DE102022211786B3 - Hybrid system, hybrid vehicle with a hybrid system and charging process - Google Patents

Hybrid system, hybrid vehicle with a hybrid system and charging process Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridsystem (1) für ein Hybridfahrzeug (16) aufweisend einen ersten Energiestrang (4), wobei der erste Energiestrang (4) zumindest einen Inverter (5) und einen dem Inverter (5) nachgeschaltete elektrische Maschine (6) zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und einen parallel zum ersten Energiestrang (4) angeordneten zweiten Energiestrang (7), wobei der zweite Energiestrang (7) zumindest ein Schaltelement (8) und eine dem Schaltelement (8) nachgeschaltete Batterie (9) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, und einen zum ersten Energiestrang (4) und zweiten Energiestrang (7) parallel angeordneten dritten Energiestrang (11), wobei der dritte Energiestrang (11) eine Brennstoffzelle (13) zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, wobei ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen ist, wobei der erste Energiestrang (4) und der zweite Energiestrang (7) und der dritte Energiestrang (11) an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind, und wobei der dritte Energiestrang (11) zumindest ein aktives Schaltmodul, welches vor der Brennstoffzelle (13) angeordnet ist, aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle (13) von dem Verteilerelement zu bewirken.Ferner betrifft die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einem Hybridsystem und einen Ladevorgang.The invention relates to a hybrid system (1) for a hybrid vehicle (16) having a first energy train (4), the first energy train (4) having at least one inverter (5) and an electrical machine (6) connected downstream of the inverter (5) for generation purposes of power by converting electrical energy, and a second energy strand (7) arranged parallel to the first energy strand (4), the second energy strand (7) having at least one switching element (8) and a battery (9) connected downstream of the switching element (8). for storing electrical energy, and a third energy strand (11) arranged parallel to the first energy strand (4) and second energy strand (7), the third energy strand (11) having a fuel cell (13) for generating electrical energy, wherein a Distributor element is provided for distributing electrical energy, wherein the first energy strand (4) and the second energy strand (7) and the third energy strand (11) are connected in parallel to the distribution element, and wherein the third energy strand (11) has at least one active switching module, which is arranged in front of the fuel cell (13), which is designed to cause all-pole galvanic isolation of the fuel cell (13) from the distribution element when opened. The invention further relates to a hybrid vehicle with a hybrid system and a charging process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen ersten Energiestrang, wobei der erste Energiestrang zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und einen parallel zum ersten Energiestrang angeordneten zweiten Energiestrang, wobei der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist und einen zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel angeordneten dritten Energiestrang, wobei der dritte Energiestrang eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist.The invention relates to a hybrid system for a hybrid vehicle having a first energy train, wherein the first energy train has at least one inverter and an electrical machine connected downstream of the inverter for generating power by converting electrical energy, and a second energy train arranged parallel to the first energy train, wherein the second energy strand has at least one switching element and a battery connected downstream of the switching element for storing electrical energy and a third energy strand arranged parallel to the first energy strand and second energy strand, the third energy strand having a fuel cell for generating electrical energy.

Ein Energieversorgungssystem für ein elektrisches Plug-In-Hybridfahrzeug weist für gewöhnlich eine Brennstoffzelle und eine zu dieser parallel schaltbare HV-Batterie auf. Da die Brennstoffzelle eine stark lastabhängige Spannung aufweist, wird sie üblicherweise über einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) mit der HV-Batterie gekoppelt. Der DC/DC-Wandler gleicht die unterschiedlichen Spannungen von Brennstoffzelle und HV-Batterie an.An energy supply system for an electric plug-in hybrid vehicle usually has a fuel cell and an HV battery that can be connected in parallel. Since the fuel cell has a voltage that is highly load-dependent, it is usually coupled to the HV battery via a direct current converter (DC/DC converter). The DC/DC converter equalizes the different voltages of the fuel cell and HV battery.

Eine verbreitete DC/DC-Wandlertopologie ist beispielsweise der Vollbrückenwandler mit galvanischer Trennung, welcher jedoch eine große Anzahl an aktiven Leistungshalbleitern aufweist, was die Topologie teuer, groß bzw. schwer und nicht zuletzt komplex hinsichtlich der Steuerung und Regelung werden lässt.A common DC/DC converter topology is, for example, the full bridge converter with galvanic isolation, which, however, has a large number of active power semiconductors, which makes the topology expensive, large or heavy and, last but not least, complex in terms of control and regulation.

Die DE 10 2018213171 A1 offenbart ein Energiesystem für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; und einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichstromwandler mit galvanischer Trennung, sowie einem zwischen der Brennstoffzelle und dem Gleichstromwandler angeschlossenen Netzladegerät, das lediglich einen Gleichrichter enthält.The DE 10 2018213171 A1 discloses a power system for a vehicle comprising at least one fuel cell; at least one HV battery; and a DC converter with galvanic isolation arranged between the at least one fuel cell and the at least one HV battery, and a mains charger connected between the fuel cell and the DC converter, which only contains a rectifier.

Gattungsbildende Systeme sind aus DE 10 2012 207 379 A1 , DE 11 2014 000 996 T5 und EP 3 587 169 A1 bekannt.Generic systems are out DE 10 2012 207 379 A1 , DE 11 2014 000 996 T5 and EP 3 587 169 A1 known.

Das Aufladen erfolgt in der Regel durch eine Ladestation, welche gewöhnlich als Wand- oder Säulensystem für AC- oder DC-Laden ausgeführt ist.Charging is usually carried out using a charging station, which is usually designed as a wall or column system for AC or DC charging.

Bei einem elektrisch angetriebenen Hybridfahrzeug mit Ladeanschluss kann von der Ladestation ein Isolationswiderstand von mindestens 1 MOhm (ISO 17409 ) oder ein zukünftig höherer normierter oder festgesetzter Isolationswiderstand gefordert werden. Sollte bei der Prüfung des Isolationswiderstandes der geforderte Isolationswiderstand nicht erreicht werden, kann die Ladestation das Ladenverweigern.For an electrically powered hybrid vehicle with a charging connection, the charging station may be required to have an insulation resistance of at least 1 MOhm (ISO 17409) or a higher standardized or specified insulation resistance in the future. If the required insulation resistance is not achieved when testing the insulation resistance, the charging station can refuse charging.

Die Norm ISO 17409 enthält die elektrischen Sicherheitsanforderungen, die innerhalb des Hybridfahrzeugs beim Anschluss an eine externe Ladestation erfüllt werden müssen. Hierunter fallen unter anderem der Berührungsschutz an den Ladesteckverbindern, Isolationsanforderungen, Schutz bei Kurzschluss, Überstrom, Übertemperatur und Lichtbogen zum Schutz der Ladeinfrastruktur. Der Isolationswiderstand ist vor Beginn des Ladevorgangs zu prüfen.The ISO 17409 standard contains the electrical safety requirements that must be met within the hybrid vehicle when connecting to an external charging station. This includes, among other things, contact protection on the charging connectors, insulation requirements, protection in the event of short circuits, overcurrent, overtemperature and arcing to protect the charging infrastructure. The insulation resistance must be checked before starting the charging process.

