DE102019212288A1 - System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System - Google Patents

System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System Download PDF

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Abstract

Es wird ein System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System angegeben, mit:einem bidirektionalen Maschinen-Inverter, dessen Gleichstromeingangs-Anschluss eingerichtet ist mit einem elektrischen Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems elektrisch gekoppelt zu werden und dessen Phasenausgangs-Anschluss eingerichtet ist elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden; undeinem Aggregat-Inverter mit einem Gleichstromeingangs-Anschluss, wobei der Gleichstromeingangs-Anschluss des Aggregat-Inverters mit dem Gleichstromeingangs-Anschluss des Maschinen-Inverters elektrisch parallel geschaltet ist, und der Aggregat-Inverter eingerichtet ist, mindestens ein Aggregat für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems, mit elektrischer Energie zu versorgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System und einem bidirektionalen Maschinen-Inverter.
  • Stand der Technik
  • Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur gasförmiges Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.: „proton-exchange-membran‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit an einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft als Oxidationsmittel und mit an einer Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
    Dabei wird die Abwärme der elektrokatalytischen Reaktion eines aus Brennstoffzellen zusammengesetzten Brennstoffzellen-Stacks, mittels eines Kühlkreislaufs abgeführt und beispielsweise an einem Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben. Für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks, der sich aus einzelnen Brennstoffzellen zusammensetzt, sind Nebenaggregate notwendig, um beispielsweise die Umgebungsluft zuzuführen und zu komprimieren oder das Brennstoffgas mit Wasser zu befeuchten.
  • Auch in einer Startphase eines solchen Brennstoffzellen-Stacks, in der der Brennstoffzellen-Stack noch keine oder eingeschränkt elektrische Energie bereitstellt, müssen solche Nebenaggregate betrieben werden, so dass in einem Brennstoffzellen-System typischerweise elektrische Energiespeicher vorgesehen sind, die für die Startphase die notwendige elektrische Energie bereitstellen. Zur Optimierung eines solchen Brennstoffzellen-Systems muss auch der Energieverbrauch der Nebenaggregate berücksichtigt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Luftverdichter und weiteren Aggregate für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems wie z.B. Wasserstoffrezirkulationsgebläse, Kühlmittelpumpe, Kühlergebläse werden entsprechend dem Stand der Technik möglichst direkt, gegeben falls mittels eines Inverters zur Anpassung der Stromversorgung, an einem elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise einem Transaktions-Akku, angeschlossen, um für den Start des Brennstoffzellen-Systems die notwendige elektrische Energie für die Komponenten des Brennstoffzellen-Systems bereitzustellen.
  • Da nicht nur beim Start des Brennstoffzellen-Systems die Aggregate für den Betrieb benötigt werden, sondern auch im laufenden Betrieb mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, resultieren aus der beschriebenen Topologie insbesondere im laufenden Betrieb Verluste elektrischer Energie, aufgrund der zwischengeschalteter Leistungselektronik.
  • Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System, ein Verfahren, eine Verwendung, ein Steuergerät, sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium, entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, angegeben, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass elektrische Verluste, die durch einen Betrieb von Aggregaten, die für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems notwendig sind, im Normalbetrieb einer elektrischen Maschine, die mit einem Brennstoffzellen-System betrieben wird, einen größeren Einfluss auf einen Gesamtwirkungsgrad haben, als Verluste, die in einer verhältnismäßig kurzen Startphase auftreten.
  • Entsprechend einem Aspekt wird ein System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System angegeben, das einen bidirektionalen Maschinen-Inverter aufweist, dessen Gleichstromeingangs-Anschluss eingerichtet ist mit einem elektrischen Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems elektrisch gekoppelt zu werden und dessen Phasenausgangs-Anschluss eingerichtet ist elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Weiterhin weist das System einen Aggregat-Inverter mit einem Gleichstromeingangs-Anschluss auf, wobei der Gleichstromeingangs-Anschluss mit dem Gleichstromeingangs-Anschluss des Maschinen-Inverters elektrisch parallel geschaltet ist und der Aggregat-Inverter eingerichtet ist, mindestens ein Aggregat für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Insbesondere ist der Gleichstromeingangs-Anschluss des Aggregat-Inverters eingerichtet mit einer Hochvolt (HV)-Batterie elektrisch gekoppelt zu werden.
  • Dadurch, dass mit der beschriebenen Topologie des Systems zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System der Aggregat-Inverter und damit entsprechend das mindestens eine Aggregat direkt mit dem Brennstoffzellen-System elektrisch gekoppelt ist, werden zusätzliche Verluste durch zwischengeschaltete elektronische Schaltungen, wie beispielsweise weitere Inverter bzw. DC/DC-Wandler, vermieden und damit die elektrischen Verluste im Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Systems minimiert.
