DE102018218327A1

DE102018218327A1 - Versorgungseinrichtung mit einer Brennstoffzelleneinrichtung und einer Batterie sowie Verfahren für den Betrieb einer Versorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102018218327A1
Application number: DE102018218327.9A
Authority: DE
Inventors: Martin BREU; Maximilian Schiedermeier; Fabian Schulte
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung (1) für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers (2, 3), mit einem Primärstromnetz (4), in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung (5) vorliegt, und mit einem spannungswandlerfrei mit dem Primärstromnetz (4) elektrisch verbundenen Sekundärstromnetz (6), in dem eine Batterie (7) vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maximalspannung (Umax) und nach unten von einer Minimalspannung (Umin) begrenzt ist, und die einen Betriebsstromstärkenbereich zur Bestromung des mindestens einen Verbrauchers (2, 3) aufweist. In dem Sekundärstromnetz (6) liegt eine Abschalteinrichtung (15) vor, die ausgebildet ist, zwischen einer aktiven Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) zumindest anteilig mit elektrischer Leistung der Batterie (7) versorgt ist, und einer inaktiven Konfiguration verstellt zu werden, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) ausschließlich mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinrichtung (5) versorgt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb einer solchen Versorgungseinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers, mit einem Primärstromnetz, in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung vorliegt, und mit einem spannungswandlerfrei mit dem Primärstromnetz elektrisch verbundenen Sekundärstromnetz, in dem eine Batterie vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maximalspannung und nach unten von einer Minimalspannung begrenzt ist, und die einen Betriebsstromstärkenbereich zur Bestromung des mindestens einen Verbrauchers aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für den Betrieb einer solchen Versorgungseinrichtung.
Durch eine geeignete Dimensionierung der U/I-Kennlinien der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie in Verbindung mit einer dazu passenden Systemauslegung kann der üblicherweise eingesetzte Gleichspannungswandler zur Spannungsanpassung der beiden elektrochemischen Wandler durch eine einfache Diode ersetzt werden. Ein derartiger Aufbau ist in einer nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin beschrieben. Auch in der US 8,373,381 B2 ist eine solche Versorgungseinrichtung unter Entfall eines Gleichspannungswandlers gezeigt.
Damit die Batterie und die Brennstoffzelleneinrichtung zusammen betrieben werden können, müssen Sie auf ein gemeinsames Spannungsniveau ausgelegt werden, da die aktive Spannungsanpassung durch den Gleichspannungswandler entfällt. Infolge einer dauerhaft hohen Leistungsanforderung fällt der Ladezustand der Batterie zunehmend ab. Ist die Batterie entladen, so kann die Batterie ihre Leistung in das Traktionsnetz nur noch bis zu einem vorgegebenen Grenzwert einspeisen. Liegt nun aber die von einem Verbraucher, beispielsweise einem Traktionsmotor angeforderte Leistung über diesem Leistungsgrenze, so kann das gekoppelte System aus Brennstoffzelleneinrichtung und Batterie diese Leistung nicht zur Verfügung stellen, da die Brennstoffzelleneinrichtung durch die entladene Batterie in ihrer Ausgangsleistung begrenzt wird. Eine dauerhafte Fahrt eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Versorgungseinrichtung wäre bei maximaler Geschwindigkeit mit einer solchen gekoppelten Funktionsweise nicht möglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Versorgungseinrichtung und ein Verfahren für den Betrieb einer solchen bereitzustellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.
Diese Aufgabe wird durch eine Versorgungseinrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Versorgungseinrichtung zeichnet sich insbesondere durch den Einsatz einer in dem Sekundärstromnetz vorliegenden Abschalteinrichtung aus, die ausgebildet ist, zwischen einer aktiven Konfiguration und einer inaktiven Konfiguration verstellt zu werden. In der aktiven Konfiguration wird der mindestens eine Verbraucher zumindest anteilig mit elektrischer Leistung, mithin mittels elektrischen Stroms, der Batterie versorgt. In der inaktiven Konfiguration wird der mindestens eine Verbraucher ausschließlich mit elektrischer Leistung, d.h. mit elektrischem Strom der Brennstoffzelleneinrichtung versorgt.
Durch den Einsatz der Abschalteinrichtung erfolgt eine Entkopplung der Batterie von der Brennstoffzelleneinrichtung, so dass die Brennstoffzelleneinrichtung auch bei entladener Batterie mit ihrer maximalen Ausgangsleistung betrieben werden kann. Sie ist also mit ihrer Ausgangsleistung nicht auf das Leistungsniveau der Batterie begrenzt, da letztere mittels der Abschalteinrichtung entkoppelt werden kann.
