DE112005003104T5

DE112005003104T5 - Hybridbrennstoffzellensystem mit Batterie-Kondensator-Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE112005003104T5
Application number: DE112005003104T
Authority: DE
Inventors: Stephen Raiser
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-10-31
Also published as: US7427450B2; CN101116211A; US20060127704A1; WO2006065364A3; JP2008523558A; JP5199673B2; WO2006065364A2; CN101116211B

Abstract

Brennstoffzellensystem, mit:
einer elektrischen Leistungsbusleitung;
einem Brennstoffzellenstapel, der elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist;
einer Batterie, die elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist; und
einem Kondensator, der elektrisch mit der Leistungsbusleitung in Reihe mit der Batterie gekoppelt ist, wobei der Kondensator eine Spannungsanpassung für große Spannungsschwankungen an der Leistungsbusleitung vorsieht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das ein elektrisches Energiespeichersystem mit Batterie/Kondensator verwendet, das den Bedarf nach einem DC/DC-Wandler beseitigt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasser stoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine Luftströmung, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoff zellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine wiederaufladbare ergänzende Energiequelle zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel verwenden, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator (auch als ein Ultrakondensator oder Doppelschichtkondensator bezeichnet). Die Energiequelle liefert ergänzende Energie für die verschiedenen Fahrzeugzubehörlasten, für den Systemstart und bei Hochleistungsanforderungen, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung vorzusehen. Insbesondere liefert der Brennstoffzellenstapel Leistung für einen Traktionsmotor und andere Fahrzeugsysteme durch eine DC-Spannungsbusleitung für den Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert die ergänzende Leistung für die Spannungsbusleitung während der Zeiten, wenn zusätzliche Leistung über die hinaus erforderlich ist, die der Stapel vorsehen kann, wie bei einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel eine Leistung von 70 kW erzeugen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung 100 kW oder mehr Leistung erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird dazu verwendet, die Batterie zu solchen Zeiten wieder aufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, die Systemleistungsanforderung zu erfüllen. Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor während des regenerativen Bremsens verfügbar ist, wird ebenfalls dazu verwendet, die Batterie durch die DC-Busleitung wieder aufzuladen.
Bei dem oben beschriebenen Hybridfahrzeug ist typischerweise ein bidirektionaler DC/DC-Wandler erforderlich, um die DC-Spannung von der Batterie zu erhöhen und damit die Batteriespannung an die Busleitungsspannung, die von der Stapelspannung bestimmt ist, anzupassen, und die Stapelspannung während des Wiederaufladens der Batterie zu verringern.
Jedoch sind DC/DC-Wandler relativ groß, teuer und schwer, wodurch offensichtliche Nachteile vorgesehen werden. Es ist daher erwünscht, den DC/DC-Wandler von einem Brennstoffzellenfahrzeug, das eine ergänzende Energiequelle aufweist, zu beseitigen.
In der Industrie sind verschiedene Bemühungen unternommen worden, um den DC/DC-Wandler in brennstoffzellenbetriebenen Hybridfahrzeugen zu beseitigen, indem eine Leistungsquelle vorgesehen wird, die in der Lage ist, ein großes Aussteuern der Brennstoffzellenspannung über die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels handzuhaben. Bei einem bekannten System wird ein Ultrakondensator (auch als Superkondensator und als ein Doppelschichtkondensator bezeichnet) als die ergänzende Leistungsquelle verwendet. Jedoch ist der Ultrakondensator in Bezug darauf begrenzt, um wieviel er aufgrund seines niedrigen Energiegehaltes im Vergleich zu der Batterie entladen werden kann. Auch erfordert der Ultrakondensator eine Leistungsvorrichtung, um die Kondensatorspannung beim Systemstart hochzufahren. Bestimmte Typen von Batterien sind ebenfalls dazu verwendet worden, den DC/DC-Wandler in Fahrzeug-Brennstoffzellensystemen zu beseitigen. Jedoch waren diese Systeme durch die Fähigkeit begrenzt, die Batterie über ein bestimmtes Niveau hinaus zu entladen. Mit anderen Worten würden diese Typen von Batterien als Ergebnis großer Spannungsschwankungen an der DC-Busleitung während des Betriebs des Systems beschädigt.
