DE102021123773A1 - Vorladeschalteinrichtung und brennstoffzellenvorrichtung für einen gedämpften spannungs- und stromangleich mit einer parallel geschalteten batterie und kraftfahrzeug - Google Patents

Vorladeschalteinrichtung und brennstoffzellenvorrichtung für einen gedämpften spannungs- und stromangleich mit einer parallel geschalteten batterie und kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorladeschalteinrichtung (6) und eine Brennstoffzellenvorrichtung (30) zum automatischen Angleichen einer Ausgangsspannung eines Brennstoffzellensystems (2) und einer Batteriespannung (UBat) einer dazu bezüglich eines Verbrauchers (4) ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler parallelgeschalteten Batterie (3). Die Erfindung betrifft weiter ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug (1). Die Vorladeschalteinrichtung (6) weist einen Eingangsanschluss (23) zum Anschließen des Brennstoffzellensystems (2), einen Ausgangsanschluss (24) zum Verbinden mit der Batterie (3) und dem Verbraucher (4) und eine dazwischengeschaltete Angleichschalteinheit auf. Die Angleichschalteinheit weist ein regelbares Begrenzungselement (13) und eine damit gekoppelte Regeleinrichtung (15) auf und ist zum gedämpften Angleichen der Spannungen durch Regeln eines Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements (13) in Abhängigkeit von einem eingangsseitig erfassten Brennstoffzellensystemstrom (IBZS) eingerichtet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorladeschalteinrichtung für einen gedämpften Spannungsangleich zwischen einem Brennstoffzellensystem und einer dazu parallelgeschalteten Batterie, eine entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
  • In vielen Bereichen, wie beispielsweise auch in der Fahrzeug- und Antriebstechnik, wird verstärkt auf elektrische Antriebe bzw. eine Elektrifizierung im Allgemeinen gesetzt. Dazu werden beispielsweise Batterien eingesetzt. Diese sind typischerweise aus einer Vielzahl einzelner Batteriezellen zusammengesetzt, um eine ausreichend hohe Spannung zu erzeugen. Damit geht jedoch die Gefahr einher, dass einzelne Batteriezellen ausfallen können, was Einfluss auf eine Funktionsfähigkeit oder Spannungslage der Gesamtbatterie haben kann. Entsprechende Maßnahmen, wie etwa Spannungsanpassungen oder dergleichen können allerdings aufwendig und kostenintensiv sein und ihrerseits weitere Fehlerquellen darstellen. Ebenso sind Hybridsysteme bekannt, in denen mehrere Energiequellen miteinander kombiniert werden. Dies kann jedoch eine oftmals kostenintensive, aufwändige und komplexe Anpassung der Teilsysteme aneinander erfordern und in bestimmten Situationen kann ein effizientes und effektives Zusammenwirken der Teilsysteme schwierig zu realisieren sein. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeug ein Energieverbrauch hochdynamisch sein, sich also schnell und in großem Umfang ändern. Solche Anforderungen können beispielsweise von Brennstoffzellen nicht ohne erheblichen Aufwand bedient werden. Daher kann eine Pufferbatterie verwendet werden, die jedoch typischerweise über einen aufwändigen und komplexen Gleichspannungswandler mit der Brennstoffzelle zu koppeln ist und zudem abhängig von ihrem Ladezustand unterschiedliche Spannungen bereitstellen und/oder variierende Anforderungen an eine Energiequelle zum Aufladen stellen kann, was entsprechende Systeme insgesamt herausfordernd macht.
  • In anderen Zusammenhängen kommen in komplexen elektrischen Systemen beispielsweise Zwischenkreise zum Einsatz. Dort kann dann eine Vorladeschaltung verwendet werden, wie sie etwa in der DE 10 2016 010 844 A1 beschrieben ist. Die dortige Vorladeschaltung dient zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität eines Gleichspannungszwischenkreises eines elektrischen Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer Gleichspannungsquelle. Diese Vorladeschaltung weist eine steuerbare Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der Gleichspannungsquelle mit dem Gleichspannungszwischenkreis und eine entsprechende Steuereinheit auf. Die Schalteinheit umfasst wenigstens zwei elektrische Kondensatoren, ein Schaltwerk, ein quellenseitiges Hauptschalterelement zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks mit der Gleichspannungsquelle sowie ein zwischenkreisseitiges Hauptschalterelement zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks mit dem Gleichspannungszwischenkreis. Das Schaltwerk weist eine Mehrzahl von mit den Kondensatoren verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen auf und ist ausgebildet, die Kondensatoren abhängig von jeweiligen Schaltzuständen der Koppelschaltelemente in Reihe zu schalten oder parallel zu schalten. Damit soll eine verbesserte Vorladeschaltung bzw. ein verbessertes Betriebsverfahren für eine Vorladeschaltung realisiert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienten und bauteilschonenden zeitweisen Parallelbetrieb eines Brennstoffzellensystems und einer Batterie zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.
  • Die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung dient, ist also ausgebildet oder eingerichtet zum automatischen Angleichen einer Ausgangsspannung eines Brennstoffzellensystems und einer Netz- oder Batteriespannung einer dazu, also zu dem Brennstoffzellensystem im Betrieb bzw. in bestimmungsgemäßer Einbaulage der Vorladeschalteinrichtung, bezüglich eines zu versorgenden elektrischen Verbrauchers ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler parallelgeschalteten Batterie. Die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems kann dabei an einem Eingangsanschluss der Vorladeschalteinrichtung anliegen bzw. erfasst werden, während die Netz- oder Batteriespannung an einem Ausgangsanschluss der Vorladeschalteinrichtung anliegen kann. Dies kann jeweils in bestimmungsgemäßer Einbaulage der erfindungsgemäßen Vorladeschalteinrichtung in einem entsprechenden elektrischen System gelten. Die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung selbst kann hingegen beispielsweise eine kompakte Schaltung oder ein kompakter Baustein sein, der unabhängig von dem Brennstoffzellensystem und der Batterie oder dem Verbraucher ausgebildet sein und verbaut werden kann. In bestimmungsgemäßer Einbaulage der Vorladeschalteinrichtung kann diese zwischen das Brennstoffzellensystem und die Batterie geschaltet sein, sodass der Verbraucher durch die Batterie allein oder zusätzlich oder alternativ durch das Brennstoffzellensystem versorgt werden kann, wenn dieses über die Vorladeschalteinrichtung dazugeschaltet, also elektrisch eingebunden wird. Ebenso kann dann gegebenenfalls die Batterie durch das Brennstoffzellensystem über die Vorladeschalteinrichtung aufgeladen werden. Dabei ist das Brennstoffzellensystem dann allein über die Vorladeschalteinrichtung sowie gegebenenfalls entsprechende Verbindungs- oder Anschlussleitungen, insbesondere also ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler oder dergleichen, mit der Batterie verbindbar bzw. verbunden.
  • Die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Der Verbraucher kann dann ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeugs bzw. eine daran angeschlossene elektrische Einrichtung, wie etwa ein elektrischer Traktionsmotor, eine Pumpe, eine Klimatisierungseinrichtung und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Ebenso können aber andere Anwendungsfälle oder Einsatzzwecke der vorliegenden Erfindung möglich sein.
  • Wie bereits angedeutet umfasst die Vorladeschalteinrichtung den Eingangsanschluss zum Anschließen des Brennstoffzellensystems bzw. eines Ausgangs des Brennstoffzellensystem an die Vorladeschalteinrichtung und den Ausgangsanschluss zum elektrischen Verbinden der Vorladeschalteinrichtung mit der Batterie und dem Verbraucher. Weiter weist die Vorladeschalteinrichtung eine zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltete Angleichschalteinheit auf. Diese Angleichschalteinheit kann insbesondere als kompakte Schaltung oder kompakter Baustein, beispielsweise als integrierte Schaltung oder als entsprechend bestückte Platine, gefertigt oder ausgebildet sein. Dabei können der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss ebenfalls auf an dieser Platine bzw. dieser Schaltung oder diesem Baustein angeordnet sein. Die Angleichschalteinheit weist zudem ein regelbares Begrenzungselement zum Begrenzen eines Stroms bzw. eines Spannungsanstiegs beim Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems und der Batterie über die Vorladeschalteinrichtung sowie eine damit gekoppelte Regeleinrichtung auf.
  • Die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung ist zum - im Vergleich zu einem direkten elektrischen Verbinden, etwa allein über einen elektromechanischen Schalter ohne weitere Bauteile oder Komponenten - gedämpften Angleichen der Spannungen, also der im Betrieb eingangsseitig anliegenden Spannung des Brennstoffzellensystems und der ausgangsseitig anliegenden Netz- oder Batteriespannung, durch automatisches Regeln eines Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements eingerichtet. Konkret ist die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung zum Regeln des Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements in Abhängigkeit von einem eingangsseitig, also an einem Eingang der Vorladeschalteinrichtung oder der Angleichschalteinheit, erfassten oder einfließenden Brennstoffzellensystemstrom, also einem Ausgangsstrom des Brennstoffzellensystems, eingerichtet. Durch die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung kann also insbesondere geregelt oder eingestellt werden, ob und gegebenenfalls wie viel Gleichstrom insbesondere in Richtung von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss, durch die Vorladeschalteinrichtung bzw. das regelbare Begrenzungselement fließt oder fließen kann.
  • Die Regeleinrichtung regelt also zum Durchführen oder Erreichen des gedämpften Spannungsangleichs den Gleichstromfluss durch das Begrenzungselement, was hier auch als Regeln des Begrenzungselements beschrieben wird. Dazu kann die Vorladeschalteinrichtung eine, insbesondere mit der Regeleinrichtung verbundene oder gekoppelte, Strommesseinrichtung zum kontinuierlichen oder regelmäßigen Messen des eingehenden Brennstoffzellensystemstroms umfassen. Dieser Brennstoffzellensystemstrom kann also als zumindest eine Regelgröße für das Regeln des Begrenzungselements dienen, also verwendet werden.
  • Das Begrenzungselement kann ein Schalter oder eine Schalteinrichtung sein oder wenigstens einen Schalter oder wenigstens eine Schalteinrichtung umfassen. Die Regeleinrichtung kann einen solchen Schalter oder eine solche Schalteinrichtung ansteuern bzw. geregelt ansteuern. Die Regeleinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Schalter oder die Schalteinrichtung bzw. das Begrenzungselement graduell oder stufenweise, also nach und nach bzw. über einen oder mehrere Zwischenschritte oder Zwischenstufen von dauerhaft offen, also gesperrt, bis hin zu dauerhaft und vollständig geschlossenen, also durchlässig oder leitend, anzusteuern oder zu schalten. Dies erfolgt hier in Abhängigkeit von dem bei dem Angleichen der Spannungen über den Eingangsanschluss fließenden Strom. Damit kann das Angleichen der Spannungen jeweils situations- und bedarfsgerecht erfolgen, beispielsweise so langsam wie nötig und so schnell wie möglich. Dies ermöglicht also einen sicheren und gleichzeitig besonders schnellen und effizienten Betrieb beim Zusammenschalten von Brennstoffzellensystem und Batterie. Durch die vorliegende Erfindung kann einfach und aufwandsarm die Angleichung der Spannungen realisiert und eine reduzierte Bauteilbelastung beim Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems und der Batterie erreicht werden.
