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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.
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Ein Kraftfahrzeug kann ein elektrisches Bordnetz mit elektrischen Energiequellen und/oder elektrischen Energiespeichern sowie elektrischen Verbrauchern als Komponenten aufweisen, wobei die elektrischen Energiequellen und/oder elektrischen Energiespeicher dazu ausgebildet sind, die elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Komponenten bspw. vor Überspannungen, die in dem Bordnetz eventuell auftreten könnten, zu schützen sind.
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Ein aus der Druckschrift
DE 10 2012 016 011 A1 bekanntes Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen ersten als Wasserstofftank ausgebildeten Energiespeicher mit einer ersten Speicherkapazität, einen zweiten als Batterie ausgebildeten Energiespeicher mit einer zweiten Speicherkapazität und einen Reserveenergiespeicher mit einer dritten Speicherkapazität.
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Eine Batterieanlage eines Unterseeboots ist in der Druckschrift
DE 10 2004 045 897 A1 beschrieben. Es umfasst zwei Batteriemodule, die jeweils die Bordnetzspannung des Unterseeboots haben und jeweils über einen Schalter mit einem Bordnetz des Unterseeboots verbunden sind, der es ermöglicht, das zugehörige Batteriemodul dem Bordnetz zu- und abzuschalten.
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Ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung implementiert ist, ist aus der Druckschrift
DE 10 2012 215 935 A1 bekannt. Hierbei ist während einer Regeneration oder wenn das Auftreten einer Regeneration zu erwarten ist, die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle auf einen Spannungswert außerhalb eines Oxidations-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereichs fixiert.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, eine Betriebssicherheit eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Energiesystem und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen des elektrischen Energiesystems und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Das erfindungsgemäße elektrische Energiesystem für ein Kraftfahrzeug weist ein Bordnetz mit mindestens einer elektrischen Komponente und als eine elektrische Energiequelle mindestens eine Brennstoffzellenanordnung, die mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, auf. Dabei weist das Bordnetz mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Anschluss auf. Die Brennstoffzellenanordnung weist mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Anschluss auf. Außerdem ist eine Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung durch einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt. Eine Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente ist durch einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt. Hierbei ist der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung höchstens so groß wie der maximale Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente und der minimale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung mindestens so groß, d. h. größer oder gleich dem minimalen Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente. Jeweils ein Anschluss der Brennstoffzellenanordnung ist über mindestens einen Verbindungspfad, bspw. mindestens eine Verbindungsleitung, an jeweils einem Anschluss des Bordnetzes anschließbar und/oder angeschlossen, wobei zwischen den Anschlüssen der Brennstoffzellenanordnung und den Anschlüssen des Bordnetzes entlang des mindestens einen Verbindungspfads, bspw. entlang der mindestens einen Verbindungsleitung, mindestens eine Diode, bspw. ein elektronisches Halbleiterelement, und mindestens ein Abschaltmodul anordenbar und/oder angeordnet sind.
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Das mindestens eine Abschaltmodul ist dazu ausgebildet, eine Verbindung zwischen der Brennstoffzellenanordnung und dem Bordnetz zu unterbrechen. Die mindestens eine Diode ist dazu ausgebildet, einen Fluss eines Stroms in Richtung der Brennstoffzellenanordnung zu sperren.
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Der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung ist bspw. als Leerlaufspannung ausgebildet und/oder zu bezeichnen, der bzw. die sich maximal ergibt, wenn die Brennstoffzellenanordnung von dem Bordnetz und/oder der mindestens einen elektrischen Komponente getrennt ist und/oder falls die Brennstoffzellenanordnung aktiv betrieben wird. Falls die Brennstoffzelle von dem Bordnetz getrennt ist, ergibt sich für ihren maximalen Wert der Betriebsspannung höchstens die Leerlaufspannung.
