JP2021530837A

JP2021530837A - 燃料電池を有する電気エネルギーシステム

Info

Publication number: JP2021530837A
Application number: JP2021500171A
Authority: JP
Inventors: ブロイ，マルティン; シーデルマイアー，マクシミリアン
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2021-11-11
Also published as: DE102018211815A1; EP3782210A1; US20210328312A1; EP3782210B1; CN112514155A; WO2020015875A1

Abstract

本発明は、燃料電池を含む電気エネルギーシステム、および自動車用の電気エネルギーシステムの作動方法に関する。

Description

燃料電池自動車のエネルギーシステムは、一般に、燃料電池回路に加えて、ＨＶバッテリー回路（トラクション回路）を含み、そこから、パルスインバータまたは複数のインバータ、またはそれらに接続された電気モーターなどのＨＶ消費部、およびヒーターやその他の燃料電池補助ユニットなどのその他の消費部が供給を受ける。

自動車に電気駆動装置を供給するためのデバイスが特許文献１から知られており、駆動装置に接続されるとともに燃料電池ユニットおよびエネルギーアキュムレータを有する、エネルギーネットワークを有しており、燃料電池ユニットおよびエネルギーアキュムレータが連結されている。第１のインバータは、燃料電池ユニットと駆動装置との間に配置され、第２のインバータは、エネルギーアキュムレータと駆動装置との間に配置される。

特許文献２は、燃料電池と二次電圧源が共有制御ユニットを介して駆動ユニットに接続される複合駆動ユニットを開示している。

開発の焦点が異なるため、燃料電池システムとＨＶバッテリーは別々に開発されることが多く、それに応じて別々のハウジングにも取り付けられる。したがって、燃料電池システムとＨＶバッテリーの両方に別個のジャンクションボックス、つまり、燃料電池システム用のＦＣＪＢ（fuel cell junction box, 燃料電池ジャンクションボックス）とＨＶバッテリー用のＢＪＢ（battery junction box, バッテリージャンクションボックス）が生じる。したがって、２つの同様のジャンクションボックスが車両に取り付けられている。それにより、追加コストが発生する。さらに、それらの２つのジャンクションボックスは、相当の設置スペースを必要とし、数キログラムの重量増加を引き起こす。

特許文献３は、電気エネルギーを使用するプロセスシステム内のフィールドデバイスにおけるワイヤレス供給の構成を開示する。少なくとも１つの燃料電池と電気エネルギーアキュムレータが１つのハウジングのフィールドデバイスに統合される。

独国特許出願公開第１０２００９０２７２２０号明細書独国特許出願公開第２０２００７０１１８９４号明細書欧州特許出願公開第１６３２００４号明細書

本発明は、記載された不利な点を少なくとも部分的に改善する装置および方法を提供することを目的とする。

この目的は、本発明によれば、独立請求項１の特徴を有するエネルギーシステムおよび請求項９の特徴を有する方法によって達成される。複数の実施形態が、従属請求項および説明から生じる。

本発明によれば、ＨＶバッテリーと燃料電池システムとを共有ユニットに統合することにより、共有ジャンクションボックス（ＨＶＪＢ−High Voltage Junction Box，高電圧ジャンクションボックス）を使用することができる。

本発明の主題は、共有のジャンクションボックス（高電圧ジャンクションボックス−ＨＶＪＢ）を介して回路（トラクション回路または中間回路）に連結された、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーを備えた車両用エネルギーシステムであり、その回路は、接続された電気消費部に電気エネルギーを供給する。電気消費部は、例えば、その回路に接続されたパルスインバータおよび電気モーター、または、燃料電池の補助ユニット、充電装置、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバーター、ＨＶヒーター、電気空調コンプレッサーなどのさらなるＨＶコンポーネントである。

エネルギーシステムの一実施形態では、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーは、共有ハウジング内に配置される。したがって、２つのエネルギー源の間に外部ＨＶラインは必要なく、共有ジャンクションボックス（ＨＶＪＢ）を使用することができる。さらなる実施形態では、共有ジャンクションボックスもまた、共有ハウジング内に配置される。一方、２つのＨＶエネルギー源の部分的な統合またはアドオンソリューションも可能である。

エネルギーシステムの一実施形態では、共有ジャンクションボックスは、少なくとも１つの電気機械的スイッチング要素、特に接触器を含む。

エネルギーシステムのさらなる実施形態では、共有ジャンクションボックスは、少なくとも１つの半導体スイッチ、例えば、少なくとも１つのＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴを備える。

エネルギーシステムのさらなる実施形態では、共有ジャンクションボックスは、少なくとも１つの火工品短絡要素（pyrotechnic short circuit element）を備え、その火工品短絡要素は、自動車事故の場合に起動して、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーを、それらが連結されている回路（トラクション回路または中間回路）から切り離すように設計される。

エネルギーシステムのさらなる実施形態では、共有ジャンクションボックスは、少なくとも１つの絶縁モニタを備える。

本発明によるエネルギーシステムにより、ジャンクションボックスの主要な構成要素（接触器、パイロットチャージ、火工品切断スイッチ、絶縁モニタ、電流計および電圧計など）がもはや車両に２回設置される必要がなく、したがって、かなり有利に活用されるという利点を提供する。

本発明によるエネルギーシステムの利点には、重量および設置スペースの節約、コンポーネントの数の削減およびコンポーネントのより良い利用、システムの複雑さの軽減、ジャンクションボックスの配線費用および制御費用の削減、およびエネルギーシステムの総費用の削減が含まれる。

