DE10247392A1 - System und Verfahren zur Regelung für Hochspannungsenergie - Google Patents

System und Verfahren zur Regelung für Hochspannungsenergie

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DE10247392A1
DE10247392A1 DE10247392A DE10247392A DE10247392A1 DE 10247392 A1 DE10247392 A1 DE 10247392A1 DE 10247392 A DE10247392 A DE 10247392A DE 10247392 A DE10247392 A DE 10247392A DE 10247392 A1 DE10247392 A1 DE 10247392A1
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battery
voltage
vehicle
hvec
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Withdrawn
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DE10247392A
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English (en)
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Joel Beckerman
Joseph Carl Burba
Matthew Roger Dedona
Raymond Spiteri
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Ford Motor Co
Original Assignee
Ford Motor Co
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T1/00—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles
    • B60T1/02—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
    • B60T1/10—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels by utilising wheel movement for accumulating energy, e.g. driving air compressors

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Abstract

Es wird eine Umwandlungsschaltung (HVERCC 12) mit Regelung für Hochspannungsenergie zur elektrischen Kopplung mit einer Fahrzeug-Stromschiene (24) bereitgestellt. Die HVERCC (12) umfasst ein Hochspannungs-Wandlermodul (HVEC 22), welches mit der Fahrzeug-Stromschiene (24), einer Batterie-Stromschiene (28) der Hochspannungs-Stromschiene einer Batteriegruppe und einer Stromschiene (29) der WEG-Heizung verbunden ist. Die Batterie-Stromschiene (28) ist mit einer Hochspannungs-Batteriegruppe (30) und einem WEG-Heizungsschaltkreis (32) verbunden. Das HVEC-Modul (22), die Hochspannungs-Batteriegruppe (30) und der WEG-Heizungsschaltkreis (32) sind über das Netz (36) mit einer logischen Steuerung (14) verbunden. Die logische Steuerung (14) regelt die Leistung in der Fahrzeug-Stromschiene (24), der Batterie-Stromschiene (28) und der Stromschiene (29) der WEG-Heizung. Außerdem ist ein Betriebsverfahren für das HVEC-Modul (22) vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Regelung der Leistung einer Hochspannungs-Stromschiene eines Fahrzeugs sowie die Verwendung einer Brennstoffzelle.
  • Die Entwicklung von alternativen Energiequellen zur Nutzung in Kraftfahrzeugen ist ein Ziel von Automobilherstellern. Die alternativen Energiequellen müssen die erforderliche Leistung, die zum Betreiben eines Fahrzeugs benötigt wird, zur Verfügung stellen und gleichzeitig energiesparend sein, Emissionen reduzieren und kosteneffektiv sein. Eine solche in Erwägung gezogene alternative Energiequelle ist ein Energiesystem mit Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen-Technologie ist zur Verwendung in Elektrofahrzeugen (EV) ständig verbessert worden. Eine Brennstoffzelle ist eine sehr leistungsfähige Energiequelle, die in der Lage ist, den Leistungsbedarf bereitzustellen, der für ein Kraftfahrzeug erforderlich sind. Die Brennstoffzelle erzeugt außerdem keine Emissionen.
  • Elektrofahrzeuge (EV) haben ein elektrisches Antriebssystem. Ein elektrisches Antriebssystem weist eine Brennstoffzelle, einen Elektromotor/Generator und eine Batterie auf. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie, die entweder in der Batterie gespeichert oder zum Antrieb des Kraftfahrzeugs genutzt wird. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie speist den Motor/Generator, der wiederum das Kraftfahrzeug antreibt. Der Elektromotor/Generator sorgt neben dem Antrieb des Kraftfahrzeugs auch für eine Rückführung von Energie beim Bremsen des Fahrzeugs. Der Elektromotor/Generator wandelt mechanische Energie beim Bremsen in elektrische Energie um, die anschließend in der Batterie gespeichert wird. Dies wird oft als Bremsen mit Energierückführung angegeben. Die gespeicherte elektrische Energie in der Batterie wird außerdem für bordeigene Systeme wie Klimaanlagen, Beleuchtungssysteme, audio/visuelle Systeme und andere elektrische Systeme genutzt.
  • Zahlreiche Ausführungen von Energiesystemen mit Brennstoffzellen erfordern eine Hochspannungs-Energiequelle zum Anlassen und Abschalten des Brennstoffzellen-Energiesystems. Brennstoffzeilen erzeugen Energie, bewirken jedoch keine Energiespeicherung. Brennstoffzellen-Energiesysteme erfordern außerdem bei Fällen von Leistungsbelastung eine Übergangslasthilfe und eine Energiespeicherung bei Fällen des Bremsens mit Energierückführung, die nicht allein durch das Brennstoffzellen-Energiesystem gewährleistet werden können. Außerdem sind erhöhte Anforderungen eingeführt worden, damit die Elektrofahrzeuge (EV) für die Bedienperson praktisch zu nutzen sind, was eine erhöhte Kraftstoffausbeute und schnellere Leistungsansprechzeiten einschliesst. Die Leistungsansprechzeit bezieht sich auf die Größe der Zeit, die für ein Brennstoffzellensystem erforderlich ist, um auf Leistungsanforderungen von einer Bedienperson zu reagieren oder die für unterschiedliche Fahrbedingungen benötigt wird.
  • Darüber hinaus bringen heutige Antriebssysteme mit Brennstoffzellen die Betriebszeit der Brennstoffzelle nicht auf Höchstmaß, so dass sie im effektivsten Betriebszustand der Brennstoffzelle liegt. Brennstoffzellen weisen einen optimalen Betriebsleistungsbereich innerhalb von oberen und unteren Grenzen auf. Brennstoffzellen sind im Dauerzustand oder mit anderen Worten, wenn sie eine konstante Leistungsabgabe erzeugen, am leistungsfähigsten. Brennstoffzellen sind nicht so leistungsfähig, wenn sie in der Nähe der oberen und unteren Grenzen oder über diese hinaus betrieben werden. Die Zeit, in der die Brennstoffzelle bei einer optimalen Temperatur arbeitet, ist auch nicht auf ein Maximum eingestellt, was einen erheblichen Energieverlust verursachen kann.
  • Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein verbessertes system und Betriebsverfahren vorzuschlagen wie bei Fällen einer erhöhten Energiebelastung eine Brennstoffzelle zu betreiben und Energie in den Zeiten zu speichern ist, wenn zusätzliche Energie verfügbar ist und dies so effizient wie möglich durchzuführen ist, um Energie einzusparen.
  • Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 14 und 20. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäßen Lösungen werden mit einer Umwandlungsschaltung mit Regelung für Hochspannungsleistung (HVERCC) zur Kopplung mit einer Fahrzeug-Stromschiene realisiert. Die HVERCC enthält ein Hochspannungs-Energiewandler-Modul (HVEC), das mit der Fahrzeug- Stromschiene, einer Batterie-Stromschiene und der Stromschiene einer Wasser-Ethylen-Glykol (WEG) Heizung elektrisch verbunden ist. Die Batterie-Stromschiene ist mit einer Hochspannungs-Batteriegruppe verbunden. Die Stromschiene der WEG-Heizung ist mit einer WEG- Heizungsschaltung gekoppelt. Das HVEC-Modul, die Hochspannungs- Batteriegruppe und die WEG Heizungsschaltung sind über ein Netz mit einer logischen Steuerung gekoppelt. Die logische Steuerung regelt die Leistung auf die Fahrzeug-Stromschiene, die Batterie-Stromschiene und die Stromschiene der WEG-Heizung.
  • Es ist außerdem ein Betriebsverfahren für das HVEC-Modul vorgesehen, welches das Empfangen eines Operationsbefehlssignals enthält. Beim Empfangen des Operationsbefehlssignals arbeitet das HVEC-Modul in einer vorbestimmten Betriebsart. Das HVEC-Modul überwacht ständig die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung.
  • Die vorliegende Erfindung weist mehrere Vorteile gegenüber den bestehenden Energiesystemen mit Brennstoffzelle auf. Sie stellt eine Vorrichtung bereit, die automatisch die Grenzen der Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der Heizung regelt, die betriebsintern eine Leistungsabgabe im Dauerzustand hinsichtlich der Brennstoffzelle aufrechterhält. Das Aufrechterhalten einer Leistungsabgabe im Dauerzustand hinsichtlich der Brennstoffzelle bewirkt eine Nutzung der Brennstoffzellenenergie, die am effizientesten ist.
  • Weitere Vorteile sind:
    Das Brennstoffzellen-Energiesystem hat eine Hilfsenergiequelle, die überwacht, geregelt und gesteuert wird. Die Hilfsenergiequelle liefert bei Bedarf zusätzliche Energie und sieht eine Energiespeicherung zur erneuten Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt vor.
  • Eine WEG-Heizungsschaltung nutzt die durch die Brennstoffzelle erzeugte zusätzliche Leistung in effizienter Weise. Die Fähigkeit der Nutzung von zusätzlicher Energie verhindert, dass die Brennstoffzelle an der oberen Spannungsgrenze arbeitet.
  • Deshalb ist ein Brennstoffzellen-Energiesystem verwendbar, das auf Grund der Kombination der zuvor erwähnten Vorteile der Erfindung leistungsfähig, praktisch und kosteneffektiv ist.
  • Zum vollständigeren Verständnis dieser Erfindung wird im Folgenden Bezug auf Ausführungsbeispiele genommen werden, die in einer Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben sind.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeugs, das eine Umwandlungsschaltung mit Regelung für Hochspannungsenergie (HVERCC) gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • Fig. 2 die Prinzipskizze einer HVERCC nach der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 ein Zustandsübergangsdiagramm des Hochspannungs-Energiewandler-Moduls (HVEC);
  • Fig. 4A das Ablaufdiagramm der Leistungsaufnahme des HVEC-Moduls;
  • Fig. 4B das Ablaufdiagramm der Leistungszuführung des HVEC-Moduls;
  • Fig. 5 eine Prinzipskizze der in einer Betriebsart arbeitenden HVERCC;
  • Fig. 6 eine Übertragungsfunktion der Batteriegruppen-Hochspannungs- Stromschiene (BHVB) während einer Betriebsart;
  • Fig. 7A eine Übertragungsfunktion der Hochspannungs-Stromschiene des Fahrzeugs (VHVB) bei einer Betriebsart mit konstanter Spannung;
  • Fig. 7B eine Leistungsbegrenzungsfunktion der VHVB bei der Betriebsart mit konstanter Spannung;
  • Fig. 8 eine Prinzipskizze der HVERCC mit einer erweiterten Ansicht der Topologie des HVEC-Moduls;
  • Fig. 9A eine Übertragungsfunktion der VHVB bei einer Betriebsart mit konstantem Strom;
  • Fig. 9B eine Leistungsbegrenzungsfunktion der Entnahmeleistung des HVEC-Moduls bei einer Betriebsart mit konstantem Strom;
  • Fig. 9C eine Leistungsbegrenzungsfunktion der Abgabeleistung des HVEC-Moduls bei einer Betriebsart mit konstanter Spannung;
  • Fig. 10A eine Übertragungsfunktion der VHVB bei einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom;
  • Fig. 10B eine Übertragungsfunktion der BHVB bei einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom;
  • Fig. 10C eine Leistungsbegrenzungsfunktion der Entnahmeleistung eines HVEC-Moduls bei einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom;
  • Fig. 10D eine Leistungsbegrenzungsfunktion der Abgabeleistung des HVEC-Moduls bei einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom;
  • Fig. 11A eine Kurvendarstellung der oberen und der unteren Schutzgrenze der Spannung für die VHVB bei normaler Betriebsart;
  • Fig. 11 B eine Übertragungsfunktion der VHVB bei normaler Betriebsart;
  • Fig. 11C eine Leistungsbegrenzungsfunktion der VHVB bei normaler Betriebsart.
  • In den folgenden Abbildungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen Bauteile oder Merkmale der vorliegenden Erfindung anzugeben.
  • Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen (EV), Hybridelektrofahrzeugen (HEV), Brennstoffzellen- Energiesystemen, alternativen Energiesystemen oder anderen verschiedenen Anwendungen, die eine Leistungsregelung erfordern, verwendet werden.
  • Mit Bezug jetzt auf Fig. 1 ist die perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10 mit einem Innenkabinenbereich 11 und einer Umwandlungsschaltung (HVERCC) mit Regelung für Hochspannungsenergie (HV) 12 gezeigt. Die HVERCC 12 ist mit einer logischen Steuerung 14 verbunden. Die logische Steuerung 14 steuert die Funktion der HVERCC 12 in Verbindung mit einer Brennstoffzelle 16, die auch mit der HVERCC 12 verbunden ist. Die logische Steuerung 14 kann in der HVERCC 12, wie dargestellt, enthalten sein oder kann eine getrennte unabhängige Komponente sein. Die HVERCC 12 und die Brennstoffzelle 16 liefern Energie für die Funktionen des Fahrzeugsystems und zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10. Die HVERCC 12 speichert außerdem Energie, die von den Modulen 18 des integrierten Antriebsstrangs (IPT) zur Verfügung gestellt wird. Die IPT Module 18 übertragen die vom Bremssystem 20 des Fahrzeugs 10 erzeugte Rückgewinnungsenergie beim Bremsen auf die HVERCC 12. Die IPT Module 18 treiben außerdem das Kraftfahrzeug 10 unter Verwendung von Energie an, die aus der Brennstoffzelle 16 erzeugt wird. Die Menge und Örtlichkeit der IPT Module 18 ändern sich in Abhängigkeit vom Typ des Fahrzeugs.
