationswiderstands der Kühlmittelstrecke eines Brennstoffzellensystems wird hier durch den Widerstand RISO,3 dargestellt. Diese Kühlmittelstrecke besteht typischerweise aus einem Zulauf und einem Rücklauf. Beides wird derzeit über eine gemeinsame Medien-Verteiler-Einheit an den Brennstoffzellenstack angeschlossen. In der derzeitigen Variante liegt die Medien-Verteiler-Einheit an dem positiven Ende des Brennstoffzellenstacks, die negative Seite des Brennstoffzellenstacks ist lediglich durch Luft-/Kriechstrecken über das mit Masse (beziehungsweise „Ground”) verbundene Gehäuse elektrisch gekoppelt. Diese Kopplung kann im Vergleich zur Kühlmittelstrecke als vernachlässigbar hochohmig angenommen werden (circa Faktor 100).A significant proportion of the insulation resistance of the coolant section of a fuel cell system is represented here by the resistance R ISO, 3 . This coolant line typically consists of an inlet and a return. Both are currently connected via a common media distribution unit to the fuel cell stack. In the current variant, the media manifold unit is located at the positive end of the fuel cell stack, and the negative side of the fuel cell stack is only electrically coupled through air / creepage paths via the grounded housing. This coupling can be assumed to be negligibly high impedance compared to the coolant line (about a factor of 100).

Bei einer angenommenen, hinreichend konstanten zweiten Spannung U2, jedoch mit erheblichen Spannungsschwankungen versehenen ersten Spannung U1 wird die vorteilhafte Anbindung der Kühlmittelstrecke an dem gemeinsamen Potential I vorgeschlagen. Das heißt, die Kühlmittelstrecke kann innerhalb des Brennstoffzellenstacksystems (Anordnung der Verteilerplatten, Verschaltung von Zellgruppen et cetera) beliebige Potentiale des Stacks berühren, es soll jedoch im Eingang (Zulauf) beziehungsweise Ausgang (Rücklauf) die Kühlmittelstrecke auf das gemeinsame Potential gelegt werden, entsprechend dem nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in der 2 auf den Minuspol.At an assumed, sufficiently constant second voltage U 2 , but provided with significant voltage fluctuations first voltage U 1 , the advantageous connection of the coolant line at the common potential I is proposed. That is, the coolant line can touch any potential of the stack within the fuel cell stack system (arrangement of the distributor plates, interconnection of cell groups et cetera), but it should be placed in the input (inlet) or outlet (return), the coolant line to the common potential, according to hereinafter described preferred embodiment as shown in the 2 on the negative pole.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Schaltungsanordnung 10 einen Brennstoffzellenstapel 11, einen leistungselektronischen Energiewandler 12, eine Hochvolt-Batterie 13 und einen Isolationswächter 14. Der Brennstoffzellenstapel 11 umfasst einen ersten Brennstoffzellenanschluss 11a, welcher mit einem ersten Energiewandleranschluss 12a des Energiewandlers 12 elektrisch leitend verbunden ist, sowie einen zweiten Brennstoffzellenanschluss 11b auf, welcher mit einem zweiten Energiewandleranschluss 12b des Energiewandlers 12 elektrisch leitend verbunden ist. Des Weiteren weist die Hochvolt-Batterie 13 einen ersten Batterieanschluss 13a auf, welcher elektrisch leitend mit einem dritten Energiewandleranschluss 12c des Energiewandlers 12 verbunden ist, sowie einen zweiten Batterieanschluss 13b auf, welcher elektrisch leitend mit einem vierten Energiewandleranschluss 12d des Energiewandlers 12 elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Energiewandleranschluss 12a und der zweite Energiewandleranschluss 12b sind dabei einer Primärseite des Energiewandlers 12 zugeordnet, an welcher Energie aus dem Brennstoffzellenstapel 11 eingespeist wird. Der dritte Energiewandleranschluss 12c und der vierte Energiewandleranschluss 12d sind einer Sekundärseite des Energiewandlers 12 zugeordnet, welcher der Bereitstellung der aus dem Brennstoffzellenstapel 11 bezogenen elektrischen Energie auf der Seite der Hochvolt-Batterie 13 dient. Der zweite Brennstoffzellenanschluss 11b und der zweite Batterieanschluss 13b sowie der zweite Energiewandleranschluss 12b und der dritte Energiewandleranschluss 12c sind über eine gemeinsame elektrische Verbindung 16 elektrisch leitend miteinander verbunden und liegen somit auf dem elektrischen Potential 1.According to a preferred embodiment of the invention, a circuit arrangement comprises 10 a fuel cell stack 11 , a power electronic energy converter 12 , a high-voltage battery 13 and an isolation guard 14 , The fuel cell stack 11 includes a first fuel cell connector 11a , which with a first energy converter connection 12a of the energy converter 12 is electrically connected, and a second fuel cell connection 11b on, which with a second energy converter connection 12b of the energy converter 12 is electrically connected. Furthermore, the high-voltage battery 13 a first battery connection 13a which is electrically conductive with a third energy converter connection 12c of the energy converter 12 connected, as well as a second battery connection 13b which is electrically conductive with a fourth energy converter connection 12d of the energy converter 12 is electrically connected. The first energy converter connection 12a and the second Power transformer connection 12b are a primary side of the energy converter 12 assigned to which energy from the fuel cell stack 11 is fed. The third energy converter connection 12c and the fourth energy converter connection 12d are a secondary side of the energy converter 12 associated with providing the fuel cell stack 11 related electrical energy on the side of the high-voltage battery 13 serves. The second fuel cell connection 11b and the second battery connector 13b as well as the second energy converter connection 12b and the third energy converter connection 12c are via a common electrical connection 16 electrically connected to each other and thus are at the electrical potential 1 ,

