DE102018213159A1 - Electrical energy system with fuel cells - Google Patents
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Abstract
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.
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 to the traction intermediate circuit with the HV battery via a direct current converter (DC / DC converter), to which the pulse-controlled inverter (PWR) with the traction machines (electric motors) are connected are. This is necessary because the voltage of the fuel cell depends strongly 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. This effect can be compensated for by the DC / DC converter and the output voltage of the fuel cell system (fuel cell plus DC / DC converter) can be kept at a constant level.
Erleidet das Fahrzeug einen Unfall („Crash-Event“), wird das BZ-System mittels der üblichen Abschaltmechanismen, d. h. Abschaltung der Medien-Zufuhr und Abschaltung des DC/DC-Wandlers, ausgeschaltet. Durch die Restgase im BZ-System baut sich die Spannung der Brennstoffzelle nicht sofort auf einen ungefährlichen Wert (< 60 V DC) ab. Um die gesetzliche Anforderung, dass fünf Sekunden nach dem Crash-Event keine berührbaren Bauteile eine Spannung >60 V DC aufweisen dürfen, einhalten zu können, sind aufwändige Schutzmaßnahmen für die Brennstoffzelle und das HV-System notwendig. Die Brennstoffzelle, der DC/DC-Wandler und auch alle vom DC/DC-Wandler ausgehenden HV-Leitungen dürfen bei einem Unfall nicht zerstört werden. Also müssen alle spannungführenden Bauteile des BZ-System aufwändig durch gesicherte Anordnung der Bauteile („Package-Maßnahmen) und Panzerungs-Maßnahmen geschützt werden. Dadurch entstehen erhebliche Einschränkungen hinsichtlich des Aufbaus des Systems und hohe Zusatzkosten und Zusatzgewicht durch die Panzerungs-Maßnahmen.If the vehicle suffers an accident (“crash event”), the FC system is switched off using the usual shutdown mechanisms, i.e. H. Switching off the media supply and switching off the DC / DC converter, switched off. The residual gases in the FC system do not immediately reduce the voltage of the fuel cell to a harmless value (<60 V DC). In order to comply with the legal requirement that no touchable components may have a voltage> 60 V DC five seconds after the crash event, complex protective measures for the fuel cell and the HV system are necessary. The fuel cell, the DC / DC converter and all the HV cables coming from the DC / DC converter must not be destroyed in the event of an accident. So all live components of the FC system have to be protected by complex arrangement of the components (“package measures”) and armor measures. This creates considerable restrictions with regard to the structure of the system and high additional costs and additional weight due to the armor measures.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.The object of the present invention is to provide devices and methods which at least partially eliminate the disadvantages described.
Aus der
Die
Aus der
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.The object is achieved according to the invention by a device with the features of claim 1 and a method with the features of
Erfindungsgemäß werden eine oder mehrere zusätzliche Abschalteinheiten in Kombination mit einer oder mehreren Entladeeinheiten im Energiesystem integriert. Dadurch kann das BZ-System im Crashfall zuverlässig vom restlichen HV-System getrennt und innerhalb von maximal 5 Sekunden auf Spannungen kleiner 60 V DC entladen werden. Dadurch muss das BZ-System nicht mehr als HV-Speichersystem betrachtet werden und die aufwändigen Panzerungs-Maßnahmen können größtenteils entfallen.According to the invention, one or more additional shutdown units are integrated in combination with one or more discharge units in the energy system. This enables the FC system to be reliably separated from the rest of the HV system in the event of a crash and discharged to voltages below 60 V DC within a maximum of 5 seconds. As a result, the FC system no longer has to be viewed as an HV storage system and the extensive armoring measures can largely be dispensed with.
Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; und einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler). Erfindungsgemäß umfasst das Energiesystem außerdem mindestens eine Abschalteinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie zu unterbrechen, und mindestens eine Entladeeinheit, welche dafür eingerichtet ist, die Brennstoffzelle innerhalb von nicht mehr als 5 Sekunden auf Spannungen kleiner 60 V DC zu entladen, sowie eine Steuereinheit, welche dafür eingerichtet ist, bei einem Unfall des Fahrzeugs die mindestens eine Abschalteinheit und die mindestens eine Entladeeinheit zu aktivieren.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 direct voltage converter (DC / DC converter) arranged between the at least one fuel cell and the at least one HV battery. According to the invention, the energy system further comprises at least one shutdown unit, which is set up to interrupt a circuit between the fuel cell and the HV battery, and at least one discharge unit, which is set up to set the fuel cell to voltages of less than 60 within 5 seconds V DC to discharge, and a control unit which is set up to activate the at least one shutdown unit and the at least one discharge unit in the event of an accident in the vehicle.
In einer Ausführungsform des Energiesystems ist mindestens eine Abschalteinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Stromkreis zwischen der Brennstoffzelle und der HV-Batterie zu unterbrechen, zwischen dem Gleichspannungswandler und der HV-Batterie angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Abschalteinheit zwischen der Brennstoffzelle und dem DC/DC-Wandler angeordnet. In einer anderen Variante ist mindestens eine Abschalteinheit in den Gleichspannungswandler integriert. In wieder einer anderen Ausführungsform ist mindestens eine Abschalteinheit in die Brennstoffzelle integriert. Die Abschalteinheit kann jeweils im Plus- oder im Minus-Pfad des Energiesystems angeordnet sein. In einer Ausführungsform des Energiesystems ist sowohl im Plus-Pfad als auch im Minus-Pfad des Energiesystems jeweils mindestens eine Abschalteinheit vorhanden.In one embodiment of the energy system, at least one shutdown unit, which is set up to interrupt a circuit between the fuel cell and the HV battery, is arranged between the DC voltage converter and the HV battery. In a further embodiment, at least one shutdown unit is arranged between the fuel cell and the DC / DC converter. Another variant is at least a shutdown unit integrated in the DC-DC converter. In yet another embodiment, at least one shutdown unit is integrated in the fuel cell. The shutdown unit can be arranged in the plus or minus path of the energy system. In one embodiment of the energy system, at least one switch-off unit is present both in the plus path and in the minus path of the energy system.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Abschalteinheit ein Pyro-Trennelement. In einer anderen Ausführungsform umfasst die mindestens eine Abschalteinheit einen Schütz oder ein anderes elektromechanisches Schaltelement. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Abschalteinheit mindestens einen Halbleiterschalter, der z.B. Leistungstransistoren wie IGBTs oder MOS-FETs umfasst. Die mindestens eine Abschalteinheit kann auch aus einer Kombination der genannten Bauteile realisiert werden.In one embodiment, the at least one shutdown unit comprises a pyro separating element. In another embodiment, the at least one shutdown unit comprises a contactor or another electromechanical switching element. In a further embodiment, the at least one shutdown unit comprises at least one semiconductor switch, which e.g. Power transistors such as IGBTs or MOS-FETs includes. The at least one shutdown unit can also be realized from a combination of the components mentioned.
Das Energiesystem umfasst mindestens eine Entladeeinheit, welche dafür eingerichtet ist, die Brennstoffzelle innerhalb von maximal 5 Sekunden auf Spannungen kleiner 60 V DC zu entladen. Die mindestens eine Entladeeinheit ist mit dem Minus-Pfad und dem Plus-Pfad des Energiesystems verbunden. In einer Ausführungsform des Energiesystems ist die mindestens eine Entladeeinheit zwischen der Brennstoffzelle und dem DC/DC-Wandler angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Entladeeinheit zwischen dem DC/DC-Wandler und der HV-Batterie angeordnet. In einer anderen Variante ist die mindestens eine Entladeeinheit in den Gleichspannungswandler integriert. In wieder einer anderen Variante ist die mindestens eine Entladeeinheit in die Brennstoffzelle integriert.The energy system comprises at least one discharge unit which is set up to discharge the fuel cell to voltages of less than 60 V DC within a maximum of 5 seconds. The at least one discharge unit is connected to the minus path and the plus path of the energy system. In one embodiment of the energy system, the at least one discharge unit is arranged between the fuel cell and the DC / DC converter. In a further embodiment, the at least one discharge unit is arranged between the DC / DC converter and the HV battery. In another variant, the at least one discharge unit is integrated in the DC-DC converter. In yet another variant, the at least one discharge unit is integrated in the fuel cell.