Es ist weiter bekannt, dass für den reinen Betrieb eines Hybridfahrzeugs, d.h. nicht im Ladebetrieb, der normativ geforderte minimale Isolationswiderstand für ein elektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug unterhalb des Wertes liegt als für den Ladebetrieb erforderlich. In diesem Zusammenhang ist ein minimaler ISO-R von 500 Ohm/V bzw. 100 Ohm/V mit zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen zulässig.It is also known that for pure operation of a hybrid vehicle, i.e. not in charging mode, the normatively required minimum insulation resistance for an electrically driven hybrid vehicle is below the value required for charging mode. In this context, a minimum ISO-R of 500 Ohm/V or 100 Ohm/V is permitted with additional safety measures.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein hinsichtlich dem Ladevorgang verbessertes Hybridsystem, sowie ein Hybridfahrzeug mit einem solchen Hybridsystem sowie ein verbessertes Ladeverfahren zum Aufladen von Hybridfahrzeugen mit einem solchen Hybridsystem bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an improved hybrid system with regard to the charging process, as well as a hybrid vehicle with such a hybrid system and an improved charging method for charging hybrid vehicles with such a hybrid system.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Hybridfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Ladeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.This task is solved by a hybrid system with the features of claim 1 and a hybrid vehicle with the features of claim 11. Furthermore, the task is solved by a charging method with the features of claim 13.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims list further advantageous measures that can be suitably combined with one another to achieve further advantages.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen ersten Energiestrang, wobei der erste Energiestrang zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und
einen parallel zum ersten Energiestrang angeordneten zweiten Energiestrang, wobei der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, und einen zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel angeordneten dritten Energiestrang, wobei der dritte Energiestrang eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist,
wobei ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen ist, und wobei der erste Energiestrang und der zweite Energiestrang und der dritte Energiestrang an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind, und wobei der dritte Energiestrang zumindest ein aktives Schaltmodul, welches vor der Brennstoffzelle angeordnet ist, aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewirken.
The object is achieved by a hybrid system for a hybrid vehicle having a first energy train, the first energy train having at least one inverter and an electrical machine connected downstream of the inverter for generating power by converting electrical energy, and
a second energy strand arranged parallel to the first energy strand, the second energy strand having at least one switching element and a battery connected downstream of the switching element for storing electrical energy, and a third energy strand arranged parallel to the first energy strand and second energy strand strand, wherein the third energy strand has a fuel cell for generating electrical energy,
wherein a distribution element is provided for distributing electrical energy, and wherein the first energy strand and the second energy strand and the third energy strand are connected in parallel to the distribution element, and wherein the third energy strand has at least one active switching module which is arranged in front of the fuel cell, which is designed to cause all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the distribution element when opened.

Hybridfahrzeuge sind beispielsweise Pkws, Lkws, ebenso wie Motorräder, Schiffe oder Flugzeuge mit einem solchen Hybridsystem. Dabei kann ein DC/DC Wandler vorgesehen sein, welcher der Brennstoffstelle vorgeschaltet ist.Examples of hybrid vehicles include cars, trucks, as well as motorcycles, ships or airplanes with such a hybrid system. A DC/DC converter can be provided, which is connected upstream of the fuel point.

Dabei ist die Batterie vor allem eine Hochvolt-Batterie.The battery is primarily a high-voltage battery.

Unter Brennstoffzelle kann dabei ein Brennstoffzellensystem beispielsweise mit mehreren Brennstoffzellen verstanden werden. Insbesondere kann ein Brennstoffzellen-Stack umfasst sein. Ein Stack ist ein Stapel aus Brennstoffzellen, die jeweils durch ein Trennelement allpolig getrennt werden können.A fuel cell can be understood to mean a fuel cell system with, for example, several fuel cells. In particular, a fuel cell stack can be included. A stack is a stack of fuel cells, each of which can be separated on all poles using a separating element.

Eine Brennstoffzelle ist dabei ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (Brennstoffgas und Oxidationsgas, Wasserstoff). Es können verschiedene Typen von Brennstoffzellen wie z.B. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Brennstoffzellen mit Phosphorsäureelektrolyt und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen verwendet werden.A fuel cell is a means of generating electrical power from supplied reaction gases (fuel gas and oxidation gas, hydrogen). Various types of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells, phosphoric acid electrolyte fuel cells and molten carbonate fuel cells can be used.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Allgemeinen einen geringeren Isolationswiderstand aufgrund des direkten elektrischen Kontakts mit einem Kühlmittel als die anderen Komponenten, wie beispielsweise die Batterie, aufweisen können.It is known that fuel cells can generally have a lower insulation resistance due to direct electrical contact with a coolant than the other components, such as the battery.

Insbesondere betrifft dieser geringe Isolationswiderstand Plug-in Hybridfahrzeuge (FCEV) mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb und Ladebuchse, die sowohl über das Medium Wasserstoff aufgeladen werden können, als auch über ein externes elektrisches Ladegerät.This low insulation resistance particularly affects plug-in hybrid vehicles (FCEV) with battery and fuel cell drives and charging sockets, which can be charged both via hydrogen and via an external electrical charger.

Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass mit zunehmenden Alter bei Hybridfahrzeugen bei der Brennstoffzelle der Isolationswiderstand und damit Gesamtisolationswiderstand soweit sinken kann, so dass kein Laden mehr möglich ist oder nur noch erschwert möglich ist.It was recognized according to the invention that as hybrid vehicles get older, the insulation resistance and thus the overall insulation resistance of the fuel cell can decrease to such an extent that charging is no longer possible or is only possible with difficulty.

Durch das erfindungsgemäße Hybridsystem wird nun das aktive Schaltmodul vor der Brennstoffzelle, d.h. beispielsweise vor einem DC/DC Wandler vorgeschaltet, mit dem eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vor dem Laden ermöglicht wird.The hybrid system according to the invention now places the active switching module in front of the fuel cell, i.e. for example in front of a DC/DC converter, which enables all-pole galvanic isolation of the fuel cell before charging.

Durch das aktive Schaltmodul kann eine allpolige galvanische Trennung unter Berücksichtigung der nötigen Kriech- und Luftstrecken des gesamten Hybridsystems von der Brennstoffzelle erfolgen.The active switching module enables all-pole galvanic isolation from the fuel cell, taking into account the necessary creepage and clearance distances of the entire hybrid system.

Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vom Batteriekreis, also von der Batterie, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie beispielsweise während des Ladevorgangs eingehalten werden.Due to the all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the battery circuit, i.e. from the battery, the overall insulation resistance is increased and the legally required and standard limit values for the insulation resistance on the (HV) battery side can be maintained, for example during the charging process.

Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle und dem restlichen Hybridsystem, kann die Brennstoffzelle direkt vor und während des Ladens an einer externen elektrischen Ladestation von dem restlichen Hybridsystem somit unter Einhaltung der nötigen Kriech- und Luftstrecken abgetrennt werden und somit der Gesamtisolationswiderstand des Hybridfahrzeugs erhöht werden und ein Ladevorgang gesichert durchgeführt werden. Die Verfügbarkeit des Systems steigt.Due to the all-pole galvanic isolation of the fuel cell and the rest of the hybrid system, the fuel cell can be separated from the rest of the hybrid system directly before and during charging at an external electrical charging station while maintaining the necessary creepage and clearance distances and thus the overall insulation resistance of the hybrid vehicle can be increased a charging process can be carried out securely. The availability of the system increases.

Dadurch wird ein Betrieb von der Brennstoffzelle während des Ladens verhindert. Durch die hochohmige Auslegung des restlichen Hybridsystems können die geforderten normativen ISO-R Werte für das Laden an der Ladesäule eingehalten werden, auch aufgrund des durch die Brennstoffzelle verursachten alterungsbedingten zunehmenden sinkenden Gesamtisolationswiderstands.This prevents the fuel cell from operating while charging. Due to the high-resistance design of the rest of the hybrid system, the required normative ISO-R values for charging at the charging station can be met, also due to the increasing decreasing overall insulation resistance caused by the fuel cell.