    Die beschriebene Topologie bedingt eine Reduzierung der Verlustkette für die Versorgung beispielsweise von Hochvolt-Komponenten bzw. Aggregaten zum Betreiben des Brennstoffzellen-Systems, wodurch eine Kostensenkung insbesondere im Betrieb eines solchen Brennstoffzellen-Systems erreicht werden kann. Wie weiter unten mit einem numerischen Beispiel in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen angegeben ist, wird auch die Belastung der elektrischen Maschine mit dem beschriebenen System zum Betreiben einer elektrischen Maschine reduziert.
  • Dabei ist ein bidirektionaler Maschinen-Inverter ein Inverter, der so gesteuert werden kann, dass elektrische Energie sowohl vom einem Eingangsanschluss zu einem Ausgangsanschluss des Inverters, als auch von dem Ausgangsanschluss zu dem Eingangsanschluss des Inverters transferiert werden kann.
    Ein solcher bidirektionaler Inverter ist eingerichtet, an einem Eingangsanschluss mit einer elektrischen Gleichspannung versorgt zu werden und an einem Ausgangsanschluss in Form eines Phasenausgangs-Anschlusses eine Mehrzahl von Phasenspannungen bereitstellen zu können.
  • Der Aggregat-Inverter weist einen Gleichstromeingangs-Anschluss auf, der mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems elektrisch verbunden ist und ist eingerichtet Aggregate, die beispielsweise mit einer Hochvolt-Spannung betrieben werden, mit elektrischer Energie zu versorgen. Dazu kann der Aggregat-Inverter auch einen Phasen-Ausgangs-Anschluss entsprechend dem oben beschriebenen Maschinen-Inverter aufweisen und an seinem Ausgangsanschluss eine Mehrzahl von Phasenspannungen bereitstellen.
  • Ein großer Vorteil dieser Topologie ist, dass damit in dem NormalBetriebsmodus der Leistungsfluss für die Versorgung der HV-Komponenten mit geringeren Wandlungsverlusten erfolgt. Das bringt Verbrauchsvorteile und insbesondere eine Reduzierung der Leistungsgröße des Systems, insbesondere des Brennstoffzellen-Stacks von bis zu 10%. Der Grund dafür ist, dass der Leistungsbedarf für den Luftverdichter sowie weitere HV-Komponenten im Volllastpunkt nicht vom Wandlungsverlust der Leistungselektronik für die elektrische Maschine beeinträchtigt wird.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System einen bidirektionalen Energiespeicher-Inverter aufweist, dessen Gleichstromeingang eingerichtet ist, mit einem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt zu werden und dessen Phasenausgangs-Anschluss eingerichtet ist, elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden. Dabei ist der Energiespeicher-Inverter, zur Bereitstellung von elektrischer Energie des elektrischen Energiespeichers für den Aggregat-Inverter, eingerichtet in einer ersten und einer zweiten Richtung in Bezug auf einen Energiefluss betrieben zu werden. Mit anderen Worten ist der Energiespeicher-Inverter eingerichtet so gesteuert zu werden, dass elektrische Energie bidirektional durch den Energiespeicher-Inverter hindurchgeführt werden kann. Es ist somit ein bidirektionaler Energiespeicher-Inverter. In einer ersten Betriebs-Richtung des Inverters wird elektrische Energie vom Gleichstromeingang zum Phasenausgang transferiert; in einer zweiten Betriebs-Richtung des bidirektionalen Inverters wird elektrische Energie von dem Phasenausgang zu dem Gleichstromeingang transferiert.
  • Mittels der zwei zusammenwirkenden bidirektional steuerbaren Invertern, wie oben beschrieben, können Aggregate bzw. zu den Aggregaten zugeordnete Inverter für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems elektrisch direkt mit dem Brennstoffzellen-System gekoppelt werden, denn es kann auch im Start-Betrieb des Brennstoffzellen-Systems für die Aggregate, die sowohl für den Betrieb als auch für den Start des Brennstoffzellen-Systems notwendig sind, elektrische Energie von dem elektrischen Energiespeicher mittels der bidirektional betreibbaren Inverter bereitgestellt werden.
  • Dazu wird elektrische Energie des Energiespeichers durch den Betrieb des Energiespeicher-Inverters in einer ersten Betriebs-Richtung, nämlich vom Gleichstrom zu Wechselstrom, elektrisch gekoppelt über die elektrische Maschine dem Maschinen-Inverter bereitgestellt und durch einen Betrieb des Maschinen-Inverters in einer zweiten Betriebs-Richtung, nämlich vom Wechselstrom zum Gleichstrom, wird am Eingangsanschluss des Maschinen-Inverters elektrische Energie dem Eingang des Aggregat-Inverters bereitgestellt, so das mittels des Aggregat-Inverters zumindest ein Aggregat für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Somit bleibt die Funktionalität der Bereitstellung der gespeicherten Energie deselektrischen Energiespeichers für einen Startvorgang, und der damit verbundenen notwendigen Bereitstellung elektrischer Energie für die Aggregate des Brennstoffzellen-Systems, in dem beschriebenen System zum Betreiben einer elektrischen Maschine erhalten. Für den Normalbetrieb ist aber der Aggregat-Inverter bzw. das Aggregat selber direkt mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems gekoppelt, um im Normalbetrieb weniger Verluste elektrischer Energie, die durch zwischengeschaltete elektronische Leistung-Elektronik bedingt ist, zu verursachen.