Die U.S. Patentanmeldung Seriennummer (Anwaltsaktenzeichen GP-304895) mit dem Titel "DC/DC-Less Coupling of Matched Batteries to Fuel Cells", die am _____________ eingereicht wurde und auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist, offenbart ein vorgeschlagenes System, das den DC/DC-Wandler in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug beseitigt. Dieses System verwendet eine angepasste Batterie, deren Span nungsabgabe an die DC-Busleitung über ihren gesamten Spannungsbetriebsbereich angepasst ist. Jedoch kann bei dieser Konstruktion das Aussteuern des Batterieladezustands (SOC) im Fahrzeugbetrieb zu einer kurzen Batterielebensdauer für Batterien nach dem derzeitigen Stand der Technik, wie NiMH-Batterien führen. Beispielsweise kann das Aussteuern des Batterie-SOC zwischen 20 % Kapazität bei ihrem niedrigsten Entladepunkt und 80 % Kapazität bei ihrem höchsten Ladepunkt liegen, wodurch ein Aussteuern des SOC von 60 % vorgesehen wird. Wenn die Batterie über ein derart großes Aussteuern des SOC pendelt wird, kann die Lebensdauer der Batterie signifikant reduziert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Superkondensator und eine Batterie verwendet, die elektrisch in Reihe miteinander und parallel zu einem Brennstoffzellenstapel an einer Leistungsbusleitung gekoppelt sind. Bei einer Ausführungsform ist der Leistungs- und Energienennwert des Superkondensators signifikant kleiner als der Leistungs- und Energienennwert der Batterie, während beide für denselben Strom bemessen sind. Wenn sich die Spannung an der Leistungsbusleitung bei Änderung der Stapelspannung während des Betriebs des Systems ändert, wird der Superkondensator über eine relativ große Spannungsschwankung, wie eine SOC-Schwankung von 85 %, geladen und entladen. Der Superkondensator gleicht oder passt die Spannungsvariation an der Leistungsbusleitung, wie durch die Stapelspannung festgelegt ist, an die Spannung der Batterie an. Daher besitzt die Batterie eine relativ kleine SOC-Schwankung, was ihr Pendeln des SOC reduziert und dazu dient, die Batterielebensdauer aufrechtzuerhalten. Das System kann auch eine Diode aufweisen, die elekt risch parallel zu dem Superkondensator geschaltet ist und einen Gegenspannungsschutz für den Kondensator vorsieht.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems für ein Hybridfahrzeug, wobei das System eine Batterie und einen Superkondensator aufweist, die ein elektrisches Energiespeichersystem vorsehen und den Bedarf nach einem DC/DC-Wandler beseitigen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das einen Superkondensator und eine Batterie verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise besitzt das hier beschriebene Brennstoffzellensystem besondere Anwendung für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem andere Anwendungen über Fahrzeuganwendungen hinaus aufweisen.
1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist, der einen Stapel von Brennstoffzellen 20 besitzt, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 liefert elektrische Leistung an eine Hochspan nungsbusleitung, die hier als eine positive Busleitung 16 und eine negative Busleitung 18 gezeigt ist. Bei einem Fahrzeug-Brennstoffzellensystem kann der Brennstoffzellenstapel 12 etwa 400 Zellen 20 umfassen. Bei dieser Anwendung liefert der Brennstoffzellenstapel 12 etwa 280 Volt auf den Busleitungen 16 und 18 bei einer Volllastanforderung und etwa 400 Volt auf den Busleitungen 16 und 18 bei einer Niedriglastanforderung. Dies sieht eine Schwankung von etwa 120 V auf den Busleitungen 16 und 18 vor. Ein Schalter 32 entkoppelt selektiv die positive Busleitung 16 von dem Brennstoffzellenstapel 12, und ein Schalter 34 entkoppelt selektiv die negative Busleitung 18 von dem Brennstoffzellenstapel 12, um den Brennstoffzellenstapel 12 elektrisch von dem System 10 aus Sicherheitsgründen beim Abschalten zu trennen.