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In Ausgestaltung des elektrischen Energiesystems ist die mindestens eine elektrische Komponente als Batterieanordnung, die mindestens eine Batteriezelle aufweist, und demnach als Energiequelle und/oder Energiespeicher ausgebildet. Dabei ist eine Betriebsspannung der Batterieanordnung durch den minimalen Wert und den maximalen Wert begrenzt, wobei der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung höchstens so groß wie der maximale Wert der Betriebsspannung der Batterieanordnung ist. Der minimale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung ist mindestens so groß wie der minimale Wert der Betriebsspannung der Batterieanordnung. Dies ist bspw. dann der Fall, falls die Brennstoffzellenanordnung an dem Bordnetz angeschlossen ist und elektrische Energie erzeugt. Es ist auch möglich, dass die Leerlaufspannung der Brennstoffzellenanordnung maximal so groß wie der minimale Wert der Betriebsspannung der Batterieanordnung ist. Außerdem ist jeweils ein Anschluss der Batterieanordnung über den mindestens einen Verbindungspfad an dem Bordnetz anschließbar und/oder angeschlossen, wobei die Batterieanordnung in das Bordnetz integrierbar und/oder integriert ist.
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Alternativ oder ergänzend ist die mindestens eine elektrische Komponente als Verbraucher ausgebildet, wobei eine Betriebsspannung des Verbrauchers durch den minimalen Wert und den maximalen Wert begrenzt ist, wobei der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung höchstens so groß wie der maximale Wert der Betriebsspannung des Verbrauchers ist, wobei der minimale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung mindestens so groß wie der minimale Wert der Betriebsspannung des Verbrauchers ist. Dieser Verbraucher ist an das Bordnetz anschließbar und/oder angeschlossen bzw. in das Bordnetz integrierbar und/oder integriert. Es ist möglich, dass ein minimaler Wert mindestens einer der genannten Betriebsspannungen 0 V ist.
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In weiterer Ausgestaltung sind die mindestens eine Diode und das mindestens eine Abschaltmodul zwischen einem Anschluss der Brennstoffzellenanordnung und einem Anschluss des Bordnetzes entlang eines einzigen Verbindungspfads, bspw. einer einzigen Verbindungsleitung, hintereinander in Reihe geschaltet.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die mindestens eine Diode zwischen dem mindestens einen ersten Anschluss der Brennstoffzellenanordnung und dem mindestens einen ersten Anschluss des Bordnetzes entlang eines ersten Verbindungspfads, bspw. einer ersten Verbindungsleitung, geschaltet ist. Weiterhin ist das mindestens eine Abschaltmodul zwischen einem zweiten Anschluss der Brennstoffzellenanordnung und einem zweiten Anschluss des Bordnetzes entlang eines zweiten Verbindungspfads, bspw. einer zweiten Verbindungsleitung, geschaltet. Somit ist es möglich, dass die mindestens eine Diode und das mindestens eine Abschaltelement in unterschiedlichen Verbindungspfaden angeordnet sind.
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Falls das elektrische Energiesystem in einer möglichen Ausgestaltung mehrere Abschaltmodule aufweist, ist es möglich, dass die mindestens eine Diode und mindestens ein erstes Abschaltmodul entlang eines ersten Verbindungspfads, bspw. einer ersten Verbindungsleitung, hintereinander in Reihe geschaltet sind, und dass das mindestens eine zweite Abschaltmodul entlang eines zweiten Verbindungspfads, bspw. einer zweiten Verbindungsleitung, parallel zu der mindestens einen Diode und dem mindestens einen ersten Abschaltmodul angeordnet ist.
