DE102019104544A1 - Operating device for vehicles and a method for operating such an operating device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Betriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, die einen ersten Gleichspannungswandler zur Energieübertragung von einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges auf eine Batterie des Fahrzeuges, wobei die Brennstoffzelle in elektrisch leitender Verbindung mit der Batterie steht und dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, die Batterie zu laden und mindestens einen weiteren Spannungswandler, zum Umwandeln einer Gleichspannung der Batterie in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau, bevorzugt zum Betreiben von weiterer Fahrzeugelektronik, oder zum Umwandeln der Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung, bevorzugt zum Betreiben eines Kompressors für die Brennstoffzelle und/oder eines Elektromotors, umfasst, die gekennzeichnet ist durch ein einstückiges Gehäuse, umfassend eine Kühlplatte und mindestens ein Begrenzungselement, wobei innerhalb des Gehäuses sowohl der erste Gleichspannungswandler als auch der mindestens eine weitere Spannungswandler gemeinsam angeordnet sind, und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ausgebildet sind.The invention describes an operating device for a vehicle which has a first DC / DC converter for transferring energy from a fuel cell of the vehicle to a battery of the vehicle, the fuel cell being in electrically conductive connection with the battery and being set up and provided to charge the battery and at least one further voltage converter, for converting a direct voltage of the battery into a direct voltage with a lower voltage level, preferably for operating further vehicle electronics, or for converting the direct voltage of the battery into an alternating voltage, preferably for operating a compressor for the fuel cell and / or an electric motor, which is characterized by a one-piece housing comprising a cooling plate and at least one limiting element, wherein both the first DC voltage converter and the at least one further voltage converter are common within the housing are arranged on, and are designed to be electrically insulated from the housing.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits eine Betriebsvorrichtung für eine Fahrzeugelektronik eines Fahrzeuges andererseits ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Betreiben einer Fahrzeugelektronik eines Fahrzeugs.The invention relates on the one hand to an operating device for vehicle electronics of a vehicle and on the other hand to a method for operating a device for operating vehicle electronics of a vehicle.

Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge mit Elektromotoren bekannt, bei denen die elektrische Energie zum Betreiben der Elektromotoren durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Dabei findet in der Brennstoffzelle eine Oxidation eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, bevorzugt Wasserstoff, Methan oder Methanol, mit Hilfe eines Oxidationsmittels, meist Sauerstoff entweder in reiner Form oder aus der Luft, statt, wobei eine Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Somit können durch die Brennstoffzelle im Betrieb abhängig vom Brennstoff, von einer jeweiligen Zellzusammensetzung und von der Temperatur, Spannungen in einem Bereich zwischen ca. 0,5 und 1,0 V erreicht werden. Um eine höhere Spannung zu gewährleisten, werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Stapel (Stack) in Serie geschaltet.Vehicles with electric motors are known from the prior art, in which the electrical energy for operating the electric motors is generated by a fuel cell. A continuously supplied fuel, preferably hydrogen, methane or methanol, is oxidized in the fuel cell with the aid of an oxidizing agent, mostly oxygen either in pure form or from the air, with reaction energy being converted into electrical energy. Thus, depending on the fuel, on a particular cell composition and on the temperature, the fuel cell can achieve voltages in a range between approx. 0.5 and 1.0 V during operation. To ensure a higher voltage, a large number of fuel cells are connected in series to form a stack.

Neben der Brennstoffzelle umfassen die Fahrzeuge ebenfalls eine Batterie, in der durch die Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden kann. Um die elektrische Energie auf die Batterie übertragen zu können, muss das Spannungsniveau der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle an das Spannungsniveau der Eingangsspannung der Batterie angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt in bekannterweise über Spannungswandler, wobei man im Allgemeinen zwischen Gleichspannungswandler (DC DC Converter) und Umrichter (AC DC Converter) unterscheidet. Da die Brennstoffzelle und die Batterie auf Gleichspannung basieren, werden hierfür Gleichspannungswandler eingesetzt. Eine Eingangsspannung des Spannungswandlers kann entweder in eine höhere Ausgangsspannung mittels eines Aufwärtswandlers (Boost Converter) oder in eine niedrigere Ausgangsspannung mittels eines Abwärtswandlers (Buck Converter) umgewandelt werden. Eine Kombination aus beiden Wandler-Typen, ein Ab-Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter), ermöglicht die Ausgabe einer niedrigeren sowie höheren Ausgangsspannung im Vergleich zur Eingangsspannung des Spannungswandlers.In addition to the fuel cell, the vehicles also include a battery in which electrical energy generated by the fuel cell can be temporarily stored. In order to be able to transfer the electrical energy to the battery, the voltage level of the output voltage of the fuel cell must be adapted to the voltage level of the input voltage of the battery. As is well known, this adaptation takes place via voltage converters, whereby a general distinction is made between direct voltage converters (DC DC converters) and converters (AC DC converters). Since the fuel cell and the battery are based on DC voltage, DC voltage converters are used for this. An input voltage of the voltage converter can either be converted into a higher output voltage by means of an up-converter (boost converter) or into a lower output voltage by means of a down-converter (buck converter). A combination of both converter types, a buck-boost converter, enables the output of a lower as well as higher output voltage compared to the input voltage of the voltage converter.

Zusätzlich zu dem Gleichspannungswandler zwischen Brennstoffzelle und Batterie werden im Fahrzeug weitere Spannungswandler angeordnet. Zur Umwandlung der Gleichspannung in Wechselspannung durch einen Umrichter, beispielsweise zum Betreiben eines Kompressors, der die Versorgung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff für die Zellreaktion gewährleistet. Außerdem kommen weitere Gleichspannungswandler in Form von Abwärtswandlern zwischen der Batterie und einer weiteren Fahrzeugelektronik zum Einsatz, welche eine niedrigere Spannung zum Betrieb der weiteren Fahrzeugelektronik liefern.In addition to the DC voltage converter between the fuel cell and the battery, further voltage converters are arranged in the vehicle. For converting the direct voltage into alternating voltage by a converter, for example to operate a compressor, which ensures the supply of the fuel cell with oxygen for the cell reaction. In addition, further DC voltage converters in the form of step-down converters are used between the battery and further vehicle electronics, which supply a lower voltage for operating the further vehicle electronics.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt, die eine Überwachung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellenstapels zum Erkennen von kritischen Zuständen ermöglichen, um erforderliche Gegenmaßnahmen zum Schutz des Brennstoffzellenstapels veranlassen zu können. Ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes eines Brennstoffzellenstapels wird in EP 1 646 101 A2 beschrieben. Dabei wird dem Brennstoffzellenstapel ein niederfrequentes Strom- oder Spannungssignal eingeprägt. Ein sich ergebendes Spannungs- oder Stromsignal wird gemessen und aus zumindest einer Änderung des Oberwellenanteils des Signals auf den Betriebszustand von Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels geschlossen.Furthermore, devices and methods are known from the prior art which enable monitoring of an operating state of a fuel cell stack in order to identify critical states in order to be able to initiate necessary countermeasures to protect the fuel cell stack. A method for monitoring the operating state of a fuel cell stack is disclosed in EP 1 646 101 A2 described. A low-frequency current or voltage signal is impressed on the fuel cell stack. A resulting voltage or current signal is measured and the operating state of individual cells in the fuel cell stack is deduced from at least one change in the harmonic component of the signal.

Die genannten Spannungswandler sowie die Vorrichtung zur Analyse des Betriebszustandes der Brennstoffzelle sind üblicherweise an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug separat angeordnet und sind folglich räumlich voneinander getrennt. Somit muss jede dieser elektronischen Komponenten separat gekühlt werden und durch eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen miteinander verbunden werden. Dies hat den Nachteil, dass Kühlelemente und elektrische Verbindungen in vielfacher Ausführung und hohem Platzbedarf im Fahrzeug verbaut werden müssen und daraus deutliche Mehrkosten sowie ein erhöhter Zeitaufwand beim Zusammenbau resultieren.The voltage converters mentioned and the device for analyzing the operating state of the fuel cell are usually arranged separately at different points in the vehicle and are consequently spatially separated from one another. Thus, each of these electronic components has to be cooled separately and connected to one another by a large number of electrical connections. This has the disadvantage that cooling elements and electrical connections have to be installed in multiple designs and require a large amount of space in the vehicle, which results in significant additional costs and an increased expenditure of time during assembly.

Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung bereitzustellen, mittels welcher die genannten elektronischen Komponenten so im Fahrzeug angeordnet werden sollen, um eine gemeinsame Kühlung mit einem geringeren Platzbedarf gewährleisten zu können und darüber hinaus eine Anzahl an Komponenten für den Zusammenbau der Vorrichtung sowie eine Anzahl an benötigten elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten zu reduzieren. Dies ermöglicht einen schnelleren und einfacheren Zusammenbau sowie einfachere Anordnung der Vorrichtung im Fahrzeug.It is therefore the object of the present invention to provide a device and a method for operating such a device, by means of which the said electronic components are to be arranged in the vehicle in order to be able to ensure common cooling with a smaller space requirement and moreover a number to reduce components for assembling the device and a number of electrical connections required between the individual components. This enables faster and easier assembly and simpler arrangement of the device in the vehicle.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung gemäß Anspruches 1 und des erfindungsgemäßen Verfahrens des Anspruches 14.This object is achieved by the operating device according to the invention according to claim 1 and the method according to the invention of claim 14.

Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Betriebsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, die einen ersten Gleichspannungswandler zur Energieübertragung von einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges auf eine Batterie des Fahrzeuges, wobei die Brennstoffzelle in elektrisch leitender Verbindung mit der Batterie steht und dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, die Batterie zu laden und mindestens einen weiteren Spannungswandler, zum Umwandeln einer Gleichspannung der Batterie in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau, bevorzugt zum Betreiben von weiterer Fahrzeugelektronik, oder zum Umwandeln der Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung, bevorzugt zum Betreiben eines Kompressors für die Brennstoffzelle und/oder eines Elektromotors, umfasst, gekennzeichnet durch ein einstückiges Gehäuse, umfassend eine Kühlplatte und mindestens ein Begrenzungselement, wobei innerhalb des Gehäuses sowohl der erste Gleichspannungswandler als auch der mindestens eine weitere Spannungswandler gemeinsam angeordnet sind, und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ausgebildet sind.The core idea of the invention is to provide an operating device for a vehicle that has a first DC voltage converter Energy transfer from a fuel cell of the vehicle to a battery of the vehicle, wherein the fuel cell is in electrically conductive connection with the battery and is set up and provided for charging the battery and at least one further voltage converter for converting a DC voltage of the battery into a DC voltage with a lower voltage level, preferably for operating additional vehicle electronics, or for converting the DC voltage of the battery into an AC voltage, preferably for operating a compressor for the fuel cell and / or an electric motor, characterized by a one-piece housing comprising a cooling plate and at least one Limiting element, wherein both the first DC voltage converter and the at least one further voltage converter are arranged jointly within the housing and are designed to be electrically insulated from the housing.

Unter Gehäuse sind hierbei die Kühlplatte zusammen mit dem mindestens einen Begrenzungselement zu verstehen, wobei die Kühlplatte und das Begrenzungselement miteinander in Kontakt stehend angeordnet sind. Unter einstückigem Gehäuse wird hiernach eine dauerhafte und feste Verbindung zwischen der Kühlplatte und dem Begrenzungselement verstanden, wobei die dauerhafte und feste Verbindung beispielsweise durch Verkleben mit einem Klebstoff, Verschweißen, Verschrauben über entsprechende Bohrungen und/oder Bolzen denkbar ist. Unter einer Anordnung innerhalb des Gehäuses wird hiernach im Wesentlichen eine Anordnung auf und/oder an der Kühlplatte, innerhalb des Begrenzungselements verstanden, wobei innerhalb des Begrenzungselements eine Anordnung in einem Raum zwischen Seitenwänden des Begrenzungselements, der durch die Seitenwände begrenzt wird, gemeint ist.The housing here is to be understood as the cooling plate together with the at least one delimitation element, the cooling plate and the delimitation element being arranged in contact with one another. A one-piece housing is understood hereinafter to be a permanent and firm connection between the cooling plate and the delimitation element, the permanent and firm connection being conceivable, for example, by gluing with an adhesive, welding, screwing via corresponding bores and / or bolts. An arrangement within the housing is hereinafter essentially understood to mean an arrangement on and / or on the cooling plate, within the delimiting element, an arrangement in a space between side walls of the delimiting element which is delimited by the side walls being meant within the delimiting element.

Die Kühlplatte ist aus einem gut wärmeleitenden Material, welches beispielsweise ein Metall wie Aluminium umfassen kann, und ist bevorzugt einstückig, beispielsweise aus einem Gussteil, hergestellt. Das Begrenzungselement besteht bevorzugt aus einem hitzebeständigen und isolierenden Material, beispielsweise aus einem zu diesem Zweck üblicherweise verwendeten Kunststoff. Das Begrenzungselement ist hierbei bevorzugt ebenfalls einstückig ausgeführt und bevorzugt mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt.The cooling plate is made of a material that conducts heat well, which for example can comprise a metal such as aluminum, and is preferably made in one piece, for example from a cast part. The delimiting element is preferably made of a heat-resistant and insulating material, for example a plastic that is usually used for this purpose. The delimitation element is preferably also made in one piece and is preferably produced by means of an injection molding process.

Unter weiterer Fahrzeugelektronik sind hierbei beispielsweise eine Außen- oder Innenbeleuchtung, Anzeigeeinrichtungen wie digitale Tachometer oder Bildschirme, Navigationssysteme, Kameras oder Sensoren, die im und/oder am Fahrzeug angeordnet sind. Die Fahrzeugelektronik soll nicht auf diese Beispiele beschränkt sein.Further vehicle electronics include, for example, exterior or interior lighting, display devices such as digital speedometers or screens, navigation systems, cameras or sensors that are arranged in and / or on the vehicle. Vehicle electronics are not intended to be limited to these examples.

Es kann also mittels des Gehäuses eine gemeinsame Anordnung verschiedener elektronischer Komponenten innerhalb eines Gehäuses erfolgen. Somit befinden sich die einzelnen Komponenten in räumlicher Nähe innerhalb des Fahrzeuges und es ist keine aufwendige elektrische Verbindung der einzelnen Komponenten über große Abstände nötig. Außerdem sind die Komponenten innerhalb des Gehäuses vor mechanischer Beschädigung geschützt. Die gemeinsame Kühlplatte gewährleistet eine Kühlung von Komponenten innerhalb des Gehäuses und von Komponenten am Gehäuse.A common arrangement of various electronic components within a housing can therefore take place by means of the housing. Thus, the individual components are in close proximity within the vehicle and there is no need for a complex electrical connection between the individual components over large distances. In addition, the components within the housing are protected from mechanical damage. The common cooling plate ensures cooling of components within the housing and of components on the housing.

Bevorzugt weist die Kühlplatte eine erste Fläche auf, welche einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche des Gehäuses entspricht und das mindestens eine Begrenzungselement ist auf der Grundfläche angeordnet. Beispielsweise entspricht die erste Fläche der Kühlplatte einer der beiden großen Flächen der im Wesentlichen rechteckigen Kühlplatte bzw. Grundfläche bezogen auf den Flächeninhalt. Dies gewährleistet vorteilhaft eine große Kühlfläche.The cooling plate preferably has a first area which corresponds to a substantially rectangular base area of the housing and the at least one delimiting element is arranged on the base area. For example, the first area of the cooling plate corresponds to one of the two large areas of the essentially rectangular cooling plate or base area in relation to the surface area. This advantageously ensures a large cooling surface.

Ferner ist es bevorzugt, dass ein weiteres Begrenzungselement auf einer zweiten Fläche der Kühlplatte angeordnet ist, wobei die zweite Fläche und die erste Fläche der Kühlplatte parallel zueinander und gegenüberliegend ausgebildet sind. Durch die Ausgestaltung ist eine große Fläche zur Anordnung von Komponenten gewährleistet. Ebenso ist eine große Kühlfläche gegeben.Furthermore, it is preferred that a further delimiting element is arranged on a second surface of the cooling plate, the second surface and the first surface of the cooling plate being parallel to one another and opposite one another. The design ensures a large area for the arrangement of components. There is also a large cooling surface.

Die Begrenzungselemente gewährleisten einen mechanischen Schutz der Komponenten, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Weiterhin können die Begrenzungselemente zur Befestigung weiterer Elemente vorgesehen sein.The delimitation elements ensure mechanical protection of the components that are arranged within the housing. Furthermore, the delimitation elements can be provided for fastening further elements.

Besonders bevorzugt sind der erste Gleichspannungswandler auf einer ersten Leiterplatte und der mindestens eine weitere Spannungswandler auf einer zweiten Leiterplatte innerhalb des gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Damit ist ein einfacher Austausch beispielsweise von defekten Komponenten möglich. Darüber hinaus können weitere Komponenten schnell und unkompliziert innerhalb des Gehäuses angeordnet werden, wobei neue Funktionalitäten innerhalb des Gehäuses untergebracht werden können. Bevorzugt verfügt jede Leiterplatte über separate elektrische Verbindungen, beispielsweise um separat von einer Steuereinheit angesteuert werden zu können.The first DC voltage converter is particularly preferably arranged on a first circuit board and the at least one further voltage converter is arranged on a second circuit board within the common housing. This makes it easy to replace defective components, for example. In addition, further components can be arranged quickly and easily within the housing, with new functionalities being able to be accommodated within the housing. Each printed circuit board preferably has separate electrical connections, for example in order to be able to be controlled separately by a control unit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn der erste Gleichspannungswandler und der mindestens eine weitere Spannungswandler auf der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche der Kühlplatte angeordnet sind, wobei durch die Kühlplatte der erste Gleichspannungswandler und der mindestens eine weitere Spannungswandler gekühlt sind. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine besonders vorteilhafte gemeinsame Kühlung der Komponenten mit einem Kühlelement.According to a preferred embodiment, it is advantageous if the first DC voltage converter and the at least one further voltage converter are arranged on the first surface and / or the second surface of the cooling plate, the first DC voltage converter and the at least one further being through the cooling plate Voltage transformers are cooled. This arrangement results in a particularly advantageous common cooling of the components with a cooling element.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Kühlplatte einen ersten Einlass und einen ersten Auslass zum Ein- oder Ausleiten eines flüssigen Kühlmediums und einen mit dem ersten Einlass und dem ersten Auslass verbundenen Kühlraum zum Durchfließen mit dem Kühlmedium aufweist, wobei der erste Einlass und der erste Auslass an einer Fläche der Kühlplatte angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Fläche der Kühlplatte verläuft. Unter einem flüssigen Kühlmedium kann beispielsweise entionisiertes Wasser, ein Öl oder ein Alkohol verstanden werden, ist jedoch nicht auf diese Beispiele begrenzt. Durch die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels ist ein Abtransport von erzeugter Wärme besonders vorteilhaft gewährleistet. Das über eines der Ventile kalt eingeleitete Kühlmedium durchfließt die Kühlplatte, nimmt dabei entstandene Abwärme der Komponenten auf und wird über das andere Ventil wieder abgeleitet. Der Kühlraum ist bevorzugt in Form eines Kanals und/oder Mikrokanals ausgebildet. It is also advantageous if the cooling plate has a first inlet and a first outlet for introducing or discharging a liquid cooling medium and a cooling space connected to the first inlet and the first outlet for the cooling medium to flow through, the first inlet and the first outlet are arranged on a surface of the cooling plate which is perpendicular to the first surface of the cooling plate. A liquid cooling medium can be understood to mean, for example, deionized water, an oil or an alcohol, but is not limited to these examples. The use of a liquid coolant ensures that the heat generated is transported away in a particularly advantageous manner. The cold cooling medium introduced via one of the valves flows through the cooling plate, absorbs the waste heat generated by the components and is discharged again via the other valve. The cooling space is preferably designed in the form of a channel and / or microchannel.

Weiter bevorzugt gewährleistet der Kühlraum eine Kühlung im Wesentlichen der gesamten Fläche der Kühlplatte.More preferably, the cooling space ensures cooling of essentially the entire surface of the cooling plate.