Zudem ist die Möglichkeit eröffnet, dass die Abschalteinrichtung ausgebildet ist, ein Laden der Batterie zu ermöglichen, wenn sich die Abschalteinrichtung in der inaktiven Konfiguration befindet. Damit ist es also möglich, die Batterie auch dann aufzuladen, wenn diese gerade nicht an das Traktionsnetz eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektromotors zur elektrischen Versorgung angeschlossen ist. Insbesondere wird ein Laden der Batterie dann begünstigt, wenn eine von dem mindestens einen Verbraucher gestellte Lastanforderung unterhalb einer von der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellten Leistung liegt. Die überschüssige Energie kann dann der Batterie zugeleitet werden und wird nicht in Verlustwärme an die Umgebung abgegeben.
Als Verbraucher kommt im Rahmen der Erfindung 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 auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Antriebseinrichtung verfügt hierzu über wenigstens ein Antriebsaggregat, welches als elektrische Maschine ausgestaltet 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 und in den Sekundärstromnetz ist eine zweite Stromquelle in Form der Batterie 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. Die 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 elektrisch an das Sekundärstromnetz und/oder an das Primärstromnetz angeschlossen. Die Anbindung des Verbrauchers in Form eines Antriebsaggregat an das Sekundärstromnetz kann beispielsweise über einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, realisiert sein.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abschalteinrichtung eine bezüglich der Batterie in Sperrrichtung geschaltete Diode sowie einen parallel zu der Diode geschalteten Schaltkreis mit einem Schalter umfasst. Wird der Schalter geöffnet, so wird die Batterie entkoppelt und die vom Pulswechselrichter angeforderte Leistung wird ausschließlich von der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellt. Sollte die Leistungsanforderung unterhalb der von der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellten Leistung liegen, so kann die bezüglich der Batterie in Sperrrichtung aber bezüglich der Brennstoffzelleneinrichtung in Durchlassrichtung orientierte Diode den überschüssigen Strom an die Batterie führen. Ein Stromfluss von der Batterie zu den Verbrauchern ist bei geöffnetem Schalter allerdings nicht möglich. Erst wenn der Schalter geschlossen wurde, kann die Batterie (Hochvoltbatterie) dazu genutzt werden, um den mindestens einen Verbraucher mit Strom zu versorgen.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abschalteinrichtung ausgebildet ist, dann zwischen der inaktiven Konfiguration und der aktiven Konfiguration verstellt zu werden, wenn die Batterie ihre Minimalspannung oder einen anderen vordefinierbaren oder vordefinierten Spannungswert erreicht. Dadurch ist gewährleistet, dass die Batteriezellen nicht tiefenentladen werden. Wird also die Batterie so weit entladen, bis sie ihre Minimalspannung oder den vordefinierbaren oder vordefinierten Spannungswert erreicht, so geht die Abschalteinrichtung in den inaktiven Zustand über. Wird umgekehrt allerdings die Minimalspannung oder ein anderer vordefinierbarer oder vordefinierter Spannungswert „von unten“ erreicht, d.h. wird die Spannung der Batterie auf ein der Minimalspannung oder dem Spannungswert entsprechendes Niveau angehoben, so wird der Schalter wieder geschlossen und das Gesamtsystem aus Brennstoffzelleneinrichtung und Batterie wird wieder in den Normalbetrieb versetzt.
In diesem Normalbetrieb hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn in der aktiven Konfiguration der Abschalteinrichtung die Brennstoffzelleneinrichtung eine Spannung liefert, die im Wesentlichen einer Spannung der Batterie entspricht. Das bedeutet, dass die Arbeitspunkte der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie auf einem gemeinsamen Spannungsniveau liegen, auch wenn zu dem jeweiligen Spannungsniveau ein unterschiedlicher Stromfluss vorliegt.
