DE102021106835A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Brennstoffzellenstapel (102) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler (152) zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, zur Generierung einer elektrischen Mindestlast, umfassend die Schritte:a) Schalten einer Elektronik des DC/DC-Wandlers (152) durch ein Steuergerät (136) zum Erzeugen eines nach außen hin neutralen Stromflusses,b) Abführen der durch den Stromfluss und das Schalten generierten Wärme in ein Kühlsystem (130) der Brennstoffzellenvorrichtung.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.The invention relates to a method for operating a fuel cell device having a fuel cell stack (102) with a multi-phase, bidirectional DC/DC converter (152) for coupling to a consumer network, for generating a minimum electrical load, comprising the steps: a) switching electronics of the DC / DC converter (152) by a control unit (136) for generating an externally neutral current flow, b) dissipating the heat generated by the current flow and switching into a cooling system (130) of the fuel cell device. The invention further relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, zur Generierung einer elektrischen Mindestlast, umfassend die Schritte:

  1. a) Schalten einer Elektronik des DC/DC-Wandlers durch ein Steuergerät zum Erzeugen eines nach außen hin neutralen Stromflusses,
  2. b) Abführen der durch den Stromfluss und das Schalten generierten Wärme in ein Kühlsystem der Brennstoffzellenvorrichtung.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device having a fuel cell stack with a multiphase, bidirectional DC/DC converter for coupling to a consumer network, for generating a minimum electrical load, comprising the steps:
  1. a) switching electronics of the DC/DC converter by a control unit to generate an externally neutral current flow,
  2. b) dissipating the heat generated by the current flow and the switching into a cooling system of the fuel cell device.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.The invention further relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

Elektromobilität kann bereit gestellt werden durch Kraftfahrzeuge mit einem batterieelektrischen Antrieb oder durch Brennstoffzellen-Fahrzeuge, in denen Brennstoffzellenvorrichtungen die erforderliche elektrische Energie erzeugen, wobei auch in Brennstoffzellen-Fahrzeugen stets wiederaufladbare Batterien für den Startvorgang, als Pufferspeicher und für Leistungsspitzen erforderlich sind. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird daher eine Mehrzahl von Leistungselektroniken verwendet einschließlich von Leistungswandlern (AC/DC oder DC/DC). Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen wandelt und verteilt insbesondere ein DC/DC-Wandler die von der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel bereit gestellte elektrische Leistung zwischen der als Hochvoltbatterie bereit gestellten Batterie und dem Traktionsnetz mit dem Elektromotor.Electromobility can be provided by motor vehicles with a battery-electric drive or by fuel cell vehicles in which fuel cell devices generate the required electrical energy, with fuel cell vehicles also always requiring rechargeable batteries for the starting process, as buffer storage and for power peaks. A variety of power electronics including power converters (AC/DC or DC/DC) are therefore used in fuel cell vehicles. In fuel cell vehicles, a DC/DC converter in particular converts and distributes the electrical power provided by the fuel cell device with a fuel cell stack having a plurality of fuel cells between the battery provided as a high-voltage battery and the traction network with the electric motor.

Dabei sind Leistungen bis zu mehreren hundert Kilowatt zu verteilen beziehungsweise zu wandeln, wozu Leistungsschalter eingesetzt werden, die verlustbehaftet sind und Wärme generieren, die durch ein Kühlsystem abgeführt werden muss. Aufgrund der hohen Wärmekapazität wird zur Temperierung der Bauteile in der Regel eine Kühlflüssigkeit verwendet.Powers of up to several hundred kilowatts have to be distributed or converted, for which purpose circuit breakers are used, which are lossy and generate heat that has to be dissipated by a cooling system. Due to the high heat capacity, a cooling liquid is usually used to control the temperature of the components.

Bei dem Start der Brennstoffzellenvorrichtung wird elektrische Energie generiert, deren Verbrauch nicht stets gewährleistet ist, so dass zu deren Verbrauch oder zum Aufbringen der Mindestlast der Brennstoffzellenvorrichtung elektrische Heizsysteme verwendet werden, die diese Energie in Form von Wärme in das Kühlsystem abführen. Allerdings wird dafür ein separates Bauteil, nämlich das elektrische Heizsystem benötigt, wie dies beispielsweise in der US 2013/0189597 A1 offenbart ist.When starting the fuel cell device, electrical energy is generated whose consumption is not always guaranteed, so that electrical heating systems are used to consume it or to apply the minimum load of the fuel cell device, which dissipate this energy in the form of heat into the cooling system. However, a separate component, namely the electrical heating system, is required for this, as is the case, for example, in US 2013/0189597 A1 is revealed.

