DE102016213368A1

DE102016213368A1 - Energiesystem und Verfahren zum Betrieb des Energiesystems

Info

Publication number: DE102016213368A1
Application number: DE102016213368.3A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Werner Belschner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2018-01-25
Also published as: WO2018015239A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiesystem (100), mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), einer ersten Batterie (10) zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau, und einer zweiten Batterie (20) zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Batterie (10) und die zweite Batterie (20) in Reihe zueinander schaltbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem, bspw. ein Brennstoffzellensystem, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, welches mit mindestens einer Brennstoffzelle, insbesondere einem (Brennstoffzellen-)Stack, einer ersten Batterie zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau, und einer zweiten Batterie zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau ausgeführt ist. Auch betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Energiesystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
Stand der Technik
Energiesysteme bzw. Brennstoffzellensysteme mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (Stacks) sind als elektrische Energiequellen für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen grundsätzlich bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. Im Stack findet eine kalte Verbrennung vom Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft statt. Dafür wird einer Stack-Anode Wasserstoff zugeführt, während einer Stack-Kathode Luft zugeführt wird. Die neben der elektrischen Energie und Abwasser produzierte Abwärme wird durch einen Thermalkreis zum Fahrzeugkühler abgeführt. Solche Brennstoffzellensysteme werden an einen elektrischen Kreis angeschlossen, um die elektrische Energie abzuführen. Als erstes nach dem Stack kommt ein sog. Bleed-Down-Schaltkreis, dessen Hauptfunktion ist, die Stackenergie beim Abstellen des Energiesystems kontrolliert abzubauen. Dafür wird ein Schalter während einer Abschaltprozedur nach Abschaltung der Gasezufuhr zum Stack geschlossen, sodass der restliche, in der Kathode noch enthaltene Sauerstoff mit dem in der Anode noch vorhandenen Wasserstoff abreagieren kann.
In herkömmlichen Energiesystemen wird zwischen dem Stack und einem Verbraucher (einer Traktionsbatterie, einer LV-Batterie oder einer Komponente in einem Bordnetz) ein DC/DC-Wandler platziert, genannt FCC. Der DC/DC-Wandler sorgt dafür, dass die Spannungsniveaus auf der Seite des Stacks und auf der Seite des Verbrauchers durch eine Stromregelung zueinander angepasst werden. Die Traktionsbatterie kann je nach Anwendung unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, von 48 V über 80 V und 400 V bis 700 V. Für die Versorgung eines Motorsteuergerätes im Kraftfahrzeug bzw. von vielen 12 V- oder 24 V-Komponenten im Bordnetz des Kraftfahrzeuges wird ein zweiter DC/DC-Wandler eingesetzt. Seine Funktion ist die Energieumwandlung aus dem Traktionsbordnetz zur Ladung einer 12 V– oder 24 V-Batterie, einer sog. LV-Batterie.
Die US-20080259660 A1 beschreibt ferner eine Verbindung eines Stacks zu einer Traktionsbatterie mit Hilfe von Schaltern als einen Bypass von einem vorhandenen DC/DC-Wandler.
Eine Verwendung von DC/DC-Wandlern ist kostenintensiv und führt zudem zu Energieverlusten in den DC/DC-Wandlern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht ein Energiesystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor, welches mit mindestens einer Brennstoffzelle, einer ersten Batterie zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau und einer zweiten Batterie zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau ausgeführt ist, wobei die erste Batterie und die zweite Batterie in Reihe zueinander schaltbar sind, wobei insbesondere das erste Spannungsniveau vom zweiten Spannungsniveau (in ihrer Höhe) unterschiedlich ausgestaltet ist. Ferner sieht die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb des Energiesystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Das Energiesystem, insbesondere in Form eines Brennstoffzellensystem, oder im Weiteren einfach System kann dabei mehrere Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel bzw. in einem sog. Stack in Reihe verschaltet werden können. Das erfindungsgemäße System kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden.
Der Kern der Erfindung liegt dabei darin, eine Zuschaltung der Batterien in Reihe zueinander und insbesondere parallel zum Stack zu realisieren. Die sich an den Batterien ergebenden Spannungsniveaus fallen von der ersten Batterie zu der zweiten Batterie ab und sind somit unterschiedlich. Die als erste nach dem Stack zugeschaltete Batterie kann dabei auf einem Spannungsniveau des Stacks betrieben werden (bspw. von 48 V über 80 V und 400 V bis 700 V). Die danach in Reihe geschaltete zweite Batterie kann folglich auf einem deutlich niedrigeren Spannungsniveau betrieben werden (bspw. 12 V oder 24 V). Dies ermöglicht eine Zuschaltung einer höher ohmigen Batterie als die erste Batterie nach dem Stack, wobei die zweite Batterie bspw. eine LV-Batterie sein kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Batterien in Reihe zueinander kann somit der Vorteil erreicht werden, dass man auf den Einsatz von aufwendigen DC/DC-Wandlern verzichtet werden kann, wodurch sich auch Kosten einsparen lassen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind geringe Systemkosten durch Verzicht auf beide DC/DC-Wandler sowie eine bessere Effizienz, da die Verluste in den DC/DC-Wandlern mit Hilfe der Erfindung wegfallen. Beim Zuschalten von beiden Batterien an den Stack, kann der Stack länger in Teillast anstelle der Volllast betrieben werden. Das Ergebnis ist wiederum ein verbesserter Wirkungsgrad des Systems.
Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Energiesystem ein Bleed-Down-Schaltkreis zum Abbauen einer Spannung beim Abstellen des Energiesystems aufweisen. Der Vorteil liegt dabei darin, dass beim Abstellen des Energiesystems der Bleed-Down-Schaltkreis die unverbrauchte Energie des Stacks verwerten kann, damit im Stack keine Rückstände von Reaktanten verbleiben. Dabei kann der Bleed-Down-Schaltkreis parallel zu der mindestens einen Brennstoffzelle geschaltet sein und einen Schalter und einen Wiederstand aufweisen. Beim Abstellen des Energiesystems kann der Schalter geschlossen werden, wodurch der Reststrom aus dem Stack über den Wiederstand abfließen kann, wodurch die Restenergie des Stacks in Wärme umgesetzt werden kann.
Ferner kann es vorteilhaft sein, dass die erste Batterie als eine Traktionsbatterie eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeuges ausgebildet sein kann, wobei der erste Verbraucher ein Elektromotor sein kann. Somit kann das erfindungsgemäße System für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dabei ist es vorteilhafterweise nicht nötig, einen DC/DC-Wandler vor der Traktionsbatterie einzubauen. Hierzu kann der Stack im Wesentlichen auf einem Spannungsniveau der Traktionsbatterie betrieben werden. Zudem kann die zweite Batterie als eine LV-Batterie ausgebildet sein, wobei der zweite Verbraucher ein LV-Verbraucher im elektrischen Bordnetz eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeuges sein kann. Somit kann das erfindungsgemäße System gleichzeitig und ohne zusätzlichen DC/DC-Wandler das elektrische Bordnetz des Elektro- und/oder Hybridfahrzeuges versorgen. Hierzu kann der Stack zumindest auf einem Spannungsniveau der Traktionsbatterie betrieben werden.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Batterie parallel zum Bleed-Down-Schaltkreis und/oder parallel zu der mindestens einer Brennstoffzelle schaltbar sein kann. Vorteilhafterweise kann somit nur die erste Batterie bzw. die Traktionsbatterie aufgeladen werden, wenn die zweite Batterie kein Aufladen erfordert. Dabei kann die erste Batterie über einen dritten Schalter und einen zweiten Schalter im Dauerbetrieb oder über einen dritten Schalter und einen zweiten Vorladeschalter mit einem Vorladewiderstand am Anfang zum Bleed-Down-Schaltkreis und/oder zur Brennstoffzelle zugeschaltet werden. Der Vorteil einer solchen Anordnung der ersten Batterie liegt dabei darin, dass sie vom Stack abgeschaltet werden kann, bspw. wenn die erste Batterie voll aufgeladen ist. Wenn die erste Batterie zugeschaltet werden muss, kann der zweite Vorladeschalter mit einem Vorladewiderstand dafür sorgen, dass die erste Batterie von anfänglichen Spannungsspitzen geschützt ist.
Des Weiteren kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Batterie zusammen mit der zweiten Batterie parallel zum Bleed-Down-Schaltkreis und/oder parallel zu der mindestens einer Brennstoffzelle schaltbar sein kann. Vorteilhafterweise kann somit die zweite Batterie auch geladen werden, wobei das Spannungsniveau des Stacks durch die erste Batterie entsprechend abgesenkt werden kann. Dabei kann die erste Batterie zusammen mit der zweiten Batterie über einen dritten Schalter und einen ersten Schalter im Dauerbetrieb oder über einen dritten Schalter und einen ersten Vorladeschalter mit einem Vorladewiderstand am Anfang zum Bleed-Down-Schaltkreis und/oder zur Brennstoffzelle zugeschaltet werden. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Abschaltung der beiden Batterien vom Stack, bspw. wenn beide Batterien voll sind, sowie ein Schutz der Batterien vor Spannungsspitzen nach dem Zuschalten ermöglicht werden.
Ferner ist die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems gerichtet, wobei das Energiesystem oder einfach System mit mindestens einer Brennstoffzelle, einer ersten Batterie zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau, und einer zweiten Batterie zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau ausgeführt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass die erste Batterie und die zweite Batterie in Reihe zueinander geschaltet werden können, wobei die Brennstoffzelle zum Aufladen der ersten Batterie und/oder der zweiten Batterie direkt, insbesondere ohne Wandler, an die erste Batterie und/oder die zweite Batterie geschaltet werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dieselben Vorteile erreicht, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, wobei hierbei vollumfänglich darauf Bezug genommen wird.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:

