DE10223672A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs und Vorrichtung hierzu

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit, insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit und/oder einer Batterie, wobei bei Abschaltung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit diese durch eine Steuer- und/oder Verteileinheit oder einen temperaturabhängigen Widerstand zwangsweise entladen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs und eine Vorrichtung hierzu.
  • In einem Brennstoffzellensystem wird aus einem gasförmigen Brennmittel, üblicherweise Wasserstoff, und einem sauerstoffreichem Gas elektrische Energie erzeugt. Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems sind häufig noch Brennmittel und sauerstoffreiches Gas in der Brennstoffzelleneinheit bzw. in den Zufuhrleitungen vorhanden, und es wird elektrische Energie erzeugt, welche nicht mehr verbraucht wird. Bleibt die Brennstoffzelleneinheit der erzeugten hohen Spannung ausgesetzt, so kann dies zu einer Schädigung des Brennstoffzellensystems und zu einer Gefährdung von Servicepersonal, beispielsweise bei Inspektionen und/oder Reparaturen führen. Ähnliche sicherheitsrelevante Problemstellungen sind aus der Anwendung von Batterien bekannt.
  • Aus der Patentschrift US 5,023,150 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt. Es ist ein Schaltelement vorgesehen, welches normalerweise geschlossen ist und welches über ein Steuergerät angesteuert werden kann, um eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Entladewiderstand in Parallelschaltung zu verbinden. Hierdurch kann die Brennstoffzelleneinheit nach dem Abschalten entladen werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bei bzw. nach dem Abschalten einer Strom- /Spannungsversorgungseinheit zu schaffen, welches einfach zu implementieren ist. Es weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Entladen der abgeschalteten Strom-/Spannungsversorgungseinheit vorteilhafterweise über bereits im Kraftfahrzeug vorhandene Komponenten realisiert wird. Packaging-Probleme und zusätzliche Bauteilkosten werden hierdurch vermieden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Entladung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit über einen temperaturabhängigen Widerstand. Vorteilhafterweise bedingt dies eine selbstregelnde Entladung. Das heisst, die Entladungsgeschwindigkeit hängt von der Spannung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit ab und nimmt mit sinkender Spannung zu.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit mit einem angeschlossenem Stromkreis,
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit mit einem Entladestromkreis.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 mit einem angeschlossenen nicht näher bezeichneten Stromkreis. Als Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 wird bevorzugterweise eine Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Batterie eingesetzt. An die Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 ist üblicherweise eine Steuer- bzw. Verteileinheit 2 über nicht näher bezeichnete Leitungen angeschlossen, welche die erzeugte elektrische Energie an weitere elektrische Baugruppen verteilt, welche durch den Verbraucher bzw. die Last 3 dargestellt sind. Die Steuer- und/oder Verteileinheit 2 enthält üblicherweise eine nicht dargestellte interne Strom-/Spannungsversorgung, welche von der Strom- /Spannungsversorgungseinheit 1 gespeist wird, und einen nicht dargestellten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, welcher die von der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 erzeugte Spannung auf das Niveau der Betriebsspannung des Verbrauchers 3 konvertiert. Die Steuer- und/oder Verteileinheit 2 verteilt elektrische Energie beispielsweise an an die Steuer- und/oder Verteileinheit 2 angeschlossene Messschaltungen. Die nicht dargestellte interne Strom-/Spannungsversorgung versorgt insbesondere der Steuer- und/oder Verteileinheit 2 inhärente Mikrocontroller-Systeme, Treiberschaltungen, Wandler und/oder andere, der Steuer- und/oder Verteileinheit inhärente Schaltungen mit elektrischer Energie. Die interne Strom-/Spannungsversorgung weist vorzugsweise ebenfalls einen nicht dargestellten Wandler, insbesondere einen Gleichspannungs- Gleichspannungs-Wandler, auf. Das interne Spannungsniveau der Steuer- und/oder Verteileinheit 2 liegt vorzugsweise unterhalb des Spannungsniveaus der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1. An die Steuer- bzw. Verteileinheit 2 können außerdem als Last 3 ein nicht dargestellter elektrischer Antriebsmotor und/oder ein Bordnetz angeschlossen sein.
