DE102018212130B4 - Electrical energy system and method for operating the energy system - Google Patents

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Abstract

Energiesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (11); mindestens eine HV-Batterie (12); eine zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der mindestens einen HV-Batterie (12) angeordnete Diode (13), welche Stromfluss nur in der Richtung von der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu der mindestens einen HV-Batterie (12) zulässt; sowie zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der Diode (13) angeschlossene Nebenaggregate (18) der mindestens einen Brennstoffzelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nebenaggregaten (18) um Kühlmittelpumpen handelt, welche ausschließlich von der Brennstoffzelle (11) mit elektrischem Strom versorgt werden, und dass das Energiesystem (10) zusätzlich eine Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Nebenaggregate (18) zu steuern, um die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu verringern und auf einen vorgegebenen Maximalwert im Bereich von 70% bis 90% der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu begrenzen.Energy system (10) for a vehicle, comprising at least one fuel cell (11); at least one HV battery (12); a diode (13) arranged between the at least one fuel cell (11) and the at least one HV battery (12), which allows current flow only in the direction from the at least one fuel cell (11) to the at least one HV battery (12); and auxiliary units (18) of the at least one fuel cell (11) connected between the at least one fuel cell (11) and the diode (13), characterized in that the auxiliary units (18) are coolant pumps which are supplied with electrical current exclusively by the fuel cell (11), and in that the energy system (10) additionally comprises a control unit which is designed to control the auxiliary units (18) in order to reduce the output voltage of the at least one fuel cell (11) and to limit it to a predetermined maximum value in the range of 70% to 90% of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.The invention relates to an electrical energy system containing fuel cells and a method for operating an electrical energy system for a motor vehicle.

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.In a fuel cell vehicle, it is common to connect the fuel cell (FC) as an energy supplier via a direct current converter (DC/DC converter) to the traction intermediate circuit with the HV battery, to which the pulse inverters (PWR) with the traction machines (electric motors) are connected. This is necessary because the voltage of the fuel cell depends heavily on the current supplied by the fuel cell. The voltage of the fuel cell is lower the more current is drawn from the fuel cell. The DC/DC converter can compensate for this effect and keep the output voltage of the fuel cell system (fuel cell plus DC/DC converter) at a constant level.

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.Such a system is, for example, in the DE 101 33 580 A1 The fuel cell serves as an auxiliary energy source and is activated and connected to the power supply by means of a DC/DC converter when the required power is higher than the available power or when the state of charge (SOC) of the HV (high-voltage) battery falls below a critical value.

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.Suitable DC/DC converters are available from EP 3 024 130 A1 The DC/DC converter connects the fuel cell to the HV battery and prevents current from flowing back from the HV battery into the fuel cell.

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.To make the system more cost-effective and space-saving, the DC/DC converter can be replaced by a diode. In this case, the diode blocks when the voltage of the HV battery is higher than the voltage of the fuel cell. If the battery is loaded, its voltage drops. If the voltage drops below the value of the fuel cell voltage, the diode becomes conductive and the fuel cell supports the traction circuit.

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.A disadvantage of this design principle is that the fuel cell can no longer be put into a special operating mode in which the output voltage of the fuel cell is limited (“voltage clipping mode”), as in an arrangement with a DC/DC converter. The voltage clipping mode is very important for the fuel cell, since operating the fuel cell at maximum open circuit voltage reduces the service life of the fuel cell. Therefore, in an arrangement with a DC/DC converter, the output voltage of the fuel cell is limited to a value of approx. 85% of the maximum open circuit voltage by the voltage clipping mode of the DC/DC converter. The exact value can be set depending on various parameters. In the arrangement without a DC/DC converter, operation of the fuel cell at maximum open circuit voltage cannot be prevented, especially when the battery SOC is high and there is no or only a low power requirement from the other HV components.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.The present invention has set itself the task of providing devices and methods which at least partially eliminate the disadvantages described.

Die DE 10 2012 014 186 A1 betrifft eine mehrstufige Spannungsbegrenzung in Hochvolt-Bordnetzen. Die Spannungsbegrenzung nutzt eine Zuschaltung von Hochspannungs-Nebenaggregaten zur Begrenzung einer maximalen Spannung eines Hochvolt-Bordnetzes.The EN 10 2012 014 186 A1 concerns a multi-stage voltage limitation in high-voltage vehicle electrical systems. The voltage limitation uses the connection of high-voltage auxiliary units to limit the maximum voltage of a high-voltage vehicle electrical system.