Dies lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass die Batterie eine bestimmte Anzahl an Batteriezellen aufweist und/oder die Brennstoffzelleneinrichtung eine bestimmte Anzahl an Brennstoffzellen aufweist, wobei die Anzahl der Batteriezellen und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen derart gewählt ist, dass die Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung der Maximalspannung der Batterie entspricht. Vorzugsweise entspricht jedoch die Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung im Wesentlichen mindestens 85 % der Maximalspannung, vorzugsweise 90 % der Maximalspannung, weiterhin vorzugsweise 95 % der Maximalspannung der Batterie. Durch eine derartige Konfiguration kann eine Abstimmung der Spannungs-Strom-Kennlinien von der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie erfolgen, und zwar über die Anzahl der Batteriezellen und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung. Alternativ oder ergänzend können auch unterschiedliche Typen an Batteriezellen, beispielsweise mit unterschiedlichen Nennspannungen, zur Abstimmung der Kennlinie der Batterie auf diejenige der Brennstoffzelleneinrichtung herangezogen werden.
Es kann durch die entsprechende Wahl des Betriebsstromstärkenbereich und/oder wiederum durch die Auswahl der Anzahl und Ausführungsform von Batteriezellen und/oder die Anzahl und Ausführungsform der Brennstoffzellen bzw. des Typs der Batteriezellen sichergestellt werden, dass die von der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellte Brennstoffzellenspannung über den Betriebsstromstärkenbereich hinweg größer ist als die Minimalspannung der Batterie. Durch den Einsatz einer Abschalteinrichtung ist dies aber nicht mehr zwingend notwendig. Insbesondere kann aber eine Abstimmung der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie aufeinander insoweit allein durch einfach umzusetzende Maßnahmen bei der Auslegung der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie erfolgen.
Eine besonders einfach umzusetzende Realisierung des Schalters der Abschalteinrichtung ist die Ausführung eines Schalters als elektromechanischer Schalter. Hierbei kann beispielsweise ein Relais oder ein Schütz in Betracht kommen.
Kürzere Schaltzeiten lassen sich jedoch durch einen Schalter der Abschalteinrichtung realisieren, der als ein Halbleiterschalter gebildet ist. Hierzu kommen beispielsweise ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein Thyristor infrage.
Das Verfahren für den Betrieb einer vorstehend erläuterten Versorgungseinrichtung ist insbesondere durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

a. Erfassung der Spannung der Batterie und Detektieren des Erreichens der Minimalspannung der Batterie,
b1. Überführen, der Abschalteinrichtung in eine inaktive Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher ausschließlich mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit versorgt wird, wenn die Spannung der Batterie unter die Minimalspannung abgesenkt wurde, oder
b2. Überführen, der Abschalteinrichtung in eine aktive Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher zumindest anteilig mit elektrischer Leistung der Batterie versorgt wird, wenn die Spannung der Batterie auf oder über die Minimalspannung angehoben wurde.

Durch dieses Verfahren lässt sich also eine Versorgungseinrichtung individuell und schnell an unterschiedliche Lastanforderungen der Verbraucher, insbesondere des Pulswechselrichters des Antriebsaggregats anpassen. Hierbei ist eine Entkopplung der Batterie möglich. Durch dieses Verfahren ist es möglich, auch bei entladener Batterie hohe Antriebsleistungen durch die Brennstoffzelleneinrichtung bereitzustellen. Die implementierte Abschalteinrichtung ermöglicht somit auch dann noch die dauerhafte Fahrt mit der Fahrzeughöchstgeschwindigkeit, wenn die Batterie bereits vollständig entladen ist. Darüber hinaus beinhaltet die Abschalteinrichtung die Möglichkeit, die leere Batterie bei einem Lastabwurf (engl. „load dump“) automatisch durch die Brennstoffzelleneinrichtung zu laden. Eine aktive Steuerung dieses Prozesses ist nicht notwendig. Insgesamt liegt mit der vorliegenden Erfindung ein vereinfachter spannungswandlerfreier Antriebsstrang vor.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers in Form einer Antriebseinrichtung mit Antriebsaggregat zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs,
2 ein Spannungs-Strom-Kennfeld, in dem Spannungs-Strom-Kennlinien für eine Batterie mit hohem Ladestand und niedrigem Ladestand sowie eine Spannungs-Strom-Kennlinie einer Brennstoffzelleneinrichtung aufgetragen sind, und
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers in Form einer Antriebseinrichtung mit Antriebsaggregat zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs.

In 1 und 3 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 5 vorliegt. Außerdem umfasst die Versorgungseinrichtung 1 ein Sekundärstromnetz 6, in dem eine Batterie 7 vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maximalspannung Umax und nach unten von einer Minimalspannung Umin begrenzt ist. Zudem weist die Batterie 7 einen Betriebsstromstärkenbereich auf, der nach unten von einer Minimalstromstärke I_min und nach oben von einer maximal Stromstärke Imax begrenzt ist. Die Batterie 7 ist ausgelegt, die Verbraucher 2, 3 zu bestromen.