In der DE 10 2005 012 617 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, deren Brennstoffzellenstapel mit einem elektrischen Anschluss ausgestattet ist, über den der Brennstoffzellenstapel mit einer Wechselspannungserzeugungsvorrichtung verbunden ist, über die ein Wechselstrom über den Anschluss zur Heizung des Brennstoffzellenstapels einspeisbar ist, um diesen zu erwärmen. Die DE 10 2006 031 866 A1 zeigt die Möglichkeit, die beim Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung entstehende Abwärme zum Erwärmen der Umgebungsluft zu nutzen, dies sodann als (erwärmte) Prozeßluft verwendet wird.In the DE 10 2005 012 617 A1 describes a fuel cell device whose fuel cell stack is equipped with an electrical connection via which the fuel cell stack is connected to an AC voltage generating device via which an alternating current can be fed in via the connection for heating the fuel cell stack in order to heat it. the DE 10 2006 031 866 A1 shows the possibility of using the waste heat produced during the operation of a fuel cell device to heat the ambient air, which is then used as (heated) process air.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbrauch generierter elektrischer Energie bereit zu stellen, das mit einem einfachen Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung ausführbar ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorichtung sowie ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a method for consuming generated electrical energy which can be carried out with a simple construction of the fuel cell device. The object is also to provide an improved fuel cell device and an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 8 sowie durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 8 and by a fuel cell vehicle having the features of claim 9. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei dem Startvorgang des Brennstoffzellenstapels generierte elektrische Energie verbraucht werden kann, indem ein bereits vorhandenes Bauteil, nämlich der DC/DC-Wandler mit dessen Elektronik so betrieben wird, dass dieser sich erwärmt, also Verlustleistung entsteht, wobei diese generierte Abwärme dem Kühlsystem zugeführt wird. Die Betriebsweise ist also gezielt darauf ausgelegt, den DC/DC-Wandler ineffizient zu betreiben, um so dessen eine Last für den Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen. Es wird ein stabiler Start der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht, wodurch auch dessen Lebensdauer positiv beeinflusst wird. Die an das Kühlsystem abgeführte Wärme kann dabei zusätzlich an anderer Stelle genutzt werden, beispielsweise zur schnelleren Erwärmung von Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung einschließlich des Brennstoffzellenstapels, so dass die aufgewendete Energie nicht verschwendet ist.The method mentioned at the outset is characterized in that electrical energy generated during the starting process of the fuel cell stack can be consumed by operating an already existing component, namely the DC/DC converter with its electronics, in such a way that it heats up, i.e. power loss occurs , whereby this generated waste heat is fed to the cooling system. The mode of operation is therefore specifically designed to operate the DC/DC converter inefficiently in order to provide its load for the fuel cell stack. A stable start of the fuel cell device is made possible, which also has a positive effect on its service life. The heat dissipated to the cooling system can also be used elsewhere, for example for faster heating of components of the fuel cell device including the fuel cell stack, so that the energy used is not wasted.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die elektrische Mindestlast ohne ein zusätzliches Bauteil als Verbraucher bereit gestellt wird, also eine Bauraumersparnis sowie ein Integrationsvorteil vorliegt.It is particularly advantageous that the minimum electrical load is provided without an additional component as a consumer, ie there is a saving in installation space and an integration advantage.

Bevorzugt ist es, wenn durch die Elektronik eine Phase 1 des mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler als Hochsetzsteller betrieben wird, um elektrische Energie aus dem Brennstoffzellenstapel mit einem Strom ILAST in das Verbrauchernetz zu transportieren, wobei eine Phase 2 als Tiefsetzsteller betrieben wird, um elektrische Energie aus dem Verbrauchernetz auf das Potential des Brennstoffzellenstapels zu tranportieren, und wobei der durch die Phase 2 fliessende Strom durch die Phase 1 ausgeregelt wird, so dass sich ein Kreisstrom als der nach außen hin neutrale Stromfluss einstellt. Dabei kann die Verlustleistung dem Brennstoffzellenstapel entnommen werden, indem durch eine Regelung der Strom ILAST positiv gehalten wird.It is preferred if phase 1 of the multiphase bidirectional DC/DC converter is operated as a step-up converter by the electronics, to transport electrical energy from the fuel cell stack to the consumer network with a current I LAST , with phase 2 being operated as a step-down converter in order to transport electrical energy from the consumer network to the potential of the fuel cell stack, and with the current flowing through phase 2 passing through phase 1 is corrected so that a circulating current is set as the outwardly neutral current flow. The power loss can be taken from the fuel cell stack by keeping the current I LAST positive by controlling it.