Gemäß der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem 10 eine Batterie 14 und einen Ultrakondensator, Doppelschichtkondensator oder einen Superkondensator 30, der elektrisch in Reihe mit den positiven Busleitungen 16 und 18 geschaltet ist. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, wird der Superkondensator 30 über eine relativ große SOC-Spannungsschwankung (120 V) an den Busleitungen 16 und 18 im Betrieb des Systems 10 entladen und geladen und isoliert die Batterie 14 von der Busspannungsschwankung. Die Batterie 14 und der Superkondensator 30 sind kombiniert, um ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS) vorzusehen, das zusätzliche Leistung an die Busleitungen 16 und 18 während derjenigen Zeiten liefert, wenn der Stapel 12 nicht in der Lage ist, die Leistungsanforderung vorzusehen, wie bei einer starken Beschleunigung, und sieht ergänzende Leistung für die verschiedenen Fahrzeugsysteme vor, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 nicht arbeitet. Bei einem Beispiel werden 70 kW Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen, und zusätzliche 30 kW Leistung werden durch die Kombination der Batterie 14 und des Superkondensators 30 vorgesehen.
Die Batterie 14 ist an die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 12 durch geeignete Auswahl des Batterietyps, der Anzahl von Batteriezellen, der Innenimpedanz der Batterie 14 und der Zellengröße, einschließlich Ah-Nennwert und Innenwiderstand, angepasst, sodass die Batterie 14 nicht zu stark geladen oder zu stark entladen wird. Die Batterie 14 kann eine beliebige geeignete wiederaufladbare Batterie für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie eine Lithiumionen-(Li-Ionen)-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-(NiMH)-Batterie und eine Blei-Säure-Batterie. Der Superkondensator 30 ist so angepasst und gewählt, dass er die Spannungsschwankung des Brennstoffzellensystems (Kondensatorspannungsnennwert) handhabt und die Batterie-SOC-Schwankung (Kondensator-Farad-Nennwert) begrenzt.
Ein Schalter 36 entkoppelt selektiv die Batterie 14 und den Superkondensator 30 von der negativen Busleitung 18, und ein Schalter 38 entkoppelt selektiv die Batterie 14 und den Superkondensator 30 von der positiven Busleitung 16, um die Batterie 14 und den Superkondensator 30 von dem System 10 aus Sicherheitsgründen bei der Abschaltung elektrisch zu trennen. Eine optionale Bypassdiode 40, die elektrisch parallel zu dem Superkondensator 30 geschaltet ist, sieht einen Gegenspannungsschutz vor. Insbesondere wenn der obere Anschluss des Kondensators 30 beginnt negativer zu werden, als der untere Anschluss des Kondensators 30, beginnt die Diode 40 dann zu leiten, wodurch ein Strombypass um den Kondensator 30 herum vorgesehen wird.
Eine Sperrdiode 44, die in der positiven Busleitung 16 positioniert ist, verhindert, dass elektrischer Strom zurück in den Brennstoffzellenstapel 12 fließt. Das Brennstoffzellensystem 10 würde verschiedene Sensoren und dergleichen zur Überwachung der Temperatur der Batterie 14 und des Superkondensators 30 und des Ladezustands der Batterie 14 und des Superkondensators 30 aufweisen. Ein Controller 50 steuert die Schalter 32, 34, 36 und 38 wie auch andere Systemvorrichtungen in Übereinstimmung mit der Beschreibung hier.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) 22, das elektrisch mit den Busleitungen 16 und 18 gekoppelt ist, und einen AC- oder DC-Traktionsmotor 24. Das PIM 22 wandelt die DC-Spannung auf den Busleitungen in eine AC-Spannung um, die für den AC-Traktionsmotor 24 geeignet ist. Der Traktionsmotor 24 liefert die Traktionsleistung zum Betrieb des Fahrzeugs, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der Traktionsmotor 24 kann ein beliebiger geeigneter Motor für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie ein AC-Induktionsmotor, ein AC-Permanentmagnetmotor und eine AC-Dreiphasensynchronmaschine. Beim regenerativen Bremsen, wenn der Traktionsmotor 24 als ein Generator arbeitet, wird elektrische AC-Leistung von dem Motor 24 durch das PIM 22 in DC-Leistung umgewandelt, die dann an die Busleitungen 16 und 18 angelegt wird, um die Batterie 14 und den Kondensator 30 wieder aufzuladen. Die Sperrdiode 44 verhindert, dass die regenerative elektrische Energie, die an die Busleitungen 16 und 18 angelegt ist, in den Brennstoffzellenstapel 12 fließt, die ansonsten den Stapel 12 beschädigen könnte.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch ein Leistungsmanagement- und Verteilungs-(PMD)-System 26 auf, das elektrisch mit den Busleitungen 16 und 18 gekoppelt ist und die Hochspannungsleistung an den Busleitungen 16 und 18 in eine niedrigere DC-Spannung oder eine niedrigere AC-Spannung umwandelt, die für Zubehöreinheiten 28, wie Leuchten, Heizer, etc. in dem Fahrzeug geeignet ist.