a) Zuschalten der ersten Batterie an die Brennstoffzelle, wenn ein Ladezustand der ersten Batterie eine erste Schwelle unterschreitet.

Dabei ist es vorteilhaft, dass das Ladeniveau der ersten Batterie nicht so weit fallen kann, dass der Betrieb des ersten Verbrauchers nicht mehr möglich ist. Die erste Schwelle kann dabei bspw. 30% der vollen Ladung der ersten Batterie betragen. Spätestens nach dem Unterschreiten der ersten Schwelle kann die erste Batterie zum Aufladen an den Stack zugeschaltet werden, wobei keine zusätzliche Spannungsanpassung erforderlich ist.
Weiterhin kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:

b) Aufladen der ersten Batterie bis der Ladezustand der ersten Batterie eine zweite Schwelle überschreitet. Die zweite Schwelle kann dabei bspw. 80% der vollen Ladung der ersten Batterie betragen.

Dabei ist es von Vorteil, dass das Aufladen der ersten Batterie immer zumindest soweit erfolgt, dass ein Betrieb des ersten Verbrauchers sichergestellt ist.
Des Weiteren kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:

c) Zuschalten der ersten Batterie zusammen mit der zweiten Batterie an die Brennstoffzelle, wenn ein Ladezustand der zweiten Batterie eine dritte Schwelle unterschreitet.

Erfindungsgemäß kann der Schritt c) im Anschluss an die Schritte a) und b) oder auch als der erste Schritt des Verfahrens ausgeführt werden. Der Schritt c) im Anschluss an die Schritte a) und b) kann den Vorteil bieten, dass die zweite Batterie erst dann aufgeladen wird, wenn die erste Batterie ausreichend geladen ist. Anschließend kann der Ladezustand der zweiten Batterie auf Unterschreiten der dritten Schwelle überwacht werden. Als der erste Schritt des Verfahrens kann der Schritt c) den Vorteil bieten, dass die beiden Batterien immer zusammen geladen werden können. Dabei kann vorteilhafterweise der Ladezustand der zweiten Batterie auf Unterschreiten der dritten Schwelle überwacht werden, um den Ladevorgang zu steuern, da die zweite Batterie grundsätzlich als erste entladen wird. Die dritte Schwelle kann dabei bspw. 50% der vollen Ladung der zweiten Batterie betragen.
Zudem kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:

d) Aufladen der ersten Batterie zusammen mit der zweiten Batterie bis der Ladezustand der zweiten Batterie eine vierte Schwelle überschreitet.