Durch die Anordnung eines solchen Schaltmoduls kann zudem eine kostengünstige Trennung von Brennstoffzelle zu dem restlichen Hybridsystem erzielt werden. Ferner ist in weiterer Ausbildung das Hybridsystem dazu ausgebildet, vor einem Laden der Batterie durch eine Ladestation eine aktive Öffnung des Schaltmoduls zur Bewirkung der allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewerkstelligen, bei Nichterreichen eines geforderten Isolationswiderstands für einen Ladevorgang. Dadurch wird eine Erhöhung des Ladewiderstandes erzielt.By arranging such a switching module, a cost-effective separation of the fuel cell from the rest of the hybrid system can also be achieved. Furthermore, in a further embodiment, the hybrid system is designed to carry out an active opening of the switching module to effect the all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the distribution element before charging the battery through a charging station, if a required insulation resistance for a charging process is not achieved. This results in an increase in the charging resistance.

Dazu können beispielsweise Sensoren/Messgeräte/Messeinrichtungen, welche den vorzunehmenden Ladevorgang, beispielsweise durch Öffnen der Ladeklappe, registrieren, vorhanden sein. Die Trennung kann auch über ein Steuergerät kommandiert werden, dass bei der Steuerung des Ladevorgangs beteiligt ist.For this purpose, for example, sensors/measuring devices/measuring devices which register the charging process to be carried out, for example by opening the loading flap, can be present. The separation can also be commanded via a control device that is involved in controlling the charging process.

In weiterer Ausbildung ist ein DC/DC Wandler vorgesehen, welcher der Brennstoffstelle vorgeschaltet ist, und wobei das zumindest eine Schaltmodul dem DC/DC Wandler im dritten Energiestrang vorgeschaltet ist. Dadurch ist eine vom DC/DC Wandler unabhängige allpolige galvanische Trennung möglich. Zudem kann ein einfacher Einbau in den dritten Energiestrang ermöglicht werden.In a further embodiment, a DC/DC converter is provided, which is connected upstream of the fuel point, and the at least one switching module is connected upstream of the DC/DC converter in the third energy line. This makes all-pole galvanic isolation independent of the DC/DC converter possible. In addition, simple installation in the third energy line can be made possible.

In weiterer Ausbildung befindet sich die galavanische Trennung zwischen Brennstoffzelle und einem DC/DC Wandler. Auch eine andere Anordnung ist jedoch möglich.Further development is the galavanic isolation between the fuel cell and a DC/DC converter. However, another arrangement is also possible.

In weiterer Ausbildung ist das zumindest eine Schaltmodul als in den dritten Energiestrang angeordnete Schütze, insbesondere Gleichspannungsschütze ausgebildet.In a further embodiment, the at least one switching module is designed as a contactor, in particular a DC contactor, arranged in the third energy strand.

Dadurch ist eine einfache und kostengünstige allpolige galvanische Trennung möglich.This enables simple and cost-effective all-pole galvanic isolation.

Insbesondere können mehrere hintereinander geschaltete Schütze zur redundanten Trennung geschaltet sein. Durch die Redundanz wird zuverlässig eine allpolige galvanische Trennung ermöglicht, auch bei Ausfall eines der Schützen.In particular, several contactors connected in series can be connected for redundant isolation. The redundancy enables reliable all-pole galvanic isolation, even if one of the contactors fails.

Ferner ist in weiterer Ausbildung das Verteilerelement für Strom als eine Stromverteilereinheit ausgebildet. Insbesondere kann die Stromverteilereinheit als HV (Hochvolt)-PDU (Power Distribution Unit) ausgebildet sein. Dadurch ist eine kostengünstige Verteilung und eine einfache parallele Anbindung aller Energiestränge möglich. Ferner kann das Hybridsystem einfach um weitere Energiestränge mit Brennstoffzelle erweitert werden.Furthermore, in a further embodiment, the distribution element for electricity is designed as a power distribution unit. In particular, the power distribution unit can be designed as an HV (high-voltage) PDU (power distribution unit). This enables cost-effective distribution and a simple parallel connection of all energy lines. Furthermore, the hybrid system can easily be expanded to include additional energy strands with fuel cells.

Erfindungsgemäß ist das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen einer Ladeklappeneinrichtung zum Laden und/oder eine Aktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Öffnensignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch den Sensor, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.According to the invention, the hybrid system is coupled for data transmission with a sensor which is designed to register an opening of a loading flap device for charging and/or an activation of a charging port and to generate an opening signal, and wherein the hybrid system is designed to act on the received opening signal the sensor to cause an automated opening of the switching module.

In weiterer Ausbildung kann das Hybridsystem eine Schnittstelle aufweisen zum Empfang eines Öffnensignals durch eine Ladesäule, wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch die Schnittstelle eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.In a further embodiment, the hybrid system can have an interface for receiving an opening signal through a charging station, wherein the hybrid system is designed to cause an automated opening of the switching module through the interface when the opening signal is received.

Dadurch kann verhindert werden, dass ein manuell auszuführendes Öffnen des Schaltmoduls vergessen wird und daraufhin keine allpolige galvanische Trennung und ggf. kein Laden stattfindet. Insbesondere ist dies bei autonom fahrenden Hybridfahrzeugen ohne Fahrer (Taxis) von Vorteil.This can prevent a manual opening of the switching module from being forgotten and, as a result, no all-pole galvanic isolation and possibly no charging taking place. This is particularly advantageous for autonomous hybrid vehicles without a driver (taxis).

In weiterer Ausbildung ist das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, nach einem Öffnen eine wieder geschlossene Ladeklappeneinrichtung zu registrieren und/oder eine Deaktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls abzugeben.In a further embodiment, the hybrid system is coupled for data transmission with a sensor which is designed to register a charging flap device that has been closed again after opening and/or to register a deactivation of a charging port and generate a closing signal, and the hybrid system is designed to do so. when the closing signal is received by the sensor, a release for the automated closing of the switching module is given.

Auch kann das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, eine Trennung eines Ladekabels von einem Ladeanschluss zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt sein, und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor, welches eine Trennung des Ladekabels von dem Ladeanschluss anzeigt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.The hybrid system can also be coupled for data transmission with a sensor, which is designed to register a separation of a charging cable from a charging port and to generate a closing signal, and wherein the hybrid system is designed to respond to the closing signal received by the sensor, which a separation of the charging cable from the charging port indicates a release for the automated closure of the switching module.

Dabei kann die Übertragung beispielsweise kabellos, mittels Funk oder kabelgebunden beispielsweise mittels Datenübertragungsleitungen und Koaxialleitungen erfolgen.The transmission can be carried out, for example, wirelessly, by radio or wired, for example by means of data transmission lines and coaxial lines.

Dadurch kann ein vollautomatisiertes Öffnen und anschließend ein vollautomatisiertes Schließen des Schaltmoduls bewerkstelligt werden, was insbesondere bei (teil)autonomen Hybridfahrzeugen, wie bereits betriebenen Hybrid-Bussen, Hybrid-Taxis von Vorteil ist.This allows a fully automated opening and then a fully automated closing of the switching module to be accomplished, which is particularly advantageous in (partially) autonomous hybrid vehicles, such as hybrid buses and hybrid taxis that are already in operation.

