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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Verschaltung wenigstens eines Brennstoffzellenstapels und wenigstens einer Hochvoltbatterie in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Die Verteilung von Energie in einem Brennstoffzellensystem erfolgt zumeist über eine sogenannte Brennstoffschnittstelle (Fuel Cell Interface), welche über wenigstes einen Gleichstromwandler bzw. DC/DC-Wandler verfügen. Häufig sind diese Schnittstellen im Bereich der Brennstoffzelle bzw. ihres Gehäuses selbst angebracht wird. Grundsätzlich ist ein solcher Aufbau aus der
DE 100 06 781 A1 bekannt. In diesem Zusammenhang kann ferner auf die die
US 2015/0295401 A1 hingewiesen werden.
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Ein bezüglich der Sicherheit optimiertes elektrisches Energiesystem mit einem derartigen Fuel Cell Interface beschreibt die
DE 10 2018 213 159 A1 . Dabei wird nach einem Gleichstromwandler und damit zwischen diesem und einer Batterie eine Notabschaltung für die Batterie über Batterieschutzschalter realisiert. Die Brennstoffzelle selbst ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gleichstromwandlers angeordnet und weist ihrerseits eine Notentladeeinrichtung auf.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, diesen prinzipiell aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten Aufbau einer Brennstoffzellenschnittstelle bzw. eines Fuel Cell Interface (FCI) weiter zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung verzichtet in der Verschaltung der Hochvoltbatterie und des Brennstoffzellenstapels auf den im Stand der Technik beschriebenen und üblichen DC/DC-Wandler als Hochsetzsteller/Tiefsetzsteller. Über wenigstens eine Diode die einen Stromfluss von der Hochvoltbatterie zum Brennstoffzellenstapel unterbindet und über wenigsten einen Schalter, insbesondere ein Schütz, zum Verbinden der Hochvoltbatterie und des Brennstoffzellenstapels lässt sich eine einfache Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle realisieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle löst die oben genannte Aufgabe auf eine sehr kostengünstige Weise, in welcher weder ein Wandler noch eine Vorladeschaltung benötigt werden. Durch den Verzicht auf den Wandler wirken außerdem keine Strom-Rippel auf den Brennstoffzellenstapel, welche beim Einsatz eines Wandlers nicht zu vermeiden sind. Da diese jedoch den Brennstoffzellenstapel enorm belasten, kommt es durch den Entfall des DC/DC-Wandlers auch zu einer Steigerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Ferner lässt sich durch den Verzicht auf den Wandler dessen relativ schlechter Wirkungsgrad auf der Leistungsverteilung bekommen. Der Gesamtwirkungsgrad kann somit gesteigert werden.
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Die sehr einfache Verschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht neben der Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zusätzlich eine Gewichtsreduktion gegenüber heutigen Konzepten und Realisierungen und eine eindeutige Schnittstelle, was einen geringeren Aufwand bei einer Anpassung des Brennstoffzellenstapels verursacht. Ferner kann eine Einsparung von Bauraum und eine Kosteneinsparungen durch den Entfall des DC/DC-Wandlers erreicht werden.
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Die Erfindung ermöglicht so enorme Wettbewerbsvorteile sowohl hinsichtlich Reduktion von Gewicht, Kosten und Bauraum als auch im Hinblick auf eine Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems mit einer solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht es dementsprechend vor dass die Verschaltung unter Verzicht auf einen Wandler ausgeführt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich sowohl für LKW-Anwendungen als auch für stationär betriebene Brennstoffzellensysteme. Insbesondere beim Einsatz in mobilen System, wie z.B. einem LKW kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung nun vorgesehen sein, dass eine Notabschalteinrichtung für den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Über eine solche Notabschalteinrichtung kann z.B. im Falle der Brennstoffzellenstapel von der Hochvoltbatterie getrennt und vorzugsweise kurzgeschlossen werden, so dass von ihm keine Gefahr mehr ausgeht.