Der Superkondensator 30 gleicht die Spannungsvariation des Stapels 12 während des Betriebs des Systems 10 dadurch aus, dass eine Spannungsanpassung zwischen dem Stapel 12 und der Batterie 14 vorgesehen wird. Wenn die Fahrzeugsysteme, wie der Traktionsmotor 24, minimale Leistung von den Leistungsbusleitungen 16 und 18 beispielsweise während des Fahrzeugleerlaufs ziehen, ist die Spannung auf den Busleitungen 16 und 18 von der Stapelspannung hoch (400 V). Wenn die Fahrzeugleistungsanforderung zunimmt, nimmt das Spannungspotential auf den Leitungen 16 und 18 ab. Bei den bekannten Systemen passte der DC/DC-Wandler die Spannung der Batterie 14 an die Spannung auf den Busleitungen 16 und 18 an, wenn sich diese geändert hatte, um große SOC-Schwankungen der Batterie 14 zu verhindern. Durch Beseitigung des DC/DC-Wandlers und Bereitstellung des Superkondensators 30, wie oben beschrieben ist, nimmt der Superkondensator 30 die großen Ladezustandsschwankungen auf sich, wodurch die Spannungsanpassung vorgesehen wird und die Batterie 14 von den Spannungsschwankungen isoliert wird. Für einen idealen Kondensator steht der SOC und die Spannung in einer direkten Beziehung, wobei SOC = V_tatsächlich/V_max, und auch die Spannung ist direkt abhängig von der Größe der Ladung, die in dem Kondensator 30 gespeichert ist, als: V = Q/C (Q = Ladung [As], C = Kapazität [F].
Bei einer Ausführungsform beträgt die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie 14 etwa 280 Volt, und die Spannung des Superkondensators 30 beträgt, wenn er vollständig geladen ist, etwa 120 Volt. Daher ist die Kombination der Spannung des Superkondensators 30 und der Batterie 14 etwa gleich der Stapelspannung bei Niedrigleistungsanforderungen, wodurch die Spannungsanpassung vorgesehen wird. Wenn die Leistungsanforderung des Systems 10 zunimmt und die Stapelspannung abnimmt, beginnt sich der Superkondensator 30 zu entladen, wodurch sich seine Spannung reduziert. Die Spannung an der Batterie 14 bleibt etwa gleich abzüglich des Spannungsabfalls über den Batteriewiderstand. Wenn sich die Leistungsanforderung an dem System 10 bei einem Maximum befindet, beträgt die Stapelspannung etwa 280 Volt, und die Spannung an dem Superkondensator 30 geht in einen vollständig entladenen Zustand über. In dieser Situation passt die Stapelspannung die 280 Volt der Batterie 14 an. Die Batterie 14 kann immer noch für den Fahrzeugstart und die Fahrzeugabschaltung verwendet werden, sogar wenn der Kondensator 30 leer ist, indem Strom durch die Diode 40 herumgeleitet wird. Daher nutzt das System 10 die Fähigkeit des Superkondensators 30, eine große Spannung und definierte SOC-Schwankungen vorzusehen, und die große Energiekapazität der Batterie 14.