Die mindestens eine Entladeeinheit muss so ausgelegt sein, dass sie die maximale Restenergie des BZ-Systems innerhalb der gesetzlichen Zeitvorgabe von 5 Sekunden sicher auf Spannungen < 60 V DC entladen kann. Wichtig ist, dass die mindestens eine Entladeeinheit im Stromkreis näher an der Brennstoffzelle angeordnet ist als die mindestens eine Abschalteinheit.The at least one discharge unit must be designed so that it can safely discharge the maximum residual energy of the FC system within 5 seconds to voltages <60 V DC. It is important that the at least one discharge unit in the circuit is arranged closer to the fuel cell than the at least one shutdown unit.
Das Energiesystem umfasst außerdem eine Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs (einem „Crashfall“, beispielsweise einem Aufprall des Fahrzeugs auf einem Hindernis, einem Aufprall eines anderen Fahrzeugs auf dem Fahrzeug, einem Überschlag des Fahrzeugs etc.) die mindestens eine Abschalteinheit und die mindestens eine Entladeeinheit zu aktivieren und dadurch zu bewirken, dass die Brennstoffzelle vom HV-Kreis galvanisch abgekoppelt und in sehr kurzer Zeit entladen wird.The energy system also includes a control unit which is set up to at least in the event of an accident of the motor vehicle (a “crash case”, for example an impact of the vehicle on an obstacle, an impact of another vehicle on the vehicle, a rollover of the vehicle, etc.) to activate a switch-off unit and the at least one discharge unit and thereby to cause the fuel cell to be galvanically decoupled from the HV circuit and to be discharged in a very short time.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Entladeeinheit mindestens einen zuschaltbaren Hochleistungs-Widerstand. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Entladeeinheit mindestens einen PTC-Widerstand. In einer anderen Ausführungsform umfasst die mindestens eine Entladeeinheit mindestens eine zuschaltbare Z-Diode. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine Entladeeinheit mindestens einen Leistungshalbleiter, der im Linearbereich betrieben wird. In speziellen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Entladeeinheit mindestens einen IGBT oder einen MOS-FET. In einer anderen Ausführungsform umfasst die mindestens eine Entladeeinheit sonstige zuschaltbare HV-Verbraucher. Die mindestens eine Entladeeinheit kann auch aus einer Kombination der genannten Bauteile realisiert werden.In one embodiment, the at least one discharge unit comprises at least one switchable high-performance resistor. In a further embodiment, the at least one discharge unit comprises at least one PTC resistor. In another embodiment, the at least one discharge unit comprises at least one switchable Zener diode. In a further embodiment, the at least one discharge unit comprises at least one power semiconductor, which is operated in the linear range. In special embodiments, the at least one discharge unit comprises at least one IGBT or one MOS-FET. In another embodiment, the at least one discharge unit comprises other switchable HV consumers. The at least one discharge unit can also be realized from a combination of the components mentioned.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems ist eine Abschalteinheit als Stand-Alone-Einheit im Plus-Pfad direkt nach dem DC/DC-Wandler angeordnet und eine Entladeeinheit ist als Stand-Alone-Einheit zwischen BZ und DC/DC-Wandler angeschlossen.In one embodiment of the energy system according to the invention, a shutdown unit is arranged as a stand-alone unit in the plus path directly after the DC / DC converter, and a discharge unit is connected as a stand-alone unit between the FC and DC / DC converter.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems sind die mindestens eine Abschalteinheit und die mindestens eine Entladeeinheit in den DC/DC-Wandler integriert:In another embodiment of the energy system according to the invention, the at least one switch-off unit and the at least one discharge unit are integrated in the DC / DC converter:
