DE102016211285A1 - Vehicle and circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of transport between two voltage-sensitive energy sources - Google Patents

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Dominik Gruber
Christopher Kolbeck
Simon ROGGE
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Abstract

Es werden ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel sowie eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (10) zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle (3) und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle (4) umfassend:
– einen ersten Transistor (T2),
– eine Induktivität (L) und
– eine Auswerteeinheit (6)
wobei der Transistor (T2) und die Induktivität (L) ein Schaltnetzteil bilden, und die Auswerteeinheit (6) eingerichtet ist, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors (T2) im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes (Z1) des Fortbewegungsmittels (10) bei fortwährendem Stromfluss durch die Induktivität (L) zu verhindern.
An electrically drivable means of locomotion as well as a circuit arrangement for switching electrical energy in an electrical system of a means of locomotion (10) between a first voltage-soft power source (3) and a second voltage-soft power source (4) comprising:
A first transistor (T2),
- an inductance (L) and
- an evaluation unit (6)
wherein the transistor (T2) and the inductance (L) form a switching power supply, and the evaluation unit (6) is set up, a clocked operation of the first transistor (T2) in response to the detection of a predefined operating state (Z1) of the means of transport (10) with continuous current flow through the inductance (L) to prevent.

Figure DE102016211285A1_0001
Figure DE102016211285A1_0001

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel sowie eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Nutzung der Kenntnis bestimmter Betriebszustände zur Vermeidung unnötiger Schaltvorgänge sowie zur Vereinfachung der verwendeten DC/DC-Wandler.The present invention relates to a means of locomotion as well as a circuit arrangement for the transmission of electrical energy in a vehicle electrical system of a means of locomotion between a first voltage-soft power source and a second voltage-soft power source. In particular, the present invention relates to the use of the knowledge of certain operating states to avoid unnecessary switching operations and to simplify the DC / DC converter used.

Bei einem Brennstoffzellensystem ist nach dem heutigen Stand der Technik eine Brennstoffzelle mittels Gleichstromwandler(DC/DC)-Wandler an eine Hochleistungsbatterie gekoppelt. Diese wird wiederum auf einen Antriebsinverter zur Bereitstellung von Traktionsenergie geschaltet. Der DC/DC-Wandler gleicht die Spannungen des Brennstoffzellensystems an die Spannung der Batterie an und regelt damit den Stromfluss durch die Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand des Fahrzeugs. Während die Batterie im Wesentlichen ohne Zeitverzögerung zur Bereitstellung unterschiedlicher Spannungs- und Stromgrößen eingerichtet ist, ist ein Brennstoffzellensystem mit einer gewissen Trägheit bis zur Bereitstellung entsprechender elektrischer Kenngrößen beaufschlagt. Daher wird die Batterie bevorzugt zum Rekuperieren und zur Trägheitskompensation (Dynamikerhöhung) verwendet. Außerdem kann mittels der Batterie eine Stromgradientenbegrenzung des Brennstoffzellenstroms erfolgen, um erhöhten Verschleiß der Brennstoffzelle zu vermeiden. Wenn das System so ausgelegt ist, dass in Abhängigkeit des Systemzustands entweder die Spannung der Brennstoffzelle oder die Spannung der Batterie höher ist (überlappende Spannungsbänder), wird eine aufwendige Hochsetzsteller-/Tiefsetzstellertopologie verwendet (siehe 3).In a fuel cell system, according to the current state of the art, a fuel cell is coupled to a high-power battery by means of a DC-DC converter (DC / DC) converter. This is in turn switched to a drive inverter to provide traction energy. The DC / DC converter adjusts the voltages of the fuel cell system to the voltage of the battery and thus regulates the flow of current through the fuel cell depending on the respective state of the vehicle. While the battery is set up to provide different voltage and current quantities with substantially no time delay, a fuel cell system is subject to some inertia until appropriate electrical characteristics are provided. Therefore, the battery is preferably used for recuperation and inertia compensation (dynamic increase). In addition, by means of the battery, a Stromgradientenbegrenzung the fuel cell flow to avoid increased wear of the fuel cell. If the system is designed so that either the voltage of the fuel cell or the voltage of the battery is higher (overlapping voltage bands) depending on the system condition, a sophisticated boost converter / buck converter topology is used (see 3 ).

