EP4295459A1 - Vorrichtung zur energieverteilung - Google Patents

Vorrichtung zur energieverteilung

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EP4295459A1
EP4295459A1 EP22708099.1A EP22708099A EP4295459A1 EP 4295459 A1 EP4295459 A1 EP 4295459A1 EP 22708099 A EP22708099 A EP 22708099A EP 4295459 A1 EP4295459 A1 EP 4295459A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
voltage
battery
converter
cell stack
Prior art date
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Pending
Application number
EP22708099.1A
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English (en)
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Inventor
Matthias Jesse
Jürgen LEITZ
Christoph Assfalg
Mathias Kugel
Benjamin Pieck
Andreas Posvert
Florian Biesinger
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Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Cellcentric GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device for energy distribution in a fuel cell system according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the distribution of energy in a fuel cell system usually takes place via a so-called fuel interface (fuel cell interface), which is installed in the area of the fuel cell itself.
  • fuel interface fuel cell interface
  • the applicant's DE 102014 017953 A1 or also US 2020/0235411 A1 or US 2015/0295401 A1 can be referred to.
  • such a structure is already known from DE 10006781 A1.
  • DE 102018213 159 A1 describes a generic electrical energy system with such a fuel cell interface.
  • an emergency shutdown for the battery is implemented via a battery circuit breaker.
  • the fuel cell itself is arranged on the opposite side of the direct current converter and in turn has an emergency discharge device.
  • the object of the present invention is now to further improve this structure of a fuel cell interface or a fuel cell interface (FCI), which is known in principle from the prior art.
  • FCI fuel cell interface
  • this object is achieved by a device for energy distribution with the features in claim 1 and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.
  • the structure of the device according to the invention provides a combination of fuel cell and battery, comparable to the structure in the prior art, with a converter and an emergency shutdown device being arranged between the two components for connecting the poles of the fuel cell and a battery circuit breaker for separating the battery and fuel cell.
  • This battery circuit breaker is located between the converter and the battery.
  • the device according to the invention provides for the battery protection switch to be set up to disconnect both electrical poles of the connection.
  • An EMC filter is also provided.
  • the structure of the device according to the invention thus ensures the electromagnetic compatibility (EMC) of the structure and increases safety in the event that the battery circuit breaker is opened because it reliably separates both poles between the converter and the battery via corresponding contactors.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the arrangement of the battery safety switch after the converter has the advantage that lower currents have to be switched than in the arrangement before the converter, which is common over long distances in the above-mentioned prior art.
  • the emergency shutdown device in the device according to the invention can be embodied as a pyrotechnic closer or can include such a closer and can be connected to an external communication interface.
  • a pyrotechnic closer can be connected, for example, to crash sensors of a vehicle equipped with the device.
  • a signal can then be sent simultaneously via this sensor system to the device according to the invention in the described advantageous development in order to trigger the pyrotechnic closer and connect the poles of the fuel cell stack.
  • a further very advantageous embodiment of the device according to the invention provides that a microcontroller is provided for controlling components, which in turn has a connection to an external communication interface.
  • This connection can in particular be different from that of the pyrotechnic closer in the embodiment described above.
  • the components here include at least the converter, which is typically operated as a step-up converter, and the battery protection switches, which are typically designed as contactors in order to disconnect both poles of the electrical connection depending on a control signal from the microcontroller.
  • a device for monitoring the insulation resistance can also be provided, which is arranged in particular between the emergency shutdown device and the converter, ie on the side of the converter facing the fuel cell.
  • This device can also be connected to the or one of the external communication interfaces.
  • the faultless and reliable functioning of the insulation of the fuel interface can be checked by measuring the insulation resistance. Both the positive pole and the negative pole are measured against ground.
  • the insulation resistance must be several megaohms in size and is typically specified in accordance with the relevant standards.
  • the device for monitoring the insulation resistance can then be used to measure and monitor the current value of the insulation resistance, so that if the insulation resistance deteriorates, in particular if it falls below a specified limit value, an alarm can be triggered, which then triggers further actions such as an emergency shutdown or the like allows.