Es ist ebenfalls möglich, dass der erste Gleichspannungswandler ein Mehrphasen-Gleichspannungswandler ist, wobei der Mehrphasen-Gleichspannungswandler mindestens zwei parallelgeschaltete Phasenmodule aufweist. Einzelne Phasen des Gleichspannungswandlers weisen jeweils bevorzugt einen Schalter und eine Induktivität auf. Die Verwendung eines Mehrphasen-Gleichspannungswandlers gewährleistet insbesondere eine Erhöhung der Stromlieferfähigkeit und einen lückenlosen Stromfluss. Die einzelnen Phasen werden besonders vorteilhaft phasenverschoben betrieben. Weiterhin wird durch die Verwendung des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers eine Restwelligkeit (Ripple) vermindert.It is also possible for the first DC voltage converter to be a polyphase DC voltage converter, the polyphase DC voltage converter having at least two phase modules connected in parallel. Individual phases of the DC voltage converter each preferably have a switch and an inductance. The use of a multiphase DC voltage converter ensures, in particular, an increase in the current delivery capacity and a seamless current flow. The individual phases are operated out of phase in a particularly advantageous manner. Furthermore, the use of the multiphase DC voltage converter reduces residual ripple (ripple).

Außerdem hat es sich bewährt, wenn jedes Phasenmodul auf einer separaten Leiterplatte innerhalb des gemeinsamen Gehäuses angeordnet ist. Durch diese Anordnung lassen sich zusätzliche Phasen des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers einfach innerhalb des Gehäuses anordnen. Auf diese Weise kann die Leistung des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers an die benötigte Leistung angepasst werden, ohne den gesamten Gleichspannungswandler austauschen zu müssen.It has also proven useful if each phase module is arranged on a separate circuit board within the common housing. This arrangement allows additional phases of the multiphase DC / DC converter to be arranged easily within the housing. In this way, the output of the multiphase DC voltage converter can be adapted to the required output without having to replace the entire DC voltage converter.

Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Leiterplatten innerhalb des gemeinsamen Gehäuses auf der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche der Kühlplatte nebeneinander angeordnet sind. Dabei gewährleistet die Anordnung eine besonders vorteilhafte Kühlung der einzelnen Komponenten auf den Leiterplatten, die in direktem Kontakt mit der Kühlplatte stehen. Weiterhin wird die zur Verfügung stehende Fläche auf der Kühlplatte vorteilhaft ausgenutzt.It has been shown to be particularly advantageous if the circuit boards are arranged next to one another within the common housing on the first surface and / or the second surface of the cooling plate. The arrangement ensures particularly advantageous cooling of the individual components on the circuit boards that are in direct contact with the cooling plate. Furthermore, the available area on the cooling plate is used to advantage.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn eine weitere Leiterplatte, umfassend mindestens eine erste Steuereinheit zum Ansteuern der elektronischen Komponenten, welche innerhalb des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind, vorgesehen ist, wobei die weitere Leiterplatte an oder bei Flächen der Befestigungselemente angeordnet ist, die senkrecht zur ersten Fläche der Kühlplatte verlaufen. Die Anordnung an oder bei der Kühlplatte sorgt dafür, dass die weitere Leiterplatte bevorzugt durch die Kühlplatte kühlbar ist und alternativ bevorzugt lediglich wenige und/oder kurze elektrische Verbindungen zu den jeweiligen zu steuernden Komponenten innerhalb des Gehäuses nötig sind.According to a further preferred embodiment, it is advantageous if a further circuit board, comprising at least one first control unit for controlling the electronic components which are arranged within the common housing, is provided, the further circuit board being arranged on or near surfaces of the fastening elements which run perpendicular to the first surface of the cooling plate. The arrangement on or near the cooling plate ensures that the further printed circuit board can preferably be cooled by the cooling plate and, alternatively, only a few and / or short electrical connections to the respective components to be controlled within the housing are required.

Die mindestens eine erste Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet und dafür vorgesehen sein, die Komponenten innerhalb des Gehäuses zu steuern, wie den ersten Gleichspannungswandler, die Analyseeinrichtung und/oder die weiteren Spannungswandler zu steuern. Eine Umschaltfrequenz pro Phase beträgt vorteilhaft bis zu 150 kHz. Ferner kann die Steuereinheit eine Kommunikation mit weiterer Fahrzeugelektronik außerhalb des Gehäuses gewährleisten, beispielsweise mittels einer CAN-BUS-Verbindung.The at least one first control unit can for example be set up and provided to control the components within the housing, such as to control the first DC voltage converter, the analysis device and / or the further voltage converters. A switching frequency per phase is advantageously up to 150 kHz. Furthermore, the control unit can ensure communication with other vehicle electronics outside the housing, for example by means of a CAN-BUS connection.

In vorteilhafter Weise ist ebenfalls denkbar, dass mindestens eine zweite Steuereinheit vorgesehen ist, die beispielsweise auf der weiteren Leiterplatte angeordnet ist. Die mindestens zweite Steuereinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein An- und/oder Ausschalten einzelner Phasen eines Mehrphasen-Gleichspannungswandlers zu steuern, wenn der erste Gleichspannungswandler als Mehrphasengleichspannungswandler ausgebildet ist.It is also advantageously conceivable that at least one second control unit is provided, which is arranged, for example, on the further printed circuit board. The at least second control unit is preferably designed to control switching on and / or off individual phases of a polyphase DC voltage converter if the first DC voltage converter is designed as a polyphase DC voltage converter.

Weiterhin ist bevorzugt, dass der erste Gleichspannungswandler als ein Abwärts-Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) oder als ein Aufwärtswandler (Boost Converter) ausgebildet ist. Damit ist die Betriebsvorrichtung je nach Spannungsniveau der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in der Lage, diese an die jeweilige Eingangsspannung der Batterie anzupassen.It is also preferred that the first DC / DC converter is designed as a buck-boost converter or as a boost converter. Thus, depending on the voltage level of the output voltage of the fuel cell, the operating device is able to adapt it to the respective input voltage of the battery.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn der mindestens eine weitere Spannungswandler mindestens eines ist, ausgewählt aus einer Gruppe, die Gleichspannungswandler und Umrichter umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei einem weiteren Gleichspannungswandler um einen 12V und/oder 24V-Gleichspannungswandler, der eine Ausgangsspannung mit niedrigerem Spannungsniveau zum Betreiben von einer obengenannten Fahrzeugelektronik liefert. Ein Umrichter gewährleistet die Umwandlung der Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung, welche bevorzugt ein Betreiben eines Kompressors, der die Brennstoffzelle mit Sauerstoff versorgt, und/oder eines Elektromotors, beispielsweise eines Antriebsmotors, ermöglicht.It is also advantageous if the at least one further voltage converter is at least one selected from a group comprising DC voltage converters and converters. Another DC / DC converter is preferably a 12V and / or 24V DC voltage converter which supplies an output voltage with a lower voltage level for operating the above-mentioned vehicle electronics. A converter ensures the conversion of the direct voltage of the battery into an alternating voltage, which preferably enables a compressor, which supplies the fuel cell with oxygen, and / or an electric motor, for example a drive motor, to be operated.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Analyseeinrichtung zum Erkennen eines Betriebszustandes der Brennstoffzelle innerhalb und/oder an dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Analyseeinrichtung kann bevorzugt auf einer dritten Leiterplatte innerhalb des Gehäuses und/oder auf der weiteren Leiterplatte an dem Gehäuse angeordnet sein. Die Analyseeinrichtung überwacht den Zustand des Brennstoffzellenstapels, bevorzugt mittels des oben genannten THDA(total harmonic distortion analysis)-Messverfahrens. Besonders bevorzugt ist eine Einprägung eines niederfrequenten Strom- oder Spannungssignals in einen Brennstoffzellenstapel und eine Messung eines sich ergebenden Spannungs- oder Stromsignals mittels der mindestens ersten Steuereinheit durchführbar. Aus zumindest einer Änderung des Oberwellenanteils des Signals kann auf den Betriebszustand von Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels geschlossen werden. Ist eine mindestens zweite Steuereinheit zum Steuern der einzelnen Phasen des ersten Gleichspannungswandlers, welcher als Mehrphasengleichspannungswandler ausgebildet ist, vorhanden, kann vorteilhaft die Einprägung des niederfrequenten Strom- oder Spannungssignals in den Brennstoffzellenstapel mittels der mindestens zweiten Steuereinheit erfolgen.An analysis device for recognizing an operating state of the fuel cell is also advantageously arranged inside and / or on the common housing. The analysis device can preferably be arranged on a third circuit board within the housing and / or on the further circuit board on the housing. The analysis device monitors the state of the fuel cell stack, preferably by means of the above-mentioned THDA (total harmonic distortion analysis) measurement method. It is particularly preferable for a low-frequency current or voltage signal to be impressed in a fuel cell stack and for a resulting voltage or current signal to be measured by means of the at least first control unit. From at least one change in the harmonic component of the signal, conclusions can be drawn about the operating state of individual cells in the fuel cell stack. If there is at least a second control unit for controlling the individual phases of the first DC voltage converter, which is designed as a multiphase DC voltage converter, the low-frequency current or voltage signal can advantageously be impressed into the fuel cell stack by means of the at least second control unit.

Weiterhin ist es denkbar, dass eine Isolationsüberwachungseinrichtung innerhalb und/oder am Gehäuse, beispielsweise auf der weiteren Leiterplatte, vorgesehen ist. Die Isolationsüberwachungseinrichtung ist bevorzugt durch die mindestens erste Steuereinheit steuerbar und dazu eingerichtet und dafür vorgesehen, eine Bestimmung eines Isolationszustandes zu gewährleisten. Während der Bestimmung des Isolationszustandes muss die Brennstoffzelle und die Betriebsvorrichtung elektrisch voneinander isolierbar sein.Furthermore, it is conceivable that an insulation monitoring device is provided inside and / or on the housing, for example on the further printed circuit board. The insulation monitoring device is preferably controllable by the at least first control unit and is set up and provided to ensure a determination of an insulation state. During the determination of the insulation state, the fuel cell and the operating device must be electrically isolatable from one another.