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Falls das Energiesystem mehrere Dioden aufweist, ist es möglich, dass mindestens eine dieser Dioden entlang eines ersten Verbindungspfads und/oder eines zweiten Verbindungspfads angeordnet ist. Dabei können bspw. mehrere Dioden entlang mindestens eines dieser genannten Verbindungspfade in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Dasselbe gilt auch für eine Anordnung mehrerer Abschaltmodule, wobei mindestens eines dieser Abschaltmodule entlang des ersten und/oder des zweiten Verbindungspfads angeordnet ist. Hierbei ist auch denkbar, dass mehrere Abschaltmodule, die entlang mindestens eines dieser genannten Verbindungspfade angeordnet sind, entlang dieses mindestens einen Verbindungspfads zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Entlang mindestens eines der genannten Verbindungspfade ist in Ausgestaltung mindestens eine Diode relativ zu mindestens einem Abschaltmodul in Reihe geschaltet. Unabhängig von einer konkreten Anzahl und Verteilung der mindestens einen Diode und/oder des mindestens einen Abschaltmoduls entlang des mindestens einen Verbindungspfads ist vorgesehen, dass eine Orientierung der Durchlassrichtung der mindestens einen Diode lediglich einen Stromfluss von der Batterieanordnung in Richtung des Bordnetzes zulässt, wohingegen die mindestens eine Diode einen Fluss von Strom bzw. Stromfluss in Richtung der Brennstoffzellenanordnung aufgrund der entgegengesetzt orientierten Durchlassrichtung sperrt. Im Falle eines positiven Verbindungspfads ist die Durchlassrichtung der mindestens einen Diode von der Brennstoffzellenanordnung in Richtung des Bordnetzes orientiert, wohingegen die Durchlassrichtung entlang eines negativen Verbindungspfads entgegengesetzt orientiert ist.
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In einer Variante des elektrischen Energiesystems ist eine Durchlassrichtung der mindestens einen Diode, bspw. mindestens einer Sperrdiode, ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung in Richtung des Bordnetzes orientierbar und/oder orientiert, wobei die mindestens eine Diode lediglich einen Fluss von Strom in Richtung des Bordnetzes zulässt.
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Außerdem ist es möglich, die mindestens eine Diode entlang eines positiven Verbindungspfads, der einen positiven Anschluss der Brennstoffzellenanordnung mit einem positiven Anschluss des Bordnetzes und somit mit einem positiven Bordnetzpfad und einem positiven Anschluss der mindestens einen Komponente des Bordnetzes verbindet, anzuordnen. Alternativ oder ergänzend ist es ebenfalls möglich, die mindestens eine Diode entlang eines negativen Verbindungspfads, der einen negativen Anschluss der Brennstoffzellenanordnung mit einem negativen Anschluss des Bordnetzes und somit mit einem negativen Bordnetzpfad und einem negativen Anschluss der mindestens einen Komponente des Bordnetzes verbindet, anzuordnen.
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Das mindestens eine Abschaltmodul, das je nach Definition als Not-Abschaltmodul ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist, weist mindestens ein Abschaltelement auf, das als Schütz bzw. als elektromechanisches Abschaltmodul, als Halbleiterschalter, bspw. als IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode; insulated-gate bipolar transistor) oder MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor; metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistor), als Trennelement, bspw. Pyro-Trennelement und/oder als Schmelzsicherung, als elektrisches Abschaltmodul, als mechanisches Abschaltmodul und/oder als elektromechanisches Abschaltmodul ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, das ein Bordnetz mit mindestens einer elektrischen Komponente und mindestens eine Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist. Dabei weist das Bordnetz mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Anschluss auf. Die Brennstoffzellenanordnung weist ebenfalls mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Anschluss auf. Hierbei wird bzw. ist eine Betriebsspannung als elektrischer Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung durch einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt. Eine Betriebsspannung als elektrischer Betriebsparameter der mindestens einen elektrischen Komponente wird bzw. ist durch einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt. Dabei wird bzw. ist der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung höchstens so groß wie der maximale Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente eingestellt. Der minimale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung wird bzw. ist genauso groß wie bzw. größer als der minimale Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente eingestellt. Jeweils ein Anschluss der Brennstoffzellenanordnung wird bzw. ist über mindestens einen Verbindungspfad, bspw. mindestens eine Verbindungsleitung, an jeweils einem Anschluss des Bordnetzes angeschlossen, wobei zwischen den Anschlüssen der Brennstoffzellenanordnung und den Anschlüssen des Bordnetzes entlang des mindestens einen Verbindungspfads, bspw. entlang der mindestens einen Verbindungsleitung, mindestens eine Diode als elektronisches Halbleiterelement und mindestens ein Abschaltmodul angeordnet werden bzw. sind.