    Eine Startphase des Brennstoffzellen-Systems ist in der Regel wesentlich kürzer als die Phase des Normalbetriebs, so dass insgesamt weniger elektrische Verluste in dem System auftreten und somit der Wirkungsgrad verbessert wird.
  • Hinsichtlich der Einzelheiten der Ansteuerung der zwei zumindest zum Teil zusammenwirkenden Inverter, nämlich dem bidirektionalen Maschinen-Inverter und dem bidirektionalen Energiespeicher-Inverter wird auf die Offenlegungsschrift DE 10 2017 220 098 A1 verwiesen, die insbesondere in den Absätzen [0027] bis [0050] diese bidirektionale Steuerung der Inverter erläutert. Diese Offenlegungsschrift beschreibt ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, die mit zwei unabhängigen Wechselrichtern, also Invertern, betrieben werden kann. Jeder der beiden Wechselrichter kann dabei von einer eigenen elektrischen Energiequelle gespeist werden. Insbesondere werden die Wicklungen jeder Phase der mehrphasigen elektrischen Maschine auf einer Seite mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt und auf der anderen Seite mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt. Beispielsweise kann auf diese Weise während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems auch ohne Komforteinbußen elektrische Energie von dem Energiespeicher eines Wechselrichters in den Energiespeicher des anderen Wechselrichters umgeladen werden.
  • Allerdings beschränkt sich die hier dargestellte Erfindung nicht auf die Ansteuerung wie sie in der zitierten Offenlegungsschrift beschrieben ist. Die dort angegebene Ansteuerung der zwei Inverter stellt somit nur eine besonders bevorzugte Form einer möglichen Ansteuerung zum bidirektionale Betrieb der zwei Inverter dar. Auch andere Ansteuerungen der Inverter für den bidirektionalen Betrieb sind von der beschriebenen Erfindung umfasst.
  • Der Energiespeicher-Inverter und insbesondere der Maschinen-Inverter werden bidirektional betrieben. Das ist insbesondere wichtig für den Startfall: um den Luftverdichter sowie weitere HV (Hochvolt) - Komponenten anzusteuern, wird der Leistungsfluss von dem Energiespeicher, wie einer HV-Batterie bzw. einem Traktions-Akku, über den bidirektionalen Energiespeicher-Inverter in einer ersten Betriebs-Richtung elektrisch über die elektrische Maschine gekoppelt, zum bidirektional betriebenen Maschinen-Inverter geführt und von diesem in einer zweiten Betriebsrichtung dem elektrisch parallel gekoppelten Aggregat-Inverter bereitgestellt, der beispielsweise einen Luftverdichter, sowie ggf. weitere HV-Komponenten bzw. Aggregate zum Betreiben des Brennstoffzellen-Systems mit elektrischer Energie, versorgt.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Aggregat-Inverter mittels eines Phasenausgangs-Anschlusses eingerichtet ist, mit zumindest einem Aggregat für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems elektrisch verbunden zu werden.
    Da die Aggregate für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems typischerweise mehrphasige Hochvolt-Aggregate sind, können diese direkt und mit einem hohen Wirkungsgrad im Normalbetrieb des Systems betrieben werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Aggregat für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems ein Luftverdichter zum Betreiben des Brennstoffzellen-System ist.
    Da der Luftverdichter notwendig ist, um das Brennstoffzellen-System mit dem Oxidationsmittel zu versorgen, kann auf diese Art und Weise das Brennstoffzellen-System in Betrieb gesetzt werden. Darüber hinaus können auch weitere Aggregate, die für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems notwendig sind, auf die beschriebene Art mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies gilt insbesondere für die folgenden Aggregate: ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, eine Kühlmittelpumpe oder ein Kühlergebläse. D.h. diese weitere Hochvolt-Komponenten bzw. Hochvoltaggregate werden in derselben Weise direkt mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems verbunden wie das mindestens eine Aggregat bzw. der Luftverdichter. Auf eine Darstellung weiterer elektrischer Aggregate und deren elektrische Kopplung wird hier aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine eine Mehrzahl von Motorwicklungen aufweist und jede Motorwicklung einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist. Der Maschinen-Inverter ist eingerichtet mit der Mehrzahl von ersten Anschlüssen der elektrischen Maschine elektrisch verbunden zu werden und der Energiespeicher-Inverter ist mit der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen der elektrischen Maschine verbunden, wodurch der Phasenausgangs-Anschluss des Maschinen-Inverters und der Phasenausgangs-Anschluss des Energiespeicher-Inverters mittels der Mehrzahl von Motorwicklungen elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Diese Art der elektrischen Kopplung der beiden Inverter ermöglicht eine Vielzahl von elektrischen Energieflüssen zwischen dem elektrischen Energiespeicher, der elektrischen Maschine, dem Aggregat-Inverter und der Brennstoffzelle zu realisieren. Neben dem beschriebenen Betrieb in der Startphase und im Normalbetrieb lässt sich damit auch ein Booster-Betrieb oder ein Aufladen des Energiespeichers durch das Brennstoffzellen-System steuern.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zwischen einem Anschluss des Gleichstromeingangs des bidirektionalen Maschinen-Inverters und einem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle eine Diode elektrisch in Reihe geschaltet ist.