Ein weiterer Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Betriebsvorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, umfassend folgende Verfahrensschritte:

  1. a. Übertragen einer elektrischen Energie von einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges auf eine Batterie des Fahrzeuges zum Laden der Batterie durch einen ersten Gleichspannungswandler, welcher die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle an die Eingangsspannung der Batterie anpasst;
  2. b. Übertragen einer in der Batterie gespeicherten Energie auf eine Fahrzeugelektronik, einen Kompressor für die Brennstoffzelle und/oder einen Elektromotor durch mindestens einen weiteren Spannungswandler, welcher eine Gleichspannung der Batterie in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau umwandelt oder die Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung umwandelt;
wobei ein einstückiges Gehäuse, umfassend eine Kühlplatte und mindestens ein Begrenzungselement, wobei innerhalb des Gehäuses sowohl der erste Gleichspannungswandler als auch der mindestens eine weitere Spannungswandler gemeinsam angeordnet sind, und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ausgebildet sind.Another key concept of the present invention is to provide a method for operating an operating device for a vehicle, comprising the following method steps:
  1. a. Transferring electrical energy from a fuel cell of the vehicle to a battery of the vehicle for charging the battery through a first DC voltage converter, which adapts the output voltage of the fuel cell to the input voltage of the battery;
  2. b. Transferring energy stored in the battery to vehicle electronics, a compressor for the fuel cell and / or an electric motor by at least one further voltage converter, which converts a DC voltage of the battery into a DC voltage with a lower voltage level or converts the DC voltage of the battery into an AC voltage;
wherein a one-piece housing, comprising a cooling plate and at least one delimiting element, wherein both the first DC voltage converter and the at least one further voltage converter are arranged together within the housing and are designed to be electrically insulated from the housing.

Ein Erkennen eines Betriebszustandes der Brennstoffzelle mittels Einprägung eines niederfrequenten Strom- oder Spannungssignals in einen Brennstoffzellenstapel und eine Messung eines sich ergebenden Spannungs- oder Stromsignals durch eine Analyseeinrichtung kann vor oder nach jedem der genannten Verfahrensschritte mittels des THDA-Messverfahrens erfolgen.A detection of an operating state of the fuel cell by means of impressing a low-frequency current or voltage signal in a fuel cell stack and a measurement of a resulting voltage or current signal by an analysis device can take place before or after each of the process steps mentioned by means of the THDA measurement method.

Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden von der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:

  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Betriebsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Betriebsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus 1;
  • 3 schematische Darstellung einer Betriebsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Further objects, advantages and expediencies of the present invention can be inferred from the following description in conjunction with the drawing. Here show:
  • 1 a perspective view of an operating device according to a preferred embodiment;
  • 2 a cross-sectional view of the operating device according to a preferred embodiment 1 ;
  • 3 schematic representation of an operating device according to a preferred embodiment.

Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung 1 für ein Fahrzeug in einer perspektivischen Ansicht. Die Betriebsvorrichtung 1 umfasst vorliegend ein Gehäuse 2, welches eine Kühlplatte 3 und ein erstes Begrenzungselement 4a und ein zweites Begrenzungselement 4b aufweist, einen ersten Gleichspannungswandler 6, welcher als 8-Phasen-Gleichspannungswandler ausgebildet ist und acht Phasenmodule 6a-6h aufweist, einen Umrichter 7a und einen zweiten Gleichspannungswandler 7b (hier nicht gezeigt). Die Betriebsvorrichtung weist eine Längsrichtung L, eine Breitenrichtung B und eine Höhenrichtung H auf.The 1 shows a preferred embodiment of the operating device according to the invention 1 for a vehicle in a perspective view. The operating device 1 in the present case comprises a housing 2 , which is a cold plate 3 and a first delimitation element 4a and a second delimitation element 4b having a first DC voltage converter 6th , which is designed as an 8-phase DC voltage converter and eight phase modules 6a-6h has a converter 7a and a second DC / DC converter 7b (not shown here). The operating device has a longitudinal direction L. , a width direction B. and an altitude direction H on.

Die Kühlplatte 3 umfasst eine erste Fläche 5a und eine zweite Fläche 5b, wobei die erste 5a und die zweite Fläche 5b parallel zueinander und gegenüberliegend ausgebildet sind. Die erste 5a und zweite Fläche 5b stellen jeweils eine Grundfläche des Gehäuses 2 dar. Ferner umfasst die Kühlplatte 3 eine erste und eine zweite Längsfläche 10a, 10b und eine erste und zweite Breitenfläche 11a, 11b, wobei die erste und zweite Längsfläche 10a, 10b parallel zueinander angeordnet und die erste und zweite Breitenfläche 11a, 11b parallel zueinander angeordnet sind. Die erste und zweite Längsfläche 10a, 10b und die erste und zweite Breitenfläche 11a, 11b verlaufen jeweils senkrecht zueinander. Außerdem verlaufen die erste und zweite Längsfläche 10a, 10b und die erste und zweite Breitenfläche 11a, 11b senkrecht zu der ersten Fläche 5a und zu der zweiten Fläche 5b. Die Kühlplatte 3 ist in gemäß der bevorzugten Ausführungsform rechteckig bzw. quaderförmig ausgebildet, jedoch ist die Kühlplatte 3 nicht auf diese Form beschränkt. Weiterhin ist denkbar, dass die Kühlplatte 3 in einer quadratischen Form ausgebildet ist. Eckenabschnitte 29 der Kühlplatte und Eckenabschnitte 30a, 30b der Begrenzungselemente 4a, 4b sind bevorzugt in einer abgerundeten Form ausgebildet.The cooling plate 3 includes a first area 5a and a second face 5b , with the first 5a and the second face 5b are formed parallel to one another and opposite one another. The first 5a and second surface 5b each represent a base area of the housing 2 represents. Also includes the cooling plate 3 a first and a second longitudinal surface 10a , 10b and first and second widths 11a , 11b , wherein the first and second longitudinal surfaces 10a , 10b arranged parallel to each other and the first and second width surfaces 11a , 11b are arranged parallel to each other. The first and second longitudinal surface 10a , 10b and the first and second widths 11a , 11b run perpendicular to each other. The first and second longitudinal surfaces also run 10a , 10b and the first and second widths 11a , 11b perpendicular to the first face 5a and to the second surface 5b . The cooling plate 3 is rectangular or cuboid in accordance with the preferred embodiment, but the cooling plate is 3 not limited to this form. It is also conceivable that the cooling plate 3 is formed in a square shape. Corner sections 29 the cooling plate and corner sections 30a , 30b the limiting elements 4a , 4b are preferably designed in a rounded shape.

Das erste Begrenzungselement 4a ist an der ersten Fläche 5a der Kühlplatte 3 angebracht. Die bevorzugte Ausführungsform umfasst außerdem ein zweites Begrenzungselement 4b, welches an der zweiten Fläche 5b der Kühlplatte 3 angeordnet ist. Es ist ebenfalls denkbar, dass nur ein erstes Begrenzungselement 4a an der ersten Fläche 5a oder der zweiten Fläche 5b angeordnet ist. Das erste Begrenzungselement 4a umfasst eine erste lange Seitenwand 13a, eine parallel dazu verlaufende zweite lange Seitenwand 13a', wobei die erste lange Seitenwand 13a und die zweite lange Seitenwand 13a' jeweils eine Innenfläche 14a, 14a' und eine Außenfläche 15a, 15a' aufweisen. Ferner umfasst das erste Begrenzungselement 4a eine erste kurze Seitenwand 16a und eine parallel dazu verlaufende zweite kurze Seitenwand 16a'. Die erste kurze Seitenwand 16a sowie die zweite kurze Seitenwand 16a' weisen jeweils eine Innenfläche 17a, 17a' und eine Außenfläche 18a, 18a' auf. Die erste lange 13a und die zweite lange Seitenwand 13a' erstrecken sich jeweils senkrecht zur ersten kurzen 16a und zweiten kurzen Seitenwand 16a'. Das zweite Begrenzungselement 4b weist, analog zum ersten Begrenzungselement 4a, eine erste lange Seitenwand 13b, eine zweite lange Seitenwand 13b', welche jeweils eine Innenfläche 14b, 14b' und eine Außenfläche 15b, 15b' aufweisen, und eine erste kurze Seitenwand 16b sowie eine zweite kurze Seitenwand 16b', welche ebenfalls jeweils eine Innenfläche 17b, 17b' und eine Außenfläche 18b, 18b' aufweisen.The first boundary element 4a is on the first face 5a the cooling plate 3 appropriate. The preferred embodiment also includes a second delimitation element 4b which on the second surface 5b the cooling plate 3 is arranged. It is also conceivable that only a first delimitation element 4a on the first face 5a or the second surface 5b is arranged. The first boundary element 4a includes a first long side wall 13a , a second long side wall running parallel to it 13a ' , with the first long side wall 13a and the second long side wall 13a ' an inner surface each 14a , 14a ' and an outer surface 15a , 15a ' exhibit. Furthermore, the first delimiting element comprises 4a a first short side wall 16a and a second short side wall running parallel thereto 16a ' . The first short side wall 16a as well as the second short side wall 16a ' each have an inner surface 17a , 17a ' and an outer surface 18a , 18a ' on. The first long 13a and the second long side wall 13a ' each extend perpendicular to the first short 16a and second short side wall 16a ' . The second delimitation element 4b has, analogous to the first delimitation element 4a , a first long side wall 13b , a second long side wall 13b ' which each have an inner surface 14b , 14b ' and an outer surface 15b , 15b ' have, and a first short side wall 16b and a second short side wall 16b ' , which also each have an inner surface 17b , 17b ' and an outer surface 18b , 18b ' exhibit.