Die im Stand der Technik stets für eine beidseitige Energieflussrichtung ausgelegten DC/DC-Wandler weisen üblicherweise einen im Wesentlichen symmetrischen Aufbau bezüglich Eingangsseite und Ausgangsseite auf, wobei bei der einphasigen Ausführung mindestens zwei Kondensatoren, eine Drosselspule und vier Transistoren verwendet werden, um in einem Taktbetrieb die in der Drosselspule gespeicherte Energie zum Ermöglichen eines Stromflusses in Richtung des Antriebsinverters zu ermöglichen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltverluste sowie die ohmschen Verluste bei der Vermittlung elektrischer Energie zu verringern. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfacheren, kostengünstigeren und leichteren Aufbau für einen DC/DC-Wandler zu ermöglichen.The DC / DC converters, which are always designed for a bilateral energy flow direction in the prior art, usually have a substantially symmetrical structure with respect to the input side and the output side, wherein in the single-phase design at least two capacitors, a choke coil and four transistors are used in a clock mode to allow the energy stored in the choke coil to allow current to flow towards the drive inverter. It is an object of the present invention to reduce the switching losses as well as the ohmic losses in the transmission of electrical energy. It is a further object of the present invention to provide a simpler, less expensive, and lighter construction for a DC / DC converter.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle gelöst. Die erste spannungsweiche Energiequelle kann beispielsweise eine Batterie bzw. ein Akkumulator sein. Die zweite spannungsweiche Energiequelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle sein. Zur Vermittlung der Energie sind in der einphasigen Ausführung ein erster Transistor, (bevorzugt auch ein zweiter Transistor) und eine Induktivität vorgesehen. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, den ersten Transistor (und ggf. auch den zweiten Transistor) anzusteuern. Der Transistor bzw. die Transistoren und die Induktivität bilden ein Schaltnetzteil, mittels dessen zumindest in eine Richtung elektrische Energie einer ersten niedrigeren Spannungslage auf eine zweite höhere Spannungslage gewandelt werden kann. Dies erfolgt üblicherweise durch einen gegenläufig getakteten Betrieb des jeweiligen Transistors bei der Verwendung mindestens zweier Transistoren, wobei in einem ersten Schritt ein Stromfluss durch die Induktivität in Richtung Masse provoziert wird und nach einem Schaltvorgang in einem zweiten Schritt die Induktivität einen Stromfluss in Richtung der höheren Spannungslage treibt. Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit eingerichtet, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes des Fortbewegungsmittels zu verhindern. Der Betriebszustand weist die notwendige Bedingung auf, dass ein Strom durch die Induktivität fließt. Die Schaltungsanordnung wird also während des oben beschriebenen Betriebszustandes betrieben Der Betriebszustand kann beispielsweise ein Betriebszustand des Bordnetzes des Fortbewegungsmittels sein, welcher insbesondere anhand einer Fahrzustandsgröße (Geschwindigkeit und/oder Lastzustand und/oder Beschleunigung o. ä.) erkannt wird. Mit anderen Worten wird durch die Auswerteeinheit anhand einer Referenz das Unterschreiten oder das Überschreiten einer Kenngröße festgestellt, welche über der Zeit ermittelt wird. Die Kenngröße kann beispielsweise von einem Fahrzeugbus und/oder von einem Sensor bereitgestellt werden. Die Kenngröße kann beispielsweise die relative Spannungslage zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle kennzeichnen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kenngröße eine Energieaufnahme eines elektrischen Verbrauchers des Bordnetzes (z. B. sämtliche Verbraucher, insbesondere umfassend den elektrischen Antriebsstrang) repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Kerngröße der Strom aus der Batterie-Brennstoffzelleneinheit (Zwischenkreisstrom) oder der SOC der Batterie sein. Im Ergebnis können Schaltvorgänge und mit diesen einhergehende Verluste in bestimmten Betriebszuständen des Fortbewegungsmittels vermieden werden.The above identified object is achieved by a circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of locomotion between a first low-voltage power source and a second low-voltage power source. The first voltage-soft power source may be for example a battery or an accumulator. The second voltage-soft power source may be, for example, a fuel cell. To mediate the energy in the single-phase design, a first transistor, (preferably also a second transistor) and an inductance are provided. An evaluation unit is set up to control the first transistor (and possibly also the second transistor). The transistor or the transistors and the inductance form a switching power supply, by means of which at least in one direction electrical energy of a first lower voltage level can be converted to a second higher voltage level. This is usually done by a counterclockwise operation of the respective transistor when using at least two transistors, wherein in a first step, a current flow is provoked by the inductor towards ground and after a switching operation in a second step, the inductor current flow in the direction of higher voltage drives. According to the invention, the evaluation unit is set up to prevent a clocked operation of the first transistor in response to the detection of a predefined operating state of the means of locomotion. The operating state has the necessary condition that a current flows through the inductance. The operating state can be, for example, an operating state of the vehicle electrical system of the means of locomotion, which is recognized in particular on the basis of a driving state variable (speed and / or load state and / or acceleration or the like). In other words, the evaluation unit determines from a reference that it falls below or exceeds a characteristic which is determined over time. The parameter can be provided, for example, by a vehicle bus and / or by a sensor. The parameter may, for example, characterize the relative voltage position between the first energy source and the second energy source. Alternatively or additionally, the parameter may represent an energy consumption of an electrical consumer of the vehicle electrical system (eg all consumers, in particular comprising the electric drive train). Alternatively or additionally, the core size may be the power from the battery fuel cell unit (DC link current) or the SOC of the battery. As a result, switching operations and associated losses in certain Operating conditions of the means of transport are avoided.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Sofern – wie oben beschrieben – lediglich ein erster Transistor (ohne einen zweiten Transistor) in dem Schaltnetzteil vorgesehen ist, kann ein unerwünschter Kurzschluss während des ersten Schrittes durch die Verwendung einer Diode verhindert werden. Die Diode kann eine inhärente Diode des zweiten Transistors (sofern vorgesehen) sein. Die Verwendung des zweiten Transistors anstatt einer einzelnen Diode ermöglicht eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch in dem Fall, dass die Stromrichtung zwischen Eingang und Ausgang umgekehrt orientiert sind. Überdies ist es möglich, die Leitungsverluste durch Verwendung des zweiten Transistors weiter zu verringern.If, as described above, only a first transistor (without a second transistor) is provided in the switched-mode power supply, an undesired short circuit during the first step can be prevented by the use of a diode. The diode may be an inherent diode of the second transistor (if provided). The use of the second transistor instead of a single diode allows use of the circuit arrangement according to the invention also in the case that the current direction between the input and output are reversely oriented. Moreover, it is possible to further reduce the conduction losses by using the second transistor.