    Eine solche Diode verhindert einen Stromfluss vom Maschinen-Inverter oder Aggregat-Inverter zum Brennstoffzellen-System. Dies ist wichtig, da sonst gegebenenfalls das Brennstoffzellen-System durch den elektrischen Strom in einen Elektrolyse-Modus getrieben würde.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der bidirektionale Maschinen-Inverter eingerichtet ist dreiphasig elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden.
    Da viele elektrische Maschinen dreiphasig betrieben werden, kann ein so eingerichteter Maschinen-Inverter mit einer solchen elektrische Maschine direkt betrieben werden.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Energiespeicher-Inverter eingerichtet ist dreiphasig elektrisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt zu werden.
    Da, wie oben beschrieben wurde, eine dreiphasige elektrische Maschine die gleiche Mehrzahl von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen aufweist kann auch der Energiespeicher-Inverter direkt mit der elektrischen Maschine gekoppelt und betrieben werden.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System und einem der Systeme wie sie oben beschrieben wurden, in einem Start-Betriebs-Modus vorgeschlagen, bei dem ein Energiespeicher-Inverter so gesteuert wird, dass eine elektrische Energie des elektrischen Energiespeichers über eine Mehrzahl der Motorwicklungen der elektrischen Maschine an einem Phasenausgangs-Anschluss eines bidirektionalen Maschinen-Inverters bereitgestellt wird. Der bidirektionale Maschinen-Inverter wird in einer zweiten Richtung betrieben, um einem Aggregat-Inverter elektrische Energie bereitzustellen, sodass der Aggregate-Inverter zumindest einem Aggregat des Brennstoffzellen-Systems für einen Startvorgang des Brennstoffzellensystems elektrische Energie bereitstellt.
  • Mit diesem Verfahren kann den für den Start des Brennstoffzellen-Systems notwendigen Aggregaten die Energie aus dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt werden, um das Brennstoffzellen-System in Betrieb zu setzen, obwohl der Aggregat-Inverter direkt mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Systems bzw. dem Gleichstromeingangs-Anschluss des Maschinen-Inverters gekoppelt ist.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System und einem der Systeme wie sie oben beschrieben wurden in einem Normal-Betriebs-Modus vorgeschlagen, wobei elektrische Energie an einem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle bereitgestellt wird und mittels eines Phasenausgangs-Anschlusses, eines in einer ersten Richtung betriebenen bidirektionalen Maschinen-Inverters, der elektrischen Maschine bereitgestellt wird, um die elektrische Maschine zu betreiben. Ein Aggregat-Inverter versorgt zumindest ein Aggregat des Brennstoffzellen-Systems, für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems, mit elektrischer Energie.
  • Mit diesem Verfahren für den Normal-Betriebs-Modus des Brennstoffzellen-Systems kann ein besserer Wirkungsgrad, wie oben erläutert wurde, erreicht werden.
  • Es wird eine Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme vorgeschlagen, um eine mobile Plattform anzutreiben.
    Da, wie oben beschrieben, Brennstoffzellen-Systeme günstig für den Betrieb einer mobilen Plattform sind, kann auf diese Weise eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades des Antriebs für eine solche mobile Plattform erreicht werden.
  • Dabei kann unter einer mobilen Plattform ein zumindest teilweise automatisiertes System verstanden werden, welches mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Weitere Beispiele für mobile Plattformen können Fahrerassistenzsysteme mit mehreren Sensoren, mobile Multisensor-Roboter wie z.B. Roboterstaubsauger oder Rasenmäher, ein Multisensor-Überwachungssystem, eine Fertigungsmaschine, ein persönlicher Assistent oder ein Zugangskontrollsystem sein. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise automatisiertes System sein.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.
    Mittels eines solchen Steuergerätes können beispielsweise die unterschiedlichen Typen der Inverter gesteuert werden und das Verfahren kann einfach in unterschiedliche mobile Plattformen transferiert werden.
  • Es wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Es wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 2 sowie in den folgenden Ausführungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt die
    • 1 das System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System in einem Start-Betriebs-Modus; und
    • 2 das System zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellen-System in einem normal-Betriebs-Modus.