Das erste Begrenzungselement 4a und das zweite Begrenzungselement 4b sind mittels Befestigungselementen 29, welche an den Innenflächen 14a, 14a', 14b, 14b', 17a, 17a', 17b, 17b' angeordnet sind, an der ersten Fläche 5a bzw. der zweiten Fläche 5b der Kühlplatte 3 angebracht. Bevorzugt sind auf jeder Fläche 5a, 5b 14 Befestigungselemente 29 vorgesehen, es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass auf jeder Fläche 5a, 5b mindestens vier Befestigungselemente 29 vorhanden sind. Die Befestigungselemente 29 sind in der gezeigten Ausführungsform als Schraubenelemente ausgebildet, wobei die Kühlplatte 3 und die Begrenzungselemente 4a, 4b miteinander durch Schrauben verbunden sind. Ferner ist möglich, dass die Kühlplatte 3 und die Begrenzungselemente 4a, 4b beispielsweise mittels eines geeigneten Klebstoffes verklebt oder verschweißt sind.The first boundary element 4a and the second delimiting element 4b are by means of fasteners 29 which on the inner surfaces 14a , 14a ' , 14b , 14b ' , 17a , 17a ' , 17b , 17b ' are arranged on the first surface 5a or the second surface 5b the cooling plate 3 appropriate. Are preferred on any surface 5a , 5b 14th Fasteners 29 provided, but it is also conceivable that on every surface 5a , 5b at least four fasteners 29 available. The fasteners 29 are designed as screw elements in the embodiment shown, the cooling plate 3 and the delimitation elements 4a , 4b are connected to each other by screws. It is also possible that the cooling plate 3 and the delimitation elements 4a , 4b are glued or welded, for example, by means of a suitable adhesive.

Weiterhin sind an der Kühlplatte 3 ein erster Einlass 8a und ein erster Auslass 8b vorgesehen. Bevorzugt sind der erste Einlass 8a und der erste Auslass 8b gemeinsam an einer der Breitenseiten 11a, 11b der Kühlplatte 3 angeordnet. Es ist aber ebenfalls denkbar, dass der erste Einlass 8a und der erste Auslass 8b gemeinsam an einer der Längsseiten 10a, 10b der Kühlplatte 3 angeordnet sind oder der erste Einlass 8a und der erste Auslass 8b an unterschiedlichen Seiten 11a, 11b, 10a, 10b angeordnet sind. Der erste Einlass 8a und der erste Auslass 8b sind bevorzugt dazu eingerichtet und dafür vorgesehen an Schlauchelemente und/oder Rohrelemente anschließbar zu sein, worüber ein flüssiges Kühlmedium ein- bzw. ausleitbar ist. Die Kühlplatte 3 weist im Inneren einen Kühlraum 9 auf (dargestellt in 2), welcher mit dem ersten Einlass 8a und dem ersten Auslass 8b verbunden ist.Furthermore are on the cooling plate 3 a first entry 8a and a first outlet 8b intended. The first inlet is preferred 8a and the first outlet 8b together on one of the broad sides 11a , 11b the cooling plate 3 arranged. But it is also conceivable that the first inlet 8a and the first outlet 8b together on one of the long sides 10a , 10b the cooling plate 3 are arranged or the first inlet 8a and the first outlet 8b on different sides 11a , 11b , 10a , 10b are arranged. The first entry 8a and the first outlet 8b are preferably set up and intended to be connectable to hose elements and / or pipe elements, via which a liquid cooling medium can be introduced or discharged. The cooling plate 3 has a cold room inside 9 on (shown in 2 ), which is with the first inlet 8a and the first outlet 8b connected is.

Innerhalb des Gehäuses, auf der ersten Fläche 5a und/oder der zweiten Fläche 5b der Kühlplatte 3, zwischen den Seitenwänden 13a, 13a', 13b, 13b', 16a, 16a', 16b, 16b' bzw. innerhalb eines Raumes der durch die Seitenwände 13a, 13a', 13b, 13b', 16a, 16a', 16b, 16b' begrenzt wird, sind der erste Gleichspannungswandler 6, der Umrichter 7a und der zweite Gleichspannungswandler 7b (siehe 2) angeordnet. Der erste Gleichspannungswandler 6 ist als 8-Phasengleichspannungswandler ausgebildet und umfasst acht Phasenmodule 6a-6h, welche jeweils auf einer separaten Leiterplatte 31a, 31b, 31c, 31b, 31g, 31g, 31h, 31i angeordnet sind. Der Umrichter 7a und der zweite Gleichspannungswandler 7b sind ebenfalls auf einer separaten Leiterplatte 31e, 31j angeordnet. Jede der separaten Leiterplatten 31a-31j weist zwei kurze Seiten 23a, 23a' und zwei lange Seiten 23b, 23b' auf. Die separaten Leiterplatten 31a-31j sind innerhalb der Gehäuses nebeneinander auf der Kühlplatte 3 angeordnet, wobei die langen Seiten 23b, 23b' der Leiterplatten \31a-31j parallel zu den kurzen Seiten 16a, 16a', 16b, 16b' des Befestigungselements 4a, 4b angeordnet sind und die kurzen Seiten 23a, 23a' parallel zu den langen Seiten 13a, 13a', 13b, 13b'. Die Leiterplatten 31a-31j sind bevorzugt so innerhalb des Gehäuses angeordnet, um in Höhenrichtung H nicht über die Begrenzungselemente 4a, 4b hinauszuragen und die Begrenzungselemente 4a,4b somit einen mechanischen Schutz gewährleisten. Diese bevorzugte Anordnung gewährleistet außerdem eine vorteilhafte Nutzung der Grundfläche des Gehäuses 2 und eine gute Kühlung der Leiterplatten 31a-31j bzw. des ersten Gleichspannungswandlers 6, des Umrichters 7a und des zweiten Gelichspannungswandlers 7b.Inside the case, on the first surface 5a and / or the second surface 5b the cooling plate 3 , between the side walls 13a , 13a ' , 13b , 13b ' , 16a , 16a ' , 16b , 16b ' or within a space through the side walls 13a , 13a ' , 13b , 13b ' , 16a , 16a ' , 16b , 16b ' are the first DC / DC converter 6th , the converter 7a and the second DC / DC converter 7b (please refer 2 ) arranged. The first DC / DC converter 6th is designed as an 8-phase DC voltage converter and comprises eight phase modules 6a-6h , each on a separate circuit board 31a , 31b , 31c , 31b , 31g , 31g , 31h , 31i are arranged. The converter 7a and the second DC / DC converter 7b are also on a separate circuit board 31e , 31y arranged. Each of the separate circuit boards 31a-31j has two short sides 23a , 23a ' and two long sides 23b , 23b ' on. The separate circuit boards 31a-31j are next to each other on the cooling plate inside the housing 3 arranged with the long sides 23b , 23b ' of the circuit boards \ 31a-31j parallel to the short sides 16a , 16a ' , 16b , 16b ' of the fastener 4a , 4b are arranged and the short sides 23a , 23a ' parallel to the long sides 13a , 13a ' , 13b , 13b ' . The circuit boards 31a-31j are preferably arranged within the housing so as to be in the height direction H not about the delimitation elements 4a , 4b stick out and the Delimitation elements 4a , 4b thus ensure mechanical protection. This preferred arrangement also ensures advantageous use of the base area of the housing 2 and good cooling of the circuit boards 31a-31j or the first DC / DC converter 6th , the converter 7a and the second DC voltage converter 7b .

Bevorzugt ist jede Leiterplatte 31a-31j mittels vier Befestigungselementen 19 an der Kühlplatte 3 befestigt, welche jeweils in einer Ecke der Leiterplatten 31a-31j angeordnet sind. Weiterhin ist denkbar, dass mehr oder weniger Befestigungselemente 19 zur Befestigung der Leiterplatten 31a-31j vorgesehen sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Befestigungselement 19 als Schraubenbefestigung ausgebildet, es ist aber ebenso eine Verklebung mittels eines geeigneten Klebstoffes oder eine Befestigung mittels Bolzen möglich.Any printed circuit board is preferred 31a-31j by means of four fastening elements 19th on the cooling plate 3 attached, each in a corner of the PCB 31a-31j are arranged. It is also conceivable that more or fewer fastening elements 19th for fastening the circuit boards 31a-31j are provided. In the preferred embodiment, the fastener is 19th designed as a screw fastening, but bonding by means of a suitable adhesive or fastening by means of bolts is also possible.

Die Leiterplatten 31a-31j sind jeweils über elektrische Verbindungen 21a, 21b, 22a, 22b verbunden, wobei zum Schließen eines Stromkreises eine anodische Verbindung 21a, 21b und eine kathodische Verbindung 22a, 22b vorgesehen ist. Die elektrischen Verbindungen 21a, 21b, 22a, 22b verlaufen jeweils auf der ersten Fläche 5a und/oder der zweiten Fläche 5b, ausgehend von den Innenflächen 14a, 14a', 14b, 14b' der ersten 13a, 13b und zweiten langen Seitenwand 13a', 13b' parallel zu der ersten 16a, 16b und der zweiten kurzen Seitenwand 16a', 16b'. Die elektrischen Verbindungen 21a, 21b, 22a, 22b kontaktieren die separaten Leiterplatten 31a-31j bevorzugt jeweils an den kurzen Seiten 23a, 23a'. Ferner verlaufen die elektrischen Verbindungen 21a, 21b, 22a, 22b bevorzugt innerhalb der ersten 13a, 13b und der zweiten langen Seitenwand 13a', 13b' entlang der Längsrichtung L des Gehäuses 2 und treten jeweils bevorzugt an einem Eckenabschnitt 30a, 30b des Befestigungselements 4a, 4b, außerhalb des Gehäuses 2 als Verbindungselemente 25a, 25b, 26a, 26b, hervor. Die Verbindungselemente 25a, 26a sind über ein Anschlusselement 24a und die Verbindungselemente 25b, 26b über ein Anschlusselement 24b, bevorzugt mit der Brennstoffzelle und/oder mit der Batterie verbindbar. Die Anschlusselemente 24a, 24b sind bevorzugt an der Außenfläche 18a des Befestigungselements 4a außerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Anschlusselemente 24a, 24b können ebenfalls an einer der Außenflächen 18a', 18b, 18b' des Befestigungselements 4a, 4b angeordnet sein. Ferner ist denkbar, dass die Anschlusselemente 24a, 24b gemeinsam an den Außenflächen 15a, 15a', 15b, 15b' des Befestigungselements 4a, 4b angeordnet sind oder eines der Anschlusselemente 24a, 24b an einer der Außenflächen 18a, 18a', 18b, 18b' angeordnet ist und das andere der Anschlusselemente 24a, 24b ist an einer der Außenflächen 15a, 15a', 15b, 15b' angeordnet.The circuit boards 31a-31j are each via electrical connections 21a , 21b , 22a , 22b connected, with an anodic connection to close a circuit 21a , 21b and a cathodic connection 22a , 22b is provided. The electrical connections 21a , 21b , 22a , 22b each run on the first surface 5a and / or the second surface 5b , starting from the inner surfaces 14a , 14a ' , 14b , 14b ' the first 13a , 13b and second long side wall 13a ' , 13b ' parallel to the first 16a , 16b and the second short side wall 16a ' , 16b ' . The electrical connections 21a , 21b , 22a , 22b contact the separate circuit boards 31a-31j preferably on the short sides 23a , 23a ' . The electrical connections also run 21a , 21b , 22a , 22b preferably within the first 13a , 13b and the second long side wall 13a ' , 13b ' along the longitudinal direction L. of the housing 2 and each step preferably at a corner section 30a , 30b of the fastener 4a , 4b , outside the case 2 as fasteners 25a , 25b , 26a , 26b , emerge. The fasteners 25a , 26a are via a connection element 24a and the fasteners 25b , 26b via a connection element 24b , preferably connectable to the fuel cell and / or to the battery. The connection elements 24a , 24b are preferred on the outer surface 18a of the fastener 4a arranged outside the housing. The connection elements 24a , 24b can also be on one of the outer surfaces 18a ' , 18b , 18b ' of the fastener 4a , 4b be arranged. It is also conceivable that the connection elements 24a , 24b together on the outer surfaces 15a , 15a ' , 15b , 15b ' of the fastener 4a , 4b are arranged or one of the connection elements 24a , 24b on one of the outer surfaces 18a , 18a ' , 18b , 18b ' is arranged and the other of the connection elements 24a , 24b is on one of the outer surfaces 15a , 15a ' , 15b , 15b ' arranged.