  • Bei bzw. nach dem Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 wird die an der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 noch anliegende Spannung zwangsweise vermindert, um eine Degradierung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 zu verhindern und Berührungsschutz sicherzustellen. Da die interne Spannungsversorgung der Steuer- und/oder Verteileinheit 2 über die Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 geschieht, wird diese interne Spannungsversorgung auch nach der Abschaltung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 weiterhin solange mit elektrischer Energie versorgt, bis die Strom- /Spannungsversorgungseinheit 1 bzw. die Kapazitäten des der Steuer- und/oder Verteileinheit 2 vorgelagerten, nicht näher bezeichneten Versorgungsstromkreises bis zu einem unteren Grenzwert entladen ist. Die Entladung der Strom- /Spannungsversorgungseinheit 1 erfolgt also zwangsweise über die Steuer- und/oder Verteileinheit 2 bzw. deren interne Strom- /Spannungsversorgung und die an diese angeschlossenen Verbraucher, wie beispielsweise Mikrocontroller und Messschaltungen. Die interne Strom-/Spannungsversorgung und/oder die an diese angeschlossenen Verbraucher sind dabei vorteilhafterweise dergestalt ausgeführt, dass die Strom-/Spannungsversorgungseinheit sich innerhalb von 60 Sekunden auf unter 50 V entlädt.
  • Vorteilhafterweise werden für die Entladung keine zusätzlichen Komponenten bzw. Bauteile benötigt, da die Entladung über eine Steuer- und/oder Verteileinheit 2 erfolgt, welche üblicherweise im Kraftfahrzeug vorhanden ist. Somit wird kein zusätzlicher Platz benötigt. Da keine spezielle Entladevorrichtung eingesetzt wird, wird vorteilhafterweise keine zusätzliche Verlustleistung erzeugt.
  • Die Steuer- und/oder Verteileinheit 2 kann so ausgeführt sein, dass sie von mehreren Strom-/Spannungsversorgungseinheiten 1 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. So kann eine Versorgung durch eine Fahrzeugbatterie und durch ein Brennstoffzelleneinheit vorgesehen sein. Die Versorgung kann parallel oder seriell durch die verschiedenen Strom- bzw. Spannungsquellen geschehen.
  • Wird als Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 eine Brennstoffzelleneinheit eingesetzt, so ist üblicherweise eine Messschaltung mit Wasserstoffsensoren im Fahrzeug vorgesehen, welche die Konzentration von Wasserstoff überwacht. Die Messschaltung ist üblicherweise über eine interne Strom- bzw. Spannungsversorgung einer Steuer- und/oder Verteileinheit 2 an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen. Da es sich bei Wasserstoff um ein leicht entzündbares Gas handelt, ist es sinnvoll, die Wasserstoffkonzentration auch bei abgeschalteter Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise bei einem parkenden Fahrzeug, zu überwachen. Bei bzw. nach dem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit kann die Messschaltung mit den Wasserstoffsensoren bevorzugterweise durch den Entladestrom des Brennstoffzelleneinheit über die interne Strom- bzw. Spannungsversorgung der Steuer- und/oder Verteileinheit mit elektrischem Strom versorgt werden.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Strom- /Spannungsversorgungseinheit 1 mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Entladekreises. Bei bzw. nach dem Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 erfolgt die Entladung über einen temperaturabhängigen Widerstand 4. Ein Schaltelement 5 kann in Serie zu dem temperaturabhängigen Widerstand 4 geschaltet sein. Bei geschlossenem Schaltelement 5 ist dann der temperaturabhängige Widerstand 4 parallel zu der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 geschaltet und wird entladen. Das Schaltelement 5 kann bevorzugterweise durch den Entladestrom mit elektrischem Strom versorgt werden.
