DE102018212533A1

DE102018212533A1 - Versorgungseinrichtung mit einer Brennstoffzelleneinrichtung und Verfahren zur Spannungssenkung bei einer Brennstoffzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE102018212533A1
Application number: DE102018212533.3A
Authority: DE
Inventors: Martin BREU; Maximilian Schiedermeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30
Also published as: WO2020020524A1; KR20210036348A; US11390170B2; CN112424016A; KR102649871B1; JP2022503492A; US20210229557A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung (1) für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers (2,3), mit einem Primärstromnetz (4), in dem eine elektrische Kontakte (5, 6) aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung (7) vorliegt, die eine mit den elektrischen Kontakten (5, 6) verbundene, parallel geschaltete Entladeschaltung (8) umfasst, welche ein mittels eines Steuergeräts (9) über eine Schaltleitung betätigbares Schaltelement (11) sowie ein Widerstandselement (12) aufweist, und mit einem im Primärstromnetz (4) vorliegenden Gleichspannungswandler (13), über welchen das Primärstromnetz (4) mit einem Sekundärstromnetz (17) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (8) eine Sicherheitseinrichtung oder eine Sicherheitsfunktion aufweist, die das Schaltelement (11) in einem geöffneten Zustand hält und damit die Entladeschaltung (8) inaktiv stellt solange eine Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung (10) gegebenen ist, und die das Schaltelement (11) in einen geschlossenen Zustand versetzt und damit die Entladeschaltung (8) zur Senkung der Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung (7) aktiv stellt, sobald die Ansteurungsmöglichkeit über die Schaltleitung (10) versagt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Senkung der Spannung einer Brennstoffzelleneinrichtung (7) einer Versorgungseinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers, mit einem Primärstromnetz, in dem eine elektrische Kontakte aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung vorliegt, die eine mit den elektrischen Kontakten verbundene, parallelgeschaltete Entladeschaltung umfasst, welche ein mittels eines Steuergeräts über eine Schaltleitung betätigbares Schaltelement sowie ein Widerstandselement aufweist. In dem Primärstromnetz liegt außerdem ein Gleichspannungswandler vor, über welchen das Primärstromnetz mit einem Sekundärstromnetz verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Senkung der Spannung einer Brennstoffzelleneinrichtung in einer solchen Versorgungseinrichtung.
Eine Versorgungseinrichtung der eingangs genannten Art kann beispielsweise bei Brennstoffzellenfahrzeugen Einsatz finden, bei denen die Brennstoffzelleneinrichtung Spannungen von größer als 60 Volt (V) liefert und zwar in vielen Fällen auch dann noch, wenn die Reaktantenzufuhr an die Brennstoffzelleneinrichtung bereits gestoppt wurde. Diese hohen Spannungen entstehen dabei durch die in der Brennstoffzelleneinrichtung noch vorhandenen, also noch nicht vollständig verwerteten Reaktanten.
Bei solchen Spannungen, die größer als 60 Volt betragen, ist grundsätzlich ein Sicherheitsaspekt zu beachten, da sie die Ursache für gefährliche Körperströme bei Berührung sein können. Im Übrigen gelten auch spezielle Schutzvorschriften hinsichtlich des Berührschutzes bei derartigen Spannungen. Deshalb sind aufwändige berührgeschützte Steckverbindungen im Einsatz, die zu erheblichen Mehraufwendungen bei der Entwicklung und der Produktion führen. Speziell bei der Hochvolt-Schnittstelle zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung und einem Gleichspannungswandler ergeben sich massive Mehraufwände für eine berührgeschützte Hochvolt-Hochstrom-Steckverbindung. Insgesamt liegt ein erhöhter Aufwand bei der Produktion, bei der Reparatur und bei Service-Maßnahmen der Brennstoffzelleneinrichtung vor, da diese spezielle Sicherheitsmaßnahmen für einen Berührschutz getroffen werden müssen.