Der vordefinierte Betriebszustand kann beispielsweise einen Teillast-Betrieb des Bordnetzes bzw. des Fortbewegungsmittels kennzeichnen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fahrt unterhalb einer vordefinierten Höchstgeschwindigkeit, insbesondere unterhalb von 50 km/h durch den vordefinierten Betriebszustand gekennzeichnet werden. Ein solcher Betriebszustand erlaubt beispielsweise die Annahme, dass die Batterie bei einer Parallelschaltung mit der Brennstoffzelle (z. B. über die Drosselspule bzw. die Induktivität) nicht entladen oder gar tiefentladen wird, da die Brennstoffzelle stets hinreichend Energie bereitstellen kann, um den Antriebsstrang bzw. das Bordnetz mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen. Auch wenn die erste Energiequelle bei einer Parallelschaltung mit der zweiten Energiequelle nicht entladen wird, kann diese sensorisch oder anderweitig erfasst und zur Erkennung des vordefinierten Betriebszustandes verwendet werden.The predefined operating state can mark, for example, a partial load operation of the electrical system or of the means of locomotion. Alternatively or additionally, a journey below a predefined maximum speed, in particular below 50 km / h, can be characterized by the predefined operating state. Such an operating state permits, for example, the assumption that the battery is not discharged or even deeply discharged during a parallel connection with the fuel cell (eg via the choke coil or the inductance), since the fuel cell can always provide sufficient energy to supply the drivetrain or power train to supply the vehicle electrical system with the necessary electrical energy. Even if the first energy source is not discharged in a parallel connection with the second energy source, it can be sensed or otherwise detected and used to detect the predefined operating state.

Außerhalb des vordefinierten Betriebszustandes kann die Schaltungsanordnung eingerichtet sein, mittels der Auswerteeinheit einen zweiten Betriebszustand einzunehmen, in welchem der erste und der zweite Transistor getaktet betrieben werden. Der zweite Betriebszustand kann insbesondere im Falle einer höheren Leistungsaufnahme des Fortbewegungsmittels bzw. des Bordnetzes vorherrschen, um eine zuverlässige, wenn auch mit höheren Verlusten behaftete, relative Spannungslage zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle sicherzustellen. Überdies kann die Schaltungsanordnung einen dritten Betriebszustand einnehmen, in welchem der erste Transistor und der zweite Transistor geöffnet sind, mit anderen Worten also keine Leitfähigkeit in einer Richtung aufweisen.Outside the predefined operating state, the circuit arrangement can be set up to adopt a second operating state by means of the evaluation unit, in which the first and the second transistor are operated in a clocked manner. The second operating state may prevail, in particular in the case of a higher power consumption of the means of locomotion or the electrical system, in order to ensure a reliable, albeit with higher losses, relative voltage position between the first energy source and the second energy source. Moreover, the circuit arrangement can assume a third operating state in which the first transistor and the second transistor are open, in other words, have no conductivity in one direction.

Wie im Stand der Technik üblich, können Glättungskapazitäten parallel zu der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle vorgesehen sein, um die von der Schaltungsanordnung erzeugten bzw. aufgenommenen Spannungen zu glätten.As is conventional in the art, smoothing capacitances may be provided in parallel with the first power source and the second power source to smooth the voltages generated by the circuitry.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Schaltungsanordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Die Schaltungsanordnung kann insbesondere zwischen einer elektrochemischen Energiequelle (z. B. Batterie, Akkumulator, o. ä.) und einer Brennstoffzelle vorgesehen sein. Ein Bussystem und/oder ein Sensor sind informationstechnisch mit der Schaltungsanordnung verbunden, um die erfindungsgemäße Aktivierung des vordefinierten Betriebszustands im Ansprechen auf vordefinierte Betriebsbedingungen durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren zu ermöglichen.According to a second aspect of the present invention, an electrically driven means of transport is proposed which comprises a circuit arrangement according to the first aspect of the invention. The circuit arrangement may in particular be provided between an electrochemical energy source (eg battery, accumulator, or the like) and a fuel cell. A bus system and / or a sensor are connected in terms of information technology to the circuit arrangement in order to enable the inventive activation of the predefined operating state in response to predefined operating conditions by a corresponding control of the transistors.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 eine schematische Übersicht über Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels; 1 a schematic overview of components of an embodiment of a means of transport according to the invention;