  • a galvanically isolated adjustable transformer can also be provided as an alternative or in addition, which is set up for high-voltage pre-charging and is connected to a low-voltage connection of the device. It can also be controlled by the microcontroller, provided this is provided in accordance with the advantageous embodiment described above.
  • This makes it easy to adjust the voltage at the fuel cell interface to the voltage level of the battery.
  • the voltage on the battery side can thus be used as a target value for the voltage adjustment of the high-voltage pre-charging with low voltage.
  • this enables the contacts on the high-voltage battery, which are typically realized by contactors, to be switched on even before the fuel cell stack is supplied with its media, ie with air or oxygen.
  • the actual DC voltage converter itself can then be implemented unidirectionally as a step-up converter, as is provided according to an advantageous development of the device according to the invention.
  • Another very favorable embodiment also provides a device for limiting the voltage of the open circuit, which is also controlled by the microcontroller.
  • this voltage clipping can no longer be implemented as a separate component, but can be carried out by the actual DC-DC converter, which further simplifies the structure.
  • the fuel cell stack can also be loaded via the converter, limiting the voltage could also be dispensed with entirely, which means that the optional voltage limiter just described could be dispensed with entirely.
  • Another very favorable embodiment of the device according to the invention now also provides that at least one electrical connection protected by fuses for ancillary units of the fuel cell system, i.e. for example conveying devices for air, hydrogen recirculation fans and the like, is provided between the EMC filter and the battery connection, so that over the device can also supply these components directly with power and be protected with fuses located in the device.
  • the loads themselves can then also be connected via the battery connections or parallel to the battery, in order to keep the structure simple and compact.
  • the entire device can be integrated into a common housing which is designed for mounting on the fuel cell, ie the fuel cell stack.
  • the fuel cell interface is thus integrated into the structure of the fuel cell stack, in particular in or on its housing, in order to correspondingly reduce the amount of cabling and to implement a single efficient interface module with the device according to the invention.
  • 1 shows a possible structure of the device according to the invention in a first embodiment
  • 2 shows a possible structure of the device according to the invention in a second embodiment
  • FIG 3 shows a possible structure of the device according to the invention in a third embodiment.
  • the device 1 serves as a fuel cell interface and is arranged according to the illustration in FIG. In particular, it can be arranged in a housing 4 , which is not specifically shown here but is merely indicated, which is designed in particular to be connected to the fuel cell stack 2 .
  • the device 1 as a fuel cell interface combines the functions of the power distribution units of a step-up converter and corresponding protective functions for the fuel cell stack 2 and/or the battery 3 in a common structural unit or module. The device 1 thus enables an optimal and cost-effective transformation of current and voltage between the fuel cell stack 2 and the high-voltage battery 3.
  • the relatively low voltage of the fuel cell stack 2 is used by a DC-DC converter 5, which is referred to below simply as a converter 5 and is typically operated as a step-up converter , set to the higher voltage of the battery 3, with largely the same performance and correspondingly lower current.
  • a DC-DC converter 5 which is referred to below simply as a converter 5 and is typically operated as a step-up converter , set to the higher voltage of the battery 3, with largely the same performance and correspondingly lower current.
  • the device 1 as a fuel cell interface forms the function of this converter 5 as a step-up converter, including the protection, switching, measuring and distribution functions required for the fuel cell stack 2 . It represents an efficient combination for the converter, the protective functions and a distribution concept for the power, which can be optimized in particular for the use of fuel cells in vehicles such as passenger cars or, in particular, trucks. All of this is possible in the common housing 4, which allows modularization and combines different functions in one module.
  • the device 1 thus allows, in particular for mobile fuel cell applications, for example in vehicles such as trucks in particular, considerable Cost savings in terms of series production. This applies both to the hardware and to the savings in time and costs during assembly.
  • the first possible structure of such a device 1 shown in Figure 1 now includes the already mentioned converter 5 in the housing 4. Between this converter 5 and the fuel cell stack 2 or the electrical connections of the fuel cell stack 2 on the device 1 there is a pyrotechnic closing device 6 and an open circuit voltage limiting device 7 . This is followed by the already mentioned converter 5 as a step-up converter with a corresponding passive discharge option 8 both on the fuel cell side and on the battery side. These are each denoted by 8.