In der DE 10 2009 055 053 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entladung eines Energiespeichers, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators in einem Hochspannungsnetz eines Kraftfahrzeugs beschrieben, um die Spannungen zu senken, die größer als 60 Volt (Hochspannung) sind.
In der DE 10 2012 204 866 A1 ist ebenfalls eine Entladeschaltung zur Entladung eines Energiespeichers, insbesondere zur Entladung einer Zwischenkreiskapazität gezeigt, wobei in dieser Druckschrift eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überprüfung und Diagnose dieser Entladeschaltung beschrieben werden.
In der US 5,105,142 A ist ebenfalls ein Entladeschaltkreis beschrieben, um die elektrische Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle zu begrenzen. Diese Entladeschaltung wird aktiv im Falle einer Unterbrechung eines Betriebs der Brennstoffzelle.
In der DE 10 2012 218 584 A1 ist der Brennstoffzelle ein Lastwiderstand parallel geschaltet, der mittels eines Schaltelementes zumindest während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung als alleiniger oder zumindest im Wesentlichen alleiniger Verbraucher zuschaltbar ist. Damit wird beim Startvorgang der Brennstoffzelleneinrichtung zunächst nur der Lastwiderstand bedient, um eine besonders kurze Aufheizphase für die Brennstoffzelleneinrichtung zu ermöglichen. Diese Druckschrift lehrt aber auch, dass der Lastwiderstand einen Entladewiderstand in einer Entladeschaltung der Brennstoffzelleneinrichtung bilden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Versorgungseinrichtung und ein Verfahren zur Senkung der Spannung einer Brennstoffzelleneinrichtung einer Versorgungseinrichtung bereitzustellen, die zu einer ausfallsicheren und kompakten Bauweise führen.
Die die Versorgungseinrichtung betreffende Aufgabe wird durch eine Versorgungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Versorgungseinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dabei weist die Entladeschaltung insbesondere eine Sicherheitseinrichtung oder eine Sicherheitsfunktion auf, die das Schaltelement in einem geöffneten Zustand hält und damit die Entladeschaltung inaktiv stellt solange eine Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung gegeben ist, und die das Schaltelement in einen geschlossenen Zustand versetzt und damit die Entladeschaltung zur Senkung der Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung aktiv stellt, sobald die Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung versagt.
Damit ist sichergestellt, dass auch im Falle eines Unfalls eine Entladung der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt, auch wenn die Ansteuerungsmöglichkeit des Schaltelements der Entladeschaltung nicht mehr gegeben ist. Selbstverständlich lässt sich auch im Service- oder Wartungsfall die Entladeschaltung mittels des Steuergeräts ansteuern, um eine betriebssichere Entladung der Brennstoffzelleneinrichtung auf ein Niveau unterhalb von 60 Volt zu ermöglichen.
Vorliegend kommt als Verbraucher der Versorgungseinrichtung beispielsweise eine Antriebseinrichtung mit einem Antriebsaggregat infrage. Wenn sie elektrisch an das Sekundärstromnetz angeschlossen ist, kann sie dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs dienen, insoweit also dem Bereitstellen eines dem Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Antriebseinrichtung verfügt hierzu über wenigstens ein Antriebsaggregat, welches als elektrische Maschine ausgestattet ist und über das Primärstromnetz und/oder das Sekundärstromnetz mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Selbstverständlich kann die Antriebseinrichtung als eine Hybridantriebseinrichtung ausgestaltet sein und insoweit zusätzlich zu dem Antriebsaggregat wenigstens ein weiteres Antriebsaggregat aufweisen, welches von einem anderen Typ ist als das Antriebsaggregat. Das weitere Antriebsaggregat liegt beispielsweise als Brennkraftmaschine oder dergleichen vor. Das Primärstromnetz und das Sekundärstromnetz bilden vorzugsweise ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder stellen zumindest einen Bereich eines solchen Bordnetzes dar. In dem Primärstromnetz ist eine erste Stromquelle in Form der Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehen. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann in Form einer einzigen Brennstoffzelle vorliegen oder alternativ als Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack) mit mehreren Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinrichtung dient der zuverlässigen Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie.
