DE19810467C1 - Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellen-Fahrzeuge - Google Patents
Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellen-FahrzeugeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Hybridantrieb für ein Elektro-Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, einem Energiespeicher, einem Elektro-Fahrmotor und elektrischen Nebenverbrauchern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwei separate, mit Schaltvorrichtungen versehene Stromkreise zur wahlweisen Verbindung des Elektrofahrmotors und der elektrischen Nebenverbraucher mit der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher und eine schaltbare Verbindungsleitung zwischen der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher vorzusehen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridantrieb für ein Elektro-
Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einem Energiespeicher
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der US 5,334,463 A1 ist ein gattungsgemäßer Hybridantrieb,
bestehend aus einer Brennstoffzelle, einer Batterie, einem
Elektro-Fahrmotor und elektrischen Nebenverbrauchern bekannt,
wobei die Brennstoffzelle und die Batterie über einen
gemeinsamen Stromkreis parallel mit dem Elektro-Fahrmotor und
den elektrischen Nebenverbrauchern verbunden sind. Bei einer
ausreichenden Spannungslage kann die Batterie durch die
Brennstoffzelle aufgeladen werden.
Nachteilig bei diesem System sind die unerwünschten Verluste
durch die Anordnung eines DC/DC-Wandlers zwischen Brennstoff
zelle und Elektro-Fahrmotor.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Hybridantrieb für
Elektro-Fahrzeuge mit verbesserten Fahrleistungen zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Hybridantrieb weist den Vorteil auf, daß er
eine variable Ansteuerung erlaubt, wodurch insbesondere die
maximale Fahrleistung verbessert wird. Beim ersten Ausführungs
beispiel können die Nebenverbraucher bei Vollast durch den
Energiespeicher versorgt werden. Dadurch steht immerhin die
maximale Brennstoffzellenleistung für den Fahrzeugantrieb zur
Verfügung. Darüber hinaus kann bei allen anderen Ausführungs
beispielen der Elektro-Fahrmotor trotz des Verzichts auf einen
DC/DC-Wandler zwischen Brennstoffzelle und Elektro-Fahrmotor bei
Vollast durch die Brennstoffzelle und den Energiespeicher
angetrieben werden, so daß sich die maximale Fahrleistung als
Summe von Brennstoffzellen- und Energiespeicherleistung ergibt.
Weiterhin können im Bremsbetrieb die elektrischen Nebenver
braucher durch die Brennstoffzelle versorgt werden, so daß ein
Laden des Energiespeichers auch bei geringen Bremsleistungen,
also auch unterhalb des Leistungsbedarfs der elektrischen
Nebenverbraucher, möglich ist.
Durch die Verwendung eines DC/DC-Wandlers in der Verbindungs
leitung zwischen den beiden Stromkreisen ist auch bei Fahrzeug
stillstand ein Laden des Energiespeichers unabhängig von der
Spannungslage beziehungsweise dem Lastzustand der Brennstoff
zelle möglich. Außerdem ist auch während der Fahrt das Laden und
Entladen des Energiespeichers unabhängig von der Spannungslage
beziehungsweise dem Lastzustand der Brennstoffzelle möglich.
Dennoch entstehen unerwünschte Verluste durch den DC/DC-Wandler
lediglich beim Laden des Energiespeichers beziehungsweise beim
Betrieb des Elektro-Fahrmotors durch den Energiespeicher. Da die
Brennstoffzelle ohne Zwischenschaltung eines DC/DC-Wandlers mit
dem Elektro-Fahrmotor verbunden ist, entstehen beim Betrieb des
Elektro-Fahrmotors durch die Brennstoffzelle keine solchen
Verluste.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist
nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Hybridantriebs mit zwei
Stromkreisen,
Fig. 2 den Hybridantrieb aus Fig. 1 mit einem DC/DC-Wandler
zwischen Brennstoffzelle und Energiespeicher,
Fig. 3 den Hybridantrieb aus Fig. 1 mit einem zweiten
Elektrofahrmotor, und
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Hybridantriebs mit
einem DC/DC-Wandler zeigt.
