EP4399756A1

EP4399756A1 - Verschaltungs- und brennstoffzelleneinrichtung für eine effiziente verschaltung von brennstoffzellen sowie kraftfahrzeug

Info

Publication number: EP4399756A1
Application number: EP22783325.8A
Authority: EP
Inventors: David VERGOSSEN
Original assignee: STACK Hydrogen Solutions GmbH
Current assignee: STACK Hydrogen Solutions GmbH
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-07-17
Also published as: WO2023041595A1; DE102021123774A1; US20240375526A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschaltungseinrichtung (42) zum Verschalten mehrerer Brennstoffzellenmodule (5). Darin ist ein Basiselement (43) vorgesehen, das eine Matrix aus Kontaktpunkten (47) bereitstellt, die durch Verbindungselemente (22, 23, 41, 48) zum Realisieren unterschiedlicher Verschaltungen bestückbar ist. Das Basiselement (43) weist je anzuschließendem Brennstoffzellenmodul (5) zwei Eingangsanschlüsse (46) sowie Ausgangsanschlüsse auf. Weiter sind zwei Stromschienen (44) vorgesehen, die an jeweils eine Hälfte der Ausgangsanschlüsse angeschlossen sind und jeweils einen Außenkontakt (45) zum Anschließen eines durch die Brennstoffzellenmodule (5) zu versorgenden elektrischen Verbrauchers (4) bereitstellen. Je vorgesehenem Parallelzweig (21) von Brennstoffzellenmodulen (5) ist eine Diodeneinrichtung (6, 9, 33, 41) vorgesehen, die jeweils zwischen einen der Eingangsanschlüsse (46) und eine der Stromschienen (44) geschaltet ist und einen Stromfluss nur in Richtung von dem jeweiligen Eingangsanschluss (46) zu der jeweiligen Stromschiene (44) zulässt.

Description

VERSCHALTUNGS- UND BRENNSTOFFZELLENEINRICHTUNG FÜR EINE EFFIZIENTE VERSCHALTUNG VON BRENNSTOFFZELLEN SOWIE KRAFTFAHRZEUG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschaltungseinrichtung zum elektrischen Verschalten mehrerer Brennstoffzellenmodule. Die Erfindung betrifft weiter eine entsprechende Brennstoffzelleneinrichtung und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.

In vielen Bereichen, wie beispielsweise auch in der Fahrzeug- und Antriebstechnik, wird verstärkt auf elektrische Antriebe bzw. eine Elektrifizierung im Allgemeinen gesetzt. Dazu werden beispielsweise Batterien eingesetzt. Diese sind typischerweise aus einer Vielzahl einzelner Batteriezellen zusammengesetzt, um eine ausreichend hohe Spannung zu erzeugen. Damit geht jedoch die Gefahr einher, dass einzelne Batteriezellen ausfallen können, was Einfluss auf eine Funktionsfähigkeit oder Spannungslage der Gesamtbatterie haben kann. Entsprechende Maßnahmen, wie etwa Spannungsanpassungen oder dergleichen können allerdings aufwendig und kostenintensiv sein und ihrerseits weitere Fehlerquellen darstellen. Ebenso sind Hybridsysteme bekannt, in denen mehrere Energiequellen miteinander kombiniert werden. Dies kann jedoch eine oftmals kostenintensive, aufwändige und komplexe Anpassung der Teilsysteme aneinander erfordern und in bestimmten Situationen kann ein effizientes und effektives Zusammenwirken der Teilsysteme schwierig zu realisieren sein. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeug ein Energieverbrauch hochdynamisch sein, sich also schnell und in großem Umfang ändern. Solche Anforderungen können beispielsweise von Brennstoffzellen nicht ohne erheblichen Aufwand bedient werden. Daher kann eine Pufferbatterie verwendet werden, die jedoch typischerweise über einen aufwändigen und komplexen Gleichspannungswandler mit der Brennstoffzelle zu koppeln ist und zudem abhängig von ihrem Ladezustand unterschiedliche Spannungen bereitstellen und/oder variierende Anforderungen an eine Energiequelle zum Aufladen stellen kann, was entsprechende Systeme insgesamt herausfordernd macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Anwendung von Brennstoffzellen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren offenbart.

Die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung dient, ist also eingerichtet zum elektrischen Verschalten mehrerer Brennstoffzellenmodule. Ein Brennstoffzellenmodul im vorliegenden Sinne kann eine oder mehrere Brennstoffzellen umfassen, die insbesondere innerhalb des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls elektrisch in Reihe geschaltet sein können, sodass das Brennstoffzellenmodul entsprechend eine höhere Ausgangs- oder Nennspannung bereitstellen kann als eine einzelne Brennstoffzelle. Die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung weist zudem ein Basiselement, mehrere Verbindungselemente, zwei Stromschienen und wenigstens eine Diodeneinrichtung auf.

Das Basiselement stellt eine Matrix aus Anschluss- oder Kontaktpunkten bereit, die mit Verbindungselementen zum Realisieren unterschiedlicher elektrischer Verschaltungen bestückbar ist. Das Basiselement weist weiter je anzuschließendem bzw. anschließbarem oder zu verschallendem Brennstoffzellenmodul zwei Eingangsanschlüsse zum Anschließen des positiven Pols und des negativen Pols des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls auf. Zudem weist das Basiselement Ausgangsanschlüsse auf, über die eine elektrische Verbindung zu einem zu versorgenden oder im Betrieb über die Verschaltungseinrichtung mit den daran angeschlossenen Brennstoffzellenmodulen verbundenen elektrischen Verbraucher hergestellt oder realisiert werden, also laufen kann. Das Basiselement kann beispielsweise eine Montageplatte, ein Montageblock oder eine dreidimensionale, also nicht zwingend ebene oder planare, Vorrichtung sein. Das Basiselement kann - beispielsweise in Form der Kontaktpunkte oder als Teil davon - Montagepunkte bzw. Montagebohrungen zum Befestigen oder Anschließen zumindest der genannten Bauteile oder Komponenten aufweisen. Die Kontaktpunkte können dabei insbesondere elektrische Anbindungspunkte sein oder umfassen. Diese elektrischen Anbindungspunkte können beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement sein oder bereitstellen, über welches mehrere an den jeweiligen Kontaktpunkt bzw. Anbindungspunkt angeschlossene Bauteile oder Komponenten, insbesondere die Verbindungselemente, elektrisch leitend miteinander verbunden werden können. Die Kontaktpunkte können in einem Hauptkörper oder Grundkörper des Basiselements ausgebildet sein, der selbst aus einem elektrisch nichtleitfähigen bzw. elektrisch isolierenden Material gefertigt sein kann, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Die Verbindungselemente können beispielsweise durchgehende Leiter- oder Leitungsstücke für dauerhafte elektrisch leitfähige Verbindungen, elektrische Schalter und/oder Halbleiterelemente sein oder umfassen. Durch Bestücken des Basiselements mit derartigen Verbindungselementen können - aufgrund der matrixartigen Anordnung der Kontaktpunkte flexibel oder bedarfsgerecht, unterschiedliche elektrische Verschaltungen, also Verbindungskonfigurationen oder elektrische Pfade, realisiert werden. Somit können also durch das Basiselement besonders einfach unterschiedliche Brennstoffzelleneinrichtungen bzw. unterschiedliche Verschaltungen oder Verschaltungskonfigurationen einer Brennstoffzelleneinrichtung realisiert werden. Insbesondere ist dazu keine Anpassung oder passende Auswahl oder Zusammenstellung der Brennstoffzellenmodule selbst notwendig, da die entsprechende Funktionalität hier auf oder in das Basiselement ausgelagert ist. Dies ermöglicht auch eine besonders einfache Wartbarkeit oder Reparierbarkeit, beispielsweise indem einzelne beschädigte Verbindungselemente ausgetauscht werden können, ohne ein Brennstoffzellenmodul bzw. dessen Gehäuse zu öffnen.

Eine matrixartige Anordnung der Kontaktpunkte kann beispielsweise bedeuten, dass diese, insbesondere in einem regelmäßigen Muster, über zumindest eine Fläche des Basiselements verteilt angeordnet sind. Dabei können die Kontaktpunkte voneinander beabstandet sein, um bei einer Bestückung des Basiselements Bauraumkonflikte zwischen den Verbindungselementen zu vermeiden. Beispielsweise können jeweils zwei benachbarte Kontaktpunkte zumindest mehrere Millimeter oder beispielsweise einen Zentimeter oder dergleichen voneinander entfernt sein.

Durch entsprechende Anordnung und/oder durch entsprechendes Schalten von als Teil der Verbindungselemente vorgesehenen Schaltern können beispielsweise eine oder mehrere unterschiedliche n_sm_p-Konfigurationen der Brennstoffzellenmodule, in denen n Brennstoffzellenmodule seriell und m Brennstoffzellenmodule parallelgeschaltet sind, realisiert oder eingestellt werden, wobei n und m vorgegebene ganze Zahlen sind. Eine solche Verschaltung der Brennstoffzellenmodule erfolgt hier durch entsprechende Verschaltung der Eingangsanschlüsse und/oder der Ausgangsanschlüsse bzw. der an diese Anschlüsse angeschlossenen Komponenten, indem die Verbindungselemente an zumindest einen Teil der Kontaktpunkte angeschlossen sind oder angeschlossen werden. Durch die Verbindungselemente oder zusätzlich zu diesen können einfache, also beispielsweise nicht schaltbare, gegebenenfalls feste oder dauerhafte elektrische Verbindungen oder Pfade auf dem Basiselement realisiert sein. Beispielsweise können damit Ausgänge eines jeden vorgesehenen Parallelzweigs von Eingangsanschlüssen bzw. Brennstoffzellenmodulen mit den Stromschienen verbunden sein. Ebenso können einige oder alle der Verbindungselemente lösbar und in anderen Positionen oder Konfigurationen auf dem Basiselement anordenbar sein, um bei Bedarf eine bestimmte oder andere Verschaltung zu realisieren. Ein Verbindungselement bzw. ein Teil der Verbindungselemente kann jeweils zwei der Kontaktpunkte miteinander elektrisch leitend verbinden. Ebenso kann ein Verbindungselement bzw. ein Teil der Verbindungselemente nur mit einer Seite oder einem Ende an einen der Kontaktpunkte angeschlossen sein, während die andere Seite oder das andere Ende des jeweiligen Verbindungselements an ein anderes Bauteil, beispielsweise eine der Stromschienen oder eines der Brennstoffzellenmodule, angeschlossen bzw. anschließbar sein kann oder einen offenen Kontakt oder Anschlusspunkt, beispielsweise einen der Eingangsanschlüsse, bildet.

Die Stromschienen sind jeweils an disjunkte Hälften der Ausgangsanschlüsse elektrisch angeschlossen und stellen jeweils einen Außenkontakt zum Anschließen eines durch die Brennstoffzellenmodule, also über die Verschaltungseinrichtung zu versorgenden elektrischen Verbrauchers bereit oder bilden derartige Außenkontakte. Die Stromschienen verbinden oder sammeln also zumindest die jeweils verwendeten Ausgangsanschlüsse. Ein daran angeschlossener oder darüber zu versorgender Verbraucher kann beispielsweise ein Bordnetz oder ein Elektromotor eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen sein oder umfassen. Die Ausgangsanschlüsse können ebenso einteilig oder einstückig in die Stromschienen übergehen, also jeweils als entsprechender Übergangsbereich definiert sein.

Je vorgesehenem Parallelzweig - auch als Parallelstrang bezeichnet - von Eingangsanschlüssen bzw. Brennstoffzellenmodulen ist eine, insbesondere genau eine, Diodeneinrichtung vorgesehen. Diese ist jeweils zwischen einen der Eingangsanschlüsse und eine der Stromschienen geschaltet bzw. in einem entsprechenden elektrischen Pfad angeordnet. Die Diodeneinrichtung lässt - zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb enen Stromfluss nur in Richtung von dem Eingangsanschluss zu der Stromschiene, insbesondere zu derjenigen Stromschiene, die einen positiven Außenkontakt bildet, zu. Die Diodeneinrichtung kann also unidirektional stromführend bzw. elektrisch leitfähig sein und kann dadurch die Brennstoffzellenmodule vor einem schädlichen Einfließen eines Stromes schützen. Eine solche Diodeneinrichtung muss nun also nicht mehr in den einzelnen Brennstoffzellenmodulen selbst vorgesehen sein, sondern ist hier in die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung ausgelagert. Dadurch können die Brennstoffzellenmodule einfacher gestaltet sein oder flexibel unterschiedliche Arten oder unterschiedlich aufgebaute Brennstoffzellenmodule verwendet werden, unabhängig davon, ob diese einen entsprechenden Schutzmechanismus aufweisen oder nicht.