Um die Versorgungseinrichtung mit einem geringen Aufwand hinsichtlich ihres Aufbaus zu gestalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Steuergerät zur Ansteuerung des Schaltelements durch den Gleichspannungswandler selbst gebildet ist.
Um außerdem eine betriebssichere Verstellung des Schaltelements zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand zu ermöglichen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn das Schaltelement ein elektromechanisches Schaltelement, ein Schütz oder ein Halbleiterschalter ist. Als Halbleiterschalter kommt beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) infrage. Alternativ kann auch ein MOS-FET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) als Schaltelement eingesetzt werden, der insbesondere vom Typ „im nicht angesteuerten Zustand leitend“ („normal leitend“) ist, um die Sicherheitsfunktion erfüllen zu können.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Widerstandselement ein Hochleistungswiderstand ist, da dieser geeignet ist, die maximale Restenergie der Brennstoffzelleneinrichtung innerhalb gesetzlicher Zeitanforderung sicher auf Spannungen von unter 60 Volt entladen zu können.
Alternativ oder ergänzend kann das Widerstandselement auch als ein PTC-Heizer (PTC = positiver Temperatur-Koeffizient) in Form eines PTC-Widerstandes gebildet sein, der beim Absorbieren der Energie aus der Brennstoffzelleneinrichtung Wärme erzeugt und an die Umgebung abgibt, wodurch ebenfalls eine Erniedrigung der Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung ermöglicht wird.
Alternativ oder ergänzend kann die Spannung in der Brennstoffzelleneinrichtung auch durch ein Widerstandselement gesenkt werden, das als eine Z-Diode gebildet ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie einem hohen Stromfluss standhält, der nötig sein kann, um die Brennstoffzellenspannung unter einen, vorzugsweise vorgegebenen oder vorgebbaren, Spannungsgrenzwert, insbesondere also unter 60 Volt abzusenken.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Widerstandselement als ein in einem Linearbetrieb betreibbarer Leistungshalbleiterschalter gebildet ist. Auch hierdurch ist eine große Stromabnahme aus der Brennstoffzelleneinrichtung möglich, die zu einem Senken der Brennstoffzellenspannung auf ein erforderliches Maß führt. Es sei darauf hingewiesen, dass auch einzelne Kombinationen aus Hochleistungswiderstand, PTC-Heizer, Z-Diode und Leistunghalbleiterschalter möglich sind, um das Widerstandselement in komplexer Bauform zu realisieren.
Insbesondere im Wartungs- oder Reparaturfalle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung und dem Gleichspannungswandler eine Schnittstelle ausgebildet ist, und wenn das Steuergerät ausgestaltet ist, das Schaltelement in den geschlossenen Zustand zu versetzen, sobald die Schnittstelle getrennt oder geöffnet wird. Sobald also diese Schnittstelle getrennt oder geöffnet wird, wird die Entladeschaltung aktiv gestellt und führt zu einem Entladen der Brennstoffzelleneinrichtung unter ein gefahrloses Niveau.
Eine besonders kompakte und insbesondere berührgeschützte Ausgestaltung der Versorgungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung in ein Brennstoffzellengehäuse der Brennstoffzelleneinrichtung baulich integriert ist. Somit ist gewährleistet, dass von Werkstattpersonal oder von Rettungskräften niemand in den Schnittstellenbereich zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzelleneinrichtung und der Entladeschaltung gelangt. Somit dient also das Brennstoffzellengehäuse im weitesten Sinne ebenfalls als Berührschutz.
In dem Sekundärstromnetz ist vorzugsweise eine zweite Stromquelle in Form einer Batterie vorgesehen. Diese Batterie dient ebenfalls der zuverlässigen Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie und ist zur Zwischenspeicherung der Energie vorgesehen, insbesondere von Energie, die mittels der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellt wurde.