Somit kann sichergestellt werden, dass der Ladevorgang der beiden Batterien erst dann unterbrochen wird, wenn die zweite Batterie ausreichend aufgeladen ist. Die vierte Schwelle kann dabei bspw. 90% der vollen Ladung der zweiten Batterie betragen.
Schließlich, nachdem die zweite Batterie ausreichend aufgeladen ist, kann das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt vorsehen:

e) Aufladen der ersten Batterie, wenn der Ladezustand der zweiten Batterie eine vierte Schwelle überschreitet.

Der Schritt e) kann dabei ausgeführt werden, indem die Schritte a) und b) zumindest noch einmal wiederholt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass schließlich nicht nur die zweite Batterie, sondern beide Batterien ausreichend aufgeladen sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Das erfindungsgemäße Energiesystem und dessen Weiterbildungen sowie dessen Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine schematische Darstellung eines Energiesystems mit herkömmlichen DC/DC-Wandlern,
2 eine typische Spannungs-Strom-Kennlinie eines Brennstoffzellenstacks,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiesystems ohne DC/DC-Wandler,
4 eine Betriebsstrategie für das Laden einer Traktionsbatterie,
5 eine Betriebsstrategie für das Laden einer LV-Batterie und einer Traktionsbatterie,
6 eine Spannungs-Strom-Kennlinie eines Brennstoffzellenstacks im erfindungsgemäßen Energiesystem,
7 eine Gesamtbetriebsstrategie für das Laden der LV-Batterie und einer Traktionsbatterie, und
8 eine weitere Gesamtbetriebsstrategie für das Laden der LV-Batterie und einer Traktionsbatterie.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche technische Merkmale stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die 1 und 3 zeigen dabei ein Energiesystem 100 am Beispiel einer Brennstoffzelle 1 im Stack 1. Dabei wird einer Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Anodenleitung 30 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2, zugeführt, während einer Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 40 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird.
Die Abbildung von nur einer Brennstoffzelle 1 ist dabei rein beispielhaft und soll lediglich zu einem einfacheren Verständnis der Erfindung dienen, wobei es selbstverständlich denkbar ist, dass der Stack 1 mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 1 aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Energiesystem 100 eignet sich dabei für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung.
Die Kathodenleitung 40 weist dabei am Eingang einen Luftfilter 41 auf, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Ein Verdichter 42, bspw. in Form eines Saugers, sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 43 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 42 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 44 sorgt dafür, dass unverbrauchte Luft zurück an die Kathode 3 geschickt wird. Mit Hilfe eines Ventils 45, bspw. in Form einer Drosselklappe, in einer Bypass-Leitung und eines Ventils 46, bspw. in Form einer Drosselklappe, am Ausgang der Kathodenleitung 40 kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 40 eingestellt werden.