In weiterer Ausbildung ist das Hybridsystem mit einem manuellen Betätigungselement gekoppelt, wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei Betätigung des Betätigungselements bei einem stehenden Hybridfahrzeug eine Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken, so dass die allpolige, galvanische Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement bewerkstelligt ist. Dabei kann das manuelle Betätigungselement beispielsweise bei der Ladebuchse angeordnet sein, so dass die Betätigung vor dem Ladevorgang nicht vergessen wird. Durch die ausschließliche Funktion des Öffnens bei stehendem Hybridfahrzeug, wobei als stehend hier ein nicht betriebenes Hybridfahrzeug verstanden werden soll, kann ein versehentliches Trennen der Brennstoffzelle vom übrigen Hybridsystem vermieden werden. Ferner kann bei erneuter Betätigung des Betätigungselements beispielsweise eine Schließung bzw. eine Freigabe zur Schließung bewerkstelligt werden.In a further embodiment, the hybrid system is coupled to a manual actuating element, wherein the hybrid system is designed to cause the switching module to open when the actuating element is actuated in a stationary hybrid vehicle, so that the all-pole, galvanic isolation of the fuel cell from the distributor element is accomplished. The manual actuation element can be arranged, for example, at the charging socket, so that the actuation is not forgotten before the charging process. Due to the exclusive opening function when the hybrid vehicle is stationary, where a stationary hybrid vehicle is to be understood as a non-operated hybrid vehicle, accidental separation of the fuel cell from the rest of the hybrid system can be avoided. Furthermore, when the actuating element is actuated again, for example, a closure or a release for closure can be achieved.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Hybridsystem dazu ausgebildet, eine Schließung eines geöffneten Schaltmoduls während des Ladevorgangs zu verhindern. Dadurch kann eine Unterbrechung des Ladevorgangs oder Schäden am Hybridsystem vermieden werden.In a further embodiment, the hybrid system is designed to close an open switching module during charging to prevent gangs. This can prevent an interruption in the charging process or damage to the hybrid system.

Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung ein vierter Energiestrang vorgesehen, welcher parallel zum dritten Energiestrang angeordnet ist, wobei der vierte Energiestrang eine weitere Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist sowie im vierten Energiestrang der weiteren Brennstoffzelle vorgeschaltet ein weiteres aktives Schaltmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der weiteren Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewirken. Auch können weitere Energiestränge vorgesehen sein. Dabei kann ein weiterer DC/DC-Wandler der weiteren Brennstoffzelle vorgeschaltet sein.Furthermore, in a further embodiment, a fourth energy strand is provided, which is arranged parallel to the third energy strand, the fourth energy strand having a further fuel cell for generating electrical energy and, in the fourth energy strand, having a further active switching module upstream of the further fuel cell, which is designed for this purpose to cause all-pole galvanic isolation of the further fuel cell from the distribution element when opened. Additional energy strands can also be provided. A further DC/DC converter can be connected upstream of the further fuel cell.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Hybridfahrzeug mit einem wie oben beschriebenen Hybridsystem mit einem Schaltmodul.Furthermore, the task is solved by a hybrid vehicle with a hybrid system as described above with a switching module.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das Hybridfahrzeug zumindest eine Lademulde auf, sowie einen Ladeanschluss zum Anschließen des Hybridfahrzeugs an eine Ladestation, wobei der Ladeanschluss in der Lademulde angeordnet ist, wobei das Hybridfahrzeug ferner eine Ladeklappeneinrichtung die die Lademulde verdeckt aufweist, sowie einen Sensor aufweist, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen und Schließen der Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung und Deaktivierung des Ladeanschlusses zu registrieren und ein entsprechendes Öffnensignal oder Schließsignal zu generieren und an das Hybridsystem zu übermitteln, wobei das Hybridsystem ferner dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnensignal durch den Sensor, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei einem auf das Öffnensignal folgendes Schließsignal durch den Sensor, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.In a further embodiment, the hybrid vehicle has at least one loading trough and a charging port for connecting the hybrid vehicle to a charging station, the charging port being arranged in the loading trough, the hybrid vehicle further having a loading flap device which covers the loading trough, and a sensor which is designed to register an opening and closing of the loading flap device and / or an activation and deactivation of the charging port and to generate a corresponding opening signal or closing signal and to transmit it to the hybrid system, the hybrid system being further designed to respond to an opening signal by the sensor , to effect an automated opening of the switching module and wherein the hybrid system is designed to effect a release for the automated closing of the switching module in the event of a closing signal following the opening signal from the sensor.

Dadurch kann ein einfaches und automatisiertes Öffnen und Schließen erfolgen, was beispielsweise für den Nutzer den Komfort erhöht. Insbesondere ist dies bei autonom fahrenden Fahrzeugen von Vorteil.This allows for simple and automated opening and closing, which increases comfort for the user, for example. This is particularly advantageous for autonomous vehicles.

Insbesondere kann das Schließsignal bei Registrierung einer nach Öffnen geschlossenen Ladeklappeneinrichtung oder durch eine Trennung des Ladekabels von dem Ladeanschluss beispielsweise der Ladebuchse, was einer Deaktivierung des Ladeanschlusses entspricht, generiert werden.In particular, the closing signal can be generated upon registration of a charging flap device that is closed after opening or by disconnecting the charging cable from the charging port, for example the charging socket, which corresponds to deactivating the charging port.

Insbesondere kann der Sensor in oder an der Lademulde oder Ladeanschluss angeordnet sein. Dadurch kann ein einfaches Öffnen und Schließen durch den Sensor erkannt werden.In particular, the sensor can be arranged in or on the charging trough or charging connection. This means that simple opening and closing can be detected by the sensor.

Alternativ oder zusätzlich kann das Hybridfahrzeug einen Betätigungsschalter aufweisen, welcher ein manuelles Öffnen und Schließen des Schaltmoduls bewirkt.Alternatively or additionally, the hybrid vehicle can have an actuation switch which causes the switching module to be opened and closed manually.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Ladeverfahren für ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug umfassend der Schritte:

  • - Bereitstellen eines ersten Energiestrangs, welcher zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist,
  • - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang verschalteten zweiten Energiestrangs, welcher zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist,
  • - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel geschalteten dritten Energiestrangs, welcher zumindest eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, und
  • - Bereitstellen eines Verteilerelements zum Verteilen von elektrischer Energie, wobei der erste Energiestrang und der zweite Energiestrang und der dritte Energiestrang an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind,
  • - Bereitstellen eines aktiven Schaltmoduls, welches im dritten Energiestrang der Brennstoffzelle vorgeschaltet ist,
  • - Öffnen des aktiven Schaltmoduls vor dem Ladevorgang zur Durchführung einer allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem restlichen Hybridsystem, wenn der geforderte Isolationswiderstand für den Ladevorgang nicht erreicht wird
  • - Zuführen von elektrischem Strom zum Laden der Batterie über das Verteilerelement.
Furthermore, the task is solved by a charging method for a hybrid system for a hybrid vehicle comprising the steps:
  • - Providing a first energy train, which has at least one inverter and an electrical machine connected downstream of the inverter for generating power by converting electrical energy,
  • - Providing a second energy strand connected in parallel to the first energy strand, which has at least one switching element and a battery connected downstream of the switching element for storing electrical energy,
  • - Providing a third energy strand connected in parallel to the first energy strand and second energy strand, which has at least one fuel cell for generating electrical energy, and
  • - Providing a distribution element for distributing electrical energy, the first energy strand and the second energy strand and the third energy strand being connected in parallel to the distribution element,
  • - Providing an active switching module, which is connected upstream of the fuel cell in the third energy strand,
  • - Opening the active switching module before the charging process to carry out an all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the rest of the hybrid system if the required insulation resistance for the charging process is not achieved
  • - Supplying electrical current to charge the battery via the distribution element.

Insbesondere kann das Zuführen von elektrischem Strom zum Laden der Batterie über das Verteilerelement gemäß einem voreingestellten Lademuster erfolgen. Durch das Öffnen des aktiven Schaltmoduls vor dem Ladevorgang zur Durchführung einer allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem restlichen Hybridsystem, wenn der geforderte Isolationswiderstand für den Ladevorgang nicht erreicht wird, wird eine Erhöhung des Ladewiderstandes bewirkt.In particular, the supply of electrical current for charging the battery can take place via the distribution element according to a preset charging pattern. By opening the active switching module before the charging process to carry out an all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the rest of the hybrid system, if the required insulation resistance for the charging process is not achieved, the charging resistance is increased.

