EP4352810A1 - Vorrichtung zur elektrischen verschaltung eines brennstoffzellenstapels und einer hochvoltbatterie - Google Patents

Vorrichtung zur elektrischen verschaltung eines brennstoffzellenstapels und einer hochvoltbatterie

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EP4352810A1
EP4352810A1 EP22733567.6A EP22733567A EP4352810A1 EP 4352810 A1 EP4352810 A1 EP 4352810A1 EP 22733567 A EP22733567 A EP 22733567A EP 4352810 A1 EP4352810 A1 EP 4352810A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
cell stack
voltage battery
switch
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP22733567.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Harr
Philipp Hausmann
Benjamin Pieck
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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Application filed by Cellcentric GmbH and Co KG filed Critical Cellcentric GmbH and Co KG
Publication of EP4352810A1 publication Critical patent/EP4352810A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device for electrically connecting at least one fuel cell stack and at least one high-voltage battery in a fuel cell system according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for operating such a device.
  • fuel interface fuel cell interface
  • DC converter DC/DC converter
  • DE 102018213 159 A1 describes a safety-optimized electrical energy system with a fuel cell interface of this type.
  • a fuel cell interface of this type.
  • 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 simplify 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
  • the device according to the invention dispenses with the conventional DC/DC converter described in the prior art as step-up converter/step-down converter.
  • a simple fuel cell power interface can be implemented via at least one diode that prevents a current flow from the high-voltage battery to the fuel cell stack and via at least one switch, in particular a contactor, for connecting the high-voltage battery and the fuel cell stack.
  • the device or fuel cell power interface according to the invention solves the above-mentioned problem in a very cost-effective way, in which neither a converter nor a pre-charging circuit are required.
  • a converter because there is no converter, there are no current ripples on the fuel cell stack, which cannot be avoided when using a converter.
  • the omission of the DC/DC converter also increases the service life of the fuel cell stack.
  • the relatively poor efficiency on the power distribution can be obtained. The overall efficiency can thus be increased.
  • the very simple interconnection of the device according to the invention also enables a weight reduction compared to today's concepts and implementations and a clear interface, which causes less effort when adapting the fuel cell stack. Furthermore, a saving of installation space and cost savings can be achieved by eliminating the DC/DC converter.
  • the invention thus enables enormous competitive advantages both in terms of reducing weight, costs and installation space and in terms of increasing the efficiency and service life of a fuel cell system with such a fuel cell power interface according to the invention.
  • a very advantageous development of the invention accordingly provides that the interconnection is implemented without a converter.
  • the device according to the invention is suitable both for truck applications and for stationarily operated fuel cell systems.
  • an emergency shutdown device is provided for the at least one fuel cell stack.
  • such an emergency shutdown device can be used to disconnect and preferably short-circuit the high-voltage battery, so that it no longer poses a risk.
  • 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 to connect the poles of the fuel cell stack. so short circuit it.
  • a further very advantageous embodiment of the device according to the invention provides that a control of the switch is connected to an external communication interface, with the switch being designed in particular as a line switch or contactor.
  • This connection can in particular be different from that of the pyrotechnic closer in the embodiment described above.
  • the switch is implemented as a battery protection switch, which is typically designed as a contactor in order to connect and disconnect both poles of the electrical connection depending on a control signal at the external communication interface.
  • a particularly favorable embodiment of the device according to the invention provides devices for detecting the voltage of the fuel cell stack and the high-voltage battery.
  • the voltage of the fuel cell stack and the high-voltage battery can be detected independently of one another when the switch is open via these, which are arranged on the side of the switch facing the fuel cell stack or the high-voltage battery.
  • an ammeter can be part of the device.
  • the controller of the switch or an external controller connected to the communication interface is set up to operate the switch depending on the voltages detected by the devices for detecting the voltage of the fuel cell stack and the high-voltage battery to operate.
  • the voltages are ultimately used to control the switch, which also makes control correspondingly simple and efficient.
  • a further 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 diode and the battery connection, so that the device these components can also be supplied with power directly and secured with fuses located in the device.
  • the loads themselves can then also be connected via the battery connections or in parallel to the high-voltage battery, in order to keep the structure simple and compact.
  • the entire device can be integrated in particular in a common housing, which is designed for mounting on the fuel cell, ie the fuel cell stack.