Die Anodenleitung 30 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 31 auf, welcher über ein Absperrventil 32 zum Abschalten der Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, und einen Druckregler 33 zum Einstellen eines geeigneten Druckes in der Anodenleitung 30 verfügt. Ein unverbrauchter Brennstoff kann mittels einer Rezirkulationspumpe 34, bspw. in Form einer Strahlpumpe, dem frischen Brennstoff beigemischt werden. Ein Purge-Ventil 35, bspw. in Form einer Drosselklappe, sorgt für ein Regeln eines Wasserstoffgehaltes in der Anodenleitung 30.
Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über eine Kühlfluid führende Thermalleitung 50 abgeführt. Im Startfall kann die Thermalleitung 50 wiederum dazu dienen, die Brennstoffzelle 1 auf eine bevorzugte Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Thermalleitung 50 weist dabei einen Kühler 51 und eine Rezirkulationspumpe 52 auf, um die überschüssige Wärme beim Betrieb des Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und abzutransportieren.
Die elektrische Leistung wird dabei über einen elektrischen Kreislauf 110 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 120, bspw. in einem Kraftfahrzeug, mit einem Inventor 105, einem E-Motor 103 und einem Fahrgetriebe 104, bereitgestellt. Das elektrische Bordnetzt 120 im Kraftfahrzeug weist dabei eine LV-Batterie 20 und eine Traktionsbatterie 10 auf. Die Traktionsbatterie 10 versorgt den E-Motor 103 mit Energie. Die LV-Batterie 20 versorgt die LV-Verbraucher im Bordnetz 120 des Kraftfahrzeuges. Der elektrische Kreislauf 110 umfasst dabei einen Bleed-Down-Schaltkreis 5 mit einem Widerstand 6 und einen Schalter 7 (s. 1 und 3).
Im Beispiel der 1 sind herkömmliche DC-DC-Wandler 101, 102 gezeigt, über die das Spannungsniveau zu der Traktionsbatterie 10 und zu der LV-Batterie 20 geregelt wird. Der DC/DC-Wandler 101 dient dabei als Übergang vom elektrischen Kreislauf 110 zum elektrischen Bordnetz 120 des Kraftfahrzeuges. Ferner umfasst das System 100 im elektrischen Kreislauf 110 eine erste Schutzschaltung 9 und eine zweite Schutzschaltung 8 mit einem Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand.
Die typische Kennlinie eines Brennstoffzellenstacks 1 stellt die Spannung U(V) über dem Strom I(A) von einer Brennstoffzelle 1 bzw. von einem ganzen Stapel dar, siehe 2. Bei der direkten Verbindung zwischen dem Stack 1 und der Traktionsbatterie 10 wird diese Kennlinie die Betriebsspannung U₁₀ des Stacks 1 bestimmen, wie in der 2 gezeigt. Aus dem Stack 1 wird dann ein Strom I₁₀ gezogen. Der Stack 1 kann hierzu mit einer entsprechenden Menge an Reaktanten versorgt werden.
Die 3 zeigt das erfindungsgemäße Energiesystem 100 ohne DC/DC-Wandler. Dabei ist im elektrischen Kreislauf 110 der Bleed-Down-Schaltkreis 5 mit dem Schalter 7 und dem Widerstand 6 angeordnet. Der Bleed-Down-Schaltkreis 5 ist parallel zur Brennstoffzelle 1 angeordnet. Links von dem Bleed-Down-Schaltkreis 5 und parallel dazu ist das elektrische Bordnetz 120 abgebildet, welcher keine DC/DC-Wandler aufweist. Dabei sind die Traktionsbatterie 10 und die LV-Batterie 20 parallel zum Bleed-Down-Schaltkreis 5 und parallel zur Brennstoffzelle 1 angeordnet.
Die 3 zeigt somit die erfindungsgemäße Idee, gemäß welcher die LV-Batterie 20, z.B. eine 12 V– -Batterie, mit der Traktionsbatterie 10, z. B. einer 80 V-Batterie, in Reihe geschaltet ist. Schalter S1, S2, S3 sind angebracht, damit die Batterien 10, 20 vom Brennstoffzellenstack 1 gemeinsam geladen werden können. Vorladewiderstände 22, 12 und Vorladeschalter V1, V2 sind angebracht, damit zu hohe Ströme bei der Zu- und Abschaltung der Schalter S1 bis S3 vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Betriebsstrategie zum Laden 200 der Traktionsbatterie 