  • Die 1 zeigt schematisch ein System 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 110 mit einem Brennstoffzellen-System 160, wobei das System einen bidirektionalen Maschinen-Inverter 104 aufweist, dessen Gleichstromeingangs-Anschluss 104 d, 104 e eingerichtet ist, mit einem elektrischen Ausgangsanschluss 102a, 102b des Brennstoffzellen-Systems 160 elektrisch gekoppelt zu werden und dessen Phasenausgangs-Anschluss 104a, 104b, 104c eingerichtet ist, elektrisch mit der elektrischen Maschine 110 gekoppelt zu werden; und
    einem Aggregat-Inverter 106 mit einem Gleichstromeingangs-Anschluss 106a, 106b, wobei der Gleichstromeingangs-Anschluss 106a, 106b des Aggregat-Inverters 106 mit dem Gleichstromeingangs-Anschluss 104 d, 104 e des Maschinen-Inverters 104 elektrisch parallel geschaltet ist, und der Aggregat-Inverter 106 eingerichtet ist, mindestens ein Aggregat 112, für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 160, mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • Ein bidirektionaler Energiespeicher-Inverter 108, dessen Gleichstromeingang 108d, 108e eingerichtet ist mit einem elektrischen Energiespeicher 114 elektrisch gekoppelt zu werden und dessen Phasenausgangs-Anschluss 108a, 108b, 108c eingerichtet ist, elektrisch mit der elektrischen Maschine 110 gekoppelt zu werden; und bei dem der Maschinen-Inverter 104, zur Bereitstellung von elektrischer Energie des elektrischen Energiespeichers 114 für den Aggregat-Inverter 106, eingerichtet ist in einer ersten und einer zweiten Richtung betrieben zu werden.
  • Der Aggregat-Inverter 106 ist mittels eines Phasenausgangs-Anschlusses 106c, 106d, 106e eingerichtet, mit zumindest einem Aggregat 112 für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems elektrisch verbunden zu werden.
    Dabei kann das Aggregat 112 für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 160 ein Luftverdichter 112 zum Betreiben des Brennstoffzellen-System 160 sein.
  • Die elektrische Maschine 110 weist eine Mehrzahl von Motorwicklungen 111a, 111b, 111c auf und jede Motorwicklung 111a, 111b, 111c einen ersten Anschluss 110 a, 110b, 110c und einen zweiten Anschluss 110 d, 110e, 110f auf und der Maschinen-Inverter 104 mit seinem Phasenausgangs-Anschluss 104a, 104b, 104c ist eingerichtet mit der Mehrzahl von ersten Anschlüssen 110 a, 110b, 110c der elektrischen Maschine 110 elektrisch verbunden zu werden und der Energiespeicher-Inverter 108 eingerichtet ist, mit der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen 110 d, 110e, 110f der elektrischen Maschine 110 verbunden zu werden, wodurch der Phasenausgangs-Anschluss 104a, 104b, 104c des Maschinen-Inverters 104 und der Phasenausgangs-Anschluss 108a, 108b, 108c des Energiespeicher-Inverters 108 mittels der Mehrzahl von Motorwicklungen lila, 111b, 111c elektrisch miteinander gekoppelt werden können. Insbesondere kann der Maschinen-Inverter 104 eingerichtet sein mit der elektrischen Maschine 110 dreiphasig verbunden zu werden.
  • Zwischen einem Anschluss des Gleichstromeinganges 104d des Maschinen-Inverters 104 und einem Ausgangsanschluss 102a des Brennstoffzellen-Systems 160 kann eine Diode 105 elektrisch in Reihe geschaltet sein.
  • Die 1 deutet mit den offenen Pfeilen einen Leistungsfluss im Startfall an. Mit diesem System 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 110 mit einem Brennstoffzellen-System 160 kann in einem Start-Betriebs-Modus des Systems 100 der Energiespeicher-Inverter 108 so gesteuert werden, dass eine elektrische Energie des elektrischen Energiespeichers 114 über die Mehrzahl der Motorwicklungen lila, 111b, 111c der elektrischen Maschine 110 am Phasenausgangs-Anschluss 104a, 104b, 104c des bidirektionalen Maschinen-Inverters 104 bereitgestellt wird und der bidirektionale Maschinen-Inverter 104 in einer zweiten Richtung betrieben wird, um dem Aggregat-Inverter 106 elektrische Energie bereitzustellen, wobei der Aggregat-Inverter 106 zumindest einem Aggregat 112 des Brennstoffzellen-Systems 160 für einen Startvorgang des Brennstoffzellen-Systems 160 elektrische Energie bereitstellt. In der 1 deuten die offenen Doppel-Pfeile die beschriebene Energieflussrichtung für den Start-Betriebs-Modus an.
  • Dieser Leistungsfluss kann auf <10kW beschränkt sein, was für den Start-Betriebs-Modus des Brennstoffzellen-Systems allerdings ausreichend ist.
  • Die 2 skizziert mit einer Angabe einer Energieflussrichtung mit schraffierten Pfeilen wie mit diesem System 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 110 mit einem Brennstoffzellen-System 160 in einem Normal-Betriebs-Modus elektrische Energie an dem Ausgangsanschluss 102a, 102b des Brennstoffzellen-Systems 160 bereitgestellt werden kann und mittels des Phasenausgangs-Anschlusses 104a, 104b, 104c, des in einer ersten Richtung betriebenen bidirektionalen Maschinen-Inverters 104 der elektrischen Maschine 110 bereitgestellt werden, um die elektrische Maschine 110 zu betreiben und der Aggregat-Inverter 106 zumindest ein Aggregat 112 des Brennstoffzellen-Systems 160 für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 160 mit elektrischer Energie versorgt.