Ein erster Isolationswächteranschluss 14a des Isolationswächters 14 ist elektrisch leitend mit der gemeinsamen elektrischen Verbindung 16 verbunden, ein zweiter Isolationswächteranschluss 14b des Isolationswächters 14 ist mit einem das Erdpotential 20 führenden Leiter, beispielsweise der Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs, verbunden. Ein dritter Isolationswächteranschluss 14c des Isolationswächters 14 ist mit dem ersten Batterieanschluss 13a elektrisch leitend verbunden, welcher gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch den Pluspol der Hochvolt-Batterie 13 gegeben ist.A first insulation monitor connection 14a of the isolation guard 14 is electrically conductive with the common electrical connection 16 connected, a second insulation monitor connection 14b of the isolation guard 14 is one with the earth potential 20 leading conductor, for example, the vehicle body of the motor vehicle connected. A third insulation monitor connection 14c of the isolation guard 14 is with the first battery connection 13a electrically connected, which according to the preferred embodiment by the positive pole of the high-voltage battery 13 given is.

Die Schaltungsanordnung 10 umfasst des Weiteren eine Kühlmittelstrecke 15, die Teil eines für die Kühlung des Brennstoffzellenstapels 11 vorgesehenen Kühlsystems ist. Mit Kühlmittelstrecke wird hierbei der eigentliche Kühlmittelkreislauf bestehend aus dem vorzugsweise flüssigen Kühlmittel, insbesondere Wasser, und dem das Kühlmittel führende Leitungssystem bezeichnet. Elektrisch versorgte Komponenten des Kühlsystems, beispielsweise elektrisch angetriebene Pumpen und dergleichen, zählen hingegen nicht zu dem Kühlmittelkreislauf im Sinne der Erfindung. Die Kühlmittelstrecke 15 ist auf die gemeinsame Verbindung 16 gelegt, wodurch zwischen der Kühlmittelstrecke 15 und der gemeinsamen Verbindung 16 ein Potentialausgleich hergestellt wird. Eine Herstellung eines elektrischen Kontakts kann beispielsweise durch ein Rohrleitungsstück des Kühlmittelkreislaufs realisiert sein.The circuit arrangement 10 further includes a coolant line 15 Part of one for cooling the fuel cell stack 11 provided cooling system. With coolant line in this case the actual coolant circuit consisting of the preferably liquid coolant, in particular water, and the refrigerant line leading system is called. Electrically supplied components of the cooling system, for example, electrically driven pumps and the like, however, do not belong to the coolant circuit according to the invention. The coolant line 15 is on the common connection 16 placed, whereby between the coolant distance 15 and the common connection 16 a potential equalization is produced. A production of an electrical contact can be realized, for example, by a pipe section of the coolant circuit.