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Im Rahmen des Verfahrens wird eine Verbindung zwischen der Brennstoffzellenanordnung und dem Bordnetz von dem mindestens einen Abschaltmodul unterbrochen, falls mindestens ein elektrischer Betriebsparameter, bspw. die Betriebsspannung und/oder ein Betriebsstrom, der mindestens einen elektrischen Komponente, bspw. der Batterieanordnung, und/oder der Brennstoffzellenanordnung von einem hierfür, d. h. für die mindestens eine Komponente und/oder für die Brennstoffzellenanordnung, vorgesehenen Toleranzwert um mindestens einen hierfür, d. h. für die mindestens eine Komponente und/oder für die Brennstoffzellenanordnung, vorgesehenen Schwellwert abweicht. Dies ist in Ausgestaltung dann der Fall, falls der mindestens eine elektrische Betriebsparameter der mindestens einen elektrischen Komponente und/oder der Brennstoffzellenanordnung größer als ein maximal zulässiger Schwellwert oder kleiner als ein minimal zulässiger Schwellwert des mindestens einen elektrischen Betriebsparameters ist.
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Das Verfahren wird in Ausgestaltung mit einer Brennstoffzellenanordnung durchgeführt, die eine Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, die durch einen minimalen vom Betriebsstrom abhängigen bzw. betriebsstromabhängigen Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung und einen maximalen vom Betriebsstrom abhängigen bzw. betriebsstromabhängigen Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung begrenzt wird bzw. ist. Dabei wird das Verfahren mit mindestens einer elektrischen Komponente, bspw. einer Batterieanordnung, durchgeführt, die eine minimale Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, durch die ein minimaler vom Betriebsstrom abhängiger bzw. betriebsstromabhängiger Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente definiert wird bzw. ist. Die mindestens eine elektrische Komponente weist eine maximale Strom-Spannungs-Kennlinie auf, durch die ein maximaler vom Betriebsstrom abhängiger bzw. betriebsstromabhängiger Wert der Betriebsspannung der mindestens einen elektrischen Komponente definiert wird bzw. ist. Dabei wird bzw. ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzellenanordnung betriebsstromabhängig und/oder betriebsspannungsabhängig zwischen der minimalen Strom-Spannungs-Kennlinie und der maximalen Strom-Spannungs-Kennlinie der mindestens einen elektrischen Komponente eingehüllt, wobei sich die Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzellenanordnung mit zunehmendem bzw. vergrößerndem Betriebsstrom der minimalen Strom-Spannungs-Kennlinie der mindestens einen elektrischen Komponente asymptotisch nähert.
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Eine Ausführungsform des elektrischen Energiesystems, mit dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, ist für ein als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildetes und/oder zu bezeichnendes Kraftfahrzeug vorgesehen. Hierbei ist es möglich, in dem Brennstoffzellenfahrzeug durch eine geeignete Dimensionierung der Strom-Spannungs- bzw. U/I-Kennlinien der Brennstoffzellenanordnung und der Batterieanordnung in Verbindung mit einer dazu passenden Auslegung des Energiesystems einen ansonsten zwischen dem Bordnetz und der Brennstoffzellenanordnung erforderlichen DC/DC-Wandler durch die mindestens eine Diode zu ersetzen. Weiterhin ist hier zwischen dem Bordnetz und der Brennstoffzellenanordnung ein zusätzliches Abschaltmodul, bspw. Not-Abschaltmodul, zum Schutz der Brennstoffzelle sowie der Komponenten angeordnet und/oder geschaltet.