  • Ein kathodenseitiger Teil 120 des Brennstoffzellen-Systems 160 weist einen Luftfilter 112d auf, der die, von einem Gebläse 112 mit einem Verdichter-Teil des Gebläses 112a angesaugte Umgebungsluft von Partikeln filtert. Der so gereinigte Luftstrom wird mittels des Gebläses 112a verdichtet, über einen Wärmetauscher 122 geführt und in einem Befeuchter 121 für die Zuführung zu einem Kathodenraum des Brennstoffzellen-Stacks 102 mit Wasser angereichert. Wenn dieser Luftstrom im Kathodenraum des Brennstoffzellen-Stacks 102 mit weiterem Wasser angereichert wird, kann dieses in dem Luftstrom enthaltene Wasser dem Befeuchter 121 beim Ausströmen aus dem Kathodenraum des Brennstoffzellen-Stacks 102 wieder abgegeben werden. Rückschlagventile 126, 128, die vor bzw. hinter dem Kathodenraum des Brennstoffzellen-Stacks 102 in die Führung des Luftstroms eingefügt sind verhindern eine Umkehr des Luftstroms. Bevor diese Abluft des Kathodenraums des Brennstoffzellen-Stacks 102 den Kathodenseiten-Teil 120 des Brennstoffzellensystems 160 verlässt, kann mittels eines Turbinen-Teils 112b des Gebläses 112, kinetische Energie des Abluft-Luftstroms zurückgewonnen werden, bevor der Abluft-Luftstrom über ein Ventil 112c den Kathodenseiten-Teil 120 des Brennstoffzellen-Systems 160 in die Umgebung verlässt. Ein regelbares Ventil 124 kann zwischen dem Verdichter-Teil 112a und dem Turbinen-Teil 112b des Gebläses 112 vorgesehen sein.
  • Ein Kühlkreislauf 130 für den Brennstoffzellen-Stack 102 weist eine Kühlmittelpumpe 132 auf, die ein Kühlmittel des Kühlkreislaufs 130 durch den Brennstoffzellen-Stack 102 pumpt und eingerichtet ist, mittels eines Dreiwegeventils 134 einen Teil eines Kühlmittel-Flusses durch einen Kühler 136 zu führen, um mittels des Kühlmittels und des Kühlers 136 Wärme aus dem Brennstoffzellen-Stack 102 herauszuführen und den anderen Teil des Kühlmittels direkt wieder dem Kühlkreislauf 130 zuzuführen.
  • Ein anodenseitiger Teil 150 des Brennstoffzellen-Systems 160 weist einen Brennstoffvorrat 140, wie beispielsweise Wasserstoff in einem Wasserstoff-Tank 140, auf, wobei der Brennstoff über ein Absperrventil 142 und ein Druckregler 144 einer Strahlpumpe 146 zugeführt wird, die den Brennstoff der Anoden-Seite des Brennstoffzellen-Stacks 102, für die elektrochemische Reaktion innerhalb des Brennstoffzellen-Stacks 102, zuführt. Überschüsse des Brennstoffs können über eine Brennstoff-Pumpe 148 der Jet-Pump 146 wieder an einem anodenseitigen Eingangsanschluss des Brennstoffzellen-Stacks 102 bereitgestellt werden. Überschüssiges, bei der elektrokatalytischen Reaktion angefallenes Wasser, wird mit dem Brennstoff-Überschuss aus dem Brennstoffzellen-Stack 102 heraustransportiert und kann mittels eines Wasserabscheiders 158 in einem Wasserbehälter 152 gesammelt werden. Dieses Wasser kann über ein Drain-Ventil 154, über die kathodenseitige Abluft, mittels des Turbinen-Teils 112b des Gebläses 112 als Abluft das Brennstoffzellen-System 160 verlassen. Zusätzlich kann der Brennstoff-Überschuss über ein Purge-Ventil 156 über die kathodenseitige Abluft mittels des Turbinen-Teils 112b des Gebläses 112 als Abluft das Brennstoffzellen-System 160 verlassen.
  • Das System 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 110 kann für elektrische Verbraucher mit Niedrigspannung einen Niederspannung-Energiespeicher 118 vorsehen, der über einen DCDC- Konverter 116 mit den Gleichstromanschlüssen 108d, 108e des Energiespeicher-Inverters 108 elektrisch gekoppelt ist, wobei der DCDC-Konverter 116 eingerichtet ist die Spannung des elektrischen Energiespeichers 114 auf das Spannungsniveau des Niederspannung-Energiespeichers 118 anzupassen. Durch die Koppelung des DCDC-Konverters 116 mit dem Gleichstromanschluss 108d, 108e des bidirektionalen Energiespeicher-Inverter 108 kann elektrische Energie vom bidirektionale Energiespeicher-Inverter 108 an den Niederspannung-Energiespeicher 118 übertragen werden.
