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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.
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In einem Brennstoffzellenfahrzeug ist es üblich, die Brennstoffzelle (BZ) als Energielieferant über einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) an den Traktions-Zwischenkreis mit der HV-Batterie anzubinden, an die die Pulswechselrichter (PWR) mit den Traktionsmaschinen (Elektromotoren) angeschlossen sind. Dies ist nötig, da die Spannung der Brennstoffzelle stark von dem aus der Brennstoffzelle gelieferten Strom abhängt. Die Spannung der Brennstoffzelle ist umso kleiner je mehr Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Durch den DC/DC-Wandler kann dieser Effekt kompensiert und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (Brennstoffzelle plus DC/DC-Wandler) auf konstantem Niveau gehalten werden.
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Ein solches System ist beispielsweise in der
DE 101 33 580 A1 beschrieben. Die Brennstoffzelle dient als Hilfsenergiequelle und wird aktiviert und mittels eines DC/DC-Wandlers der Stromversorgung zugeschaltet, wenn die benötigte Leistung höher als die zur Verfügung stehende Leistung ist, oder wenn der Ladezustand der HV-Batterie unter einen kritischen Wert sinkt.
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Geeignete DC/DC-Wandler sind z.B. aus der
EP 3 024 130 A1 bekannt. Der DC/DC-Wandler verbindet die Brennstoffzelle mit der HV-Batterie und verhindert einen Stromrückfluss aus der HV-Batterie in die Brennstoffzelle.
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Um das System kostengünstiger und bauraumfreundlicher zu gestalten, kann der DC/DC-Wandler durch eine Diode ersetzt werden. In diesem Fall sperrt die Diode, wenn die Spannung der HV-Batterie höher ist als die Spannung der Brennstoffzelle. Wird die Batterie belastet, so sinkt deren Spannung. Sinkt die Spannung unter den Wert der Brennstoffzellenspannung, so wird die Diode leitend und die Brennstoffzelle unterstützt den Traktionskreis.
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Ein Nachteil dieses Bauprinzips ist, dass der Energiemix des Fahrzeugs durch die Konstruktion des Systems weitgehend festgelegt ist. Es gibt jedoch Situationen, in denen der Fahrzeugnutzer den Energiemix aktiv beeinflussen möchte. Soll beispielsweise eine Kurzstrecke zurückgelegt werden, und verfügt das Fahrzeug auch über ein Ladegerät, so möchte der Anwender unter Umständen seinen Wasserstoffvorrat in den Tanks unangetastet lassen, wenn der vorhandene Energieinhalt der HV-Batterie ausreichend ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn am Ziel der Fahrt eine Lademöglichkeit für die HV-Batterie besteht.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.
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Aus der
DE 199 32 781 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Versorgung eines Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie bekannt. Das Bordnetz umfasst eine Batterie, einen elektrischen Verbraucher, ein Brennstoffzellenaggregat und eine zwischen die Batterie und das Brennstoffzellenaggregat geschaltete Diode. Das Brennstoffzellenaggregat wird bei Unterschreiten einer voreinstellbaren Batterie-Spannungsgrenze und/oder bei Überschreiten einer voreinstellbaren Bordnetzlast aktiviert und bei Überschreiten einer voreinstellbaren Batterie-Spannungsgrenze deaktiviert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird hierfür ein Schaltelement eingesetzt, welches den Energiefluss von der Brennstoffzelle (BZ) in den Traktionskreis unterbinden kann, ggf. auch unter Last. Ferner erlaubt das Schaltelement, in den Situationen, in denen ein Energietransfer von der BZ in den Traktionskreis gewünscht ist, die Systeme wieder zu koppeln. Das Schaltelement ist also so gestaltet, dass ein Zuschalten oder Abtrennen des BZ-Systems reversibel und beliebig wiederholbar möglich ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; und eine zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordnete Diode, welche Stromfluss nur in der Richtung von der mindestens eine Brennstoffzelle zu der mindestens einen HV-Batterie zulässt. Erfindungsgemäß umfasst das Energiesystem außerdem ein Schaltelement, das dafür eingerichtet ist, einen Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie reversibel zu unterbrechen oder zu schließen, und eine Steuereinheit, welche dafür eingerichtet ist, das Schaltelement zu steuern.
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In einer Ausführungsform des Energiesystems ist das Schaltelement, das dafür eingerichtet ist, einen Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie reversibel zu unterbrechen oder zu schließen („Ab- und Zuschaltelement“), zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist das Schaltelement zwischen der Brennstoffzelle und der Diode angeordnet. In einer anderen Variante ist das Schaltelement zwischen der Diode und der HV-Batterie angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist das Schaltelement als elektromechanisches Schaltelement ausgeführt, beispielsweise als Schütz. In einer anderen Ausführungsform ist das Schaltelement als Halbleiterschalter ausgeführt. In speziellen Ausführungsformen umfasst das Schaltelement mindestens einen IGBT oder einen MOS-FET.
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Das Schaltelement wird mittels einer Steuereinheit gesteuert, um einen Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie reversibel zu unterbrechen oder zu schließen. Über die Steuereinheit kann ein Fahrzeugnutzer die Brennstoffzelle nach Wunsch dem Zwischenkreis zuschalten oder sie von diesem abtrennen. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Energiesystems gehört, dass mit dem Ab- und Zuschaltelement Brennstoffzelle und HV-Batterie sehr schnell zusammengeschaltet bzw. getrennt werden können, ohne die Medienzufuhr zur Brennstoffzelle kurzfristig beeinflussen zu müssen oder jeweils die Brennstoffzelle herunterfahren oder anfahren zu müssen.