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Mit dem mindestens einen Abschaltmodul wird bspw. in einem Fehlerfall die Brennstoffzellenanordnung von dem Bordnetz sicher getrennt. Außerdem wird mit dem mindestens einen Abschaltmodul ein unkontrollierter Energie- bzw. Leistungsfluss aus der Brennstoffzellenanordnung in das Bordnetz verhindert. Somit ist es möglich, für jede Ausführungsform des Energiesystems Sicherheitsanforderungen einzuhalten. Außerdem ist eine Störung und/oder Zerstörung anderer Komponenten vermeidbar.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung, die eine Basis der nachfolgenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiesystems bildet.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bzw. ein Blockschaltbild der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bei Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bzw. ein Blockschaltbild der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bzw. ein Blockschaltbild der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems bei Durchführung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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Die erste und zweite Anordnung 200, 202 sind in den 1 und 2 schematisch dargestellt. Jede Anordnung 200, 202 umfasst ein Bordnetz 108 mit einem ersten Pfad 110 und einem zweiten Pfad 112. An dem Bordnetz 108 ist eine Brennstoffzellenanordnung 128 mit Brennstoffzellen angeschlossen.
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Das Bordnetz 108 weist mehrere Komponenten 120, 122, 124 auf. Dabei ist eine erste Komponente 120 als Batterieanordnung ausgebildet. Mindestens eine zweite Komponente 122 ist als Nebenaggregat der Brennstoffzelle 128, als Ladegerät, als Gleichstromwandler als Heizer und/oder als elektrischer Klimaprozessor ausgebildet. Eine dritte Komponente 124 ist hier als Pulswechselrichter ausgebildet, an dem eine Elektromaschine 126 angeschlossen ist. Es ist auch möglich, dass das Bordnetz 108 weitere, hier nicht gezeigte Komponenten aufweist.
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Bei der ersten Anordnung 200 (1) ist entlang beider Pfade 110, 112 ein DC/DC-Wandler 130 angeordnet, der bei der zweiten Anordnung 202 durch mindestens eine Diode 132 entlang des ersten Pfads 110 ersetzt ist.
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Die erste, zweite und dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Energiesystems 2, 4, 6 für ein Kraftfahrzeug, die in den 3, 4 und 5 schematisch dargestellt sind, wobei mit jeweils einer Ausführungsform des elektrischen Energiesystems 2, 4, 6 jeweils eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist, umfassen jeweils ein als Hochspannungsbordnetz ausgebildetes und/oder zu bezeichnendes Bordnetz 8 mit einem ersten Bordnetzpfad 10, der hier als positiver Bordnetzpfad 10 ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist, und einem zweiten Bordnetzpfad 12, der hier als negativer Bordnetzpfad 12 ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist. Dabei weist der erste Bordnetzpfad 10 einen ersten Anschluss 16 und der zweite Bordnetzpfad 12 einen zweiten Anschluss 18 auf. An dem Bordnetz 8 ist weiterhin eine Brennstoffzellenanordnung 28, die mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, angeschlossen. Die Brennstoffzellenanordnung 28 weist ebenfalls einen ersten Anschluss 30 und einen zweiten Anschluss 32 auf.
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Das Bordnetz 8 weist mehrere Komponenten 20, 22, 24 auf, die in das Bordnetz 8 je nach Definition integriert und/oder daran angeschlossen sind. Hierbei ist vorgesehen, dass jeweils ein erster Anschluss einer derartigen Komponente 20, 22, 24 mit dem ersten Bordnetzpfad 10 verbunden und/oder daran angeschlossen ist. Jeweils ein zweiter Anschluss einer derartigen Komponente 20, 22, 24 ist mit dem zweiten Bordnetzpfad 12 verbunden und/oder daran angeschlossen. Dabei ist eine erste Komponente 20 als Batterieanordnung, die mindestens eine Batteriezelle aufweist und auch als elektrische Energiequelle bezeichnet werden kann, ausgebildet, deren erster Anschluss mit dem positiven ersten Bordnetzpfad 10 und deren zweiter Anschluss mit dem negativen zweiten Bordnetzpfad 12 verbunden ist.