  • Die Brennstoffzelle 16 besitzt einen optimalen Bereich der Betriebsleistung und der Temperatur. Ein Zweck der HVERCC 12 besteht in der Beibehaltung des zweckmäßigen Bereichs der Betriebsleistung und der idealen Temperatur der Brennstoffzelle 16, um die Brennstoffzelle 16 so zu betreiben, dass sie bei Spitzenleistung arbeitet.
  • Mit Bezug jetzt auf Fig. 2 ist eine Prinzipskizze der HVERCC 12 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die HVERCC 12 enthält ein Hochspannungs-Energiewandler (HVEC)-Modul 22, das mit der Hochspannungs- Stromschiene eines Fahrzeugs (Fahrzeug-Stromschiene) 24 verbunden ist. Die Fahrzeug-Stromschiene 24 ist mit den Hochspannungs- Energiequellen 26 des Fahrzeugs und den Hochspannungsverbrauchern 27 des Fahrzeugs verbunden. Die Hochspannungs-Energiequellen 26 des Fahrzeugs können die Brennstoffzelle 16, die IPT Module 18 oder andere HV-Energiequellen enthalten. Das HVEC-Modul 22 ist außerdem mit der Hochspannungs-Stromschiene (Batterie-Stromschiene) 28 einer Batteriegruppe und der Hochspannungs-Stromschiene 29 einer WEG- Heizung verbunden. Das HVEC-Modul 22 regelt die Leistung auf die Fahrzeug-Stromschiene 24, die Batterie-Stromschiene 28 und die Stromschiene 29 der Heizung. Die Batterie-Stromschiene 28 ist an eine Hochspannungs-Batteriegruppe 30 angeschlossen. Die Stromschiene 29 der Heizung ist mit einer WEG-Heizungsschaltung 32 verbunden. Das HVEC-Modul 22, die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 und die WEG- Heizungsschaltung 32 sind über ein Reglerbereichsnetz (CAN) 36 mit einer logischen Steuerung 14 verbunden. Obwohl die vorliegende Erfindung ein CAN 36 nutzt, können andere Netze verwendet werden.
  • Ein Beispiel des HVEC-Moduls 22 der vorliegenden Erfindung ist ein spannungs- oder stromgesteuertes Zweirichtungs- Energieumwandlungsmodul. Das HVEC-Modul 22 kann Elektronik zur Leistungsumwandlung und Regelungen enthalten, um die Energieumwandlung zwischen der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 und der Stromschiene 29 der Heizung zu gewährleisten.
  • Das HVEC-Modul 22 der vorliegenden Erfindung sorgt für spannungsüberwachende und leistungsbegrenzende Nutzen für die Fahrzeug- Stromschiene 24, die Batterie-Stromschiene 28 und die Stromschiene 29 der Heizung. Das HVEC-Modul 22 ist in der Lage, die Spannungs- und Leistungsgrenzen auf jeder Stromschiene autonom zu überwachen und jede Stromschiene entsprechend einzustellen. Das HVEC-Modul 22 ist im Verhältnis zu einer logischen Steuerung viel schneller beim Einstellen der Energiepegel in der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene 29 der Heizung. Die Reaktionszeit des HVEC- Moduls 22 ist annähernd hundertmal schneller im Vergleich zu einer logischen Steuerung, die ein HVEC-Modul 22 betreibt, das zwischen Meldungen annähernd 10 Millisekunden braucht. Die Geschwindigkeit des HVEC-Moduls 22 ermöglicht eine Entnahmeleistung von der Fahrzeug- Stromschiene 24, wenn sie eine vorbestimmte obere Grenze VGMAX erreicht, und eine Abgabeleistung, wenn sie eine vorbestimmte untere Grenze VGMIN erreicht, wie es in den Fig. 5B und 7B dargestellt ist. Diese schnellen Einstellungen helfen dabei, einen bevorzugten Dauerzustand in der Fahrzeug-Stromschiene 24 beizubehalten, indem eine Spitzenbetriebsleistung der Brennstoffzelle 16 zur Verfügung gestellt wird.
  • Das HVEC-Modul 22 hat mehrere Betriebsarten und einen Bereitschaftsmodus. Die Betriebsarten umfassen eine Betriebsart mit konstanter Spannung, eine Betriebsart mit konstantem Strom und eine Betriebsart mit konstantem Batteriestrom. Bei der Betriebsart mit konstanter Spannung regelt und hält das HVEC-Modul 22 eine konstante Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24. Bei normalen Fahrbedingungen ist der optimale Spannungsbereich für die Fahrzeug-Stromschiene 24 ungefähr 250 V bis 400 V. Bei der Betriebsart mit konstantem Strom regelt und hält das HVEC-Modul 22 einen konstanten Stromfluss in der Fahrzeug- Stromschiene 24 aufrecht. Der optimale Strombereich liegt ungefähr zwischen -100 A beim Abgeben von Leistung und 100 A beim Entnehmen von Leistung. Bei der Betriebsart mit konstantem Batteriestrom hält das HVEC-Modul 22 einen konstanten laufenden Ladezustand (SOC) an der Batterie-Stromschiene 28, der auf die Batterie-Stromschiene 28 bemessen ist. Der Strombereich in der Batterie-Stromschiene liegt zwischen -140 A beim Abgeben von Leistung und 100 A beim Entnehmen von Leistung. Der Spannungsbereich beträgt 150 V bis 300 V beim Abgeben von Leistung und 250 V bis 300 V beim Entnehmen von Leistung.
  • Bei allen Betriebsarten überwacht das HVEC-Modul 22 auch die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24, Batterie-Stromschiene 28 und Stromschiene 29 der Heizung. Spannungsüberwachung bezieht sich auf die Fähigkeit des HVEC-Moduls 22, die auf jede Stromschiene durch Einstellung der Stromübertragungsverhältnisse durch das HVEC-Modul 22 übertragene Spannung zu überwachen und zu begrenzen. Das HVEC- Modul 22 stabilisiert die Spannung, an der immer eine Stromschiene eine Schutzgrenze der Spannung erreicht und verhindert, dass eine spezielle Stromschiene die Schutzgrenze der Spannung überschreitet. Die logische Steuerung 14 stellt die Schutzgrenzen der Spannung ein. Wenn eine Schutzgrenze der Spannung erreicht worden ist, meldet dies das HVEC- Modul 22 der logischen Steuerung 14. Die logische Steuerung 14 sieht dann Vorsichtsmaßnahmen vor, indem durch das HVEC-Modul 22 Leistung entnommen oder abgegeben wird.