  • the fuel cell power 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.
  • the switch is controlled as a function of the voltages of the at least one fuel cell stack on the one hand and the at least one high-voltage battery on the other hand. These voltages, which are typically measured anyway, enable very simple and efficient implementation of the control. According to a very favorable embodiment of the method, it can be provided that the switch is closed before the voltage of the fuel cell stack reaches the voltage of the high-voltage battery. The diode prevents current from flowing in the direction of the fuel cell stack. With increasing voltage at the fuel cell stack, a current then begins to flow to the high-voltage battery or to the consumer. A pre-charging of the high-voltage intermediate circuit can be omitted due to the protection of the fuel cell stack by the diode.
  • the simple interconnection according to the device according to the invention thus leads to a simple self-regulated system.
  • FIG. 5 shows a tabular representation of a third and fourth scenario.
  • a device 1 serves as a fuel cell power 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 power interface is suitable for truck applications as well as for stationarily operated fuel cell systems. Contrary to the current state of the art, no DC/DC converter (step-up converter) is used in this new concept in order to transform the voltage between the fuel cell stack 2 and the high-voltage battery 3 .
  • the device 1 as a cost-effective and space-saving fuel cell power interface can still use the fuel cell stack 2 efficiently Interconnect high-voltage battery 3 in order to load them or to supply electricity to the application, which is shown here as a consumer or main consumer 5.
  • the fuel cell power interface according to FIG. It also consists of at least one diode 7 and connections 14 for an external power supply for ancillary units. These are protected by fuses in the device 1, which are not designated in any more detail.
  • two interfaces 8, 9 are provided for external communication.
  • the device 1 also contains a pyrotechnic closing device as an emergency shutdown device 13.
  • the pyrotechnic closing device is required to short-circuit the circuit for the fuel cell stack 2 if the high-voltage battery 3 has to be separated from the fuel cell stack 2 in the event of an accident.
  • the emergency shutdown device 13 is connected to one of the external communication interfaces 9 and can be controlled via this, e.g. when a signal occurs to trigger an airbag.
  • the switch 6 is designed in the form of two synchronously switching switches or contactors for one and the other of the poles. Nevertheless, these are referred to below as “one" switch 6, but both are meant in each case.
  • the switch 6 is required to switch on the high-voltage battery 3 when the fuel cell stack 2 is started.
  • the diode 7 ensures that no current flows back into the fuel cell stack 2 in order to protect the fuel cell stack 2 .
  • the switch 6 is closed as long as the voltage on the side of the fuel cell stack 2 is lower than on the side of the high-voltage battery 3.
  • the diode 7 protects the fuel cell stack 2 against a negative current. A current does not flow to the high-voltage battery 3 or to the consumer 5 until the voltage on the side of the fuel cell stack 2 is increased.
  • the interconnection of the fuel cell stack 2 with the high-voltage battery 3 through the fuel cell power interface of the device 1 leads to a self-regulated fuel cell system.
  • the self-regulation of the fuel cell system with the consumer is shown below using a truck application as an example.
  • a high-voltage battery 3 with a short-term maximum output of 400 kW and a constant internal resistance of 80 mOhm is assumed here.
  • the assumed drive unit comprises two drives, each with 230 kW continuous output (total 460 kW) and 330 kW peak output (total 660 kW).
  • Two fuel cell stacks connected in series, each with 245 individual fuel cells, are assumed to be the fuel cell stack 2 . For this purpose, four different scenarios are considered below.
  • the first scenario describes a truck powered by the fuel cell system at a constant speed of 80-100 km/h.
  • the truck requires one of its drive units with a drive power of approx.
  • the current flows i are shown in a very simplified manner in FIG. 2 for better understanding.
  • the current h symbolizes the current from the fuel cell stack 2, the current the current from or i the high-voltage battery 3, depending on whether charging or discharging and the current is the current to the consumer 5.
  • the indicated circles V the respective associated voltages.
  • FIG. 3 shows the course of the polar curve of the assumed structure with the two fuel cell stacks 2 connected in series.
  • three simplified characteristics 16 of the high-voltage battery 3 are shown with different states of charge.
  • the battery characteristic with the designation 16.1 stands for a state of charge of 10%, with the designation 16.5 for a state of charge of 50%, with the designation 16.9 for a state of charge of 90%.