10 wird in der 4 dargestellt. Hierzu wird im Schritt 201 ein dritter Schalter S3 zwischen der Kathode 3 und der Traktionsbatterie 10 und ein Vorladeschalter V2 zwischen der Anode 2 und der Traktionsbatterie 10 geschlossen. Somit wird die Traktionsbatterie 10 zunächst an den Stack 1 zugeschaltet und die Stackspannung U zum Traktionsbatterie-Spannungsniveau U₁₀, z.B. 80 V, näher gebracht. Ein erster Schalter S1 und ein erster Vorladeschalter V1 zwischen der LV-Batterie 20 und der Anode 2 bleiben dabei offen. Danach wird im Schritt 202, ein zweiter Schalter S2 zwischen der Anode 2 und der Traktionsbatterie 10 geschlossen und dann fließt Strom I₁₀, z.B. 300A, zur Traktionsbatterie 10. Bspw. bei einem Stack 1 mit 120 Zellen bedeutet das eine Zellenspannung von ca. 0,67V, was in etwa einer Volllastspannung entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Betriebsstrategie zum Laden 300 der LV-Batterie 20 wird in 5 dargestellt. Hierzu wird im Schritt 301 der dritte Schalter S3 und der erste Vorladeschalter V1 zunächst geschlossen. Danach wird im Schritt 302 der erste Schalter S1 geschlossen und dann wird bei einer Stackspannung U₁₀₊₂₀ von z.B. 92V der geringere Strom l₁₀₊₂₀, wie es in 6 gezeigt ist, z. B. 100A durch die LV-Batterie 20 und die Traktionsbatterie 10 fließen. Dabei ist es zu beachten, dass der zweite Schalter S2 offen sein muss. Die Zellenspannung beträgt dabei ca. 0,77 V, was eher einer Teillastspannung entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Gesamtbetriebsstrategie für das Laden der jeweiligen Batterie ist Ladezustand (SOC) basiert, wie es in 7 gezeigt ist. Dabei wird im Schritt 400 bei Unterschreitung einer ersten Schwelle SOC₁ für die Traktionsbatterie 10, z. B. 30%, ein Laden der Traktionsbatterie 10 im Schritt 401 ausgelöst, was der Betriebsstrategie gemäß 4 entspricht. Das Laden 401 erfolgt solange im Schritt 402 eine zweite Schwelle SOC₂, z.B. 80%, des Ladenzustands SOC₁₀ der Traktionsbatterie 10 erreicht wird, danach wird die Ladung im Schritt 403 beendet. Wenn die zweite Schwelle SOC₂ des Ladenzustands SOC₁₀ der Traktionsbatterie 10 noch nicht erreicht ist, wird im Schritt 404 während der Ladung der Traktionsbatterie 10 der Ladezustand SOC₂₀ der LV-Batterie 20 abgefragt. Falls der Ladezustand SOC₂₀ der LV-Batterie 20 unterhalb einer dritten Schwelle SOC₃, z.B. 50%, des Ladenzustands SOC₂₀ der LV-Batterie 20 liegt, werden die beiden Batterien 10, 20 im Schritt 405 gemeinsam geladen, was der Betriebsstrategie gemäß der 5 entspricht. Dies erfolgt bis eine vierte Schwelle SOC₄, z.B. 90%, des Ladenzustands SOC₂₀ der LV-Batterie 20 erreicht wird. Danach wird nochmals nur die Traktionsbatterie 10 geladen.
Zusätzlich kann eine weitere Betriebsstrategie umgesetzt werden, wonach beide Batterien 10, 20 immer nach Unterschreitung der dritten Schwelle SOC₃ des Ladenzustands SOC₂₀ der LV-Batterie 20 geladen werden, wie es in 8 gezeigt ist. Hierzu wird im Schritt 500 der Ladezustand SOC₂₀ der LV-Batterie 20 abgefragt. Falls er unterhalb einer dritten Schwelle SOC₃, z. B. 50%, des Ladenzustands SOC₂₀ der LV-Batterie 20 liegt, werden die beiden Batterien 10, 20 im Schritt 501 gemeinsam geladen. Dies erfolgt bis eine vierte Schwelle SOC₄, z. B. 90%, des Ladenzustands SOC₂₀ der LV-Batterie 20 erreicht wird. Danach wird das Laden der beiden Batterien 10, 20 im Schritt 503 beendet.
Die voranstehende Beschreibung der 1 bis 8 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20080259660 A1 [0004]

