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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 (state of charge - SOC) der HV(Hochvolt)-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 die Brennstoffzelle nicht mehr wie in einer Anordnung mit DC/DC-Wandler in einen speziellen Betriebsmodus versetzt werden kann, in dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle begrenzt wird („Voltage-Clipping-Modus“). Der Voltage-Clipping-Modus ist für die Brennstoffzelle sehr wichtig, da sich durch einen Betrieb der Brennstoffzelle bei maximaler Leerlaufspannung die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert. Deshalb wird in einer Anordnung mit DC/DC-Wandler die Ausgangspannung der Brennstoffzelle durch den Voltage-Clipping-Modus des DC/DC-Wandlers auf einen Wert von ca. 85 % der maximalen Leerlaufspannung begrenzt. Der genaue Wert kann abhängig von verschiedenen Parametern eingestellt werden. In der Anordnung ohne DC/DC-Wandler kann ein Betrieb der Brennstoffzelle bei maximaler Leerlaufspannung, insbesondere bei hohem SOC der Batterie und keiner oder nur geringer Leistungsanforderung der anderen HV-Komponenten, nicht verhindert werden.
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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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Die
US 2006/170 570 A1 offenbart einen elektrischen Wandler mit Wechselrichter für eine Brennstoffzelle. Der Wandler umfasst einen Tiefsetzsteller, der zwischen der Brennstoffzelle und dem Wechselrichter angeordnet ist. Die Schaltfunktion des Tiefsetzstellers wird über eine Kontrolleinheit gesteuert.
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Aus der
US 2008/160 370 A1 ist ein Brennstoffzellennetzwerk mit einem adaptiven Strombegrenzer bekannt. Der Strombegrenzer weist zwei parallele Strompfade auf. In dem ersten Pfad ist ein strombegrenzender Widerstand in Reihe mit einer Diode geschaltet. Der zweite Pfad umfasst einen elektrischen Schalter, der zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umschaltbar ist.
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Die
EP 2 309 639 A1 lehrt einen blindleistungsfähigen Wechselrichter mit zwei Halbbrücken, die jeweils zwei taktbare Schalter mit antiparallel geschalteten Dioden aufweisen. Zwischen den Mittelpunkten der Halbbrücken und den Ausgangsleitungen des Wechselrichters ist jeweils eine Induktivität als Stromfilter angeordnet. Beide Ausgangsleitungen sind hinter der Induktivität über jeweils einen weiteren taktbaren Schalter direkt mit derselben einen Eingangsleitung verbunden und jede Ausgangsleitung ist hinter der Induktivität über eine weitere Diode direkt mit der anderen Eingangsleitung verbunden.
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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 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird hierfür eine Zusatzeinrichtung für den Voltage-Clipping-Modus des Brennstoffzellensystems zwischen der Brennstoffzelle und der Diode positioniert. Dadurch kann die Brennstoffzelle auch bei hohem SOC der Batterie und gleichzeitig geringem Leistungsbedarf der anderen HV-Komponenten bei einer Spannung betrieben werden, die in einem Bereich liegt, der unkritisch für die Lebensdauer der Brennstoffzelle 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 einen Brennstoffzelle zu der mindestens einen HV-Batterie zulässt.
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Erfindungsgemäß umfasst das Energiesystem außerdem einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode angeordneten Spannungsbegrenzer, der dafür eingerichtet ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen. Der Spannungsbegrenzer ist zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode angeordnet, also direkt nach der mindestens einen Brennstoffzelle und vor der Diode.
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In einer Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens einen zuschaltbaren Hochspannungs-Widerstand (HV-Widerstand).