  • the characteristic curves 16 show that the high-voltage battery 3 is being charged on the right-hand side of the diagram and is delivering power to the consumer s on the left-hand side of the diagram. In order to deliver the corresponding power of 120 kW to the drive, the following states appear according to FIG.
  • the high-voltage battery 3 When the high-voltage battery 3 is 90% charged, a voltage of 740 V is reached. The power of 120 kW used by the consumer results from 40 kW that are supplied by the high-voltage battery 3 and from 80 kW that are supplied by the fuel cell stack 2 . This is shown in the table in FIG. When the high-voltage battery 3 is 50% charged, the voltage is 685 V. Here, the high-voltage battery 3 is charged with 80 kW, which means that the fuel cell stack generates 2200 kW. With a state of charge of 10%, the voltage is 610 V. The charging capacity of the high-voltage battery corresponds to 190 kW.
  • the charging of the high-voltage battery 3 is thus regulated automatically. If the high-voltage battery 3 has a low charging power, it is supplied with high power by the fuel cell stack 2 . If the state of charge of the high-voltage battery 3 increases, the fuel cell stack 2 reduces its generating capacity. Because the fuel cell stack 2 reduces its output, its efficiency and ultimately also its service life increase at the same time.
  • the table in FIG. 4 clearly shows these three states.
  • the truck In the second scenario, the truck is stationary. The drive therefore does not consume any energy, so that the entire energy of the fuel cell stack 2 can be used to charge the high-voltage battery 3 .
  • the diagram of Figure 3 we are therefore to the right of the zero line. A table is not presented here. With a state of charge of 90%, a voltage of approx. 750 V is set, as a result of which the high-voltage battery 3 is charged with approx. 70 kW. If the high-voltage battery 3 has a state of charge of 50%, a voltage of 690 V is set and the high-voltage battery 3 is charged with 180 kW.
  • a third scenario is to be described for 460 kW consumption with continuous power of the drives and a fourth scenario with 660 kW for the peak power of the drive. Both scenarios 3 and 4 are summarized in the table in FIG.
  • Scenario 3 only when the charge level of the high-voltage battery 3 is low, here in particular 10% charge level, the continuous power cannot be fully accessed.
  • Scenario 4 shows that the maximum output of 660 kW can only be accessed when the high-voltage battery 3 is charged at 50%.
  • the charge state of the high-voltage battery 3 is too high or too low, the maximum output of the fuel cell system is limited.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur elektrischen Verschaltung wenigstens eines Brennstoffzellenstapels (2) und wenigstens einer Hochvoltbatterie (3) zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern, welche auf der Seite der Hochvoltbatterie (3) angebunden sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) und die Hochvoltbatterie (3) über wenigstens ein einen Stromfluss in Richtung des Brennstoffzellenstapels (2) sperrende Diode (7) und wenigstens einen Schalter (6) zum Schließen und Trennen der Verbindung miteinander verschaltet sind. Verfahrensgemäß wird der Schalter (6) in Abhängigkeit der Spannungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) einerseits und der wenigstens einen Hochvoltbatterie (3) andererseits gesteuert.

Description

Vorrichtung zur elektrischen Verschaltung eines Brennstoffzellenstapels und einer Hochvoltbatterie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Verschaltung wenigstens eines Brennstoffzellenstapels und wenigstens einer Hochvoltbatterie in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Die Verteilung von Energie in einem Brennstoffzellensystem erfolgt zumeist über eine sogenannte Brennstoffschnittstelle (Fuel Cell Interface), welche über wenigstes einen Gleichstromwandler bzw. DC/DC-Wandler verfügen. Häufig sind diese Schnittstellen im Bereich der Brennstoffzelle bzw. ihres Gehäuses selbst angebracht wird. Grundsätzlich ist ein solcher Aufbau aus der DE 10006 781 A1 bekannt. In diesem Zusammenhang kann ferner auf die die US 2015/0295401 A1 hingewiesen werden.