Der in Fig. 1 dargestellte Hybridantrieb enthält eine Brenn
stoffzelle 1, einen Energiespeicher 2, einen Elektro-Fahrmotor 3
und insgesamt mit 4 bezeichnete elektrische Nebenverbraucher.
Bei der Brennstoffzelle 1 handelt es sich um eine beliebige
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch
chemische Umwandlung eines beliebigen Kraftstoffes. Solche
Brennstoffzellen für Fahrzeuganwendungen, beispielsweise
Brennstoffzellen mit Proton-Exchange-Membran, sind dem Fachmann
bekannt und werden daher im folgenden nicht näher erläutert.
Bei dem Energiespeicher 2 handelt es sich vorzugsweise um eine
Batterie zur Speicherung elektrischer Energie. Es können jedoch
auch andere Energiespeicher, beispielsweise Kondensatoren oder
Schwungradspeicher, zum Einsatz kommen. Als Elekto-Fahrmotor 3
können beliebige Elektromotoren, beispielsweise Asynchron- oder
Reluktanzmotoren, eingesetzt werden. Der Elektro-Fahrmotor 3
sollte vorzugsweise auch als Generator betrieben werden können.
Der Begriff elektrische Nebenverbraucher 4 umfaßt alle
elektrischen Verbraucher einschließlich Bordnetz, die nicht
direkt zum Fahrzeugantrieb dienen.
Zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 3, 4 sind zwei
separate Stromkreise 5a, 5b vorgesehen. Der erste Stromkreis 5a
enthält eine mit einer Schaltvorrichtung S6 versehene Leitung 7
zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Elektro-Fahrmotor 3,
sowie eine Leitung 8, die zwischen der Brennstoffzelle 1 und der
Schaltvorrichtung S6 von der Leitung 7 abzweigt. Der zweite
Stromkreis 5b enthält eine weitere, mit einer Schaltvorrichtung
S9 versehene und mit dem Energiespeicher 2 verbunde Leitung 10.
Die Leitungen 8, 10 können wahlweise über eine Umschaltvor
richtung S11 mit den elektrischen Nebenverbrauchern 4 verbunden
werden. Zusätzlich ist im zweiten Stromkreis 5b eine mit einer
weiteren Schaltvorrichtung S12 versehenen Leitung 13 vorgesehen,
die zwischen der Schaltvorrichtung S9 und der Umschaltvor
richtung S11 von der Leitung 10 abzweigt und den zweiten Strom
kreis 5b mit dem ersten Stromkreis 5a zwischen der Schalt
vorrichtung S6 und dem Elektro-Fahrmotor 3 verbindet.
Zur Steuerung der Schaltvorrichtungen S6, S9, S11, S12 ist
außerdem ein Steuergerät 14 vorgesehen, das als Eingangsdaten
eine Vielzahl von Informationen über den Betriebszustand des
Fahrzeugs erhält. Hierbei handelt es sich beispielsweise um
Informationen über die Spannungslage oder den Lastzustand der
Brennstoffzelle 1, die Drehzahl des Elektro-Fahrmotors 3, den
Energiebedarf der elektrischen Nebenverbraucher 4, die
Spannungslage oder den Ladezustand des Energiespeichers 2, ein
Signal zur Erkennung eines Bremsvorgangs oder die Brennstoff
zellen- beziehungsweise Energiespeichertemperatur. Aus diesen
und gegebenenfalls weiteren Informationen ermittelt das
Steuergerät 14 den Betriebszustand des Fahrzeugs. Eine Auswahl
möglicher Betriebszustände (BZ = Brennstoffzelle 1, NV = Neben
verbraucher 4, Speicher = Energiespeicher 2) mit zugehörigen
Schalterstellungen für den Hybridantrieb gemäß Fig. 1 ist in
Tabelle 1 dargestellt.