Auch besteht die Möglichkeit, dass durch die Größe des neutralen Stromflusses der thermische Energieeintrag in das Kühlsystem eingestellt wird, insbesondere also nur der Teil der Mindestlast generiert wird, der nicht von anderen Verbrauchern abgenommen werden kann. Dabei kann bei fehlendem Erreichen der Mindestlast durch elektrische Verbraucher durch das Steuergerät eine Kreisstromvorgabe für die Phase 1 und die Phase 2 eingestellt werden.There is also the possibility that the thermal energy input into the cooling system is adjusted by the size of the neutral current flow, ie in particular only that part of the minimum load is generated which cannot be taken from other consumers. If the minimum load is not reached by electrical consumers, the control unit can set a circulating current specification for phase 1 and phase 2.

Nebem dem Kreisstrom kann ein Energietransport aus dem Brennstoffzellenstapel in das Verbrauchernetz bereit gestellt werden, so dass keine zeitliche Separierung des Normalbetriebs von dem Betriebsfall „Heizung“ erforderlich ist, sondern ein überlappender Betrieb möglich ist..In addition to the circulating current, energy can be transported from the fuel cell stack to the consumer network, so that no time separation of normal operation from the "heating" operation is necessary, but overlapping operation is possible.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, aufweisend ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Steuergerät und für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere, da die Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Heizeinrichtung entfällt und sich dadurch eine Bauraumersparnis und ein Integrationsvorteil ergibt.The advantages and effects mentioned above also apply mutatis mutandis to a fuel cell device with a fuel cell stack and with a multi-phase bidirectional DC/DC converter for coupling to a consumer network, having a control device set up for carrying out the method and for a fuel cell vehicle with such a fuel cell device, in particular since there is no need to provide an additional heating device, which results in a saving in installation space and an integration advantage.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellenvorrichtung, der eine Spannungswandleranordnung zugewiesen ist, die den Brennstoffzellenstapel mit einem eine Batterie umfassenden Traktionsnetz elektrisch verbindet, an welches zwei Verbraucher angeschlossen sind, wobei ein Verbraucher als elektrisches Antriebsaggregat gebildet ist,
  • 2 eine vereinfachte Darstellung der Anordnung aus 1 als Blockschaltbild mit der Einbindung eines Kühlsystems,
  • 3 ein bidirektionaler DC/DC-Wandler als mehrphasige Leistungselektronik, und
  • 4 ein Blockschaltbild zur technischen Umsetzung der Ansteuerung des mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a drive system with a fuel cell device comprising a fuel cell stack, to which a voltage converter arrangement is assigned, which electrically connects the fuel cell stack to a traction network comprising a battery, to which two consumers are connected, one consumer being formed as an electric drive unit,
  • 2 a simplified representation of the arrangement 1 as a block diagram with the integration of a cooling system,
  • 3 a bidirectional DC/DC converter as multiphase power electronics, and
  • 4 a block diagram for the technical implementation of the control of the multi-phase bidirectional DC/DC converter.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung 100 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche einen Brennstoffzellenstapel 102 umfasst. 1 shows a schematic representation of a drive device 100 for a motor vehicle, in particular for a fuel cell vehicle, with a fuel cell device which includes a fuel cell stack 102 .