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Die Notabschalteinrichtung kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als pyrotechnischer Schließer ausgebildet sein bzw. einen solchen umfassen und kann mit einer externen Kommunikationsschnittstelle verbunden sein. Ein solcher pyrotechnischer Schließer kann beispielsweise mit Crash-Sensoren eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Fahrzeugs verbunden werden. Im Falle eines Unfalls, beispielsweise für den Fall, dass ein Airbag auslöst oder dergleichen, kann dann über diese Sensorik gleichzeitig ein Signal an die erfindungsgemäße Vorrichtung in der beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung ausgesandt werden, um den pyrotechnischen Schließer auszulösen und die Pole des Brennstoffzellenstapels zu verbinden, diesen also kurzzuschließen.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es dabei vor, dass eine Steuerung des Schalters mit einer externen Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, wobei der Schalter insbesondere als Leitungsschalter bzw. Schütz ausgebildet ist. Diese Verbindung kann insbesondere eine andere als die des pyrotechnischen Schließers in der oben beschriebenen Ausgestaltung sein. Der Schalter ist dabei als ein Batterieschutzschalter, welche typischerweise als Schütz ausgebildet ist realisiert, um beide Pole der elektrischen Verbindung in Abhängigkeit eines Steuersignals an der externen Kommunikationsschnittstelle zu verbinden und zu trennen.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dabei Einrichtungen zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie vor. Über diese, welche auf der jeweils dem Brennstoffzellenstapel bzw. der Hochvoltbatterie zugewandten Seite des Schalters angeordnet sind, können die Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie bei geöffneten Schalter unabhängig voneinander erfasst werden. Ferner kann ein Strommesser Teil der Vorrichtung sein.
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In diesem Aufbau kann es nun gemäß einer sehr vorteilhafter Weiterbildung hiervon vorgesehen sein, dass die Steuerung des Schalters oder eine externe mit der Kommunikationsschnittstelle verbundenen Steuerung dazu eingerichtet ist den Schalter in Abhängigkeit der über die Einrichtungen zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie erfassten Spannungen zu betätigen. Die Spannungen dienen damit letztlich zur Steuerung des Schalters, was auch die Steuerung entsprechend einfach und effizient macht.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es nun ferner vor, dass wenigstens ein über Sicherungen abgesicherter elektrischer Anschluss für Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems, also beispielsweise Fördereinrichtungen für Luft, Wasserstoffrezirkulationsgebläse und dergleichen, zwischen der Diode und dem Batterieanschluss vorgesehen sind, sodass über die Vorrichtung auch diese Komponenten direkt mit Leistung versorgt und mit in der Vorrichtung befindlichen Sicherungen abgesichert werden können. Die Verbraucher selbst können dann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung über die Batterieanschlüsse bzw. parallel zu der Hochvoltbatterie mit angeschlossen werden, um so den Aufbau einfach und kompakt zu halten.
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Die ganze Vorrichtung lässt sich dabei insbesondere in ein gemeinsames Gehäuse integrieren, welches zur Montage an der Brennstoffzelle, also dem Brennstoffzellenstapel, ausgebildet ist. Die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle wird also in den Aufbau des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in oder an dessen Gehäuse, integriert, um so den Verkabelungsaufwand entsprechend zu reduzieren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einziges effizientes Schnittstellenmodul zu realisieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient nun zum Betreiben einer solchen Vorrichtung in der einen oder der anderen der oben beschriebenen Ausgestaltungen. Dabei ist es verfahrensgemäß vorgesehen, dass der Schalter in Abhängigkeit der Spannungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapel einerseits und der wenigstens einen Hochvoltbatterie andererseits gesteuert wird. Diese typischerweise ohnehin gemessenen Spannungen ermöglichen dabei eine sehr einfache und effiziente Umsetzung der Steuerung.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass der Schalter geschlossen wird, bevor die Spannung des Brennstoffzellenstapels die Spannung der Hochvoltbatterie erreicht. Durch die Diode wird dabei ein Stromfluss in Richtung des Brennstoffzellenstapels verhindert. Mit zunehmender Spannung an dem Brennstoffzellenstapel beginnt dann ein Strom zur Hochvoltbatterie bzw. zum Verbraucher zu fließen. Eine Vorladung des Hochvolt-Zwischenkreises kann aufgrund des Schutzes des Brennstoffzellenstapels durch die Diode entfallen. Die einfache Verschaltung gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt so zu einem einfachen selbstgeregelten System.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zu ihrem Betrieb ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiele, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschreiben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2 sehr vereinfachte Darstellung der Stromflüsse in einem angenommenen Aufbau;
- 3 einen den Polkurvenverlauf des angenommen Aufbaus;
- 4 eine tabellarische Darstellung eines ersten Szenarios; und
- 5 eine tabellarische Darstellung eines dritten und vierten Szenarios.