Ein bezüglich der Sicherheit optimiertes 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 prinzipiell bekannten Aufbau einer Brennstoffzellenschnittstelle bzw. eines Fuel Cell Interface (FCI) weiter zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verzichtet in der Verschaltung der Hochvoltbatterie und des Brennstoffzellenstapels auf den im Stand der Technik beschriebenen und üblichen DC/DC-Wandler als Hochsetzsteller/Tiefsetzsteller. Über wenigstens eine Diode die einen Stromfluss von der Hochvoltbatterie zum Brennstoffzellenstapel unterbindet und über wenigsten einen Schalter, insbesondere ein Schütz, zum Verbinden der Hochvoltbatterie und des Brennstoffzellenstapels lässt sich eine einfache Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle realisieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle löst die oben genannte Aufgabe auf eine sehr kostengünstige Weise, in welcher weder ein Wandler noch eine Vorladeschaltung benötigt werden. Durch den Verzicht auf den Wandler wirken außerdem keine Strom-Rippel auf den Brennstoffzellenstapel, welche beim Einsatz eines Wandlers nicht zu vermeiden sind. Da diese jedoch den Brennstoffzellenstapel enorm belasten, kommt es durch den Entfall des DC/DC-Wandlers auch zu einer Steigerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Ferner lässt sich durch den Verzicht auf den Wandler dessen relativ schlechter Wirkungsgrad auf der Leistungsverteilung bekommen. Der Gesamtwirkungsgrad kann somit gesteigert werden.
Die sehr einfache Verschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht neben der Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zusätzlich eine Gewichtsreduktion gegenüber heutigen Konzepten und Realisierungen und eine eindeutige Schnittstelle, was einen geringeren Aufwand bei einer Anpassung des Brennstoffzellenstapels verursacht. Ferner kann eine Einsparung von Bauraum und eine Kosteneinsparungen durch den Entfall des DC/DC-Wandlers erreicht werden.
Die Erfindung ermöglicht so enorme Wettbewerbsvorteile sowohl hinsichtlich Reduktion von Gewicht, Kosten und Bauraum als auch im Hinblick auf eine Steigerung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems mit einer solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht es dementsprechend vor dass die Verschaltung unter Verzicht auf einen Wandler ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich sowohl für LKW-Anwendungen als auch für stationär betriebene Brennstoffzellensysteme. Insbesondere beim Einsatz in mobilen System, wie z.B. einem LKW kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung nun vorgesehen sein, dass eine Notabschalteinrichtung für den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Über eine solche Notabschalteinrichtung kann z.B. im Falle der Brennstoffzellenstapel von der Hochvoltbatterie getrennt und vorzugsweise kurzgeschlossen werden, so dass von ihm keine Gefahr mehr ausgeht.
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, diesen also kurzzuschließen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es dabei vor, dass eine Steuerung des Schalters mit einer externen Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, wobei der Schalter insbesondere als Leitungsschalter bzw. Schütz ausgebildet ist. Diese Verbindung kann insbesondere eine andere als die des pyrotechnischen Schließers in der oben beschriebenen Ausgestaltung sein. Der Schalter ist dabei als ein Batterieschutzschalter, welche typischerweise als Schütz ausgebildet ist realisiert, um beide Pole der elektrischen Verbindung in Abhängigkeit eines Steuersignals an der externen Kommunikationsschnittstelle zu verbinden und zu trennen.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dabei Einrichtungen zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie vor. Über diese, welche auf der jeweils dem Brennstoffzellenstapel bzw. der Hochvoltbatterie zugewandten Seite des Schalters angeordnet sind, können die Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie bei geöffneten Schalter unabhängig voneinander erfasst werden. Ferner kann ein Strommesser Teil der Vorrichtung sein. In diesem Aufbau kann es nun gemäß einer sehr vorteilhafter Weiterbildung hiervon vorgesehen sein, dass die Steuerung des Schalters oder eine externe mit der Kommunikationsschnittstelle verbundenen Steuerung dazu eingerichtet ist den Schalter in Abhängigkeit der über die Einrichtungen zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Hochvoltbatterie erfassten Spannungen zu betätigen. Die Spannungen dienen damit letztlich zur Steuerung des Schalters, was auch die Steuerung entsprechend einfach und effizient macht.
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 der Diode 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 der Hochvoltbatterie mit angeschlossen werden, um so den Aufbau einfach und kompakt zu halten.