Der Verbraucher, mithin die elektrische Maschine, ist dabei elektrisch an das Sekundärstromnetz angeschlossen und vorzugsweise während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs permanent mit der Batterie elektrisch verbunden. Die Anbindung des Verbrauchers in Form eines Antriebsaggregates an das Sekundärstromnetz kann beispielsweise über einen Umrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, realisiert sein.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren wird ausgeführt von einer eine Brennstoffzelleneinrichtung umfassenden Versorgungseinrichtung, die ein Sekundärstromnetz und ein Primärstromnetz umfasst, wobei in dem Primärstromnetz die elektrische Kontakte aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung vorliegt, welche eine mit deren elektrischen Kontakte verbundene, parallelgeschaltete Entladeschaltung aufweist, wobei die Entladeschaltung ein mittels eines Steuergeräts über eine Schaltleitung betätigbares Schaltelement sowie ein Widerstandselement umfasst, und wobei im Primärstromnetz ein Gleichspannungswandler vorliegt, über welchen das Primärstromnetz mit dem Sekundärstromnetz verbunden ist. Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

a. Stoppen einer Reaktantenzufuhr an die Brennstoffzelleneinrichtung,
b. Ansteuerung des Schaltelements der Entladeschaltung über die Schaltleitung mittels des als Steuergerät gebildeten Gleichspannungswandlers derart, dass das Schaltelement veranlasst wird, in einen geschlossenen Zustand überzugehen, und
c. sobald sich das Schaltelement in dem geschlossenen Zustand befindet, zumindest teilweise Verbrauchen der von der Brennstoffzelleneinrichtung erzeugten elektrischen Energie durch das Widerstandselement.

Durch dieses Verfahren lässt sich eine besonders kompakte Versorgungseinrichtung realisieren, da hierbei der Gleichspannungswandler als Steuergerät für die Entladeschaltung und damit zur Betätigung des Schaltelements dient.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung erfasst wird, und wenn die elektrische Energie durch das Widerstandselement so lange verbraucht wird, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Spannungswert gefallen ist. Durch diesen Verfahrensschritt wird sichergestellt, dass an der Brennstoffzelleneinrichtung keine lebensbedrohlichen Spannungen mehr vorliegen, womit der Spannungsgrenzwert beispielsweise 60 Volt beträgt.
Um eine zusätzliche Ausfallsicherheit bereitstellen zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn das Schaltelement auch dann in den geschlossenen Zustand übergeht, sobald eine Ansteuerungsmöglichkeit des Schaltelements über die Schaltleitung mittels des Steuergeräts versagt.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung und dem Gleichspannungswandler eine Schnittstelle vorhanden ist, und wenn beim Trennen oder Öffnen der Schnittstelle die Ansteuerung des Schaltelements mittels des Steuergeräts erfolgt, derart, dass das Schaltelement veranlasst wird, in einen geschlossenen Zustand überzugehen. Die Trennung der Schnittstellen dient dabei also als ein Triggersignal zur Entladung der Brennstoffzelleneinrichtung, was deren Betriebssicherheit zusätzlich erhöht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers in Form einer Antriebseinrichtung mit Antriebsaggregat zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Versorgungseinrichtung 1 für die elektrische Versorgung eines ersten Verbrauchers 2 und eines zweiten Verbrauchers 3 gezeigt. Die vorliegende Versorgungseinrichtung 1 kann vorzugsweise auch weitere nicht näher dargestellte Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen.
Die Versorgungseinrichtung 1 umfasst ein Primärstromnetz 4, in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung 7 vorliegt, welche einen ersten elektrischen Kontakt 5 und einen zweiten elektrischen Kontakt 6 aufweist. Außerdem weist die Versorgungseinrichtung 1 ein Sekundärstromnetz 17 auf, in dem eine Batterie 20 vorliegt. Die Batterie 20 ist ausgelegt, die Verbraucher 2, 3 zu bestromen.