  • Im Folgenden werden beispielhaft Verluste im Normalbetrieb für drei unterschiedliche Topologien numerisch verglichen. In allen drei Fällen wird von einem Leistungsbedarf von 100kW für die elektrische Maschine in einem Hochlastpunkt für eine Antriebssituation ausgegangen. Für den Luftverdichter wird beispielhaft von einem Leistungsbedarf von 20kW ausgegangen.
    Damit ergibt sich für eine Topologie gemäß dem Stand der Technik bei dem die Brennstoffzelle über einen DCDC Wandler sowohl mit dem elektrischen EnergieSpeicher als auch mit dem Luftverdichter gekoppelt ist und die elektrische Maschine über einen Inverter an diesen DCDC Wandler gekoppelt ist ein Bedarf von 127 kW, die von dem Brennstoffzellen-Stack 102 bereitgestellt werden müssen, wenn von einem Verlust von 3 % bei jedem Leistungselektronik-Bauteil ausgegangen wird. Verluste in der elektrischen Maschine werden hier nicht betrachtet. Dieser Wert ergibt sich rückwärts gerechnet aus den 100 kW an der elektrischen Maschine, die mit einem dreiprozentigen Verlust im Inverter 103 kW ergeben. Der Bedarf für den Luftverdichter beträgt 20 kW, die zusätzlich zu den 103 kW von dem DCDC Wandler bereitgestellt werden müssen und mit den dreiprozentigen Verlusten den angegebenen Wert von 127 kW ergeben.
  • Die zweite Topologie betrachtet den Fall, dass ein System eine Topologie zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit einem Brennstoffzellensystem mit einem bidirektionalen Energiespeicher-Inverter und einem unidirektionalen Maschinen-Inverter aufweist, wobei die Inverter über die elektrische Maschine gekoppelt werden.
    Wird hier analog dem Stand der Technik das Aggregat, also in diesem Fall der Luftverdichter, an den elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt damit elektrische Energie für die Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Systems bereitgestellt werden kann, so ergibt sich eine von dem Brennstoffzellen-System bereitzustellende Leistung von 124,3 kW.
    Werden auch hier Verluste in der elektrischen Maschine vernachlässigt, so ergibt sich aufgrund des Energiespeicher-Inverters, der die Leistung des Luftverdichters bereitstellt, mit dem angegebenen Wirkungsgrad eine aufzubringende Leistung von 20,6 kW, die zusammen mit dem Bedarf der elektrischen Maschine von dem unidirektionalen Maschinen-Inverter bereitgestellt werden müssen und wiederum mit einem dreiprozentigen Verlust den genannten Wert von 124,3 kW.
  • Die dritte Topologie betrachtet den Fall des erfindungsgemäßen Systems, zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit zwei bidirektionalen Inverter, wobei diese, wie oben beschrieben, über die elektrische Maschine gekoppelt sind. Hier wirkt im Normalbetrieb nur der zusätzliche Verlust des bidirektionalen Maschinen-Inverters, wodurch eine Leistung von 103 kW von dem Brennstoffzellen-System bereitgestellt werden muss, zudem rein additiv der Leistungsbedarf des Luftverdichters mit 20 kW insgesamt einen Wert von 123 kW ergibt.
  • Vergleicht man die zweite und die dritte Topologie so ergibt sich für die dritte Topologie ein zusätzlicher Vorteil des reduzierten Leistungsflusses in der elektrischen Maschine. Entsprechend den oben dargestellten Leistungswerten ergibt sich für den Leistungsfluss gemäß der zweiten Topologie 120,6 kW, wohingegen sich für die dritte Topologie der Leistungsfluss von 100kW durch die elektrische Maschine ergibt. Da die elektrische Maschine im Volllastpunkt häufig leistungslimitiert ist, wird er durch die erfindungsgemäße dritte Topologie entlastet, so dass er kleiner dimensioniert werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017220098 A1 [0018]

Claims (14)

  1. System (100) zum Betreiben einer elektrischen Maschine (110) mit einem Brennstoffzellen-System (160), mit: einem bidirektionalen Maschinen-Inverter (104), dessen Gleichstromeingangs-Anschluss (104d, 104e) eingerichtet ist, mit einem elektrischen Ausgangsanschluss (102a, 102b) des Brennstoffzellen-Systems (160) elektrisch gekoppelt zu werden; und dessen Phasenausgangs-Anschluss (104a, 104b, 104c) eingerichtet ist, elektrisch mit der elektrischen Maschine (110) gekoppelt zu werden; und einem Aggregat-Inverter (106) mit einem Gleichstromeingangs-Anschluss (106a, 106b), wobei der Gleichstromeingangs-Anschluss (106a, 106b) des Aggregat-Inverters (106) mit dem Gleichstromeingangs-Anschluss (104d, 104e) des Maschinen-Inverters (104) elektrisch parallel geschaltet ist; und der Aggregat-Inverter (106) eingerichtet ist, mindestens ein Aggregat (112) für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (160), mit elektrischer Energie zu versorgen.