Der Verbraucher 2 umfasst ein Antriebsaggregat 8, 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 6 eine Hochspannung und einen Gleichstrom liefern, ist dem Verbraucher 2 zusätzlich der Wechselrichter 9 zugeordnet, der den Gleichstrom in den Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 2 kann das Antriebsaggregat 8 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Bremsvorgang durch das Antriebsaggregat 8 erzeugte Energie der Batterie 7 über den Wechselrichter 9 wieder zugeführt werden kann.
Der Verbraucher 3 kann ebenfalls an das aus dem Primärstromnetz 4 und Sekundärstromnetz 6 gebildete Bordnetz angeschlossen sein. Als Verbraucher 3 kommen beispielsweise Nebenaggregate der Brennstoffzelleneinrichtung 5, 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 6 wandlerlos oder spannungswandlerfrei angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung 5 weist einen ersten Primärstromnetzanschluss 10 und einen zweiten Primärstromnetzanschluss 11 auf. Die Batterie 7 im Sekundärstromnetz 6 weist dementsprechend einen ersten Sekundärstromnetzanschluss 12 und einen zweiten Sekundärstromnetzanschluss 13 auf. Der erste Primärstromnetzanschluss 10 ist über eine Sperrdiode 14 sowie über eine Diode 23 an den ersten Sekundärstromnetzanschluss 12 angeschlossen. Eine Durchlassrichtung der Sperrdiode 14 und der Diode 23 liegt dabei in einer Richtung von dem Primärstromnetz 4 zu dem Sekundärstromnetz 6 vor. Der zweite Primärstromnetzanschluss 11 ist hingegen unmittelbar mit dem zweiten Sekundärstromnetz Anschluss 13 elektrisch verbunden.
Die Diode 23 ist Teil einer Abschalteinrichtung 15, die zusätzlich einen parallel zu der Diode 23 geschalteten Schaltkreis mit einem Schalter 24 umfasst. Die Abschalteinrichtung 15 ist ausgebildet, zwischen einer aktiven Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher 2, 3 zumindest anteilig mit elektrischer Leistung der Batterie 7 versorgt ist, und einer inaktiven Konfiguration verstellt zu werden, in welche der mindestens eine Verbraucher 2, 3 ausschließlich mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 versorgt ist. Die Abschalteinrichtung 15 ermöglicht daher ein Entkoppeln der Batterie 7, wenn diese einen kritischen Ladezustand erreicht hat. Mittels der Diode 23 ist es möglich, dass die Batterie 7 keinen Strom mehr an die Verbraucher 2, 3 liefert. Da die Durchlassrichtung der Diode 23 aber entsprechend gewählt ist, ermöglicht diese das Aufladen der Batterie 7 mittels der von der Brennstoffzelleneinrichtung 5 oder des Antriebsaggregats 8 beim Bremsen bereitgestellten Leistung. Steigt der Ladezustand wieder auf ein vorgegebenes Niveau an, so wird der Schalter 24 geschlossen, wodurch die Versorgungseinrichtung wieder in einem Normalbetrieb übergeht, d.h. in einen Betrieb, bei dem sowohl die Brennstoffzelleneinrichtung 5 als auch die Batterie 7 zur Versorgung der Verbraucher 2, 3 verwendet werden.
In 3 ist die Abschalteinrichtung 15 im Minuspfad der Versorgungseinrichtung 1 angeordnet, so dass die Durchlassrichtung der Diode 23 entsprechend angepasst wurde. Wie sich der 3 entnehmen lässt, ist das Primärstromnetz 4 an das Sekundärstromnetz 6 hier ebenfalls wandlerlos oder spannungswandlerfrei angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung 5 weist ebenfalls einen ersten Primärstromnetzanschluss 10 und einen zweiten Primärstromnetzanschluss 11 auf. Die Batterie 7 im Sekundärstromnetz 6 weist dementsprechend einen ersten Sekundärstromnetzanschluss 12 und einen zweiten Sekundärstromnetzanschluss 13 auf. Der erste Primärstromnetzanschluss 10 ist über die Sperrdiode 14 an den ersten Sekundärstromnetz 12 angeschlossen. Eine Durchlassrichtung der Sperrdiode 14 liegt dabei ebenfalls in einer Richtung von dem Primärstromnetz 4 zu dem Sekundärstromnetz 6 vor. Der zweite Primärstromnetzanschluss 11 ist hingegen über die Abschalteinrichtung 15 mit dem zweiten Sekundärstromnetzanschluss 13 elektrisch verbunden, wobei hierbei die Durchlassrichtung der Diode 23 der Abschalteinrichtung 15 ausgehend vom zweiten Sekundärstromnetzanschluss 13 in Richtung des zweiten Primärstromnetzanschlusses 11 gerichtet ist. Die Funktionsweise dieser Versorgungseinrichtung 1 entspricht der Funktionsweise der Versorgungseinrichtung 1 gemäß 1.