  • Der temperaturabhängige Widerstand 4 ist vorzugsweise ein Kaltleiter bzw. ein PTC-Element und weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Der temperaturabhängige Widerstand 4 hat bei niedrigen Temperaturen einen geringen Widerstandswert und bei hohen Temperaturen einen hohen Widerstandswert. Der Widerstand 4 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass im normalen Arbeitsspannungsbereich der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 nur wenig elektrische Leistung durch den temperaturabhängigen Widerstand 4 verbraucht wird. Bei einer Brennstoffzelleneinheit liegt der normale Arbeitsspannungsbereich üblicherweise zwischen 250 V und 450 V. Es können jedoch auch Brennstoffzelleneinheiten mit anderen Arbeitsspannungsbereichen eingesetzt werden. Die vorzugsweise relativ hohe Arbeitsspannung der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 führt dazu, dass im Betrieb der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 die Temperatur am Widerstand 4 relativ hoch ist und somit dessen Widerstandswert ebenfalls entsprechend hoch ist. Es kann daher auf das Schaltelement 5 verzichtet werden, da der hohe Widerstandswert des Widerstands 4 während des Betriebs der Strom-/Spannungsversorgungseinheit in seiner Funktion einem geöffneten Schaltelement 5 entspricht. Nach Abschalten der Strom- /Spannungsversorgungseinheit 1 sinkt die Spannung langsam ab, die Temperatur des Widerstands 4 sinkt und somit sinkt ebenfalls dessen Widerstandswert. Somit erhöht sich die Entladungsgeschwindigkeit. Der temperaturabhängige Widerstand ist vorteilhafterweise so dimensioniert, dass nach Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 die anliegende Spannung innerhalb von 60 Sekunden auf unter 50 V sinkt.
  • PTC-Elemente können zum Schutz von Batterien eingesetzt werden, indem sie die Batterie selbstregelnd vor exzessiven Temperaturen und Entladeströmen schützen (US 4,255,698).
  • Parallel zur Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 können über nicht näher bezeichnete Leitungen Verbraucher 6 angeschlossen werden. Solche Verbraucher 6 sind beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor und ein Bordnetz.
  • Wird eine Brennstoffzelleneinheit als Strom-/Spannungsversorgungseinheit 1 eingesetzt, so wird der Schaltelement 5 bevorzugterweise erst dann wieder geöffnet, wenn die Menge an Oxidant bzw. sauerstoffreichem Gas, welches in der Brennstoffzelleneinheit bzw. in den Zufuhrleitungen vorhanden ist, unter einen unteren Grenzwert gesunken ist. Durch die Entladung wird eine Gefährdung des Brennstoffzellensystems und insbesondere eine belastende Aufheizung des üblicherweise der Brennstoffzelleneinheit nachgeschalteten katalytischen Brenners durch eine nach der Abschaltung ablaufende Oxidation verhindert.
  • Vorteilhafterweise ist das Schaltelement 5 oder der temperaturabhängige Widerstand über ein weiteres nicht dargestelltes Schaltelement mit Masse, beispielsweise der Fahrzeugkarosserie, verbunden. Reparaturen und Inspektionen können somit sicher durchgeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1), wobei beim bzw. nach dem Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) vorhandene elektrische Energie durch eine dem Kraftfahrzeug zugeordnete Steuer- und/oder Verteileinheit (2) und einem dieser zugeordneten elektrischen Stromkreis zwangsweise verbraucht wird, bis zumindest eine untere Spannungsgrenze unterschritten ist oder wobei beim bzw. nach dem Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) vorhandene elektrische Energie durch einen temperaturabhängigen Widerstand (4) verbraucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Abschalten verhandene elektrische Energie durch eine der Steuer- und/oder Verteileinheit (2) zugeordnete interne Strom-/Spannungsversorgung verbraucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem Abschalten vorhandene elektrische Energie durch eine der Steuer- und/oder Verteileinheit (2) zugeordnete Messschaltung verbraucht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung der Ermittlung einer Wasserstoffkonzentration dient.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstands (4) mit sinkender anliegender Spannung bzw. sinkender Temperatur abnimmt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) eine Batterie eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) eine Brennstoffzelleneinheit eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) ein temperaturabhängiger Widerstand (4) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Serienschaltung aus einem Schaltelement (5) und dem temperaturabhängigen Widerstand (4) der Strom- /Spannungsversorgungseinheit (1) parallel geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (4) ein Kaltleiter ist.
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