  • Ein Bereitschaftsmodus besteht dann, wenn die Funktion des HVEC nicht benötigt wird. Eine Leerlaufbetriebsart wird genutzt, um Energie einzusparen. Beim Bereitschaftsmodus überwacht und meldet das HVEC- Modul 22 Spannung und Ströme, bis es ein Betriebsart-Signal aufnimmt. Das HVEC-Modul stellt einen Spannungsschutz in allen Betriebsarten für die Fahrzeug-Stromschiene 24, die Batterie-Stromschiene 28 und die Stromschiene 29 der Heizung bereit. Das HVEC-Modul 22 besitzt eine höchste Durchsatzleistung, die mit annähernd 20 kW bemessen ist.
  • Die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 liefert Hilfsenergie für das HVEC- Modul 22. Die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 speichert außerdem Energie, die von Hochspannungsenergiequellen 26 durch das HVEC- Modul 22 übertragen wird. Die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 besitzt ein Batteriesteuermodul (BCM) 38 zum Schutz von unterschiedlichen Aspekten der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 wie Spannung, Strom, verfügbare Leistung, Temperatur und Zustand der Hochspannungs- Batteriegruppe 30. Das BCM 38 unterstützt außerdem die logische Steuerung 14 darin, die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 nicht zu überladen und einen zweckmäßigen Ladezustand (SOC) aufrecht zu erhalten. Die logische Steuerung 14 stellt die Leistung an der Batterie- Stromschiene 28 als Reaktion auf ein Signal von dem BCM 38 durch Meldung an das HVEC-Modul 22 ein.
  • Die WEG Heizungsschaltung 32 besitzt einen WEG-Heizungsregler 40 und eine Wasser-Ethylenglykol-Heizung 42 (WEG). Der Regler 40 stellt die Höhe der darüber liegenden Spannung und des Stromes ein, der in die WEG-Heizung 42 eintritt. Die WEG-Heizung 42 führt zusätzliche Energie ab, die vom HVEC-Modul 22 zum Beheizen des Innenkabinenbereiches 11 benötigt wird. Das HVEC-Modul 22 kann eine Betriebsart mit konstantem Strom und konstanter Leistung besitzen, um die WEG-Heizung 42 zu unterstützen. Die WEG-Heizung 42 wird wechselweise ausschließlich von der Fahrzeug-Stromschiene 24 und der Batterie-Stromschiene 28 gesteuert. Der maximale Leistungsdurchsatz der WEG-Heizung 42 ist auf ungefähr 15 kW dimensioniert. Ein Spannungsschutz ist aktiv, während der WEG-Heizung 42 Energie zugeführt wird.
  • Die durch die Brennstoffzelle 16 erzeugte zusätzliche Energie kann auch entweder zu dem Stromabschaltwiderstand (nicht gezeigt) eines Verbrauchers oder in einen Hochtemperatur-Kühlmittelkreis (ebenfalls nicht gezeigt) zum Beheizen der Brennstoffzelle 16 übertragen werden. Beim Anlassen der Brennstoffzelle 16 bringt die Energieübertragung zum Beheizen des Hochtemperatur-Kühlmittelkreises die Brennstoffzelle 16 schneller auf eine optimale Betriebstemperatur.
  • Die logische Steuerung 14 ist zur zentralen Steuerung der Energie in der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 und der Stromschiene 29 der Heizung verantwortlich, indem der Energiefluss in diesen Leitungen verbunden, gestartet, zurückgewonnen, abgeführt und gestoppt wird. Die logische Steuerung 14 überwacht die Energiepegel in der Brennstoffzelle 16, den IPT Modulen und anderen Hochspannungs- Energiequellen 26, die mit der Fahrzeug-Stromschiene 24 verbunden sind und regelt die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24. Die logische Steuerung 14 hält die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 zwischen VGMAX und VGMIN aufrecht. Beim Anlassen der Brennstoffzelle 16 wird zusätzliche Spannung benötigt, weshalb die logische Steuerung 14 dem HVEC-Modul 22 meldet, die Spannung bis auf 450 V in der Fahrzeug- Stromschiene 24 zu erhöhen. Das HVEC-Modul 22 gibt Leistung bei 450 V von der Batterie-Stromschiene 28 an die Fahrzeug-Stromschiene 24 ab. Sobald die Brennstoffzelle 16 gestartet ist, reduziert die logische Steuerung 14 die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 auf 200 V, um die Temperatur der Brennstoffzelle 16 in einem kürzeren Zeitraum zu erhöhen. Das Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur in einem kürzeren Zeitumfang ermöglicht eine bessere effiziente Nutzung der Energie der Brennstoffzelle 16. Die logische Steuerung 14 meldet dem HVEC-Modul 22, entweder Leistung von der Fahrzeug-Stromschiene 24 aufzunehmen oder dieser abzugeben, um die Leistung in der Fahrzeug- Stromschiene 24 innerhalb eines festgelegten Bereiches zu halten. Außerdem kann das logische Steuermodul 14 dem HVEC-Modul 22 melden, in der Betriebsart mit konstanter Spannung oder konstantem Strom zu arbeiten, um das Anlassen, einschließlich eines Kaltstarts, und das Abschalten der Brennstoffzelle 16 zu gewährleisten. Die logische Steuerung 14 kann außerdem die Aufrechterhaltung des Ladezustandes der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 gewährleisten.
  • Das Reglerbereichsnetz (CAN) 36 ist Teil eines gemeinsam genutzten weltweiten Standards für Kraftfahrzeuge zur Verdrahtung von Netzwerkmodulen für Fahrzeuge und Software-Programmprotokoll. Das Reglerbereichsnetz CAN 36 überträgt elektronische Signale zwischen der logischen Steuerung 14 und dem HVEC-Modul 22, dem BCM 38 und dem WEG Heizungsregler 40. Das CAN 36 kann auch durch zusätzliche CAN- Knoten 44 mit elektronischen Bauteilen verbunden werden.
  • In Fig. 3 ist ein Zustandsübergangsdiagramm des HVEC-Moduls dargestellt.
  • Im Zustand 100 befindet sich das HVEC-Modul 22 in einem "AUS" Zustand. Das HVEC-Modul 22 nimmt keine Energie des Fahrzeuges auf.
  • Im Zustand 102 wird das HVEC-Modul auf "EIN" geschaltet und nimmt deshalb Energie des Fahrzeuges auf. Das HVEC-Modul führt einen an sich bekannten Einschalt-Selbsttest (POST) durch. Wird während des POST ein Problem detektiert, wird der Schritt 104 ausgeführt.
  • Im Schritt 104 ist durch die logische Steuerung 14 ein Fehler, ein Ausfall, eine Fehlfunktion oder ein Flag, das außerhalb des Bereiches liegt, detektiert worden. Das HVEC-Modul 22 setzt einen "Fehlerzustand" und meldet der logischen Steuerung den Wert eines Fehlerzustandes.