  2. System (100) gemäß Anspruch 1, mit einem bidirektionalen Energiespeicher-Inverter (108), dessen Gleichstromeingang (108d, 108e) eingerichtet ist, mit einem elektrischen Energiespeicher (114) elektrisch gekoppelt zu werden; und dessen Phasenausgangs-Anschluss (108a, 108b, 108c) eingerichtet ist elektrisch mit der elektrischen Maschine (110) gekoppelt zu werden; und bei dem der Maschinen-Inverter (104), zur Bereitstellung von elektrischer Energie des elektrischen Energiespeichers (114) für den Aggregat-Inverter (106), eingerichtet ist, in einer ersten und einer zweiten Betriebs-Richtung in Bezug auf einen Energiefluss betrieben zu werden.
  3. System (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aggregat-Inverter (106) mittels eines Phasenausgangs-Anschlusses (106c, 106d, 106e) eingerichtet ist mit zumindest einem Aggregat (112) für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (160) elektrisch verbunden zu werden.
  4. System (100) gemäß Anspruch 3, wobei das Aggregat (112) für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (160) ein Luftverdichter (112) zum Betreiben des Brennstoffzellen-System (160) ist.
  5. System (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die elektrische Maschine (110) eine Mehrzahl von Motorwicklungen (111a, 111b, 111c) aufweist und jede Motorwicklung (111a, 111b, 111c) einen ersten (110a, 110b, 110c) und einen zweiten Anschluss (110d, 110e, 110f) aufweist und der Maschinen-Inverter (104) eingerichtet ist mit der Mehrzahl von ersten Anschlüssen (110a, 110b, 110c) der elektrischen Maschine (110) elektrisch verbunden zu werden und der Energiespeicher-Inverter (108) mit der Mehrzahl von zweiten Anschlüssen (110d, 110e, 110f) der elektrischen Maschine (110) verbunden ist, wodurch der Phasenausgangs-Anschluss (104a, 104b, 104c) des Maschinen-Inverters (104) und der Phasenausgangs-Anschluss (108a, 108b, 108c) des Energiespeicher-Inverters (108) mittels der Mehrzahl von Motorwicklungen (111a, 111b, 111c) elektrisch miteinander verbunden sind.
  6. System (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen einem Anschluss des Gleichstromeingangs (104d, 104e) des Maschinen-Inverters (104) und einem Ausgangsanschluss (102a, 102b) des Brennstoffzellen-Systems (160) eine Diode (105) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  7. System (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bidirektionale Maschinen-Inverter (104) eingerichtet ist, dreiphasig elektrisch mit der elektrischen Maschine (110) gekoppelt zu werden.
  8. System (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Energiespeicher-Inverter (108) eingerichtet ist, dreiphasig elektrisch mit der elektrischen Maschine (100) gekoppelt zu werden.
  9. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (110) mit einem Brennstoffzellen-System (160) und einem System (100) gemäß Anspruch 1 bis 8 in einem Start-Betriebs-Modus, wobei ein Energiespeicher-Inverter (108) so gesteuert wird, dass eine elektrische Energie eines elektrischen Energiespeichers über eine Mehrzahl der Motorwicklungen (111a, 111b, 111c) einer elektrischen Maschine (110) am einem Phasenausgangs-Anschluss (104a, 104b, 104c) eines bidirektionalen Maschinen-Inverters (104) bereitgestellt wird und der bidirektionale Maschinen-Inverter (104) in einer zweiten Richtung betrieben wird, um einem Aggregat-Inverter (106) elektrische Energie bereitzustellen, wobei der Aggregat-Inverter (106) zumindest einem Aggregat (112) des Brennstoffzellen-Systems (160) für einen Startvorgang des Brennstoffzellen-Systems (160) elektrische Energie bereitstellt.
  10. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (110) mit einem Brennstoffzellen-System (160) und einem System (100) gemäß Anspruch 1 bis 8 in einem Normal-Betriebs-Modus, wobei elektrische Energie an einem Ausgangsanschluss (102a, 102b) des Brennstoffzellen-Systems (160) bereitgestellt wird und mittels eines Phasenausgangs-Anschlusses (104a, 104b, 104c), des in einer ersten Richtung betriebenen bidirektionalen Maschinen-Inverters (104), der elektrischen Maschine (110) bereitgestellt wird, um die elektrische Maschine (110) zu betreiben und ein Aggregat-Inverter (106) zumindest ein Aggregat (112) des Brennstoffzellen-Systems (160) für den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems (160) mit elektrischer Energie versorgt.
  11. Verwendung eines Systems (100) gemäß einem der Ansprüchen 1 bis 8, zum Antrieb einer mobilen Plattform.
  12. Steuergerät, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 durchzuführen.
  13. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 auszuführen.
  14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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