Die Diodeneinrichtung kann insbesondere die Funktion einer idealen Diode aufweisen oder nachbilden. Die Diodeneinrichtung kann also ein aktives elektronisches Bauteil sein oder umfassen, welches das Verhalten einer idealen Diode darstellt. Dadurch kann eine besonders verlustarme und effiziente Anbindung der Brennstoffzellenmodule und ein besonders effizienter Betrieb der Verschaltungseinrichtung realisiert werden.

Ein Parallelzweig beschreibt im vorliegenden Sinne einen elektrischen Pfad oder Schaltungszweig, der zu anderen entsprechenden Zweigen oder Pfaden, also zu anderen Parallelzweigen, bezüglich der Außenkontakte parallel geschaltet oder schaltbar ist. Ein solcher Parallelzweig kann jeweils mehrere seriell, also in Reihe geschaltete Paare von Eingangsanschlüssen, in der Brennstoffzelleneinrichtung insgesamt also mehrere seriell geschaltete Brennstoffzellenmodule, umfassen. Dabei kann es sich um Parallelzweige handeln, die in einer konkreten Anwendung, also in einer konkreten Brennstoffzelleneinrichtung oder einem konkreten Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung tatsächlich geschaltet sind oder mittels der vorliegenden Erfindung, insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung, schaltbar oder einstellbar sind.

Die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung stellt insgesamt also eine elektrische Verschaltung, das heißt entsprechende elektrische Verbindungen bereit, die bei Anschluss der Brennstoffzellenmodule an die Eingangsanschlüsse der Verschaltungseinrichtung die Brennstoffzellenmodule in der gewünschten, also vorgegebenen und an der Verschaltungseinrichtung konfigurierten Weise elektrisch miteinander verbindet bzw. verbinden kann. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine besonders einfache und flexible Realisierung unterschiedlicher Verschaltungen, ohne dass beispielsweise ein ansonsten oftmals verwendeter Kabelbaum direkter Verbindungsleitungen zwischen den Brennstoffzellenmodulen aufwendig angepasst werden müsste. Zudem können mittels der vorliegenden Erfindung Brennstoffzellenmodule unterschiedlicher Spannungslagen besonders einfach miteinander kombiniert werden, sodass ein entsprechendes Gesamtsystem, also eine entsprechende Brennstoffzelleneinrichtung, in der Lage ist, eine damit verbundene Batterie über deren gesamten SoC-, also Ladezustandsbereich (SoC: State of Charge) mit Energie zu versorgen. Dies kann für oder in Verbindung mit nahezu beliebigen Batterien, beispielsweise von Pufferbatterien bis hin zu vollwertigen Traktionsbatterien eines elektrischen Kraftfahrzeugs, realisiert werden. Durch die vorliegende Erfindung kann beispielsweise ein Brennstoffzellen-Range-Extender-System in einem Kraftfahrzeug, das auch eine Batterie, insbesondere eine zu der Brennstoffzelleneinrichtung bezüglich eines Traktionsmotors des Kraftfahrzeugs parallel geschaltete Traktionsbatterie, aufweist, besonders einfach, effektiv und effizient realisiert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, beispielsweise bei einem Ausfall einzelner Brennstoffzellenmodule diese elektrisch zu isolieren bzw. zu umgehen oder zu überbrücken, sodass eine entsprechende Brennstoffzelleneinrichtung dann zumindest teilweise betriebsbereit bleibt. Eine entsprechende Überbrückung oder Überbrückungsmöglichkeit kann hier vorteilhaft zentral durch die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung bereitgestellt werden. Dadurch muss also zum Auskoppeln eines ausgefallenen Brennstoffzellenmoduls nur die Verschaltungseinrichtung angesteuert werden und nicht das Brennstoffzellenmodul selbst. Dadurch lässt sich die entsprechende Funktionalität besonders einfach, aufwandsarm, kompakt und zuverlässig realisieren. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Auslagerung bzw. zentralen Bereitstellung der Diodeneinrichtungen in der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung. Dies bedeutet, dass die einzelnen Brennstoffzellenmodule keine derartige Diodeneinrichtung umfassen müssen, sodass - insbesondere bei Reihenschaltung mehrerer Brennstoffzellenmodule - die Gesamtanzahl der Diodeneinrichtungen gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen reduziert werden kann, da nur noch eine Diodeneinrichtung je vorgesehenem Parallelzweig verwendet werden muss.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Verbindungselemente zum Realisieren einer Parallelverschaltung mit wenigstens zwei Parallelzweigen der Eingangsanschlüsse angeordnet. Durch die Verbindungselemente sind also wenigstens zwei für verschiedene Brennstoffzellenmodule vorgesehene Eingangsanschlüsse parallelgeschaltet. Somit kann also durch Anschließen von Brennstoffzellenmodulen an dieser Eingangsanschlüsse wenigstens eine 2p-Verschaltung oder -Konfiguration der entsprechenden Brennstoffzellenmodule realisiert werden. Weiter umfassen die Verbindungselemente hier wenigstens einen bidirektionalen Querverbindungsschalter. Dieser wenigstens eine bidirektionale Querverbindungsschalter ist dabei jeweils zwischen den beiden Parallelzweigen angeordnet. Der Querverbindungsschalter kann also eine elektrische Verbindung der beiden Parallelzweige, insbesondere jeweils zwischen zwei seriell verschalteten Eingangsanschlusspaaren bzw. Brennstoffzellenmodulen und/oder unmittelbar vor der jeweiligen Diodeneinrichtung, die dann die Verbindung zu der ausgangsseitigen Stromschiene bilden kann, herstellen oder trennen. Der Querverbindungsschalter kann also eine entsprechende Querverbindung zwischen den Parallelzweigen bilden bzw. in einer solchen Querverbindung angeordnet sein. Der Querverbindungsschalter kann auch kurz als SQ-Schalter bezeichnet werden. Insbesondere kann je Parallelzweig wenigstens ein solcher bidirektionale Querverbindungsschalter vorgesehen sein. Es können dann also zwischen jeweils zwei benachbarten Parallelzweigen genau ein oder wenigstens ein Querverbindungsschalter oder beispielsweise bei zwei Parallelzweigen zwischen diesen entsprechend zwei Querverbindungsschalter angeordnet sein. Bevorzugt kann die Anzahl der Querverbindungsschalter je Parallelzweig der Anzahl der in dem Parallelzweig seriell verschalteten Brennstoffzellenmodule oder Paare von Eingangsanschlüssen entsprechen oder um 1 geringer sein als diese. Damit kann dann also jeweils zwischen zwei in serieller Verschaltungseinrichtung benachbarte Brennstoffzellenmodule bzw. Paare von Eingangsanschlüssen ein Querverbindungsschalter geschaltet oder angeordnet sein. Dies kann insbesondere für alle in serieller Verschaltungsrichtung benachbarten Paare von Brennstoffzellenmodulen bzw. Paare von Eingangsanschlüssen gelten. Damit kann eine besonders große Flexibilität und Vielfalt der einstellbaren Verschaltungen realisiert werden. Die Querverbindungsschalter ermöglichen insbesondere zusätzliche Verschaltungen oder Kombinationen, die beispielsweise allein durch ein galvanisches Trennen oder Auskoppeln bzw. Überbrücken einzelner Paare von Eingangsanschlüssen bzw. einzelner Brennstoffzellenmodule nicht realisierbar wären. Damit kann dann beispielsweise ein an den Ausgangsanschlüssen anliegendes Spannungsniveau besonders flexibel eingestellt oder an besonders viele unterschiedliche Situationen oder Anforderungen, beispielsweise unterschiedliche Ladezustände einer parallel geschalteten Batterie, angepasst werden.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen die Verbindungselemente wenigstens einen Bypassschalter, insbesondere je Paar von Eingangsanschlüssen wenigstens einen oder genau einen Bypassschalter. Dieser wenigstens eine Bypassschalter ist dabei parallel zu dem jeweiligen Paar von Eingangsanschlüssen, also gegebenenfalls parallel zu dem daran angeschlossenen Brennstoffzellenmodul, zwischen dieses und einen der Ausgangsanschlüsse geschaltet, also entsprechend angeordnet, um je nach Schaltzustand des Bypassschalters eine Überbrückung des jeweiligen Paares von Eingangsanschlüssen bzw. des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls herzustellen oder zu trennen. Die Bypassschalter können geschlossen werden, um eine leitende Verbindung, beispielsweise anstelle eines ausgefallenen oder zum Anpassen einer Ausgangsspannung, also der Spannungslage an den Ausgangsanschlüssen, ausgekoppelten oder überbrückten Brennstoffzellenmoduls bereitzustellen. Dadurch kann eine entsprechende Brennstoffzelleneinrichtung auch bei einem Ausfall eines oder mehrerer Brennstoffzellenmodule zumindest bedingt weiter betrieben werden. Zudem kann durch die Bypassschalter die Flexibilität und Vielfalt der realisierbaren Verschaltungen erhöht werden, beispielsweise um unterschiedliche Ausgangsspannungen oder Leistungen bereitzustellen. Die Bypassschalter sind hier jeweils parallel zu einem Paar von Eingangsanschlüssen bzw. zu einem Brennstoffzellenmodul geschaltet oder angeordnet und werden daher auch als SP-Schalter bezeichnet.