Im Fahrbetrieb können drei Zustände unterschieden werden, wobei
bei kleiner und mittlerer Last sowohl der Elektro-Fahrmotor 3
als auch die elektrischen Nebenverbraucher 4 über den ersten
Stromkreis 5a mit der Brennstoffzelle 1 verbunden sind. In
diesem Fall (siehe Zustand ) ist die Schaltvorrichtung S6
geschlossen, über die Umschaltvorrichtung S11 und die Leitung 8
sind die elektrischen Nebenverbraucher 4 mit der Brennstoffzelle
1 verbunden. Die Schaltvorrichtung S12 ist geöffnet, so daß
Elektro-Fahrmotor 3, Brennstoffzelle 1 und elektrische
Nebenverbraucher 4 vom Energiespeicher 2 getrennt sind. Die
Stellung der Schaltvorrichtung S9 ist beliebig. Die Schalt
vorrichtung S9 kann zusätzlich als Trennschalter verwendet
werden, um den Energiespeicher 2 in kritischen Betriebszuständen
vom Stromnetz zu trennen.
Bei Vollast (siehe Zustand ) ist die Schaltvorrichtung S6
ebenfalls geschlossen, so daß die Brennstoffzelle 1 über die
Leitung 7 mit dem Elektrofahrmotor 3 verbunden ist. Im Gegensatz
zum ersten Fall sind die elektrischen Nebenverbraucher 4 aber
nicht über die Leitung 8 mit der Brennstoffzelle 1, sondern über
die Umschaltvorrichtung S11, die Leitung 10 und die geschlossene
Schaltvorrichtung S9 mit dem Energiespeicher 2 verbunden. Die
Schaltvorrichtung S12 ist geöffnet, so daß die Stromkreise 5a,
5b voneinander getrennt sind. Dieser Zustand weist den Vorteil
auf, daß die Brennstoffzelle 1 nicht durch die elektrischen
Nebenverbraucher 4 belastet ist. Vielmehr steht die gesamte
Brennstoffzellenleistung für den Elektro-Fahrmotor 3 zur
Verfügung. Die Versorgung der elektrischen Nebenverbraucher 4
übernimmt der Energiespeicher 2. Somit wird bei dieser Anordnung
die maximale Fahrleistung bei gegebener Brennstoffzellenleistung
um die nicht benötigte Leistung der elektrischen Nebenver
braucher 4 erhöht.
Ein weiterer möglicher Fahrzustand, beispielsweise beim Fahr
zeugstart oder bei sehr kleiner Last, beschreibt Zustand . In
diesem Fall werden sowohl der Elektro-Fahrmotor 3 als auch die
elektrischen Nebenverbraucher 4 vom Energiespeicher 2 mit
Spannung versorgt. Im Gegensatz zum Zustand ist hier lediglich
die Schaltvorrichtung S6 geöffnet und die Schaltvorrichtung S12
geschlossen. Dieser Zustand ist vorteilhaft, solange die Brenn
stoffzelle 1 noch nicht betriebsbereit oder auch zur Wirkungs
gradverbesserung ausgeschaltet ist.
Im Bremsbetrieb können vier Betriebszustände unterschieden
werden. Um im Bremsbetrieb Energie zurückgewinnen zu können, muß
der Elektro-Fahrmotor 3 auch als Generator betrieben werden
können. Im folgenden wird jedoch auch eine Elektro-Fahrmotor/-
Generatoreinheit immer nur als Elektro-Fahrmotor 3 bezeichnet.
Im Zustand sind die elektrischen Nebenverbraucher 4 über die
Umschaltvorrichtung S11 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Die
Schaltvorrichtungen S6 und S12 sind geöffnet, die Stellung der
Schaltvorrichtung S9 ist beliebig. In diesem Zustand wird die
Bremsenergie nicht verwertet. Um bereits bei geringen Brems
leistungen, das heißt unterhalb des Leistungsbedarfs der
elektrischen Nebenverbraucher 4, den Energiespeicher 2 zu laden,
kann in den Zustand übergegangen werden. Hierzu werden die
Schaltvorrichtungen S9 und S12 geschlossen, so daß die
elektrischen Nebenverbraucher 4 zwar weiterhin mit der Brenn
stoffzelle 1, der Elektro-Fahrmotor 3 aber zusätzlich über den
zweiten Stromkreis 5b mit dem Energiespeicher 2 verbunden ist.