Der Beitrag des prinzipiell vorhandenen Isolationswiderstands RISO,3 kann im Allgemeinen vernachlässigt werden, da dieser eine untergeordnete Rolle spielt. Denn, wie zuvor beschrieben, stellt die Kühlmittelstrecke 15 den isolationsbestimmenden Widerstandsanteil des Isolationswiderstands RISO,1 dar.The contribution of the principle existing insulation resistance R ISO, 3 can generally be neglected, since this plays a minor role. Because, as described above, provides the coolant line 15 the insulation-determining resistance component of the insulation resistance R ISO, 1 represents.

Hier liegen nun der durch die Kühlmittelstrecke 15 zusätzlich eingebrachte Isolationswiderstand RISO,1 sowie der Isolationswiderstand RIso1 auf einem Potential, nämlich dem Potential I, welches bei der Vermessung einer Spannungsvariation der ersten Spannung U, unterworfen ist. Um die Funktionsweise des Isolationswächters 14 zu veranschaulichen, ist dessen innerer Aufbau beispielhaft durch einen Signalgenerator 141, einen Messwiderstand 142, ein Messgerät 143 sowie einen Umschalter 144 dargestellt. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass mittels des Signalgenerators 141 ein elektrisches Signal, vorzugsweise ein Rechtecksignal, zwischen dem ersten Isolationswächteranschluss 14a und dem zweiten Isolationswächteranschluss 14b beziehungsweise zwischen dem dritten Isolationswächteranschluss 14c und dem zweiten Isolationswächteranschluss 14b angelegt wird und ein in dessen Folge durch den Messwiderstand 142 fließender Messstrom durch das Messgerät 143 detektiert wird.Here are now the through the coolant line 15 additionally introduced insulation resistance R ISO, 1 and the insulation resistance R Iso1 at a potential, namely the potential I, which in the measurement of a voltage variation of the first voltage U, is subjected. To the operation of the insulation guard 14 to illustrate, its internal structure is exemplified by a signal generator 141 , a measuring resistor 142 , a measuring device 143 and a switch 144 shown. The operating principle is based on the fact that by means of the signal generator 141 an electrical signal, preferably a square wave signal, between the first insulation monitor terminal 14a and the second isolation guard connection 14b or between the third insulation guard connection 14c and the second isolation guard connection 14b is created and one in consequence by the measuring resistor 142 flowing measuring current through the measuring device 143 is detected.

Bei einem angenommenen, hochohmigen Wert von RIso2 kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Isolationsmessung in einer dargestellten ersten Schalterstellung S1 vorgesehen sein. Dabei ist der Signalgenerator 141 in Reihe mit dem Messwiderstand 142 zwischen das Potential I und das Erdpotential 20 geschaltet. Dadurch können weitere Störungen durch Spannungsänderungen der zweiten Spannung U2 vermieden werden.With an assumed, high-resistance value of R Iso2 , according to a particularly preferred embodiment, the insulation measurement can be provided in a first switch position S1 shown. Here is the signal generator 141 in series with the measuring resistor 142 between the potential I and the earth potential 20 connected. As a result, further disturbances due to voltage changes of the second voltage U 2 can be avoided.

Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Somit können weitere, von dem Kühlmittelkreislauf verschiedene Komponenten, welche zu einer signifikanten Verringerung der gemessenen Isolationswerte beitragen können, gezielt nicht an Potentiale ankoppelt werden, die in Reihe mit dem Isolationswächter 14 verbunden sind, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.The embodiment is merely illustrative of the invention and is not limitative of it. Thus, other components that are different from the coolant circuit and that can contribute to a significant reduction in the measured insulation values can not be specifically coupled to potentials that are in series with the insulation monitor 14 are connected without departing from the spirit of the invention.

Somit wurde voranstehend eine spezifische Kühlmittelanbindung an ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welche eine Reduktion der Messergebnisverfälschung von Isolationswiderständen infolge von Spannungsschwankungen in dem Brennstoffzellensystem ermöglicht.Thus, a specific coolant connection to a fuel cell system has been proposed above, which enables a reduction in the measurement result falsification of insulation resistances due to voltage fluctuations in the fuel cell system.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Schaltungsanordnungcircuitry
1111
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
11a11a
erster Brennstoffzellenanschlussfirst fuel cell connection
11b11b
zweiter Brennstoffzellenanschlusssecond fuel cell connection
1212
leistungselektronischer Energiewandlerpower electronic energy converter
12a12a
erster Energiewandleranschlussfirst energy converter connection
12b12b
zweiter Energiewandleranschlusssecond energy converter connection
12c12c
dritter Energiewandleranschlussthird energy converter connection
12d 12d
vierter Energiewandleranschlussfourth energy converter connection
1313
Hochvolt-BatterieHigh-voltage battery
13a13a
erster Batterieanschlussfirst battery connection
13b13b
zweiter Batterieanschlusssecond battery connection
1414
Isolationswächterinsulation monitors
14a14a
erster Isolationswächteranschlussfirst insulation monitor connection
14b14b
zweiter Isolationswächteranschlusssecond insulation monitor connection
14c14c
dritter Isolationswächteranschlussthird insulation monitor connection
141141
Signalgeneratorsignal generator
142142
Messwiderstandmeasuring resistor
143143
Messgerätgauge
144144
Umschalterswitch
1515
KühlmittelstreckeCoolant path
1616
gemeinsame elektrische Verbindungcommon electrical connection
2020
Erdpotentialground
CY,1, CY,2, CY,3, CY,3' C Y, 1 , C Y, 2 , C Y, 3 , C Y, 3 '
Kapazitätcapacity
RISO,1; RISO,1'; RISO,2; RISO,3; RISO,3' R ISO, 1 ; R ISO, 1 ' ; R ISO, 2 ; R ISO, 3 ; R ISO, 3 '
Isolationswiderstandinsulation resistance
S1; S2S1; S2
Schalterstellungswitch position
U1 U 1
erste Spannungfirst tension
U2 U 2
zweite Spannungsecond tension
U1-2 U 1-2
dritte Spannungthird tension
I; II; IIII; II; III
Potentialpotential

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014103117 A1 [0003] DE 102014103117 A1 [0003]
  • JP 2007305377 A [0004] JP 2007305377 A [0004]

Claims (5)

Schaltungsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeugs, umfassend: – einen Brennstoffzellenstapel (11), – eine Hochvolt-Batterie (13), – einen leistungselektronischen Energiewandler (12), über welchen der Brennstoffzellenstapel (11) mit der Hochvolt-Batterie (13) unter Nutzung einer gemeinsamen Potentialverbindung (16) elektrisch gekoppelt ist, – eine Isolationsüberwachungsvorrichtung (14), welche dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen der Schaltungsanordnung (10) und einem davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotential (20) zu überwachen, und – einen Kühlmittelkreislauf (15) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (15) elektrisch mit der gemeinsamen Potentialverbindung (16) gekoppelt ist, wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) zwischen die gemeinsame Potentialverbindung (16) und das Erdpotential (20) geschaltet ist.Circuit arrangement ( 10 ) for a motor vehicle, comprising: - a fuel cell stack ( 11 ), - a high-voltage battery ( 13 ), - a power electronic energy converter ( 12 ) over which the fuel cell stack ( 11 ) with the high-voltage battery ( 13 ) using a common potential connection ( 16 ) is electrically coupled, - an insulation monitoring device ( 14 ), which is designed to provide an insulation resistance between the circuit arrangement ( 10 ) and one of them operatively electrically isolated ground potential ( 20 ), and - a coolant circuit ( 15 ) for cooling the fuel cell stack ( 11 ), characterized in that the coolant circuit ( 15 ) electrically connected to the common potential connection ( 16 ), wherein the insulation monitoring device ( 14 ) between the common potential connection ( 16 ) and the earth potential ( 20 ) is switched. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol der Hochvolt-Batterie (13) und der Minuspol des Brennstoffzellenstapels (11) mit der gemeinsamen Potentialverbindung (16) elektrisch verbunden ist oder der Pluspol der Hochvolt-Batterie (13) und der Pluspol des Brennstoffzellenstapels (11) mit der gemeinsamen Potentialverbindung (16) elektrisch verbunden ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the negative pole of the high-voltage battery ( 13 ) and the negative pole of the fuel cell stack ( 11 ) with the common potential connection ( 16 ) is electrically connected or the positive pole of the high-voltage battery ( 13 ) and the positive pole of the fuel cell stack ( 11 ) with the common potential connection ( 16 ) is electrically connected. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) mit dem Minuspol der Hochvolt-Batterie (13) oder dem Pluspol der Hochvolt-Batterie (13) elektrisch gekoppelt ist.Circuit arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulation monitoring device ( 14 ) with the negative terminal of the high-voltage battery ( 13 ) or the positive pole of the high-voltage battery ( 13 ) is electrically coupled. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, einen Isolationsfehler ausschließlich in Abhängigkeit von einem zwischen der gemeinsamen Potentialverbindung (16) und dem Erdpotential (20) ermittelten Isolationswiderstand anzuzeigen.Circuit arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulation monitoring device ( 14 ) is adapted to an insulation fault exclusively as a function of one between the common potential connection ( 16 ) and the earth potential ( 20 ) indicated insulation resistance. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Schaltungsanordnung einen Brennstoffzellenstapel (11), eine Hochvolt-Batterie (13) und einen leistungselektronischen Energiewandler (12) umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel (11) mit der Hochvolt-Batterie (13) unter Nutzung einer gemeinsamen Potentialverbindung (16) elektrisch gekoppelt wird, durch – Überwachen eines Isolationswiderstands zwischen der Schaltungsanordnung (10) und einem davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotential (20) mittels einer Isolationsüberwachungsvorrichtung (14), gekennzeichnet durch – Kühlen des Brennstoffzellenstapels mittels eines Kühlmittelkreislaufs (15), wobei der Kühlmittelkreislauf (15) elektrisch mit der gemeinsamen Potentialverbindung (16) gekoppelt wird, und wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung (14) zwischen die gemeinsame Potentialverbindung (16) und das Erdpotential (20) geschaltet wird.Method for operating a circuit arrangement ( 10 ) for a motor vehicle, the circuit arrangement comprising a fuel cell stack ( 11 ), a high-voltage battery ( 13 ) and a power electronic energy converter ( 12 ), wherein the fuel cell stack ( 11 ) with the high-voltage battery ( 13 ) using a common potential connection ( 16 ) is electrically coupled, by - monitoring an insulation resistance between the circuit arrangement ( 10 ) and one of them operatively electrically isolated ground potential ( 20 ) by means of an insulation monitoring device ( 14 ), characterized by - cooling the fuel cell stack by means of a coolant circuit ( 15 ), wherein the coolant circuit ( 15 ) electrically connected to the common potential connection ( 16 ), and wherein the insulation monitoring device ( 14 ) between the common potential connection ( 16 ) and the earth potential ( 20 ) is switched.
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