Die US 2006 / 0 170 570 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.The US 2006 / 0 170 570 A1 discloses an electrical converter with inverter for a fuel cell. The converter comprises a buck converter which is arranged between the fuel cell and the inverter. The switching function of the buck converter is controlled via a control unit.

Aus der US 2010 / 0 068 566 A1 geht ein Verfahren zur Minimierung einer Membran-Elektroden Alterung eines Brennstoffzellenkraftwerks hervor, bei dem die Spannung einer Brennstoffzelle durch Zuschalten einer Last begrenzt wird.From the US 2010 / 0 068 566 A1 A method for minimizing membrane electrode aging in a fuel cell power plant is developed in which the voltage of a fuel cell is limited by connecting a load.

Die US 2011 / 0 244 346 A1 offenbart ein Energiesystem gemäß dem Oberbegriff.The US 2011 / 0 244 346 A1 discloses an energy system according to the generic term.

Die US 2010 / 0 089 672 A1 offenbart ein Energiesystem für ein Hybridfahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einem Superkondensator, zwischen denen eine erste Diode so angeordnet ist, dass Strom in Richtung der Brennstoffzelle zum Superkondensator fließen kann. Ein zwischen Brennstoffzelle und erster Diode angeordneter Heizwiderstand verbraucht während des Hochfahrens der Brennstoffzelle die darin erzeugte Energie und erhitzt das Kühlfluid der Brennstoffzelle.The US 2010 / 0 089 672 A1 discloses an energy system for a hybrid vehicle with a fuel cell and a supercapacitor, between which a first diode is arranged so that current can flow in the direction of the fuel cell to the supercapacitor. A heating resistor arranged between the fuel cell and the first diode consumes the energy generated in the fuel cell during start-up and heats the cooling fluid of the fuel cell.

Die DE 10 2015 207 396 A1 , die US 2010 / 0 009 219 A1 die US 2005 / 0 026 022 A1 und die WO 2015/ 048 896 A1 offenbaren jeweils Verfahren zum Herunterfahren einer Brennstoffzelle bei denen diese von noch vorhandener elektrischer Energie vollständig entladen wird.The EN 10 2015 207 396 A1 , the US 2010 / 0 009 219 A1 the US 2005 / 0 026 022 A1 and the WO 2015/ 048 896 A1 each disclose methods for shutting down a fuel cell in which it is completely discharged of any remaining electrical energy.

Die US 2004 / 0 224 192 A1 lehrt ein Verfahren zur Verbesserung der Performance von Brennstoffzellen in einem Energiesystem durch intermittierendes Kurzschließen der Brennstoffzelle. Die nach einem Puls auftretenden Spannungsspitzen werden gekappt, damit insbesondere bei niedriger Last eine kritische Spannung nicht überschritten wird.The US 2004 / 0 224 192 A1 teaches a method to improve the performance of burning fuel cells in an energy system by intermittently short-circuiting the fuel cell. The voltage peaks that occur after a pulse are capped so that a critical voltage is not exceeded, especially at low loads.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved according to the invention by a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8. Embodiments and developments of the invention emerge from the dependent claims.

Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere BZ-spezifische Nebenaggregate direkt am Ausgang der Brennstoffzelle angeschlossen und können bei voll geladener HV-Batterie (hohem SOC) und gleichzeitig geringem Leistungsbedarf der anderen HV-Komponenten durch Energieentnahme aus der Brennstoffzelle die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in einen dauerhaft zulässigen Bereich absenken.According to the invention, one or more fuel cell-specific auxiliary units are connected directly to the output of the fuel cell and can reduce the output voltage of the fuel cell to a permanently permissible range by extracting energy from the fuel cell when the HV battery is fully charged (high SOC) and the other HV components have a low power requirement at the same time.

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. Zwischen dem Ausgang der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode sind Nebenaggregate der Brennstoffzelle angeschlossen. Die elektrischen Anschlüsse der Nebenaggregate sind unmittelbar nach der Brennstoffzelle angeordnet. Die Nebenaggregate sind erfindungsgemäß als Kühlmittelpumpen ausgestaltet. Diese Nebenaggregate werden ausschließlich von der mindestens einen Brennstoffzelle mit elektrischem Strom versorgt.The invention relates to an energy system for a vehicle. The energy system comprises at least one fuel cell, at least one HV battery and a diode arranged between the at least one fuel cell and the at least one HV battery, which diode only allows current to flow in the direction from the at least one fuel cell to the at least one HV battery. Auxiliary units of the fuel cell are connected between the output of the at least one fuel cell and the diode. The electrical connections of the auxiliary units are arranged directly after the fuel cell. According to the invention, the auxiliary units are designed as coolant pumps. These auxiliary units are supplied with electrical current exclusively by the at least one fuel cell.