Claims

Energiesystem (100), mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), einer ersten Batterie (10) zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau, und einer zweiten Batterie (20) zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Batterie (10) und die zweite Batterie (20) in Reihe zueinander schaltbar sind.
Energiesystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bleed-Down-Schaltkreis (5) zum Abbauen einer Spannung (U) beim Abstellen des Energiesystems (100) vorgesehen ist, insbesondere dass der Bleed-Down-Schaltkreis (5) parallel zu der mindestens einer Brennstoffzelle (1) geschaltet ist, wobei der Bleed-Down-Schaltkreis (5) einen Schalter (7) und einen Wiederstand (6) aufweist.
Energiesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Batterie (10) als eine Traktionsbatterie eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeuges ausgebildet ist, wobei der erste Verbraucher ein Elektromotor ist, und/oder dass die zweite Batterie (20) als eine LV-Batterie ausgebildet ist, wobei der zweite Verbraucher ein LV-Verbraucher im elektrischen Bordnetz eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeuges ist.
Energiesystem (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Batterie (10) parallel zum Bleed-Down-Schaltkreis (5) und/oder parallel zu der mindestens einer Brennstoffzelle (1) schaltbar ist, insbesondere dass die erste Batterie (10) über einen dritten Schalter (S3) und einen zweiten Schalter (S2) oder über einen dritten Schalter (S3) und einen zweiten Vorladeschalter (V2) mit einem Vorladewiderstand (12) zum Bleed-Down-Schaltkreis (5) und/oder zur Brennstoffzelle (1) schallbar ist.
Energiesystem (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Batterie (10) zusammen mit der zweite Batterie (20) parallel zum Bleed-Down-Schaltkreis (10) und/oder parallel zu der mindestens einer Brennstoffzelle (1) schaltbar ist, insbesondere dass die erste Batterie (10) zusammen mit der zweite Batterie (20) über einen dritten Schalter (S3) und einen ersten Schalter (S1) oder über einen dritten Schalter (S3) und einen ersten Vorladeschalter (V1) mit einem Vorladewiderstand (22) zum Bleed-Down-Schaltkreis (5) und/oder zur Brennstoffzelle (1) schallbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems (100), welches mit mindestens einer Brennstoffzelle (1), einer ersten Batterie (10) zum Versorgen mindestens eines ersten Verbrauchers auf einem ersten Spannungsniveau, und einer zweiten Batterie (20) zum Versorgen mindestens eines zweiten Verbrauchers auf einem zweiten Spannungsniveau ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Batterie (10) und die zweite Batterie (20) in Reihe zueinander schaltbar sind, und dass die Brennstoffzelle (1) zum Aufladen der ersten Batterie (10) und/oder der zweiten Batterie (20) direkt an die erste Batterie (10) und/oder die zweite Batterie (20) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: a) Zuschalten der ersten Batterie (10) an die Brennstoffzelle (1), wenn ein Ladezustand (SOC₁₀) der ersten Batterie (10) eine erste Schwelle (SOC1) unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: b) Aufladen der ersten Batterie (10) bis der Ladezustand (SOC₁₀) der ersten Batterie (10) eine zweite Schwelle (SOC2) überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: c) Zuschalten der ersten Batterie (10) zusammen mit der zweiten Batterie (20) an die Brennstoffzelle (1), wenn ein Ladezustand (SOC₂₀) der zweiten Batterie (20) eine dritte Schwelle (SOC3) unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: d) Aufladen der ersten Batterie (10) zusammen mit der zweiten Batterie (20) bis der Ladezustand (SOC₂₀) der zweiten Batterie (20) eine vierte Schwelle (SOC4) überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: e) Aufladen der ersten Batterie (10), wenn der Ladezustand der zweiten Batterie (20) eine vierte Schwelle (SOC4) überschreitet.