Der Verbraucher 2 umfasst ein Antriebsaggregat 22, welches in Form einer elektrischen Maschine vorliegt. Diese elektrische Maschine ist typischerweise mittels eines Drei-Phasen-Wechselstroms betreibbar und ist vorzugsweise als Fahrmotor für ein Kraftfahrzeug gebildet. Da das Primärstromnetz 4 und auch das Sekundärstromnetz 17 eine Hochspannung und einen Gleichstrom liefern, ist dem Verbraucher 2 zusätzlich der Wechselrichter 21 zugeordnet, der den Gleichstrom in den Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 2 kann das Antriebsaggregat 22 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Bremsvorgang durch das Antriebsaggregat 22 erzeugte Energie der Batterie 20 über den Wechselrichter 21 wieder zugeführt werden kann.
Der Verbraucher 3 kann ebenfalls an das aus dem Primärstromnetz 4 und Sekundärstromnetz 17 gebildete Bordnetz angeschlossen sein. Als Verbraucher 3 kommen beispielsweise Nebenaggregate der Brennstoffzelleneinrichtung 7, ein Ladegerät, ein 12V-Gleichstrom-Gleichstromwandler, ein Hochspannungs-Heizer, ein elektrischer Klimakompressor oder dergleichen in Betracht.
Wie sich der 1 entnehmen lässt, ist das Primärstromnetz 4 an das Sekundärstromnetz 17 über einen Gleichspannungswandler 13 angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung 7 weist einen ersten Primärstromnetzanschluss 15 und einen zweiten Primärstromnetzanschluss 16 auf, die vorliegend an einem Brennstoffzellengehäuse 23 angeordnet sind und über Leitungen mit dem Gleichspannungswandler 13 (DC/DC-Wandler) verbunden sind. Dadurch ist also eine Schnittstelle 14 zwischen dem Gleichspannungswandler 13 und der Brennstoffzelleneinrichtung 7 geschaffen, die sich beispielsweise zu Service- oder Reparaturzwecken, insbesondere reversibel, trennen bzw. öffnen lässt.
Die Batterie 20 im Sekundärstromnetz 17 weist demgegenüber einen ersten Sekundärstromnetzanschluss 18 und einen zweiten Sekundärstromnetzanschluss 19 auf. Der Gleichspannungswandler 13 verbindet den ersten Primärstromnetzanschluss 15 mit dem ersten Sekundärstromnetzanschluss 18. Der Gleichspannungswandler 13 verbindet außerdem den zweiten Primärstromnetzanschluss 16 mit dem zweiten Sekundärstromnetzanschluss 19.
Die vorliegende Versorgungseinrichtung 1 zeichnet sich durch eine mit den elektrischen Kontakten 5, 6 verbundene, parallelgeschaltete Entladeschaltung 8 aus, welche ein mittels eines Steuergeräts 9 über eine Schaltleitung 10 betätigtbares Schaltelement 11 sowie ein Widerstandselement 12 aufweist. Die Entladeschaltung 8 verfügt dabei über eine Sicherheitseinrichtung oder eine Sicherheitsfunktion, die das Schalterelement 11 in einem geöffneten Zustand hält und damit die Entladeschaltung 8 inaktiv stellt, solange eine Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung 10 gegeben ist, und die das Schaltelement 11 in einen geschlossenen Zustand versetzt und damit die Entladeschaltung 8 zur Senkung der Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung 7 aktiv stellt, sobald die Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung 10 versagt.
Vorliegend ist die Entladeschaltung 8 innerhalb eines Brennstoffzellengehäuses 23 angeordnet und damit darin baulich integriert. Damit ist gewährleistet, dass beim Trennen der Schnittstelle 14 eine betriebssichere Entladung der Brennstoffzelleneinrichtung 7, mithin des Brennstoffzellenstapels erfolgt, so dass ein vereinfachter Aufbau für die Versorgungseinrichtung 1 ermöglicht ist.