  • Bei bisherigen Ansätzen kann zur elektrischen Ankopplung eines Brennstoffzellensystems an eine Batterie ein Hoch- oder Tiefsetzsteller, also ein Gleichspannungswandler zwischen das Brennstoffzellensystem und die Batterie geschaltet werden. Ein solcher Gleichspannungswandler bedeutet jedoch signifikant erhöhte Komplexität und dementsprechend erhöhten Gewichts- und Kostenaufwand. Durch den durch die vorliegende Erfindung ermöglichten bzw. in der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Verzicht auf einen solchen, dem Brennstoffzellensystem nachgeschalteten Gleichspannungswandler ergibt sich also gegenüber herkömmlichen Lösungen ein Vorteil hinsichtlich Komplexität, Gewicht und Kosten. Dabei kann durch die erfindungsgemäß vorgesehene Vorladeschalteinrichtung jeweils im Moment des elektrischen Zusammenschaltens von Brennstoffzellensystem und Batterie ein gedämpfter Angleich von deren Spannungen oder Spannungspegeln erreicht werden. Somit kann durch die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung also eine Vorsteuerung von Komponenten des Brennstoffzellensystems realisiert und beispielsweise ein Auftreten abrupter elektrischer Lastwechsel vermieden oder abgedämpft werden.
  • Alternativ könnte eine direkte Verschaltung des Brennstoffzellensystems und der Batterie vorgesehen werden. Damit ergeben sich jedoch Einschränkungen hinsichtlich eines Betriebsfensters des Brennstoffzellensystems, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung vermieden werden können. In der Praxis werden Brennstoffzellenmodule eines Brennstoffzellensystems bisher in der Regel mit einer jeweils eigenen Schutzdiode ausgestattet, welche sicherstellt, dass ein Strom ausschließlich von dem Ausgang des Brennstoffzellensystems zu der Batterie bzw. dem Verbraucher fließen kann und nicht in Gegenrichtung. Solche Schutzdioden erzeugen eine entsprechende thermische Verlustleistung, die durch die Durchlassspannung der jeweiligen Schutzdiode bestimmt ist und in jedem Brennstoffzellenmodul abgeführt werden muss. Dies kann zusätzlichen Aufwand, Gewicht und Kosten verursachen. Zudem ist so auch eine Gleichteilestrategie nicht ohne Weiteres umsetzbar, da jedes Brennstoffzellenmodul je nach elektrischer Verschaltung, also der Anzahl serieller und paralleler Brennstoffzellen, individuell mit oder ohne Schutzdiode gefertigt werden muss. Insbesondere dann, wenn eine nur zeitweise Verbindung des Brennstoffzellensystems mit der Batterie vorgesehen ist, aber ebenso beispielsweise bei einem Ausfall eines Brennstoffzellenmoduls oder eines Moduls der Batterie oder dergleichen, kann es bei einem einfachen Zusammenschalten, beispielsweise mittels eines elektromechanischen Schalters, zu abrupten, also sehr steilflankigen Last- und Spannungssprüngen kommen, wodurch ein entsprechendes elektrisches System in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Dieser Problematik kann durch die vorliegende Erfindung begegnet werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann für oder in Verbindung mit nahezu beliebigen Batterien, beispielsweise von Pufferbatterien bis hin zu vollwertigen Hochvolt-Traktionsbatterien eines elektrischen Kraftfahrzeugs oder dergleichen, verwendet werden. Durch die vorliegende Erfindung kann beispielsweise ein Brennstoffzellen-Range-Extender-System in einem Kraftfahrzeug, das auch eine Batterie und ein dazu bezüglich eines Traktionsmotors des Kraftfahrzeugs parallel geschaltetes Brennstoffzellensystem aufweist, realisiert werden. Dazu kann die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung vorteilhaft mit einer Verschaltungseinrichtung kombiniert werden, die ein flexibles, modulares Verschalten mehrerer Brennstoffzellenmodule, also ein Realisieren oder Schalten unterschiedlicher Verschaltungen oder Verschaltungskonfigurationen des Brennstoffzellensystems und damit unterschiedliche Konfigurationen oder Kombinationen von Parallel- und/oder Serienverschaltungen von Brennstoffzellenmodulen oder einzelnen Brennstoffzellen ermöglicht.
  • In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Begrenzungselement einen Halbleitertransistorschalter oder ist als solcher ausgebildet. Das Begrenzungselement kann beispielsweise ein N-FET sein oder einen solchen umfassen. Damit kann auch die Vorladeschalteinrichtung ganz oder teilweise als integrierte Halbleiterschaltung ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Ebenso kann die Vorladeschaltung beispielsweise eine Platine mit mehreren darauf angeordneten Bauteilen, wie etwa dem als Halbleiterbaustein ausgebildeten Begrenzungselement, einem oder mehreren SMDs (Surface-Mounted Devices) und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Die die Vorladeschalteinrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse umfassen, in dem die übrigen Bauteile oder Komponenten der Vorladeschalteinrichtung angeordnet, beispielsweise eingegossen, sein können. Ein hier vorgesehener Halbleitertransistorschalter kann, beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Schaltern, einfacher, genauer und schneller sowie ohne Gefahr einer Funkenerosion oder Kontaktabbrand oder dergleichen geschaltet werden. Insbesondere kann einen Halbleitertransistorschalter geregelt werden, um das Gleichstromführungsverhalten graduell anzupassen. Dies ermöglicht auf besonders einfache, effiziente und kostengünstige Weise das gedämpfte Angleichen der Spannungen auf beiden Seiten der Vorladeschalteinrichtung.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Angleichschalteinheit, insbesondere deren Regeleinrichtung, zum linearen Regeln des Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements eingerichtet. Insbesondere kann die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung zum Herunterregeln eines effektiven Widerstands des Begrenzungselements während des Angleichen bzw. zum gedämpften Angleichungen der Spannungen eingerichtet sein. Eine solche lineare Regelung kann besonders einfach zu implementieren sein und auch kurzzeitige Strom- oder Spannungsspitzen vermeiden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Angleichschalteinheit, insbesondere deren Regeleinrichtung, zum PWM-Regeln (PWM Pulsweitenmodulation) des Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements eingerichtet. Insbesondere kann die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung zum graduellen Erhöhen eines Tastgrades während des Angleichens bzw. zum gedämpften Angleichen der Spannungen eingerichtet sein. Da bei einer solchen PWM-Regelung das Begrenzungselement nicht linear geregelt, sondern gepulst betrieben wird, kann dessen Verlustleistungsparabel besonders schnell durchlaufen werden. Dies kann eine entsprechend geringere Erwärmung des Begrenzungselements und somit einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad der Vorladeschalteinrichtung mit sich bringen oder ermöglichen. Beispielsweise kann der Tastgrad, also ein Puls-Pause-Verhältnis, in mehreren vorgegebenen Schritten oder Stufen verändert bzw. erhöht werden. Ein Wechsel zur nächsten Stufe kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn sich ein bestimmter Stromfluss oder eine bestimmte Spannung eingestellt hat und/oder beispielsweise jeweils eine vorgegebene Mindestzeit auf der jeweiligen aktuellen Stufe verstrichen ist.
  • Wenn die lineare Regelung des Begrenzungselements ihr Maximum bzw. den minimalen Widerstand des Begrenzungselements erreicht hat oder wenn bei der PWM-Regelung der Tastgrad 100 % erreicht hat, kann dann durch die Angleichschalteinheit bzw. deren Regeleinrichtung automatisch eine Überbrückung des Begrenzungselements durch eine widerstandsärmere Verbindung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss der Vorladeschalteinrichtung geschaltet werden. Dazu kann beispielsweise ein entsprechender elektromechanischer Schalter oder Schütz in einem zu dem Begrenzungselement parallelen Schaltungs- oder Leitungszweig automatisch geschlossen werden, der während des geregelten gedämpften Angleichens geöffnet sein kann. Auf diese Weise kann sowohl das gewünschte gedämpfte Angleichen der Spannungen als auch ein besonders verlustarmer und damit besonders effizienter Betrieb nach dem Angleichen ermöglicht werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Angleichschalteinheit, insbesondere deren Regeleinrichtung, dazu eingerichtet, einen jeweils aktuellen Systemzustand zu erfassen und die Regelung für das Angleichen der Spannungen in Abhängigkeit von dem erfassten Systemzustand automatisch anzupassen. Zum Erfassen oder bestimmen des Systemzustands kann beispielsweise ein vorgegebener Parameter oder eine vorgegebene Größe zumindest eines Bereichs, einer Baugruppe oder eines Bauteils der Vorladeschalteinrichtung, des Brennstoffzellensystems und/oder der Batterie gemessen oder anderweitig bestimmt werden. Beispielsweise kann eine jeweils aktuelle Temperatur gemessen werden. Zum Anpassen der Regelung kann beispielsweise eine Zeitkonstante, welche das Angleichen der Spannungen charakterisiert, eingestellt oder variiert werden. Beispielsweise kann eine Temperatur des Systems oder eines Bereichs davon Einfluss auf Parameter oder Eigenschaften des Systems haben, welche die Zeitkonstante bestimmen oder verändern können. Beispielsweise kann ein Widerstand mit sinkender Temperatur ebenfalls sinken, was die Zeitkonstante τ gemäß τ = R · C ebenfalls reduzieren kann. Derartigen Veränderungen kann entgegengewirkt werden, um ein vorgegebenes oder gewünschtes Angleichverhalten einzustellen oder aufrechtzuerhalten. Dazu kann beispielsweise ein anpassbarer Widerstand der Vorladeschalteinrichtung bzw. der Angleichschalteinheit, insbesondere in Form des an anderer Stelle beschriebenen geregelten Transistors bzw. Halbleitertransistorschalters, entsprechend variiert oder geregelt werden - im vorliegenden Beispiel etwa erhöht werden, um der niedrigeren Temperatur entgegenzuwirken bzw. deren Effekt auszugleichen. Dadurch kann unabhängig von jeweiligen Systemzuständen oder Umgebungsbedingungen bzw. über einen besonders breiten Bereich von Systemzuständen oder Umgebungsbedingungen hinweg besonders robust und zuverlässig ein konstantes oder gleichbleibendes Verhalten der Vorladeschalteinrichtung und damit ein entsprechend robuster und zuverlässiger Betrieb des das Brennstoffzellensystem und die Batterie umfassenden Systems oder Verbundes erreicht werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschalteinrichtung einen Hauptzweig und einen elektrisch parallel dazu geschalteten oder verlaufenden Nebenzweig auf. In dem Hauptzweig und in dem Nebenzweig ist jeweils ein Schalter, insbesondere ein elektromechanischer Schütz, angeordnet, durch dessen Schließen jeweils der Eingangsanschluss elektrisch leitend mit dem Ausgangsanschluss verbindbar ist bzw. durch dessen Öffnen eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss in der Vorladeschalteinrichtung unterbrochen werden kann. Das Begrenzungselement ist hier in dem Nebenzweig elektrisch seriell zu dem dortigen Schütz angeordnet oder geschaltet. Die Vorladeschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Begrenzungselement - wie an anderer Stelle beschrieben - zum Angleichen der Spannungen geregelt zu schließen bzw. durchzuschalten und nach dem Angleichen der Spannungen den in dem Hauptzweig angeordneten Schütz zu schließen. Vor dem Beginn des Regelns des Begrenzungselements kann der Schütz in dem Hauptzweig geöffnet sein oder werden und der Schütz in dem Nebenzweig bei geöffnetem bzw. gesperrtem Begrenzungselement geschlossen sein oder werden. Nach dem Angleichen der Spannungen und dem Schließen des Schützes in dem Hauptzweig kann dann automatisch der Schütz in dem Nebenzweig geöffnet sowie gegebenenfalls das Begrenzungselement geöffnet bzw. gesperrt werden. Damit wäre dann unter gedämpfter Spannungsangleichung eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss und somit im Betrieb bzw. in bestimmungsgemäßer Einbaulage der Vorladeschalteinrichtung eine entsprechende direkte elektrische Verbindung des Brennstoffzellensystems mit der Batterie über den Hauptzweig geschaltet, die durch Verwendung des Schützes besonders widerstandsarm sein kann. Damit kann auch ohne zwischen das Brennstoffzellensystem und die Batterie geschalteten Spannungswandler ein besonders belastungsarmes Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems und der Batterie ermöglicht werden. Dies ist der Fall, da jeweils bei dem Schließen des Schützes in dem Hauptzweig und dem erst danach erfolgenden Öffnen des Schützes in dem Nebenzweig über den jeweils anderen Zweig bereits eine leitende Verbindung und somit auf beiden Seiten des Schützes zumindest im Wesentlichen das gleiche Spannungsniveau oder der gleiche Spannungspegel gegeben ist, sodass eine Spannungs- oder Funkenerosion oder ein Kontaktabbrand beim jeweiligen Schalten der Schütze vermieden oder reduziert werden kann.