Die ganze Vorrichtung lässt sich dabei insbesondere in ein gemeinsames Gehäuse integrieren, welches zur Montage an der Brennstoffzelle, also dem Brennstoffzellenstapel, ausgebildet ist. Die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient nun zum Betreiben einer solchen Vorrichtung in der einen oder der anderen der oben beschriebenen Ausgestaltungen. Dabei ist es verfahrensgemäß vorgesehen, dass der Schalter in Abhängigkeit der Spannungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapel einerseits und der wenigstens einen Hochvoltbatterie andererseits gesteuert wird. Diese typischerweise ohnehin gemessenen Spannungen ermöglichen dabei eine sehr einfache und effiziente Umsetzung der Steuerung. Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass der Schalter geschlossen wird, bevor die Spannung des Brennstoffzellenstapels die Spannung der Hochvoltbatterie erreicht. Durch die Diode wird dabei ein Stromfluss in Richtung des Brennstoffzellenstapels verhindert. Mit zunehmender Spannung an dem Brennstoffzellenstapel beginnt dann ein Strom zur Hochvoltbatterie bzw. zum Verbraucher zu fließen. Eine Vorladung des Hochvolt-Zwischenkreises kann aufgrund des Schutzes des Brennstoffzellenstapels durch die Diode entfallen. Die einfache Verschaltung gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt so zu einem einfachen selbstgeregelten System.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zu ihrem Betrieb ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiele, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschreiben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 sehr vereinfachte Darstellung der Stromflüsse in einem angenommenen Aufbau;
Fig. 3 einen den Polkurvenverlauf des angenommen Aufbaus;
Fig. 4 eine tabellarische Darstellung eines ersten Szenarios; und
Fig. 5 eine tabellarische Darstellung eines dritten und vierten Szenarios.
Eine Vorrichtung 1 dient als Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle 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 Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle eignet sich für LKW Anwendungen als auch für stationär betriebene Brennstoffzellen-Systeme. Entgegen dem heutigen Stand der Technik wird in diesem neuen Konzept kein DC/DC- Wandler (Hochsetzsteller) eingesetzt, um die Spannung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3 zu transformieren.
Die Vorrichtung 1 als kostengünstige und platzsparende Brennstoffzellen- Leistungsschnittstelle, kann den Brennstoffzellestapel 2 dennoch effizient der Hochvoltbatterie 3 zusammenschalten, um diese zu laden bzw. die Anwendung, welche hier als Verbraucher bzw. Hauptverbraucher 5 eingezeichnet sind, mit Strom zu versorgen. Die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle gemäß Figur 1 besteht dazu aus einem Schalter 6, insbesondere einem Batteriesicherheitsschalter, welcher aus Schützen gebildet wird, um die beiden Pole der Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3, zu schalten. Ferner besteht er aus mindestens einer Diode 7 sowie Anschlüssen 14 für eine externe Stromversorgung von Nebenaggregaten. Diese sind über nicht näher bezeichnete Sicherungen in der Vorrichtung 1 abgesichert. Außerdem sind zwei Schnittstellen 8, 9 zur externen Kommunikation vorgesehen. Zusätzlich sind Einrichtungen 10, 11 zur Erfassung der Spannung jeweils auf der Seite des Brennstoffzellenstapel 2 und der Hochvoltbatterie 3 sowie eine Strommesser 12 vorhanden.
Für mobile Anwendungen enthält die Vorrichtung 1 zusätzlich eine pyrotechnische Schließeinrichtung als Notabschalteinrichtung 13. Die pyrotechnische Schließeinrichtung wird zum Kurzschluss des Stromkreises für den Brennstoffzellenstapel 2 benötigt, wenn im Falle eines Unfalls die Hochvoltbatterie 3 von dem Brennstoffzellenstapel 2 getrennt werden muss. Die Notabschalteinrichtung 13 steht mit einer der externen Kommunikationsschnittstellen 9 in Verbindung und kann über diese, z.B. beim Auftreten eins Signals zur Auslösung eines Airbags, angesteuert werden.
Der Schalter 6 ist in Form von zwei synchron schaltenden Schaltern bzw. Schützen für den jeweils einen und anderen der Pole ausgebildet. Dennoch werden diese nachfolgend als „ein“ Schalter 6 bezeichnet, sind aber jeweils beide gemeint. Der Schalter 6 wird zum Zuschalten der Hochvoltbatterie 3 beim Start des Brennstoffzellenstapels 2 benötigt. Die Diode 7 sorgt dafür, dass kein Strom in den Brennstoffzellenstapel 2 zurückfließt, um den Brennstoffzellenstapels 2 zu schützen.