2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; 2 a schematic representation of a vehicle electrical system with an embodiment of a circuit arrangement according to the invention;

3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; 3 a schematic representation of a vehicle electrical system with a second embodiment of a circuit arrangement according to the invention;

4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugbordnetzes mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; 4 a schematic representation of a vehicle electrical system with a third embodiment of a circuit arrangement according to the invention;

5 ein Betriebskennfeld veranschaulichend Spannungen einer Brennstoffzelle sowie eines elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit dessen Ladezustands und bei Fahrzeugstillstand; 5 an operating map illustrating voltages of a fuel cell and of an electrochemical energy store as a function of the state of charge and when the vehicle is at a standstill;

6 eine Gegenüberstellung der Batterie- bzw. Brennstoffzellenströme in Abhängigkeit des Zwischenkreisstroms; 6 a comparison of the battery or fuel cell currents as a function of the DC link current;

7 ein Betriebskennfeld, veranschaulichend Spannungen eines elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit dessen Ladezustands sowie einer Brennstoffzelle; und 7 an operating map illustrating voltages of an electrochemical energy store in response to its state of charge and a fuel cell; and

8 eine gegenüber 4 vereinfachte Schaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 8th one opposite 4 simplified circuit according to another embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen Pkw 10 als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels, welcher über eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1, die aus einer Batterie 3 als erste Energiequelle bzw. aus einer Brennstoffzelle 4 als zweite Energiequelle stammende Traktionsenergie zur Verwendung in einem Elektromotor 2 als Beispiel eines Fahrzeugbordnetzes 2 vermittelt. 1 shows a car 10 as an embodiment of a means of transport according to the invention, which via a circuit arrangement according to the invention 1 coming from a battery 3 as a first energy source or from a fuel cell 4 traction energy derived from a second energy source for use in an electric motor 2 as an example of a vehicle electrical system 2 taught.

2 zeigt den schematischen Aufbau eines Fahrzeugbordnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher der Elektromotor 2 als dreiphasige elektrische Maschine über einen Inverter 5 aus einem Gleichspannungsbordnetz mit Traktionsenergie versorgt wird. Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 in Form eines DC/DC-Wandlers vermittelt die Spannungslagen zwischen einer Batterie 3 mit einer Klemmenspannung UBat und einer Brennstoffzelle 4 mit einer Klemmspannung UBZ. Eine Auswerteeinheit 6 steuert die vorgenannten Komponenten und sorgt für den Informationsaustausch. Insbesondere werden entweder eine Soll-Spannung U1soll, eine Soll-Leistung P1soll und ein Soll-Strom I1soll an die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 ausgegeben, um die Schaltzustände der (nicht dargestellten) Transistoren entsprechend festzulegen. 2 shows the schematic structure of a vehicle electrical system according to the present invention, in which the electric motor 2 as a three-phase electric machine via an inverter 5 supplied from a DC electrical system with traction energy. A circuit arrangement according to the invention 1 in the form of a DC / DC converter conveys the voltage levels between a battery 3 with a terminal voltage U Bat and a fuel cell 4 with a clamping voltage U BZ . An evaluation unit 6 controls the aforementioned components and ensures the exchange of information. In particular, either a desired voltage U 1soll , a desired power P 1soll and a desired current I 1soll to the circuit arrangement according to the invention 1 outputted to set the switching states of the transistors (not shown) accordingly.