  • a battery safety switch 9 then follows between the converter 5 and the connections for the high-voltage battery 3, via which, as shown here, both poles of the electrical connection can be separated if necessary. This is then followed by an EMC filter 10 with passive discharge.
  • sensors for measuring current (A) and voltage (V) are provided.
  • Fuses 11 are also provided, which are designed with corresponding interfaces 19 for the external power supply of ancillary units, for example for the power supply of fan wheels, flow compressors, coolant pumps or the like.
  • the device 1 also includes an external communication interface 12, via which a microcontroller 13 is connected, which is provided for controlling at least the voltage limiting device 7, the converter 5 and the battery safety switch 9.
  • the pyrotechnic locking device 6 typically has its own external communication interface 14, which is correspondingly connected, for example, to crash sensors in the vehicle.
  • the battery safety switch 9 is arranged after the converter 5 in the structure of the device 1, which means that the corresponding switches or contactors of the battery safety switch 9 can be designed smaller because, as shown above, the typical use of the converter 5 as a step-up converter on this side of the Although converter 5 higher voltages, but present much lower currents. This results in a further structure with regard to the simple and cost-effective structure of the device 1.
  • a step-up converter without electrical isolation can be used here be provided. A separate pre-charging circuit can thus be omitted since the voltage is adjusted via the converter 5 .
  • the pyrotechnic locking device 6 can be connected to an external communication device via its own external communication interface 14 .
  • the purpose of the voltage limiter 7 arranged here after the pyrotechnic closing device 6 is to correspondingly reduce the no-load voltage of the fuel cell stack 2 for the start of the fuel cell system comprising it.
  • the voltage limitation thus keeps the no-load voltage of the fuel cell stack 2 below the voltage of the high-voltage battery 3 when the fuel cell system is started, in order to ensure that the converter 5 is started.
  • An LV connection 17 ensures that the microcontroller 13 is supplied with the low voltage (LV) of the vehicle's on-board network.
  • FIG. 1 An alternative and expanded embodiment of the device 1 according to the invention can be seen in the illustration in FIG.
  • This includes essentially the same components that have already been described previously. They are each provided with the same reference number.
  • it includes a device for monitoring the insulation resistance 15, by means of which the correct and reliable functioning of the insulation of the device 1 can be checked.
  • the positive pole as well as the negative pole are measured against ground.
  • the insulation resistance between them must be several megohms. If it falls below a specified limit value, for example according to relevant standards, an alarm can be triggered and the system can be switched off if necessary to ensure safety.
  • the embodiment of the device 1 shown here now also includes a galvanically isolated adjustable transformer 16, which allows high-voltage pre-charging by low-voltage to the voltage at Adapt fuel cell interface to the voltage level of the high-voltage battery.
  • the voltage on the battery side is used as the target value for the voltage adjustment of the high-voltage pre-charging with low voltage.
  • This is implemented by the galvanically isolated adjustable transformer 16, which transforms the low voltage from the LV connection 17 into high voltage (HV). It is also correspondingly controlled or regulated via the microcontroller 13 .
  • HV high voltage
  • the advantages of such a low-voltage pre-charge are that it is possible to connect the contacts of the fuel cell interface to the high-voltage battery 3 even before the fuel cell stack 2 is supplied with its media.
  • the actual converter 5 can then be designed unidirectionally as a pure step-up converter. It can then also take on the task of limiting the voltage.
  • the fuel cell stack 2 can be loaded in a targeted manner via the converter 5, so that the voltage limitation and the device 7 required for this can be omitted entirely, as is shown in the embodiment in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Energieverteilung in einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (2) und einer Hochvoltbatterie (3), mit elektrischen Anschlüssen für den Brennstoffzellenstapel (2) und die Hochvoltbatterie (3) sowie mit wenigstens einer Kommunikationsschnittstelle (12, 14), mit einem Wandler (5), einem Batterieschutzschalter (9) zum Trennen der Hochvoltbatterie (3) und des Brennstoffzellenstapels (2) und mit einer Notabschalteinrichtung (6) zum Verbinden der Pole des Brennstoffzellenstapels (2), wobei der Batteriesicherheitsschalter (9) zwischen dem Wandler (5) und der Hochvoltbatterie (3) angeordnet isr. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein EMV-Filter (10) vorgesehen ist, und dass der Batterieschutzschalter (9) dazu eingerichtet ist, beide elektrischen Pole der Verbindung zu trennen.