Im Zustand , vorzugsweise bei einem starken Bremsvorgang, kann
der Energiespeicher 2 bei geschlossenen Schaltvorrichtungen S9
und S12 über den zweiten Stromkreis 5b durch den Elektro-Fahr
motor 3 aufgeladen werden. Gleichzeitig sind die elektrischen
Nebenverbraucher 4 über die Umschaltvorrichtung S11 mit dem
Elektro-Fahrmotor 3 beziehungsweise dem Energiespeicher 2 ver
bunden. Die Schaltvorrichtung S6 ist geöffnet, so daß die Brenn
stoffzelle 1 vollständig vom zweiten Stromkreis 5b abgekoppelt
ist. Im Zustand sind schließlich die Schaltvorrichtungen S6
und S9 geöffnet, so daß sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch
der Energiespeicher 2 vom Stromnetz abgekoppelt sind. Die
elektrischen Nebenverbraucher 4 werden über die Umschaltvor
richtung S11 und die Schaltvorrichtung S12 direkt mit dem
Elektro-Fahrmotor 3 verbunden.
Im Stillstand können die elektrischen Nebenverbraucher 4
schließlich mit der Brennstoffzelle 1 (Zustand ) oder mit dem
Energiespeicher 2 (Zustand ) verbunden werden. Im Zustand ist
die Brennstoffzelle 1 über die Umschaltvorrichtung S11 und die
Leitung 8 mit den elektrischen Nebenverbrauchern 4 verbunden.
Die Schaltvorrichtungen S6 und S12 sind geöffnet, die Stellung
der Schaltvorrichtung S9 ist beliebig. Soll die Brennstoffzelle
1 im Stillstand des Fahrzeugs abgeschaltet werden, so werden die
elektrischen Nebenverbraucher 4 über die Umschaltvorrichtung
S11, die Leitung 10 und der Schaltvorrichtung S9 mit dem
Energiespeicher 2 verbunden (Zustand ). Da die Brennstoffzelle
1 und der Elektro-Fahrmotor 3 außer Betrieb sind, sind die
Schaltvorrichtungen S6 und S12 vorzugsweise geöffnet.
Wie der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist können durch
die Anordnung mit zwei separaten Stromkreisen 5a, 5b variable
Schaltzustände verwirklicht werden, wobei bei geeigneter
Schalterstellung gleichzeitig zwei unabhängige Stromkreise 5a,
5b mit unterschiedlichen Spannungsniveaus betrieben werden
können. Hierbei kann die Brennstoffzelle 1 jeweils mit Elektro-
Fahrmotor 3 und/oder den elektrischen Nebenverbrauchern 4
verbunden werden. Daselbe gilt für den Energiespeicher 2.
Zusätzlich können auch noch die Brennstoffzelle 1 und der
Energiespeicher 2, beispielsweise für einen Ladevorgang,
miteinander verbunden werden.
Eine Abwandlung des Hybridantriebs aus Fig. 1 zeigt Fig. 2,
wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
sind. Gegenüber Fig. 1 ist in der Leitung 13 zusätzlich ein
DC/DC-Wandler 15 vorgesehen. Die Verwendung eines solchen DC/DC-
Wandlers 15 weist den Vorteil auf, daß ein Laden beziehungsweise
Entladen des Energiespeichers 2 (Zustand a oder a, siehe
unten) unabhängig von der Spannungslage und des Lastzustandes
der Brennstoffzelle 1 möglich ist, da die Spannungslagen der
beiden Stromkreise 5a, 5b durch den DC/DC-Wandler 15 aufeinander
abgestimmt werden können. So ist es auch möglich, im Stillstand
den Energiespeicher 2 über die Brennstoffzelle 1 aufzuladen
(Zustand a, siehe unten).