  • In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Schütze bistabil ausgebildet. Die Schütze können mit anderen Worten also beispielsweise bistabile Relais sein oder umfassen. Dies ermöglicht eine weiter verbesserte Effizienz, da nur Energie zum Schalten der Schütze, also zum Wechseln von deren Schaltzustand oder Stellung, nicht aber zum Halten der Schütze in einem bestimmten Schaltzustand oder in einer bestimmten Stellung aufgewendet werden muss. Somit kann also ein entsprechend reduzierter Energieverbrauch im Betrieb der Vorladeschalteinrichtung, also eine verbesserte Gesamteffizienz erreicht werden.
  • In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschalteinrichtung wenigstens eine Ausfallschaltung auf. Diese Ausfallschaltung umfasst einen eigenen Energiespeicher und ist dazu eingerichtet, mithilfe der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie wenigstens einen der Schütze - zumindest sofern dieser sich nicht bereits im geöffneten Zustand befindet - automatisch zu öffnen, wenn eine Versorgung des wenigstens einen Schützes ausfällt. Wird also beispielsweise eine Energie- oder Spannungsversorgung des Schützes bzw. einer entsprechenden Schalteinrichtung zum Schalten des Schützes unterbrochen, so kann der Schütz durch die Ausfallschaltung unabhängig von einer externen Energie- oder Spannungsversorgung dennoch automatisch zuverlässig in den geöffneten und somit elektrisch sicheren Zustand versetzt werden. Dadurch kann eine verbesserte Sicherheit der Vorladeschalteinrichtung bzw. des das Brennstoffzellensystem, die Vorladeschalteinrichtung und die Batterie umfassenden Systems oder Verbundes erreicht werden. Durch die Ausfallschaltung kann sichergestellt werden, dass in einer Not-, Gefahren- oder Schadenssituation besonders zuverlässig ein HV-Off-Zustand eingenommen oder hergestellt werden kann, also ein Zustand, in dem eine Hochspannungsversorgung nachgeschalteter Komponenten ausgeschaltet oder unterbrochen ist. Der Energiespeicher kann beispielsweise als Kondensator, etwa als Doppelschichtkondensator oder dergleichen, ausgebildet sein oder einen solchen Kondensator umfassen. Dies kann beispielsweise im Vergleich zur Verwendung einer Batterie oder Batteriezelle als Energiespeicher für die Ausfallschaltung eine längere zuverlässige Bereitschaft der Ausfallschaltung ermöglichen. Je nach Ausgestaltung oder Anwendungsfall kann aber ebenso eine Batterie oder Batteriezelle als Energiespeicher der Ausfallschaltung verwendet werden.
  • In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschalteinrichtung eine zu dem Begrenzungselement seriell geschaltete dedizierte Induktivität auf. Hier ist also ein elektrisches oder elektronisches Bauteil vorgesehen, das als Induktivität in der Vorladeschalteinrichtung, insbesondere in der Angleichschalteinheit, dient, sodass also nicht nur unvermeidliche parasitäre Induktivitäten der übrigen Bauteile oder Komponenten genutzt werden. Durch eine solche, insbesondere seriell dem Begrenzungselement vorgeschaltete, Induktivität kann ein induktiver Anteil einer Gesamtimpedanz erhöht werden. Ist wie an anderer Stelle beschrieben eine PWM-Regelung des Begrenzungselements vorgesehen, so kann die Induktivität beispielsweise in Kombination mit einer durch die entsprechende Regelung der Vorladeschalteinrichtung bzw. des Begrenzungselements einstellbare Grundfrequenz der PWM-Regelung bzw. eines PWM-Signals zum Ansteuern des Begrenzungselements für das Angleichen der Spannungen als frequenzabhängiger Widerstand fungieren. Damit können steilflankige Änderungen eines von dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Eingangsanschluss der Vorladeschalteinrichtung durch diese fließenden Stroms infolge der impulsförmigen PWM-Ansteuerung stärker bedämpft werden, als dies allein durch die unvermeidlichen parasitären Kapazitäten oder Induktivitäten, die in dem jeweiligen System oder Schaltungsverbund vorhanden sind, der Fall wäre. Dadurch können also, insbesondere abrupte oder steilflankige, Strom- und/oder Spannungssprünge beim Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems und der Batterie mittels der Vorladeschalteinrichtung vermieden oder reduziert werden. In einer einfachen Ausführung der Vorladeschalteinrichtung können beispielsweise in dem an anderer Stelle genannten Hauptzweig der Schütz und parallel dazu in dem Nebenzweig die Induktivität, das Begrenzungselement und der Schütz des Nebenzweigs in Reihe geschaltet angeordnet sein.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bildet die Vorladeschalteinrichtung die Funktion bzw. das Verhalten einer idealen Diode nach. Mit anderen Worten bildet die Vorladeschaltung funktional - zumindest neben gegebenenfalls anderen vorgesehenen Funktionen - eine ideale Diode. Dazu kann die Vorladeschaltung beispielsweise einen Transistor und eine zugehörige Regel- oder Steuereinrichtung aufweisen, welche zur Realisierung der idealen Diodenfunktion mittels entsprechender Ansteuerung des Transistors eingerichtet ist. Eine derartig implementierte ideale Diode kann beispielsweise im Vergleich zu einer realen elementaren Germanium- oder Siliziumdiode eine verringerte Verlustleistung aufweisen und somit den Energiebedarf der Vorladeschalteinrichtung weiter verringern, also deren Effizienz weiter verbessern. Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt in der Auslagerung bzw. zentralen Bereitstellung der Diodenfunktion in der Vorladeschalteinrichtung. Dies bedeutet, dass die Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodule des an die Vorladeschalteinrichtung angeschlossenen oder anzuschließenden Brennstoffzellensystems keine eigenen entsprechenden Schutzdioden aufweisen oder umfassen müssen. Somit kann, insbesondere bei Reihenschaltung mehrerer Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodule, die Gesamtanzahl der entsprechenden Dioden oder Diodeneinrichtungen gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen reduziert werden kann, da nur noch eine Diodeneinrichtung oder Diodenfunktion je vorgesehenem Parallelzweig von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodulen verwendet werden muss. Die Vorladeschalteinrichtung ermöglicht es hier also, besonders flexibel verschiedene Arten von Brennstoffzellensystemen oder Brennstoffzellenmodulen zu verwenden, unabhängig davon, ob diese mit einer individuellen Schutzdiode ausgestattet sind oder nicht. Auch kann durch die entsprechend mögliche vereinfachte Ausgestaltung der Brennstoffzellenmodule und der zentralen Zugänglichkeit der Vorladeschalteinrichtung eine vereinfachte Wartung oder Reparatur ermöglichen. Da die Vorladeschalteinrichtung hier die Funktionen einer idealen Diode und der bereits beschriebenen gedämpften Spannungsangleichung vereint, kann sie auch als Al D bezeichnet werden (Angleich von Strom und/oder Spannung in Kombination mit einer idealen Diode).