In einer konkreten Brennstoffzelleneinrichtung, die mit der hier vorgeschlagenen Verschaltungseinrichtung ausgestattet ist, können die Brennstoffzellenmodule zusätzlich wenigstens einen, insbesondere einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen, Auskoppelschalter aufweisen, um das jeweilige Brennstoffzellenmodul aus der elektrischen Verschaltung, also dem Schaltungsverbund der Brennstoffzellenmodule auszukoppeln, also galvanisch zu trennen. Ein durch die übrigen Brennstoffzellenmodule bereitgestellter Strom kann dann unter Umgehung oder Überbrückung des derart ausgekoppelten Brennstoffzellenmoduls durch den zugehörigen geschlossenen Bypassschalter fließen. Die Auskoppelschalter können bevorzugt als Schütze ausgebildet sein. Durch die brennstoffzellenmodulinternen Auskoppelschalter kann besonders zuverlässig ein definiertes elektrisches Verhalten der jeweiligen Überbrückung erreicht werden, das ansonsten beispielsweise durch einen unbekannten effektiven Widerstand eines ausgefallenen oder beschädigten Brennstoffzellenmoduls in unvorhersehbarer Weise beeinflusst sein könnte.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen die Verbindungselemente wenigstens einen steuerbaren Schalter. Dies kann beispielsweise der genannte wenigstens eine Querverbindungsschalter und/oder Bypassschalter sein. Die Verschaltungseinrichtung weist hier weiter ein Steuergerät auf, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Verschaltungseinrichtung bzw. der damit ausgestatteten oder betriebenen Brennstoffzelleneinrichtung einen jeweils aktuellen Ladezustand einer bezüglich eines externen elektrischen Verbrauchers zu der Verschaltungseinrichtung bzw. der diese umfassenden Brennstoffzelleneinrichtung parallel geschalteten Batterie zu erfassen. Das Steuergerät ist weiter dazu eingerichtet, den wenigstens einen steuerbaren Schalter in Abhängigkeit von dem erfassten Ladezustand anzusteuern, also zu schalten, um an den Außenkontakten der Verschaltungseinrichtung eine an den erfassten Ladezustand angepasste Spannung bereitzustellen. Durch das Steuergerät können also beispielsweise entsprechend unterschiedliche Anzahlen von Brennstoffzellenmodulen - und damit letztlich von Brennstoffzellen - eingebunden werden. Typischerweise kann ein direkt mit einer Batterie verschalteter Brennstoffzellenstapel mit einer auf die Batterie angepassten Anzahl von Brennstoffzellen an die Batterie nur dann eine elektrische Leistung abgeben, wenn sich die Batterie in einem bestimmten Ladezustandsfenster befindet. Liegt der Ladezustand der Batterie außerhalb dieses Ladezustandsfensters, kann der Brennstoffzellenstapel keine elektrische Energie mehr an die Batterie abgeben. Dieses Problem kann hier umgangen werden, indem durch entsprechendes Ansteuern des wenigstens einen steuerbaren Schalters die Anzahl der zu der Ausgangsspannung beitragenden Brennstoffzellen variiert werden kann. Somit können verschiedene Verschaltungen realisiert werden, um über einen breiteren, insbesondere den gesamten, Ladezustandsbereich der jeweiligen Batterie hinweg durch die Brennstoffzellenmodule über die Verschaltungseinrichtung Energie an die Batterie bereitstellen, also abgeben zu können.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Verschaltungseinrichtung ausgangsseitig eine Vorladeschaltung zum Angleichen einer an den Außenkontakten bereitgestellten Spannung und einer Spannung einer im Betrieb der Verschaltungseinrichtung mit den Außenkontakten elektrisch ohne dazwischengeschalteten Spannungswandler (DCDC-Wandler) verbundenen Batterie aneinander auf. Diese Vorladeschaltung kann insbesondere als eine Schalteinheit mit wenigstens einem Halbleitertransistorschalter ausgebildet sein. Die Vorladeschaltung kann beispielsweise als integrierter Halbleiterbaustein ausgebildet sein oder einen solchen umfassen oder beispielsweise eine Platine mit mehreren darauf angeordneten Bauteilen, wie etwa wenigstens einem integrierten Halbleiterbaustein oder integrierten Schaltkreis und/oder wenigstens einem SMDs (Surface-Mounted Device) und/oder dergleichen, mehr sein oder umfassen. Die Vorladeschaltung kann beispielsweise ein Gehäuse umfassen, in dem die übrigen Bauteile der Vorladeschaltung angeordnet, beispielsweise eingegossen, sein können. Dass die Vorladeschaltung ausgangsseitig angeordnet ist, kann insbesondere bedeuten, dass die Vorladeschaltung in Stromflussrichtung auf einer einer der Stromschienen bzw. einem der Ausgangskontakte zugewandten Seite der Eingangsanschlüsse bzw. der Brennstoffzellenmodule angeordnet ist und sich zwischen der Vorladeschaltung und dem jeweiligen Außenkontakt in Stromflussrichtung kein Eingangsanschluss bzw. kein Brennstoffzellenmodul befindet. Durch den Verzicht auf einen Spannungswandler ergibt sich hier gegenüber herkömmlichen Lösungen ein Vorteil hinsichtlich Komplexität, Gewicht und Kosten, während durch die Vorladeschaltung jeweils im Moment des elektrischen Zusammenschalten von Verschaltungseinrichtung bzw. Brennstoffzelleneinrichtung und der jeweiligen Batterie ein gedämpfter Angleich von deren Spannungen oder Spannungspegeln erreicht werden kann. Somit können also eine Vorsteuerung von Komponenten der Brennstoffzelleneinrichtung realisiert und beispielsweise abrupte elektrische Lastwechsel abgedämpft werden. Die Vorladeschaltung kann dazu eingerichtet sein, in einem Nebenzweig den Halbleitertransistorschalter gesteuert zu schließen und nach dem Angleichen der Spannungen einen in einem Hauptzweig angeordneten Hauptschalter zu schließen und anschließend den Halbleitertransistorschalter zu öffnen. Damit wäre dann unter gedämpfter Spannungsangleichung eine direkte elektrische Verbindung zwischen der Verschaltungseinrichtung bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie über den Hauptzweig geschaltet, die besonders widerstandsarm sein kann. Damit kann auch ohne Spannungswandler ein besonders belastungsarmes Zusammenschalten der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie ermöglicht werden. Die Vorladeschaltung kann insbesondere der genannten Diodeneinrichtung entsprechen oder mit dieser kombiniert, insbesondere in der Schalteinheit, in dem Halbleiterbaustein, auf der Platine und/oder in dem Gehäuse der Vorladeschaltung funktions- oder bauteilintegriert sein. Sofern mehrere Parallelzweige von Paaren von Eingangsanschlüssen bzw. von Brennstoffzellenmodulen vorgesehen oder schaltbar sind, kann je Parallelzweig eine solche Vorladeschaltung, beispielsweise in Form der jeweiligen Diodeneinrichtung oder eine solche umfassend, vorgesehen sein. Ebenso kann eine einzige oder gemeinsame Vorladeschaltung vorgesehen sein, die dann in einem Strom- oder Leitungspfad angeordnet sein kann, der auf einer von dem jeweiligen Außenkontakt abgewandten Eingangsseite der Vorladeschaltung sämtliche Parallelzweige zusammenführt. Das Angleichen der Spannungen kann beispielsweise durch einen Widerstand der Vorladeschaltung oder durch gesteuertes bzw. geregeltes Schalten des Halbleitertransistorschalters, beispielsweise mit graduell oder gestuft zunehmender Durchlässigkeit oder zunehmendem Tastverhältnis oder dergleichen, realisiert werden.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschaltung eine dedizierte Induktivität auf. Hier ist also ein elektrisches oder elektronisches Bauteil vorgesehen, dass als Induktivität in der Vorladeschaltung dient, sodass also nicht nur unvermeidliche parasitäre Induktivitäten der übrigen Bauteile oder Komponenten genutzt werden. Durch eine solche, insbesondere seriell dem Halbleitertransistorschalter vorgeschaltete, Induktivität kann ein induktiver Anteil einer Gesamtimpedanz erhöht werden. Die Induktivität kann also beispielsweise in Kombination mit einer durch die Steuerung oder Regelung der Vorladeschaltung, insbesondere des Halbleitertransistorschalters, einstellbaren Grundfrequenz einer PWM-Steuerung bzw. eines PWM-Signals zum Ansteuern des Halbleitertransistorschalters für das Angleichen der Spannungen als frequenzabhängiger Widerstand fungieren. Damit können steilflankige Änderungen eines von den Brennstoffzellenmodulen bzw. den Eingangsanschlüssen der Verschaltungseinrichtung durch die Vorladeschaltung fließenden Stroms infolge der impulsförmigen PWM- Ansteuerung stärker bedämpft werden, als dies durch die unvermeidlichen parasitären Kapazitäten, die in dem jeweiligen Schaltungsverbund vorhanden sind, der Fall ist. Dadurch können also, insbesondere abrupte oder steilflankige, Strom- und/oder Spannungssprünge beim Zusammenschalten der Brennstoffzellenmodule und der Batterie mittels der Verschaltungseinrichtung vermieden oder reduziert werden. In einer einfachen Ausführung können beispielsweise in dem genannten Hauptzweig der genannte Hauptschalter und parallel dazu in dem Nebenzweig ein Widerstand, die Induktivität und ein Schalter, beispielsweise der genannte Halbleitertransistorschalter, in Reihe geschaltet angeordnet sein.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorladeschaltung wenigstens einen Schalter oder eine Schalteinrichtung, beispielsweise anstelle des genannten Widerstands im Nebenzweig. Weiter umfasst die Vorladeschaltung hier eine Steuereinrichtung bzw. eine Regelung zum Ansteuern des wenigstens einen Schalters, insbesondere zum Regeln bzw. geregelten Ansteuern des Schalters. Die Steuereinrichtung ist dabei dazu eingerichtet, den Schalter graduell oder stufenweise, also nach und nach bzw. über wenigstens einen oder mehrere Zwischenschritte oder Zwischenstufen von dauerhaft offen hin zu dauerhaft und vollständig geschlossen anzusteuern oder zu schalten. Dies kann insbesondere in Abhängigkeit von einem bei dem Angleichen der Spannungen von den Eingangsanschlüssen bzw. den Brennstoffzellenmodulen zu der Vorladeschaltung fließenden Strom erfolgen. Dazu kann die Vorladeschaltung oder die Verschaltungseinrichtung auch ein entsprechendes Strommessgerät aufweisen. Der zu der Vorladeschaltung fließende Strom kann hier also als Steuer- oder Regelgröße verwendet werden. Damit kann das Angleichen der Spannungen jeweils situations- und bedarfsgerecht erfolgen, beispielsweise so langsam wie nötig und so schnell wie möglich. Dies ermöglicht also einen sicheren und gleichzeitig besonders schnellen und effizienten Betrieb beim Zusammenschalten von Brennstoffzelleneinrichtung und Batterie. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise eine lineare oder PWM-basierte Steuerung oder Regelung anwenden bzw. implementieren. Damit kann besonders einfach und aufwandsarm die Angleichung der Spannungen realisiert und die damit einhergehende Reduzierung der Bauteilbelastungen beim Zusammenschalten von Brennstoffzellenmodulen und Batterie durch die Verschaltungseinrichtung erreicht werden.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Vorladeschaltung eine, insbesondere bistabile, schaltbare Überbrückung des Schalters auf. Diese Überbrückung weist dabei im geschlossenen, also durchgeschalteten Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand als der Schalter in seinem geschlossenen Zustand auf. Die Vorladeschaltung ist dann dazu eingerichtet, den Schalter durch Schließen der Überbrückung zu überbrücken, nachdem der Schalter bzw. dessen Steuerung oder Regelung den dauerhaft und vollständig geschlossenen Zustand erreicht hat. Beispielsweise kann der Schalter als Halbleitertransistorschalter realisiert sein, während die Überbrückung als elektromechanischer Schalter ausgebildet sein oder einen elektromechanischen Schalter umfassen kann. Der Halbleitertransistorschalter ermöglicht dann eine besonders einfache und präzise Steuerung oder Regelung zum Angleichen der Spannungen, während der elektromechanische Schalter nach dem Angleichen der Spannungen eine besonders widerstandsarme und damit besonders verlustarme elektrische Verbindung bereitstellen oder bilden kann. Durch die bistabile Ausbildung der Überbrückung kann zudem Energie eingespart werden, die ansonsten gegebenenfalls zum Halten der Überbrückung bzw. des elektromechanischen Schalters in dem geschlossenen Zustand aufgewendet werden müsste.

Die Überbrückung kann insbesondere ausfall- und betriebssicher ausgebildet sein, also dazu eingerichtet sein, automatisch zu öffnen, das heißt die Überbrückung aufzuheben, wenn eine Betriebs- oder Versorgungsspannung ausfällt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende elektronische Schaltung realisiert werden, die mit der Überbrückung verbunden oder in diese integriert ist. Beispielsweise kann darin ein Kondensator vorgesehen sein, der automatisch aktiviert, also entladen wird, wenn die Betriebs- oder Versorgungsspannung der Überbrückung oder der Vorladeschaltung ausfällt und dabei Energie zum Öffnen der Überbrückung bereitstellt. Damit kann sichergestellt werden, dass die Überbrückung bzw. die Vorladeschaltung in einem entsprechenden Fehlerfall automatisch in einen sicheren Zustand schaltet.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bildet die Vorladeschaltung funktional zumindest neben gegebenenfalls anderen vorgesehenen Funktionen auch eine ideale Diode. Mit anderen Worten bildet die Vorladeschaltung also die Funktion oder das elektrische Verhalten einer idealen Diode nach. Dazu kann die Vorladeschaltung einen Transistor und eine zugehörige Regeleinheit aufweisen, welche zur Realisierung der idealen Diodenfunktion mittels entsprechender Ansteuerung des Transistor eingerichtet ist. Zur Kombination mit der an anderer Stelle beschriebenen Steuerung oder Regelung zum Angleichen der Spannungen der Brennstoffzellenmodule und der Batterie kann die Vorladeschaltung beispielsweise zwei entgegengesetzt zueinander in Reihe geschaltete Transistoren umfassen. Ein erster dieser Transistoren kann der genannte Schalter sein, der zum Angleichen der Spannungen durch die Steuereinrichtung ansteuerbar bzw. regelbar ist, während der andere der beiden Transistoren zum Implementieren oder Realisieren der idealen Diodenfunktion dienen bzw. eingerichtet sein kann. Eine derartig implementierte ideale Diode kann beispielsweise im Vergleich zu einer realen elementaren Germaniumoder Siliziumdiode eine verringerte Verlustleistung aufweisen und somit den Energiebedarf der Verschaltungseinrichtung weiter verringern, also deren Effizienz weiter verbessern.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der genannte Querverbindungsschalter als Schalteinheit ausgebildet, die genauso aufgebaut ist wie die als oder für die Vorladeschaltung verwendete Schalteinheit. Mit anderen Worten kann hier also die gleiche Schalteinheit oder Baugruppe für die Vorladeschaltung und für den bzw. für jeden Querverbindungsschalter verwendet werden. Damit kann eine Gleichteilestrategie implementiert werden, die eine besonders kostengünstige und effiziente Fertigung der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung ermöglicht. Ebenso kann jeweils auch der gleiche Baustein für die genannten Bypassschalter verwendet werden. Da diese jedoch aufgrund ihrer Anordnung unabhängig von der vorgegebenen oder eingestellten Verschaltung nur in einer Richtung von Strom durchflossen werden bzw. Strom führen müssen, können die Bypassschalter ebenso einfacher aufgebaut sein, beispielsweise unidirektional stromführend mit nur einem der genannten Halbleitertransistorschalter bzw. Transistoren. Durch den einfacheren Aufbau der Bypassschalter können gegebenenfalls ebenfalls Kosten und/oder Energie im Betrieb der Verschaltungseinrichtung eingespart werden. Die hier vorgeschlagene Schalteinheit, insbesondere ein von dieser umfasster integrierter Halbleiterbaustein, kann ebenso weitere integrierte Funktionalitäten aufweisen. Beispielsweise kann die Schalteinheit eine Gateansteuerung zur Realisierung der idealen Diode mittels Transistoren, die Möglichkeit zur PWM- oder Linearregelung eines Transistorgates zur Abbildung einer Schalterfunktionalität, eine Ansteuerung eines bipolaren Relais, also etwa der bistabilen Überbrückung, eine Strommessung, beispielsweise mittels eines Shunts und/oder eines Hallsensors, eine Überstromschutzabschaltung, eine Überspannungsschutzabschaltung, eine Konfigurierbarkeit oder Konfigurationsmöglichkeit via einer Busverbindung oder durch entsprechende IC-Außenbeschaltung oder per Software im Flashverfahren, eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise über eine Busverbindung, eine oder mehrere Schnittstellen zur Außenbeschaltung, zur Konfiguration oder zur Programmierung, eine galvanische getrennte Spannungsversorgung für einen sicheren Einsatz im Hochvoltbereich und/oder dergleichen mehr aufweisen oder implementieren. Durch eine derartige Kombination oder Integration von Funktionalitäten oder Merkmalen in einem integrierten Schaltkreis könnte eine entsprechende Gesamtschaltung und damit auch die erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung insgesamt gegebenenfalls kostengünstiger gefertigt werden als beispielsweise eine Leiterplatte, auf der einige oder alle der genannten Funktionalitäten durch separate Bauelemente oder Baugruppen realisiert sind. Ob sich die jeweilige Schalteinheit jeweils beispielsweise als bidirektionaler Querverbindungsschalter, als Diodeneinrichtung, als Vorladeschaltung oder dergleichen verhält oder verhalten soll, kann beispielsweise mittels der Konfiguration oder Programmierung über eine Busverbindung, über ein Flashverfahren oder mittels einer Außenbeschaltung, etwa mittels eines Jumpers, einer Lotbrücke, einer Widerstandsverschaltung oder einer ähnlich gearteten Außenbeschaltung festgelegt oder eingestellt werden.