Weiterhin kann das Ladeverfahren für ein Hybridfahrzeug auf einem wie oben beschriebenen Hybridsystem erfolgen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hybridsystems können dabei auf das Ladeverfahren übertragen werden. Durch das aktive Schaltmodul kann eine allpolige galvanische Trennung des gesamten Hybridsystems unter Berücksichtigung der nötigen Kriech- und Luftstrecken von der Brennstoffzelle erfolgen.Furthermore, the charging method for a hybrid vehicle can be as described above Hybrid system can be done. Advantageous embodiments of the hybrid system can be transferred to the charging process. The active switching module enables all-pole galvanic isolation of the entire hybrid system, taking into account the necessary creepage and clearance distances from the fuel cell.

Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vom Batteriekreis, also von der Batterie, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie beispielsweise während des Ladevorgangs eingehalten werden.Due to the all-pole galvanic isolation of the fuel cell from the battery circuit, i.e. from the battery, the overall insulation resistance is increased and the legally required and standard limit values for the insulation resistance on the (HV) battery side can be maintained, for example during the charging process.

Ferner kann das Hybridfahrzeug einen Sensor, welcher ein Öffnen einer Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung des Ladeanschlusses registriert und daraufhin ein Öffnensignal generiert, aufweisen. Ferner kann bei dem Öffnensignal durch einen Sensor, welches ein Öffnen der Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung des Ladeanschlusses anzeigt, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls durch das Hybridsystem bewirkt werden.Furthermore, the hybrid vehicle can have a sensor which registers an opening of a loading flap device and/or an activation of the charging port and then generates an opening signal. Furthermore, an automated opening of the switching module can be effected by the hybrid system in the event of the opening signal by a sensor which indicates an opening of the loading flap device and/or an activation of the charging port.

Auch kann der Sensor eine geschlossene Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses registrieren und ein Schließsignal generieren. Dabei kann durch das, durch den Sensor generierte Schließsignal eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls bewirkt werden.The sensor can also register a closed loading flap device and/or deactivation of the charging port and generate a closing signal. The closing signal generated by the sensor can be used to enable the automatic closing of the switching module.

Alternativ kann bei einem Schließsignal durch den Sensor, welches eine Trennung eines Ladekabels von dem Ladeanschluss anzeigt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls bewirkt werden.Alternatively, in the event of a closing signal from the sensor, which indicates a separation of a charging cable from the charging port, a release for automated closing of the switching module can be effected.

In weiterer Ausgestaltung wird ein Schließen des Schaltmoduls während des Ladevorgangs verhindert.In a further embodiment, the switching module is prevented from closing during the charging process.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Dabei zeigen:

  • 1: ein erfindungsgemäßes Hybridsystem der Erfindung,
  • 2: ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug.
Further properties and advantages of the present invention emerge from the following description with reference to the accompanying figures. Show:
  • 1 : an inventive hybrid system of the invention,
  • 2 : a hybrid vehicle according to the invention.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridsystem 1 gemäß der Erfindung mit einer Ladestation 2. Die Ladestation 2 umfasst als Energiequellen 18 beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel und eine HV-Batterie. Ferner umfasst die Ladestation 2 einen DC-Ladeschütze 3. An die Ladestation 2 kann ein Hybridfahrzeug 16 (2) mit einem Hybridsystem 1 angeschlossen werden. Ein Stecker eines Ladekabels wird dazu in einen Ladeanschluss, beispielsweise eine Ladebuchse 19 (2) des Hybridfahrzeugs 16 eingesteckt. 1 shows a hybrid system 1 according to the invention with a charging station 2. The charging station 2 includes, for example, a fuel cell stack and an HV battery as energy sources 18. Furthermore, the charging station 2 includes a DC charging contactor 3. A hybrid vehicle 16 ( 2 ) can be connected to a hybrid system 1. For this purpose, a plug of a charging cable is inserted into a charging port, for example a charging socket 19 ( 2 ) of the hybrid vehicle 16 inserted.

Bei solchen Plug-in Hybridfahrzeugen 16 (FCEV) wird von der Ladestation 2 ein Isolationswiderstand von mindestens 1 MOhm oder ein zukünftig höherer normierter oder festgesetzter Isolationswiderstand gefordert.In such plug-in hybrid vehicles 16 (FCEV), the charging station 2 is required to have an insulation resistance of at least 1 MOhm or a higher standardized or set insulation resistance in the future.

Sollte bei der Prüfung des Isolationswiderstandes durch die Ladestation 2 der geforderte Isolationswiderstand des Hybridsystems 1 nicht erreicht werden, kann die Ladestation 2 den Ladevorgang verweigern.If the required insulation resistance of the hybrid system 1 is not achieved when testing the insulation resistance by the charging station 2, the charging station 2 can refuse the charging process.

Dabei ist bekannt, dass Brennstoffzellen 13 im Allgemeinen einen geringeren Isolationswiderstand aufgrund des direkten elektrischen Kontakts mit einem Kühlmittel als andere HV-Komponenten aufweisen können.It is known that fuel cells 13 can generally have a lower insulation resistance than other HV components due to direct electrical contact with a coolant.

Insbesondere betrifft dieser geringe Isolationswiderstand Hybridfahrzeuge 16, hier Plug-in Hybridfahrzeuge (FCEV) mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb und Ladebuchse 19 (2), die sowohl über das Medium Wasserstoff aufgeladen werden können, als auch über ein externes elektrisches Ladegerät.In particular, this low insulation resistance affects hybrid vehicles 16, here plug-in hybrid vehicles (FCEV) with battery and fuel cell drive and charging socket 19 ( 2 ), which can be charged using hydrogen as well as an external electrical charger.

Mit zunehmenden Alter sinkt bei diesen Hybridfahrzeugen 16 bei der Brennstoffzelle 13 der Isolationswiderstand und damit der Gesamtisolationswiderstand, so dass gegebenenfalls kein Laden mehr möglich ist oder dies nur noch sehr schwer möglich ist. Dieses wird durch das Hybridsystem 1 nun vermieden.With increasing age, the insulation resistance of the fuel cell 13 in these hybrid vehicles 16 and thus the overall insulation resistance decreases, so that charging may no longer be possible or this may only be very difficult. This is now avoided by the hybrid system 1.

Das Hybridsystem 1 weist dabei einen ersten Energiestrang 4 auf. Dieser weist zumindest einen Inverter 5 und einen dem Inverter 5 nachgeschaltete elektrische Maschine 6 zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie auf.The hybrid system 1 has a first energy strand 4. This has at least one inverter 5 and an electrical machine 6 connected downstream of the inverter 5 for generating power by converting electrical energy.

Der Inverter 5 verändert beispielsweise den gelieferten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom einer beliebigen Frequenz. Der resultierende Strom treibt die elektrische Maschine 6 an, die beispielsweise für den Antrieb des Hybridfahrzeugs 16 verwendet werden kann.The inverter 5, for example, changes the direct current supplied into a three-phase alternating current of any frequency. The resulting current drives the electric machine 6, which can be used, for example, to drive the hybrid vehicle 16.

Ferner kann noch ein Spannungswandler 10, hier ein DC/DC-Wandler, der die Hochvoltspannung umwandelt und mit dem Inverter gekoppelt ist, vorgesehen sein.Furthermore, a voltage converter 10, here a DC/DC converter, which converts the high-voltage voltage and is coupled to the inverter, can be provided.

Ferner weist das Hybridsystem 1 einen parallel zum ersten Energiestrang 4 angeordneten zweiten Energiestrang 7 auf. Dabei weist der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement 8 und eine dem Schaltelement 8 nachgeschaltete HV-Batterie 9 zum Speichern von elektrischer Energie auf.Furthermore, the hybrid system 1 has two parallel to the first energy strand 4 th energy strand 7. The second energy strand has at least one switching element 8 and an HV battery 9 connected downstream of the switching element 8 for storing electrical energy.