Description

Vorrichtung zur Energieverteilung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieverteilung in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Die Verteilung von Energie in einem Brennstoffzellensystem erfolgt zumeist über eine sogenannte Brennstoffschnittstelle (Fuel Cell Interface), welche im Bereich der Brennstoffzelle selbst angebracht wird. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die DE 102014 017953 A1 der Anmelderin oder auch auf die US 2020/0235411 A1 oder die US 2015/0295401 A1 hingewiesen werden. Grundsätzlich ist ein solcher Aufbau auch schon aus der DE 10006781 A1 bekannt.
Ein gattungsgemäßes elektrisches Energiesystem mit einem derartigen Fuel Cell Interface beschreibt die DE 102018213 159 A1. Dabei wird nach einem Gleichstromwandler und damit zwischen diesem und einer Batterie eine Notabschaltung für die Batterie über Batterieschutzschalter realisiert. Die Brennstoffzelle selbst ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gleichstromwandlers angeordnet und weist ihrerseits eine Notentladeeinrichtung auf.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, diesen prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau einer Brennstoffzellenschnittstelle bzw. eines Fuel Cell Interface (FCI) weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Energieverteilung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vergleichbar wie der Aufbau im Stand der Technik eine Kombination aus Brennstoffzelle und Batterie vor, wobei zwischen den beiden Komponenten ein Wandler angeordnet ist sowie eine Notabschalteinrichtung zur Verbindung der Pole der Brennstoffzelle und einen Batterieschutzschalter zum Trennen von Batterie und Brennstoffzelle. Dieser Batterieschutzschalter ist zwischen dem Wandler und der Batterie angeordnet. Anders als im Stand der Technik ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei vorgesehen, dass der Batterieschutzschalter dazu eingerichtet ist, beide elektrischen Pole der Verbindung zu trennen. Außerdem ist ein EMV-Filter vorgesehen.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt somit die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Aufbaus sicher und erhöht die Sicherheit im Falle, dass der Batterieschutzschalter geöffnet werden, weil er über entsprechende Schütze beide Pole zwischen dem Wandler und der Batterie zuverlässig trennt. Durch die Anordnung des Batterieschutzschalters nach dem Wandler entsteht dabei der Vorteil, dass geringere Ströme geschaltet werden müssen, als bei der im oben genannten Stand der Technik über weite Strecken üblichen Anordnung vor dem Wandler.
Die Notabschalteinrichtung kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als pyrotechnischer Schließer ausgebildet sein bzw. einen solchen umfassen und kann mit einer externen Kommunikationsschnittstelle verbunden sein. Ein solcher pyrotechnischer Schließer kann beispielsweise mit Crash-Sensoren eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Fahrzeugs verbunden werden. Im Falle eines Unfalls, beispielsweise für den Fall, dass ein Airbag auslöst oder dergleichen, kann dann über diese Sensorik gleichzeitig ein Signal an die erfindungsgemäße Vorrichtung in der beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung ausgesandt werden, um den pyrotechnischen Schließer auszulösen und die Pole des Brennstoffzellenstapels zu verbinden.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es dabei vor, dass ein Mikrocontroller zur Steuerung von Komponenten vorgesehen ist, welcher seinerseits eine Verbindung zu einer externen Kommunikationsschnittstelle aufweist. Diese Verbindung kann insbesondere eine andere als die des pyrotechnischen Schließers in der oben beschriebenen Ausgestaltung sein. Die Komponenten umfassen dabei zumindest den Wandler, welcher typischerweise als Hochsetzsteller betrieben wird, und die Batterieschutzschalter, welche typischerweise als Schütze ausgebildet sind, um beide Pole der elektrischen Verbindung in