Einige oder alle der genannten Bauteile oder Komponenten, wie beispielsweise die genannten Schalter, die genannte Schalteinheit oder Schalteinheiten und/oder dergleichen mehr, können jeweils auf dem Basiselement montiert sein, insbesondere an dessen Kontaktpunkten eingesteckt, verschraubt oder in ähnlicher oder sonstiger Weise befestigt und beispielsweise darüber elektrisch leitend angebunden oder kontaktiert sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung und Konfiguration sowie eine besonders einfache und flexible Anpassbarkeit der Verschaltungseinrichtung, beispielsweise für verschiedene Situationen oder Anwendungszwecke. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelleneinrichtung, die wenigstens eine erfindungsgemäße Verschaltungseinrichtung und mehrere an deren Eingangsanschlüsse angeschlossene Brennstoffzellenmodule aufweist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung kann insbesondere die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung genannte Brennstoffzelleneinrichtung sein. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung einige oder alle der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung erwähnten Bauteile, Komponenten, Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung das genannte Steuergerät zum Schalten oder Einstellen unterschiedlicher Verschaltungen oder Konfigurationen umfassen. Ebenso können hier die Brennstoffzellenmodule der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung insbesondere jeweils mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen und/oder die genannten eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Auskoppelschalter umfassen.

Dementsprechend weisen die Brennstoffzellenmodule in einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung also jeweils intern wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei, Auskoppelschalter auf, der bzw. die bevorzugt als bistabiler Schütz ausgebildet ist bzw. sind. Die Auskoppelschalter dienen bzw. sind eingerichtet zum galvanischen Trennen des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls vom Rest der Brennstoffzelleneinrichtung. Durch Öffnen der Auskoppelschalter kann also das jeweilige Brennstoffzellenmodul aus einem elektrischen Schaltungsverbund der Brennstoffzelleneinrichtung ausgekoppelt werden. Die Auskoppelschalter können auch dann nützlich sein, wenn es eine Umgehung oder Überbrückung für das jeweilige Brennstoffzellenmodul, beispielsweise in Form der an anderer Stelle genannten Bypassschalter, gibt, da dann durch Öffnen des wenigstens einen internen Auskoppelschalters des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls ein definiertes elektrisches Verhalten des entsprechenden Zweiges, insbesondere der jeweiligen Überbrückung, sichergestellt werden kann.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen zumindest einige der Brennstoffzellenmodule unterschiedlich viele Brennstoffzellen. Mit anderen Worten umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung also wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, Brennstoffzellenmodule, die unterschiedliche Anzahlen von internen individuellen Brennstoffzellen aufweisen. Damit können die entsprechend unterschiedlichen Brennstoffzellenmodule also unterschiedliche Spannungen oder Spannungslagen bereitstellen. Dies eröffnet in Kombination mit der Möglichkeit, unterschiedliche Verschaltungen der Brennstoffzellenmodule mittels der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung einzustellen, eine noch größere Flexibilität oder Bandbreite von Verschaltungen und einen breiteren Einstellungs- oder Einsatzbereich der Brennstoffzelleneinrichtung. Beispielsweise kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass eine mit der Brennstoffzelleneinrichtung gekoppelte Batterie über ihren gesamten Ladezustandsbereich hinweg durch die Brennstoffzelleneinrichtung mit Energie versorgt, also aufgeladen werden kann, indem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinrichtung durch entsprechende Auswahl und Verschaltung der unterschiedlichen Brennstoffzellenmodule angepasst oder eingestellt wird.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Brennstoffzellenmodule mittels der Verschaltungseinrichtung in mehreren Parallelzweigen, die jeweils mehrere seriell verschaltete Brennstoffzellenmodule mit unterschiedlich vielen Brennstoffzellen umfassen, verschaltet oder verschaltbar. Dabei sind die Brennstoffzellenmodule in unterschiedlichen Parallelzweigen in Richtung der Serienverschaltung betrachtet hinsichtlich ihrer Anzahlen von Brennstoffzellen in unterschiedlichen Reihenfolgen angeordnet bzw. bei Realisierung der entsprechenden Serienverschaltungen verschaltet. Die verschiedenen Parallelzweige können dabei insgesamt dieselbe Anzahl von Brennstoffzellen umfassen. Beispielsweise können also zwei Parallelzweige jeweils ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl A, ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl B und ein Brennstoffzellenmodul mit einer Brennstoffzellenanzahl C umfassen, wobei A, B und C unterschiedliche ganze Zahlen sind. In dem einen Parallelzweig können diese Brennstoffzellenmodule dann in der Abfolge A, B, C und in dem anderen Parallelzweig beispielsweise in der Abfolge C, A, B angeordnet bzw. seriell verschaltet oder verschaltbar sein. Dadurch können, beispielsweise unter Verwendung der genannten Querverbindungsschalter oder auch der genannten Bypassschalter, besonders einfach und effektiv besonders viele unterschiedliche Verschaltungen bzw. Ausgangsspannungen der Brennstoffzelleneinrichtung realisiert werden. Der oder die Querverbindungsschalter können hier insbesondere so angeordnet sein, dass aus allen Parallelzweigen diejenigen Brennstoffzellenmodule, die innerhalb ihres jeweiligen Parallelzweig die größte Anzahl von Brennstoffzellen aufweisen, sämtlich zwischen einem Eingang und einem Ausgang, also den beiden Ausgangskontakten der Brennstoffzelleneinrichtung, in Reihe geschaltet werden können. Entsprechendes kann für die Brennstoffzellenmodule mit der jeweils geringsten Anzahl von Brennstoffzellen gelten. Auf diese Weise kann eine besonders große Bandbreite der durch entsprechende Verschaltungen einstellbaren Ausgangsspannungen der Brennstoffzelleneinrichtung realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass unterschiedliche Parallelzweige jeweils insgesamt unterschiedliche viele Brennstoffzellen aufweisen, beispielsweise durch unterschiedliche Anzahlen und/oder unterschiedliche Ausgestaltungen der Brennstoffzellenmodule.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung und eine Batterie zum elektrischen Versorgen eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs aufweist. Dadurch kann beispielsweise ein brennstoffzellenbasiertes Range- Extender-Antriebssystem realisiert sein. Ebenso kann es sich bei der Batterie aber beispielsweise um eine relativ kleinere Pufferbatterie oder dergleichen handeln. Die Brennstoffzelleneinrichtung und die Batterie sind dabei ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler bezüglich des elektrischen Verbrauchers parallel zueinander geschaltet. Bei dem Verbraucher kann es sich beispielsweise um ein Bordnetz, daran angeschlossene elektrische Komponenten oder Einrichtungen, einen elektrischen Antriebsmotor und/oder dergleichen mehr handeln. Die Batterie kann insbesondere eine Hochvolt- oder Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit den übrigen Aspekten der vorliegenden Erfindung genannte Kraftfahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der dort genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Ein solches elektrisches Kraftfahrzeug stellt einen besonders nutzbringenden Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung dar, da einerseits wie eingangs beschrieben im Fährbetrieb elektrische Lasten oder Leistungsanforderungen besonders stark und schnell variieren können und andererseits eine Einsparung von Gewicht, Bauteilen und Komplexität sich unmittelbar positiv auf eine Effizienz, Reichweite und Nachhaltigkeit des Kraftfahrzeugs auswirken kann.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzelleneinrichtung und einer dazu parallel geschalteten Batterie;

Fig. 2 eine schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer Steuerung einer Vorladeschaltung der Brennstoffzelleneinrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs in einer anderen Konfiguration;

Fig. 4 eine ausschnittweise schematische Darstellung der Brennstoffzelleneinrichtung in drei unterschiedlichen Verschaltungen;

Fig. 5 eine schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer Leistungseinspeisung von der Brennstoffzelleneinrichtung in die Batterie;

Fig. 6 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer Schalteinheit der Brennstoffzelleneinrichtung in einer ersten Variante;

Fig. 7 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer Schalteinheit der Brennstoffzelleneinrichtung in einer zweiten Variante;

Fig. 8 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer Schalteinheit der Brennstoffzelleneinrichtung in einer dritten Variante; und

Fig. 9 eine weitere ausschnittweise schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs zur Veranschaulichung einer Verschaltungseinrichtung der Brennstoffzelleneinrichtung.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Von mehrfach vorkommenden Elementen ist der Übersichtlichkeit halber teilweise nur eine repräsentative Auswahl explizit gekennzeichnet.

Brennstoffzellensysteme, beispielsweise für Fahrzeuge, können Stapel von mehreren Brennstoffzellen und somit entsprechend viele Bipolarplatten umfassen. Eine von einem solchen Brennstoffzellensystem erzeugte oder ausgegebene Gesamtspannung UBZS setzt sich dann aus der Summe der Zellspannungen Uz der einzelnen Brennstoffzellen zusammen. Damit ein Brennstoffzellensystem seine Energie an einen Verbraucher bzw. einen Energiespeicher abgeben kann, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Gerade in einem Fahrzeug kann ein elektrischer Energieverbrauch sehr dynamisch sein, was zur Folge hat, dass entweder das Brennstoffzellensystem entsprechenden hochdynamischen Leistungsanforderungen durch eine entsprechend hochdynamische Nachführung der Medien Wasserstoff und Sauerstoff nachkommen muss oder dass zumindest ein Teil, insbesondere ein Großteil, einer entsprechenden Dynamik durch einen Pufferspeicher, beispielsweise eine Hochvolt- oder Traktionsbatterie des Fahrzeugs, aufgefangen werden muss. Bei einem entsprechenden kombinierten System aus Brennstoffzellen und einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug kann dann von einem Brennstoffzellen-Range-Extender gesprochen werden, insbesondere wenn ein Gesamtbeitrag einer Batteriekapazität der Traktionsbatterie zur Reichweite des Fahrzeugs zumindest im Bereich der durch das Brennstoffzellensystem hinzugewonnenen Reichweite liegt. Mit einem derartigen kombinierten System besteht jedoch die Herausforderung der Kopplung des Brennstoffzellensystems, der Traktionsbatterie und der elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs.