Der Brennstoffzellenstapel 102 ist an Anschlüsse 114, 116 eines eingangsseitigen Anschlusspaares einer in einem Gehäuse 108 aufgenommenen Spannungswandleranordnung angeschlossen, die als ein DC/DC-Wandler 152 ausgestaltet ist. Die Spannungswandleranordnung ist mit ihren beiden Anschlüssen 118, 120, mithin mit ihrem ausgangsseitigen Anschlusspaar, mit einem Verbrauchernetz, in dem gezeigten Beispiel mit einem Traktionsnetz 106 elektrisch verbunden, in welchem vorliegend zusätzlich eine Hochvoltbatterie 104 vorliegt. Dieses Traktionsnetz 106 dient der elektrischen Versorgung eines ersten Verbrauchers 122 und eines zweiten Verbrauchers 124. Das Traktionsnetz 106 kann vorzugsweise aber auch weitere, nicht näher dargestellte Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Der Verbraucher 122 umfasst ein elektrisches Antriebsaggregat 128, welches in Form einer elektrischen Maschine vorliegt. Diese elektrische Maschine ist typischerweise mittels eines Drei-Phasen-Wechselstroms betreibbar und ist vorzugsweise als Fahrmotor für das Kraftfahrzeug gebildet. Da in dem Traktionsnetz 106 eine Hoch-Gleichspannung und ein Gleichstrom vorliegen, ist dem Verbraucher 122 zusätzlich ein Wechselrichter 126 zugeordnet, der den Gleichstrom in einen Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 122 kann das Antriebsaggregat 128 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Bremsvorgang durch das Antriebsaggregat 128 erzeugte Energie der Hochvoltbatterie 104 über den Wechselrichter 126 wieder zugeführt werden kann.The fuel cell stack 102 is connected to connections 114 , 116 of an input-side connection pair of a voltage converter arrangement which is accommodated in a housing 108 and is designed as a DC/DC converter 152 . The voltage converter arrangement is electrically connected with its two terminals 118, 120, and therefore with its pair of terminals on the output side, to a consumer network, in the example shown to a traction network 106, in which a high-voltage battery 104 is present in addition. This traction network 106 serves to supply electricity to a first consumer 122 and a second consumer 124. However, the traction network 106 can preferably also supply other consumers, not shown in detail, with electrical energy. The consumer 122 includes an electric drive unit 128, which is in the form of an electric machine. This electrical machine can typically be operated using a three-phase alternating current and is preferably designed as a traction motor for the motor vehicle. Since a high direct current and a direct current are present in the traction network 106, the consumer 122 is also assigned an inverter 126, which converts the direct current into a three-phase alternating current. In a further development of the consumer 122, the drive unit 128 can also be used as a generator, so that, for example, during braking by the drive Energy generated by the aggregate 128 can be fed back to the high-voltage battery 104 via the inverter 126 .

Der zweite Verbraucher 124 kann ebenfalls an das Traktionsnetz 106 angeschlossen sein, wobei dieser beispielsweise als eines der Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems wie ein Verdichter, ein Rezirkulationsgebläse, eine Strahlpumpe oder dergleichen, gebildet sein kann. Es kommt auch in Betracht, dass der Verbraucher 124 als ein Ladegerät, als ein Zwölf-Volt-Gleichstrom-Gleichstromwandler, als ein Hochspannungs-Heizer, als ein elektrischer Klimakompressor oder dergleichen gebildet ist.The second consumer 124 can also be connected to the traction network 106, in which case it can be formed, for example, as one of the ancillary units of the fuel cell system, such as a compressor, a recirculation fan, a jet pump or the like. It is also contemplated that the load 124 may be embodied as a charger, a twelve volt DC-DC converter, a high voltage heater, an electric air conditioning compressor, or the like.

Für den Fall, dass beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung oder bei dessen Start keine Mindestlast abgenommen werden kann und damit kein Verbrauch der generierten elektrischen Energie möglich ist, besteht die Möglichkeit, ein Verfahren auszuführen zum Betreiben einer einen Brennstoffzellenstapel 102 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler 152 zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, zur Generierung einer elektrischen Mindestlast, umfassend die Schritte:

  1. a) Schalten einer Elektronik des DC/DC-Wandlers 152 durch ein Steuergerät 136 zum Erzeugen eines nach außen hin neutralen Stromflusses,
  2. b) Abführen der durch den Stromfluss und das Schalten generierten Wärme in ein Kühlsystem 130 der Brennstoffzellenvorrichtung.
In the event that no minimum load can be taken off during operation of the fuel cell device or when it is started and therefore no consumption of the generated electrical energy is possible, there is the possibility of carrying out a method for operating a fuel cell device having a fuel cell stack 102 with a multi-phase bidirectional DC/ DC converter 152 for coupling to a consumer network, for generating a minimum electrical load, comprising the steps:
  1. a) switching electronics of the DC/DC converter 152 by a control unit 136 to generate an externally neutral current flow,
  2. b) dissipating the heat generated by the current flow and the switching into a cooling system 130 of the fuel cell device.