Das Schließen des Schalters 6 erfolgt, solange die Spannung auf Seite des Brennstoffzellenstapels 2 geringer ist als auf der Seite der Hochvoltbatterie 3. Die Diode 7 schützt hierbei den Brennstoffzellenstapel 2 vor einem negativen Strom. Erst wenn die Spannung auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 2 angehoben ist, fließt ein Strom zur Hochvoltbatterie 3 bzw. zum Verbraucher 5. Eine Vorladung des HV-Zwischenkreis kann durch den Schutz des Brennstoffzellenstapels 2 durch die Diode 7 entfallen. Die Verschaltung des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Hochvoltbatterie 3 durch die Brennstoffzellen-Leistungsschnittstelle der Vorrichtung 1 führt zu einem selbstgeregelten Brennstoffzellensystem. Die Selbstregelung des Brennstoffzellensystems mit dem Verbraucher wird im Folgenden am Beispiel einer Lkw-Anwendung aufgezeigt.
Hierbei wird von einer Hochvoltbatterie 3 mit einer kurzfristigen Maximalleistung von 400 kW und einem konstanten Innenwiderstand von 80 mOhm ausgegangen. Die angenommene Antriebseinheit umfasst zwei Antriebe mit je 230 kW Dauerleistung (gesamt 460 kW) und 330 kW Spitzenleistung (gesamt 660 kW). Als Brennstoffzellenstapel 2 werden zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenstapel mit je 245 einzelnen Brennstoffzellen angenommen. Hierfür werden nachfolgend nun vier unterschiedliche Szenarien betrachtet.
Das erste Szenario beschreibt einen mit dem Brennstoffzellensystem betriebenen Lastkraftwagen bei einer konstanten Geschwindigkeit von 80-100 km/h. Hierfür benötigt der Lastkraftwagen eine seiner Antriebseinheiten mit einer Antriebsleistung von ca.
120 kW. Die Stromflüsse i sind zum besseren Verständnis sehr vereinfacht in Figur 2 dargestellt. Der Strom h symbolisiert den Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 2, der Strom den Strom aus oder i die Hochvoltbatterie 3, je nachdem ob geladen oder entladen wird und der Strom is dem Strom zum Verbraucher 5. Die angedeuteten Kreise V die jeweils zugehörigen Spannungen. Figur 3 zeigt den Polkurvenverlauf des angenommen Aufbaus mit den zwei in Reihe verschalteten Brennstoffzellenstapeln 2. Die Polkurve ist mit 15 bezeichnet. Zusätzlich sind drei vereinfachte Kennlinien 16 der Hochvoltbatterie 3 mit unterschiedlichen Ladezuständen dargestellt. Die Batteriekennlinie mit der Bezeichnung16.1 steht dabei für einen Ladezustand von 10%, die mit der Bezeichnung 16.5 für einen Ladezustand von 50%, die mit der Bezeichnung 16.9 für einen Ladezustand von 90%. Die Kennlinien 16 sind dargestellt, dass die Hochvoltbatterie 3 auf der rechten Seite des Diagramms geladen wird und auf der linken Seite des Diagramms Leistung an den Verbraucher s abgibt. Um die entsprechende Leistung von 120 kW an den Antrieb abzugeben, stellen sich folgende Zustände gemäß Figur 3 ein.
Bei einem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 von 90 % stellt sich eine Spannung von 740 V ein. Die vom Verbraucher genutzte Leistung von 120 kW ergibt sich dabei aus 40 kW, die von der Hochvoltbatterie 3 geliefert werden und aus 80 kW die vom Brennstoffzellenstapel 2 geliefert werden. Dies ist in der Tabelle der Figur 4 dargestellt. Bei einem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 von 50 % beträgt die Spannung 685 V. Hierbei wird die Hochvoltbatterie 3 mit 80 kW geladen, was bedeutet das der Brennstoffzellenstapel 2200 kW erzeugt. Bei einem Ladezustand von 10% beträgt die Spannung 610 V. Dabei entspricht die Ladeleistung an der Hochvoltbatterie 190 kW.