Die Verwendung eines DC/DC-Wandlers 15 bedeutet natürlich einen
Wirkungsgradverlust. Da der DC/DC-Wandler 15 aber zwischen
Brennstoffzelle 1 und Energiespeicher 2, nicht aber zwischen
Brennstoffzelle 1 und Elektro-Fahrmotor 3 angeordnet ist, treten
diese Wandlerverluste nur beim Laden des Energiespeichers 2 auf,
nicht aber beim Fahren mit der Brennstoffzelle 1. Der große Vor
teil dieser Anordnung liegt aber darin, daß bei jedem Last
zustand die Einzellast von Brennstoffzelle 1 und vom Energie
speicher 2 unabhängig voneinander innerhalb der physikalischen
Grenzen regeln läßt. Außerdem berechnet sich bei Vollast die
maximale Fahrleistung aus der Summe der Leistungen von Brenn
stoffzelle 1 und Energiespeicher 2. In diesem Zustand a sind
die Schaltvorrichtungen S6, S9 und S12 geschlossen, so daß
sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der Energiespeicher 2 mit
dem Elektro-Fahrmotor 3 verbunden sind. Die Stellung der Um
schaltvorrichtung S11 ist beliebig. Mit Hilfe des DC/DC-Wandlers
15 kann die Spannungslage des zweiten Stromkreises 5b an die
Spannungslage des ersten Stromkreises 5a angepaßt werden, so daß
die unterschiedlichen Spannungsniveaus von Brennstoffzelle 1 und
Energiespeicher 2 kein Problem darstellen.
Im Zustand a sind ebenfalls die Schaltvorrichtungen S6, S9 und
S12 geschlossen, so daß sowohl der Elektro-Fahrmotor 3 als auch
der Energiespeicher 2 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden sind.
Die Stellung der Umschaltvorrichtung S11 ist wiederum beliebig.
Allerdings wird der DC/DC-Wandler 15 nun so betrieben, daß nicht
Strom vom Energiespeicher 2 zum Elektro-Fahrmotor 3, sondern von
der Brennstoffzelle 1 zum Energiespeicher 2 fließt. Diese
Schalterstellungen entsprechen außerdem genau dem Zustand a
während des Stillstandes des Fahrzeugs. Die Schaltvorrichtung
S12 ist bei dieser Anordnung nicht zwingend erforderlich und
kann gegebenenfalls auch entfallen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hybridantriebs zeigt Fig.
3, wobei wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Fahrzeugantrieb aus
zwei Elektro-Fahrmotoren 3, 3'. Diese sind in der Zeichnung auf
einer gemeinsamen Antriebswelle 17 angeordnet und können
gegebenenfalls auch in einem gemeinsamen Gehäuse integriert
werden. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehr Elektro-
Fahrmotoren 3, 3' mit jeweils separaten Antriebswellen 17
vorzusehen. Unabhängig davon können gleiche oder unterschied
liche Elektromaschinen, beispielsweise Reluktanz- oder
Asynchronmotoren, kombiniert werden. Die Steuerung der Elektro-
Fahrmotoren 3, 3' erfolgt lastabhängig. Bei niedrigen Momenten,
vorzugsweise bis 50% des Maximalmomentes erfolgt der Antrieb nur
über einen der Elektro-Fahrmotoren 3, 3'. Der jeweils andere
Elektro-Fahrmotor 3, 3' läuft ohne Last permanent mit. Bei
höheren Momenten werden beide Elektro-Fahrmotoren 3, 3'
eingesetzt, wobei die Momentverteilung auf die beiden Elektro-
Fahrmotoren 3, 3' beispielsweise über das Steuergerät 14
erfolgen kann.
