DE102020202330A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens eine Brennstoffzelle (2) und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter (3) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Luft umfasst, wobei
a) im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) der Luftverdichter (3) über ein an die Brennstoffzelle (2) angeschlossenes Hochvoltnetz (4) mit einer elektrischen Spannung versorgt wird und
b) im Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) die Spannungsversorgung über eine Niedervoltbatterie und einen Spannungswandler (5) sichergestellt wird, der die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung wandelt. Erfindungsgemäß wird im Startbetrieb ein Stromfluss in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle (2) durch eine Diode (6) verhindert, die in einem Abzweig (7) des Hochvoltnetzes (4) angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann bzw. die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
  • Stand der Technik
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 012 047 A1 geht beispielhaft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bzw. zum Starten einer Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug hervor. Die Luftversorgungseinrichtung umfasst eine Luftfördereinrichtung mit einem Antriebsmotor, der beim Starten mit einer elektrischen Leistung aus einer Hochvoltbatterie versorgt wird, sofern diese in der Lage ist, eine ausreichende elektrische Leistung bereitzustellen. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise, weil die Hochvoltbatterie leer oder defekt ist, erfolgt das Starten mit einer elektrischen Leistung aus einer Niedervoltbatterie, die über einen Spannungswandler auf ein Spannungsniveau hochgesetzt wird, welches für den Antriebsmotor der Luftfördereinrichtung geeignet ist. Der Spannungswandler ist ein DC/DC-Wandler, mit dessen Hilfe beispielsweise die Spannung einer 12 V Niedervoltbatterie auf ein Spannungsniveau hochgesetzt werden kann, das in jedem Fall größer als 60 V Gleichstrom als Nennspannung hat und das typischerweise in der bei der Brennstoffzelle üblichen Größenordnung der Spannung von 100 bis 400 V liegt.
  • Bei Brennstoffzellenfahrzeugen mit Traktionsmotoren haben sich zwei Spannungsniveaus etabliert, und zwar ein erstes, das einen Spannungsbereich von 250 bis 450 V abdeckt, und ein zweites, das einen Spannungsbereich von 520 bis 750 V abdeckt. Bei PKW-Anwendungen kommt üblicherweise das erste Spannungsniveau zum Einsatz, bei LKW-Applikationen das zweite. In Abhängigkeit von der Spannungslage des Traktionsmotors gelten unterschiedliche Sicherheitsanforderungen für die Hochvolt-Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Komplexität eines Brennstoffzellensystems bei Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen zu senken, und zwar idealerweise unabhängig davon, ob das Brennstoffzellensystem in einem PKW oder in einem LKW zur Anwendung gelangt.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft umfasst. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wird der Luftverdichter über ein an die Brennstoffzelle angeschlossenes Hochvoltnetz mit einer elektrischen Spannung versorgt. Im Startbetrieb des Brennstoffzellensystems wird die Spannungsversorgung über eine Niedervoltbatterie und einen Spannungswandler sichergestellt, der die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung wandelt. Erfindungsgemäß wird im Startbetrieb ein Stromfluss in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle durch eine Diode verhindert, die in einem Abzweig des Hochvoltnetzes angeordnet ist.
  • Die Diode verhindert, dass es beim Starten des Brennstoffzellensystems zu einer unerwünschten Elektrolysereaktion kommt. Denn zum Startzeitpunkt ist die notwendige Versorgung eines Kathodenbereichs der Brennstoffzelle mit Luft als Kathodengas noch nicht sichergestellt. Sobald der Kathodenbereich mit ausreichend Luft versorgt ist, erreicht die Brennstoffzelle ihre Leerlaufspannung und kann die Spannungsversorgung des Luftverdichters über das Hochvoltnetz übernehmen. Der Stromfluss erfolgt dabei über die Diode, die in dieser Richtung nicht sperrt. Über die Diode ist demnach zugleich der Luftverdichter an das Hochvoltnetz bzw. an die mindestens eine Brennstoffzelle angeschlossen.
  • Die wahlweise Leistungsversorgung des Luftverdichters aus der Niedervoltbatterie oder aus dem Hochvoltnetz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfordert dank der Diode weder ein spezielles Leistungssteuerungssystem noch einen Leistungsschalter. Auf diese Weise wird die Komplexität des Brennstoffzellensystems verringert.