Zudem weist das Hybridsystem 1 einen parallel zum ersten Energiestrang 4 und zweiten Energiestrang 7 angeordneten dritten Energiestrang 11 auf. Dieser weist einen DC/DC-Wandler 12 und eine dem DC/DC-Wandler 12 nachgeschaltete Brennstoffzelle 13 zum Generieren von elektrischer Energie auf. Dabei kann die Brennstoffzelle 13 ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise ein Stack mit mehreren Brennstoffzellen sein.In addition, the hybrid system 1 has a third energy strand 11 arranged parallel to the first energy strand 4 and second energy strand 7. This has a DC/DC converter 12 and a fuel cell 13 connected downstream of the DC/DC converter 12 for generating electrical energy. The fuel cell 13 can be a fuel cell system, for example a stack with several fuel cells.

Ferner ist ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen, welches hier als HV-PDU (Stromverteiler) 14 ausgebildet ist. Dabei sind der erste Energiestrang 4 und der zweite Energiestrang 7 und der dritte Energiestrang 11 an der HV-PDU 14 parallel angeschlossen.Furthermore, a distribution element for distributing electrical energy is provided, which is designed here as an HV-PDU (power distributor) 14. The first energy strand 4 and the second energy strand 7 and the third energy strand 11 are connected to the HV-PDU 14 in parallel.

Ferner weist das Hybridsystem 1 ein aktives Schaltmodul, hier Gleichspannungsschütze 15 auf, welche zwischen dem DC/DC-Wandler 12 und der HV-PDU 14 im dritten Energiestrang 11 geschaltet sind. Alternativ kann der Gleichspannungsschütze 15 auch zwischen DC/DC-Wandler 12 und Brennstoffzelle 13 geschaltet sein.Furthermore, the hybrid system 1 has an active switching module, here DC contactors 15, which are connected between the DC/DC converter 12 and the HV PDU 14 in the third energy strand 11. Alternatively, the DC voltage contactor 15 can also be connected between the DC/DC converter 12 and the fuel cell 13.

Insbesondere kann das aktive Schaltmodul als mehrere redundant angeordnete Gleichspannungsschütze 15 ausgebildet sein, so dass durch die Redundanz eine zuverlässige allpolige galvanische Trennung erfolgen kann.In particular, the active switching module can be designed as a plurality of redundantly arranged DC voltage contactors 15, so that reliable all-pole galvanic isolation can occur due to the redundancy.

Auch können die Gleichspannungsschütze 15 entweder im HV-PDU (Stromverteiler) 14 oder nahe an der Brennstoffzelle 13 positioniert sein.The DC contactors 15 can also be positioned either in the HV PDU (power distribution box) 14 or close to the fuel cell 13.

Ferner ist das Hybridsystem 1 dazu ausgebildet, vor einem Laden der HV-Batterie 9 durch eine Ladestation 2 eine aktive Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 zur Bewirkung der allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle 13 von der HV-PDU 14 zu bewerkstelligen.Furthermore, the hybrid system 1 is designed to actively open the DC contactors 15 to effect the all-pole galvanic isolation of the fuel cell 13 from the HV PDU 14 before charging the HV battery 9 through a charging station 2.

Dies kann beispielsweise automatisiert erfolgen. Dafür kann das Hybridsystem 1 mit einem Sensor 20 (2) verbunden sein, welcher zur Erkennung eines bevorstehenden Ladevorgangs ausgebildet ist. Dieser kann beispielsweise im Bereich eines Ladeanschlusses angeordnet sein und mit dem Hybridsystem 1 zur Datenübertragung gekoppelt sein.This can be done automatically, for example. For this purpose, the hybrid system 1 can be equipped with a sensor 20 ( 2 ), which is designed to detect an impending charging process. This can, for example, be arranged in the area of a charging port and be coupled to the hybrid system 1 for data transmission.

Der Sensor 20 (2) kann ein Öffnensignal, beispielsweise bei einem Öffnen der Ladeklappeneinrichtung und/oder bei einem Aktivieren des Ladeanschlusses, was beispielsweise einen bevorstehenden Ladevorgang anzeigt, generieren. Das Öffnensignal wird an das Hybridsystem 1 übermittelt, welches eine automatisierte Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 bewirkt. Dadurch kann ein sicheres Laden der HV-Batterie 9 durch eine Ladestation 2 erfolgen.The sensor 20 ( 2 ) can generate an opening signal, for example when the loading flap device is opened and/or when the charging port is activated, which indicates, for example, an impending charging process. The opening signal is transmitted to the hybrid system 1, which causes the DC contactors 15 to open automatically. This allows the HV battery 9 to be safely charged using a charging station 2.

Nach erfolgreichem Laden der HV-Batterie 9 kann durch ein Schließsignal, welches der Sensor 20 (2) beispielsweise bei einer wieder geschlossenen Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses generiert und an das Hybridsystem 1 übermittelt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung der Gleichspannungsschütze 15 durch das Hybridsystem 1 bewirkt werden.After the HV battery 9 has been successfully charged, a closing signal from the sensor 20 ( 2 ) for example when the charging flap device is closed again and / or the charging connection is deactivated and transmitted to the hybrid system 1, a release for the automated closing of the DC voltage contactors 15 can be effected by the hybrid system 1.

Alternativ kann das Schließsignal durch den Sensor 20 (2) bei einer Trennung eines Ladekabels von dem Ladeanschluss des Hybridfahrzeugs 16 generiert werden und an das Hybridsystem 1 übermittelt werden.Alternatively, the closing signal can be sent by sensor 20 ( 2 ) are generated when a charging cable is separated from the charging port of the hybrid vehicle 16 and are transmitted to the hybrid system 1.

Während des Ladevorgangs wird eine Schließung der geöffneten Gleichspannungsschützen 15 durch das Hybridsystem 1 verhindert.During the charging process, the hybrid system 1 prevents the open DC contactors 15 from closing.

Auch kann eine andere Anordnung eines solchen Sensors 20 (2), welcher ein bevorstehendes Laden erkennt und eine Beendigung des Ladens erkennt, vorhanden sein.A different arrangement of such a sensor 20 ( 2 ), which detects impending loading and detects completion of loading, must be present.

Alternativ oder zusätzlich kann On-demand die Anforderung zur Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 zur galvanischen Trennung der Brennstoffzelle 13 durch das Hybridfahrzeug 16 erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein manuelles Betätigungselement im Hybridfahrzeug 16 angeordnet sein, welches bei Betätigung bei einem stehenden Hybridfahrzeug 16 eine Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 bewirkt.Alternatively or additionally, the request to open the DC voltage contactors 15 for galvanic isolation of the fuel cell 13 by the hybrid vehicle 16 can be made on-demand. For this purpose, for example, a manual actuating element can be arranged in the hybrid vehicle 16, which, when actuated when the hybrid vehicle 16 is stationary, causes the DC contactors 15 to open.

Dabei ist hier unter einem stehenden Hybridfahrzeug 16 ein nicht betriebenes Hybridfahrzeug 16 zu verstehen.Here, a stationary hybrid vehicle 16 is to be understood as meaning a non-operated hybrid vehicle 16.

Durch die Gleichspannungsschütze 15 kann eine allpolige galvanische Trennung unter Berücksichtigung der nötigen Kriechstrecken und Luftstrecken des gesamten Hybridsystems 1 von der Brennstoffzelle 13 erfolgen. Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle 13 vom Batteriekreis, also von der HV-Batterie 9, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie 9 während des Ladevorgangs eingehalten werden.The DC contactors 15 can provide all-pole galvanic isolation, taking into account the necessary creepage distances and air distances of the entire hybrid system 1 from the fuel cell 13. Due to the all-pole galvanic isolation of the fuel cell 13 from the battery circuit, i.e. from the HV battery 9, the overall insulation resistance is increased and the legally required and standard limit values for the insulation resistance on the part of the (HV) battery 9 can be maintained during the charging process become.