Um einen aufwändigen und teuren DCDC- Wandler, der die Spannung UBZS des Brennstoffzellensystems wandelt, einzusparen, kann prinzipiell eine direkte Verbindung des Brennstoffzellensystems und der Traktionsbatterie in Betracht gezogen werden. Daraus können sich jedoch Einschränkungen sichtlich eines Betriebsfensters des Brennstoffzellensystems ergeben. Bei einer elektrischen Parallelschaltung von Brennstoffzellensystem und Traktionsbatterie wird sich ein Arbeitspunkt auf der Polarisationskurve des Brennstoffzellensystems einstellen, welcher durch die sich einstellende Spannung definiert wird. Dies wird als spannungsgeführter Betrieb bezeichnet. Korrespondierend zu einem solchen Arbeitspunkt stellt sich eine maximal durch das Brennstoffzellensystem an die Traktionsbatterie lieferbare elektrische Leistung ein. Diese Leistung kann in Abhängigkeit vom Ladezustand der Traktionsbatterie variieren, wobei gegebenenfalls nur in einem begrenzten Ladezustandsbereich oder Ladezustandsfenster, beispielsweise zwischen 45 % und 100 % Ladezustand, eine elektrische Leistung von dem Brennstoffzellensystem an die Traktionsbatterie abgegeben werden kann. Vor diesem Hintergrund zeigt Fig. 1 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1, das mit einer Brennstoffzelleneinrichtung 2 und einer Batterie 3 ausgestattet ist, die zusammen elektrische Energie zur Versorgung eines Bordnetzes 4 des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellen. Dabei kann die Brennstoffzelleneinrichtung 2 einen Brennstoffzellenstrom IBZS und die Batterie 3 mit ihrer Batteriespannung Ußat einen Batteriestrom l_Bat bereitstellen, womit sich ein Bordnetzstrom IBN ergibt. UBN bezeichnet hier eine Bordnetzspannung in dem Bordnetz 4.

Die Brennstoffzelleneinrichtung 2 umfasst mehrere Brennstoffzellenmodule 5 sowie eine Vorladeschaltung 6. Die Brennstoffzellenmodule 5 können jeweils einen Brennstoffzellenstapel 7 aus mehreren seriell verschalteten einzelnen Brennstoffzellen sowie eingangsseitige und ausgangsseitige Auskoppelschalter 8 umfassen. Die Auskoppelschalter 8 können beispielsweise als Schütze realisiert sein. Weiter sind hier Diodeneinrichtungen 9 vorgesehen, welche sicherstellen können, dass der Brennstoffzellenstrom I BZS ausschließlich in Richtung von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 in die Batterie 3 bzw. zu dem Bordnetz 4 fließt, um eine Beschädigung der Brennstoffzellenstapel 7 zu vermeiden. In einem einfachen Fall können die Diodeneinrichtungen 9 beispielsweise durch Schottky-Dioden realisiert sein, welche im Vergleich zu Germanium- oder Siliziumdioden eine geringere Durchlassspannung aufweisen und somit eine geringere Verlustleistung und einen damit einhergehenden vergleichsweise geringeren Kühlaufwand aufweisen bzw. erfordern können.

Eingangsseitig der Brennstoffzelleneinrichtung 2 ist hier ein Eingangsschütz 10 vorgesehen, durch den die eingangsseitig der Brennstoffzelleneinrichtung 2 von dem Bordnetz 4 und der Batterie 3 getrennt werden kann.

Auf der anderen Seite des Bordnetzes 4 und der Batterie 3 weist die Vorladeschaltung 6 in einem Hauptzweig einen Hauptschütz 11 für eine Trennung oder Abkopplung der Ausgangsseite der Brennstoffzelleneinrichtung 2 von dem Bordnetz 4 bzw. der Batterie 3 auf. Durch Schließen des Eingangsschützes 10 und des Hauptschützes 11 können also die Brennstoffzelleneinrichtung 2 und die Batterie 3 zusammengeschaltet werden. Die Brennstoffzelleneinrichtung 2 und die Batterie 3 können jedoch unterschiedliche Spannungslagen oder Spannungspegel aufweisen, sodass ein gedämpfter Angleich beim Zusammenschalten günstig sein kann. Ein solcher gedämpfter Angleich wird hier durch die Vorladeschaltung 6 ermöglicht, die daher auch als Angleichschaltung bezeichnet werden kann. Dazu kann die Vorladeschaltung 6 in einem einfachen Fall einen Widerstand aufweisen, der gemäß einer jeweiligen Anforderung, also zum Einstellen einer gewünschten Zeitkonstante T = R C für den Spannungsangleich zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und der Batterie 3 vorgegeben oder dimensioniert sein kann. Dabei bezeichnet C die in beiden Teilsystemen, also der Batterieeinrichtung 2 und der Batterie 3, enthaltenen parasitären Kapazitäten.

Zum Zusammenschalten der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und der Batterie 3 können dann der Eingangsschütz 10 und ein dem Widerstand vor- oder nachgeschalteter Schalter bei geöffnetem Hauptschütz 11 geschlossen werden. Nach Ablauf einer vorgegebenen, beispielsweise experimentell bestimmten, Zeit, etwa nach Ablauf von t » 5T, hat der Spannungsangleich zumindest im Wesentlichen stattgefunden, sodass dann der Hauptschütz 11 geschlossen und der dem Widerstand vor- oder nachgeschaltete Schalter geöffnet werden kann. Dies kann durch eine entsprechende Steuerung der Vorladeschaltung 6 automatisch durchgeführt werden.

Einige oder alle der verwendeten Schalter oder Schütze können insbesondere bistabil sein, dabei jedoch zum automatischen Öffnen bei Ausfall einer Betriebsspannung eingerichtet sein. Damit kann ohne Einschränkung der Sicherheit ein reduzierter Energieverbrauch, also eine erhöhte Effizienz erreicht werden, da Spulen der Schütze oder entsprechender Relais nicht dauerhaft bestromt werden müssen, um einen bestimmten Schaltzustand beizubehalten.

Anstelle eines einfachen Widerstands kann ebenso eine Halbleiterschaltung verwendet werden. Vorliegend weist dazu die Vorladeschaltung 6 in einem zu dem Hauptzweig bzw. dem Hauptschütz 11 parallelen Nebenzweig eine Serienschaltung aus einer Induktivität 12, einem ersten Transistor 13 und einem Nebenschütz 14 auf. Der erste Transistor 13 kann hier durch eine Steuereinrichtung 15 automatisch geschaltet bzw. geregelt werden, beispielsweise im Rahmen oder in Form einer linearen Regelung oder einer PWM-Regelung, bei der die Gate-Source-Strecke des ersten Transistors 13 mit einem von der Steuereinrichtung 15 erzeugten PWM-Signal beaufschlagt wird. Bei einer PWM-Regelung des ersten Transistors 13 wird dieser also nicht linear geregelt, sondern gepulst betrieben. Dadurch wird eine Verlustleistungsparabel des ersten Transistors 13 schneller durchlaufen, was eine geringere Erwärmung und somit einen höheren Gesamtwirkungsgrad ermöglicht. Der erste Transistor 13 kann beispielsweise als selbstsperrender N-FET ausgebildet sein. Als Regelgröße kann der Brennstoffzellenstrom IBZS durch ein hier nicht im Einzelnen dargestelltes Strommessgerät gemessen und durch die Steuereinrichtung 15 verwendet werden.

Durch automatische Anpassung der Steuerung oder Regelung des ersten Transistors 13 kann die genannte Zeitkonstante T für den Spannungsangleich variiert werden. Dadurch können beispielsweise veränderliche Systemparameter, welche Einfluss auf die Zeit konstante T haben können, berücksichtigt oder ausgeglichen werden. So können sich derartige Systemparameter bzw. die Zeitkonstante T beispielsweise in Abhängigkeit von einer Temperatur des Gesamtsystems, also einer oder mehrerer der beschriebenen Komponenten, verändern.

Das Kraftfahrzeug 1 bzw. dessen hier schematisch dargestelltes elektrisches System, insbesondere die Brennstoffzelleneinrichtung 2, kann weitere hier nicht im Einzelnen dargestellte Bauteile oder Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Dichtungen, eine Gasdiffusionsanlage, beschichtete Membranen, eine Elektronik, einen Luftverdichter, Ventil-, Aktuator- und Sensortechnik und/oder dergleichen mehr.

Zum Zusammenschalten der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und der Batterie 3 können dann zunächst bei offenem Hauptschütz 11 der Eingangsschütz 10 und der Nebenschütz 14 geschlossen werden. Der erste Transistor 13 wird dann durch die Steuereinrichtung 15 gesteuert bzw. geregelt, beispielsweise mittels einer PWM- Regelung. Dabei wird das Puls- Pausen-Verhältnis, also ein zeitlicher Anteil einer laufenden Betriebszeit, zu dem der erste Transistor 13 geschlossen, das heißt durchgeschaltet und somit leitend ist, erhöht, bis es einen Wert von 100 % erreicht hat, was bedeutet, dass der erste Transistor 13 dann dauerhaft und vollständig durchschaltet. Anschließend kann dann gegebenenfalls eine vorgegebene Zeitdauer abgewartet werden, um den Spannungsangleich zu vervollständigen. Diese Zeit kann beispielsweise experimentell oder modellbasiert ermittelt oder bestimmt werden. Gegebenenfalls nach Ablauf dieser Zeit kann dann der Hauptschütz 11 geschlossen werden. Dies kann dann besonders belastungsarm und ohne Spannungssprung erfolgen, da durch den vorangegangenen Spannungsangleich bereits auf beiden Seiten des Hauptschützes 11 zumindest im Wesentlichen der gleiche Spannungspegel anliegt. Wenn der Hauptschütz 11 geschlossen ist, kann der Nebenschütz 14 geöffnet werden, um eine möglichst direkte und widerstandsarme Ankopplung der Brennstoffzelleneinrichtung 2 an die Batterie 3 bzw. das Bordnetz 4 zu erreichen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung, in der eine PWM-Regelung des ersten Transistors 13 veranschaulicht ist. Ebenso ist aber eine kontinuierliche Regelung möglich. Hier ist jeweils eine Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen, wobei fünf zu unterschiedlichen Zeiten vorliegende Spannungs- oder PWM-Signale, die während des Spannungsangleichs nacheinander eingestellt oder geschaltet werden, dargestellt sind. Anfangs, also bei oder unmittelbar nach dem Schließen des Nebenschützes 14 wird der erste Transistor 13 mit einem ersten PWM-Signal 16 angesteuert. Dabei ist der erste Transistor 13 dauerhaft gesperrt, entsprechend einem Puls-Pausen-Verhältnis von 0 %. Anschließend wird der erste Transistor 13 mit einem zweiten PWM-Signal 17 mit einem Puls- Pausen-Verhältnis von 25 % angesteuert. In entsprechender Weise wird der erste Transistor dann nach und nach mit einem dritten PWM-Signal 18 mit einem Puls-Pausen-Behältnis von 50 % und danach mit einem vierten PWM-Signal 19 mit einem Puls-Pausenverhältnis von 75 % und schließlich mit einem fünften PWM-Signal mit einem Puls-Pausenverhältnis von 100 % angesteuert, sodass er dann also voll durchgeschaltet ist. Ein Wechsel von einem PWM-Signal bzw. Puls-Pausen-Verhältnis zum nächsten kann jeweils nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder nach einer sich abhängig von dem sich einstellenden Brennstoffzellenstrom IBZS ergebenden Zeitdauer gemäß der Regelung durchgeführt werden. Die hier dargestellten konkreten Puls-Pausen-Verhältnisse sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Ebenso können andere Puls-Pausenverhältnisse verwendet oder eingestellt werden.

Bei der Ansteuerung oder Regelung des ersten Transistors 13 mit den dargestellten PWM- Signalen 17, 18, 19 können sich aufgrund von deren Flankensteilheit relativ schnelle Stromänderungen ergeben, die durch die vorgeschaltete Induktivität 12 gedämpft werden können, um eine Belastung der Komponenten zu reduzieren.

Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs 1 , in der die Brennstoffzellenmodule 5 in einer 3s2p-Verschaltung oder -Konfiguration angeordnet sind. Hier gibt es also zwei Parallelzweige 21 aus jeweils drei in Reihe geschalteten bzw. schaltbaren Brennstoffzellenmodulen 5. Der Kürze halber werden nachfolgend die bereits erläuterten Bauteile und Komponenten nicht nochmals explizit beschrieben. In der hier dargestellten Anordnung ist je Parallelzweig 21 genau eine ausgangsseitig davon angeordnete Diodeneinrichtung 9 vorgesehen. Zudem ist jedes Brennstoffzellenmodul 5 durch Schließen eines jeweiligen Bypassschalters 22 überbrückbar. Weiter sind hier zwei Querverbindungsschalter 23 vorgesehen, welche die Parallelzweige 21 jeweils zwischen zwei seriell verschalteten oder schaltbaren Brennstoffzellenmodulen 5 miteinander verbinden können. Durch Öffnen und Schließen der Bypassschalter 22, der Querverbindungsschalter 23 und der brennstoffzellenmodulinternen Auskoppelschalter 8 sind so eine Vielzahl unterschiedlicher Verschaltungen realisierbar, beispielsweise durch ein hier nicht im Einzelnen dargestelltes Steuergerät des Kraftfahrzeugs 1 bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 2.

Wie bereits erwähnt kann ein herkömmliches Brennstoffzellensystem typischerweise an einen Energiespeicher, hier also beispielsweise an die Batterie 3, nur in einem begrenzten Ladezustandsfenster elektrische Leistung oder Energie abgeben, wenn das Brennstoffzellensystem mit einer auf eine Spannungslage der Batterie 3 angepassten Anzahl von Brennstoffzellen direkt mit der Batterie 3 verbunden oder verschaltet ist. Dieses Ladezustandsfenster, in dem die Brennstoffzelleneinrichtung 2 Energie an die Batterie 3 abgeben kann, ist demgegenüber hier erweitert, da durch Öffnen bzw. Schließen einer entsprechenden Auswahl der Bypassschalter 22 und/oder der Querverbindungsschalter 23 effektiv die zur Ausgangsspannung bzw. zur Energieübertragung beitragende Anzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung 2 angepasst werden kann.

Dazu zeigt Fig. 4 beispielhaft und ausschnittweise schematisch drei unterschiedliche mögliche Verschaltungen der Brennstoffzelleneinrichtung 2 bzw. der Brennstoffzellenmodule 5, mittels welchem an bzw. zwischen Außenanschlüssen 24 unterschiedliche Spannungen oder Spannungslagen bereitgestellt werden können. Dies wird hier dadurch unterstützt, dass die einzelnen Brennstoffzellenmodule 5 in jedem Parallelzweig 21 unterschiedliche Anzahlen von Brennstoffzellen aufweisen. So sind in einem ersten Parallelzweig 21 jeweils ein Brennstoffzellenmodul 5 mit einer ersten Brennstoffzellenanzahl A, einer zweiten Brennstoffzellenanzahl B und einer dritten Brennstoffzellenanzahl C angeordnet. Die Brennstoffzellenmodule 5 des anderen Parallelzweigs 21 weisen hier beispielhaft die gleichen Brennstoffzellenanzahlen A, B, C auf, sind jedoch in serieller Verschaltungsrichtung betrachtet in einer anderen Reihenfolge zwischen den Außenanschlüssen 24 angeordnet. Die den Brennstoffzellenanzahlen A, B, C nachgestellten Ziffern 1 , 2 geben jeweils an, ob das jeweilige Brennstoffzellenmodul 5 Teil des ersten oder des zweiten Parallelzweigs 21 ist. Beispielhaft sind hier in einer ersten Verschaltung 25 durch Schließen eines Querverbindungsschalters 23 und Öffnen des anderen Querverbindungsschalters 23 und Auskoppeln von dreien der Brennstoffzellenmodule 5 die Brennstoffzellenmodule 5 mit den Brennstoffzellenanzahlen B, C des ersten Parallelzweigs 21 und das Brennstoffzellenmodul 5 mit der dritten Brennstoffzellenanzahl C des zweiten Parallelzweigs 21 in Reihe geschaltet.

In analoger Weise sind in einer zweiten Verschaltung 26 zwei Brennstoffzellenmodule 5 des zweiten Parallelzweigs 21 und ein Brennstoffzellenmodul 5 des ersten Parallelzweigs 21 in Reihe geschaltet. In einer dritten Verschaltung 27 sind in beiden Parallelzweigen 21 jeweils alle Brennstoffzellenmodule 5 in Reihe und die beiden Parallelzweigen 21 parallelgeschaltet, um die maximale Spannung und Leistung bereitzustellen.

Ebenso sind vielfältige andere Verschaltungen der dargestellten 3s2p-Konfiguration ebenso wie unterschiedliche m_sn_p-Konfigurationen mit jeweils m Parallelzweigen 21 aus jeweils n seriell angeordneten Brennstoffzellenmodulen 5 möglich.

Mit den unterschiedlichen Verschaltungen oder Konfigurationen ergeben sich für die Energieübertragung von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 an die Batterie 3 unterschiedliche Leistungsverläufe und unterschiedliche Ladezustandsfenster, in denen eine Energieübertragung überhaupt möglich ist.

Fig. 5 zeigt dazu beispielhaft eine Diagrammansicht, in der eine von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 an die Batterie 3 abgebbare oder übertragbare Leistung bezogen auf eine Maximalleistung P_max über den Ladezustand SoC der Batterie 3 aufgetragen ist. Dabei sind korrespondierend zu der ersten Verschaltung 25 eine erste Leistungskurve 28, korrespondierend zu der zweiten Verschaltung 26 eine zweite Leistungskurve 29 und korrespondierend zu der dritten Verschaltung 27 eine dritte Leistungskurve 30 aufgetragen. Es ist hier klar erkennbar, dass mit keiner einzelnen Verschaltung eine Leistungsübertragung über den gesamten Ladezustandsbereich hinweg möglich ist. Zudem können unterschiedliche Verschaltungen bei bestimmten Ladezuständen SoC zwar Leistung an die Batterie übertragen, jedoch in unterschiedlicher Höhe. Dies kann durch das erwähnte Steuergerät berücksichtigt werden. So kann das Steuergerät zum Speisen der Batterie 3 aus der Brennstoffzelleneinrichtung 2 mit maximaler Leistung beispielsweise bei einem besonders niedrigen Ladezustand SOC bzw. bei zumindest nahezu vollständig entladener Batterie 3 die erste Verschaltung 25 einstellen bis ein hier durch einen ersten Umschaltpunkt 31 markierter Ladezustand SoC, beispielsweise etwa 12 %, erreicht ist. Bei Erreichen dieses ersten Umschaltpunkts 31 kann das Steuergerät dann automatisch die Brennstoffzelleneinrichtung 2 in die dritte Verschaltung 27 schalten, bis ein zweiter Umschaltpunkt 32 - im vorliegenden Beispiel etwa entsprechend einem Ladezustand SoC von 70 % - erreicht ist. Dann kann das Steuergerät automatisch die zweite Verschaltung 26 Einstellen, um die Batterie 3 vollständig aufladen zu können.

Die konkreten Verläufe der Leistungskurven 28, 30, 29 sowie die genaue Position der Umschaltpunkte 31 , 32 ist hier rein beispielhaft zu verstehen und kann abhängig von individuellen Eigenschaften der Brennstoffzelleneinrichtung 2, der Batterie 3 und/oder sonstiger elektrischer Komponenten des Kraftfahrzeugs 1 sein.

Jedenfalls kann das Steuergerät dazu eingerichtet sein, zwischen verschiedenen Verschaltungen, also verschiedenen Schaltzuständen oder Schalterstellungen der Auskoppelschalter 8, der Bypassschalter 22 und/oder der Querverbindungsschalter 23, automatisch in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Ladezustand SoC der Batterie 3 umzuschalten. Dazu kann in beispielsweise ein entsprechendes Kennfeld, ein Kriterium, eine Richtlinie oder dergleichen vorgegeben, beispielsweise in einem Datenspeicher des Steuergeräts hinterlegt sein. Dadurch kann beispielsweise bedarfs- oder situationsabhängig eine Verschaltung eingestellt werden für eine maximale Leistungsabgabe der Brennstoffzelleneinrichtung 2 an die Batterie 3, ein möglichst gleichmäßiges oder schonendes Aufladen der Batterie 3, eine möglichst geringe Degradation, ein Einhalten eines Temperaturkriteriums oder dergleichen mehr.

Durch die entsprechende Einstellung unterschiedlicher Verschaltungen, also unterschiedlicher Kombinationen der Brennstoffzellenmodule 5 und somit unterschiedlicher Anzahlen von Brennstoffzellen kann somit erreicht werden, dass trotz der direkten Verschaltung oder Verbindung der Brennstoffzelleneinrichtung 2 mit der Batterie 3 eine Leistungsabgabe an die Batterie 3 über deren gesamten Ladezustandsbereich hinweg realisiert werden kann, ohne dass zwischen die Brennstoffzelleneinrichtung 2 und die Batterie 3 beispielsweise ein DCDC-Wandler geschaltet werden oder geschaltet sein müsste.

Da hier bedarfs- oder situationsgerecht zumindest zeitweise nur eine Auswahl oder Teilmenge der Brennstoffzellenmodule 5 tatsächlich in das elektrische System des Kraftfahrzeugs 1 eingebunden ist, also verwendet wird, kann sich zudem gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen, bei denen stets sämtliche Brennstoffzellenmodule 5 zur Leistungserzeugung eingesetzt werden, eine erhöhte Lebensdauer der Brennstoffzelleneinrichtung 2 ergeben.

Die Diodeneinrichtungen 9, insbesondere in ihrer Ausprägung oder Funktionalität als ideale Diode, und die Vorladeschaltung 6 können in einer Schaltung oder Baugruppe, die zumindest teilweise in Halbleitertechnik oder als integrierter Schaltkreis gefertigt sein kann, realisiert bzw. kombiniert werden. Dazu zeigt Fig. 6 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer entsprechenden Schalteinheit 33. Die Steuereinrichtung 15 kann hier für die PWM-Steuerung oder PWM-Regelung an ein Gate G des erster Transistors 13 angebunden sein und ein Gate-Bezugspotenzial an der Source S des ersten Transistors 13 bereitstellen oder erfassen. Darüber hinaus ist hier ein ebenfalls durch die Steuereinrichtung 15 ansteuerbares bzw. schaltbares Überbrückungsrelais 34 vorgesehen, das den ersten Transistor 13 mit einer im Vergleich zu diesem Widerstands- bzw. verlustärmeren Verbindung von dessen Drain- und Sourceseite überbrücken kann. Das Überbrückungsrelais 34 kann hier insbesondere bistabil ausgeführt sein, um somit durch eine prinzipbedingt nicht dauerhaft zu bestromende Spule Energie zu sparen. Die Steuereinrichtung 15 kann das Überbrückungsrelais 34 zum Überbrücken des ersten Transistors 13 automatisch schließen bzw. zum Schließen eines entsprechenden Schalters ansteuern, wenn der erste Transistor 13 im Rahmen bzw. nach der Spannungsangleichung das Puls-Pausen-Verhältnis von 100 % erreicht hat. Dadurch können dann ansonsten durch den zwar geringen, aber dennoch vorhandenen Übergangswiderstand des voll durchgeschalteten ersten Transistors 13 entstehende Verluste vermieden oder reduziert werden.

Zum Ansteuern der Schalteinheit 33 bzw. der Steuereinrichtung 15 sowie für eine gegebenenfalls anfallende Kommunikation oder Datenübermittlung mit bzw. von einem übergeordneten Wirtssystem oder einer übergeordneten Steuereinheit, also beispielsweise dem genannten Steuergerät oder einer Elektronik des Kraftfahrzeugs 1 , ist hier beispielhaft eine Busverbindung 35 vorgesehen. Diese kann insbesondere galvanisch getrennt, beispielsweise optoentkoppelt sein.

Weiter umfasst die Schalteinheit 33 einen zweiten Transistor 36, der zum Realisieren der idealen Diodenfunktion durch eine Diodenregelung 37 gesteuert oder betrieben wird. Die Diodenregelung 37 kann auf einem Baustein oder einer Schaltung basieren oder einen solchen bzw. eine solche umfassen, der bzw. die zur Realisierung einer idealen Diode mittels Ansteuerung des zweiten Transistor 36 - beispielsweise eines Feldeffekttransistors - konzipiert ist. Da ein solcher Baustein oder eine solche Schaltung eine Ladungspumpe enthalten kann, ist hier zusätzlich ein Kondensator 38 angedeutet. Beispielsweise kann für die Diodenregelung 37 ein integrierter Schaltkreis des Typs LM74700-Q1 verwendet werden, der für das Umfeld des Automobilbaus ausgelegt wurde. Die Diodenregelung 37 kann am Gate G und der Source S des zweiten Transistors 36 eine dort auftretende Spannungsdifferenz messen und den zweiten Transistor 36 entweder vollständig durchschalten oder einen Stromfluss durch den zweiten Transistor 36 blockieren.