Im Unterschied zu den Fig. 1 und 2 ist die Schaltvorrichtung S12
nicht als Ein/Ausschalter, sondern als Umschaltvorrichtung
ausgeführt. Außerdem ist eine weitere Leitung 16 zwischen der
Umschaltvorrichtung S12 und dem zweiten Elektro-Fahrmotor 3'
vorgesehen. Mit Hilfe der Umschaltvorrichtung S12 kann der
zweite Elektro-Fahrmotor 3' wahlweise mit dem Energiespeicher 2
oder der Brennstoffzelle 1 verbunden werden. Somit kann bei
Vollast der erste Elektro-Fahrmotor 3 mit der Brennstoffzelle 1,
der zweite Elektro-Fahrmotor 3' jedoch mit dem Energiespeicher 2
verbunden werden. Somit steht als maximale Fahrleistung wiederum
die Summe der Leistungen von Brennstoffzelle 1 und Energie
speicher 2 zur Verfügung. Im Gegensatz zu Fig. 2 müssen hier
aber beim Laden des Energiespeichers 2 nicht die Wandlerverluste
in Kauf genommen werden. Während der Fahrt wird hierzu (Zustand
a) der erste Elektro-Fahrmotor 3 mit Hilfe der Brennstoffzelle
1 angetrieben, während der zweite Elektro-Fahrmotor 3' im
Generatorbetrieb den Energiespeicher 2 lädt. Allerdings ist mit
dieser Anordnung ohne Kupplung im Antriebsstrang ein Laden des
Energiespeichers 2 im Stillstand (Zustand a in Tabelle 2) nicht
möglich.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Hybridantrieb mit
einem DC/DC-Wandler zeigt Fig. 4, wobei wiederum gleiche Teile
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Brennstoff
zelle 1 ist wiederum über eine Leitung 7, in der eine Schaltvor
richtung S6 vorgesehen ist, mit dem Elektro-Fahrmotor 3 ver
bunden. Außerdem ist der Energiespeicher 2 über eine Leitung 10,
in der eine Schaltvorrichtung S9 vorgesehen ist, mit den
elektrischen Nebenverbrauchern 4 verbunden. Weiterhin zweigen
zwischen der Schaltvorrichtung S9 und den elektrischen
Nebenverbrauchern 4 zwei Leitungen 8, 13 von der Leitung 10 ab,
die über eine Umschaltvorrichtung S11 wahlweise mit der Leitung
7 zwischen der Schaltvorrichtung S6 und dem Elektro-Fahrmotor 3
verbindbar sind. In der Leitung 13 ist außerdem ein DC/DC-
Wandler 15 vorgesehen.
Im Fahrbetrieb sind wiederum mehrere Schaltzustände vorgesehen.
Im Zustand ist die Schaltvorrichtung S9 geöffnet, so daß der
Energiespeicher von den Stromkreisen 5a, 5b abgekoppelt ist. Die
Schaltvorrichtung S6 ist geschlossen, so daß der Elektro-Fahr
motor 3 mit Hilfe der Brennstoffzelle 1 angetrieben wird. Auch
die elektrischen Nebenverbraucher 4 werden von der Brennstoff
zelle 1 versorgt, wobei die Umschaltvorrichtung S11 vorzugsweise
in Stellung 0 ist, das heißt ohne Zwischenschaltung des DC/DC-
Wandlers 15. Dadurch können unnötige Wandlerverluste vermieden
werden.
Im Zustand ist die Schaltvorrichtung S6 geöffnet, so daß die
Brennstoffzelle 1 von den Stromkreisen 5a, 5b abgekoppelt ist.
Die Schaltvorrichtung S9 ist geschlossen, so daß der Elektro-
Fahrmotor 3 mit Hilfe des Energiespeichers 2 angetrieben wird.
Auch die elektrischen Nebenverbraucher 4 werden vom Energie
speicher 2 versorgt. Die Umschaltvorrichtung S11 ist vorzugs
weise in Stellung 1, so daß mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 15 die
für den Elektro-Fahrmotor 3 benötigte Spannung unabhängig von
der Spannungslage des Energiespeichers 2 eingestellt werden
kann. In den anderen Fahrzuständen 2, 2a, 3a sind die Schalt
vorrichtungen S6 und S9 jeweils geschlossen, so daß sowohl die
Brennstoffzelle 1 als auch der Energiespeicher 2 mit den
Stromkreisen 5a, 5b verbunden sind. Die Umschaltvorrichtung S11
ist in Stellung 1, so daß die beiden Stromkreise 5a, 5b über die
Leitung 13 und den darin angeordneten DC/DC-Wandler 15 verbunden
sind. Von der Ansteuerung des DC/DC-Wandlers 15, die wie in den
anderen Ausführungsbeispielen auch vorzugsweise durch das
Steuergerät 14 erfolgt, hängt es ab, ob der Energiespeicher 2
während der Fahrt von der Brennstoffzelle 1 aufgeladen wird
(Zustand a), ob der Elektro-Fahrmotor 3 beziehungsweise die
elektrischen Nebenverbraucher 4 von der Brennstoffzelle 1
beziehungsweise vom Energiespeicher 2 versorgt werden (Zustand
), oder ob bei Vollast der Elektro-Fahrmotor 3 sowohl von der
Brennstoffzelle 1 als auch vom Energiespeicher 2 versorgt wird
(Zustand a) und somit die maximale Fahrleistung wiederum von
der Summe der Energieinhalte von Brennstoffzelle 1 und Energie
speicher 2 bestimmt ist. Außerdem ist durch den DC/DC-Wandler 15
wiederum das Laden/Entladen des Energiespeichers 2 während der
Fahrt unabhängig von der Spannungslage beziehungsweise vom Last
zustand der Brennstoffzelle 1 möglich.