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems sind die mindestens eine Abschalteinheit und die mindestens eine Entladeeinheit in die Brennstoffzelle integriert:In a further embodiment of the energy system according to the invention, the at least one shutdown unit and the at least one discharge unit are integrated in the fuel cell:
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems sind die mindestens eine Abschalteinheit und die mindestens eine Entladeeinheit in einer Baueinheit zusammengeführt, welche die Funktionen beider Einheiten bereitstellt. In einer Variante ist diese Baueinheit zwischen dem DC/DC-Wandler und der HV-Batterie angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Baueinheit jeweils eine Abschalteinheit im Plus- und im Minus-Pfad:In one embodiment of the energy system according to the invention, the at least one shutdown unit and the at least one discharge unit are combined in one structural unit which provides the functions of both units. In a variant, this unit is arranged between the DC / DC converter and the HV battery. In a further embodiment, the structural unit in each case comprises a switch-off unit in the plus and minus path:
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Energiesystems, worin bei einem Unfall des Fahrzeugs (einem „Crash-Event“, beispielsweise einem Aufprall des Fahrzeugs auf einem Hindernis, einem Aufprall eines anderen Fahrzeugs auf dem Fahrzeug, einem Überschlag des Fahrzeugs etc.) die mindestens eine Abschalteinheit die Verbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie trennt und die mindestens eine Entladeeinheit die mindestens eine Brennstoffzelle in nicht mehr als fünf Sekunden auf eine Spannung < 60 V DC entlädt.The invention also relates to a method for operating an energy system according to the invention, in which in the event of an accident of the vehicle (a "crash event", for example an impact of the vehicle on an obstacle, an impact of another vehicle on the vehicle, a rollover of the vehicle, etc .) the at least one switch-off unit disconnects the connection between the at least one fuel cell and the at least one HV battery and the at least one discharge unit discharges the at least one fuel cell to a voltage <60 V DC in no more than five seconds.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Energiesystems und Verfahrens zählen eine sichere Trennung des Brennstoffzellensystems vom restlichen HV-System bei einem Crash-Event und die Entladung des BZ-Systems auf unkritische Spannungen im Crashfall. Aufwändige Package-Maßnahmen und Panzerungen können entfallen, was zu Einsparungen bei Bauraum, Gewicht und Kosten des Energiesystems führt. The advantages of the energy system and method according to the invention include a safe separation of the fuel cell system from the rest of the HV system in the event of a crash and the discharge of the FC system to uncritical voltages in the event of a crash. Time-consuming package measures and armouring can be omitted, which leads to savings in installation space, weight and costs of the energy system.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result 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 goes without saying that the features mentioned above and those yet 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 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.
-
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; -
3 a schematic representation of a further embodiment of the energy system according to the invention with connected consumers; -
4 a schematic representation of another embodiment of the energy system according to the invention with connected consumers.
In der in
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Energiesystemenergy system
- 1111
-
Brennstoffzelle (
BZ )Fuel cell (BZ ) - 1212
- HV-BatterieHV battery
- 1313
- DC/DC-WandlerDC / DC converter
- 1414
- Not-AbschalteinheitEmergency disconnection
- 1515
- Not-EntladeeinheitEmergency unloading
- 1616
-
Pulswechselrichter (
PWR )Pulse inverter (PWR ) - 1717
-
Elektromotor (
EM )Electric motor (EM ) - 1818
-
Sonstige
HV -KomponentenotherHV components
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102009007705 A1 [0007]DE 102009007705 A1 [0007]
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