  • In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschalteinrichtung einen, insbesondere eingangsseitig angeordneten, ersten halbleiterbasierten Transistorschalter und einen, insbesondere ausgangsseitig angeordneten, zweiten halbleiterbasierten Transistorschalter auf, die zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss in Reihe geschaltet sind. Weiter weist die Vorladeschalteinrichtung hier eine zumindest mit dem zweiten Transistorschalter verbundene Steuereinrichtung auf. Der erste Transistorschalter fungiert hier als das Begrenzungselement, kann also dem an anderer Stelle genannten entsprechenden Halbleitertransistorschalter entsprechen. Der zweite Transistorschalter ist dazu entgegengesetzt geschaltet und wird durch die Steuereinrichtung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorladeschalteinrichtung als ideale Diode gesteuert. Dass die beiden Transistorschalter zueinander entgegengesetzt geschaltet sind, kann beispielsweise bedeuten, dass der Eingangsanschluss mit dem Drain des ersten Transistorschalters verbunden ist, die Source des ersten Transistorschalters mit der Source des zweiten Transistorschalters verbunden ist und der Ausgangsanschluss mit dem Drain des zweiten Transistorschalter verbunden ist. Die Steuereinrichtung kann an Gate und Source des zweiten Transistorschalters eine dort auftretende Spannung oder Spannungsdifferenz messen und in Abhängigkeit davon den zweiten Transistorschalter entweder vollständig durchschalten oder zum Blockieren des Stromflusses Sperren. In der hier beschriebenen Weise können die genannten Funktionen für den Spannungsangleich und das Verhalten als ideale Diode besonders einfach, effizient und kostengünstig realisiert oder implementiert werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschalteinrichtung eine Überbrückungsschaltung zum widerstandsreduzierten Überbrücken des Begrenzungselements auf. Diese Überbrückungsschaltung kann beispielsweise einen elektromechanischen Schalter umfassen, der zur Überbrückung, also zum Bilden eines das Begrenzungselement umgehenden Bypasses, geschlossen werden kann. Eine solche Überbrückung weist dabei im geschlossenen, also durchgeschalteten Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand als das Begrenzungselement in seinem geschlossenen, also durchgeschalteten Zustand auf. Die Vorladeschaltung bzw. die Überbrückungsschaltung kann dazu eingerichtet sein, das Begrenzungselement zu überbrücken, also beispielsweise den entsprechenden elektromechanischen Schalter oder Schütz zu schließen, nachdem das Begrenzungselement bzw. dessen Regelung den dauerhaft und vollständig geschlossenen oder durchgeschalteten Zustand erreicht hat. Beispielsweise kann das Begrenzungselement wie beschrieben als der Halbleitertransistorschalter bzw. als der erste Transistorschalter realisiert sein, während die Überbrückung als elektromechanischer Schalter oder Schütz ausgebildet sein oder einen solchen umfassen kann. Das Begrenzungselement ermöglicht dann eine besonders einfache und präzise Regelung zum Angleichen der Spannungen, während die Überbrückung nach dem erfolgten Angleichen der Spannungen eine besonders widerstandsarme und damit besonders verlustarme elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der Vorladeschalteinrichtung bereitstellen oder bilden kann. Damit kann letztlich die gesamte Effizienz der Vorladeschalteinrichtung weiter verbessert werden.
  • Die Überbrückung bzw. der darin verwendete Schalter oder Schütz kann insbesondere bistabil sein. Durch eine solche bistabile Ausbildung oder Ausgestaltung der Überbrückung kann Energie eingespart werden, die ansonsten gegebenenfalls zum Halten der Überbrückungsschaltung in dem geschlossenen Zustand aufgewendet werden müsste. Dies kann also den Energiebedarf der Vorladeschalteinrichtung weiter verringern und die Effizienz der Vorladeschalteinrichtung weiter verbessern. Die Überbrückungsschaltung kann - analog wie an anderer Stelle beschrieben - eine Ausfallschaltung umfassen oder mit einer solchen gekoppelt sein, um ein automatisches Öffnen der Überbrückung bzw. des darin vorgesehenen Schalters oder Schützes bei Ausfall oder Unterbrechung einer Energieversorgung oder Versorgungsspannung der Überbrückungsschaltung mittels eines eigenen Energiespeichers oder Energievorrats sicherzustellen. Die Überbrückungsschaltung kann dementsprechend ausfall- und betriebssicher realisiert sein, also dazu eingerichtet sein, automatisch zu öffnen, das heißt die Überbrückung aufzuheben, wenn die Energie- oder Spannungsversorgung ausfällt. Eine entsprechende Ausfallschaltung kann mit der Überbrückungsschaltung verbunden oder in diese integriert sein. In dem an anderer Stelle beschriebenen Beispiel, in dem die Vorladeschalteinrichtung als Begrenzungselement den ersten Transistorschalter und zum Realisieren der idealen Diodenfunktion den entgegengesetzt dazu geschalteten zweiten Transistorschalter umfasst, kann die Überbrückungsschaltung insbesondere nur zum Überbrücken des ersten Transistorschalters, nicht aber zum Überbrücken des zweiten Transistorschalter eingerichtet sein. Dadurch kann das Risiko einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems durch einen entgegen der Durchlassrichtung des zweiten Transistorschalter fließenden Strom minimiert werden.
  • In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorladeschalteinrichtung eine galvanisch trennende Energieversorgungseinheit oder Energieversorgungsschaltung zur Energie- oder Spannungsversorgung der übrigen Komponenten oder Bauteile der Vorladeschalteinrichtung. Dies kann einen besonders sicheren und zuverlässigen Betrieb der Vorladeschalteinrichtung ermöglichen. Die Energieversorgungseinheit kann beispielsweise einen galvanisch isolierenden Gleichstromwandler oder eine galvanische Isolation umfassen, um eine einfache Ansteuerung und Versorgung der übrigen Komponenten der Vorladeschalteinrichtung auch dann zu ermöglichen, wenn diese beispielsweise in einem Hochspannungsumfeld des Brennstoffzellensystems und der Batterie, die beispielsweise als Hochvolt- oder Traktionsbatterie ausgestaltet sein kann, eingesetzt oder betrieben wird.
  • Die Vorladeschalteinrichtung, insbesondere ein von dieser umfasster integrierter Schaltkreis oder Halbleiterbaustein, kann weitere Komponenten oder Funktionen umfassen oder integrieren. Beispielsweise kann die Vorladeschalteinrichtung eine Universalsteuerung umfassen, durch die weitere Funktionen realisiert oder implementiert sind bzw. ausgeführt werden können. So kann die Vorladeschalteinrichtung eine bzw. die Universalsteuerung beispielsweise eine Gateansteuerung zur Realisierung der idealen Diode oder idealen Diodenfunktion mittels eines oder mehrerer Transistoren, die Möglichkeit zur PWM- oder Linearregelung eines Transistorgates zur Abbildung einer Schalterfunktionalität, eine Ansteuerung eines bipolaren Relais, also etwa der bistabilen Überbrückung, eine Strommessung, beispielsweise mittels eines Shunts und/oder eines Hallsensors, eine Überstromschutzabschaltung, eine Überspannungsschutzabschaltung, eine Konfigurierbarkeit oder Konfigurationsmöglichkeit via einer Busverbindung oder durch entsprechende IC-Außenbeschaltung oder per Software im Flashverfahren, eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise über eine Busverbindung, eine oder mehrere Schnittstellen zur Außenbeschaltung, zur Konfiguration oder zur Programmierung und/oder dergleichen mehr aufweisen oder implementieren. Durch eine derartige Kombination oder Integration von Funktionalitäten oder Merkmalen in einem integrierten Schaltkreis oder einer kompakten Schalteinrichtung könnte eine entsprechende Gesamtschaltung und damit auch die erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung insgesamt gegebenenfalls kostengünstiger gefertigt werden als beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Kombination aus mehreren Leiterplatte, auf der denen einige oder alle der genannten Funktionalitäten durch separate Bauelemente oder Baugruppen realisiert sind. Wie sich einzelne, gegebenenfalls gleiche oder identisch aufgebaute, Bausteine oder Komponenten der Vorladeschalteinrichtung bzw. der Universalsteuerung verhalten - beispielsweise als bidirektionaler Schalter oder als Diodeneinrichtung - kann beispielsweise mittels der Konfiguration oder Programmierung über eine Busverbindung, über ein Flashverfahren oder mittels einer Außenbeschaltung, etwa mittels eines Jumpers, einer Lotbrücke, einer Widerstandsverschaltung oder einer ähnlich gearteten Außenbeschaltung der Vorladeschalteinrichtung und/oder der Universalsteuerung festgelegt oder eingestellt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzellenvorrichtung, die mehrere Brennstoffzellen und wenigstens eine ausgangsseitige erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorladeschalteinrichtung genannte Brennstoffzellensystem umfassen. Die mehreren Brennstoffzellen können insbesondere zu mehreren Brennstoffzellenmodulen zusammengefasst oder organisiert sein, die jeweils einen Stapel von mehreren einzelnen Brennstoffzellen umfassen können. Insbesondere können mehrere Brennstoffzellen oder mehrere Brennstoffzellenmodule der Brennstoffzellenvorrichtung unterschiedlich verschaltbar sein, um unterschiedliche Ausgangsspannungen oder Ausgangsströme zu liefern. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere je Parallelzweig oder Parallelstrang von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodulen eine jeweilige erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung aufweisen. Die Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodule der Brennstoffzellenvorrichtung können jeweils intern wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei, Auskoppelschalter aufweisen, der bzw. die bevorzugt als bistabiler Schütz ausgebildet ist bzw. ausgebildet sind. Die Auskoppelschalter dienen, sind also eingerichtet zum galvanischen Trennen der jeweiligen Brennstoffzelle oder des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls vom Rest der Brennstoffzelleneinrichtung. Durch Öffnen der Auskoppelschalter kann also die jeweilige Brennstoffzelle oder das jeweilige Brennstoffzellenmodul aus einem elektrischen Schaltungsverbund der Brennstoffzelleneinrichtung ausgekoppelt werden. Die Auskoppelschalter können auch dann nützlich sein, wenn eine Umgehung oder Überbrückung für die jeweilige Brennstoffzelle oder das jeweilige Brennstoffzellenmodul, beispielsweise in Form von entsprechenden Bypassschaltern vorgesehen ist, da dann durch Öffnen des wenigstens einen internen Auskoppelschalters der jeweiligen Brennstoffzelle oder des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls ein definiertes elektrisches Verhalten des jeweiligen Parallelzweigs, insbesondere der jeweiligen Überbrückung, sichergestellt werden kann.
  • Mehrere Brennstoffzellenmodule der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung können unterschiedlich viele Brennstoffzellen aufweisen. Mit anderen Worten kann die Brennstoffzellenvorrichtung also wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, Brennstoffzellenmodule umfassen, die unterschiedliche Anzahlen von internen individuellen Brennstoffzellen aufweisen. Damit können die entsprechend unterschiedlichen Brennstoffzellenmodule also unterschiedliche Ausgangsspannungen oder Spannungslagen bereitstellen. Dies eröffnet, insbesondere in Kombination mit der Möglichkeit, durch eine entsprechende Verschaltungseinrichtung oder Schaltungssteuerung unterschiedliche Verschaltungen der Brennstoffzellenmodule einzustellen, eine noch größere Flexibilität oder Bandbreite von Verschaltungen und einen entsprechend besonders breiten Einstellungs- oder Einsatzbereich der Brennstoffzellenvorrichtung. Beispielsweise kann auf diese Weise besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass eine mit der Brennstoffzellenvorrichtung gekoppelte Batterie über ihren gesamten Ladezustandsbereich hinweg durch die Brennstoffzellenvorrichtung mit Energie versorgt, also aufgeladen werden kann, indem die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung durch entsprechende Auswahl und Verschaltung der unterschiedlichen Brennstoffzellenmodule in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Ladezustand der Batterie angepasst oder eingestellt wird.