Abhängigkeit eines Steuersignals des Mikrocontrollers zu trennen. Gemäß einerweiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner eine Einrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstands vorgesehen sein, welche insbesondere zwischen der Notabschalteinrichtung und dem Wandler, also auf der der Brennstoffzelle zugewandten Seite des Wandlers, angeordnet ist. Auch diese Einrichtung kann mit der oder einer der externen Kommunikationsschnittstellen verbunden sein. Durch eine Isolationswiderstandsmessung kann so bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die einwandfreie und sichere Funktion der Isolation der Brennstoffschnittstelle geprüft werden. Hierbei wird sowohl der Pluspol als auch der Minuspol gegen Masse gemessen. Der Isolationswiderstand muss dabei mehrere Megaohm groß sein, und ist typischerweise gemäß entsprechender Normen vorgegeben. Über die Einrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstands kann dann der aktuelle Wert des Isolationswiderstands gemessen und überwacht werden, sodass im Falle einer Verschlechterung des Isolationswiderstands, insbesondere wenn dieser unter einen vorgegebenen Grenzwert abfällt, ein Alarm ausgelöst werden kann, welcher dann weitere Aktionen wie beispielsweise eine Notabschaltung oder dergleichen ermöglicht.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann außerdem alternativ oder ergänzend ein galvanisch getrennter einstellbarer Transformator vorgesehen sein, welcher zur Hochvolt-Vorladung eingerichtet ist und mit einem Niedervoltanschluß der Vorrichtung verbunden ist. Er kann ferner durch den Mikrocontroller, sofern dieser gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen ist, gesteuert sein. Hierdurch ist es einfach möglich, die Spannung am Fuel Cell Interface an das Spannungsniveau der Batterie anzupassen. Die Spannung auf der Batterieseite kann so als Sollwert für die Spannungsangleichung der Hochvolt-Vorladung durch Niedervolt herangezogen werden. Dies ermöglicht insbesondere die Zuschaltung der Kontakte an der Hochvoltbatterie, welche typischerweise durch Schütze realisiert sind, schon vor der Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Medien, also mit Luft oder Sauerstoff. Der eigentliche Gleichspannungswandler selbst lässt sich dann unidirektional als Hochsetzsteller ausführen, wie es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung sieht ferner eine Einrichtung zur Spannungsbegrenzung der Spannung des offenen Stromkreises vor, welche ebenfalls durch den Mikrocontroller gesteuert ist. Hierdurch ist eine Begrenzung der Spannung, das sogenannte Voltage Clipping, des Brennstoffzellenstapels möglich. Insbesondere in Kombination mit der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit dem Transformator für die Hochvoltvorladung kann nun dieses Voltage Clipping nicht mehr als eigenes Bauteil realisiert werden, sondern durch den eigentlichen Gleichspannungswandler mit durchgeführt werden, was den Aufbau nochmals vereinfacht. Nachdem der Brennstoffzellenstapel über den Wandler nun auch belastet werden kann, könnte das Begrenzen der Spannung auch gänzlich entfallen, womit auf den soeben beschriebenen optionalen Spannungsbegrenzer gänzlich verzichtet werden könnte.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es nun ferner vor, dass wenigstens ein über Sicherungen abgesicherter elektrischer Anschluss für Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems, also beispielsweise Fördereinrichtungen für Luft, Wasserstoffrezirkulationsgebläse und dergleichen, zwischen dem EMV-Filter und dem Batterieanschluss vorgesehen sind, sodass über die Vorrichtung auch diese Komponenten direkt mit Leistung versorgt und mit in der Vorrichtung befindlichen Sicherungen abgesichert werden können. Die Verbraucher selbst können dann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung über die Batterieanschlüsse bzw. parallel zu Batterie mit angeschlossen werden, um so den Aufbau einfach und kompakt zu halten.