  • Im Schritt 106 befindet sich das HVEC-Modul in der Betriebsart Leerlauf. Das HVEC-Modul verbleibt in der Betriebsart Leerlauf, bis es von der logischen Steuerung 14 über das CAN 36 ein Betriebsart-Signal empfängt.
  • Im Schritt 108 wird das HVEC-Modul 22 umprogrammiert. Das HVEC- Modul 22 der vorliegenden Erfindung besitzt die Fähigkeit, für beliebige auf den neuesten Stand gebrachte Änderungen in der Software umprogrammiert zu werden.
  • Im Schritt 110 werden Fehlersuchprogramme des Systems durchgeführt. Das HVEC-Modul 22 besitzt die Fähigkeit für eine Bedienperson, eine normale Betriebsfunktion "unwirksam zu machen" und einzigartige unabhängige, unverbundene Tests durchzuführen. Nachdem Fehlersuchprogramme des Systems ausgeführt sind, kehrt das HVEC- Modul in den Bereitschaftsmodus zurück.
  • Im Schritt 112 nimmt das HVEC-Modul 22 ein Betriebsart-Signal von der logischen Steuerung 14 auf, um in einer der oben erwähnten Betriebsarten zu arbeiten. Das HVEC-Modul arbeitet weiter in einer Betriebsart, bis es entweder ein Signal von der logischen Steuerung 14 oder der Fahrzeug- Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 aufnimmt oder bis die Stromschiene 29 der Heizung eine Spannungsschutzgrenze erreicht hat.
  • Im Schritt 114 arbeitet das HVEC-Modul 22 im Spannungsschutzmodus. Das HVEC-Modul 22 überwacht bei allen Betriebsarten die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 und der Fahrzeug-Stromschiene 29.
  • In Fig. 4A ist ein Ablaufdiagramm der Leistungsaufnahme des HVEC- Moduls 22 gezeigt. Während der Leistungsaufnahme (Entnehmen) nimmt das HVEC-Modul 22 die Leistung 46 aus der Fahrzeug-Stromschiene 24 auf und überträgt die Leistung 48 entweder in die Batterie-Stromschiene 28 oder die Stromschiene 29 der Heizung. Das HVEC-Modul 22 nimmt beim Bremsen mit Energierückgewinnung, beim Aufladen der Hochspannungs- Batteriegruppe 30, beim Betrieb der WEG-Heizung oder wenn sich die Brennstoffzelle 16 in dem Bereitschaftsmodus befindet, Leistung auf.
  • Fig. 4B zeigt ein Ablaufdiagramm der Leistungszuführung des HVEC- Moduls 22. Während der Leistungszuführung nimmt das HVEC-Modul 22 die Energie 50 von der Batterie-Stromschiene 28 auf und überträgt die Energie 52 zu der Fahrzeug-Stromschiene 24. Das HVEC stellt beim Anlassen, beim Abschalten, bei Unterstützung von Übergangsbelastung oder wenn die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 geladen wird, Leistung bereit. Die Unterstützung von Übergangsbelastung ist erforderlich, wenn das Kraftfahrzeug 10 extreme oder große Leistung von der Fahrzeug- Stromschiene 24, außer beim Anlassen und Abschalten, entnimmt.
  • In Fig. 5 ist eine Prinzipskizze der in einer Betriebsart arbeitenden HVERCC 12 gezeigt. Die HVERCC 12 arbeitet in einer Betriebsart mit konstanter Spannung, wenn Leistung beim Anlassvorgang zugeführt 54 oder beim Abschaltvorgang aufgenommen 56 wird. Anlassen bezieht sich auf das Starten der Brennstoffzelle 16, was das Starten der Brennstoffzeile 16 bei kalten Temperaturen einschliesst. Abschalten bezieht sich auf die Unterbrechung von Energieerzeugung innerhalb der Brennstoffzelle 16. Beim Abschalten wird Wasserstoff und Wasser aus der Brennstoffzelle 16 ausgeblasen. Für eine Betriebsart mit konstanter Spannung wird eine Spannung mit vorgegebener oberer Höhe und eine Spannung mit vorgegebener unterer Höhe festgelegt. Bei der Betriebsart mit konstanter Spannung nimmt das HVEC-Modul 22 bei Bedarf Energie auf oder gibt diese ab.
  • Fig. 6 stellt eine Übertragungsfunktion der Batterie-Stromschiene 28 während einer Betriebsart dar. Das HVEC-Modul 22 nimmt von der HV- Batteriegruppe 30 eine konstante Leistung auf oder gibt sie an diese ab wie sie zur Gewährleistung der Betriebsart mit konstanter Spannung benötigt wird. Die Spannung der HV-Batteriegruppe 30 ändert sich in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand (SOC) und der Temperatur. Die Spannung im offenen Schaltkreis (OCV) der HV-Batteriegruppe 30 ändert sich bei der Betriebsart mit konstanter Spannung ebenfalls. Die sich ändernden Spannungen der HV-Batteriegruppe 30 erzeugen einen Entnahmebereich 61 und einen Abgabebereich 62 der Batterie, in denen die HV-Batteriegruppe 30 arbeitet. Die rechte Seite 59 der Übertragungsfunktion bezieht sich auf die Leistung, die von der Fahrzeug- Stromschiene 24 aufgenommen wird. Die linke Seite 60 der Übertragungsfunktion bezieht sich auf die Leistung, die der Fahrzeug- Stromschiene 24 zugeführt wird.
  • In Fig. 7A ist eine Übertragungsfunktion der Fahrzeug-Stromschiene 24 bei einer Betriebsart mit konstanter Spannung dargestellt. Das HVEC-Modul 22 hält eine konstante Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 bei einer Aufnahme und einer Abgabe von Leistung bis zu der maximalen Leistungsfähigkeit der kombinierten Hochspannungs-Energiequellen 26 und der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 aufrecht. Die logische Steuerung 14 stellt einen Sollwert 58 konstanter Spannung ein und steuert, um den Sollwert 58 konstanter Spannung über das CAN 36 aufrechtzuerhalten. Der Sollwert 58 konstanter Spannung hängt vom Typ und den Eigenschaften der Brennstoffzelle 16 ab.
  • Fig. 7B stellt eine Leistungsbegrenzungsfunktion der Fahrzeug- Stromschiene 24 bei der Betriebsart mit konstanter Spannung dargestellt. Das HVEC-Modul 22 sollte bei einer Betriebsart mit konstanter Spannung in der Leistung auf das Profil 63 beschränkt sein. Für einen vorgegebenen Sollwert 58 konstanter Spannung soll das HVEC-Modul Strom bis zu den maximalen Leistungsgrenzen 65 entnehmen oder abgeben. Bei den maximalen Leistungsgrenzen 65 wird der logischen Steuerung 14 in dem CAN 36 die Meldung einer Überlastentnahme oder -abgabe übertragen. Das HVEC-Modul 22 sollte der Linie 66 der maximalen Leistungsentnahme folgen, bis die maximale Spannung 65 der Fahrzeug-Stromschiene erreicht ist, während Leistung aufgenommen wird. Das HVEC-Modul 22 sollte der Linie 70 der maximalen Leistungsabgabe folgen, bis die Mindestspannung 68 der Fahrzeug-Stromschiene erreicht ist, während Leistung zugeführt wird.