  • Die Möglichkeit der Leistungsversorgung des Luftverdichters über die Niedervoltbatterie ermöglicht zudem Freiheitsgrade im Hinblick auf Gefrierstart- und Trocknungsprozeduren. In beiden Fällen kann auf eine Leistungsversorgung aus dem Hochvoltnetz verzichtet werden.
  • Durch die Anordnung der Diode in einem Abzweig des Hochvoltnetzes, muss die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte Leistung nicht über die Diode in das Hochvoltnetz eingespeist werden, so dass Leistungsverluste vermieden werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein bidirektionaler Spannungswandler verwendet wird und der bidirektionale Spannungswandler im Normalbetrieb zum Laden der Niedervoltbatterie genutzt wird. Die zum Laden der Niedervoltbatterie erforderliche Spannung kann dann dem Hochvoltnetz entnommen werden, und zwar über den Abzweig und die hierin angeordnete Diode, da diese Richtung des Stromflusses der Durchlassrichtung der Diode entspricht. Mit Hilfe des Spannungswandlers wird dann die dem Hochvoltnetz entnommene hohe Spannung in eine niedrigere Spannung gewandelt, die dem Spannungsniveau der Niedervoltbatterie entspricht.
  • Der bidirektionale Spannungswandler ist vorzugsweise ein Gleichspannungs- bzw. ein DC/DC-Wandler, mit dessen Hilfe zum Einen eine niedrige Spannung von beispielsweise 12 V oder 24 V in eine höhere Spannung von beispielsweise 400 V gewandelt werden kann („Boost-Betrieb“ des Spannungswandlers), zum Anderen eine höhere Spannung von beispielsweise 400 V in eine niedrigere Spannung von beispielsweise 12 V oder 24 V gewandelt werden kann („Buck-Betrieb“ des Spannungswandlers).
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz angeordneten Leistungsschalters eine Hochvoltbatterie und/oder ein Traktionsmotor über das Hochvoltnetz mit einer elektrischen Spannung versorgt wird bzw. werden. Die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte und in das Hochvoltnetz eingespeiste Leistung kann dann zum Betreiben des Traktionsmotors und/oder zum Laden der Hochvoltbatterie genutzt werden. Bei geeigneter Platzierung kann zudem mit Hilfe des mindestens einen Leistungsschalters der Luftverdichter vom Hochvoltnetz getrennt werden. Dies ist insbesondere in einem Fehlerfall von Vorteil, beispielsweise bei einer defekten Hochvoltsystemkomponente. Durch die Trennung des Luftverdichters vom Hochvoltnetz wird die eingangs erwähnte geforderte Hochvoltsicherheit der Komponenten gewährleistet.
  • Im Hochvoltnetz kann insbesondere ein weiterer Spannungswandler als Hochvoltsystemkomponente angeordnet sein. Mit Hilfe des weiteren Spannungswandlers kann eine variable Spannung aus der mindestens einen Brennstoffzelle in eine zumindest annähernd konstante Spannung gewandelt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Leistung der Brennstoffzelle der Energieversorgung eines Traktionsmotors dient.
  • Vorteilhafterweise wird ein monodirektionaler Gleichspannungswandler als weiteren im Hochvoltnetz angeordneter Spannungswandler verwendet. Denn auf diese Weise kann die Komplexität des Brennstoffzellensystems weiter gesenkt werden. Insbesondere kann auf der Eingangsseite des Spannungswandlers angeordnete zusätzliche Verbraucher, wie beispielsweise Spulen und/oder Kondensatoren, verzichtet werden. Zudem kommt dieses System ohne eine Vorladeschaltung aus.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das mindestens einen Brennstoffzelle und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft umfasst. Der Luftverdichter ist dabei wahlweise über ein an die Brennstoffzelle angeschlossenes Hochvoltnetz oder über eine Niedervoltbatterie und einem zwischengeschalteten Spannungswandler mit einer elektrischen Spannung versorgbar. Erfindungsgemäß ist der Luftverdichter über eine Diode an das Hochvoltnetz angeschlossen. Die Diode ist dabei in einem Abzweig des Hochvoltnetzes angeordnet und sperrt den Stromfluss vom Luftverdichter in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle.