Eine Leiterplatte 12 ist außerhalb des Gehäuses 2 mittels äußeren Befestigungselementen 28 an den Außenflächen 15a'. 15b' der Begrenzungselemente 4a, 4b angebracht. Es ist weiterhin möglich, dass die Leiterplatte 12 an den Außenflächen 15a, 15b der Begrenzungselemente 4a, 4b angeordnet ist. Auf der Leiterplatte 12 ist mindestens eine erste Steuereinheit 32 vorgesehen, wobei die mindestens erste Steuereinheit 32 die Komponenten innerhalb des Gehäuses, in dieser Ausführungsform den ersten Gleichspannungswandler 6, den Umrichter 7a und den zweiten Gleichspannungswandler 7b steuert. Ist der erste Gleichspannungswandler, gemäß der dargestellten Ausführungsform, als Mehrphasengleichspannungswandler ausgebildet, ist ferner mindestens eine zweite Steuereinheit 33 auf der Leiterplatte 12 vorgesehen, um das Ein- bzw. Ausschalten der einzelnen Phasenmodule 6a-6h zu steuern. Es ist ebenfalls denkbar, dass die mindestens zweite Steuereinheit 33 zum Steuern der Phasenmodule 6a-6h ein Bestandteil der ersten Steuereinheit 32 ist. Bevorzugt ist die Leiterplatte 12 durch zehn äußere Befestigungselemente 28 am Gehäuse 2 befestigt. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Leiterplatte über mindestens zwei äußere Befestigungselemente 28 am Gehäuse 2 angebracht ist. Die Leiterplatte 12 weist eine Schnittstelle 27, bevorzugt eine CAN-Bus-Verbindung, auf. Die Schnittstelle 27 dient zur Kommunikation der Betriebsvorrichtung 1 bzw. der Komponenten innerhalb des Gehäuses 2 mit weiterer Fahrzeugelektronik außerhalb des Gehäuses 2, einem Kompressor für die Brennstoffzelle und/oder mindestens einem Elektromotor.A circuit board 12 is outside the case 2 by means of external fasteners 28 on the outer surfaces 15a ' . 15b 'of the delimiting elements 4a , 4b appropriate. It is still possible that the circuit board 12 on the outer surfaces 15a , 15b the limiting elements 4a , 4b is arranged. On the circuit board 12 is at least a first control unit 32 provided, wherein the at least first control unit 32 the components within the housing, in this embodiment the first DC / DC converter 6th , the converter 7a and the second DC-DC converter 7b controls. If the first DC voltage converter, according to the embodiment shown, is designed as a multiphase DC voltage converter, there is also at least one second control unit 33 on the circuit board 12 provided to switch the individual phase modules on and off 6a-6h to control. It is also conceivable that the at least second control unit 33 to control the phase modules 6a-6h part of the first control unit 32 is. The circuit board is preferred 12 by ten external fasteners 28 on the housing 2 attached. It is also conceivable that the circuit board has at least two external fastening elements 28 on the housing 2 is appropriate. The circuit board 12 assigns an interface 27 , preferably a CAN bus connection. the interface 27 is used for communication between the operating device 1 or the components within the housing 2 with further vehicle electronics outside the housing 2 , a compressor for the fuel cell and / or at least one electric motor.

Es ist ebenfalls denkbar, dass der Gleichspannungswandler 6 nicht als 8-Phasengleichspannungswandler ausgebildet ist, sondern mindestens ein 1-Phasengleichspanunngswandler ist. Dementsprechend ist mindestens ein Phasenmodul auf einer separaten Leiterplatte bzw. einer ersten Leiterplatte innerhalb des Gehäuses angeordnet. Eine Länge des Gehäuses 2 in Längsrichtung L lässt sich entsprechend der Anzahl der Leiterplatten innerhalb des Gehäuses 2 anpassen und kann entsprechend kürzer oder länger ausgebildet sein.It is also conceivable that the DC voltage converter 6th is not designed as an 8-phase DC voltage converter, but is at least one 1-phase DC voltage converter. Accordingly, at least one phase module is arranged on a separate circuit board or a first circuit board within the housing. A length of the case 2 longitudinal L. can be adjusted according to the number of circuit boards inside the housing 2 adapt and can be made shorter or longer accordingly.

Außerdem ist es denkbar, dass der zweite Gleichspannungswandler 7b als Mehrphasen-gleichspannungswandler mit mindestens zwei parallelgeschalteten Phasenmodulen ausgebildet ist und jedes Phasenmodul bevorzugt auf einer separaten Leiterplatte innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.It is also conceivable that the second DC voltage converter 7b is designed as a multiphase DC voltage converter with at least two phase modules connected in parallel and each phase module is preferably arranged on a separate printed circuit board within the housing.

Das Gehäuse 2 ist nach der gezeigten bevorzugten Ausführungsform bevorzugt in einer O-pen-Frame-Anordnung ausgebildet. Hierbei ist auf einer Fläche des Begrenzungselements 4a, 4b, die der Grundfläche des Gehäuses 2 bzw. der ersten 5a und der zweiten Fläche 5b der Kühlplatte 3 gegenüberliegt und parallel dazu verläuft, vorteilhaft keine Abdeckung vorgesehen. Auf diese Weise ist eine Kühlung von Komponenten innerhalb des Gehäuses 2 verbessert, da kein Hitzestau entstehen kann und im Wesentlichen eine zusätzliche Luftkühlung gewährleistet ist. Außerdem ist das Gehäuse 2 in einer Längsrichtung L erweiterbar bzw. verlängerbar. Dies ermöglicht eine Anordnung weiterer Phasenmodule bzw. weiterer Komponenten innerhalb des Gehäuses 2. Das Gehäuse 2 ist in einer Breitenrichtung B bevorzugt 450 mm breit und weist bevorzugt eine Höhe in Höhenrichtung H von 140 mm auf.The case 2 is preferably designed in an open-frame arrangement according to the preferred embodiment shown. Here is on a surface of the delimiting element 4a , 4b that is the base of the case 2 or the first 5a and the second surface 5b the cooling plate 3 opposite and runs parallel to it, advantageously none Cover provided. In this way there is a cooling of components within the housing 2 improved, as no heat build-up can occur and additional air cooling is essentially guaranteed. Also, the case is 2 in a longitudinal direction L. expandable or extendable. This enables further phase modules or further components to be arranged within the housing 2 . The case 2 is in a width direction B. preferably 450 mm wide and preferably has a height in the vertical direction H from 140 mm.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Betriebsvorrichtung 1 gemäß 1 in einer Querschnittsansicht entlang der Längsrichtung L des Gehäuses 2. 2 shows a preferred embodiment of the operating device 1 according to 1 in a cross-sectional view along the longitudinal direction L. of the housing 2 .

Die erste Fläche 5a und die zweite Fläche 5b der Kühlplatte 3 sind gezeigt, wobei die Phasenmodule 6a-d auf den separaten Leiterplatten 31a-31d auf der ersten Fläche 5a und die Phasenmodule 6e-h auf den separaten Leiterplatten 31f-i auf der zweiten Fläche 5b d angeordnet sind. Der Umrichter 7a ist auf der Leiterplatte 31e auf den ersten Fläche 5a und der zweite Gleichspannungswandler 7b ist auf der Leiterplatte 31j auf der zweiten Fläche 5b angeordnet. Die separaten Leiterplatten 31a-31e auf der ersten Fläche 5a und die separaten Leiterplatten 31f-31j auf der zweiten Fläche 5b sind in Höhenrichtung H paarweise deckungsgleich übereinander angeordnet.The first face 5a and the second face 5b the cooling plate 3 are shown with the phase modules 6a-d on the separate circuit boards 31a-31d on the first face 5a and the phase modules 6e-h on the separate circuit boards 31f-i on the second face 5b d are arranged. The converter 7a is on the circuit board 31e at first face 5a and the second DC / DC converter 7b is on the circuit board 31y on the second face 5b arranged. The separate circuit boards 31a-31e on the first face 5a and the separate circuit boards 31f-31j on the second face 5b are in height direction H arranged in pairs congruent one above the other.