  • In Fig. 8 ist eine Prinzipskizze der HVERCC 12 mit einer erweiterten Ansicht der Topologie 72 des HVEC-Moduls gezeigt. Das Kraftfahrzeug 10 arbeitet in der Betriebsart mit konstantem Strom, wenn die IPT Module 18 das Fahrzeug 10 antreiben. Bei der Betriebsart mit konstantem Strom wird in der Fahrzeug-Stromschiene 24 durch geeignete Zuweisung von Strom Energie ausgeglichen. Das HVEC-Modul 22 läuft mit der Fahrzeug- Stromschiene 24 synchron und wirkt wie eine konstante Zweirichtungs- Stromquelle innerhalb von Grenzen der Topologie 72 des HVEC-Moduls. Die Polarität des Stromes wird auf der Basis bestimmt, ob der konstante Strom entnommen (+) oder abgegeben (-) wird. Die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 wird überwacht und mit den Spannungsschutzgrenzen VGMAX und VGMIN verglichen und über das CAN 36 entsprechend eingestellt. Die Betriebsart mit konstantem Strom gewährleistet die Aufrechterhaltung des Ladezustandes (SOC) der HV- Batteriegruppe. Die HV-Batteriegruppe 30 wird bei Bedarf basierend auf dem Einhaltungsalgorithmus des SOC der logischen Steuerung 14 der HV- Batteriegruppe geladen oder entladen.
  • Fig. 9A zeigt eine Übertragungsfunktion der Fahrzeug-Stromschiene 24 bei einer Betriebsart mit konstantem Strom. Das HVEC-Modul 22 nimmt durch Mitteilung über das CAN 36 konstanten Strom auf, wenn sich die Leistung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 oberhalb eines vorbestimmten Wertes befindet. Das HVEC-Modul 22 liefert konstanten Strom, wenn sich die Leistung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 unterhalb eines vorbestimmten Wertes befindet.
  • Gemäß Fig. 6 nimmt das HVEC-Modul 22 bei Bedarf konstante Leistung von der Batterie-Stromschiene 28 auf oder liefert sie zu dieser, um die Betriebsart mit konstantem Strom zu gewährleisten. Die Spannung der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 ändert sich basierend auf ihrem aktuellen Ladezustand und der Temperatur. Die Spannung des offenen Schaltkreises der HV-Batteriegruppe 30 ändert sich ebenfalls während der Betriebsart mit kostantem Strom.
  • In Fig. 9B ist eine Leistungsbegrenzungsfunktion des HVEC-Moduls 22 dargestellt, das bei der Betriebsart mit konstantem Strom Leistung entnimmt. Während es Leistung entnimmt, liefert das HVEC-Modul 22 Leistung in die Batterie-Stromschiene 28 oder die Stromschiene 29 der Heizung in einem einstellbaren Verhältnis, um einen konstanten positiven Sollstrom +|TARG in der Fahrzeug-Stromschiene 24 aufrechtzuerhalten, bis eine niedrige Spannungsschutzhöhe VGL erreicht ist. Die Fahrzeug- Stromschiene 24 ist stromgesteuert, wenn die Spannung der Fahrzeug- Stromschiene 24 größer oder gleich der Spannung in der Batterie- Stromschiene 28 ist. Die HV-Batteriegruppe 30 wird nicht geladen, wenn die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 geringer ist als die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28. Bei einer erhöhten Aufladung der Fahrzeug-Stromschiene 24 nimmt die Spannung auf VGL hin ab, und während einer verminderten Aufladung nimmt die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 auf eine obere Spannungsschutzhöhe VGU zu.
  • In Fig. 9C ist eine Leistungsbegrenzungsfunktion des HVEC-Moduls 22 gezeigt, das bei der Betriebsart mit konstanter Spannung Leistung abgibt. Wenn die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 gleich oder geringer als eine niedrige Spannungsschutzhöhe VGL ist, wird Leistung von der Batterie-Stromschiene 28 auf die Fahrzeug-Stromschiene 24 übertragen. Während der Leistungsabgabe liefert die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 Leistung in einem Verhältnis, um einen konstanten negativen Sollstrom -|TARG der Fahrzeug-Stromschiene 24 zu gewährleisten, bis eine hohe Spannungsschutzhöhe VGH erreicht ist. Das HVEC-Modul 22 überträgt keine Leistung von der Batterie-Stromschiene zu der Fahrzeug- Stromschiene, wenn die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 größer als die Spannung der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 oder gleich dieser ist. Wenn die Spannungshöhe der Fahrzeug-Stromschiene 24 gleich oder geringer als die Spannung der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 ist, dann wird die Fahrzeug-Stromschiene 24 durch die ungeregelte volle aktuelle Kapazität der HV-Batteriegruppe 30 gewährleistet. Der Strombereich der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 hängt vom Ladezustand der Hochspannungs-Batteriegruppe 30, der Temperatur oder der Entladungshöhe ab. Bei einer erhöhten Aufladung verringert sich die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 auf VGL, und bei einer verminderten Aufladung erhöht sich die Spannung der Fahrzeug- Stromschiene 24 auf VGH.
  • Gemäß Fig. 6 nimmt das HVEC-Modul 22 während einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom automatisch Leistung von der Fahrzeug- Stromschiene 24 auf oder gibt sie an diese ab, um ein konstantes Verhältnis des Batteriestroms zu halten. Der konstante Wert des Batteriestroms wird durch Meldung unter Verwendung des in Fig. 2 dargestellten CAN 36 eingestellt. Die Betriebsart mit konstanter Batteriespannung gewährleistet die Aufrechterhaltung des SOC der Hochspannungs-Batteriegruppe 30. Die Hochspannungs-Batteriegruppe 30 wird basierend auf den Algorithmen der logischen Steuerung 14 zur Aufrechterhaltung des Ladezustandes der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 aufgeladen oder entladen. Die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 wird überwacht und mit den Schutzgrenzen der Spannung VGH, VGU und VGL verglichen.
  • Fig. 10A zeigt eine Übertragungsfunktion der Fahrzeug-Stromschiene 24 bei der Betriebsart mit konstantem Batteriestrom. Das HVEC-Modul 22 entnimmt oder liefert Leistung von der Fahrzeug-Stromschiene 24, um einen konstanten Batteriestrom zu gewährleisten. VGMAX und VGMIN werden genutzt, um die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene in einem leistungsfähigen Spannungsbereich 73 zu halten. Wenn die logische Steuerung den Sollwert des konstanten Batteriestroms gleich Null setzt, überträgt das HVEC-Modul 22 keine Leistung und überwacht die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 und der Stromschiene 29 der Heizung.