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Eine Vorrichtung 1 dient als Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle und ist entsprechend der Darstellung in 1 zwischen einem angedeuteten Brennstoffzellenstapel 2 und einer mit 3 bezeichneten Hochvoltbatterie angeordnet. Sie kann insbesondere in einem hier nicht konkret dargestellten sondern lediglich angedeuteten Gehäuse 4 angeordnet sein, welches insbesondere mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 1 als Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle eignet sich für LKW Anwendungen als auch für stationär betriebene Brennstoffzellen-Systeme. Entgegen dem heutigen Stand der Technik wird in diesem neuen Konzept kein DC/DC-Wandler (Hochsetzsteller) eingesetzt, um die Spannung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3 zu transformieren.
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Die Vorrichtung 1 als kostengünstige und platzsparende Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle, kann den Brennstoffzellestapel 2 dennoch effizient der Hochvoltbatterie 3 zusammenschalten, um diese zu laden bzw. die Anwendung, welche hier als Verbraucher bzw. Hauptverbraucher 5 eingezeichnet sind, mit Strom zu versorgen. Die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle gemäß 1 besteht dazu aus einem Schalter 6, insbesondere einem Batteriesicherheitsschalter, welcher aus Schützen gebildet wird, um die beiden Pole der Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3, zu schalten. Ferner besteht er aus mindestens einer Diode 7 sowie Anschlüssen 14 für eine externe Stromversorgung von Nebenaggregaten. Diese sind über nicht näher bezeichnete Sicherungen in der Vorrichtung 1 abgesichert. Außerdem sind zwei Schnittstellen 8, 9 zur externen Kommunikation vorgesehen. Zusätzlich sind Einrichtungen 10, 11 zur Erfassung der Spannung jeweils auf der Seite des Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3 sowie eine Strommesser 12 vorhanden.
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Für mobile Anwendungen enthält die Vorrichtung 1 zusätzlich eine pyrotechnische Schließeinrichtung als Notabschalteinrichtung 13. Die pyrotechnische Schließeinrichtung wird zum Kurzschluss des Stromkreises für den Brennstoffzellenstapel 2 benötigt, wenn im Falle eines Unfalls die Hochvoltbatterie 3 von dem Brennstoffzellenstapel 2 getrennt werden muss. Die Notabschalteinrichtung 13 steht mit einer der externen Kommunikationsschnittstellen 9 in Verbindung und kann über diese, z.B. beim Auftreten eins Signals zur Auslösung eines Airbags, angesteuert werden.
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Der Schalter 6 ist in Form von zwei synchron schaltenden Schaltern bzw. Schützen für den jeweils einen und anderen der Pole ausgebildet. Dennoch werden diese nachfolgend als „ein“ Schalter 6 bezeichnet, sind aber jeweils beide gemeint. Der Schalter 6 wird zum Zuschalten der Hochvoltbatterie 3 beim Start des Brennstoffzellenstapels 2 benötigt. Die Diode 7 sorgt dafür, dass kein Strom in den Brennstoffzellenstapel 2 zurückfließt, um den Brennstoffzellenstapels 2 zu schützen.
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Das Schließen des Schalters 6 erfolgt, solange die Spannung auf Seite des Brennstoffzellenstapels 2 geringer ist als auf der Seite der Hochvoltbatterie 3. Die Diode 7 schützt hierbei den Brennstoffzellenstapel 2 vor einem negativen Strom. Erst wenn die Spannung auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 2 angehoben ist, fließt ein Strom zur Hochvoltbatterie 3 bzw. zum Verbraucher 5. Eine Vorladung des HV-Zwischenkreis kann durch den Schutz des Brennstoffzellenstapels 2 durch die Diode 7 entfallen.
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Die Verschaltung des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Hochvoltbatterie 3 durch die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle der Vorrichtung 1 führt zu einem selbstgeregelten Brennstoffzellensystem. Die Selbstregelung des Brennstoffzellensystems mit dem Verbraucher wird im Folgenden am Beispiel einer Lkw-Anwendung aufgezeigt.
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Hierbei wird von einer Hochvoltbatterie 3 mit einer kurzfristigen Maximalleistung von 400 kW und einem konstanten Innenwiderstand von 80 mOhm ausgegangen. Die angenommene Antriebseinheit umfasst zwei Antriebe mit je 230 kW Dauerleistung (gesamt 460 kW) und 330 kW Spitzenleistung (gesamt 660 kW). Als Brennstoffzellenstapel 2 werden zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenstapel mit je 245 einzelnen Brennstoffzellen angenommen. Hierfür werden nachfolgend nun vier unterschiedliche Szenarien betrachtet.
