DE19810468A1 - Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist - Google Patents

Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist

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DE19810468A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist, wobei während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung elektrische Energie geliefert wird, wobei die elektrische Energie während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung über wenigstens einen DC/DC-Wandler in das Netz eingespeist wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wonach während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung elektrische Energie geliefert wird.
Es ist bereits eine derartige Schaltungsanordnung bekannt (US-Z: Journal of the Electrochemical Society, Vol. 118, No. 5, Mai 1971, Seiten 812-817; K.V. Kordesch: Hydrogen-Air/Lead Battery Hybrid System for Vehicle Propulsion). Danach sind eine Brennstoffzelle und eine Akkumulatoranordnung über eine Diode miteinander verbunden. Aufgrund der Polungsrichtung dieser Diode wird ein Stromfluß von der Akkumulatoranordnung zur Brennstoffzelle verhindert. Dadurch soll das Ausgasen während des Stillstandes der Brennstoffzelle verhindert werden. Zur Erleichterung des Startvorganges soll bei diesem Stand der Technik zum Starten die Spannung der Akkumulatoranordnung an die Brennstoffzelle angelegt werden. Dazu kann die Diode mittels eines Widerstandes kurzgeschlossen werden, wobei dieser Kurzschluß erfolgt, indem ein mit dem Widerstand in Reihe liegender Schalter geschlossen wird. Es fließt dann ein vergleichsweise geringer Strom, der die einzelnen Zellen der Brennstoffzelle in die richtige Polungsrichtung bringt.
In jüngerer Zeit werden Brennstoffzellen als mobile Energieerzeugungssysteme verwendet, wobei zu deren Betrieb ein oder mehrere Hilfsaggregate notwendig sind. Soweit diese Hilfsaggregate elektrisch betrieben werden, werden diese während des Betriebes durch die Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt. Üblicherweise wird ein mobiles Energieerzeugungssystem mit Brennstoffzellen wie beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug nicht kontinuierlich betrieben. Vielmehr sind auch Betriebspausen vorhanden. Das Energieerzeugungssystem muß also nach einer solchen Betriebspause neu gestartet werden. Da zu diesem Zeitpunkt die Energie zum Antrieb der Hilfsaggregate zu diesem Zeitpunkt noch nicht durch die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, werden pro Hilfsaggregat ein oder mehrere zusätzliche Starteraggregate benötigt, die, falls elektrisch angetrieben, mit elektrischer Energie aus einer Batterie versorgt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Startvorgang der Brennstoffzelle zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Energie während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung über wenigstens einen DC/DC-Wandler in das Netz eingespeist wird.
Dadurch kann vorteilhaft die Energieversorgung der Hilfsaggregate bei dem Startvorgang über die Akkumulatoranordnung erfolgen. Es ist nicht mehr notwendig, zusätzliche Starteraggregate vorzusehen, wodurch der Konstruktionsaufwand verringert wird und wodurch auch der Gewichts- und Volumenbedarf des Brennstoffzellensystems verringert wird, was besonders im mobilen Anwendungsbereich von Vorteil ist. Die Hilfsaggregate werden zu Beginn des Startvorganges über die Akkumulatoranordnung in Betrieb gesetzt. Mittels des bzw. der DC/DC-Wandler können ein oder mehrere Starteraggregate ersetzt werden.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 ist während des Betriebes der Brennstoffzelle (Nennbetrieb) der DC/DC-Wandler so geschaltet, daß die Akkumulatoranordnung aus dem Netz mit elektrischer Energie versorgt wird.
Es handelt sich also hier vorteilhaft um einen bidirektionalen DC/DC-Wandler. Vorteilhaft kann der ohnehin zur Ladung der Akkumulatoranordnung benötigte Bordlader zur Ladung der Akkumulatoranordnung ersetzt werden. Gleiche Bauteile wie Transformatoren, Power-MOS-FETs, Kondensatoren usw. können vorteilhaft sowohl für die Ladung der Akkumulatoranordnung als auch für den Startvorgang verwendet werden. Während des Nennbetriebes der Brennstoffzelle wird also die Akkumulatoranordnung über den wenigstens einen DC/DC-Wandler wieder aufgeladen.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 unterscheidet der DC/DC-Wandler automatisch den Nennbetrieb vom Startbetrieb und schaltet entsprechend um.
Dadurch wird der Betrieb der Brennstoffzelle vereinfacht, indem sich der DC/DC-Wandler selbsttätig in den richtigen Zustand einstellt.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 ist der DC/DC-Wandler mittels eines externen Signals zwischen Startbetrieb und Nennbetrieb umschaltbar.
Dieses externe Signal kann beispielsweise von einem Steuergerät ausgegeben werden. Wenn ein Startvorgang stattfindet, kann der DC/DC-Wandler entsprechend so geschaltet werden, daß elektrische Energie über den DC/DC-Wandler von der Akkumulatoranordnung in das Netz eingespeist wird. Im Nennbetrieb der Brennstoffzelle kann der DC/DC-Wandler entsprechend so angesteuert werden, daß elektrische Energie aus dem Netz zu der Akkumulatoranordnung übertragen wird, wodurch die Akkumulatoranordnung aufgeladen wird.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 liefert der DC/DC-Wandler ein Signal, wenn er für den Start- bzw. Nennbetrieb bereit ist.