Erfindungsgemäß werden die Nebenaggregate über ein Steuergerät gesteuert, um die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle zu verringern und gegebenenfalls auf einen vorgegebenen Maximalwert im Bereich von 70% bis 90%, beispielsweise 85%, der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle zu begrenzen.According to the invention, the auxiliary units are controlled via a control unit in order to reduce the output voltage of the at least one fuel cell and, if necessary, to limit it to a predetermined maximum value in the range of 70% to 90%, for example 85%, of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems ist zusätzlich ein Spannungsbegrenzer zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode positioniert. Dadurch kann die Brennstoffzelle auch bei hohem SOC der Batterie und gleichzeitig geringem Leistungsbedarf bei einer Spannung betrieben werden, die in einem Bereich liegt, der unkritisch für die Lebensdauer der Brennstoffzelle ist.In one embodiment of the energy system according to the invention, a voltage limiter is additionally positioned between the at least one fuel cell and the diode. This means that the fuel cell can be operated at a voltage that is in a range that is not critical for the service life of the fuel cell, even when the battery has a high SOC and at the same time has a low power requirement.

Der Spannungsbegrenzer ist dafür eingerichtet, 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.The voltage limiter is designed to limit the output voltage of the fuel cell to a predetermined maximum value. The voltage limiter is arranged between the at least one fuel cell and the diode, i.e. directly after the at least one fuel cell and before the diode.

In einer Ausführungsform umfasst der Spannungsbegrenzer mindestens einen zuschaltbaren Hochspannungs-Widerstand (HV-Widerstand).In one embodiment, the voltage limiter comprises at least one switchable high-voltage resistor (HV resistor).

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.In another embodiment, the voltage limiter comprises at least one Z-diode. In one embodiment, the Z-diode can be switched on. In another embodiment, the Z-diode is permanently connected to the energy system. By suitably dimensioning the Z-diode, where the breakdown voltage is approximately equal to the maximum output voltage, the desired effect can be achieved even when the Z-diode is permanently connected. However, dimensioning the power loss is not entirely trivial, which is why switching it on and off as needed makes sense.

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).In a further embodiment, the voltage limiter comprises at least one power semiconductor that is operated in the linear range. In specific embodiments, the voltage limiter comprises at least one IGBT (insulated-gate bipolar transistor) or one MOS-FET (metal oxide semiconductor field-effect transistor).

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.In another embodiment, the voltage limiter comprises a buck converter. In this embodiment, the absorbed energy can be fed into the HV system in a targeted manner. The buck converter can be designed in such a way that it is dimensioned for the low voltage clipping power. It can therefore be implemented using components that only have to meet low power requirements.

Der Spannungsbegrenzer wird 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 Maximalwert von 50% bis 95%, z.B. 70% bis 90%, beispielsweise 85%, der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle.The voltage limiter is controlled by means of a control unit in order to limit the output voltage of the at least one fuel cell to a predetermined maximum value. The predetermined maximum value is less than the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell. In a special embodiment, the predetermined maximum value is from 50% to 95%, e.g. 70% to 90%, for example 85%, of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell.

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.In another embodiment, the voltage limiter comprises at least one switchable PTC heating element. The heat generated by the PTC element can be used to can be used to heat up the fuel cell system.

Der Spannungsbegrenzer kann auch aus einer Kombination dieser Bauteile realisiert werden.The voltage limiter can also be realized from a combination of these components.

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. Die Umsetzung der Spannungsbegrenzung ist kostengünstiger möglich als bei einem DC/DC-Wandler.The present invention provides an energy system that enables a voltage clipping mode even without a DC/DC converter, whereby the fuel cell can be operated in a range that is not critical for its service life. The implementation of the voltage limitation is more cost-effective than with a DC/DC converter.