Die ganze Vorrichtung lässt sich dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in ein gemeinsames Gehäuse integrieren, welches zur Montage an der Brennstoffzelle, also dem Brennstoffzellenstapel, ausgebildet ist. Die Brennstoffzellenschnittstelle wird also in den Aufbau des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in oder an dessen Gehäuse, integriert, um so den Verkabelungsaufwand entsprechend zu reduzieren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einziges effizientes Schnittstellenmodul zu realisieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschreiben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 3 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient als Brennstoffzellenschnittstelle und ist entsprechend der Darstellung in Figur 1 zwischen einem angedeuteten Brennstoffzellenstapel 2 und einer mit 3 bezeichneten Hochvoltbatterie angeordnet. Sie kann insbesondere in einem hier nicht konkret dargestellten sondern lediglich angedeuteten Gehäuse 4 angeordnet sein, welches insbesondere mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 1 als Brennstoffzellenschnittstelle kombiniert dabei die Funktionen der Stromverteilungseinheiten eines Hochsetzstellers und entsprechender Schutzfunktionen für den Brennstoffzellenstapel 2 und/oder die Batterie 3 in einer gemeinsamen Baueinheit bzw. einen Modul. Die Vorrichtung 1 ermöglicht so eine optimale und kostengünstige Transformation von Strom und Spannung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3. Die relativ niedrige Spannung des Brennstoffzellenstapels 2 wird dabei von einem Gleichspannungswandler 5, welcher nachfolgend lediglich als Wandler 5 bezeichnet und typischerweise als Hochsetzsteller betrieben wird, auf die höherliegende Spannung der Batterie 3 hochgesetzt, bei weitgehend gleicher Leistung und dementsprechend niedrigerem Strom.
Die Vorrichtung 1 als Brennstoffzellenschnittstelle bildet die Funktion dieses Wandlers 5 als Hochsetzsteller nun inklusive der für den Brennstoffzellenstapel 2 notwendigen Schutz-, Schalt-, Mess- und Verteilfunktionen ab. Sie stellt eine effiziente Kombination für den Wandler, die Schutzfunktionen und ein Verteilungskonzept für die Leistung dar, welches so insbesondere für den Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wie beispielsweise Personenkraftwagen oder insbesondere Lastkraftwagen optimiert werden kann. All dies ist dabei in dem gemeinsamen Gehäuse 4 möglich, welches eine Modularisierung erlaubt und unterschiedliche Funktionen in einem Modul kombiniert.
Diese Kombination spart Bauraum sowie Kosten und kann ferner Anschlusskomponenten und Leitungen einsparen, insbesondere wenn das Gehäuse 4 unmittelbar im Bereich des Brennstoffzellenstapels 2, vorzugsweise an dessen Stack-Gehäuse, angeordnet wird. Die Vorrichtung 1 ermöglicht so, insbesondere für mobile Brennstoffzellenanwendungen, beispielsweise in Fahrzeugen, wie insbesondere Lastkraftwagen, erhebliche Kosteneinsparungen im Hinblick auf eine Serienproduktion. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Hardware als auch hinsichtlich der Ersparnis an Zeit und Kosten bei der Montage.
Der in Figur 1 gezeigte erste mögliche Aufbau einer solchen Vorrichtung 1 umfasst nun in dem Gehäuse 4 den bereits angesprochenen Wandler 5. Zwischen diesem Wandler 5 und dem Brennstoffzellenstapel 2 bzw. den elektrischen Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels 2 an der Vorrichtung 1 liegt eine pyrotechnische Schließeinrichtung 6 sowie eine Einrichtung 7 zur Spannungsbegrenzung bei offenem Stromkreis. Daraufhin folgt der bereits angesprochene Wandler 5 als Hochsetzsteller mit einer entsprechenden passiven Entladungsmöglichkeit 8 sowohl auf der Brennstoffzellenseite als auch auf der Batterieseite. Diese sind jeweils mit 8 bezeichnet. Zwischen dem Wandler 5 und den Anschlüssen für die Hochvoltbatterie 3 folgt dann ein Batteriesicherheitsschalter 9, über welchen, wie es hier dargestellt ist, bei Bedarf beide Pole der elektrischen Verbindung aufgetrennt werden können. Dem schließt sich dann ein EMV-Filter 10 mit passiver Entladung an. Daneben sind Sensoren zum Messen von Strom (A) und Spannung (V) vorgesehen. Außerdem sind Sicherungen 11 vorgesehen, welche mit entsprechenden Schnittstellen 19 zur externen Stromversorgung von Nebenaggregaten ausgebildet sind, beispielsweise für die Stromversorgung von Lüfterrädern, Strömungsverdichtern, Kühlmedienpumpen oder dergleichen. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine externe Kommunikationsschnittstelle 12, über welche ein Mikrocontroller 13 angeschlossen ist, welcher zur Steuerung zumindest der Spannungsbegrenzungseinrichtung 7, des Wandlers 5 und der Batteriesicherheitsschalter 9 vorgesehen ist. Die pyrotechnische Schließeinrichtung 6 verfügt typischerweise über eine eigene externe Kommunikationsschnittstelle 14, welche beispielsweise mit Crash- Sensoren des Fahrzeugs entsprechend verbunden ist.