Dadurch kann der Startvorgang vorteilhaft im richtigen Zeitpunkt beginnen.
Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 lädt der DC/DC-Wandler beim Hochlaufen die Zwischenkreistransformatoren der Hilfsaggregate.
Dadurch wird vorteilhaft eine separate Vorladeschaltung eingespart.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäß eingesetzten Bauteile,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm, das die Schaltstellung und entsprechende Umschaltung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zeigt und
Fig. 3 ein Energieerzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeuges.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird über einen oder mehrere zusätzliche DC/DC-Wandler 101 eine Akkumulatoranordnung 102 an das Brennstoffzellen-DC-Netz 105 angeschlossen. Hierdurch steht schon zu Beginn eines Startvorganges die für den Antrieb der Hilfsaggregate notwendige elektrische Energie zur Verfügung. Zusätzliche Starteraggregate können entfallen. Im Anschluß an den Startvorgang, also im sogenannten Nennbetrieb, wird die Akkumulatoranordnung 102 über den DC/DC-Wandler 101 von der Brennstoffzelle 103 mit elektrischer Energie versorgt, also aufgeladen. Vorteilhaft ist der DC/DC-Wandler 101 für beide Wandlungsrichtungen (bidirektional) ausgelegt. Es kann dann die Energieübertragung sowohl von dem Netz 105 zu der Akkumulatoranordnung 102 erfolgen, wobei dann die Akkumulatoranordnung 102 im Nennbetrieb der Brennstoffzelle 103 aufgeladen wird, oder es kann die Energieübertragung von der Akkumulatoranordnung 102 zu dem Netz 105 erfolgen, wodurch bei einem Startvorgang die Energieversorgung gewährleistet wird. Es ist eine Ausgestaltung möglich, bei der der DC/DC-Wandler 101 den Startvorgang vom Nennbetrieb unterscheiden kann. Dies kann beispielsweise durch die vorliegenden Spannungsverhältnisse erfolgen. Der DC/DC-Wandler 101 kann dann entsprechend der momentanen Anforderung umschalten. Vorteilhaft liefert der DC/DC-Wandler 101 ein Signal, wenn der Umschaltvorgang beendet ist und der DC/DC-Wandler 101 für den Startvorgang bzw. den Nennbetrieb bereit ist. Die Umschaltung des DC/DC-Wandlers 101 wird über ein Steuergerät 106 abgewickelt, das ein Signal zur Umschaltung des DC/DC-Wandler 101 abgeben kann, wenn dieser das Erfordernis des Umschaltvorganges nicht selbst erkennt, und dem das Bereitschaftssignal des DC/DC-Wandlers 101 zugeführt wird, wenn der Umschaltvorgang abgeschlossen ist. Weiterhin sind in Fig. 1 Hilfsaggregate 104 zu sehen. Diese Hilfsaggregate können beispielsweise ein Kompressor zu Förderung des Brennmittels und/oder des Oxydanten sein.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schaltstellung und entsprechende Umschaltung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers 101 darstellt. Zu Beginn eines Startvorganges (Schritt 201) wird entweder durch ein externes Signal eines Steuergerätes oder aber durch ein Erkennen des Startvorganges durch den DC/DC-Wandler 101 in dem Schritt 202 der DC/DC-Wandler in den Startmodus geschaltet.
In dem Schritt 203 wird überprüft, ob der DC/DC-Wandler 101 im Startmodus ist. Ist dies der Fall, erfolgt ein Übergang zu dem Schritt 204, in dem die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandler 101 hochläuft. Dadurch werden dessen interne Kondensatoren und die Zwischenkreiskondensatoren der Hilfsaggregate geladen. Dadurch können vorteilhaft Vorladeschaltungen für die Hilfsaggregate entfallen. Wenn der DC/DC-Wandler zum Abschluß eine bestimmte Ausgangsspannung erreicht hat, liefert der DC/DC-Wandler ein Bereitschaftssignal für den Startmodus. Dieses Bereitschaftssignal kann beispielsweise einem Steuergerät zugeführt werden.
Es erfolgt dann ein Startvorgang, bei dem die Hilfsaggregate durch das Steuergerät gestartet werden. Weiterhin wird die Brennstoffzelle in Betrieb genommen.
In dem Schritt 205 wird überprüft, ob die Brennstoffzellenspannung UBZ die DC/DC-Wandler Ausgangsspannung UDC überschreitet.
Ist dies der Fall, schaltet der DC/DC-Wandler vorteilhaft entsprechend dem Schritt 206 vom Startmodus in den Lademodus um. Die Erkennung der Spannungsverhältnisse kann direkt durch den DC/DC-Wandler erfolgen. Es ist auch möglich, von dem Steuergerät ein Signal an den DC/DC-Wandler auszugeben, um dessen Umschaltung zu bewirken.