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Das erste Szenario beschreibt einen mit dem Brennstoffzellensystem betriebenen Lastkraftwagen bei einer konstanten Geschwindigkeit von 80-100 km/h. Hierfür benötigt der Lastkraftwagen eine seiner Antriebseinheiten mit einer Antriebsleistung von ca. 120 kW. Die Stromflüsse i sind zum besseren Verständnis sehr vereinfacht in 2 dargestellt. Der Strom i2 symbolisiert den Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 2, der Strom i3 den Strom aus oder i die Hochvoltbatterie 3, je nachdem ob geladen oder entladen wird und der Strom i5 dem Strom zum Verbraucher 5. Die angedeuteten Kreise V die jeweils zugehörigen Spannungen. 3 zeigt den Polkurvenverlauf des angenommen Aufbaus mit den zwei in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln 2. Die Polkurve ist mit 15 bezeichnet. Zusätzlich sind drei vereinfachte Kennlinien 16 der Hochvoltbatterie 3 mit unterschiedlichen Ladezuständen dargestellt. Die Batteriekennlinie mit der Bezeichnung16.1 steht dabei für einen Ladezustand von 10%, die mit der Bezeichnung 16.5 für einen Ladezustand von 50%, die mit der Bezeichnung 16.9 für einen Ladezustand von 90%. Die Kennlinien 16 sind dargestellt, dass die Hochvoltbatterie 3 auf der rechten Seite des Diagramms geladen wird und auf der linken Seite des Diagramms Leistung an den Verbraucher 5 abgibt. Um die entsprechende Leistung von 120 kW an den Antrieb abzugeben, stellen sich folgende Zustände gemäß 3 ein.
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Bei einem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 von 90 % stellt sich eine Spannung von 740 V ein. Die vom Verbraucher genutzte Leistung von 120 kW ergibt sich dabei aus 40 kW, die von der Hochvoltbatterie 3 geliefert werden und aus 80 kW die vom Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden. Dies ist in der Tabelle der 4 dargestellt. Bei einem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 von 50 % beträgt die Spannung 685 V. Hierbei wird die Hochvoltbatterie 3 mit 80 kW geladen, was bedeutet das der Brennstoffzellenstapel 2 200 kW erzeugt. Bei einem Ladezustand von 10% beträgt die Spannung 610 V. Dabei entspricht die Ladeleistung an der Hochvoltbatterie 190 kW. Somit regelt sich das Laden der Hochvoltbatterie 3 automatisch. Hat die Hochvoltbatterie 3 eine niedrige Ladeleistung, wird diese von dem Brennstoffzellenstapel 2 mit hoher Leistung versorgt. Steigt der Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 an, verringert der Brennstoffzellenstapel 2 seine Erzeugungsleistung. Indem der Brennstoffzellenstapel 2 seine Leistung reduziert, steigt gleichzeitig dessen Wirkungsgrad und letztlich auch dessen Lebensdauer. Die der Tabelle in 4 zeigt diese drei Zustände übersichtlich dargestellt.
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Im zweiten Szenario steht der Lastkraftwagen. Der Antrieb verbraucht also keine Energie, so dass die komplette Energie des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt werden kann, um die Hochvoltbatterie 3 zu laden. Im Diagramm der 3 befinden wir uns also rechts der Nulllinie. Auf eine tabellarische Darstellung wurde hier verzichtet. Bei einem Ladezustand von 90 % stellt sich eine Spannung von ca. 750 V ein, wodurch die Hochvoltbatterie 3 mit ca. 70 kW geladen wird. Hat die Hochvoltbatterie 3 einen Ladezustand von 50 % stellt sich eine Spannung von 690 V ein und die Hochvoltbatterie 3 wird mit 180 kW geladen. Bei einem deutlich niedrigeren Ladezustand von 10 %, stellt sich eine Spannung von ca. 620 V ein und die Hochvoltbatterie 3 wird mit 280 kW geladen.
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Ein drittes Szenario soll für 460 kW Verbrauch bei Dauerleistung der Antriebe und ein viertes Szenario mit 660 kW für die Spitzenleistung des Antriebs beschreiben werden. Beide Szenarien 3 und 4 sind in der Tabelle der 5 zusammengefasst dargestellt.
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Dabei fällt auf, dass in Szenario 3 lediglich bei geringem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3, hier insbesondere 10 % Ladezustand, die Dauerleistung nicht voll abgerufen werden kann. Im Szenario 4 zeigt sich, dass nur beim Ladezustand von 50 % der Hochvoltbatterie 3 die maximale Leistung von 660 kW abgerufen werden kann. Ein zu hoher und ein zu geringer Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 schränken dagegen die maximale Leistung des Brennstoffzellensystems ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10006781 A1 [0002]
- US 2015/0295401 A1 [0002]
- DE 102018213159 A1 [0003]