Dabei wird die elektrische Mindestlast ohne ein zusätzliches Bauteil als Verbraucher bereit gestellt, wobei dazu durch die Elektronik eine Phase 1 132 des mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler 152 als Hochsetzsteller betrieben wird, um elektrische Energie aus dem Brennstoffzellenstapel 102 mit einem Strom ILast in das Traktionsnetz 106 zu transportieren. Eine Phase 2 134 wird als Tiefsetzsteller betrieben, um elektrische Energie aus dem Traktionsnetz 106 auf das Potential des Brennstoffzellenstapels 102 zu tranportieren. Der durch die Phase 2 fliessende Strom wird durch die Phase 1 ausgeregelt, so dass sich ein Kreisstrom IKreis als der nach außen hin neutrale Stromfluss einstellt. Dabei wird die Verlustleistung dem Brennstoffzellenstapel 102 entnommen, indem durch eine Regelung der Strom ILAST positiv gehalten wird. Durch die Größe des neutralen Stromflusses, und damit der Größe der dem Brennstoffzellenstapel 102 bereit gestellten Last, wird der thermische Energieeintrag in das Kühlsystem 130 eingestellt. Dazu wird bei einer Laststromanforderung mit fehlendem Erreichen der Mindestlast durch elektrische Verbraucher durch das Steuergerät 136 eine Kreisstromvorgabe 138 für die Phase 1 132 und die Phase 2 134 eingestellt. Zu beachten ist, dass nebem dem Kreisstrom auch ein Energietransport aus dem Brennstoffzellenstapel 102 in das Traktionsnetz 106 bereit gestellt werden kann, also ein überlappender Betrieb dieser beiden Betriebsweisen möglich ist.The minimum electrical load is provided without an additional component as a consumer, with phase 1 132 of the multiphase bidirectional DC/DC converter 152 being operated as a step-up converter by the electronics for this purpose in order to convert electrical energy from the fuel cell stack 102 with a current I load in to transport the traction network 106 . A phase 2 134 is operated as a buck converter in order to transport electrical energy from the traction network 106 to the potential of the fuel cell stack 102 . The current flowing through phase 2 is regulated by phase 1, so that a circulating current I circ is set as the outwardly neutral current flow. In this case, the power loss is removed from the fuel cell stack 102 by keeping the current I LAST positive by means of regulation. The thermal energy input into the cooling system 130 is adjusted by the size of the neutral current flow, and thus the size of the load provided to the fuel cell stack 102 . For this purpose, a circulating current specification 138 for phase 1 132 and phase 2 134 is set by control unit 136 in the event of a load current request in which the minimum load is not reached by electrical consumers. It should be noted that, in addition to the circulating current, energy can also be transported from the fuel cell stack 102 into the traction network 106, ie an overlapping operation of these two modes of operation is possible.