Somit wird eine Verweigerung des elektrischen Ladens der (HV-)Batterie 9 an einer Ladestation 2 aufgrund eines zu geringen Gesamtisolationswiderstands des Hybridsystems 1 verhindert.This means that a refusal to electrically charge the (HV) battery 9 at a charging station tion 2 is prevented due to the overall insulation resistance of the hybrid system 1 being too low.

Auf eine dauerhafte, auch im Alter, technische Auslegung der Brennstoffzelle 13 in einem solchen Hybridsystem 1 auf einen festgelegten minimalen Isolationswiderstand wie 1 MOhm, der für den elektrischen Ladevorgang benötigt wird, kann somit verzichtet werden. Somit langt beispielsweise im reinen Betrieb eines Hybridfahrzeugs 16 ein normativ geforderter minimaler Isolationswiderstand von 500 Ohm/V bzw. 100 Ohm/V mit zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen für ein elektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug 16 aus. Damit können Kosten eingespart werden.A permanent technical design of the fuel cell 13 in such a hybrid system 1 to a fixed minimum insulation resistance such as 1 MOhm, which is required for the electrical charging process, can therefore be dispensed with, even in old age. Thus, for example, in pure operation of a hybrid vehicle 16, a normatively required minimum insulation resistance of 500 ohm/V or 100 ohm/V with additional safety measures is sufficient for an electrically driven hybrid vehicle 16. This can save costs.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug 16 mit dem Hybridsystem 1. Das Hybridfahrzeug 1 weist eine Lademulde 17 auf sowie einen Ladeanschluss, beispielsweise in Form einer Ladebuchse 19 zum Anschließen des Hybridfahrzeugs 16 an die Ladestation 2. Dabei ist der Ladeanschluss in der Lademulde 17 angeordnet. 2 shows a hybrid vehicle 16 according to the invention with the hybrid system 1. The hybrid vehicle 1 has a charging trough 17 and a charging connection, for example in the form of a charging socket 19 for connecting the hybrid vehicle 16 to the charging station 2. The charging connection is arranged in the charging trough 17.

Die Lademulde 17 ist dabei von einer Ladeklappeneinrichtung verdeckt. Auch weist das Hybridfahrzeug 16 einen Sensor 20 auf, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen und Schließen der Ladeklappeneinrichtung, insbesondere der Ladeklappe selber, und/oder eine Aktivierung/Deaktivierung des Ladeanschlusses zu registrieren und entsprechend ein Öffnensignal bzw. ein Schließsignal zu generieren.The loading trough 17 is covered by a loading flap device. The hybrid vehicle 16 also has a sensor 20, which is designed to register an opening and closing of the loading flap device, in particular the loading flap itself, and / or an activation / deactivation of the charging port and to generate an opening signal or a closing signal accordingly.

Wird ein solches Öffnensignal an das Hybridsystem 1 übermittelt, so wird eine automatisierte Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 (1) durch das Hybridsystem 1 bewirkt und dadurch eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle 13 von der HV-PDU 14 bewirkt.If such an opening signal is transmitted to the hybrid system 1, the DC contactors 15 ( 1 ) caused by the hybrid system 1 and thereby causes an all-pole galvanic isolation of the fuel cell 13 from the HV-PDU 14.

Während des Ladens der HV-Batterie 9 (1) verhindert das Hybridsystem 1 ein Schließen der Gleichspannungsschütze 15 (1).While charging the HV battery 9 ( 1 ), the hybrid system 1 prevents the DC contactors 15 from closing ( 1 ).

Wird durch den Sensor 20 anschließend ein Schließsignal generiert, welches eine geschlossene Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses beispielsweise durch eine Trennung eines Ladekabels von der Ladebuchse 19 anzeigt, an das Hybridsystem 1 übermittelt, so kann dieses eine Freigabe zur automatisierten Schließung der Gleichspannungsschütze 15 (1) bewirken.If the sensor 20 then generates a closing signal, which indicates a closed charging flap device and/or deactivation of the charging port, for example by disconnecting a charging cable from the charging socket 19, and transmits it to the hybrid system 1, this can provide a release for the automated closing of the DC contactors 15 ( 1 ) cause.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
HybridsystemHybrid system
22
LadestationCharging station
33
DC-LadeschützeDC charging contactor
44
erster Energiestrangfirst energy strand
55
InverterInverters
66
elektrische Maschineelectric machine
77
zweiter Energiestrangsecond energy strand
88th
SchaltelementSwitching element
99
HV-BatterieHV battery
1010
SpannungswandlerVoltage converter
1111
dritter Energiestrangthird strand of energy
1212
DC/DC-WandlerDC/DC converter
1313
BrennstoffzelleFuel cell
1414
HV-PDUHV PDU
1515
GleichspannungsschützeDC contactors
1616
HybridfahrzeugHybrid vehicle
1717
Lademuldeloading trough
1818
EnergiequellenEnergy sources
1919
Ladebuchsecharging socket
2020
Sensorsensor

Claims (14)