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Mindestens eine zweite Komponente 22, wobei hier lediglich eine derartige zweite Komponente 22 dargestellt ist, ist als Nebenaggregat der Brennstoffzelle 28, als Ladegerät, als Gleichstromwandler, bspw. 12V-DC/DC-Wandler, als Heizer bzw. Heizgerät und/oder als elektrischer Klimaprozessor ausgebildet. Je nach Funktion ist die mindestens eine zweite Komponente 22 als Energiequelle oder Energiesenke bzw. als Verbraucher ausgebildet und/oder zu bezeichnen. Eine dritte Komponente 24 ist hier als n-phasiger Pulswechselrichter (PWR) für n Phasen und/oder mit n Phasen ausgebildet, an dem wiederum eine Elektromaschine 26 mit n Phasen angeschlossen ist, wobei n eine natürliche Zahl bspw. gleich drei, ist. Somit ist die Elektromaschine 26 über den Pulswechselrichter an dem Bordnetz 8 indirekt angeschlossen.
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Die Elektromaschine 26 wird je nach Betriebssituation des Kraftfahrzeugs als Motor oder als Generator betrieben. Falls die Elektromaschine 26 als Motor betrieben wird, wobei die Elektromaschine 26 bspw. zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, wird ihr aus dem Bordnetz 8 elektrische Energie bereitgestellt, die ursprünglich von mindestens einer Energiequelle, bspw. der Brennstoffzellenanordnung 28, gewandelt und/oder erzeugt wird. Alternativ oder ergänzend ist die elektrische Energie für die Elektromaschine 26 in der als Batterieanordnung ausgebildeten ersten Komponente 20 als Energiespeicher bzw. Energiequelle gespeichert. Falls die Elektromaschine 26 bspw. in einem rekuperativen Betrieb des Kraftfahrzeugs als Generator betrieben wird, erzeugt sie elektrische Energie, die dem Energiebordnetz 8 von der Elektromaschine 26 bereitgestellt und in der Batterieanordnung bzw. der ersten Komponente 20 gespeichert wird. Somit wird die Elektromaschine 26 bei dem Betrieb als Motor als Energiesenke und bei dem Betrieb als Generator als Energiequelle für das Bordnetz 8 verwendet.
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Dabei ist der erste, hier positive Anschluss 30 in allen drei Ausführungsformen des Energiesystems 2, 4, 6 über einen positiven Verbindungspfad 38, hier eine positive Verbindungsleitung mit dem ersten positiven Anschluss 16 und somit auch mit dem positiven Bordnetzpfad 10 des Bordnetzes 8 verbunden bzw. daran angeschlossen. Weiterhin ist der erste positive Anschluss 30 der Brennstoffzellenanordnung 28 mit einem hier positiven ersten Anschluss 34 der als Batterieanordnung ausgebildeten ersten Komponente 20 verbunden bzw. daran angeschlossen. Der zweite, hier negative Anschluss 32 in ist allen drei Ausführungsformen des Energiesystems 2, 4, 6 über einen negativen Verbindungspfad 40, hier eine negative Verbindungsleitung mit dem zweiten negativen Anschluss 18 und somit auch mit dem negativen Bordnetzpfad 12 des Bordnetzes 8 verbunden bzw. daran angeschlossen. Weiterhin ist der zweite negative Anschluss 32 der Brennstoffzellenanordnung 28 mit einem hier negativen ersten Anschluss 36 der als Batterieanordnung ausgebildeten ersten Komponente 20 verbunden bzw. daran angeschlossen. Die beiden Verbindungspfade 38, 40 sind demnach als Verbindungen zwischen der Brennstoffzellenanordnung 28 und dem Bordnetz 8 und somit auch als Verbindungen zwischen der Brennstoffzellenanordnung 28 und der Batterieanordnung als erster Komponente 20 des Bordnetzes 8 ausgebildet.