  • Die Brennstoffzellenmodule der Brennstoffzellenvorrichtung können in mehreren Parallelzweigen, die jeweils mehrere seriell verschaltete Brennstoffzellenmodule mit unterschiedlich vielen Brennstoffzellen umfassen können, verschaltet werden oder verschaltbar sein. Dabei können die Brennstoffzellenmodule in unterschiedlichen Parallelzweigen in Richtung der Serienverschaltung betrachtet hinsichtlich ihrer Anzahlen von Brennstoffzellen in unterschiedlichen Reihenfolgen angeordnet bzw. bei Realisierung entsprechender Serienverschaltungen verschaltet werden. Die verschiedenen Parallelzweige der Brennstoffzellenvorrichtung können dabei insgesamt dieselbe Anzahl von Brennstoffzellen umfassen. Beispielsweise können also zwei Parallelzweige jeweils ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl A, ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl B und ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl C umfassen, wobei A, B und C unterschiedliche ganze Zahlen sind. In dem einen Parallelzweig können diese Brennstoffzellenmodule dann in der Abfolge A, B, C und in dem anderen Parallelzweig beispielsweise in der Abfolge C, A, B angeordnet bzw. seriell verschaltet oder verschaltbar sein. Dadurch können, beispielsweise unter Verwendung der genannten Verschaltungseinrichtung und/oder jeweiliger Überbrückungen oder Bypassschalter, besonders einfach und effektiv besonders viele unterschiedliche Verschaltungen bzw. Ausgangsspannungen der Brennstoffzellenvorrichtung realisiert werden. Die Verschaltungseinrichtung und/oder die Überbrückungen oder Bypassschalter können insbesondere so eingerichtet oder angeordnet sein, dass aus allen Parallelzweigen diejenigen Brennstoffzellenmodule, die innerhalb ihres jeweiligen Parallelzweig die größte Anzahl von Brennstoffzellen aufweisen, sämtlich zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Brennstoffzellenvorrichtung in Reihe geschaltet werden können. Entsprechendes kann für die Brennstoffzellenmodule mit der jeweils geringsten Anzahl von Brennstoffzellen in ihrem jeweiligen Parallelzweig gelten. Auf diese Weise kann eine besonders große Bandbreite der durch entsprechende Verschaltungen einstellbaren Ausgangsspannungen der Brennstoffzellenvorrichtung realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass unterschiedliche Parallelzweige jeweils insgesamt unterschiedliche viele Brennstoffzellen aufweisen, beispielsweise durch unterschiedliche Anzahlen und/oder unterschiedliche Ausgestaltungen der Brennstoffzellenmodule.
  • Ein Parallelzweig beschreibt im vorliegenden Sinne einen elektrischen Pfad oder Schaltungszweig, der zu anderen entsprechenden Zweigen oder Pfaden, also zu anderen Parallelzweigen, bezüglich Außenkontakten oder Außenanschlüssen der Brennstoffzellenvorrichtung parallelgeschaltet oder schaltbar ist. Ein solcher Parallelzweig der Brennstoffzellenvorrichtung kann jeweils mehrere seriell geschaltete Brennstoffzellenmodule umfassen. Dabei kann es sich um Parallelzweige handeln, die in einer konkreten Anwendung, also in einer konkreten Brennstoffzellenvorrichtung oder einem konkreten Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung tatsächlich geschaltet sind oder mittels der Verschaltungseinrichtung und/oder der Überbrückungen oder Bypassschalter schaltbar oder einstellbar sind.
  • Sofern mehrere Parallelzweige von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenmodulen vorgesehen oder schaltbar sind, kann je Parallelzweig eine erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung vorgesehen bzw. angeordnet oder geschaltet sein. Ebenso kann für mehrere oder alle Parallelzweige eine einzige oder gemeinsame Vorladeschalteinrichtung vorgesehen sein, die dann in einem Strom- oder Leitungspfad angeordnet sein kann, der auf einer Eingangsseite der Vorladeschalteinrichtung die entsprechenden Parallelzweige zusammenführt.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und eine Batterie zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung und die Batterie sind dabei ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler bezüglich des elektrischen Verbrauchers parallel zueinander geschaltet. Mit anderen Worten weist das Kraftfahrzeug also einen elektrischen Verbraucher, ein Brennstoffzellensystem und eine dazu bezüglich des Verbrauchers parallelgeschalteten Batterie auf, wobei zwischen einen Ausgang des Brennstoffzellensystems und einen Knotenpunkt, an den eine Seite der Batterie und ein Eingang des Verbrauchers angeschlossen sind, eine erfindungsgemäße Vorladeschalteinrichtung geschaltet ist. Somit kann die Vorladeschalteinrichtung ein gedämpftes Angleichen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems und der Batteriespannung bzw. der an dem Knotenpunkt anliegenden Netzspannung bei Zuschaltung des Brennstoffzellensystems zur Energieversorgung des Verbrauchers und/oder zum Aufladen der Batterie ermöglichen oder bewirken.
  • Zwischen einem Eingang des Brennstoffzellensystems einerseits und einem Ausgang des Verbrauchers sowie der anderen Seite der Batterie andererseits kann ein Schalter oder Schütz, hier auch bezeichnet als Eingangsschütz, angeordnet oder geschaltet sein. Damit kann in Kombination mit der Vorladeschalteinrichtung das Brennstoffzellensystem vollständig von der Batterie und dem Verbraucher, also einem entsprechenden Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, abgetrennt werden. Dies kann eine verbesserte Sicherheit sowie eine weitere Minimierung von elektrischen Verlusten, beispielsweise durch Kriechströme oder dergleichen, ermöglichen.
  • Mittels der beschriebenen Komponenten des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann beispielsweise ein brennstoffzellenbasiertes Range-Extender-Antriebssystem des Kraftfahrzeugs realisiert werden. Dazu kann es sich bei der Batterie um eine Hochvolt-Traktionsbatterie handeln, die die beispielsweise eine Maximal- oder Nennspannung von mehreren 100 V, beispielsweise 200 V oder 400 V oder 800 V oder mehr, sowie eine Kapazität von mehreren Dutzend Kilowattstunden, beispielsweise wenigstens 30 kWh, wenigstens 50 kWh, wenigstens 60 kWh, wenigstens 70 kWh oder mehr, aufweisen kann. Ebenso kann es sich bei der Batterie aber beispielsweise um eine kleinere Pufferbatterie oder dergleichen handeln.
  • Bei dem elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs kann es sich beispielsweise um ein Bordnetz, daran angeschlossene elektrische Komponenten oder Einrichtungen, einen elektrischen Traktionsmotor und/oder dergleichen mehr handeln.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorladeschalteinrichtung und/oder der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung genannte Kraftfahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der dort genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Ein solches elektrisches Kraftfahrzeug stellt einen besonders nutzbringenden Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung dar, da einerseits im Fahrbetrieb elektrische Lasten oder Leistungsanforderungen besonders stark und schnell variieren können und andererseits eine Einsparung von Gewicht, Bauteilen und Komplexität - beispielsweise durch Verzicht auf den bisher üblicherweise vorgesehenen Gleichspannungswandler - sich unmittelbar positiv auf eine Effizienz, Reichweite und Nachhaltigkeit des Kraftfahrzeugs auswirken kann.
  • Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein 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.
  • Die Zeichnung zeigt in:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinrichtung, einer dazu parallel geschalteten Batterie und einer koppelnden Vorladeschaltung in einer ersten Variante;
    • 2 eine schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer Steuerung der Vorladeschaltung;
    • 3 eine ausschnittweise schematische Darstellung der Vorladeschaltung in einer zweiten Variante;
    • 4 eine ausschnittweise schematische Darstellung der Vorladeschaltung in einer dritten Variante; und
    • 5 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mehreren Vorladeschaltungen.
  • Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Brennstoffzelleneinrichtungen, beispielsweise für Fahrzeuge, können Stapel von mehreren Brennstoffzellen und somit entsprechend viele Bipolarplatten umfassen. Eine von einer solchen Brennstoffzelleneinrichtung erzeugte oder ausgegebene Gesamtspannung UBZS setzt sich dann aus der Summe der Zellspannungen Uz der einzelnen Brennstoffzellen zusammen. Damit eine Brennstoffzelleneinrichtung ihre Energie an einen Verbraucher bzw. einen Energiespeicher abgeben kann, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Gerade in einem Fahrzeug kann ein elektrischer Energieverbrauch sehr dynamisch sein, was zur Folge hat, dass entweder die Brennstoffzelleneinrichtung entsprechenden hochdynamischen Leistungsanforderungen durch eine entsprechend hochdynamische Nachführung der Medien Wasserstoff und Sauerstoff nachkommen muss oder dass zumindest ein Teil, insbesondere ein Großteil, einer entsprechenden Dynamik durch einen Pufferspeicher, beispielsweise eine Hochvolt- oder Traktionsbatterie des Fahrzeugs, aufgefangen werden muss. Bei einem entsprechenden kombinierten System aus Brennstoffzellen und einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug kann dann von einem Brennstoffzellen-Range-Extender gesprochen werden, insbesondere wenn ein Gesamtbeitrag einer Batteriekapazität der Traktionsbatterie zur Reichweite des Fahrzeugs zumindest im Bereich der durch die Brennstoffzelleneinrichtung hinzugewonnenen Reichweite liegt. Mit einem derartigen kombinierten System besteht jedoch die Herausforderung der Kopplung der Brennstoffzelleneinrichtung, der Traktionsbatterie und der elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs.
  • Um einen aufwändigen und teuren DCDC-Wandler, der die Spannung UBZS der Brennstoffzelleneinrichtung wandelt, einzusparen, kann prinzipiell eine direkte Verbindung der Brennstoffzelleneinrichtung und der Traktionsbatterie in Betracht gezogen werden. Daraus können sich jedoch Einschränkungen hinsichtlich eines Betriebsfensters der Brennstoffzelleneinrichtung ergeben. Bei einer elektrischen Parallelschaltung von Brennstoffzelleneinrichtung und Traktionsbatterie wird sich ein Arbeitspunkt auf der Polarisationskurve der Brennstoffzelleneinrichtung einstellen, welcher durch die sich einstellende Spannung definiert wird. Dies wird als spannungsgeführter Betrieb bezeichnet. Korrespondierend zu einem solchen Arbeitspunkt stellt sich eine maximal durch die Brennstoffzelleneinrichtung an die Traktionsbatterie lieferbare elektrische Leistung ein. Diese Leistung kann in Abhängigkeit vom Ladezustand der Traktionsbatterie variieren, wobei gegebenenfalls nur in einem begrenzten Ladezustandsbereich oder Ladezustandsfenster, beispielsweise zwischen 45 % und 100 % Ladezustand, eine elektrische Leistung von der Brennstoffzelleneinrichtung an die Traktionsbatterie abgegeben werden kann.