Hybridsystem (1) für ein Hybridfahrzeug (16) aufweisend einen ersten Energiestrang (4), wobei der erste Energiestrang (4) zumindest einen Inverter (5) und einen dem Inverter (5) nachgeschaltete elektrische Maschine (6) zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und einen parallel zum ersten Energiestrang (4) angeordneten zweiten Energiestrang (7), wobei der zweite Energiestrang (7) zumindest ein Schaltelement (8) und eine dem Schaltelement (8) nachgeschaltete Batterie (9) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, und einen zum ersten Energiestrang (4) und zweiten Energiestrang (7) parallel angeordneten dritten Energiestrang (11), wobei der dritte Energiestrang (11) eine Brennstoffzelle (13) zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, wobei ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen ist, wobei der erste Energiestrang (4) und der zweite Energiestrang (7) und der dritte Energiestrang (11) an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind, und wobei der dritte Energiestrang (11) zumindest ein aktives Schaltmodul, welches vor der Brennstoffzelle (13) angeordnet ist, aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle (13) von dem Verteilerelement zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) mit einem Sensor (20), welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen einer Ladeklappeneinrichtung zum Laden und/oder eine Aktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Öffnensignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt ist und wobei das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch den Sensor (20) eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.Hybrid system (1) for a hybrid vehicle (16) having a first energy train (4), the first energy train (4) having at least one inverter (5) and an electrical machine (6) connected downstream of the inverter (5) for generating power by converting of electrical energy, and a second energy strand (7) arranged parallel to the first energy strand (4), the second energy strand (7) having at least one switching element (8) and a battery (9) connected downstream of the switching element (8) for storing electrical energy Energy, and a third energy strand (11) arranged parallel to the first energy strand (4) and second energy strand (7), the third energy strand (11) having a fuel cell (13) for generating electrical energy, wherein a distribution element for distributing electrical energy is provided, wherein the first energy strand (4) and the second energy strand (7) and the third energy strand (11) are connected in parallel to the distribution element, and wherein the third energy strand (11) has at least one active switching module, which is in front of the fuel cell (13) is arranged, which is designed to bring about an all-pole galvanic isolation of the fuel cell (13) from the distribution element when opened, characterized in that the hybrid system (1) with a sensor (20), wel cher is designed to register an opening of a loading flap device for charging and / or an activation of a charging port and to generate an opening signal, is coupled for data transmission and wherein the hybrid system (1) is designed to respond to the received opening signal by the sensor (20 ) to cause an automated opening of the switching module. Hybridsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, vor einem Laden der Batterie (9) durch eine Ladestation (2) eine aktive Öffnung des Schaltmoduls zur Bewirkung der allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle (13) von dem Verteilerelement zu bewerkstelligen, bei Nichterreichen eines geforderten Isolationswiderstands für einen Ladevorgang.Hybrid system (1). Claim 1 , characterized in that the hybrid system (1) is designed to bring about an active opening of the switching module to effect the all-pole galvanic isolation of the fuel cell (13) from the distribution element before charging the battery (9) through a charging station (2), if the required insulation resistance for a charging process is not achieved. Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Schaltmodul als in den dritten Energiestrang (11) angeordnete Schütze ausgebildet ist.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one switching module is designed as a contactor arranged in the third energy strand (11). Hybridsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Schaltmodul als mehrere hintereinander geschaltete Schütze ausgebildet ist.Hybrid system (1). Claim 3 , characterized in that the at least one switching module is designed as several contactors connected in series. Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) eine Schnittstelle aufweist zum Empfang eines Öffnensignals durch eine Ladesäule und wobei das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch die Schnittstelle eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid system (1) has an interface for receiving an opening signal through a charging station and wherein the hybrid system (1) is designed to carry out an automated opening when the opening signal is received through the interface of the switching module. Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) mit einem Sensor (20), welcher dafür ausgebildet ist, nach einem Öffnen eine wieder geschlossene Ladeklappeneinrichtung zu registrieren und/oder eine Deaktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt ist und das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor (20), eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid system (1) with a sensor (20) which is designed to register a charging flap device that has been closed again after opening and/or to register a deactivation of a charging port and to generate a closing signal, is coupled for data transmission and the hybrid system (1) is designed to cause a release for the automated closing of the switching module when the closing signal is received by the sensor (20). Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) mit einem Sensor (20), welcher dafür ausgebildet ist, eine Trennung eines Ladekabels von einem Ladeanschluss zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt ist, und wobei das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor (20), eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid system (1) is coupled for data transmission with a sensor (20), which is designed to register a separation of a charging cable from a charging port and to generate a closing signal , and wherein the hybrid system (1) is designed to cause a release for the automated closing of the switching module when the closing signal is received by the sensor (20). Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) mit einem manuellen Betätigungselement gekoppelt ist, und wobei das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei Betätigung des Betätigungselements bei einem stehenden Hybridfahrzeug (16) eine Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken, so dass die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle (13) von dem Verteilerelement bewerkstelligt ist.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid system (1) is coupled to a manual actuating element, and wherein the hybrid system (1) is designed to open an opening when the actuating element is actuated in a stationary hybrid vehicle (16). of the switching module, so that the all-pole galvanic isolation of the fuel cell (13) from the distribution element is achieved. Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, eine Schließung eines geöffneten Schaltmoduls während eines Ladevorgangs zu verhindern.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid system (1) is designed to prevent an open switching module from closing during a charging process. Hybridsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Energiestrang vorgesehen ist, welcher parallel zum dritten Energiestrang angeordnet ist, wobei der vierte Energiestrang eine weitere Brennstoffzelle (13) zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, sowie im vierten Energiestrang der weiteren Brennstoffzelle (13) vorgeschaltet ein weiteres aktives Schaltmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der weiteren Brennstoffzelle (13) von dem Verteilerelement zu bewirken.Hybrid system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a fourth energy strand is provided, which is arranged parallel to the third energy strand, the fourth energy strand having a further fuel cell (13) for generating electrical energy, as well as in the fourth energy strand further fuel cell (13) has a further active switching module upstream, which is designed to cause all-pole galvanic isolation of the further fuel cell (13) from the distributor element when opened. Hybridfahrzeug (16) mit einem Hybridsystem (1) mit einem Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Hybrid vehicle (16) with a hybrid system (1) with a switching module according to one of the preceding claims. Hybridfahrzeug (16) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridfahrzeug (16) zumindest eine Lademulde (17) aufweist, sowie einen Ladeanschluss zum Anschließen des Hybridfahrzeugs (16) an eine Ladestation (2), wobei der Ladeanschluss in der Lademulde (17) angeordnet ist, wobei das Hybridfahrzeug (16) ferner eine Ladeklappeneinrichtung die die Lademulde (17) verdeckt aufweist, sowie einen Sensor (20) aufweist, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen und Schließen der Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung und Deaktivierung des Ladeanschlusses zu registrieren und ein entsprechendes Öffnensignal oder Schließsignal zu generieren und an das Hybridsystem (1) zu übermitteln, wobei das Hybridsystem (1) ferner dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnensignal durch den Sensor (20), eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken und wobei das Hybridsystem (1) dazu ausgebildet ist, bei einem auf das Öffnensignal folgendes Schließsignal durch den Sensor (20), eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.Hybrid vehicle (16). Claim 11 , characterized in that the hybrid vehicle (16) has at least one charging trough (17), as well as a charging connection for connecting the hybrid vehicle (16) to a charging station (2), the charging connection being arranged in the charging trough (17), the hybrid vehicle (16) furthermore has a loading flap device which has the loading trough (17) covered, and a sensor (20) which is designed to register an opening and closing of the loading flap device and / or an activation and deactivation of the charging port and a corresponding opening signal or Generate a closing signal and transmit it to the hybrid system (1), wherein the hybrid system (1) is further designed to cause an automated opening of the switching module upon an opening signal from the sensor (20), and wherein the hybrid system (1) is designed to do this is, with a closing signal from the sensor (20) following the opening signal, a release to cause the automatic closure of the switching module. Ladeverfahren für ein Hybridsystem (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche für ein Hybridfahrzeug (16) gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Energiestrangs (4), welcher zumindest einen Inverter (5) und einen dem Inverter (5) nachgeschaltete elektrische Maschine (6) zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang (4) verschalteten zweiten Energiestrangs (7), welcher zumindest ein Schaltelement (8) und eine dem Schaltelement (8) nachgeschaltete Batterie (9) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang (4) und zweiten Energiestrang (7) parallel geschalteten dritten Energiestrangs (11), welcher eine Brennstoffzelle (13) zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, - Bereitstellen eines Verteilerelements zum Verteilen von elektrischer Energie, wobei der erste Energiestrang (4) und der zweite Energiestrang (7) und der dritte Energiestrang (11) an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind, - Bereitstellen eines aktiven Schaltmoduls, welches im dritten Energiestrang (11) der Brennstoffzelle (13) vorgeschaltet ist, - Öffnen des aktiven Schaltmoduls vor dem Ladevorgang zur Durchführung einer allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle (13) von dem restlichen Hybridsystem, wenn der geforderte Isolationswiderstand für den Ladevorgang nicht erreicht wird, - Zuführen von elektrischem Strom zum Laden der Batterie (9) über das Verteilerelement.Charging method for a hybrid system (1) according to one of the preceding claims for a hybrid vehicle (16) characterized by the steps: - Providing a first energy train (4), which has at least one inverter (5) and an electrical machine (5) connected downstream of the inverter (5). 6) for generating power by converting electrical energy, - providing a second energy strand (7) connected in parallel to the first energy strand (4), which has at least one switching element (8) and a battery (9) connected downstream of the switching element (8). Storing electrical energy, - providing a third energy strand (11) connected in parallel to the first energy strand (4) and second energy strand (7), which has a fuel cell (13) for generating electrical energy, - providing a distribution element for distributing electrical energy, wherein the first energy strand (4) and the second energy strand (7) and the third energy strand (11) are connected in parallel to the distribution element, - providing an active switching module, which is connected upstream of the fuel cell (13) in the third energy strand (11). is, - opening the active switching module before the charging process to carry out an all-pole galvanic isolation of the fuel cell (13) from the rest of the hybrid system if the required insulation resistance for the charging process is not achieved, - supplying electrical current to charge the battery (9). the distribution element. Ladeverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schließen des Schaltmoduls während des Ladevorgangs verhindert wird.charging procedure Claim 13 , characterized in that the switching module is prevented from closing during the charging process.
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