Es liegt also ein Brennstoffzellen-Fahrzeug vor, das eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweist mit einem Brennstoffzellenstapel 102 und mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler 152 zur Kopplung mit einem Traktionsnetz 106, wobei das Steuergerät 136 eingerichtet ist zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens.There is therefore a fuel cell vehicle that has a fuel cell device with a fuel cell stack 102 and with a multiphase, bidirectional DC/DC converter 152 for coupling to a traction network 106, wherein control unit 136 is set up to carry out the aforementioned method.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Antriebseinrichtungdrive device
102102
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
104104
Hochvoltbatteriehigh-voltage battery
106106
Traktionsnetztraction network
108108
GehäuseHousing
110110
Wandungwall
112112
erster Randfirst edge
114114
Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
116116
Anschluss (eingangsseitiges Anschlusspaar)Connection (input-side connection pair)
118118
Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (output-side connection pair)
120120
Anschluss (ausgangsseitiges Anschlusspaar)Connection (output-side connection pair)
122122
Verbraucherconsumer
124124
(zweiter) Verbraucher / Nebenaggregate Brennstoffzellenstapel(second) consumers / ancillaries fuel cell stack
126126
Wechselrichterinverter
128128
elektrisches Antriebsaggregatelectric drive unit
130130
Kühlsystemcooling system
132132
Phase 1stage 1
134134
Phase 2stage 2
136136
Steuergerätcontrol unit
138138
Kreisstromvorgabecirculating current specification
140140
Stromreglercurrent regulator
142142
PWM-GeneratorPWM generator
144144
Laststromanforderungload current requirement
152152
DC/DC-WandlerDC/DC converter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2013/0189597 A1 [0005]US 2013/0189597 A1 [0005]
  • DE 102005012617 A1 [0006]DE 102005012617 A1 [0006]
  • DE 102006031866 A1 [0006]DE 102006031866 A1 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben einer einen Brennstoffzellenstapel (102) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler (152) zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, zur Generierung einer elektrischen Mindestlast, umfassend die Schritte: a) Schalten einer Elektronik des DC/DC-Wandlers (152) durch ein Steuergerät (136) zum Erzeugen eines nach außen hin neutralen Stromflusses, b) Abführen der durch den Stromfluss und das Schalten generierten Wärme in ein Kühlsystem der Brennstoffzellenvorrichtung.Method for operating a fuel cell stack (102) having a fuel cell device with a multi-phase bidirectional DC/DC converter (152) for coupling to a consumer network, for generating a minimum electrical load, comprising the steps: a) switching electronics of the DC/DC converter (152) by a control unit (136) to generate an outwardly neutral current flow, b) dissipating the heat generated by the current flow and the switching into a cooling system of the fuel cell device. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Mindestlast ohne ein zusätzliches Bauteil als Verbraucher bereit gestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the minimum electrical load is provided as a consumer without an additional component. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Elektronik eine Phase 1 (132) des mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler (152) als Hochsetzsteller betrieben wird, um elektrische Energie aus dem Brennstoffzellenstapel (102) mit einem Strom ILAST in das Verbrauchernetz zu transportieren, dass eine Phase 2 (134) als Tiefsetzsteller betrieben wird, um elektrische Energie aus dem Verbrauchernetz auf das Potential des Brennstoffzellenstapels (102) zu tranportieren, und dass der durch die Phase 2 (134) fliessende Strom durch die Phase 1 (132) ausgeregelt wird, so dass sich ein Kreisstrom als der nach außen hin neutrale Stromfluss einstellt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that a phase 1 (132) of the multi-phase bidirectional DC/DC converter (152) is operated as a step-up converter by the electronics in order to transport electrical energy from the fuel cell stack (102) with a current I LAST into the consumer network, that a phase 2 (134) is operated as a step-down converter in order to transport electrical energy from the consumer network to the potential of the fuel cell stack (102), and that the current flowing through phase 2 (134) is regulated by phase 1 (132). , so that a circulating current is set as the outwardly neutral current flow. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung dem Brennstoffzellenstapel (102) entnommen wird, indem durch eine Regelung der Strom ILast positiv gehalten wird.procedure after claim 3 , characterized in that the power loss is taken from the fuel cell stack (102) by being kept positive by controlling the current I load . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Größe des neutralen Stromflusses der thermische Energieeintrag in das Kühlsystem (130) eingestellt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the thermal energy input into the cooling system (130) is adjusted by the size of the neutral current flow. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlendem Erreichen der Mindestlast durch elektrische Verbraucher durch das Steuergerät (136) eine Kreisstromvorgabe (138) für die Phase 1 (132) und die Phase 2 (134) eingestellt wird.Procedure according to one of claims 3 until 5 , characterized in that if the minimum load is not reached by electrical consumers, a circulating current specification (138) for phase 1 (132) and phase 2 (134) is set by the control unit (136). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nebem dem Kreisstrom ein Energietransport aus dem Brennstoffzellenstapel (102) in das Verbrauchernetz bereit gestellt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that in addition to the circulating current, an energy transport from the fuel cell stack (102) is provided in the consumer network. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel (102) und mit einem mehrphasigen bidirektionalen DC/DC-Wandler (152) zur Kopplung mit einem Verbrauchernetz, aufweisend ein Steuergerät (136), das eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Fuel cell device with a fuel cell stack (102) and with a multi-phase bidirectional DC/DC converter (152) for coupling to a consumer network, having a control unit (136) which is set up to carry out the method according to one of Claims 1 until 7 . Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8.Fuel cell vehicle with a fuel cell device claim 8 .
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