EP1559157A2 - Verfahren zum betreiben eines elektrisch angetriebenen kraftfahrzeugs und zugehörige vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines elektrisch angetriebenen kraftfahrzeugs und zugehörige vorrichtung

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EP1559157A2
EP1559157A2 EP03717235A EP03717235A EP1559157A2 EP 1559157 A2 EP1559157 A2 EP 1559157A2 EP 03717235 A EP03717235 A EP 03717235A EP 03717235 A EP03717235 A EP 03717235A EP 1559157 A2 EP1559157 A2 EP 1559157A2
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EP
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current
voltage supply
supply unit
unit
temperature
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Withdrawn
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EP03717235A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Georgii
Axel Krause
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrically driven motor vehicle and a device therefor.
  • a gaseous fuel usually hydrogen
  • an oxygen-rich gas is often still present in the fuel cell unit or in the supply lines, and electrical energy is generated which is no longer used. If the fuel cell unit remains exposed to the high voltage generated, this can damage the fuel cell system and endanger service personnel, for example during inspections and / or repairs. Similar safety-relevant problems are known from the use of batteries.
  • a method and a device for operating a fuel cell system are known from US Pat. No. 5,023,150.
  • a switching element is provided which is normally closed and which can be controlled via a control unit in order to connect a fuel cell unit with a discharge resistor in parallel. As a result, the fuel cell unit can be discharged after being switched off.
  • the invention is characterized in that the discharging of the switched-off current / voltage supply unit is advantageously carried out using components already present in the motor vehicle. This avoids packaging problems and additional component costs.
  • the current / voltage supply unit is discharged via a temperature-dependent resistor.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a current / voltage supply unit with a connected circuit
  • Fig. 2 is a schematic representation of a current / voltage supply unit with a discharge circuit.
  • a current / voltage supply unit 1 shows a schematic illustration of a current / voltage supply unit 1 with a connected circuit, not designated in any more detail.
  • electricity / Power supply unit 1 A fuel cell unit and / or a battery is preferably used.
  • a control or distribution unit 2 is usually connected to the current / voltage supply unit 1 via lines, which are not specified, and which distributes the generated electrical energy to further electrical modules which are represented by the consumer or the load 3.
  • the control and / or distribution unit 2 usually contains an internal current / voltage supply, not shown, which is fed by the current / voltage supply unit 1, and a DC / DC converter, not shown, which generates the current / voltage supply unit 1 Voltage converted to the level of the operating voltage of the consumer 3.
  • the control and / or distribution unit 2 distributes electrical energy, for example, to measuring circuits connected to the control and / or distribution unit 2.
  • the internal current / voltage supply not shown, supplies in particular the control and / or distribution unit 2 with inherent microcontroller systems, driver circuits, converters and / or other circuits inherent in the control and / or distribution unit with electrical energy.
  • the internal current / voltage supply preferably also has a converter (not shown), in particular a DC-DC converter.
  • the internal voltage level of the control and / or distribution unit 2 is preferably below the voltage level of the power / voltage supply unit 1.
  • An electrical drive motor (not shown) and / or an electrical system can also be connected to the control or distribution unit 2 as the load 3.
  • the voltage still present at the current / voltage supply unit 1 is forcibly reduced in order to prevent degradation of the current / voltage supply unit 1 and to ensure contact protection. Since the internal power supply to the control and / or distribution Unit 2 happens via the current / voltage supply unit 1, this internal voltage supply continues to be supplied with electrical energy even after the current / voltage supply unit 1 has been switched off until the current / voltage supply unit 1 or the capacities of the control and / or Distribution unit 2 upstream, unspecified supply circuit is discharged to a lower limit.
  • the discharge of the current / voltage supply unit 1 thus takes place inevitably via the control and / or distribution unit 2 or its internal current / voltage supply and the consumers connected to it, such as, for example, microcontrollers and measuring circuits.
  • the internal current / voltage supply and / or the consumers connected to it are advantageously designed such that the current / voltage supply unit discharges to below 50 V within 60 seconds.
  • the control and / or distribution unit 2 can be designed in such a way that it can be
  • Power supply units 1 can be supplied with electrical energy.
  • a supply from a vehicle battery and from a fuel cell unit can be provided.
  • the supply can take place in parallel or in series through the various current or voltage sources.
  • a measuring circuit with hydrogen sensors is usually provided in the vehicle, which monitors the concentration of hydrogen.
  • the measuring circuit is usually connected to the fuel cell unit via an internal current or voltage supply of a control and / or distribution unit 2. Since hydrogen is a highly flammable gas, it makes sense to monitor the hydrogen concentration even when the fuel cell unit is switched off, for example when a vehicle is parked.
  • the measuring circuit with the hydrogen sensors can preferably be supplied with electrical current by the discharge current of the fuel cell unit via the internal current or voltage supply of the control and / or distribution unit.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a current / voltage supply unit 1 with a further preferred embodiment of a discharge circuit.
  • the discharge takes place via a temperature-dependent resistor 4.
  • a switching element 5 can be connected in series with the temperature-dependent resistor 4.
  • the temperature-dependent resistor 4 is then connected in parallel to the current / voltage supply unit 1 and is discharged.
  • the switching element 5 can preferably be supplied with electrical current by the discharge current.
  • the temperature-dependent resistor 4 is preferably a PTC thermistor or a PTC element and has a positive temperature coefficient.
  • the temperature-dependent resistor 4 has a low resistance value at low temperatures and a high resistance value at high temperatures.
  • the resistor 4 is preferably designed in such a way that in the normal working voltage range of the current / voltage supply unit 1 only a little electrical power is consumed by the temperature-dependent resistor 4.
  • the normal operating voltage range for a fuel cell unit is usually between 250 V and 450 V. However, fuel cell units with other operating voltage ranges can also be used.
  • the preferably relatively high working voltage of the current / voltage supply unit 1 leads to the temperature at the resistor 4 being relatively high during operation of the current / voltage supply unit 1, and thus its resistance value is likewise correspondingly high.
  • the switching element 5 can therefore be dispensed with, since the function of the high resistance value of the resistor 4 during operation of the current / voltage supply unit corresponds to that of an opened switching element 5.
  • the voltage slowly drops, the temperature of the resistor 4 drops and thus its resistance value also drops. The discharge rate thus increases.
  • the temperature-dependent resistor is advantageously dimensioned such that, after the current / voltage supply unit 1 has been switched off, the applied voltage drops to below 50 V within 60 seconds.
  • PTC elements can be used to protect batteries by self-regulatingly protecting the battery against excessive temperatures and discharge currents (US 4,255,698).
  • consumers 6 can be connected via lines that are not specified in any more detail.
  • Such consumers 6 are, for example, an electric drive motor and an electrical system.
  • the switching element 5 is preferably only opened again when the amount of oxidant or oxygen-rich gas which is present in the fuel cell unit or in the supply lines has dropped below a lower limit value , 'Discharging poses a risk to the fuel cell system and, in particular, to stressful heating of the catalytic fuel prevented by an oxidation occurring after the shutdown.
  • the switching element 5 or the temperature-dependent resistor is advantageously connected to ground, for example the vehicle body, via a further switching element (not shown). Repairs and inspections can thus be carried out safely.