  • Vor diesem Hintergrund zeigt 1 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1, das mit einem Brennstoffzellensystem 2 und einer Batterie 3 ausgestattet ist, die zusammen elektrische Energie zur Versorgung eines Verbrauchers 4 des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellen. Dabei kann das Brennstoffzellensystem 2 einen Brennstoffzellenstrom IBZS und die Batterie 3 mit ihrer Batteriespannung UBat einen Batteriestrom IBat bereitstellen, womit sich ein Bordnetzstrom IBN ergibt. UBN bezeichnet hier eine Bordnetzspannung in einem entsprechenden Bordnetz des Kraftfahrzeugs 1.
  • Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst mehrere Brennstoffzellenmodule 5. An einem ersten Anschluss des Brennstoffzellensystems 2 ist zwischen dieses und die Batterie 3 sowie der Verbraucher 4 eine Vorladeschalteinrichtung 6 geschaltet.
  • Die Brennstoffzellenmodule 5 können jeweils einen Brennstoffzellenstapel 7 aus mehreren seriell verschalteten einzelnen Brennstoffzellen sowie eingangsseitige und ausgangsseitige Auskoppelschalter 8 umfassen. Die Auskoppelschalter 8 können beispielsweise als, insbesondere bistabile, Schütze realisiert sein. Weiter sind hier Diodeneinrichtungen 9 vorgesehen, welche sicherstellen können, dass der Brennstoffzellenstrom IBZS ausschließlich in Richtung von dem Brennstoffzellensystem 2 in die Batterie 3 bzw. zu dem Verbraucher 4 fließt, um eine Beschädigung der Brennstoffzellenstapel 7 zu vermeiden. In einem einfachen Fall können die Diodeneinrichtungen 9 beispielsweise durch Schottky-Dioden realisiert sein, welche im Vergleich zu Germanium- oder Siliziumdioden eine geringere Durchlassspannung aufweisen und somit eine geringere Verlustleistung und einen damit einhergehenden vergleichsweise geringeren Kühlaufwand aufweisen bzw. erfordern können.
  • An einem zweiten bzw. dem anderen Anschluss des Brennstoffzellensystems 2 ist eine allpolige Trennmöglichkeit vorgesehen, die hier als Eingangsschütz 10 bezeichnet wird. Durch diesen kann das Brennstoffzellensystem 2 von dem Verbraucher 4 und der Batterie 3 getrennt werden kann.
  • Auf der anderen Seite des Verbrauchers 4 und der Batterie 3 weist die Vorladeschalteinrichtung 6 in einem Hauptzweig einen Hauptschütz 11 für eine allpolige Trennung oder Abkopplung der Ausgangsseite des Brennstoffzellensystems 2 von dem Bordnetz, also der Batterie 3 und dem Verbraucher 4, auf. Durch Schließen des Eingangsschützes 10 und des Hauptschützes 11 können also das Brennstoffzellensystem 2 und die Batterie 3 zusammengeschaltet werden. Das Brennstoffzellensystem 2 und die Batterie 3 können jedoch unterschiedliche Spannungslagen oder Spannungspegel aufweisen, wobei ein Spannungspegel ausgangsseitig der Vorladeschalteinrichtung 6, also an einem Knotenpunkt zwischen der Vorladeschalteinrichtung 6, der Batterie 3 und dem Verbraucher 4, auch durch ein Verhalten oder eine Lastanforderung des Verbrauchers 4 beeinflusst werden kann. Somit kann ein gedämpfter Angleich der Spannungen oder Spannungspegel auf beiden Seiten der Vorladeschalteinrichtung 6 beim Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems 2 mit dem restlichen Bordnetz, insbesondere mit der Batterie 3, günstig sein.
  • Ein solcher gedämpfter Angleich wird hier durch die Vorladeschalteinrichtung 6 ermöglicht, die daher auch als Angleichschaltung bezeichnet werden kann. Die Vorladeschalteinrichtung 6 ist hier insbesondere als ein Baustein oder eine Baugruppe zu verstehen, der bzw. die möglichst kompakt aufgebaut ist, so dass die Vorladeschalteinrichtung 6 beispielsweise besonders einfach auf eine Montageplatte, einen Montageblock oder eine dreidimensionale Montagevorrichtung gesteckt und/oder verschraubt oder in ähnlicher Weise elektrisch leitend und mechanisch bestimmungsgemäß stabil befestigt werden kann.
  • Im hier dargestellten Beispiel weist die Vorladeschalteinrichtung 6 zum Realisieren des gedämpften Spannungsangleichs parallel zu dem Hauptzweig eine Reihenschaltung aus einer Induktivität 12, einem ersten Transistor 13 und einem Nebenschütz 14 auf. Zudem umfasst die Vorladeschalteinrichtung 6 eine Regeleinrichtung 15 zum Regeln bzw. zum geregelten Ansteuern des ersten Transistors 13. Der durch die Regeleinrichtung 15 hinsichtlich seines Gleichstromführungsverhaltens geregelte erste Transistor 13 fungiert hier - insbesondere in Kombination mit der Induktivität 12 - als Begrenzungselement.
  • Zum Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems 2 und der Batterie 3 können bei geöffnetem Hauptschütz 11 und geöffnetem bzw. gesperrtem ersten Transistor 13 der Eingangsschütz 10 und der Nebenschütz 14 geschlossen werden. Die Regeleinrichtung 15 kann dann, beispielsweise im Rahmen einer linearen Regelung oder einer PWM-Regelung, den Widerstand des ersten Transistors 13 graduell reduzieren bzw. den ersten Transistor 13 graduell bis zu einer maximalen Leitfähigkeit oder Durchlässigkeit, also einer maximalen Gleichstromführung regeln. Die Induktivität 12 ist dabei optional und kann, insbesondere bei Verwendung oder Realisierung der PWM-Regelung, eine Möglichkeit darstellen, die Frequenzabhängigkeit des Gesamtwiderstands oder Gesamtverhaltens der Vorladeschalteinrichtung 6 zu erhöhen. Dadurch kann dann eine verbesserte, genauere oder vereinfachte Regelung via Pulsweitenmodulation und deren Grundfrequenz ermöglicht werden. Insbesondere bei Verwendung oder Realisierung einer linearen Regelung kann die Induktivität 12 eingespart, also weggelassen werden. Für die Regelung kann der eingangsseitig, also an der dem Brennstoffzellensystem 2 zugewandten Seite in die Vorladeschalteinrichtung 6 eintretende Brennstoffzellenstrom IBZS oder eine Brennstoffzellenspannung, also eine Spannung des Brennstoffzellensystems 2, im Vergleich oder in Relation zur Batteriespannung UBat als Regelgröße verwendet werden. Der Brennstoffzellenstrom IBZS kann beispielsweise durch ein hier nicht im Einzelnen dargestelltes Strommessgerät gemessen werden, das einen entsprechenden Messwert an die Regeleinrichtung 15 bereitstellen kann. Wenn die Regeleinrichtung 15 den ersten Transistor 13 auf maximale Durchlässigkeit geregelt hat, kann gegebenenfalls eine vorgegebene Angleichzeit, deren optimale Länge beispielsweise experimentell oder modellbasiert ermittelt oder bestimmt werden kann, abgewartet werden. Anschließend kann der Hauptschütz 11 geschlossen werden, um eine widerstandsärmere Verbindung des Brennstoffzellensystems 2 mit dem Bordnetz bzw. mit der Batterie 3 und dem Verbraucher 4 herzustellen. Anschließend kann zur Vermeidung von Verlusten der Nebenschütz 14 geöffnet und gegebenenfalls der erste Transistor 13 in Vorbereitung auf ein späteres erneutes Zusammenschalten des Brennstoffzellensystems 2 mit der Batterie 3 durch die Regeleinrichtung 15 gesperrt werden.
  • Einige oder alle der verwendeten Schalter oder Schütze können bistabil sein und/oder zum automatischen Öffnen bei Ausfall einer jeweiligen Energieversorgung oder Betriebsspannung eingerichtet sein. Damit kann ohne Einschränkung der Sicherheit ein reduzierter Energieverbrauch, also eine erhöhte Effizienz erreicht werden, da Spulen der Schalter oder Schütze oder entsprechende Relais zum Schalten der Schalter oder Schütze nicht dauerhaft bestromt werden müssen, um einen bestimmten Schaltzustand beizubehalten.
  • Das Kraftfahrzeug 1 bzw. dessen hier ausschnittweise schematisch dargestelltes elektrisches System, insbesondere das Brennstoffzellensystem 2, kann weitere hier nicht im Einzelnen dargestellte Bauteile oder Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Dichtungen, eine Gasdiffusionsanlage, beschichtete Membranen, eine Elektronik, einen Luftverdichter, Ventil-, Aktuator- und Sensortechnik und/oder und dergleichen mehr.
  • Im Rahmen der PWM-Regelung des ersten Transistors 13 durch die Regeleinrichtung 15 kann eine Gate-Source-Strecke des ersten Transistors 13 mit einem von der Regeleinrichtung 15 erzeugten PWM-Signal beaufschlagt werden. Bei einer solchen PWM-Regelung des ersten Transistors 13 wird dieser nicht linear geregelt, sondern gepulst betrieben. Dabei kann ein Tastgrad oder Puls-Pausen-Verhältnis, also ein zeitlicher Anteil einer laufenden Betriebszeit, zu dem der erste Transistor geschlossen, das heißt durchgeschaltet und somit leitend ist, insbesondere ausgehend oder startend von etwa 0 %, erhöht werden, bis ein Wert von 100 % erreicht ist, was bedeutet, dass der erste Transistor 13 dann dauerhaft und vollständig durchschaltet. Dazu zeigt 2 eine schematische Diagrammdarstellung, in der eine PWM-Regelung des ersten Transistors 13 veranschaulicht ist. Ebenso ist aber eine kontinuierliche Regelung möglich. In dem dargestellten Diagramm zu der PWM-Regelung ist jeweils eine Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen, wobei fünf zu unterschiedlichen Zeiten vorliegende Spannungs- oder PWM-Signale, die während des Spannungsangleichs nacheinander eingestellt oder geschaltet werden, dargestellt sind.