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens eine Z-Diode. In einer Ausführungsform ist die Z-Diode zuschaltbar. In einer anderen Ausführungsform ist die Z-Diode permanent mit dem Energiesystem verbunden. Durch eine geeignete Dimensionierung der Z-Diode, bei der die Durchbruchspannung ungefähr gleich der maximalen Ausgangsspannung ist, kann auch bei dauerhaft zugeschalteter Z-Diode der gewünschte Effekt erzielt werden. Die Dimensionierung der Verlustleistung ist dann allerdings nicht ganz trivial, weshalb ein bedarfsorientiertes Zu- und Abschalten durchaus sinnvoll ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens einen Leistungshalbleiter, der im Linearbereich betrieben wird. In speziellen Ausführungsformen umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor) oder einen MOS-FET (metal oxide semiconductor field-effect transistor).
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer einen Abwärtswandler (Buck Converter). Bei dieser Ausführungsform kann die aufgenommene Energie gezielt in das HV-System abgegeben werden. Der Abwärtswandler kann dabei so ausgelegt werden, dass er für die geringe Voltage-Clipping-Leistung dimensioniert ist. Er lässt sich also mit Bauteilen realisieren, die nur geringe Leistungsanforderungen erfüllen müssen.
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In den beschriebenen Ausführungsformen wird der Spannungsbegrenzer mittels einer Steuereinheit gesteuert, um die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen. Der vorgegebene Maximalwert ist kleiner als die maximale Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle. In einer speziellen Ausführungsform beträgt der vorgegebene Wert von 50 bis 95 %, z.B. 70 % bis 90 %, beispielsweise 85 %, der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens einen zuschaltbaren Kaltleiter (PTC-Heizelement). Die von dem PTC-Element erzeugte Wärme kann zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems genutzt werden.
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Der erfindungsgemäße Spannungsbegrenzer kann auch aus einer Kombination dieser Bauteile realisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Energiesystem zur Verfügung, das auch ohne DC/DC-Wandler einen Voltage-Clipping-Modus ermöglicht, wodurch die Brennstoffzelle in einem für ihre Lebensdauer unkritischen Bereich betrieben werden kann. Der für das Voltage-Clipping eingesetzte Spannungsbegrenzer kann speziell auf die Anforderungen der Brennstoffzelle ausgelegt werden, da keine Restriktionen wie bei einem DC/DC-Wandler existieren. Die Umsetzung der Spannungsbegrenzung ist kostengünstiger möglich als bei einem DC/DC-Wandler.
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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, und einem zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode angeordneten Spannungsbegrenzer. In dem erfindungsgemäßen Verfahren begrenzt der Spannungsbegrenzer die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle auf einen vorgegebenen Maximalwert, der kleiner ist als die maximale Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der vorgegebene Maximalwert von 50 bis 95 %, z. B. 70 bis 90 %, beispielsweise 85 %, der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens bewirkt der Spannungsregler, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle den vorgegebenen Grenzwert erreicht, einen Stromfluss zwischen den Polen der Brennstoffzelle, wodurch die Ausgangsspannung wieder sinkt.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer 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 15, 16, 17. 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 ist ein erfindungsgemäßer Spannungsbegrenzer 14 angeordnet. Der Spannungsbegrenzer 14 wird über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen, d. h. ein Voltage-Clipping durchzuführen, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 über den vorgegebenen Wert ansteigt, der z.B. 85 % der maximalen Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 11 betragen kann. Dazu wird dann beispielsweise über ein in der Abbildung nicht dargestelltes Steuergerät ein HV-Widerstand oder eine Z-Diode zugeschaltet. Der Spannungsbegrenzer 14 ist unmittelbar nach der Brennstoffzelle 11 angeordnet. An das Energiesystem 10 sind Pulswechselrichter 15 und Elektromotoren 16 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 17, wie Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiesystem
- 11
- Brennstoffzelle (BZ)
- 12
- HV-Batterie
- 13
- Diode
- 14
- Spannungsbegrenzer
- 15
- Pulswechselrichter (PWR)
- 16
- Elektromotor (EM)
- 17
- 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]
- US 2006170570 A1 [0008]
- US 2008160370 A1 [0009]
- EP 2309639 A1 [0010]