Der gegebenenfalls zusätzlich 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. Der Spannungsbegrenzer kann für kleine Leistungen dimensioniert werden oder sogar ganz entfallen, da das Voltage-Clipping zumindest teilweise durch die Nebenaggregate der Brennstoffzelle erfolgt.The voltage limiter that may be used additionally for voltage clipping can be designed specifically for the requirements of the fuel cell, as there are no restrictions like with a DC/DC converter. The voltage limiter can be dimensioned for small outputs or even omitted completely, as the voltage clipping is at least partially carried out by the auxiliary units of the fuel cell.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und mindestens einer HV-Batterie, zwischen die eine Diode geschaltet ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden brennstoffzellenspezifische Nebenaggregate direkt an den Ausgang der mindestens einen Brennstoffzelle angeschlossen und entnehmen der mindestens einen Brennstoffzelle elektrische Energie, wodurch deren Ausgangsspannung unter die Leerlaufspannung sinkt. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle soweit abgesenkt, dass sie einen vorgegebenen Maximalwert im Bereich von 70% bis 90% der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle nicht überschreitet.The invention also relates to a method for operating an energy system with at least one fuel cell and at least one HV battery, between which a diode is connected. In the method according to the invention, fuel cell-specific auxiliary units are connected directly to the output of the at least one fuel cell and draw electrical energy from the at least one fuel cell, whereby their output voltage drops below the open circuit voltage. According to the invention, the output voltage of the at least one fuel cell is reduced to such an extent that it does not exceed a predetermined maximum value in the range of 70% to 90% of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens begrenzt ein zusätzlich vorhandener Spannungsbegrenzer, der zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Diode angeschlossen ist, die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle bei Bedarf auf einen vorgegebenen Maximalwert, der kleiner ist als 70% bis 90%, beispielsweise 85%, der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle.In one embodiment of the method according to the invention, an additional voltage limiter, which is connected between the at least one fuel cell and the diode, limits the output voltage of the at least one fuel cell, if necessary, to a predetermined maximum value which is less than 70% to 90%, for example 85%, of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell.

In einer Ausführungsform des Verfahrens bewirkt der Spannungsregler, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle höher ist als der vorgegebene Maximalwert, einen Stromfluss zwischen den Polen der Brennstoffzelle, wodurch die Ausgangsspannung wieder sinkt.In one embodiment of the method, when the output voltage of the fuel cell is higher than the predetermined maximum value, the voltage regulator causes a current to flow between the poles of the fuel cell, causing the output voltage to drop again.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle auf einen Wert unterhalb der maximalen Leerlaufspannung abgesenkt, wodurch sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert. Die beim Voltage-Clipping anfallende elektrische Energie kann für den Betrieb der Nebenaggregate der Brennstoffzelle verwendet werden, was den Wirkungsgrad des Energiesystems erhöht.The method according to the invention reduces the output voltage of the at least one fuel cell to a value below the maximum open circuit voltage, thereby extending the service life of the fuel cell. The electrical energy generated during voltage clipping can be used to operate the auxiliary units of the fuel cell, which increases the efficiency of the energy system.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

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;
  • 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern.
The invention is illustrated schematically in the drawing using embodiments and is further described with reference to the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the energy system according to the invention with connected consumers;
  • 2 a schematic representation of another embodiment of the energy system according to the invention with connected consumers.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit angeschlossenen Verbrauchern 15 , 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 BZ-spezifische Nebenaggregate 18 angeschlossen. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um Kühlmittelpumpen. Diese werden ausschließlich von der Brennstoffzelle 11 mit elektrischem Strom versorgt und können über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert werden, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen. Die elektrischen Anschlüsse der Nebenaggregate 18 sind unmittelbar nach der Brennstoffzelle 11 angeordnet. An das Energiesystem 10 sind außerdem mindestens ein Pulswechselrichter 15 und mindestens ein Elektromotor 16 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 17 , wie Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc. Diese können sowohl von der HV-Batterie 12 als auch der Brennstoffzelle 11 (wenn deren Ausgangsspannung hoch genug ist) mit Strom versorgt werden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the energy system 10 according to the invention with connected consumers 15, 16, 17, 18. The energy system 10 comprises a fuel cell 11 and an HV battery 12 as energy sources. These are connected via a diode 13, which only allows current to flow in the direction from the fuel cell 11 to the HV battery 12. Fuel cell-specific auxiliary units 18 are connected between the fuel cell 11 and the diode 13. According to the invention, these are coolant pumps. These are supplied with electrical current exclusively by the fuel cell 11 and can be controlled via a control unit (not shown in the drawing) in order to limit the output voltage of the fuel cell 11 to a predetermined value. The electrical connections of the auxiliary units 18 are arranged immediately after the fuel cell 11. At least one pulse inverter 15 and at least one electric motor 16 are also connected to the energy system 10, as well as other HV components 17, such as chargers, 12 V DC/DC converters, HV heaters, electric air conditioning compressors, etc. These can be supplied with power from both the HV battery 12 and the fuel cell 11 (if their output voltage is high enough).