3 zeigt eine schaltungstechnisch aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung, bei welcher die Schaltungsanordnung 1 symmetrisch aufgebaut ist. Zwei Glättungskapazitäten CBat, CBZ sind den Anschlüssen für die Batterie 3 bzw. die Brennstoffzelle 4 parallel geschaltet. Zwischen den Kapazitäten CBat, CBZ befindet sich eine Vollbrücke aus vier Transistoren T1, T2, T3, T4, wobei die gemeinsamen Knotenpunkte jeweils zweier Transistoren durch die Induktivität L elektrisch miteinander verbunden werden. Gemäß dem Stand der Technik wird bei einer Klemmenspannung der Brennstoffzelle 4 UBZ größer UBat der zweite Transistor T1 geschlossen, der erste Transistor T2 geöffnet und die Transistoren T3, T4 getaktet betrieben. Hierdurch fallen in den Transistoren T3, T4 Schaltverluste und Leitungsverluste an. Leitungsverluste treten zudem auch im zweiten Transistor T1 auf. In einem Zustand, in welchem die Klemmenspannung der Brennstoffzelle UBZ kleiner als UBat ist, werden die Transistoren T1, T2 getaktet betrieben, der Transistor T3 geschlossen und der Transistor T4 geöffnet. Entsprechend treten in den Transistoren T1, T2 Schaltverluste und Leitungsverluste und zusätzlich Leitungsverluste im Transistor T3 auf. 3 shows a circuitry known from the prior art arrangement in which the circuit arrangement 1 is symmetrical. Two smoothing capacities C Bat , C BZ are the connections for the battery 3 or the fuel cell 4 connected in parallel. Between the capacitances C Bat , C BZ is a full bridge of four transistors T1, T2, T3, T4, wherein the common nodes of each two transistors are electrically connected together by the inductance L. According to the prior art, at a terminal voltage of the fuel cell 4 U BZ larger U Bat the second transistor T1 is closed, the first transistor T2 is opened and the transistors T3, T4 operated in a clocked manner. This results in the transistors T3, T4 switching losses and line losses. Line losses also occur in the second transistor T1. In a state in which the terminal voltage of the fuel cell U BZ is smaller than U Bat , the transistors T1, T2 are operated in a clocked manner, the transistor T3 is closed and the transistor T4 is opened. Accordingly occur in the transistors T1, T2 switching losses and conduction losses and additional line losses in the transistor T3.

4 zeigt eine erfindungsgemäße Modifikation der in 3 dargestellten Anordnung, in welcher die Schaltungsanordnung 1 asymmetrisch ausgestaltet ist. Hierbei wird der Transistor T4 entfernt und der Transistor T3 durch einen Kurzschluss ersetzt. Trotz überlappender Spannungsbänder am dargestellten DC/DC-Wandler (d. h. die Klemmenspannung der Batterie UBat ist größer oder kleiner als die Klemmenspannung der Brennstoffzelle UBZ) wird eine Hochsetzstellertopologie (auch mehrphasig möglich) verwendet. Die Regelung/Steuerung des Hochsetzstellers ist so ausgeführt, dass sie prinzipiell in drei Zustände unterteilt werden kann. In einem ersten Zustand ist der zweite Transistor T1 geschlossen, während der erste Transistor T2 geöffnet ist (sperrt). In einem zweiten Betriebszustand werden beide Transistoren T1, T2 getaktet betrieben, während in einem dritten Betriebszustand beide Transistoren T1, T2 geöffnet/gesperrt betrieben werden. Wird der zweite Transistor T1, wie optional dargestellt, durch eine in Richtung der Batterie 3 leitfähig orientierte Diode D ersetzt, welche die Funktion der inhärenten Diode des zweiten Transistors T1 erfüllt, sind die vorgenannten Zustände der starren Kopplung (vordefinierter erster Zustand) und ausgeschalteter Zustand identisch. Sofern ein vordefinierter Betriebszustand des Fortbewegungsmittels erkannt wird, wird der Zustand der starren Kopplung aktiv angewählt, wobei eine Taktung verhindert wird. 4 shows a modification of the invention in 3 illustrated arrangement in which the circuit arrangement 1 is designed asymmetrically. In this case, the transistor T4 is removed and the transistor T3 is replaced by a short circuit. Despite overlapping voltage bands on the illustrated DC / DC converter (ie, the terminal voltage of the battery U Bat is greater or smaller than the terminal voltage of the fuel cell U BZ ) a Hochsetzstellertopologie (also multi-phase possible) is used. The control / control of the boost converter is designed so that it can be divided into three states in principle. In a first state, the second transistor T1 is closed, while the first transistor T2 is opened (blocks). In a second operating state, both transistors T1, T2 are operated in a clocked manner, while in a third operating state both transistors T1, T2 are operated open / closed. Is the second transistor T1, as shown by an optional, in the direction of the battery 3 replaced by the diode D, which fulfills the function of the inherent diode of the second transistor T1, the aforementioned states of the rigid coupling (predefined first state) and the switched-off state are identical. If a predefined operating state of the means of locomotion is detected, the state of the rigid coupling is actively selected, whereby a clocking is prevented.

5 zeigt ein Kennfeld in einem Zustand niedriger Energieaufnahme des Antriebsstrangs, wobei gleichzeitig die Batterie mittels einer Brennstoffzelle geladen wird. Hierbei ist die Brennstoffzelle starr mit der Batterie gekoppelt (vordefinierter erster Zustand). Es fließt entsprechend ein Ausgleichsstrom in die Batterie, deren Kennlinien für unterschiedliche Ladezustände (SoC) aufgetragen sind. Die Brennstoffzelle lädt die Batterie mit einem Maximalstrom von ca. 30 A auf der dargestellten Ladekurve I(t). Die Umladung ist beendet, wenn die Batterie die Ruhespannung der Brennstoffzelle erreicht hat. 5 shows a map in a state of low power consumption of the drive train, at the same time the battery is charged by means of a fuel cell. Here, the fuel cell is rigidly coupled to the battery (predefined first state). Accordingly, a compensation current flows into the battery, whose characteristics are plotted for different states of charge (SoC). The fuel cell charges the battery with a maximum current of approx. 30 A on the charge curve I (t) shown. The transhipment is completed when the battery has reached the quiescent voltage of the fuel cell.