  • Anfangs, also bei oder unmittelbar nach dem Schließen des Nebenschützes 14 wird der erste Transistor 13 mit einem ersten PWM-Signal 16 angesteuert. Dabei ist der erste Transistor 13 dauerhaft gesperrt, entsprechend einem Tastgrad, also einem Puls-Pausen-Verhältnis von 0 %. Anschließend wird der erste Transistor 13 mit einem zweiten PWM-Signal 17 mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 25 % angesteuert. In entsprechender Weise wird der erste Transistor 13 dann nach und nach mit einem dritten PWM-Signal 18 mit einem Puls-Pausen-Behältnis von 50 % und danach mit einem vierten PWM-Signal 19 mit einem Puls-Pausenverhältnis von 75 % und schließlich mit einem fünften PWM-Signal mit einem Puls-Pausenverhältnis von 100 % angesteuert, sodass er dann also voll durchgeschaltet ist. Ein Wechsel von einem PWM-Signal bzw. Puls-Pausen-Verhältnis zum nächsten kann jeweils nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder nach einer sich abhängig von dem sich einstellenden Brennstoffzellenstrom IBZS ergebenden Zeitdauer gemäß der Regelung durchgeführt werden. Die hier dargestellten konkreten Puls-Pausen-Verhältnisse sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Ebenso können andere Puls-Pausenverhältnisse verwendet oder eingestellt werden.
  • Bei der Ansteuerung oder Regelung des ersten Transistors 13 mit den dargestellten PWM-Signalen 17, 18, 19 können sich aufgrund von deren Flankensteilheit relativ schnelle Stromänderungen ergeben, die durch die vorgeschaltete Induktivität 12 gedämpft werden können, um eine Belastung der Komponenten zu reduzieren.
  • Die in 1 in jedem der Brennstoffzellenmodule 5 individuell dargestellten Diodeneinrichtungen 9, insbesondere in ihrer Ausprägung oder Funktionalität als ideale Diode, und die Vorladeschalteinrichtung 6 können in einer Schaltung oder Baugruppe realisiert oder kombiniert werden, die zumindest teilweise in Halbleitertechnik oder als integrierter Schaltkreis gefertigt sein kann. Dazu zeigt 3 eine ausschnittweise schematische Darstellung der Vorladeschalteinrichtung 6 in einer entsprechenden Variante. Die Regeleinrichtung 15 kann hier für die PWM-Regelung des ersten Transistors 13 an ein Gate G des ersten Transistors 13 angebunden sein und ein Gate-Bezugspotenzial an der Source S des ersten Transistors 13 bereitstellen oder erfassen. Darüber hinaus ist hier ein ebenfalls durch die Regeleinrichtung 15 ansteuerbares bzw. schaltbares Überbrückungsrelais 21 vorgesehen, das den ersten Transistor 13 mit einer im Vergleich zu diesem widerstands- bzw. verlustärmeren Verbindung von dessen Drain- und Sourceseite überbrücken kann. Das Überbrückungsrelais 21 kann hier insbesondere bistabil ausgeführt sein, um somit durch eine prinzipbedingt nicht dauerhaft zu bestromende Spule Energie zu sparen. Die Regeleinrichtung 15 kann das Überbrückungsrelais 21 zum Überbrücken des ersten Transistors 13 automatisch schließen bzw. zum Schließen entsprechender Überbrückungskontakte 22 ansteuern, wenn der erste Transistor 13 im Rahmen bzw. nach der Spannungsangleichung den Tastgrades bzw. das Puls-Pausen-Verhältnis von 100 % erreicht hat. Dadurch können dann ansonsten durch den zwar geringen, aber dennoch vorhandenen Übergangswiderstand des voll durchgeschalteten ersten Transistors 13 entstehende Verluste vermieden oder reduziert werden.
  • Der Brennstoffzellenstrom IBZS kann über einen Eingangsanschluss 23 der Vorladeschalteinrichtung 6 zum Drain D des ersten Transistors 13 fließen. Ein entsprechender Ausgangsstrom des ersten Transistors 13 kann von dessen Source S zu einem Ausgangsanschluss 24 der Vorladeschalteinrichtung 6 fließen.
  • Zum Ansteuern der Vorladeschalteinrichtung 6 bzw. der Regeleinrichtung 15 sowie für eine gegebenenfalls anfallende Kommunikation oder Datenübermittlung mit bzw. von einem übergeordneten Wirtssystem oder einer übergeordneten Steuereinheit, also beispielsweise einem Steuergerät oder einer Elektronik des Kraftfahrzeugs 1, ist hier beispielhaft eine Busverbindung 25 vorgesehen. Diese kann insbesondere galvanisch getrennt, beispielsweise optoentkoppelt sein.
  • Weiter umfasst die Vorladeschalteinrichtung 6 hier einen zweiten Transistor 36, der zum Realisieren der idealen Diodenfunktion durch eine Diodensteuerung 27 gesteuert oder betrieben wird. Die Diodensteuerung 27 kann auf einem Baustein oder einer Schaltung basieren oder einen solchen bzw. eine solche umfassen, der bzw. die zur Realisierung einer idealen Diode mittels Ansteuerung des zweiten Transistor 26 - beispielsweise eines Feldeffekttransistors - konzipiert ist. Da ein solcher Baustein oder eine solche Schaltung eine Ladungspumpe enthalten kann, ist hier zusätzlich ein Kondensator 28 angedeutet. Beispielsweise kann für oder als die Diodensteuerung 27 ein integrierter Schaltkreis des Typs LM74700-Q1 verwendet werden, der für das Umfeld des Automobilbaus ausgelegt wurde. Die Diodensteuerung 27 kann am Gate G und der Source S des zweiten Transistors 26 eine dort auftretende Spannungsdifferenz messen und den zweiten Transistor 26 entweder vollständig durchschalten oder einen Stromfluss durch den zweiten Transistor 26 blockieren.
  • Weiter kann die Vorladeschalteinrichtung 6 einen galvanisch isolierenden Gleichstromwandler oder eine galvanische Isolation umfassen, hier bezeichnet als galvanische Trennung 29, um eine einfache Ansteuerung und Versorgung der beschriebenen Komponenten auch dann zu ermöglichen, wenn diese im Hochspannungsumfeld des Brennstoffzellensystems 2 und der Batterie 3 eingesetzt oder betrieben werden. Bei der galvanischen Trennung 29 kann es sich beispielsweise um eine galvanisch getrennte oder galvanisch trennende Schaltung zur Energieversorgung der übrigen Komponenten der Vorladeschalteinrichtung 6 handeln.
  • Die Vorladeschalteinrichtung 6 kann hier wie beschrieben die Funktion einer idealen Diode und die Funktion zum gedämpften Angleichen der Spannungen des Brennstoffzellensystem 2 und der Batterie 3 bzw. des batterie- und verbraucherseitigen Bordnetzes vereinen und daher auch als AID bezeichnet werden.
  • Die Vorladeschalteinrichtung 6 ist hier als ein Baustein oder eine Baugruppe, beispielsweise auf einer einzigen Platine oder in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse, zu verstehen, die möglichst kompakt aufgebaut sein kann, sodass sie beispielsweise auf eine an anderer Stelle näher erläuterte Montageplatte, einen Montageblock oder eine dreidimensionale Montagevorrichtung oder dergleichen gesteckt, damit verschraubt oder in ähnlicher Weise elektrisch leitend und mechanisch bestimmungsgemäß stabil befestigt werden kann. Damit können die Diodeneinrichtungen 9 dann also aus den Brennstoffzellenmodulen 5 ausgelagert und besonders einfach und flexibel für verschiedene Verschaltungen oder Konfigurationen der Brennstoffzellenmodule 5 bzw. des Brennstoffzellensystems 2 eingesetzt oder angeordnet werden.
  • Die hier vorgeschlagene Verwendung von Halbleiterschaltern, also dem ersten Transistor 13 und dem zweiten Transistor 26, etwa anstelle von herkömmlichen elektromechanischen Schaltern, kann einen bei elektromechanischen Schaltern auftretenden Verschleiß von Schaltkontakten zumindest nahezu vollständig vermeiden, wodurch die Lebensdauer und Robustheit verbessert werden können. Zudem ermöglichen die Halbleiterschalter bzw. Transistoren 13, 26 ein regelbares oder graduelles, also in gewisser Weise allmähliches Schalten im Gegensatz zu einem plötzlichen oder abrupten Schalten bei elektromechanischen Schaltern. Dies kann sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer des Gesamtsystems auswirken und eine Vorsteuerung der Verbindungen oder Stoffschlüsse in der Vorladeschalteinrichtung 6 erleichtern.
  • Der potenzielle Nachteil der Halbleiterschalter, dass diese auch im durchgeschalteten, also geschlossenen Zustand einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen können als ein herkömmlicher elektromechanischer Schalter, kann zumindest teilweise durch das Überbrückungsrelais 21 ausgeglichen oder minimiert werden. Ein solches Überbrückungsrelais 21 kann - anders als hier dargestellt - gegebenenfalls auch zum Überbrücken des zweiten Transistors 26 vorgesehen werden und dann beispielsweise durch die Regeleinrichtung 15 oder die Diodensteuerung 27 gesteuert oder geschaltet werden. Es kann hier also jeweils ein Halbleiterschalter bzw. Transistor mit einem elektromechanischen Schalter kombiniert werden, wobei letzterer jeweils nur dann geschlossen werden oder geschlossen sein kann, wenn der Halbleiterschalter oder Transistor seinen vollständig durchgeschalteten Zustand, also seine maximale elektrische Leitfähigkeit erreicht hat. Dadurch kann an einer entsprechenden Stelle oder Strecke ein Übergangswiderstand minimiert werden. Bei einem solchen Schließen des entsprechenden elektromechanischen Schalters, hier also beispielsweise des Übergangsrelais 21 bzw. eines durch dieses betätigten elektromechanischen Schalters, bei durchgeschaltetem Halbleiterschalter bzw. Transistor kann auch der erwähnte Verschleiß an den Schaltkontakten des elektromechanischen Schalters minimiert werden, da zwischen den beiden Seiten des durch den elektromechanischen Schalter überbrückten Halbleiterschalters oder Transistor dann keine signifikante Spannung mehr abfällt, also keine signifikante Spannungsdifferenz anliegt. Beim Öffnen, also Trennen oder Unterbrechen der entsprechenden Verbindung oder Strecke kann in umgekehrter Reihenfolge zunächst der elektromechanische Schalter geöffnet werden, um den Verschleiß, also einen Kontaktabbrand, zu minimieren, und anschließend der Halbleiterschalter oder Transistor ganz oder teilweise geöffnet bzw. gesperrt werden.