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Weiterhin ist bei jeder Ausführungsform des Energiesystems 2, 4, 6 vorgesehen, dass eine Betriebsspannung mindestens einer Komponente 20, 22, 24 des Bordnetzes 8 durch einen minimalen Wert und einen maximalen Wert begrenzt ist. Außerdem ist der maximale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung 28, üblicherweise eine Leerlaufspannung der Brennstoffzellenanordnung 28, höchstens so groß wie der maximale Wert der Betriebsspannung der mindestens einen Komponente 20, 22, 24. Der minimale Wert der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung 28 ist mindestens so groß wie der minimale Wert der Betriebsspannung der mindestens einen Komponente 20, 22, 24. So ist es möglich, dass beide minimalen Werte in Ausgestaltung null sind.
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Die drei Ausführungsformen des Energiesystems 2, 4, 6 unterscheiden sich durch Ausgestaltungen der Verbindungspfade 38, 40.
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Bei der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform des Energiesystems 2 ist entlang des ersten Verbindungspfads 38 bzw. eines Pluspfads und somit entlang einer ersten Verbindungsleitung ausgehend von dem ersten Anschluss 30 der Brennstoffzellenanordnung 28 in Richtung des ersten Anschlusses 16 des Bordnetzes 8 zunächst ein als Not-Abschaltmodul ausgebildetes Abschaltmodul 42 und danach mindestens eine hier als Sperrdiode ausgebildete und/oder zu bezeichnende Diode 44 angeordnet, deren Durchlassrichtung ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 28 in Richtung des Bordnetzes 8 orientiert ist. Dagegen ist entlang des zweiten Verbindungspfads 40 bzw. eines Minuspfads zwischen den beiden zweiten Anschlüssen 18, 32 lediglich eine zweite Verbindungsleitung angeordnet.
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Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform des Energiesystems 4 ist entlang des ersten Plus- bzw. Verbindungspfads 38 bzw. entlang der ersten Verbindungsleitung ausgehend von dem ersten Anschluss 30 der Brennstoffzellenanordnung 28 in Richtung des ersten Anschlusses 16 des Bordnetzes 8 zunächst die mindestens eine Diode 44 und nachfolgend das als Not-Abschaltmodul ausgebildete Abschaltmodul 42 angeordnet. Die Durchlassrichtung der mindestens einen hier als Sperrdiode ausgebildeten und/oder zu bezeichnende Diode 44 ist ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 28 ebenfalls in Richtung des Bordnetzes 8 orientiert. Dagegen ist auch hier entlang des zweiten Minus- bzw. Verbindungspfads 40 zwischen den beiden zweiten Anschlüssen 18, 32 lediglich die zweite Verbindungsleitung angeordnet.
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Bei der in 5 dargestellten dritten Ausführungsform des Energiesystems 6 ist entlang des ersten Plus- bzw. Verbindungspfads 38 bzw. entlang der ersten Verbindungsleitung ausgehend von dem ersten Anschluss 30 der Brennstoffzellenanordnung 28 in Richtung des ersten Anschlusses 16 des Bordnetzes 8 die mindestens eine Diode 44 angeordnet, deren Durchlassrichtung ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 28 ebenfalls in Richtung des Bordnetzes 8 orientiert ist. Weiterhin ist das Abschaltmodul 42 hier entlang des zweiten Minus- bzw. Verbindungspfads 40 zwischen den beiden zweiten Anschlüssen 18, 32 und somit entlang der zweiten Verbindungsleitung angeordnet.
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Durch Ersetzen des in der ersten Anordnung 200 (1) vorgesehenen DC/DC-Wandlers 130 durch die mindestens eine Diode 44, d. h. durch lediglich eine Diode 44 oder mehrere Dioden 44 wird ein Wirkungsgrad eines jeweiligen Energiesystems 2, 4, 6 im Vergleich zu der Anordnung 200 erhöht. Außerdem können Gewicht und Bauraum eingespart und Gesamtkosten gesenkt werden.