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In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Energiesystem zusätzlich ein Not-Abschaltelement, das dafür eingerichtet ist, den Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie zu unterbrechen, wenn im Energiesystem eine kritische Überspannung, ein Kurzschluss oder ein anderer kritischer Zustand auftritt, beispielsweise aufgrund eines Defekts. Das Not-Abschaltelement wird eingesetzt, um im Falle eines Fehlers den Energiefluss von der BZ in den Zwischenkreis zu unterbinden. Wird im Zwischenkreis ein Kurzschluss erzeugt, zum Beispiel durch ein Problem eines Kabels oder einer Komponente, so ist üblicherweise vorgesehen, dass die HV-Batterie sich durch Schütze oder Schmelzsicherungen vom Zwischenkreis abtrennt. Um nun auch die BZ vom Zwischenkreis abtrennen zu können, ist das Not-Abschaltelement vorgesehen. So kann verhindert werden, dass etwa ein Kurzschlussstrom von der BZ in den Traktionskreis fließt.
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In einer Ausführungsform umfasst das Not-Abschaltelement eine Schmelzsicherung oder ein Pyro-Trennelement.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems sind das Not-Abschaltelement und das Ab- und Zuschaltelement in einer Einheit zusammengeführt, die die Funktionen beider Elemente vereint.
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Die Einheit umfasst dann beispielsweise einen Schütz oder ein anderes elektromechanisches Schaltelement und/oder einen Halbleiterschalter, die z.B. Leistungstransistoren wie IGBTs oder MOS-FETs enthalten. Die eingesetzten Bauteile müssen den Anforderungen beider Elemente gerecht werden.
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Exemplarisch sind dies im Falle des Not-Abschaltelements das zuverlässige Trennen unter Last, gegebenenfalls auch unter Volllast, sowie unter Umständen Diagnosefähigkeit o.ä. Im Falle des Ab- und Zuschaltelements ist dies das mehrmalige, reversible Zu- und Abschalten, womit gegebenenfalls zusätzliche Effizienzanforderungen verbunden sein können.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Energiesystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und mindestens einer HV-Batterie, zwischen die eine Diode geschaltet ist, einem Schaltelement, das dafür eingerichtet ist, den Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie reversibel zu unterbrechen, umfassend das Unterbrechen des Stromkreises zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie, wenn ein Stromfluss von der Brennstoffzelle zur HV-Batterie nicht erwünscht ist; und das Schließen des Stromkreises zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie, wenn ein Stromfluss von der Brennstoffzelle zur HV-Batterie erwünscht ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt zusätzliche Freiheitsgrade für die Betriebsstrategie des Energiesystems zur Verfügung, was eine Effizienzsteigerung ermöglicht. Dadurch, dass sich steuern lässt, mit welcher Ressource das Fahrzeug jeweils betrieben wird, lässt sich ein Kostenvorteil erzielen. Zudem wird der Komfort für den Fahrzeugnutzer erhöht, da die verwendete Ressource der vorhandenen Infrastruktur (Laden und Tanken) angepasst werden kann.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern;
- 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern;
- 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern;
- 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit angeschlossenen Verbrauchern 16, 17, 18. Das Energiesystem 10 umfasst als Energiequellen eine Brennstoffzelle 11 und eine HV-Batterie 12. Diese sind über eine Diode 13 verbunden, die einen Stromfluss nur in der Richtung von der Brennstoffzelle 11 zu der HV-Batterie 12 zulässt. Zwischen der Brennstoffzelle 11 und der Diode 13 sind ein erfindungsgemäßes Schaltelement 15 und ein Not-Abschaltelement 14 angeordnet. Das Schaltelement 15 wird über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert, um den Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle 11 und der HV-Batterie 12 wahlweise zu unterbrechen oder zu schließen. Das Not-Abschaltelement 14 ist dafür eingerichtet, den Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle 11 und der HV-Batterie 12 zu unterbrechen, wenn durch einen Defekt im System eine kritische Überspannung oder ein Kurzschluss auftritt. In der in 1 dargestellten Variante ist das Not-Abschaltelement 14 unmittelbar am Pluspol der Brennstoffzelle 11 angeordnet. An das Energiesystem 10 sind Pulswechselrichter 16 und Elektromotoren 17 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 18 wie Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Schaltelement 15 im Minuskreis des Energiesystems 10 angeordnet, in der Verbindung zwischen den Minuspolen der Brennstoffzelle 11 und der HV-Batterie 12. Ein Not-Abschaltelement 14 ist unmittelbar am Pluspol der Brennstoffzelle 11 angeordnet.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Schaltelement 15 zwischen der Diode 13 und der HV-Batterie 12 angeordnet. Ein Not-Abschaltelement 14 ist unmittelbar am Pluspol der Brennstoffzelle 11 angeordnet.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform entspricht der Ausführungsform von 1, jedoch ist die Reihenfolge von Not-Abschaltelement 14 und erfindungsgemäßem Schaltelement 15 vertauscht.
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In der in 5 dargestellten Ausführungsform sind ein erfindungsgemäßes Schaltelement 15 und ein Not-Abschaltelement 14 in einer Einheit zusammengefasst, die unmittelbar am Pluspol der Brennstoffzelle 11 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiesystem
- 11
- Brennstoffzelle (BZ)
- 12
- HV-Batterie
- 13
- Diode
- 14
- Not-Abschaltelement
- 15
- Zu- und Abschaltelement
- 16
- Pulswechselrichter (PWR)
- 17
- Elektromotor (EM)
- 18
- Sonstige HV-Komponenten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10133580 A1 [0003]
- EP 3024130 A1 [0004]
- DE 19932781 A1 [0008]