Der Kühlraum 9, welcher von dem flüssigen Kühlmedium durchflossen wird, erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Kühlplatte 3 bzw. die Grundfläche des Gehäuses 2. Der Kühlraum 9 kann bevorzugt auch in Form von Kanälen und/oder Mikrokanälen ausgebildet sein.The refrigerator 9 through which the liquid cooling medium flows, extends essentially over the entire surface of the cooling plate 3 or the base of the housing 2 . The refrigerator 9 can preferably also be designed in the form of channels and / or micro-channels.

Es ist denkbar, dass eine Position des ersten Gleichspannungswandlers 6 bzw. der Phasenmodule 6a-6h, des Umrichters 7a und des zweiten Gleichspannungswandlers 7b innerhalb des Gehäuses 2 auf den separaten Leiterplatten 31a-31j auf der Kühlplatte 3 variabel ist und nicht der gezeigten Anordnung gemäß den 1 und 2 entsprechen muss.It is conceivable that a position of the first DC voltage converter 6th or the phase modules 6a-6h , the converter 7a and the second DC-DC converter 7b inside the case 2 on the separate circuit boards 31a-31j on the cooling plate 3 is variable and not the arrangement shown according to the 1 and 2 must correspond.

In 3 ist eine Betriebsvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform rein schematisch dargestellt. Die Betriebsvorrichtung 1 weist eine erste Steuereinheit 32 mit der Schnittstelle 27, eine zweite Steuereinheit 33, die Anschlusselemente 24a, 24b, den ersten Gleichspannungswandler 6, ausgebildet als 4-Phasengleichspannungswandler mit den parallelgeschalteten Phasenmodulen 6a-6d, und den Umrichter 7a auf.In 3 is an operating device 1 according to a preferred embodiment shown purely schematically. The operating device 1 has a first control unit 32 with the interface 27 , a second control unit 33 , the connection elements 24a , 24b , the first DC / DC converter 6th , designed as a 4-phase DC voltage converter with the phase modules connected in parallel 6a-6d , and the converter 7a on.

Die Phasenmodule 6a-6d sind über das Anschlusselement 24a mit der Brennstoffzelle und über das Anschlusselement 24b mit der Batterie verbunden. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Anschlusselement 24b die Phasenmodule 6a-6d mit der Batterie und das Anschlusselement 24a die Phasenmodule 6a-6d mit der Brennstoffzelle verbindet. Die Phasenmodule 6a-6d können bevorzugt Siliciumcarbid (SiC) Halbleiter umfassen.The phase modules 6a-6d are via the connection element 24a with the fuel cell and via the connection element 24b connected to the battery. It is also conceivable that the connection element 24b the phase modules 6a-6d with the battery and the connection element 24a the phase modules 6a-6d connects to the fuel cell. The phase modules 6a-6d can preferably comprise silicon carbide (SiC) semiconductors.

Das An- und Ausschalten der Phasenmodule wird bevorzugt mittels der zweiten Steuereinheit 33 gesteuert. Die zweite Steuereinheit 33 kann bevorzugt als Field Programmable Gate Array (FPGA) ausgebildet sein.Switching the phase modules on and off is preferred by means of the second control unit 33 controlled. The second control unit 33 can preferably be designed as a field programmable gate array (FPGA).

Der Umrichter 7a ist bevorzugt als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet. Eine Wechselspannung für den Kompressor der Brennstoffzelle und/oder mindestens einen Elektromotor wird durch den Umrichter 7a bereitgestellt, der die Gleichspannung der Batterie und/oder der Brennstoffzelle in Wechselspannung umwandelt.The converter 7a is preferably designed as a bipolar transistor with an insulated gate electrode (IGBT). An alternating voltage for the compressor of the fuel cell and / or at least one electric motor is supplied by the converter 7a provided, which converts the DC voltage of the battery and / or the fuel cell into AC voltage.

Die zweite Steuereinheit 33 sowie der Umrichter 7a stehen bevorzugt mit der ersten Steuereinheit 32 in elektrischer Verbindung und sind durch die erste Steuereinheit 32 gesteuert. Die erste Steuereinheit 32 weist eine Schnittstelle 27 auf, welche bevorzugt als CAN-Bus-Verbindung ausgebildet ist. Die Schnittstelle 27 dient zur Kommunikation mit weiterer Fahrzeugelektronik außerhalb des Gehäuses 2.The second control unit 33 as well as the converter 7a are preferably connected to the first control unit 32 in electrical communication and are through the first control unit 32 controlled. The first control unit 32 assigns an interface 27 on, which is preferably designed as a CAN bus connection. the interface 27 is used for communication with other vehicle electronics outside the housing 2 .

Weiterhin bevorzugt zeigt 3 ein erstes Analyseeinrichtungselement 34a und ein zweites Analyseeinrichtungselement 34b. Das erste Analyseeinrichtungselement 34a ist als Bestandteil der zweiten Steuereinheit 33 und das zweite Analyseeinrichtungselement 34b als Bestandteil der ersten Steuereinheit 32 vorgesehen. Es ist außerdem denkbar, dass das erste Analyseeinrichtungselement 34a und das zweite Analyseeinrichtungselement 34b als Bestandteil der ersten Steuereinheit vorgesehen sind. Das erste Analyseeinrichtungselement 34a gewährleistet eine Einprägung eines niederfrequenten Strom- oder Spannungssignals in einen Brennstoffzellenstapel. Das zweite Analyseeinrichtungselement 34b ermöglicht eine Messung eines sich ergebenden Spannungs- oder Stromsignals bzw. einer Änderung des Oberwellenanteils des Signals. Dadurch kann auf einen Betriebszustand von Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels geschlossen und kritische Zustände frühzeitig erkannt werden.Also preferably shows 3 a first analyzer element 34a and a second analyzer element 34b . The first analyzer element 34a is part of the second control unit 33 and the second analyzer element 34b as part of the first control unit 32 intended. It is also conceivable that the first analysis device element 34a and the second analyzer element 34b are provided as part of the first control unit. The first analyzer element 34a ensures that a low-frequency current or voltage signal is impressed on a fuel cell stack. The second analyzer element 34b enables a measurement of a resulting voltage or current signal or a change in the harmonic component of the signal. This allows conclusions to be drawn about an operating state of individual cells in the fuel cell stack and critical states to be recognized at an early stage.

Das erste Analyseeinrichtungselement 34a und das zweite Analyseeinrichtungselement 34b bilden zusammen bevorzugt die Analyseeinrichtung aus. The first analyzer element 34a and the second analyzer element 34b together preferably form the analysis device.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All features disclosed in the application documents are claimed as essential to the invention, provided that they are new to the state of the art, individually or in combination.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

11
BetriebsvorrichtungOperating device
22
Gehäusecasing
33
KühlplatteCooling plate
4a, 4b4a, 4b
erstes und zweites Begrenzungselementfirst and second delimitation element
5a5a
erste Fläche der Kühlplattefirst face of the cooling plate
5b5b
zweite Fläche der Kühlplattesecond face of the cooling plate
66th
erster Gleichspannungswandlerfirst DC voltage converter
6a-6h6a-6h
Phasenmodule des ersten GleichspannungswandlersPhase modules of the first DC voltage converter
7a7a
UmrichterConverter
7b7b
zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
8a, 8b8a, 8b
erster Einlass, erster Auslassfirst inlet, first outlet
99
KühlraumCold room
10a, 10b10a, 10b
erste und zweite Längsfläche der Kühlplattefirst and second longitudinal surface of the cooling plate
11a, 11b11a, 11b
erste und zweite Breitenfläche der Kühlplattefirst and second width areas of the cooling plate
1212
Leiterplatte mit SteuereinheitCircuit board with control unit
13a, 13b13a, 13b
erste lange Seitenwand des Begrenzungselementsfirst long side wall of the delimiting element
13a', 13b'13a ', 13b'
zweite lange Seitenwand des Begrenzungselementssecond long side wall of the delimiting element
14a, 14b14a, 14b
Innenfläche der ersten langen SeitenwandInner surface of the first long side wall
14a', 14b'14a ', 14b'
Innenfläche der zweiten langen SeitenwandInner surface of the second long side wall
15a, 15b15a, 15b
Außenfläche der ersten langen SeitenwandExternal surface of the first long side wall
15a', 15b'15a ', 15b'
Außenfläche der zweiten langen SeitenwandOuter surface of the second long side wall
16a, 16b16a, 16b
erste kurze Seitenwand des Begrenzungselementsfirst short side wall of the delimiting element
16a', 16b'16a ', 16b'
zweite kurze Seitenwand des Begrenzungselementssecond short side wall of the delimiting element
17a, 17b17a, 17b
Innenfläche der ersten kurzen SeitenwandInner surface of the first short side wall
17a', 17b'17a ', 17b'
Innenfläche der zweiten kurzen SeitenwandInner surface of the second short side wall
18a, 18b18a, 18b
Außenfläche der ersten kurzen SeitenwandExternal surface of the first short side wall
18a', 18b'18a ', 18b'
Außenfläche der zweiten kurzen SeitenwandOuter surface of the second short side wall
1919th
Befestigungselement für LeiterplatteFastening element for circuit board
2020th
Befestigungselement für BegrenzungselementFastening element for limiting element
21a, 21b21a, 21b
elektrische Verbindung (Anode)electrical connection (anode)
22a, 22b22a, 22b
elektrische Verbindung (Kathode)electrical connection (cathode)
23a, 23a'23a, 23a '
kurze Seite der Leiterplatteshort side of the circuit board
23b, 23b'23b, 23b '
lange Seite der Leiterplattelong side of the circuit board
24a, 24b24a, 24b
AnschlusselementConnection element
25a, 25b25a, 25b
elektrisches Verbindungselement des ersten Begrenzungselementselectrical connection element of the first delimiting element
26a, 26b26a, 26b
elektrisches Verbindungselement des zweiten Begrenzungselementselectrical connection element of the second delimiting element
2727
Schnittstelleinterface
2828
äußeres Befestigungselementexternal fastener
2929
Eckenabschnitt der KühlplatteCorner section of the cooling plate
30a, 30b30a, 30b
Eckenabschnitt des BefestigungselementsCorner portion of the fastener
31a-31j31a-31j
separate Leiterplatteseparate circuit board
3232
erste Steuereinheitfirst control unit
3333
zweite Steuereinheitsecond control unit
34a34a
erstes Analyseeinrichtungselementfirst analyzer element
34b34b
zweites Analyseeinrichtungselementsecond analyzer element
HH
HöhenrichtungHeight direction
LL.
LängsrichtungLongitudinal direction
BB.
BreitenrichtungWidth direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 1646101 A2 [0005]EP 1646101 A2 [0005]