6 zeigt zwei Kennfelder für die Ströme der Brennstoffzelle (IBZ) und der Batterie (IBat) über dem Zwischenkreisstrom IZK für den Fall eines normalen Fahrbetriebs bei leerer Batterie (SOCMin). Ein erster Arbeitspunkt AP1 liegt auf der Randkontur der schraffiert gekennzeichneten Betriebsfelder. Die Randkontur kennzeichnet den vordefinierten Zustand einer starren Kopplung ohne Taktbetrieb. Im Teillastbetrieb kann der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler im Zustand der starren Kopplung betrieben werden. Die Ströme werden durch die Randkontur der beiden Betriebskennfelder definiert. Bis zu einem Zwischenkreisstrom von ca. 40 A, der einem Lastfluss von 15 kW entspricht, läuft die Batterie keinesfalls leer, da die Batterie geladen wird (negative Ströme IBat). Im Volllastbetrieb bzw. in Betriebszuständen oberhalb des Arbeitspunktes AP1 kann der DC/DC-Wandler getaktet betrieben werden (z. B. Arbeitspunkt AP2). Die Ströme IBat, IBZ innerhalb des Systems können geregelt und sowohl die Brennstoffzelle als auch die Batterie bis zu den Belastungsgrenzen ausgefahren werden. 6 shows two maps for the currents of the fuel cell (I BZ ) and the battery (I Bat ) over the DC link current I ZK in the case of a normal driving operation with an empty battery (SOC Min ). A first operating point AP1 lies on the edge contour of the hatched marked operating fields. The edge contour characterizes the predefined state of a rigid coupling without cyclic operation. In partial load operation, the DC / DC converter according to the invention can be operated in the state of rigid coupling. The currents are defined by the edge contour of the two operating maps. Up to a DC link current of approx. 40 A, which corresponds to a load current of 15 kW, the battery will in no case run flat because the battery is being charged (negative currents IBat). In full load operation or in operating states above the operating point AP1, the DC / DC converter can be operated in a clocked manner (eg operating point AP2). The currents I Bat , I BZ within the system can be regulated and both the fuel cell and the battery extended to the load limits.

7 zeigt ein Kennfeld zur Veranschaulichung der Voraussetzungen bei der Systemauslegung. Die Ruhespannung der Batterie muss bei einem maximalen Ladezustand größer als die Ruhespannung der Brennstoffzelle sein. Hierbei ist zu beachten, dass die Ruhespannung der Batterie eine Funktion des Ladezustands (SoC) ist. Zur vollen Ausnutzung der Gesamtsystemleistung über den kompletten Bereich unterschiedlicher Ladezustände der Batterie muss die Spannung der Batterie bei einem dynamischen Entladestrom der Batterie größer sein als die Spannung der Brennstoffzelle bei einer dynamischen Stromabgabe der Brennstoffzelle. Zudem darf der Ausgleichsstrom im Stillstand die Batterie bzw. die Brennstoffzelle nicht überlasten. Im Diagramm kennzeichnen

  • – „IDYNCHA” einen Strom, welcher in einem Ladezustand nur kurzzeitig mit hoher Stärke fließt,
  • – „ICHA” einen Strom, welcher in einem Ladezustand längerfristig mit hoher Stärke fließt,
  • – „IDIS” einen Strom, welcher in einem Entladezustand längerfristig mit hoher Stärke fließt und
  • – „IDYNDIS” einen Strom, welcher in einem Entladezustand nur kurzzeitig mit hoher Stärke fließt.
7 shows a map to illustrate the requirements in the system design. The rest voltage of the battery must be greater than the rest voltage of the fuel cell at a maximum state of charge. It should be noted that the standby voltage of the battery is a function of the state of charge (SoC). To fully utilize the overall system performance over the full range of battery different states of charge, the voltage of the battery must be greater than the voltage of the fuel cell at a dynamic current output of the fuel cell at a dynamic discharge current of the battery. In addition, the equalizing current must not overload the battery or the fuel cell at standstill. Mark in the diagram
  • - "I DYNCHA " a current which flows in a state of charge only for a short time with high intensity,
  • - "I CHA " a current that flows in a state of charge in the long term with high strength,
  • - "I DIS " a current which flows in a discharge state in the long term with high strength and
  • - "I DYNDIS " a current which flows in a discharge state only for a short time with high strength.