Abstract

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

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) , wobei beim bzw. nach dem Abschalten der Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) vorhandene elektrische Energie durch eine dem Kraftfahrzeug zugeordnete Steuer- und/oder Verteileinheit (2) und einem dieser zugeordneten elektrischen Stromkreis zwangsweise verbraucht wird, bis zumindest eine untere Spannungsgrenze unterschritten ist oder wobei beim bzw. nach dem Abschalten der Strom- /Spannungs-versorgungseinheit (1) vorhandene elektrische Energie durch einen temperaturabhängigen Widerstand (4) verbraucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die nach dem Abschalten verhandene elektrische Energie durch eine der Steuer- und/oder Verteileinheit (2) zugeordnete interne Strom-/Spannungsversorgung verbraucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die nach dem Abschalten vorhandene elektrische Energie durch eine der Steuer- und/oder Verteileinheit (2) zugeordnete Messschaltung verbraucht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Messschaltung der Ermittlung einer Wasserstoffkonzent- ration dient .
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Widerstandswert der temperaturabhängigen Widerstands (4) mit sinkender anliegender Spannung bzw. sinkender Temperatur abnimmt .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) eine Batterie eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als Strom-/Spannungsversorgungseinheit (1) eine Brennstoff- zelleneinheit eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Strom-
/Spannungsversorgungs-einheit (1) ein temperaturabhängiger Widerstand (4) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Serienschaltung aus einem Schaltelement (5) und dem temperaturabhängigen Widerstand (4) der Strom- /Spannungsversorgungseinheit (1) parallel geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der temperaturabhängige Widerstand (4) ein Kaltleiter ist.
EP03717235A 2002-05-28 2003-03-26 Verfahren zum betreiben eines elektrisch angetriebenen kraftfahrzeugs und zugehörige vorrichtung Withdrawn EP1559157A2 (de)

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