In 2 ist ein Spannungs-Strom-Kennfeld gezeigt, in welchem eine Spannungs-Strom-Kennlinie 16 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 enthalten ist. Weiterhin ist die Spannungs-Strom-Kennlinie 18 dargestellt, die den Zustand der Batterie 7 mit einem hohen bzw. mit einem maximalen Ladestand angibt.
Die Spannungs-Strom-Kennlinie 19 zeigt einen niedrigen Ladestand der Batterie 7, insbesondere einen minimalen Ladestand.
Das Kennfeld umfasst einerseits einen Betriebsspannungsbereich und andererseits einen Betriebsstromstärkenbereich. Der Betriebsspannungsbereich wird von einer Minimalspannung Umin nach unten und von einer Maximalspannung Umax nach oben begrenzt. Der Betriebsstromstärkenbereich wird nach unten von einer Minimalstromstärke I_min und nach oben von einer Maximalstromstärke Imax begrenzt.
Die Kennlinie 16 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 ist vorliegend auf den Betriebsspannungsbereich und den Betriebsstromstärkenbereich der Batterie 7 abgestimmt. Dies lässt sich erreichen durch eine vorgegebene Anzahl an Batteriezellen und/oder eine vorgegebene Anzahl an Brennstoffzellen innerhalb der Brennstoffzelleneinrichtung 5. Alternativ oder ergänzend können unterschiedliche Typen an Batteriezellen eingesetzt werden, um eine entsprechende Abstimmung hervorzurufen. Insbesondere entspricht eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 höchstens der Maximalspannung U_max der Batterie 7, insbesondere entspricht sie genau der Maximalspannung U_max der Batterie 7. Umgekehrt ist die von der Brennstoffzelleneinrichtung 5 bereitgestellte Brennstoffzellenspannung über den Betriebsstromstärkenbereich hinweg stets oder meistens größer als die Minimalspannung Umin der Batterie 7.
In 2 sind zwei charakteristische Zustände dargestellt: Befindet sich nämlich die Batterie 7 im Arbeitspunkt 20, so wird die Brennstoffzelleneinrichtung 5 im Arbeitspunkt 17 betrieben und die beiden Komponenten stellen die Systemgesamtleistung bereit. Infolge einer dauerhaft hohen Leistungsanforderung fällt der Ladezustand der Batterie 7 zunehmend ab. Ist die Batterie 7 entladen, geht sie in den Arbeitspunkt 21 über. Die Brennstoffzelleneinrichtung 5 wird daraufhin im Arbeitspunkt 22 betrieben und speist die in diesem Arbeitspunkt 22 resultierende Leistung in das Bordnetz ein. Liegt nun die von den Verbrauchern 2, 3 oder die von dem Wechselrichter 9 angeforderte Leistung über diesem Leistungswert, so kann das gekoppelte System aus Brennstoffzelleneinrichtung 5 und Batterie 7 diese nicht ausgeben, da die Brennstoffzelleneinrichtung 5 durch die entladene Batterie 7 im Arbeitspunkt 22 betrieben wird, und die maximale Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 somit begrenzt ist. In diesem Falle wird die Abschalteinrichtung 15 durch Öffnen des Schalters 24 in die inaktive Konfiguration gestellt, wodurch die Batterie 7 elektrisch von der Brennstoffzelleneinrichtung 5 entkoppelt wird. Die Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 kann anschließend sogar geringer ausfallen, als die Spannung der leeren und unbelasteten Batterie 7, da die Diode 23 einen Stromfluss aus der Batterie 7 in das Traktionsnetz verhindert. In dieser Konfiguration kann also die Brennstoffzelleneinrichtung 5 weiterhin bei allen möglichen Arbeitspunkten 17, 22 auf ihrer U/I-Kennlinie betrieben werden. Steigt die Leistungsanforderung der Verbraucher 2, 3 unter die Brennstoffzellenleistung im Arbeitspunkt 17, dann liegt die resultierende Brennstoffzellen-Spannung oberhalb der leeren und unbelasteten Batteriespannung. Die Diode 23 wird somit leitend und ermöglicht das Laden der Batterie 7. Durch den steigenden Ladezustand der Batterie 7 ist wieder ein gemeinsamer Betrieb von Batterie 7 und Brennstoffzelleneinrichtung 5 möglich, so dass der Schalter 25 geschlossen werden kann und der Normalbetrieb wieder hergestellt ist.