  • Über die Diode ist somit sichergestellt, dass im Startbetrieb kein Strom in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle fließt. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Elektrolysereaktion verhindert.
  • Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem weist alle notwendigen Komponenten zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auf, so dass es vorzugsweise nach diesem Verfahren betrieben wird. Entsprechend lassen sich mit dem vorgeschlagenen Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile wie mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erzielen.
  • Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems ist, dass bei völliger Entladung der Niedervoltbatterie mit externer Starthilfe fremdgestartet werden kann. Bei einem Brennstoffzellensystem, welches die Startenergie aus der Hochvoltbatterie bezieht, entfällt diese Möglichkeit.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Spannungswandler ein bidirektionaler Spannungswandler. Weiterhin vorzugsweise ein bidirektionaler Gleichspannungs- bzw. DC/DC-Wandler. Durch Einsatz eines bidirektionalen Spannungswandlers kann dieser nicht nur zum Wandeln der Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung genutzt werden („Boost-Betrieb“), sondern ferner zum Wandeln einer höheren Spannung in eine Spannung, die dem Spannungsniveau der Niedervoltbatterie entspricht („Buck-Betrieb“). Somit kann im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems die Niedervoltbatterie über den Spannungswandler geladen werden.
  • Des Weiteren bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz angeordneten Leistungsschalters mit einer Hochvoltbatterie und/oder einem Traktionsmotor verbunden oder verbindbar. Die Leistung des Brennstoffzellensystems kann somit zur Energieversorgung des Traktionsmotors und/oder zum Laden der Hochvoltbatterie genutzt werden. Ferner kann bei entsprechender Schaltstellung des mindestens einen Leistungsschalters der Luftverdichter vom Hochvoltnetz getrennt werden, so dass auf diese Weise die geforderte Hochvoltsicherheit eingehalten wird.
  • Im Hochvoltnetz ist vorzugsweise ein weiterer Spannungswandler angeordnet, der vorzugsweise ein monodirektionaler Gleichspannungswandler ist. Mit Hilfe des weiteren Spannungswandlers kann die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte variable Spannung in eine zumindest annähernd konstante Spannung gewandelt werden. Auf diese Weise kann die Leistungsversorgung des Traktionsmotors verbessert werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
    • 2 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Dem Schaltbild der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit mindestens einer Brennstoffzelle 2 zu entnehmen. Mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wird im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine elektrische Leistung erzeugt, die in ein an die Brennstoffzelle 2 angeschlossenes Hochvoltnetz 4 eingespeist wird. Mit Hilfe der in das Hochvoltnetz 4 eingespeisten elektrischen Leistung kann ein Traktionsmotor 11 betrieben werden. Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Leistung zum Laden einer Hochvoltbatterie 10 genutzt werden. Im Hochvoltnetz 4 ist ein Spannungswandler 12 angeordnet (nachfolgend „Hochvoltwandler“ genannt), der die über die mindestens eine Brennstoffzelle 2 bereitgestellte variable Spannung in eine konstante Spannung wandelt.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 muss die mindestens eine Brennstoffzelle 2 mit Luft versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst hierzu einen Luftverdichter 3, der mit Hilfe eines Elektromotors 15 angetrieben wird. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird der Luftverdichter 3 bzw. der Elektromotor 15 des Luftverdichters 3 über das Hochvoltnetz 4 mit der erforderlichen elektrischen Spannung versorgt. Der Luftverdichter 3 ist hierzu über einen Abzweig 7 an das Hochvoltnetz 4 angeschlossen.
  • Im Abzweig 7 ist eine Diode 6 angeordnet, die einen Stromfluss vom Luftverdichter 3 in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle 2 unterbindet. Denn der Luftverdichter 3 ist nicht nur an das Hochvoltnetz 4, sondern ferner an eine weitere Spannungsversorgung angeschlossen, die eine Niedervoltbatterie (nicht dargestellt) sowie einen weiteren Spannungswandler 5 (nachfolgend „Niedervoltwandler“ genannt) umfasst. Mit Hilfe des Niedervoltwandlers kann die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung gewandelt werden, so dass im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 hierüber der Luftverdichter 3 gestartet werden kann. Die Diode 6 verhindert dann, dass Strom über den Abzweig 7 in Richtung der Brennstoffzelle 2 fließt. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Elektrolysereaktion verhindert.