本発明のさらなる利点および実施形態は、説明および添付の図面から生じる。

本発明の主題はまた、本発明によるエネルギーシステムの作動方法である。この場合、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーが、共有ジャンクションボックスを介して、電力消費部が接続されている回路（トラクション回路または中間回路）に接続される。

この方法の一実施形態では、臨界過電圧、短絡、または別の重大な状態がエネルギーシステム内で発生した場合、または、車両が事故に見舞われた場合に、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーが、共有ジャンクションボックスを介して回路から切断される。したがって、高電圧のフラッシュオーバーによる損傷が回避される。

さらなる変形例では、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つのＨＶバッテリーは、トラクション回路に可逆的に接続されるか、または共有ジャンクションボックスを介してトラクション回路から切断される。たとえば、車両の始動時に、燃料電池とＨＶバッテリーをトラクション回路に接続し、車両のシャットダウン時に、高電圧による危険を回避するために、それらを再び切断することができる。

上記の特徴および以下に説明する特徴は、それぞれの特定の組み合わせだけでなく、本発明の範囲を離れることなく、他の組み合わせまたは単独でも使用可能であることは明らかである。

本発明は、実施形態に基づいて図面に概略的に示され、図面を参照してさらに説明される。

接続された消費部を有する従来技術のエネルギーシステムの概略図である。接続された消費部を有する本発明のエネルギーシステムの実施形態の概略図である。

図１は、接続された消費部１５，１６，１７を有する従来技術のエネルギーシステムの概略図を示す。エネルギーシステム１０は、エネルギー源として、燃料電池１１およびＨＶバッテリー１２を備える。それらは、それぞれ、関連するジャンクションボックスを介してトラクション回路に接続され、燃料電池１１はＦＣＪＢ（燃料電池ジャンクションボックス）１３を介して、ＨＶバッテリー１２はＢＪＢ（バッテリージャンクションボックス）１４を介して接続される。パルスインバータ１５および電気モーター１６はトラクション回路に接続されると同時に、燃料電池の補助ユニット、充電装置、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバーター、ＨＶヒーター、電気空調コンプレッサーなどの更なるＨＶコンポーネント１７も接続される。

図２は、接続された消費部１５，１６，１７を有する本発明のエネルギーシステム１０の実施形態の概略図を示す。エネルギーシステム１０は、エネルギー源として、燃料電池１１およびＨＶバッテリー１２を含み、それらは共有のハウジング１８に統合されており、そこには共有のジャンクションボックス（ＨＶＪＢ）１９も配置されている。ＨＶＪＢ１９を使用して、ＦＣ１１およびＨＶバッテリー１２は、トラクション回路に接続されるか、またはそこから切断される。少なくとも１つのパルスインバータ１５および少なくとも１つの電気モーター１６が、エネルギーシステム１０のトラクション回路に接続されると同時に、燃料電池の補助ユニット、充電装置、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバーター、ＨＶヒーター、電気空調コンプレッサーなどの更なるＨＶコンポーネント１７も接続される。

１０…エネルギーシステム
１１…燃料電池（ＦＣ）
１２…バッテリー
１３…燃料電池のジャンクションボックス（ＦＣＪＢ）
１４…ＨＶバッテリーのジャンクションボックス（ＢＪＢ）
１５…パルスインバータ（ＰＷＲ）
１６…電気モーター（ＥＭ）
１７…その他のＨＶコンポーネント
１８…ハウジング
１９…共有ジャンクションボックス（ＨＶＪＢ）

Claims

少なくとも１つの燃料電池（１１）と、少なくとも１つのＨＶバッテリー（１２）と、を備え、それらは共有のジャンクションボックス（１９）を介して回路に連結されており、前記回路は、その回路に接続された電気消費部（１５，１６，１７）に電気エネルギーを供給する、車両用エネルギーシステム（１０）。
前記少なくとも１つの燃料電池（１１）および前記少なくとも１つのＨＶバッテリー（１２）は、共有のハウジング（１８）内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記共有のジャンクションボックス（１９）もまた、前記共有のハウジング（１８）内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記ジャンクションボックス（１９）が、少なくとも１つの電気機械的スイッチング要素、特に接触器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記ジャンクションボックス（１９）が、少なくとも１つの半導体スイッチを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記ジャンクションボックス（１９）が、少なくとも１つのＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴを備えることを特徴とする請求項５に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記ジャンクションボックス（１９）が、少なくとも１つの火工品短絡要素を備え、前記火工品短絡要素は、自動車事故の場合に起動して、前記少なくとも１つの燃料電池（１１）および前記少なくとも１つのＨＶバッテリー（１２）を、それらが連結されている回路から切り離すように設計されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
前記ジャンクションボックス（１９）が、少なくとも１つの絶縁モニタを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両用エネルギーシステム（１０）。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両用エネルギーシステム（１０）の作動方法であって、
少なくとも１つの燃料電池（１１）および少なくとも１つのＨＶバッテリー（１２）を、共有のジャンクションボックス（１９）を介して、電気消費部（１５，１６，１７）が接続されている回路に接続する、作動方法。
臨界過電圧、短絡、または別の重大な状態が前記エネルギーシステム（１０）内で発生した場合、または、車両が事故に見舞われた場合に、前記少なくとも１つの燃料電池（１１）および前記少なくとも１つのＨＶバッテリー（１２）を、前記共有のジャンクションボックス（１９）を介して前記回路から切断することを備えた請求項９に記載の作動方法。