Beim Bremsen können die elektrischen Nebenverbraucher 4 von der
Brennstoffzelle 1 (Zustand ) versorgt werden, wobei dann die
Schaltvorrichtung S6 geschlossen und die Schaltvorrichtung S9
geöffnet ist. Die Umschaltvorrichtung S11 ist in Stellung 0, so
daß der DC/DC-Wandler 15 abgekoppelt ist. Soll zusätzlich der
Energiespeicher aufgeladen werden (Zustand ), so wird die
Umschaltvorrichtung S11 in Stellung 1 gebracht und die Schalt
vorrichtung S9 geschlossen. Durch den jetzt zwischengeschalteten
DC/DC-Wanlder 15 kann die Spannungslage auf das für einen Lade
vorgang notwendige Niveau eingestellt werden.
Durch Öffnen der Schaltvorrichtung S6 kann die Brennstoffzelle 1
abgekoppelt werden. Gleichzeitig wird dann die Schaltvorrichtung
S9 geschlossen und die Umschaltvorrichtung S11 in Stellung 0
gebracht, so daß auch der DC/DC-Wandler 15 abgekoppelt ist. In
diesem Zustand werden die elektrischen Nebenverbraucher 4 vom
Energiespeicher 2 versorgt. Gleichzeitig kann der Energie
speicher 2 ohne Wandlerverluste aufgeladen werden. Im Zustand
sind schließlich die Schaltvorrichtungen S6 und S9 geöffnet, so
daß sowohl die Brennstoffzelle 1 als auch der Energiespeicher 2
von den Stromkreisen 5a, 5b abgekoppelt sind. Die Umschaltvor
richtung S11 ist in Stellung 0, so daß die elektrischen Neben
verbraucher 4 ohne Zwischenschaltung des DC/DC-Wandlers 15
direkt vom Elektro-Fahrmotor 3 mit Strom versorgt werden.
Im Stillstand können die elektrischen Nebenverbraucher 4
schließlich entweder von der Brennstoffzelle 1 (Zustand ) oder
vom Energiespeicher 2 (Zustand ) versorgt werden, wobei ent
weder die Schaltvorrichtung S6 (Zustand ) oder die Schalt
vorrichtung S9 (Zustand ) geschlossen ist. Die Umschaltvor
richtung S11 ist wiederum in Stellung 0, so daß der DC/DC-
Wandler 15 abgekoppelt ist. Soll bei Stillstand zusätzlich der
Energiespeicher 2 aufgeladen werden (Zustand a), so werden die
Schaltvorrichtung S6, S9 geschlossen und zusätzlich die
Umschaltvorrichtung S11 in Stellung 1 gebracht. Somit ist der
Energiespeicher 2 wiederum über den DC/DC-Wanlder 15 mit der
Brennstoffzelle 1 verbunden, so daß durch Ansteuerung des DC/DC-
Wandlers 15 die Spannungslage auf ein für den Ladevorgang
notwendiges Niveau eingestellt werden kann.
Die anhand der Ausführungsbeispiele und Tabellen beschriebenen
Schaltzustände stellen keine abschließende Aufzählung dar. Es
sind auch andere Schaltzustände möglich.