Die Ansteuerung des Schaltelements 11 erfolgt vorliegend mittels des Gleichspannungswandler 13, so dass der Gleichspannungswandler 13 das Steuergerät 9 zur Ansteuerung der Entladeschaltung 8 bildet. Der Einsatz eines vom Gleichspannungswandler 13 abgesetzten Steuergerät 9 ist ebenfalls möglich.
Soll eine Wartung der Versorgungseinrichtung 1, des Brennstoffzellensystems oder des Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgen, so wird zunächst die Reaktantenzufuhr an die Brennstoffzelleneinrichtung 7 gestoppt. Anschließend wird das Schaltelement 11 der Entladeschaltung 8 über die Schaltleitung 10 mittels des als Steuergerät 9 gebildeten Gleichspannungswandler 13 derart angesteuert, dass das Schaltelement 11 veranlasst wird, in einen geschlossenen Zustand überzugehen, wobei, sobald sich das Schaltelement 11 in dem geschlossenen Zustand befindet, die von der Brennstoffzelleneinrichtung 7 erzeugte elektrische Energie durch das Widerstandselement 12 zumindest teilweise verbraucht wird. Dieses Verbrauchen der elektrischen Energie erfolgt dabei vorzugsweise so lange, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung 7 unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Spannungswert gefallen ist. Hierfür verfügt die Brennstoffzelleneinrichtung 7 über einen nicht näher dargestellten Spannungsmesser, der die Spannung des Brennstoffzellenstapels als Ganzes erfasst, oder der als Einzelzellspannungsmesser ausgestaltet ist zur Messung von Spannungen einzelner Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 7. Vorliegend geht das Schaltelement 11 auch dann in den geschlossenen Zustand über, wenn eine Ansteuerungsmöglichkeit des Schaltelements 11 über die Schaltleitung 10 mittels des Steuergeräts 9 versagt, was beispielsweise bei einem Unfall passieren kann.
Sollte jedoch einmal vergessen werden, eine Ansteuerung des Schaltelements 11 durch das Steuergerät 9 vorzunehmen, um eine Entladung der Brennstoffzelleneinrichtung 7 hervorzurufen, so ist es vorliegend auch möglich, dass beim Trennen oder Öffnen der Schnittstelle 14 die Ansteuerung des Schaltelements 11 mittels des Steuergeräts 9 automatisiert erfolgt, wodurch eine Entladung der Brennstoffzelle betriebssicher erfolgt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene Versorgungseinrichtung 1 bieten eine hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Entsprechendes gilt also für eine Antriebseinrichtung, die mit einer solchen Versorgungseinrichtung 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. Aufgrund der Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers 13 als Steuergerät 9 zur Ansteuerung des Schaltelements 11 kann die Versorgungseinrichtung 1 sehr einfach ausgeführt sein, so dass sich beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug Bauraum- und Kostenvorteile ergeben.