  • In Fig. 10B ist eine Übertragungsfunktion der Batterie-Stromschiene 28 bei einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom gezeigt. Das HVEC-Modul 22 entnimmt konstanten Strom von der Batterie-Stromschiene 28 oder liefert dieser konstanten Strom, um die Betriebsart mit konstantem Batteriestrom zu gewährleisten. Die Spannung in der Batterie- Stromschiene 28 ändert sich basierend auf dem Verhältnis des konstanten Batteriestroms, dem Ladezustand der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 und der Temperatur der Hochspannungs-Batteriegruppe 30. Die Spannung im offenen Schaltkreis (OCV) der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 ändert sich ebenfalls während der Betriebsart mit konstantem Batteriestrom.
  • Fig. 10C zeigt eine Leistungsbegrenzungsfunktion des HVEC-Moduls 22, das bei der Betriebsart mit konstantem Batteriestrom Leistung entnimmt. Während das HVCE Modul 22 Leistung entnimmt, liefert das HVEC-Modul 22 Leistung zu der Hochspannungs-Batteriegruppe 30 oder der WEG- Heizung 42 in einem Verhältnis, um einen konstanten Sollstrom +|TARG2 der Batterie in der Batterie-Stromschiene 28 zu halten. Die Batterie-Stromschiene 28 wird stromgesteuert, wenn die Spannung der Fahrzeug- Stromschiene 24 größer als die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28 oder gleich dieser ist. Das HVEC-Modul 22 entnimmt Leistung bis zu der oberen Spannungsschutzgrenze VGU auf der Linie 74 der maximalen Entnahme aus der Batterie. Das HVEC-Modul 22 überträgt keine Leistung, wenn die Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene 24 geringer ist als die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28.
  • Fig. 10D stellt eine Leistungsbegrenzungsfunktion des HVEC-Moduls 22, das bei der Betriebsart mit konstantem Batteriestrom Leistung abgibt. Während das HVEC-Modul 22 Leistung abgibt, führt die Hochspannungs- Batteriegruppe 30 Leistung in einem Verhältnis zu, um den konstanten Sollstrom -|TARG2 der Batterie in der Fahrzeug-Stromschiene 24 zu gewährleisten. Das HVEC-Modul 22 überträgt keine Leistung auf die Fahrzeug-Stromschiene 28, wenn die Spannung der Fahrzeug- Stromschiene 24 größer als die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28 oder gleich dieser ist. Das HVCE-Modul 22 gibt Leistung bis zu der unteren Spannungsschutzhöhe VGU auf der Linie 76 der Mindestabgabe der Batterie ab. Das HVEC-Modul 22 überträgt Leistung in einem ungeregelten Verhältnis, wenn die Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 geringer ist als die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28.
  • In Fig. 11A ist eine Kurvendarstellung der oberen und unteren Grenzen des Spannungsschutzes für die Fahrzeug-Stromschiene 24 bei normaler Betriebsart gezeigt. Das HVEC-Modul 22 überwacht ständig die Fahrzeug- Stromschiene 24 und ermöglicht automatisch einen Spannungsschutz, um in der Fahrzeug-Stromschiene 24 eine Überspannung oder eine Unterspannung zu verhindern. Das HVEC-Modul 22 entnimmt Leistung von der Fahrzeug-Stromschiene 24 oder gibt sie an diese automatisch ab, wenn entweder VGMAX oder VGMIN erreicht werden. Das HVEC-Modul verhindert eine Leistungsübertragung über VGMAX Und VGMIN hinaus.
  • In Fig. 11B ist eine Übertragungsfunktion der Fahrzeug-Stromschiene 24 bei einer normalen Betriebsart dargestellt. Das HVEC-Modul 22 nimmt weder Leistung auf noch gibt es welche ab, wenn die Schutzgrenzen VGMAX und VGMIN der Spannung der Fahrzeug-Stromschiene 24 erreicht sind, weshalb der Übertragungsstrom IHVEC des HVEC-Moduls 22 gleich Null ist. Das HVEC-Modul 22 nimmt eine konstante Leistung von der Batterie-Stromschiene 28 auf und gibt an diese eine konstante Leistung ab, wenn sie zur Gewährleistung einer normalen Betriebsart benötigt wird.
  • Gemäß Fig. 6 hält das HVEC-Modul 22 bei normaler Betriebsart die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28 in einem positiven Bereich 59, während von der Fahrzeug-Stromschiene 24 Leistung für die Batterie- Stromschiene 28 entnommen wird. Das HVEC-Modul 22 hält die Spannung in der Batterie-Stromschiene 28 in einem negativen Bereich 60, während Leistung von der Batterie-Stromschiene 28 zu der Fahrzeug- Stromschiene 24 abgegeben wird. Die Spannung der HV-Batteriegruppe 30 ändert sich basierend auf dem momentanen Ladezustand und der Temperatur. Die Spannung im offenen Schaltkreis der Hochspannungs- Batteriegruppe 30 ändert sich außerdem bei normaler Betriebsart.
  • Fig. 11C zeigt eine Leistungsbegrenzungsfunktion für die Fahrzeug- Stromschiene 24 bei normaler Betriebsart. Das HVEC-Modul 22 ist bei normaler Betriebsart auf eine Leistung von vorzugsweise 20 kW begrenzt. Wenn das HVEC-Modul 22 Leistung und die Leistungsgrenze 65 abgibt, meldet das HVEC-Modul 22 der logischen Steuerung 14 und reduziert die Spannung weiter, bis der Strom durch das HVEC-Modul 22 geringer ist als der maximale Strom IMAX Bei Entnahme entnimmt das HVEC-Modul 22 Strom bis zu den maximalen Leistungsgrenzen 65, der eine Erhöhung der Spannung und eine Reduzierung des Stromes bei einem konstanten Leistungsverhältnis, das durch die logische Steuerung 14 eingestellt wird, folgt.
  • Das ausgeführte Ausführungsbeispiel regelt deshalb in Kombination mit dem oben beschriebenen Verfahren der vorliegenden Erfindung die Leistung in der Fahrzeug-Stromschiene 24, der Batterie-Stromschiene 28 und der Stromschiene 29 der Heizung, während eine konstante leistungsfähige Leistungsabgabe hinsichtlich der Brennstoffzelle 16 beibehalten wird. Die vorliegende Erfindung bringt den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 16 auf ein Höchstmaß und sorgt für eine unterstützende Energiequelle beim Anlassen und Abschalten.
  • Die oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können vom Fachmann an verschiedene Zwecken angepasst werden und sind nicht auf die folgenden Anwendungen: Elektrofahrzeuge (EV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Energiesysteme mit Brennstoffzellen, alternative Energiesysteme oder andere verschiedene Anwendungen, die eine Leistungsregelung erfordern, beschränkt.