Bei einer Ausführungsform sieht die Batterie 14 etwa 2/3 der ergänzenden Leistung, die für das System 10 erforderlich ist, vor, und der Superkondensator 30 sieht etwa 1/3 der ergänzenden Leistung vor. Wenn beispielsweise der Stapel 12 70 kW Leistung liefert, kann die Batterie 14 20 kW Leistung liefern und der Superkondensator 30 kann 10 kW Leistung liefern, um die gewünschten 100 kW für das System 10 zu erhalten. Zusätzlich kann die Batterie 14 eine SOC-Schwankung von etwa 20 % aufweisen, und der Kondensator 30 kann eine SOC-Schwankung von etwa 85 % aufweisen. Auch ist der Leistungs- und Energienennwert des Superkondensators signifikant kleiner als der Leistungs- und Energienennwert der Batterie, während beide für denselben Strom bemessen sind.
Es kann ein geeignetes Dioden/Schütz/Widerstandsnetzwerk (nicht gezeigt) in Reihe mit der Batterie 14 und dem Superkondensator 30 vorgesehen werden, um Überladungen oder Überstrom der Batterie 14 und des Kondensators 30 zu vermeiden. Ferner kann die Batterie 14 für den Start und das Abschalten des Systems 10 verwendet werden, sogar wenn der Kondensator 30 leer ist. Geschaltete Widerstände 52 und 54 parallel zu dem Kondensator 30 bzw. der Batterie 14 können dazu verwendet werden, einen Langzeit-SOC-Ausgleich der Batterie 14 oder des Kondensators 30 vorzusehen, sollten die beiden Speichersysteme verschiedene Selbstentladecharakteristiken haben.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem verwendet einen Superkondensator und eine Batterie, die elektrisch in Reihe miteinander und parallel zu einem Brennstoffzellenstapel an einer Leistungsbusleitung gekoppelt sind. Wenn sich die Spannung an der Leistungsbusleitung über die Betriebsanforderungen des Systems hinweg ändert, wird der Superkondensator über eine relativ große Spannungsschwankung, wie eine SOC-Schwankung von 85 %, geladen und entladen. Der Superkondensator gleicht die Spannungsänderung an der Leistungsbusleitung, die durch die Stapelspannung festgelegt ist, an die Spannung der Batterie an oder führt eine Spannungsanpassung der Spannungsänderung an der Leistungsbusleitung, die durch die Stapelspannung festgelegt ist, an die Spannung der Batterie durch. Daher besitzt die Batterie, während sie den Großteil der Energie und Leistung während des Ladens und Entladens vorsieht, eine relativ kleine definierte SOC-Schwankung, die dazu dient, die Batterielebensdauer aufrecht zu erhalten. Das System kann auch eine Diode aufweisen, die elektrisch parallel zu dem Superkondensator gekoppelt ist und einen Gegenspannungsschutz wie auch eine Umgehung für elektrische Leistung vorsieht.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer elektrischen Leistungsbusleitung; einem Brennstoffzellenstapel, der elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist; einer Batterie, die elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist; und einem Kondensator, der elektrisch mit der Leistungsbusleitung in Reihe mit der Batterie gekoppelt ist, wobei der Kondensator eine Spannungsanpassung für große Spannungsschwankungen an der Leistungsbusleitung vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Diode, die elektrisch parallel mit dem Kondensator gekoppelt ist, wobei die Diode einen Gegenspannungsschutz für den Kondensator vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Batterie aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Lithiumbatterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Blei-Säure-Batterien.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Kondensator aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Superkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren und Ultrakondensatoren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Batterie etwa 2/3 einer gewünschten ergänzenden Leistung zusätzlich zu einer Brennstoffzellenstapelleistung liefert und der Kondensator etwa 1/3 der gewünschten ergänzenden Leistung liefert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei der Brennstoffzellenstapel etwa 70 kW Leistung liefert, die Batterie etwa 20 kW Leistung liefert und der Kondensator etwa 10 kW Leistung liefert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Kondensator eine Ladezustandsschwankung von etwa 85 % besitzt und die Batterie eine Ladezustandsschwankung von etwa 20 % besitzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem geschalteten Widerstand, der elektrisch parallel zu dem Kondensator oder der Batterie gekoppelt ist, um einen Langzeit-SOC-Ausgleich des Systems vorzusehen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem AC- oder DC-Traktionsmotorsystem, das elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist, wobei das Motorsystem eine Spannung an der Leistungsbusleitung während einem regene rativen Bremsen zum Wiederaufladen der Batterie und des Kondensators vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem, mit: einer elektrischen Leistungsbusleitung; einem Brennstoffzellenstapel, der mit der Leistungsbusleitung elektrisch gekoppelt ist; einer Batterie, die mit der Leistungsbusleitung parallel zu dem Brennstoffzellenstapel elektrisch gekoppelt ist; und einem Superkondensator, der mit der Leistungsbusleitung in Reihe mit der Batterie und parallel zu dem Brennstoffzellenstapel elektrisch gekoppelt ist, wobei der Kondensator eine Ladezustandsschwankung von etwa 85 % aufweist, um so eine Spannungsanpassung an die Leistungsbusleitung vorzusehen, die durch Änderungen der Stapelspannung bestimmt ist, wobei die Batterie etwa 2/3 einer vorbestimmten ergänzenden Leistung zusätzlich zu einer Brennstoffzellenstapelleistung vorsieht und der Superkondensator etwa 1/3 der vorbestimmten ergänzenden Leistung vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, ferner mit einer Diode, die elektrisch parallel zu dem Superkondensator gekoppelt ist, wobei die Diode einen Gegenspannungsschutz für den Kondensator vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Batterie aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Lithiumbatterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Blei-Säure-Batterien.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, ferner mit einem geschalteten Widerstand, der elektrisch parallel zu dem Kondensator oder der Batterie gekoppelt ist, um einen Langzeit-SOC-Ausgleich des Systems vorzusehen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, ferner mit einem AC- oder DC-Traktionsmotorsystem, das elektrisch mit der Leistungsbusleitung gekoppelt ist, wobei das Motorsystem eine Spannung an der Leistungsbusleitung während einem regenerativen Bremsen zum Wiederaufladen der Batterie und des Superkondensators vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, wobei das System umfasst: eine elektrische Leistungsbusleitung; einen Brennstoffzellenstapel, der mit der Leistungsbusleitung elektrisch gekoppelt ist; eine Batterie, die mit der Leistungsbusleitung elektrisch gekoppelt ist; und einen Superkondensator, der mit der Leistungsbusleitung in Reihe mit der Batterie elektrisch gekoppelt ist, wobei der Superkondensa tor eine Spannungsanpassung für große Spannungsschwankungen an der Leistungsbusleitung vorsieht; und einem AC- oder DC-Traktionsmotorsystem, das elektrisch mit der Leistungsbusleitung zum Betreiben des Fahrzeugs gekoppelt ist, wobei das Motorsystem eine Spannung an der Leistungsbusleitung während einem regenerativen Bremsen zum Wiederaufladen der Batterie und des Superkondensators vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einer Diode, die elektrisch parallel mit dem Kondensator gekoppelt ist, wobei die Diode einen Gegenspannungsschutz für den Kondensator vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei die Batterie aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Lithiumbatterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Blei-Säure-Batterien.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei die Batterie etwa 2/3 einer gewünschten ergänzenden Leistung zusätzlich zu der Brennstoffzellenstapelleistung vorsieht, und der Superkondensator etwa 1/3 der gewünschten ergänzenden Leistung vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, wobei der Brennstoffzellenstapel etwa 70 kW Leistung liefert, die Batterie etwa 20 kW Leistung liefert und der Superkondensator etwa 10 kW Leistung vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei der Superkondensator eine Ladezustandsschwankung von etwa 85 % besitzt und die Batterie eine Ladezustandsschwankung von etwa 20 % besitzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem geschalteten Widerstand, der elektrisch parallel zu dem Kondensator oder der Batterie gekoppelt ist, um einen Langzeit-SOC-Ausgleich des Systems vorzusehen.