Somit regelt sich das Laden der Hochvoltbatterie 3 automatisch. Hat die Hochvoltbatterie 3 eine niedrige Ladeleistung, wird diese von dem Brennstoffzellenstapel 2 mit hoher Leistung versorgt. Steigt der Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 an, verringert der Brennstoffzellenstapel 2 seine Erzeugungsleistung. Indem der Brennstoffzellenstapel 2 seine Leistung reduziert, steigt gleichzeitig dessen Wirkungsgrad und letztlich auch dessen Lebensdauer. Die der Tabelle in Figur 4 zeigt diese drei Zustände übersichtlich dargestellt.
Im zweiten Szenario steht der Lastkraftwagen. Der Antrieb verbraucht also keine Energie, so dass die komplette Energie des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt werden kann, um die Hochvoltbatterie 3 zu laden. Im Diagramm der Figur 3 befinden wir uns also rechts der Nulllinie. Auf eine tabellarische Darstellung wurde hier verzichtet. Bei einem Ladezustand von 90 % stellt sich eine Spannung von ca. 750 V ein, wodurch die Hochvoltbatterie 3 mit ca. 70 kW geladen wird. Hat die Hochvoltbatterie 3 einen Ladezustand von 50 % stellt sich eine Spannung von 690 V ein und die Hochvoltbatterie 3 wird mit 180 kW geladen.
Bei einem deutlich niedrigeren Ladezustand von 10 %, stellt sich eine Spannung von ca. 620 V ein und die Hochvoltbatterie 3 wird mit 280 kW geladen.
Ein drittes Szenario soll für 460 kW Verbrauch bei Dauerleistung der Antriebe und ein viertes Szenario mit 660 kW für die Spitzenleistung des Antriebs beschreiben werden. Beide Szenarien 3 und 4 sind in der Tabelle der Figur 5 zusammengefasst dargestellt.
Dabei fällt auf, dass in Szenario 3 lediglich bei geringem Ladezustand der Hochvoltbatterie 3, hier insbesondere 10 % Ladezustand, die Dauerleistung nicht voll abgerufen werden kann. Im Szenario 4 zeigt sich, dass nur beim Ladezustand von 50 % der Hochvoltbatterie 3 die maximale Leistung von 660 kW abgerufen werden kann. Ein zu hoher und ein zu geringer Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 schränken dagegen die maximale Leistung des Brennstoffzellensystems ein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur elektrischen Verschaltung wenigstens eines Brennstoffzellenstapels (2) und wenigstens einer Hochvoltbatterie (3) zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern, welche auf der Seite der Hochvoltbatterie (3) angebunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) und die Hochvoltbatterie (3) über wenigstens ein einen Stromfluss in Richtung des Brennstoffzellenstapels (2) sperrende Diode (7) und wenigstens einen Schalter (6) zum Schließen und Trennen der Verbindung miteinander verschaltet sind.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung unter Verzicht auf einen Wandler ausgeführt ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Notabschalteinrichtung (13) für den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Notabschalteinrichtung (13) einen pyrotechnischen Schließer umfasst und mit einer externen Kommunikationsschnittstelle (9) verbunden ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung des Schalters (6) mit einer externen Kommunikationsschnittstelle (8) verbunden ist, wobei der Schalter (6) insbesondere als Leitungsschalter bzw. Schütz für beide Pole der Verbindung ausgebildet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
Einrichtungen (10, 11) zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels (2) und der Hochvoltbatterie (3) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Schalters (6) oder eine externe mit der
Kommunikationsschnittstelle (12) verbundenen Steuerung dazu eingerichtet ist den Schalter (6) in Abhängigkeit der über die Einrichtungen (10,11) zur Erfassung der Spannung des Brennstoffzellenstapels (2) und der Hochvoltbatterie (3) erfassten Spannungen zu betätigen.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein über wenigstens eine Sicherung abgesicherter elektrischer Anschluss (14) für Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems zwischen der Diode (7) und der Hochvoltbatterie (3) vorgesehen ist, wobei Verbraucher (5) über Batterieanschlüsse der Vorrichtung (1) angeschlossen sind.
9. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) in Abhängigkeit der Spannungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) einerseits und der wenigstens einen Hochvoltbatterie (3) andererseits gesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) geschlossen wird, bevor die Spannung der Brennstoffzellenstapels (2) die Spannung der Hochvoltbatterie (3) erreicht.
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