Claims (20)

1. Umwandlungsschaltungssystem mit Regelung für Hochspannungsenergie zur Kopplung mit einer Fahrzeug- Stromschiene, umfassend:
ein Hochspannungsenergie-Wandlermodul (HVEC), das mit der Fahrzeug-Stromschiene elektrisch verbunden ist;
eine Batterie-Stromschiene, die mit dem HVEC-Modul elektrisch verbunden ist;
eine Stromschiene einer Wasser-Ethylen-Glykol (WEG)-Heizung, die mit dem HVEC-Modul elektrisch verbunden ist;
eine Hochspannungs-Batteriegruppe, die mit der Batterie-Stromschiene elektrisch verbunden ist;
eine WEG-Heizungsschaltung, die mit der Stromschiene der WEG- Heizung elektrisch verbunden ist; und
einen logischen Regler, der über ein Netz mit dem HVEC-Modul, der Hochspannungs-Batteriegruppe und der WEG-Heizungsschaltung elektrisch verbunden ist, wobei der logische Regler die Leistung auf die die Fahrzeug-Stromschiene, die Batterie-Stromschiene und die Stromschiene der WEG-Heizung regelt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die WEG- Heizungsschaltung eine WEG-Heizung aufweist.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, die WEG-Heizungsschaltung zu aktivieren, um zu hohe Batterieenergie abzuleiten.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, das HVEC-Modul zu aktivieren, um Leistung von der Fahrzeug-Stromschiene für die Batterie-Stromschiene aufzunehmen, wenn der Leistungspegel an der Fahrzeug-Stromschiene größer als ein vorbestimmter Wert ist.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, das HVEC-Modul zu aktivieren, um Leistung von der Fahrzeug-Stromschiene für die Stromschiene der Heizung aufzunehmen, wenn der Leistungspegel an der Fahrzeug-Stromschiene größer als ein vorbestimmter Wert ist.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, das HVEC-Modul zu aktivieren, um Leistung von der Batterie-Stromschiene zu der Fahrzeug-Stromschiene zuzuführen, wenn der Leistungspegel an der Fahrzeug-Stromschiene geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, das HVEC-Modul zu deaktivieren, wenn der Leistungspegel an der Fahrzeug-Stromschiene vorbestimmte Spannungsgrenzen nicht überschritten hat.
8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das HVEC- Modul in mehreren Betriebsarten, die eine Betriebsart mit konstanter Spannung, eine Betriebsart mit konstantem Strom und eine Betriebsart mit konstantem Batteriestrom umfassen, arbeitet.
9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das HVEC- Modul einen Ladezustand (SOC) an der Hochspannungs- Batteriegruppe aufrechterhält.
10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungs-Batteriegruppe ein Batterie-Steuermodul (BCM) aufweist, wobei das BCM den logischen Regler bei der Überwachung von Charakteristiken der Hochspannungs-Batteriegruppe unterstützt, wobei die Charakteristiken ausgewählt sind aus der folgenden Gruppe, die Spannung, Strom, Leistung, Temperatur und Zustand der Hochspannungs-Batteriegruppe umfasst.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler geeignet ist, als Reaktion auf ein Signal von dem BCM durch Meldung an das HVEC-Modul Leistung auf die Batterie-Stromschiene einzustellen.
12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das HVEC- Modul geeignet ist, die Hochspannungs-Batteriegruppe aufzuladen, indem der Ladezustand der Hochspannungs-Batteriegruppe aufrechterhalten wird.
13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der logische Regler einen Wartungsalgorithmus der Hochspannungs-Batteriegruppe besitzt, der es ermöglicht, die logische Steuerung den Ladezustand in der Hochspannungs-Batteriegruppe zu regeln.
14. Betriebsverfahren für ein Hochspannungs-Energiewandlermodul (HVEC) umfassend:
das Empfangen eines Operationsbefehlssignals;
das Arbeiten in einer festgelegten Betriebsart; und
das Überwachen der Spannung einer Fahrzeug-Stromschiene, einer Batterie-Stromschiene und einer Stromschiene der WEG-Heizung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeiten in einer festgelegten Betriebsart außerdem umfasst:
das Abgeben einer vorbestimmten oberen Höhe einer Spannung von der Batterie-Stromschiene zu der Fahrzeug-Stromschiene; und
das Reduzieren der Spannung auf die Fahrzeug-Stromschiene auf eine Spannung mit einer vorbestimmten unteren Höhe, unmittelbar nachdem die Brennstoffzelle gestartet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsüberwachung der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie- Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung umfasst:
das Überwachen von Spannungen in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung;
das Vergleichen von Spannungshöhen in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung;
das Bestimmen, ob die Spannungsübertragung zwischen der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung durchführbar ist; und
das Übertragen von Energie zwischen der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachen von Spannungen in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung weiter umfasst:
das Vergleichen der Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Heizungs-Stromschiene mit Schutzgrenzen der Spannung; und
das Melden einer logischen Steuerung, dass die Spannungsschutzgrenzen erreicht sind.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Leistung zwischen der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung außerdem das Einstellen der Spannung in der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG Heizung umfasst, so dass sie innerhalb der Spannungsschutzgrenzen liegt.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Leistung zwischen der Fahrzeug-Stromschiene, der Batterie-Stromschiene und der Stromschiene der WEG-Heizung ausgeführt wird, während sich das HVEC-Modul in einer Betriebsart mit konstanter Spannung, einer Betriebsart mit konstantem Strom und einer Betriebsart mit konstantem Batteriestrom befindet.
20. Verwendung eines Brennstoffzellen-Energiesystem in Verbindung mit einer Fahrzeug-Hochspannungs-Stromschiene (Fahrzeug- Stromschiene), umfassend:
eine Brennstoffzelle und ein Hochspannungs-Energiewandlermodul (HVEC), die mit der Fahrzeug-Stromschiene elektrisch verbunden werden;
eine Hochspannungs-Stromschiene der Batteriegruppe (Batterie- Stromschiene) und eine Hochspannungs-Stromschiene der WEG- Heizung, die mit dem HVEC-Modul elektrisch verbunden werden;
eine Hochspannungs-Batteriegruppe, die mit der Batterie-Stromschiene elektrisch verbunden wird;
eine Wasser-Ethylen-Glykol-Heizung (WEG), die mit der Stromschiene der WEG-Heizung elektrisch verbunden wird; und
ein logische Regler, der über ein Netz mit dem HVEC-Modul, der Hochspannungs-Batteriegruppe und der Schaltung der WEG-Heizung elektrisch verbunden ist, wobei der logische Regler die Leistung auf die Fahrzeug-Stromschiene, die Batterie-Stromschiene und die Stromschiene der WEG-Heizung regelt.
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