2 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit angeschlossenen Verbrauchern 15 , 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 BZ-spezifische Nebenaggregate 18 angeschlossen. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um Kühlmittelpumpen. 2 shows a schematic representation of another embodiment of the energy system 10 according to the invention with connected consumers 15, 16, 17, 18. The energy system 10 comprises a fuel cell 11 and an HV battery 12 as energy sources. These are connected via a diode 13, which only allows current to flow in the direction from the fuel cell 11 to the HV battery 12. Fuel cell-specific auxiliary units 18 are connected between the fuel cell 11 and the diode 13. According to the invention, these are coolant pumps.

Diese werden ausschließlich von der Brennstoffzelle 11 mit elektrischem Strom versorgt und können über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert werden. Bei Betrieb der Nebenaggregate 18 sinkt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 . Die elektrischen Anschlüsse der Nebenaggregate 18 sind unmittelbar nach der Brennstoffzelle 11 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist zwischen der Brennstoffzelle 11 und der Diode 13 ein 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 außerdem mindestens ein Pulswechselrichter 15 und mindestens ein Elektromotor 16 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 17 , wie 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren, Ladegeräte etc. Diese können sowohl von der HV-Batterie 12 als auch der Brennstoffzelle 11 (wenn deren Ausgangsspannung hoch genug ist) mit Strom versorgt werden. Da in dieser Ausführungsform die Nebenaggregate 18 und der Spannungsbegrenzer 14 gemeinsam die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 begrenzen, kann der Spannungsbegrenzer 14 wesentlich kleiner ausgelegt werden als in einem System, in dem das Voltage-Clipping ausschließlich über den Spannungsbegrenzer 14 erfolgt.These are supplied with electrical power exclusively by the fuel cell 11 and can be controlled via a control unit not shown in the drawing. When the auxiliary units 18 are in operation, the output voltage of the fuel cell 11 drops. The electrical connections of the auxiliary units 18 are arranged directly after the fuel cell 11. In the embodiment shown, a voltage limiter 14 is arranged between the fuel cell 11 and the diode 13. The voltage limiter 14 is controlled by a control unit not shown in the drawing in order to limit the output voltage of the fuel cell 11 to a predetermined value, i.e. to carry out voltage clipping if the output voltage of the fuel cell 11 rises above the predetermined value, which can be 85% of the maximum open circuit voltage of the fuel cell 11, for example. For this purpose, an HV resistor or a Z-diode is then connected, for example, via a control unit not shown in the figure. The voltage limiter 14 is arranged directly after the fuel cell 11. At least one pulse inverter 15 and at least one electric motor 16 are also connected to the energy system 10, as well as other HV components 17, such as 12 V DC/DC converters, HV heaters, electric air conditioning compressors, chargers, etc. These can be supplied with power from both the HV battery 12 and the fuel cell 11 (if their output voltage is high enough). Since in this embodiment the auxiliary units 18 and the voltage limiter 14 jointly limit the output voltage of the fuel cell 11, the voltage limiter 14 can be designed to be significantly smaller than in a system in which the voltage clipping takes place exclusively via the voltage limiter 14.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

1010
EnergiesystemEnergy system
1111
Brennstoffzelle (BZ)Fuel cell (FC)
1212
HV-BatterieHV battery
1313
Diodediode
1414
SpannungsbegrenzerVoltage limiter
1515
Pulswechselrichter (PWR)Pulse inverter (PWR)
1616
Elektromotor (EM)Electric motor (EM)
1717
Sonstige HV-KomponentenOther HV components
1818
Nebenaggregate der BrennstoffzelleAuxiliary components of the fuel cell

Claims (9)

Energiesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (11); mindestens eine HV-Batterie (12); eine zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der mindestens einen HV-Batterie (12) angeordnete Diode (13), welche Stromfluss nur in der Richtung von der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu der mindestens einen HV-Batterie (12) zulässt; sowie zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der Diode (13) angeschlossene Nebenaggregate (18) der mindestens einen Brennstoffzelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nebenaggregaten (18) um Kühlmittelpumpen handelt, welche ausschließlich von der Brennstoffzelle (11) mit elektrischem Strom versorgt werden, und dass das Energiesystem (10) zusätzlich eine Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Nebenaggregate (18) zu steuern, um die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu verringern und auf einen vorgegebenen Maximalwert im Bereich von 70% bis 90% der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) zu begrenzen.Energy system (10) for a vehicle, comprising at least one fuel cell (11); at least one HV battery (12); a diode (13) arranged between the at least one fuel cell (11) and the at least one HV battery (12), which diode allows current flow only in the direction from the at least one fuel cell (11) to the at least one HV battery (12); and auxiliary units (18) of the at least one fuel cell (11) connected between the at least one fuel cell (11) and the diode (13), characterized in that the auxiliary units (18) are coolant pumps which are supplied with electrical current exclusively by the fuel cell (11), and in that the energy system (10) additionally comprises a control unit which is designed to control the auxiliary units (18) in order to reduce the output voltage of the at least one fuel cell (11) and to limit it to a predetermined maximum value in the range of 70% to 90% of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell (11). Energiesystem (10) nach Anspruch 1, das einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der Diode (13) angeordneten Spannungsbegrenzer (14) aufweist, der dafür eingerichtet ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (11) auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen.Energy system (10) according to Claim 1 which has a voltage limiter (14) arranged between the at least one fuel cell (11) and the diode (13), which is designed to limit the output voltage of the fuel cell (11) to a predetermined maximum value. Energiesystem (10) nach Anspruch 2, worin der Spannungsbegrenzer (14) mindestens einen zuschaltbaren Hochspannungs- Widerstand umfasst.Energy system (10) according to Claim 2 wherein the voltage limiter (14) comprises at least one switchable high-voltage resistor. Energiesystem (10) nach Anspruch 2 oder 3, worin der Spannungsbegrenzer (14) mindestens eine zuschaltbare Z-Diode umfasst.Energy system (10) according to Claim 2 or 3 wherein the voltage limiter (14) comprises at least one switchable Z-diode. Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin der Spannungsbegrenzer (14) mindestens einen Leistungshalbleiter umfasst, der im Linearbereich betrieben wird.Energy system (10) according to one of the Claims 2 until 4 wherein the voltage limiter (14) comprises at least one power semiconductor operated in the linear range. Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin der Spannungsbegrenzer (14) einen Abwärtswandler umfasst.Energy system (10) according to one of the Claims 2 until 5 wherein the voltage limiter (14) comprises a step-down converter. Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, das zusätzlich eine Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, den Spannungsbegrenzer (14) zu steuern, um die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen.Energy system (10) according to one of the Claims 2 until 6 , which additionally comprises a control unit which is arranged to control the voltage limiter (14) in order to limit the output voltage of the at least one fuel cell (11) to a predetermined maximum value. Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (11) und mindestens einer HV-Batterie (12), zwischen die eine Diode (13) geschaltet ist, bei dem brennstoffzellenspezifische Nebenaggregate (18) direkt an den Ausgang der mindestens einen Brennstoffzelle (11) angeschlossen werden, und der mindestens einen Brennstoffzelle (11) elektrische Energie entnehmen, wodurch deren Ausgangsspannung unter die Leerlaufspannung sinkt, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nebenaggregaten (18) um Kühlmittelpumpen handelt, welche ausschließlich von der Brennstoffzelle (11) mit elektrischem Strom versorgt werden, und dass die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) soweit abgesenkt wird, dass sie einen Maximalwert im Bereich von 70 % bis 90 % der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) nicht überschreitet.Method for operating an energy system (10) with at least one fuel cell (11) and at least one HV battery (12), between which a diode (13) is connected, in which fuel cell-specific auxiliary units (18) are connected directly to the output of the at least one fuel cell (11) and draw electrical energy from the at least one fuel cell (11), whereby their output voltage drops below the open circuit voltage, characterized in that the auxiliary units (18) are coolant pumps which are supplied with electrical current exclusively by the fuel cell (11), and that the output voltage of the at least one fuel cell (11) is reduced to such an extent that it does not exceed a maximum value in the range of 70% to 90% of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell (11). Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (11) und der Diode (13) angeschlossener Spannungsbegrenzer (14) die Ausgangsspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt, der bei 85 % der maximalen Leerlaufspannung der mindestens einen Brennstoffzelle (11) liegt.Procedure according to Claim 8 , in which a voltage limiter (14) connected between the at least one fuel cell (11) and the diode (13) limits the output voltage of the at least one fuel cell (11) to a predetermined maximum value which is 85% of the maximum open circuit voltage of the at least one fuel cell (11).
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