  • Der Niedervoltwandler 5 ist vorliegend als bidirektionaler Spannungswandler 5 ausgebildet, so dass im Normalbetrieb die dem Hochvoltnetz 4 entnommene elektrische Leistung zum Laden der Niedervoltbatterie (nicht dargestellt) genutzt werden kann. Den die im Abzweig 7 angeordnete Diode 6 lässt einen Stromfluss in diese Richtung zu.
  • Mit Hilfe von Leistungsschaltern 8, 9 kann zudem der Verdichter 3 vom Hochvoltnetz 4 getrennt werden. Die Leistungsschalter 8, 9, die Diode 6 sowie optional vorgesehene Sicherungen 16 können gemeinsam in ein Gehäuse 17 eines Leistungssteuerungssystems 13 integriert sein.
  • Das in der 1 dargestellte System kommt ohne Vorladeschaltung aus. Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die in der 2 dargestellt ist, kann jedoch eine Vorladeschaltung 14 vorhanden sein. In der 2 wurde zugleich der Leistungsschalter 9 verschoben.
  • In den beiden dargestellten Ausführungsformen ist der Hochvoltwandler 12 jeweils als monodirektionaler Gleichspannungswandler ausgeführt. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Denkbar sind auch Ausführungsformen, die einen bidirektionalen Hochvoltwandler 12 einsetzen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015012047 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens eine Brennstoffzelle (2) und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter (3) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Luft umfasst, wobei a) im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) der Luftverdichter (3) über ein an die Brennstoffzelle (2) angeschlossenes Hochvoltnetz (4) mit einer elektrischen Spannung versorgt wird und b) im Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) die Spannungsversorgung über eine Niedervoltbatterie und einen Spannungswandler (5) sichergestellt wird, der die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass im Startbetrieb ein Stromfluss in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle (2) durch eine Diode (6) verhindert wird, die in einem Abzweig (7) des Hochvoltnetzes (4) angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionaler Spannungswandler (5) verwendet wird und der bidirektionale Spannungswandler (5) im Normalbetrieb zum Laden der Niedervoltbatterie genutzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz (4) angeordneten Leistungsschalters (8, 9) eine Hochvoltbatterie (10) und/oder ein Traktionsmotor (11) über das Hochvoltnetz (4) mit einer elektrischen Spannung versorgt wird bzw. werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines im Hochvoltnetz (4) angeordneten weiteren Spannungswandlers (12) eine variable Spannung aus der mindestens einen Brennstoffzelle (2) in eine zumindest annähernd konstante Spannung gewandelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein monodirektionaler Gleichspannungswandler (12) als weiterer Spannungswandler (12) verwendet wird.
  6. Brennstoffzellensystem (1), umfassend mindestens einen Brennstoffzelle (2) und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter (3) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Luft, wobei der Luftverdichter (3) wahlweise über ein an die Brennstoffzelle (2) angeschlossenes Hochvoltnetz (4) oder über eine Niedervoltbatterie und einem zwischengeschalteten Spannungswandler (5) mit einer elektrischen Spannung versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftverdichter (3) über eine Diode (7) an das Hochvoltnetz (4) angeschlossen ist, die in einem Abzweig (7) des Hochvoltnetzes (4) angeordnet ist und den Stromfluss vom Luftverdichter (3) in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle (2) sperrt.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (5) ein bidirektionaler Spannungswandler (5) ist.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (2) in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz (4) angeordneten Leistungsschalters (8, 9) mit einer Hochvoltbatterie (10) und/oder einem Traktionsmotor (11) verbunden oder verbindbar ist.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochvoltnetz (4) ein weiterer Spannungswandler (12) angeordnet ist, der vorzugsweise ein monodirektionaler Gleichspannungswandler ist.
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