Mit einer derartigen Ausgestaltung kann ein sehr effizienter Betrieb der Versorgungseinrichtung 1 sichergestellt werden. Entsprechendes gilt also für eine Antriebseinrichtung, die mit einer solchen Versorgungseinrichtung 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. Außerdem 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: Brennstoffzelleneinrichtung
6: Sekundärstromnetz
7: Batterie
8: Antriebsaggregat
9: Wechselrichter
10: erster Primärstromnetzanschluss
11: zweiter Primärstromnetzanschluss
12: erste Sekundärstromnetzanschluss
13: zweiter Sekundärstromnetzanschluss
14: Sperrdiode
15: Abschalteinrichtung
16: Spannungs-Strom-Kennlinie (Brennstoffzelle)
17: Arbeitspunkt (Brennstoffzelle)
18: Spannungs-Strom-Kennlinie (Batterie/Ladestand hoch).
19: Spannungs-Strom-Kennlinie (Batterie/Ladestand niedrig)
20: Arbeitspunkt (Batterie)
21: Arbeitspunkt (Brennstoffzelle)
22: Arbeitspunkt (Batterie)
23: Diode
24: Schalter

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

US 8373381 B2 [0002]

Claims

Versorgungseinrichtung (1) für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers (2, 3), mit einem Primärstromnetz (4), in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung (5) vorliegt, und mit einem spannungswandlerfrei mit dem Primärstromnetz (4) elektrisch verbundenen Sekundärstromnetz (6), in dem eine Batterie (7) vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maximalspannung (Umax) und nach unten von einer Minimalspannung (Umin) begrenzt ist, und die einen Betriebsstromstärkenbereich zur Bestromung des mindestens einen Verbrauchers (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sekundärstromnetz (6) eine Abschalteinrichtung (15) vorliegt, die ausgebildet ist, zwischen einer aktiven Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) zumindest anteilig mit elektrischer Leistung der Batterie (7) versorgt ist, und einer inaktiven Konfiguration verstellt zu werden, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) ausschließlich mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinrichtung (5) versorgt ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (15) ausgebildet ist, ein Laden der Batterie (7) zu ermöglichen, wenn sich die Abschalteinrichtung (15) in der inaktiven Konfiguration befindet.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (15) eine bezüglich der Batterie (7) in Sperrrichtung geschaltete Diode (23) sowie einen parallel zu der Diode (23) geschalteten Schaltkreis mit einem Schalter (24) umfasst.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (15) ausgebildet ist, dann zwischen der inaktiven Konfiguration und der aktiven Konfiguration verstellt zu werden, wenn die Batterie (7) die Minimalspannung (U_min) oder einen anderen vordefinierbaren oder vordefinierten Spannungswert erreicht.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der aktiven Konfiguration der Abschalteinrichtung (15) die Brennstoffzelleneinrichtung (5) eine Spannung liefert, die im Wesentlichen einer Spannung der Batterie (7) entspricht.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (24) der Abschalteinrichtung (15) als ein elektromechanischer Schalter gebildet ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (24) als ein Relais oder als ein Schütz gebildet ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (24) der Abschalteinrichtung (15) als ein Halbleiterschalter gebildet ist.
Versorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (24) als ein MOSFET oder ein IGBT oder ein Thyristor gebildet ist.
Verfahren für den Betrieb einer Versorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a. Erfassen der Spannung der Batterie (7) und Detektieren des Erreichens der Minimalspannung (U_min) der Batterie (7), b1. Überführen der Abschalteinrichtung (15) in eine inaktive Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) ausschließlich mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit (5) versorgt wird, wenn die die Spannung der Batterie (7) unter die Minimalspannung (U_min) abgesenkt wurde, oder b2. Überführen der Abschalteinrichtung (15) in eine aktive Konfiguration, in welcher der mindestens eine Verbraucher (2, 3) zumindest anteilig mit elektrischer Leistung der Batterie (7) versorgt wird, wenn die die Spannung der Batterie (7) auf oder über die Minimalspannung (Umin) angehoben wurde.