Der Batteriesicherheitsschalter 9 ist bei dem Aufbau der Vorrichtung 1 nach dem Wandler 5 angeordnet, wodurch die entsprechenden Schalter bzw. Schütze des Batteriesicherheitsschalters 9 kleiner ausgelegt werden können, weil, wie oben dargestellt, durch den typischen Einsatz des Wandlers 5 als Hochsetzsteller auf dieser Seite des Wandlers 5 zwar höhere Spannungen, aber sehr viel geringere Ströme vorliegen. Dies ergibt einen weiteren Aufbau hinsichtlich des einfachen und kostengünstigen Aufbaus der Vorrichtung 1. Um das Gewicht der Vorrichtung 1 entsprechend zu reduzieren, kann hier ein Hochsetzsteller ohne galvanische Trennung vorgesehen sein. Eine separate Vorladeschaltung kann so entfallen, da die Spannungsanpassung über den Wandler 5 erfolgt.
Die pyrotechnische Schließeinrichtung 6 kann, wie bereits angesprochen, über ihre eigene externe Kommunikationsschnittstelle 14 an eine externe Kommunikationseinrichtung angeschlossen sein. Im Falle eines Crashs des mit der Vorrichtung 1 ausgestatten Fahrzeugs, bei dem beispielsweise die Batterie 3 vom Brennstoffzellenstapel 2 getrennt wird, lässt sich dieser über die pyrotechnische Schließeinrichtung kurzschließen und somit entladen. Die hier nach der pyrotechnischen Schließeinrichtung 6 angeordnete Spannungsbegrenzung 7 dient dazu, um die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels 2 für den Start des ihn umfassenden Brennstoffzellensystems entsprechend zu reduzieren. Die Spannungsbegrenzung hält also die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels 2 beim Start des Brennstoffzellensystems unter der Spannung der Hochvoltbatterie 3, um den Start des Wandlers 5 abzusichern. Elektrische Verbraucher des Brennstoffzellensystems, also insbesondere Antriebsmotoren für das Fahrzeug, werden über die Anschlüsse 18 parallel zur Batterie 3 bzw. an den Batterieanschlüssen der Vorrichtung 1 angeschlossen. Eine LV-Anschluss 17 stellt die Versorgung des Mikrocontrollers 13 mit der Niederspannung (LV) des Bordnetztes des Fahrzeugs sicher.
In der Darstellung der Figur 2 ist eine alternative und erweiterte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu erkennen. Diese umfasst im Wesentlichen dieselben Komponenten, welche auch bisher bereits beschrieben worden sind. Sie sind mit dem jeweils selben Bezugszeichen versehen. Zusätzlich dazu umfasst sie eine Einrichtung zur Isolationswiderstandsüberwachung 15, durch welche die einwandfreie und sichere Funktion der Isolation der Vorrichtung 1 geprüft werden kann. Hierzu wird der Pluspol ebenso wie der Minuspol gegen Masse gemessen. Der Isolationswiderstand dazwischen muss mehrere Megaohm betragen. Unterschreitet er einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise gemäß entsprechender Normen, dann kann ein Alarm ausgelöst und gegebenenfalls das System abgeschaltet werden, um die Sicherheit zu gewährleisten.