In dem Schritt 207 wird überprüft, ob sich der DC/DC-Wandler im Lademodus befindet, d. h. ob er das entsprechende Bereitschaftssignal ausgegeben hat.
Entsprechend dem Schritt 208 befindet sich die Brennstoffzelle dann im Nennbetrieb.
Vorteilhaft liefert der DC/DC-Wandler zusätzlich ein Temperatursignal, das ein digitales Übertemperatursignal oder ein analoges Temperatursignal sein kann.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems eines Brennstoffzellenfahrzeuges.
Einer Brennstoffzelle 1 wird über eine erste Zuleitung 2 ein Brennmittel, beispielsweise Wasserstoff oder Methanol, zugeführt. Über eine zweite Zuleitung 3, in der ein Kompressor 4 angeordnet ist, wird der Brennstoffzelle 1 außerdem ein Oxydant, beispielsweise Umgebungsluft, zugeführt. In der Brennstoffzelle 1 wird der Brennstoff an der Anode oxidiert, das Oxydant wird an der Kathoder reduziert. Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht zwischen den beiden Elektroden eine Spannung. Durch Parallel- beziehungsweise Hintereinanderschaltung vieler solcher Zellen zu einem sogenannten Stack können Spannungen und Stromstarken erreicht werden, die zum Antrieb eines Fahrzeuges ausreichen.
Das Abführen der Luft aus der Brennstoffzelle 1 erfolgt über eine Abströmleitung 12. Zum Antrieb des Fahrzeuges ist eine Antriebseinheit 11 vorgesehen. Das Steuergerät 10 erhält über elektrische Leitungen Informationen über den Oxydant-Massenstrom dm/dt, den Betriebszustand der Antriebseinheit 11 sowie über die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Spannung U und den entsprechenden Strom I.
Zum Antrieb des Kompressors 4 ist ein Elektromotor 5 vorgesehen, der über einen Umrichter mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Umrichter 6 wird durch das Steuergerät 10 angesteuert, wodurch die Drehzahl n des Elektromotors 5 und damit des Kompressors 4 eingestellt wird. Über die Drehzahl n des Kompressors 4 kann der Oxydant-Massenstrom dm/dt und damit die Leistung PBZ der Brennstoffzelle 1 beeinflußt werden. Die neben dem Kompressor 4 weiteren, zum Betrieb der Brennstoffzelle 1 notwendigen Hilfsaggregate 9 werden ebenfalls über den Umrichter 6 oder über eigene Umrichter mit elektrischer Energie versorgt.
Die elektrische Energie wird während des Leerlauf- und Fahrbetriebes des Brennstoffzellensystemes eben durch diese Brennstoffzelle 1 zur Verfügung gestellt, das heißt, das Brennstoffzellensystem versorgt sich selbst mit der nötigen Hilfsenergie.
Zu Beginn des Startvorganges wird diese notwendige Hilfsenergie durch das Brennstoffzellensystem allerdings noch nicht zur Verfügung gestellt. Aus diesem Grund wird die Starterbatterie 8 eingesetzt, die während des Startvorganges über den DC/DC-Wandler 7 und den Umrichter 6 den Elektromotor 5 und die weiteren Hilfsaggregate 9 mit der nötigen Hilfsenergie versorgt. Der DC/DC-Wandler 7 ist notwendig, um das Spannungsniveau der Starterbatterie 8 an das Spannungsniveau der Brennstoffzelle 1 anzugleichen.
In dem an den Startvorgang anschließenden Nennbetrieb des Brennstoffzellensystemes wird die Starterbatterie 8 über den DC/DC-Wandler 7 aus der Brennstoffzelle 1 mit elektrischer Energie versorgt, also aufgeladen. Hierzu wird die Spannung der Brennstoffzelle 1 wiederum im DC/DC-Wandler 7 an das Spannungsniveau der Starterbatterie 8 angeglichen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes (105), das eine Brennstoffzelle (1, 103) sowie eine Akkumulatoranordnung (8, 102) aufweist, wobei während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung (8, 102) elektrische Energie geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie während des Startvorganges von der Akkumulatoranordnung (8, 102) über wenigstens einen DC/DC-Wandler (7, 101) in das Netz eingespeist wird (204).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Brennstoffzelle (1, 103) (Nennbetrieb) der DC/DC-Wandler (7, 101) so geschaltet ist, daß die Akkumulatoranordnung (8, 102) aus dem Netz (105) mit elektrischer Energie versorgt wird (208).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (7, 101) automatisch den Nennbetrieb vom Startbetrieb unterscheidet und entsprechend umschaltet (202).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (7, 101) mittels eines externen Signals zwischen Startbetrieb und Nennbetrieb umschaltbar ist (202).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (7, 101) ein Signal liefert, wenn er für den Start- bzw. Nennbetrieb bereit ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (7, 101) beim Hochlaufen die Zwischenkreiskondensatoren der Hilfsaggregate (4, 104) lädt.
DE19810468A 1998-03-11 1998-03-11 Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist Withdrawn DE19810468A1 (de)

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