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Das Abschaltmodul 42 ist an verschiedenen Stellen des Energiesystems 2, 4, 6 positionierbar und weist als mindestens ein Abschaltelement, bspw. ein Schütz bzw. elektromechanisches und/oder pneumatisches Schaltelement für hohe Stromlasten, einen Halbleiterschalter, bspw. einen IGBT oder MOSFET, ein Pyro-Trennelement und/oder eine Schmelzsicherung auf, weshalb das Abschaltmodul 42 auch aus einer Kombination dieser genannten Abschaltelemente realisierbar ist.
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Durch die Integration des zusätzlichen Abschaltmoduls 42 in Kombination mit der mindestens einen Diode 44 wird die Brennstoffzellenanordnung 28 bei Fehlerfällen sicher vom restlichen Bordnetz 8 abgetrennt. Dadurch kann auch ein unkontrollierter Energie- bzw. Leistungsfluss von der Brennstoffzellenanordnung 28 in das Bordnetz 8 verhindert werden.
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Bei Verwendung der mindestens einen Diode 44 und des Abschaltmoduls 42 zur Verbindung der Brennstoffzellenanordnung 28 mit dem Bordnetz 8 und der Batterieanordnung 20, die eine hohe Betriebsspannung aufweist, wird der Energie- bzw. Leistungsfluss aus der Brennstoffzellenanordnung 28 bei einem Fehler, z. B. im Bordnetz 8, verhindert. Dadurch können Sicherheitsanforderungen bzgl. einer Hochspannungs-Versorgung der Elektromaschine 26 im Kraftfahrzeug erfüllt werden. Mit der mindestens einen Diode 44 und dem Abschaltmodul 42 wird der Energie- bzw. Leistungsfluss aus der Brennstoffzellenanordnung zu anderen Komponenten 20, 22, 24 kontrolliert, wodurch diese geschützt werden.
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In der Regel ist zwischen den Anschlüssen 16, 18 des Bordnetzes 8 und den Anschlüssen 30, 32 der Brennstoffzellenanordnung 28 mindestens eine Diode 44 und mindestens ein Abschaltmodul 42 angeordnet. Falls eine Ausführungsform des Energiesystems 2, 4, 6 mehrere Dioden 44 aufweist, können diese Dioden 44 entlang mindestens eines der Verbindungspfade 38, 40 angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Dioden 44 lediglich entlang eines der beiden Verbindungspfade 38, 40 angeordnet sind, wohingegen entlang des anderen der beiden Verbindungspfade 38, 40 keine Diode 44 angeordnet ist. Falls entlang mindestens eines der beiden Verbindungspfade 38, 40 mehrere Dioden 44 angeordnet sein sollten, können diese entlang jeweils mindestens eines Verbindungspfads 38, 40 zueinander parallel und/oder in Reihe geschaltet sein. Falls eine Ausführungsform des Energiesystems 2, 4, 6 mehrere Abschaltmodule 42 aufweist, ist es möglich, dass diese Abschaltmodule 42 entlang eines der beiden Verbindungspfade 38, 40 angeordnet sind, wohingegen entlang des anderen der beiden anderen Verbindungspfade 38, 40 kein Abschaltmodul 42 angeordnet ist. Falls entlang jeweils mindestens eines der beiden Verbindungspfade 38, 40 mehrere Abschaltmodule 42 angeordnet sind, können diese zueinander in Reihe geschaltet sein. Es ist ebenfalls denkbar, dass mindestens eine Diode 44 sowie mindestens ein Abschaltmodul 42 entlang jeweils mindestens eines der beiden Verbindungspfade 38, 40 zueinander parallel geschaltet sind. Unabhängig von einer konkreten Anzahl sowie Verteilung mindestens einer Diode 44 auf mindestens einen der Verbindungspfade 38, 40 ist vorgesehen, dass mit dieser mindestens einen Diode 44 lediglich ein Transport von Strom ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 28 in Richtung des Bordnetzes 8 ermöglicht wird, wohingegen ein Transport bzw. ein Fluss von Strom in Richtung der Brennstoffzellenanordnung 28 durch die mindestens eine Diode 44 unterbunden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012016011 A1 [0003]
- DE 102004045897 A1 [0004]
- DE 102012215935 A1 [0005]