Weiter kann die Schalteinheit 33 einen galvanisch isolierenden Gleichstromwandler oder eine galvanische Isolation umfassen, hier bezeichnet als galvanische Trennung 39, um eine einfache Ansteuerung und Versorgung der beschriebenen Komponenten auch dann zu ermöglichen, wenn diese im Hochspannungsumfeld der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und der Batterie 3 eingesetzt oder betrieben werden. Bei der galvanischen Trennung 39 kann es sich beispielsweise um eine galvanisch getrennte oder galvanisch trennende Schaltung zur Energieversorgung der übrigen Komponenten der Schalteinheit 33 handeln.

Die Schalteinheit 33 kann hier wie beschrieben die Funktion einer idealen Diode und die Funktion der beschriebenen Angleichungs- bzw. Vorladeschaltung 6 vereinen und daher auch als AID bezeichnet werden. Eine solche Schalteinheit 33 bzw. AID kann, insbesondere genau einmal, in jedem Parallelzweig 21 angeordnet werden. Die Schalteinheit 33 kann zum einen als ideale Diode und zum anderen als Regelelement zur Steuerung oder Regelung des jeweiligen Stromes durch das jeweilige Brennstoffzellenmodul 5 bzw. die jeweilige Serienschaltung der Brennstoffzellenmodule 5 des jeweiligen Parallelzweigs 21 fungieren.

Die Schalteinheit 33 ist hier als ein Baustein oder eine Baugruppe, beispielsweise auf einer einzigen Platine oder in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse, zu verstehen, die möglichst kompakt aufgebaut sein kann, sodass sie beispielsweise auf eine an anderer Stelle näher erläuterte Montageplatte, einen Montageblock oder eine dreidimensionale Montagevorrichtung oder dergleichen gesteckt, damit verschraubt oder in ähnlicher Weise elektrisch leitend und mechanisch bestimmungsgemäß stabil befestigt werden kann. Damit können die Diodeneinrichtungen 9 dann also aus den Brennstoffzellenmodulen 5 ausgelagert und besonders einfach und flexibel für verschiedene Verschaltungen oder Konfigurationen der Brennstoffzellenmodule 5 bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 2 eingesetzt oder angeordnet werden. Fig. 7 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung einer zumindest teilweise halbleiterbasierten Schaltereinrichtung 40, wie sie beispielsweise als oder für die Bypassschalter 22 und/oder die Querverbindungsschalter 23 verwendet werden kann. Die Schaltereinrichtung 40 ist hier ähnlich aufgebaut wie die Schalteinheit 33. So können auch hier der erste Transistor 13 und der zweite Transistor 36, also beispielsweise Feldeffekttransistoren oder andere geeignete Halbleiterschalter, eingesetzt und zumindest der erste Transistor 13 mit einem, insbesondere bistabilen, Überbrückungsrelais 34 kombiniert werden.

Auch hier sind der erste Transistor 13 und der zweite Transistor 36 in entgegengesetzten Richtungen zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Schaltereinrichtung 40 angeordnet und bilden einen einstellbaren Halbleiterschalter, welcher durch die Steuereinrichtung 15 mittels einer Linearregelung oder PWM-Regelung angesteuert bzw. geregelt werden kann. Durch die Steuereinrichtung 15 kann also ein die Transistoren 13, 36 bzw. die Schaltereinrichtung 40 durchfließender Strom eingestellt werden. Dabei ist insbesondere nicht nur ein binäres Schalten in einen vollständig durchgeschalteten, also leitenden, oder vollständig gesperrten Schaltzustand, sondern eine Modulation oder Regelung mit dazwischenliegenden Durchlasszuständen möglich.

Die hier vorgeschlagene Verwendung von Halbleiterschaltern anstelle von herkömmlichen elektromechanischen Schaltern zumindest für die Bypassschalter 22 und/oder die Querverbindungsschalter 23 kann einen bei elektromechanischen Schaltern auftretenden Verschleiß von Schaltkontakten zumindest nahezu vollständig vermeiden, wodurch die Lebensdauer und Robustheit verbessert werden können. Zudem ermöglichen die Halbleiterschalter ein regelbares oder graduelles, also in gewisser Weise allmähliches Schalten im Gegensatz zu einem plötzlichen oder abrupten Schalten bei elektromechanischen Schaltern. Dies kann sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer des Gesamtsystems auswirken und eine Vorsteuerung der Verbindungen oder Stoffschlüsse in der Brennstoffzelleneinrichtung 2 bzw. dem elektrischen System des Kraftfahrzeugs 1 erleichtern.

Der potenzielle Nachteil der Halbleiterschalter, dass diese auch im durchgeschalteten, also geschlossenen Zustand einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen können als ein herkömmlicher elektromechanischer Schalter, kann durch das jeweilige Überbrückungsrelais 34 ausgeglichen oder minimiert werden. Ein solches Überbrückungsrelais 34 kann - anders als hier dargestellt - gegebenenfalls auch zum Überbrücken des zweiten Transistors 36 gesteuert durch die Steuereinrichtung 15 vorgesehen werden. Es kann hier also jeweils ein Halbleiterschalter bzw. Transistor mit einem elektromechanischen Schalter kombiniert werden, wobei letzterer jeweils nur dann geschlossen werden oder geschlossen sein kann, wenn der Halbleiterschalter oder Transistor seinen vollständig durchgeschalteten Zustand, also seine maximale elektrische Leitfähigkeit erreicht hat. Dadurch kann an einer entsprechenden Stelle oder Strecke ein Übergangswiderstand minimiert werden. Bei einem solchen Schließen des entsprechenden elektromechanischen Schalters, hier also beispielsweise des Übergangsrelais 34 bzw. eines durch dieses betätigten elektromechanischen Schalters, bei durchgeschaltetem Halbleiterschalter bzw. Transistor kann auch der erwähnte Verschleiß an den Schaltkontakten des elektromechanischen Schalters minimiert werden, da zwischen den beiden Seiten des durch den elektromechanischen Schalter überbrückten Halbleiterschalters oder Transistor dann keine signifikante Spannung mehr abfällt, also keine signifikante Spannungsdifferenz anliegt. Beim Öffnen, also Trennen oder Unterbrechen der entsprechenden Verbindung oder Strecke kann in umgekehrter Reihenfolge zunächst der elektromechanische Schalter geöffnet werden, um den Verschleiß, also einen Kontaktabbrand, zu minimieren, und anschließend der Halbleiterschalter oder Transistor ganz oder teilweise geöffnet bzw. gesperrt werden.

Die Steuereinrichtung 15 kann hier als ein integrierter Schaltkreis realisiert sein, durch den die Gateansteuerung für den ersten Transistor 13 und den zweiten Transistor 36, die Relaisansteuerung des zumindest einen Überbrückungsrelais 34 und eine Bereitstellung oder ein Abgriff eines Gate-Bezugspotenzials zwischen den Transistoren 13, 36 sowie Anschlüsse für die Busverbindung 35 und eine, insbesondere potenzialfreie, Spannungsversorgung über die galvanische Trennung 39 realisiert werden kann.

Da die Bypassschalter 22 in den Parallelzweigen 21 bedingt durch die jeweilige Diodeneinrichtung 9 bzw. das jeweilige AID in den Parallelzweigen 21 im Betrieb unabhängig von der eingestellten Verschaltung der Brennstoffzellenmodule 5 nur in einer Richtung von Strom durchflossen werden, kann für die Bypassschalter 22 eine reduzierte oder vereinfachte Form der Schaltereinrichtung 40 verwendet werden. Darin kann der zweite Transistor 36 und dementsprechend auch dessen Gateansteuerung eingespart werden, also entfallen. Dadurch können gegebenenfalls Kosten und Energieverbrauch eingespart werden. Anders als bei der in Fig. 7 dargestellten Variante der Schaltereinrichtung 40, die für eine bidirektionale Stromführung eingerichtet ist, kann eine solche reduzierte oder vereinfachte Version nur für eine unidirektionale Stromführung eingerichtet sein.

Ebenso kann die Funktionalität eines bidirektionalen Schalters mit den beschriebenen Funktionen des AID, also der Funktion einer idealen Diode und der Schalterregelung für den Spannungsangleich, kombiniert oder integriert werden. Fig. 8 zeigt ausschnittweise und schematisch eine entsprechende Kompaktschalteinheit 41. Die Kompaktschalteinheit 41 ist hier grundsätzlich ähnlich wie die Schalteinheit 33 und die Schaltereinrichtung 40 aufgebaut. Dabei sind jedoch in der Steuereinrichtung 15 andere oder weitere Funktionen integriert. So sind hier ein Strom- und Spannungsmesseingang vor der Überbrückung des ersten Transistors 13, dessen lineare oder PWM-basierte Gateansteuerung, die Relaisansteuerung für das Überbrückungsrelais 34, das Gate-Bezugspotenzial bzw. ein entsprechender Messeingang zwischen den Transistoren 13, 36, die lineare oder PWM-basierte Gateansteuerung des zweiten Transistors 36 und ein diesem nachgeordneter, also ausgangsseitig von diesem angeordneter Spannungsmesseingang vorgesehen. Die Steuereinrichtung 15 kann hier also zumindest die folgenden Funktionalitäten aufweisen oder integrieren: Gateansteuerung zur Realisierung einer idealen Diode mit mittels Transistoren, Möglichkeit zur Linear- oder PWM-Regelung mindestens eines Gates zur Abbildung einer Schalterfunktionalität, Ansteuerung eines bipolaren Relais, Strommessung, insbesondere mittels eines Shunts und/oder Hallsensors, Überstromschutzabschaltung, Überspannungsschutzabschaltung, Konfigurierbarkeit per Software im Flashverfahren oder durch eine entsprechende Außenbeschaltung oder via Bus über die Busverbindung 35 und Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit über eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle und/oder die Busverbindung 35. Ebenso können weitere Schnittstellen zur Außenbeschaltung, zur Programmierung und/oder Konfiguration vorgesehen, also in die Steuereinrichtung 15 bzw. die Kompaktschalteinheit 41 integriert sein. Einige oder alle der genannten Funktionalitäten können also in einem für diesen Einsatzzweck eingerichteten integrierten Schaltkreis, der die Steuereinrichtung 15 bilden oder ein Teil davon sein kann, integriert sein. Dies kann eine besonders kostengünstige Realisierung der verschiedenen Funktionalitäten bzw. einer entsprechenden Gesamtschaltung ermöglichen, beispielsweise im Vergleich zu einer Realisierung durch separate Bauteile. Die Kompaktschalteinheit 41 kann also als oder für die Vorladeschaltung 6, die Diodeneinrichtung 9, die Bypassschalter 22 und/oder die Querverbindungsschalter 23 verwendet werden. Daher kann es auch als S-AID bezeichnet werden.

Fig. 9 zeigt eine weitere ausschnittweise schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs 1 mit der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und der dazu parallelgeschalteten Batterie 3 zur Versorgung des Bordnetzes 4, wobei eine praktische Realisierung der Brennstoffzelleneinrichtung 2 angedeutet ist. Hier ist zentral eine Verschaltungseinrichtung 42 vorgesehen, über welche die Verschaltung bzw. die verschiedenen Verschaltungen der Brennstoffzellenmodule 5 realisiert oder realisierbar sind und welche die Verbindung zwischen den Brennstoffzellenmodulen 5 und der Batterie 3 bzw. dem Bordnetz 4 hergestellt oder bildet. Die Verschaltungseinrichtung 42 umfasst hier ein Basiselement 43, bei dem es sich beispielsweise um eine elektrisch nichtleitende Montageplatte oder eine dreidimensionale Montagestruktur oder dergleichen handeln kann. Das Basiselement 43 ist über mehrere Kompaktschalteinheiten 41 an eine ausgangsseitige Stromschiene 44 angebunden. Eingangsseitig kann hingegen eine weitere, den anderen Pol bildende Stromschiene 44 direkt bzw. über entsprechende direkte Leitungen an das Basiselement 43 angebunden sein. Beispielhaft ist hier eine 3s2p-Verschaltung oder -Konfiguration der Brennstoffzellenmodule 5 dargestellt. Da je Parallelzweig 21 eine, insbesondere genau eine, Kompaktschalteinheit 41 zur Anbindung an die ausgangsseitigen Stromschiene 44 vorgesehen sein kann, ist diese Stromschiene 44 hier entsprechend über genau zwei Kompaktschalteinheiten 41 an das Basiselement 43 bzw. darüber an die Brennstoffzellenmodule 5 elektrisch angebunden. Bei anderen Verschaltungen oder Konfigurationen können also entsprechend mehr oder weniger Kompaktschalteinheiten 41 , also AIDs oder S-AIDs, vorgesehen sein.