Claims (8)
1. Hybridantrieb für ein Elektro-Fahrzeug mit einer
Brennstoffzelle, einem Energiespeicher, einem Elektro-Fahrmotor,
elektrischen Nebenverbrauchern und einem Stromkreis zur
Versorgung des Elektro-Fahrmotors und der elektrischen
Nebenverbraucher mit elektrischer Energie,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß zwei unabhängige Stromkreise (5a, 5b) vorgesehen sind,
- 2. daß der erste Stromkreis (5a) die Brennstoffzelle (1), den Elektro-Fahrmotor (3) und die elektrischen Nebenverbraucher (4) umfaßt, wobei der Elektrofahrmotor (3) und/oder die elektrischen Nebenverbraucher (4) jeweils über eine Leitung (erste Leitung (7) und zweite Leitung (8)) mit je einer darin angeordneten Schaltvorrichtung (erste Schaltvorrichtung (S6) und zweite Schaltvorrichtung (S11)) mit der Brennstoffzelle (1) verbindbar sind,
- 3. daß der zweite Stromkreis (5b) den Energiespeicher (2), den Elektro-Fahrmotor (3) und die elektrischen Nebenverbraucher (4) umfaßt, wobei der Elektrofahrmotor (3) und/oder die elektrischen Nebenverbraucher (4) jeweils über eine Leitung (dritte Leitung (13) und vierte Leitung (10)) mit je einer darin angeordneten Schaltvorrichtung (dritte Schaltvorrichtung (S12) und/oder zweite Schaltvorrichtung (S11)) mit dem Energiespeicher (2) verbindbar sind,
- 4. daß eine schaltbare Verbindungsleitung (erste Leitung (7) und dritte Leitung (13)) zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem Energiespeicher (2) vorgesehen ist,
- 5. und daß eine Vorrichtung (14) zur Steuerung der Schaltvor richtungen (S6, S11, S12) in Abhängigkeit von Betriebs parametern vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Leitung (8) zwischen der Brennstoffzelle (1) und
der ersten Schaltvorrichtung (S6) von der ersten Leitung (7)
abzweigt, daß in der vierten Leitung (10) eine vierte Schaltvor
richtung (S9) vorgesehen ist und daß die dritte Leitung (13), in
der die dritte Schaltvorrichtung (S12) vorgesehen ist, den
zweiten Stromkreis (5b) zwischen der vierten Schaltvorrichtung
(S9) und den elektrischen Nebenverbrauchern (4) mit dem ersten
Stromkreis (5a) zwischen der ersten Schalteinrichtung (S6) und
dem Elektro-Fahrmotor (3) verbindet, und daß die elektrischen
Nebenverbraucher (4) über die als Umschaltvorrichtung
ausgeführte zweite Schaltvorrichtung (S11) wahlweise mit der
zweiten Leitung (8) oder der vierten Leitung (10) verbindbar
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der dritten Leitung (13) zwischen der dritten Schaltvor
richtung (S12) und dem Energiespeicher (2) ein DC/DC-Wandler
(15) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Elektro-Fahrmotor (3')und eine fünfte Leitung
(16) zwischen dem zweiten Elektro-Fahrmotor (3') und der als
Umschalter ausgeführten dritten Schaltvorrichtung (S12) derart
vorgesehen ist, daß der zweite Elektro-Fahrmotor (3') wahlweise
mit dem ersten oder zweiten Stromkreis (5a, 5b) verbindbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Energiespeicher (2) und den elektrischen
Nebenverbrauchern (4) in der vierten Leitung (10) eine vierte
Schaltvorrichtung (S9) angeordnet ist, daß zwischen der vierten
Schaltvorrichtung (S9) und den elektrischen Nebenverbrauchern
(4) die zweite Leitung (8) und die, mit einem DC/DC-Wandler (15)
versehene dritte Leitung (13) von der vierten Leitung (10)
abzweigen, wobei die erste Leitung (7) über die als Umschalt
vorrichtung ausgeführte zweite Schaltvorrichtung (S11) wahlweise
mit der zweiten Leitung (8) oder mit der dritten Leitung (13)
verbindbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Energiespeicher (2) eine Batterie ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Elektro-Fahrmotor (3) als Generator betreibbar
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Elektro-Fahrmotor (3') als Generator betreibbar
ist.
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