Bezugszeichenliste

1: Versorgungseinrichtung
2: Verbraucher
3: (zweiter) Verbraucher
4: Primärstromnetz
5: erster elektrischer Kontakt
6: zweiter elektrischer Kontakt
7: Brennstoffzelleneinrichtung
8: Entladeschaltung
9: Steuergerät
10: Schaltleitung
11: Schaltelement
12: Widerstandselement
13: Gleichspannungswandler
14: Schnittstelle
15: erster Primärstromnetzanschluss
16: zweiter Primärstromnetzanschluss
17: Sekundärstromnetz
18: erster Sekundärstromnetzanschluss
19: zweiter Sekundärstromnetzanschluss
20: Batterie
21: Wechselrichter
22: Antriebsaggregat
23: Brennstoffzellengehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009055053 A1 [0004]
DE 102012204866 A1 [0005]
US 5105142 A [0006]
DE 102012218584 A1 [0007]

Claims

Versorgungseinrichtung (1) für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers (2,3), mit einem Primärstromnetz (4), in dem eine elektrische Kontakte (5, 6) aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung (7) vorliegt, die eine mit den elektrischen Kontakten (5, 6) verbundene, parallel geschaltete Entladeschaltung (8) umfasst, welche ein mittels eines Steuergeräts (9) über eine Schaltleitung betätigbares Schaltelement (11) sowie ein Widerstandselement (12) aufweist, und mit einem im Primärstromnetz (4) vorliegenden Gleichspannungswandler (13), über welchen das Primärstromnetz (4) mit einem Sekundärstromnetz (17) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (8) eine Sicherheitseinrichtung oder eine Sicherheitsfunktion aufweist, die das Schaltelement (11) in einem geöffneten Zustand hält und damit die Entladeschaltung (8) inaktiv stellt solange eine Ansteuerungsmöglichkeit über die Schaltleitung (10) gegebenen ist, und die das Schaltelement (11) in einen geschlossenen Zustand versetzt und damit die Entladeschaltung (8) zur Senkung der Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung (7) aktiv stellt, sobald die Ansteurungsmöglichkeit über die Schaltleitung (10) versagt.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) zur Ansteuerung des Schaltelements (11) durch den Gleichspannungswandler (13) gebildet ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (11) ein elektromechanisches Schaltelement, ein Schütz oder ein Halbleiterschalter ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein IGBT oder ein MOS-FET ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (12) ein Hochleistungswiderstand, ein PTC-Heizer, eine Z-Diode, ein Leistungshalbleiterschalter im Linearbetrieb oder ein Verbraucher ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung (7) und dem Gleichspannungswandler (13) eine Schnittstelle (14) ausgebildet ist, und dass das Steuergerät (9) ausgestaltet ist, das Schaltelement (11) in den geschlossenen Zustand zu versetzen, sobald die Schnittstelle (14) getrennt oder geöffnet wird.
Verfahren zur Senkung der Spannung einer Brennstoffzelleneinrichtung (7) einer Versorgungseinrichtung (1), die ein Sekundärstromnetz (17) und ein Primärstromnetz (4) umfasst, wobei in dem Prrimärstromnetz (4) die elektrische Kontakte (5, 6) aufweisende Brennstoffzelleneinrichtung (7) vorliegt, welche eine mit deren elektrischen Kontakte (5, 6) verbundene, parallel geschaltete Entladeschaltung (8) aufweist, wobei die Entladeschaltung (8) ein mittels eines Steuergeräts (9) über eine Schaltleitung (10) betätigbares Schaltelement (11) sowie ein Widerstandselement (12) umfasst, und wobei im Primärstromnetz (4) ein Gleichspannungswandler (13) vorliegt, über welchen das Primärstromnetz (4) mit dem Sekundärstromnetz (17) verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: a. Stoppen einer Reaktantenzufuhr an die Brennstoffzelleneinrichtung (7), b. Ansteuerung des Schaltelements (11) der Entladeschaltung (8) über die Schaltleitung (10) mittels des als Steuergerät (9) gebildeten Gleichspannungswandlers (13) derart, dass das Schaltelement (11) veranlasst wird, in einen geschlossenen Zustand überzugehen, und c. sobald sich das Schaltelement (11) in dem geschlossenen Zustand befindet, zumindest teilweises Verbrauchen der von der Brennstoffzelleneinrichtung (7) erzeugten elektrischen Energie durch das Widerstandselement (12).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung (7) erfasst wird, und dass die elektrische Energie durch das Widerstandselement (12) so lange verbraucht wird, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung (7) unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Spannungswert gefallen ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (11) auch dann in den geschlossenen Zustand übergeht, sobald eine Ansteuerungsmöglichkeit des Schaltelements (11) über die Schaltleitung (10) mittels des Steuergeräts (9) versagt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung (7) und dem Gleichspannungswandler (13) eine Schnittstelle (14) vorhanden ist, und dass beim Trennen oder Öffnen der Schnittstelle (14) die Ansteuerung des Schaltelements (11) mittels des Steuergeräts (9) gemäß Schritt b erfolgt.