  • Ausgehend von oder bezüglich der in 3 dargestellten Variante der Vorladeschalteinrichtung 6 ist eine weitere Funktionsintegration möglich. Dazu zeigt 4 ausschnittweise und schematisch eine weitere Variante der Vorladeschalteinrichtung 6. Diese ist hier grundsätzlich ähnlich wie die in 3 dargestellte Variante aufgebaut. Im Gegensatz dazu sind hier jedoch in der Regeleinrichtung 15 andere oder weitere Funktionen integriert. Die Regeleinrichtung 15 kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis realisiert sein, durch den die Gateansteuerung für den ersten Transistor 13 und den zweiten Transistor 26, die Ansteuerung des Überbrückungsrelais 21 und eine Bereitstellung oder ein Abgriff eines Gate-Bezugspotenzials zwischen den Transistoren 13, 26 sowie Anschlüsse für die Busverbindung 25 und eine, insbesondere potenzialfreie, Spannungsversorgung über die galvanische Trennung 29 realisiert werden kann.
  • Die Regeleinrichtung 15 kann als Universalsteuerung fungieren und dazu als ein integrierter Schaltkreis ausgebildet sein. Durch die Regeleinrichtung 15 können die Gateansteuerung für den ersten Transistor 13 und den zweiten Transistor 26, die Relaisansteuerung des zumindest einen Überbrückungsrelais 21 und eine Bereitstellung oder Abgriff eines Gate-Bezugspotenzials zwischen den Transistoren 13, 36 sowie Anschlüsse für die Busverbindung 25 und eine, insbesondere potenzialfreie, Spannungsversorgung über die galvanische Trennung 29 realisiert werden.
  • Es sind hier ein Strom- und Spannungsmesseingang vor der Überbrückung des ersten Transistors 13, dessen lineare oder PWM-basierte Gateansteuerung, die Relaisansteuerung für das Überbrückungsrelais 21, das Gate-Bezugspotenzial bzw. ein entsprechender Messeingang zwischen den Transistoren 13, 26, die lineare oder PWM-basierte Gateansteuerung des zweiten Transistors 26 und ein diesem nachgeordneter, also ausgangsseitig von diesem angeordneter Spannungsmesseingang vorgesehen. Die Regeleinrichtung 15 kann damit beispielsweise die folgenden Funktionalitäten aufweisen oder integrieren: Gateansteuerung zur Realisierung einer idealen Diode mit mittels Transistoren, Möglichkeit zur Linear- oder PWM-Regelung mindestens eines Gates zur Abbildung einer Schalterfunktionalität, Ansteuerung eines bipolaren Relais, Strommessung, insbesondere mittels eines Shunts und/oder Hallsensors, Überstromschutzabschaltung, Überspannungsschutzabschaltung, Konfigurierbarkeit per Software im Flashverfahren oder durch eine entsprechende Außenbeschaltung oder via Bus über die Busverbindung 25 und Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit über eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle und/oder die Busverbindung 25. Ebenso können weitere Schnittstellen zur Außenbeschaltung, zur Programmierung und/oder Konfiguration vorgesehen, also in die Regeleinrichtung 15 bzw. die Vorladeschalteinrichtung 6 integriert sein. Einige oder alle der genannten Funktionalitäten können also in einem für diesen Einsatzzweck eingerichteten integrierten Schaltkreis, der die Regeleinrichtung 15 bilden oder ein Teil davon sein kann, integriert sein. Dies kann eine besonders kostengünstige Realisierung der verschiedenen Funktionalitäten bzw. einer entsprechenden Gesamtschaltung ermöglichen, beispielsweise im Vergleich zu einer Realisierung durch separate Bauteile.
  • 5 zeigt eine weitere ausschnittweise schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 weist hier - ähnlich wie bereits in 1 dargestellt - die Batterie 3 und mehrere Brennstoffzellenmodule 5 zur Versorgung des Verbrauchers 4 auf. Hier sind jedoch die Brennstoffzellenmodule 5 in einer Brennstoffzellenvorrichtung 30 zusammengefasst. In der Brennstoffzellenvorrichtung 30 sind die Brennstoffzellenmodule 5 in mehreren, hier beispielhaft sechs, Parallelzweigen angeordnet. Jeder dieser Parallelzweige umfasst hier beispielhaft und der Übersichtlichkeit halber ein Brennstoffzellenmodul 5, kann aber ebenso mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule 5 umfassen. Ausgangsseitig ist in jedem der Parallelzweige eine Vorladeschalteinrichtung 6 angeordnet. Die Vorladeschalteinrichtungen 6 können wie beschrieben jeweils als ideale Diode fungieren und zum Regeln eines jeweiligen Stroms durch den jeweiligen Parallelzweig dienen bzw. eingerichtet sein. Somit muss also nicht mehr in den einzelnen Brennstoffzellenmodulen 5 selbst eine entsprechende Schutzdiode vorgesehen sein, da die entsprechende Funktionalität in die Vorladeschalteinrichtungen 6 ausgelagert ist.
  • Durch die hier beschriebene Realisierung oder Implementierung kann eine besonders einfache, effektive, effiziente und flexible Kombination aus dem Brennstoffzellensystem 2 und der Batterie 3 in direkt verbundener Parallelverschaltung zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers 4 realisiert werden. Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele also ein System und eine Methode zur verlustarmen geregelten elektrischen Ankopplung von Brennstoffzellen an eine Batterieeinrichtung, beispielsweise für ein elektrisches Fahrzeug.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftfahrzeug
    2
    Brennstoffzellensystem
    3
    Batterie
    4
    Verbraucher
    5
    Brennstoffzellenmodul
    6
    Vorladeschalteinrichtung
    7
    Brennstoffzellenstapel
    8
    Auskoppelschalter
    9
    Diodeneinrichtung
    10
    Eingangsschütz
    11
    Hauptschütz
    12
    Induktivität
    13
    erster Transistor
    14
    Nebenschütz
    15
    Regeleinrichtung
    16
    erstes PWM-Signal
    17
    zweites PWM-Signal
    18
    drittes PWM-Signal
    19
    viertes PWM-Signal
    20
    fünftes PWM-Signal
    21
    Überbrückungsrelais
    22
    Überbrückungskontakte
    23
    Eingangsanschluss
    24
    Ausgangsanschluss
    25
    Busverbindung
    26
    zweiter Transistor
    27
    Diodensteuerung
    28
    Kondensator
    29
    galvanische Trennung
    30
    Brennstoffzellenvorrichtung
    D
    Drain
    G
    Gate
    S
    Source
    IBZS
    Brennstoffzellenstrom
    IBN
    Bordnetzstrom
    IBat
    Batteriestrom
    UBat
    Batteriespannung
    UBN
    Bordnetzspannung
    t
    Zeit
  • 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 102016010844 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Vorladeschalteinrichtung (6) zum automatischen Angleichen einer Ausgangsspannung eines Brennstoffzellensystems (2) und einer Batteriespannung (UBat) einer dazu bezüglich eines zu versorgenden Verbrauchers (4) ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler parallel geschalteten Batterie (3), aufweisend einen Eingangsanschluss (23) zum Anschließen des Brennstoffzellensystems (2), einen Ausgangsanschluss (24) zum Verbinden mit der Batterie (3) und dem Verbraucher (4) und eine dazwischengeschaltete Angleichschalteinheit, wobei die Angleichschalteinheit ein regelbares Begrenzungselement (13) und eine damit gekoppelte Regeleinrichtung (15) aufweist und zum gedämpften Angleichen der Spannungen durch Regeln eines Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements (13) in Abhängigkeit von einem eingangsseitig erfassten Brennstoffzellensystemstrom (IBZS) eingerichtet ist.
  2. Vorladeschalteinrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement (13) einen Halbleitertransistorschalter umfasst.
  3. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichschalteinheit zum linearen Regeln des Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements (13), insbesondere zum Herunterregeln eines Widerstands des Begrenzungselements (13), eingerichtet ist.
  4. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichschalteinheit zum PWM-Regeln des Gleichstromführungsverhaltens des Begrenzungselements (13), insbesondere zum graduellen Erhöhen eines Tastgrades, eingerichtet ist
  5. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Angleichschalteinheit dazu eingerichtet ist, einen jeweils aktuellen Systemzustand, insbesondere eine jeweils aktuelle Temperatur, zu erfassen und die Regelung für das Angleichen der Spannungen in Abhängigkeit von dem erfassten Systemzustand automatisch anzupassen.
  6. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) einen Hauptzweig und einen elektrisch parallel dazu verlaufenden Nebenzweig aufweist, wobei in dem Hauptzweig und in dem Nebenzweig jeweils ein Schütz (11; 14) angeordnet ist, durch dessen Schließen der Eingangsanschluss (23) elektrisch leitend mit dem Ausgangsanschluss (24) verbindbar ist, und das Begrenzungselement (13) in dem Nebenzweig elektrisch seriell zu dem dortigen Schütz (14) angeordnet ist.
  7. Vorladeschalteinrichtung (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schütze (11. 14) bistabil sind.
  8. Vorladeschalteinrichtung (6) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) wenigstens eine Ausfallschaltung (21, 22) aufweist, die einen eigenen Energiespeicher umfasst und dazu eingerichtet ist, mit Hilfe der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie wenigstens einen der Schütze (11, 14) automatisch zu öffnen, wenn eine Versorgung des wenigstens einen Schützes (11, 14) ausfällt.
  9. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) eine zu dem Begrenzungselement (13) seriell geschaltete dedizierte Induktivität (12) aufweist.
  10. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) die Funktion einer idealen Diode nachbildet.
  11. Vorladeschalteinrichtung (6) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) einen ersten Transistorschalter (13) und einen zweiten Transistorschalter (26), die zwischen dem Eingangsanschluss (23) und dem Ausgangsanschluss (24) in Reihe geschaltet sind, sowie eine mit dem zweiten Transistorschalter (26) verbundene Steuereinrichtung (15, 27) aufweist, wobei der erste Transistorschalter (13) als das Begrenzungselement (13) fungiert und der zweite Transistorschalter (26) dazu entgegengesetzt geschaltet ist und durch die Steuereinrichtung (15, 27) im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorladeschalteinrichtung (6) als ideale Diode gesteuert wird.
  12. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) eine Überbrückungsschaltung (21, 22) zum widerstandsreduzierten Überbrücken des Begrenzungselements (13) aufweist.
  13. Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschalteinrichtung (6) eine galvanisch trennende Energieversorgungseinheit (29) zur Energieversorgung der übrigen Komponenten der Vorladeschalteinrichtung (6) umfasst.
  14. Brennstoffzellenvorrichtung (30), aufweisend mehrere Brennstoffzellen (7) und wenigstens eine, insbesondere je Parallelzweig von Brennstoffzellen (5, 7) eine, ausgangsseitige Vorladeschalteinrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  15. Kraftfahrzeug (1), aufweisend eine Brennstoffzellenvorrichtung (30) nach Anspruch 14 und eine Batterie (3) zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers (4) des Kraftfahrzeugs (1), wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (30) und die Batterie (3) ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler bezüglich des elektrischen Verbrauchers (4) parallel zueinander geschaltet sind.
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