Die Stromschienen 44 bilden Außenkontakte 45 zum Verbinden mit der Batterie 3 und dem Bordnetz 4 aus. Auf Seiten der Brennstoffzellenmodule 5 sind hingegen Eingangsanschlüsse 46 zum elektrischen Anbinden der Brennstoffzellenmodule 5 vorgesehen. Diese Eingangsanschlüsse 46 können beispielsweise durch entsprechend eingerichtete Kontaktpunkte 47, Stecker, Buchsen, Schiebekontakte oder dergleichen realisiert sein.

Das Basiselement 43 weist hier eine Vielzahl entsprechender Kontaktpunkte 47 auf, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur eine Auswahl explizit gekennzeichnet ist. Die Kontaktpunkte 47 können je nach Bedarf beispielsweise Montagebohrungen, Steckhalterungen, elektrische Anbindungspunkte oder dergleichen sein oder umfassen. An diesen Kontaktpunkten 44 können die genannten Bauteile oder Komponenten befestigt, beispielsweise auf- oder eingesteckt, verschraubt oder auf sonstige Weise befestigt sein.

Durch die matrixartige Anordnung der Kontaktpunkte 47 können unterschiedliche Verschaltungen oder Konfigurationen von Brennstoffzellenmodulen 5 besonders einfach und flexibel realisiert oder angepasst werden. Beispielsweise sind hier nicht nur die ausgangsseitigen Kompaktschalteinheiten 41, sondern auch die beschriebenen Bypassschalter 22 und Querverbindungsschalter 23 auf oder an dem Basiselement 43 als Teil der Verschaltungseinrichtung 42 angeordnet oder befestigt. Diese Bauteile oder Komponenten werden hier durch Verbindungsleitungen 48 elektrisch miteinander verbunden, die beispielsweise direkt an den jeweiligen Bauteilen oder Komponenten oder ebenfalls an den entsprechenden Kontaktpunkten 47 angebunden oder befestigt sein können. An Kreuzungspunkten mehrerer Verbindungsleitungen 48 können diese gegeneinander elektrisch isoliert sein, beispielsweise durch eine Umspritzung mit einem PVC- oder Silikonwerkstoff oder dergleichen.

Durch die hier beschriebene Realisierung oder Implementierung kann eine besonders einfache, effektive, effiziente und flexible Kombination aus einer Brennstoffzelleneinrichtung 2 und einer Batterie 3 in direkt verbundener Parallelschaltung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, hier repräsentiert durch das Bordnetz 4, realisiert werden. Durch entsprechende Schaltung oder Ansteuerung der Verschaltungseinrichtung 42, also entsprechendes Öffnen oder Schließen eines, mehrerer oder aller der Bypassschalter 22 und/oder der Querverbindungsschalter 23 sowie durch entsprechendes Ansteuern oder Regeln der Kompaktschalteinheiten 41 können verschiedene Ausgangsspannungen der Brennstoffzelleneinrichtung 2, eine Leistungsanpassung zur Versorgung des Bordnetzes 4 und/oder zum Aufladen der Batterie 3 aus der Brennstoffzelleneinrichtung 2, beispielsweise durch entsprechendes Anpassen, Steuern oder Regeln einer Schalt- oder Taktfrequenz der Kompaktschalteinheiten 41 oder dergleichen, eine elektrische Versorgung des Bordnetzes 4 und/oder der Batterie 3 mit maximaler Ladeleistung, maximalem Wirkungsgrad, minimaler Degradation und/oder dergleichen eingestellt bzw. erreicht werden.

Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele also ein System und eine Methode zur verlustarmen elektrischen Kombination von Brennstoffzellen und deren gesteuerter oder geregelter Kopplung an eine Batterieeinrichtung, beispielsweise für ein elektrisches Fahrzeug.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kraftfahrzeug

2 Brennstoffzelleneinrichtung

3 Batterie

4 Bordnetz

5 Brennstoffzellenmodul

6 Vorladeschaltung

7 Brennstoffzellenstapel

8 Auskoppelschalter

9 Diodeneinrichtung

10 Eingangsschütz

11 Hauptschütz

12 Induktivität

13 erster Transistor

14 Nebenschütz

15 Steuereinrichtung

16 erstes PWM-Signal

17 zweites PWM-Signal

18 drittes PWM-Signal

19 viertes PWM-Signal

20 fünftes PWM-Signal

21 Parallelzweig

22 Bypassschalter

23 Querverbindungsschalter

24 Außenanschlüsse

25 erste Verschaltung

26 zweite Verschaltung

27 dritte Verschaltung

28 erste Leistungskurve

29 zweite Leistungskurve

30 dritte Leistungskurve

31 erster Umschaltpunkt

32 zweiter Umschaltpunkt 33 Schalteinheit

34 Überbrückungsrelais

35 Busverbindung

36 zweiter Transistor

37 Diodenregelung

38 Kondensator

39 galvanische Trennung

40 Schaltereinrichtung

41 Kompaktschalteinheit

42 Verschaltungseinrichtung

43 Basiselement

44 Stromschienen

45 Außenkontakte

46 Eingangsanschlüsse

47 Kontaktpunkte

48 Verbindungsleitungen

A erste Brennstoffzellenanzahl

B zweite Brennstoffzellenanzahl

C dritte Brennstoffzellenanzahl

D Drain

G Gate

S Source

IBZS Brennstoffzellenstrom

IBN Bordnetzstrom

Ißat Batteriestrom llBat Batteriespannung

UBN Bordnetzspannung

Pmax Maximalleistung

SoC Ladezustand t Zeit

Claims

37 PATENTANSPRÜCHE

1. Verschaltungseinrichtung (42) zum elektrischen Verschalten mehrerer Brennstoffzellenmodule (5), aufweisend

- ein Basiselement (43), das eine Matrix aus Kontaktpunkten (47) bereitstellt, die bestückbar ist durch Verbindungselemente (22, 23, 41 , 48) zum Realisieren unterschiedlicher elektrischer Verschaltungen, und je anzuschließendem Brennstoffzellenmodul (5) zwei Eingangsanschlüsse (46) zum Anschließen des positiven und negativen Pols des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls (5) und Ausgangsanschlüsse aufweist,

- mehrere Verbindungselemente (22, 23, 41 , 48), die zum Realisieren wenigstens einer vorgegebenen Verschaltung der Eingangsanschlüsse (46) an zumindest einen Teil der Kontaktpunkte (47) angeschlossen sind,

- zwei Stromschienen (44), die an jeweils eine Hälfte der Ausgangsanschlüsse elektrisch angeschlossen sind und jeweils einen Außenkontakt (45) zum Anschließen eines durch die Brennstoffzellenmodule (5) zu versorgenden elektrischen Verbrauchers (4) bereitstellen, und

-je vorgesehenem Parallelzweig (21) von Brennstoffzellenmodulen (5) eine Diodeneinrichtung (6, 9, 33, 41), die jeweils zwischen einen der Eingangsanschlüsse (46) und eine der Stromschienen (44) geschaltet ist und einen Stromfluss nur in Richtung von dem Eingangsanschluss (46) zu der Stromschiene (44) zulässt.

2. Verschaltungseinrichtung (42) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (22, 23, 41, 48) zum Realisieren einer Parallelverschaltung mit wenigstens zwei Parallelzweigen (21) der Eingangsanschlüsse (46) angeordnet sind und wenigstens einen bidirektionalen Querverbindungsschalter (23), insbesondere je Parallelzweig (21) wenigstens einen bidirektionalen Querverbindungsschalter (23), bevorzugt je Parallelzweig (21) eine einer Anzahl von in dem Parallelzweig (21) seriell verschalteten Paaren von Eingangsanschlüssen (36) entsprechende Anzahl von bidirektionalen Querverbindungsschaltern (23), umfassen, wobei der wenigstens eine bidirektionale Querverbindungsschalter (23) zwischen den beiden Parallelzweigen (21) angeordnet ist. 38

3. Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (22, 23, 41, 48) wenigstens einen Bypassschalter (22), insbesondere je Paar von Eingangsanschlüssen (46) einen Bypassschalter (22), umfassen, der parallel zu dem jeweiligen Paar von Eingangsanschlüssen (46) zwischen dieses und einen der Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, um je nach Schaltzustand eine Überbrückung des jeweiligen Paares von Eingangsanschlüssen (46) herzustellen oder zu trennen.

4. Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (22, 23, 41, 48) wenigstens einen steuerbaren Schalter (22, 23) umfassen und die Verschaltungseinrichtung (42) ein Steuergerät (15) aufweist, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb der Verschaltungseinrichtung (42) einen jeweils aktuellen Ladezustand einer bezüglich eines externen elektrischen Verbrauchers (4) zu der Verschaltungseinrichtung (42) parallel geschalteten Batterie (4) zu erfassen und den wenigstens einen steuerbaren Schalter (22, 23) in Abhängigkeit von dem erfassten Ladezustand anzusteuern, um an den Außenkontakten (45) eine an den erfassten Ladezustand angepasste Spannung bereitzustellen.

5. Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungseinrichtung (42) ausgangsseitig eine Vorladeschaltung (6) zum Angleichen einer an den Außenkontakten (45) bereitgestellten Spannung und einer Spannung einer im Betrieb der Verschaltungseinrichtung (42) mit den Außenkontakten (45) elektrisch ohne dazwischengeschalteten Spannungswandler verbundenen Batterie (3) aneinander aufweist, insbesondere ausgebildet als eine Schalteinheit (33, 40, 41) mit wenigstens einem Halbleitertransistorschalter (13).

6. Verschaltungseinrichtung (42) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (6) eine dedizierte Induktivität (12) aufweist.

7. Verschaltungseinrichtung (42) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (6) wenigstens einen Schalter (13) und eine Steuereinrichtung (15) zum Ansteuern des wenigstens eines Schalters (13) umfasst und die Steuereinrichtung (15) dazu eingerichtet ist, insbesondere in Abhängigkeit von einem bei dem Angleichen der Spannungen zu der Vorladeschaltung (6) fließenden Strom (IBZS), den Schalter (13) graduell von dauerhaft offen hin zu dauerhaft und vollständig geschlossen anzusteuern. Verschaltungseinrichtung (42) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (6) eine, insbesondere bistabile, schaltbare Überbrückung (34) des Schalters (13) aufweist, die im geschlossenen Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als der Schalter (13) in seinem geschlossenen Zustand und dazu eingerichtet ist, den Schalter (13) durch Schließen der Überbrückung (34) zu überbrücken, nachdem der Schalter (13) den dauerhaft und vollständig geschlossenen Zustand erreicht hat. Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (6) funktional eine ideale Diode bildet. Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querverbindungsschalter (23) als Schalteinheit (33, 40, 41) ausgebildet ist, die genauso aufgebaut ist wie die für die Vorladeschaltung (6) verwendete Schalteinheit (33, 40, 41). Brennstoffzelleneinrichtung (2), umfassend eine Verschaltungseinrichtung (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mehrere an deren Eingangsanschlüsse (46) angeschlossene Brennstoffzellenmodule (5). Brennstoffzelleneinrichtung (2) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenmodule (5) jeweils intern wenigstens einen, insbesondere wenigstens zwei, Auskoppelschalter (8), der bevorzugt als bistabiler Schütz (8) ausgebildet ist, zum galvanischen Trennen des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls (5) vom Rest der Brennstoffzelleneinrichtung (2) aufweisen. Brennstoffzelleneinrichtung (2) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Brennstoffzellenmodule (5) unterschiedlich viele Brennstoffzellen umfassen. Brennstoffzelleneinrichtung (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenmodule (5) mittels der Verschaltungseinrichtung (42) in mehreren Parallelzweigen (21), die jeweils mehrere seriell verschaltete Brennstoffzellenmodule (5) mit unterschiedlich vielen Brennstoffzellen umfassen, verschaltbar sind, wobei die Brennstoffzellenmodule (5) in unterschiedlichen Parallelzweigen (21) in Richtung der Serienverschaltung in unterschiedlichen Reihenfolgen hinsichtlich ihrer Anzahlen (A, B, C) von Brennstoffzellen angeordnet sind. Kraftfahrzeug (1), aufweisend einen Brennstoffzelleneinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und eine Batterie (3) zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers (4) des Kraftfahrzeugs (1), wobei die Brennstoffzelleneinrichtung (2) und die Batterie (3) ohne dazwischengeschalteten Gleichspannungswandler bezüglich des elektrischen Verbrauchers (4) parallel zueinander geschaltet sind.