8 zeigt eine gegenüber 4 vereinfachte Schaltung, in welcher lediglich ein erster Transistor T2, eine Diode D und eine Induktivität L zwischen der Batterie 3 und der Brennstoffzelle 4 vorgesehen sind, die einen unidirektionalen DC/DC-Wandler bilden. In Abhängigkeit eines vordefinierten Betriebszustandes des Fortbewegungsmittel bzw. dessen Bordnetzes wird ein getakteter Betrieb des ersten Transistors T2 verhindert, um Schaltverluste zu verringern. 8th shows one opposite 4 simplified circuit in which only a first transistor T2, a diode D and an inductance L between the battery 3 and the fuel cell 4 are provided, which form a unidirectional DC / DC converter. In dependence on a predefined operating state of the means of locomotion or its vehicle electrical system, a clocked operation of the first transistor T2 is prevented in order to reduce switching losses.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Schaltungsanordnungcircuitry
22
Elektrische MaschineElectric machine
33
Batteriebattery
44
Brennstoffzellefuel cell
55
Inverterinverter
66
Auswerteeinheitevaluation
1010
Pkwcar
S1 bis S4S1 to S4
SchützeSagittarius
T1 bis T4T1 to T4
Transistorentransistors
IZK I ZK
ZwischenkreisstromDC link current
IBZ I BZ
BrennstoffzellenstromA fuel cell power
IBat I Bat
Batteriestrombattery power
UBat U Bat
Batteriespannungbattery voltage
UBZ U BZ
Brennstoffzellenspannungfuel cell voltage
CBat, CBZ C Bat , C BZ
Glättungskondensatorensmoothing capacitors
P1soll P 1soll
Leistungpower
I1soll I 1soll
Soll-StromTarget current
U1soll U 1soll
Soll-SpannungTarget voltage
SoCSoC
State of Charge, LadezustandState of charge, state of charge
IdynChaIdynCha
Kurzzeitig mögliche LadestromgrenzeShort term possible charging current limit
IChaI
DauerladestromgrenzeTrickle charge current limit
IDisIDIS
DauerentladestromgrenzeDauerentladestromgrenze
IdynDisIdynDis
Kurzzeitig mögliche EntladestromgrenzeShort term possible discharge current limit

Claims (11)

Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (10) zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle (3) und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle (4) umfassend: – einen ersten Transistor (T2), – eine Induktivität (L) und – eine Auswerteeinheit (6) wobei der erste Transistor (T2) und die Induktivität (L) ein Schaltnetzteil bilden, und die Auswerteeinheit (6) eingerichtet ist, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors (T2) im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes (Z1) des Fortbewegungsmittels (10) bei fortwährendem Stromfluss durch die Induktivität (L) zu verhindern.Circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of transportation ( 10 ) between a first low-voltage energy source ( 3 ) and a second low-voltage energy source ( 4 ) comprising: - a first transistor (T2), - an inductance (L) and - an evaluation unit ( 6 ) wherein the first transistor (T2) and the inductance (L) form a switching power supply, and the evaluation unit ( 6 ) is set up, a clocked operation of the first transistor (T2) in response to the detection of a predefined operating state (Z1) of the means of transport ( 10 ) with continuous current flow through the inductance (L) to prevent. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 weiter umfassend – einen zweiten Transistor (T1) als Bestandteil des Schaltnetzteils, wobei die Auswerteeinheit (6) eingerichtet ist, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors (T2) und des zweiten Transistors (T1) im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes (Z1) des Fortbewegungsmittels (10) bei fortwährendem Stromfluss durch die Induktivität (L) zu verhindern.Circuit arrangement according to claim 1 further comprising - a second transistor (T1) as part of the switched-mode power supply, wherein the evaluation unit ( 6 ), a clocked operation of the first transistor (T2) and the second transistor (T1) in response to the detection of a predefined operating state (Z1) of the means of transport ( 10 ) with continuous current flow through the inductance (L) to prevent. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei – der erste Transistor (T2) eine inhärente Diode aufweist, und/oder – der zweite Transistor (T1) eine inhärente Diode aufweist.Circuit arrangement according to claim 2, wherein - The first transistor (T2) has an inherent diode, and / or - The second transistor (T1) has an inherent diode. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei – ein erster Anschluss des zweiten Transistors (T1) mit einem ersten Anschluss für die erste Energiequelle (3) elektrisch verbunden ist, – ein zweiter Anschluss des zweiten Transistors (T1) mit – einem ersten Anschluss der Induktivität (L) und – einem ersten Anschluss des ersten Transistors (T2) elektrisch verbunden ist, – ein zweiter Anschluss des ersten Transistors (T2) mit – dem zweiten Anschluss für die erste Energiequelle (3) und – einem zweiten Anschluss für die zweite Energiequelle (4) elektrisch verbunden ist, – ein zweiter Anschluss der Induktivität (L) mit einem ersten Anschluss für die zweite Energiequelle (4) verbunden ist, wobei – der zweite Transistor (T1) und der erste Transistor (T2) in Abhängigkeit einer Fahrzustandsgröße durch die Auswerteeinheit (6) angesteuert werden, um elektrische Energie von der ersten Energiequelle (3) und/oder der zweiten Energiequelle (4) in einen Anschluss für das Bordnetz des Fortbewegungsmittels (10) zu bringen.Circuit arrangement according to Claim 2 or 3, wherein - a first terminal of the second transistor (T1) is connected to a first terminal for the first energy source ( 3 ) is electrically connected, - a second terminal of the second transistor (T1) with - a first terminal of the inductance (L) and - a first terminal of the first transistor (T2) is electrically connected, - a second terminal of the first transistor (T2) with - the second connection for the first energy source ( 3 ) and - a second connection for the second energy source ( 4 ) is electrically connected, A second terminal of the inductance (L) with a first terminal for the second energy source ( 4 ), wherein - the second transistor (T1) and the first transistor (T2) in dependence on a driving state variable by the evaluation unit ( 6 ) are energized to receive electrical energy from the first energy source ( 3 ) and / or the second energy source ( 4 ) into a connection for the on-board network of the means of transport ( 10 ) bring to. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Anordnung eingerichtet ist, – in einem dritten Betriebszustand (Z3) den zweiten Transistor (T1) und den ersten Transistor (T2) zu sperren, – in dem vordefinierten Betriebszustand (Z1) den zweiten Transistor (T1) leitfähig zu schalten und den ersten Transistor (T2) zu sperren und – in einem zweiten Betriebszustand (Z2) den ersten und den zweiten Transistor (T1, T2) getaktet zu betreiben.Circuit arrangement according to one of claims 2 to 4, wherein the arrangement is set up, In a third operating state (Z3) to block the second transistor (T1) and the first transistor (T2), - In the predefined operating state (Z1) to turn on the second transistor (T1) conductive and the first transistor (T2) to lock and - To operate in a second operating state (Z2) the first and the second transistor (T1, T2) clocked. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der vordefinierte Betriebszustand (Z1) – einen Teillast-Betrieb und/oder – eine Fahrt unterhalb von 50 km/h des Fortbewegungsmittels (10) kennzeichnet und/oder – im Ansprechen auf das Erkennen des vordefinierten Betriebszustandes (Z1) die erste spannungsweiche Energiequelle (3) und die zweite spannungsweiche Energiequelle (4) mittels der Induktivität (L) dauerhaft elektrisch verbunden werden.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein - the predefined operating state (Z1) - a partial load operation and / or - a travel below 50 km / h of the means of locomotion ( 10 ) and / or - in response to the detection of the predefined operating state (Z1), the first voltage-soft energy source ( 3 ) and the second voltage-soft energy source ( 4 ) are permanently electrically connected by means of the inductance (L). Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Energiequelle (3) und die zweite Energiequelle (4) zur Versorgung einer Traktionsmaschine vorgesehen und eingerichtet sind.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the first energy source ( 3 ) and the second energy source ( 4 ) are provided for supplying a traction machine and set up. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vordefinierte Betriebszustand (Z1) sich durch eine niedrige Bordnetzbelastung oder einen vordefinierten Ladezustand (SoC) der ersten Energiequelle (3) kennzeichnet.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the predefined operating state (Z1) is characterized by a low on-board network load or a predefined state of charge (SoC) of the first energy source (Z1). 3 ). Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – die erste Energiequelle (3) – einen Akkumulator und/oder – eine Brennstoffzelle und/oder – einen Supercap und – die zweite Energiequelle (4) – eine Brennstoffzelle und/oder – einen Akkumulator und/oder – eine Brennstoffzelle mit einem Inverter (5) für eine elektrische Traktionsmaschine (2) und/oder – einen Akkumulator mit einem Inverter (5) für eine elektrische Traktionsmaschine (2) umfasst.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein - the first energy source ( 3 ) - an accumulator and / or - a fuel cell and / or - a supercap and - the second energy source ( 4 ) - a fuel cell and / or - an accumulator and / or - a fuel cell with an inverter ( 5 ) for an electric traction machine ( 2 ) and / or - an accumulator with an inverter ( 5 ) for an electric traction machine ( 2 ). Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiter – eine erste Kapazität (CBat) mit einem ersten Anschluss an dem ersten Anschluss für die erste Energiequelle (3) und mit einem zweiten Anschluss an einem zweiten Anschluss für die erste Energiequelle (3) vorgesehen ist, und/oder – eine zweite Kapazität (CBZ) mit einem ersten Anschluss an dem ersten Anschluss für die zweite Energiequelle (4) und mit einem zweiten Anschluss an einem zweiten Anschluss für die zweite Energiequelle (4) vorgesehen ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein - a first capacitance (C Bat ) having a first connection to the first connection for the first energy source ( 3 ) and with a second connection to a second connection for the first energy source ( 3 ), and / or - a second capacitance (C BZ ) having a first terminal at the first terminal for the second energy source ( 4 ) and with a second connection to a second connection for the second energy source ( 4 ) is provided. Elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel (10) umfassend eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Electrically drivable means of locomotion ( 10 ) comprising a circuit arrangement ( 1 ) according to any one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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