Claims (14)

Betriebsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, umfassend: einen ersten Gleichspannungswandler (6) zur Energieübertragung von einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges auf eine Batterie des Fahrzeuges, wobei die Brennstoffzelle in elektrisch leitender Verbindung mit der Batterie steht und dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, die Batterie zu laden; und mindestens einen weiteren Spannungswandler (7a, 7b) zum Umwandeln einer Gleichspannung der Batterie in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau, bevorzugt zum Betreiben von weiterer Fahrzeugelektronik, oder zum Umwandeln der Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung, bevorzugt zum Betreiben eines Kompressors für die Brennstoffzelle und/oder eines Elektromotors; gekennzeichnet durch ein einstückiges Gehäuse (2), umfassend eine Kühlplatte (3) und mindestens ein erstes Begrenzungselement (4a), wobei innerhalb des Gehäuses (2) sowohl der erste Gleichspannungswandler (6) als auch der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) gemeinsam angeordnet sind, und gegenüber dem Gehäuse (2) elektrisch isoliert ausgebildet sind.Operating device (1) for a vehicle, comprising: a first DC / DC converter (6) for transferring energy from a fuel cell of the vehicle to a battery of the vehicle, the fuel cell being in electrically conductive connection with the battery and being set up and provided for the battery to load; and at least one further voltage converter (7a, 7b) for converting a direct voltage of the battery into a direct voltage with a lower voltage level, preferably for operating additional vehicle electronics, or for converting the direct voltage of the battery into an alternating voltage, preferably for operating a compressor for the fuel cell and / or an electric motor; characterized by a one-piece housing (2), comprising a cooling plate (3) and at least one first limiting element (4a), with both the first DC voltage converter (6) and the at least one further voltage converter (7a, 7b) inside the housing (2). are arranged together, and are designed to be electrically insulated from the housing (2). Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (3) eine erste Fläche (5a) aufweist, welche einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche des Gehäuses (2) entspricht und das mindestens eine erste Begrenzungselement (4a) auf der Grundfläche angeordnet ist.Operating device (1) according to Claim 1 , characterized in that the cooling plate (3) has a first surface (5a) which corresponds to a substantially rectangular base of the housing (2) and the at least one first delimitation element (4a) is arranged on the base. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Begrenzungselement (4b) auf einer zweiten Fläche (5b) der Kühlplatte (3) angeordnet ist, wobei die zweite Fläche (5b) und die erste Fläche (5a) der Kühlplatte (3) parallel zueinander und gegenüberliegend ausgebildet sind.Operating device (1) according to Claim 2 , characterized in that a second delimitation element (4b) is arranged on a second surface (5b) of the cooling plate (3), the second surface (5b) and the first surface (5a) of the cooling plate (3) being parallel to one another and opposite one another are. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (6) auf einer ersten Leiterplatte (31a-31d, 31f-31i) und der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) auf einer zweiten Leiterplatte (31e, 31j) innerhalb des gemeinsamen Gehäuses (2) angeordnet sind.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first DC voltage converter (6) on a first printed circuit board (31a-31d, 31f-31i) and the at least one further voltage converter (7a, 7b) on a second printed circuit board (31e , 31j) are arranged within the common housing (2). Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (6) und der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) auf der ersten Fläche (5a) und/oder der zweiten Fläche (5b) der Kühlplatte (3) angeordnet sind, wobei durch die Kühlplatte (3) der erste Gleichspannungswandler (6) und der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) gekühlt sind.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first DC voltage converter (6) and the at least one further voltage converter (7a, 7b) on the first surface (5a) and / or the second surface (5b) of the cooling plate ( 3) are arranged, the first DC voltage converter (6) and the at least one further voltage converter (7a, 7b) being cooled by the cooling plate (3). Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (3) einen ersten Einlass (8a) und einen ersten Auslass (8b) zum Ein- oder Ausleiten eines flüssigen Kühlmediums und einen mit dem ersten Einlass (8a) und dem ersten Auslass (8b) verbundenen Kühlraum (9) zum Durchfließen mit dem Kühlmedium aufweist, wobei der erste Einlass (8a) und der erste Auslass (8b) an einer Fläche (15a, 15a', 15b, 15b', 18a, 18a', 18b, 18b') der Kühlplatte (3) angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Fläche (5a) der Kühlplatte (3) verläuft.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling plate (3) has a first inlet (8a) and a first outlet (8b) for introducing or discharging a liquid cooling medium and one with the first inlet (8a) and the first outlet (8b) connected cooling space (9) for flowing through with the cooling medium, wherein the first inlet (8a) and the first outlet (8b) on a surface (15a, 15a ', 15b, 15b', 18a, 18a ' , 18b, 18b ') of the cooling plate (3) are arranged, which runs perpendicular to the first surface (5a) of the cooling plate (3). Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analyseeinrichtung zum Erkennen eines Betriebszustandes der Brennstoffzelle innerhalb und/oder an dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an analysis device for recognizing an operating state of the fuel cell is arranged inside and / or on the common housing. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (6) ein Mehrphasen-Gleichspannungswandler ist, wobei der Mehrphasen-Gleichspannungswandler mindestens zwei parallelgeschaltete Phasenmodule (6a-6h) aufweist.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first DC voltage converter (6) is a multi-phase DC voltage converter, the multi-phase DC voltage converter having at least two phase modules (6a-6h) connected in parallel. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Phasenmodul (6a-6h) auf einer separaten Leiterplatte (31a-31d, 31f-31i) innerhalb des gemeinsamen Gehäuses (2) angeordnet ist.Operating device (1) according to Claim 8 , characterized in that each phase module (6a-6h) is arranged on a separate circuit board (31a-31d, 31f-31i) within the common housing (2). Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatten (31a-31j) innerhalb des gemeinsamen Gehäuses (2) auf der ersten Fläche (5a) und/oder der zweiten Fläche (5a) der Kühlplatte (3) nebeneinander angeordnet sind.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit boards (31a-31j) within the common housing (2) on the first surface (5a) and / or the second surface (5a) of the cooling plate (3) next to one another are arranged. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Leiterplatte (12), umfassend mindestens eine erste Steuereinheit (32) zum Ansteuern der elektronischen Komponenten (6, 7a, 7b), welche innerhalb des gemeinsamen Gehäuses (2) angeordnet sind, wobei die weitere Leiterplatte (12) an oder bei Flächen (15a, 15a', 15b, 15b') der Befestigungselemente (4a, 4b) angeordnet ist, die senkrecht zur ersten Fläche (5a) der Kühlplatte (3) verlaufen.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a further circuit board (12), comprising at least one first control unit (32) for controlling the electronic components (6, 7a, 7b) which are located within the common housing (2) are arranged, the further circuit board (12) being arranged on or near surfaces (15a, 15a ', 15b, 15b') of the fastening elements (4a, 4b) which run perpendicular to the first surface (5a) of the cooling plate (3). Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (6) als ein Abwärts-Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) oder als ein Aufwärtswandler (Boost Converter) ausgebildet ist.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first DC voltage converter (6) is designed as a buck-boost converter or as a boost converter. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) mindestens eines ist, ausgewählt aus einer Gruppe, die Umrichter und Gleichspannungswandler umfasst.Operating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that that the at least one further voltage converter (7a, 7b) is at least one selected from a group comprising converters and DC voltage converters. Verfahren zum Betreiben einer Betriebsvorrichtung (1) für eine Fahrzeug, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend folgende Verfahrensschritte: a. Übertragen einer elektrischen Energie von einer Brennstoffzelle des Fahrzeuges auf eine Batterie des Fahrzeuges zum Laden der Batterie durch einen ersten Gleichspannungswandler (6), welcher die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle an die Eingangsspannung der Batterie anpasst; b. Übertragen einer in der Batterie gespeicherten Energie auf eine Fahrzeugelektronik, einen Kompressor für die Brennstoffzelle und/oder einen Elektromotor durch mindestens einen weiteren Spannungswandler (7a, 7b), welcher eine Gleichspannung der Batterie in eine Gleichspannung mit niedrigerem Spannungsniveau umwandelt oder die Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung umwandelt; wobei ein einstückiges Gehäuse (2), umfassend eine Kühlplatte (3) und mindestens ein erstes Begrenzungselement (4a) vorgesehen ist, wobei innerhalb des Gehäuses (2) sowohl der erste Gleichspannungswandler (6) als auch der mindestens eine weitere Spannungswandler (7a, 7b) gemeinsam angeordnet sind, und gegenüber dem Gehäuse (2) elektrisch isoliert ausgebildet sind.Method for operating an operating device (1) for a vehicle, in particular according to one of the Claims 1 to 13 , comprising the following process steps: a. Transferring electrical energy from a fuel cell of the vehicle to a battery of the vehicle for charging the battery by a first DC voltage converter (6) which adapts the output voltage of the fuel cell to the input voltage of the battery; b. Transferring energy stored in the battery to vehicle electronics, a compressor for the fuel cell and / or an electric motor through at least one further voltage converter (7a, 7b), which converts a DC voltage from the battery into a DC voltage with a lower voltage level or converts the DC voltage from the battery into converts an alternating voltage; a one-piece housing (2) comprising a cooling plate (3) and at least one first limiting element (4a) being provided, both the first DC voltage converter (6) and the at least one further voltage converter (7a, 7b) being provided within the housing (2) ) are arranged together, and are designed to be electrically insulated from the housing (2).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030133319A1 (en) * 2002-01-16 2003-07-17 Radosevich Lawrence D. Compact fluid cooled power converter supporting multiple circuit boards
DE112011105299T5 (en) * 2011-05-30 2014-03-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha The fuel cell system

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