Ferner umfasst die hier dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 nun zusätzlich einen galvanisch getrennten einstellbaren Transformator 16, welcher eine Hochvoltvorladung durch Niedervolt ermöglicht, um die Spannung am Brennstoffzelleninterface auf das Spannungsniveau der Hochvoltbatterie anzupassen. Hierfür wird die Spannung der Batterieseite als Sollwert für die Spannungsangleichung der Hochvoltvorladung durch Niedervolt herangezogen. Dies ist durch den galvanisch getrennten einstellbaren Transformator 16 umgesetzt, der die Niederspannung vom LV- Anschluss 17 in Hochspannung (HV) transformiert. Er wird ebenfalls über den Mikrocontroller 13 entsprechend gesteuert bzw. geregelt. Die Vorteile einer solchen Niedervoltvorladung sind, dass die Zuschaltung der Kontakte des Brennstoffzelleninterfaces an die Hochvoltbatterie 3 schon vor der Versorgung des Brennstoffzellenstapels 2 mit seinen Medien möglich ist. Der eigentliche Wandler 5 kann dann unidirektional als reiner Hochsetzsteller ausgeführt werden. Er kann dann auch das Begrenzen der Spannung mit übernehmen. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann dazu gezielt über den Wandler 5 belastet werden, sodass die Spannungsbegrenzung und die dafür benötigte Einrichtung 7 gänzlich entfallen kann, wie es bei der Ausführung in Figur 3 gezeigt ist.
Weitere Vorteile der Hochvoltvorladung durch Niedervolt liegen darin, dass eine Belastung des Brennstoffzellenstapels 2 mit einem Belastungspeak beim Starten des Brennstoffzellenstapels verhindert werden könnte. Außerdem könnten Tests zum Suchen von Fehlern in dem Brennstoffzellenstapel so einfacher gestaltet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Energieverteilung in einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (2) und einer Hochvoltbatterie (3), mit elektrischen Anschlüssen für den Brennstoffzellenstapel (2) und die Hochvoltbatterie (3) sowie mit wenigstens einer Kommunikationsschnittstelle(12,14), mit einem Wandler (5), einem Batterieschutzschalter (9) zum Trennen der Hochvoltbatterie (3) und des Brennstoffzellenstapels (2) und mit einer Notabschalteinrichtung (6) zum Verbinden der Pole des Brennstoffzellenstapels (2), wobei der Batteriesicherheitsschalter (9) zwischen dem Wandler (5) und der Hochvoltbatterie (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein EMV-Filter (10) vorgesehen ist, und dass der Batterieschutzschalter (9) dazu eingerichtet ist, beide elektrischen Pole der Verbindung zu trennen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notabschalteinrichtung (6) einen pyrotechnischen Schließer umfasst und mit einer externen Kommunikationsschnittstelle (14) verbunden ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller (13) zur Steuerung von Komponenten (5, 9) vorgesehen ist und mit einer externen Kommunikationsschnittstelle (12) verbunden ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (15) zur Überwachung des Isolationswiderstands vorgesehen ist, welche insbesondere zwischen der Notabschalteinrichtung (6) und dem Wandler (5) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein galvanisch getrennter einstellbarer Transformator (16) vorgesehen ist, welcher zur Hochvoltvorladung eingerichtet ist und mit der Niedervoltseite des Wandlers /5) verbunden und durch den Mikrocontroller (13) steuerbar ist.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (5) unidirektional ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einrichtung (7) zur Spannungsbegrenzung bei offenem Stromkreis vorgesehen ist, welche zwischen dem Brennstoffzellenstapel (2) und dem Wandler (5) angeordnet und durch den Mikrocontroller (13) steuerbar ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein über wenigstens eine Sicherung (11) abgesicherter elektrischer Anschluss für Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems zwischen dem EMV- Filter (10) und der Hochvoltbatterie (3) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
Hauptverbraucher über Batterieanschlüsse der Vorrichtung (1) angeschlossen sind.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Gehäuse (4) zur Montage an den Brennstoffzellenstapel (2) vorgesehen ist.
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