KR20230128115A

KR20230128115A - 에너지를 분배하기 위한 장치

Info

Publication number: KR20230128115A
Application number: KR1020237026588A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 예쎄; 유에르겐 라이츠; 크리스토프 아쓰플라그; 마티아스 쿠겔; 벤야민 피크; 안드레아스 포스페르트; 플로리안 비징거
Original assignee: 셀센트릭 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-09-01
Also published as: WO2022175504A1; DE102021000940A1; EP4295459A1; US20240154212A1; JP2024510087A; CN116669986A

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 연료 전지 스택(2) 및 고전압 배터리(3)를 구비하는 연료 전지 시스템에서 에너지를 분배하기 위한 장치(1)에 관한 것으로, 상기 장치는, 연료 전지 스택(2)과 고전압 배터리(3)를 위한 전기 접속부들, 적어도 하나의 통신 인터페이스(12, 14), 트랜스듀서(5), 고전압 배터리(3)와 연료 전지 스택(2)을 분리하기 위한 배터리 회로 차단기(9), 및 연료 전지 스택(2)의 극들을 연결하기 위한 비상 차단 장치(6)를 포함하고, 상기 배터리 회로 차단기는, 트랜스듀서(5)와 고전압 배터리(3) 사이에 배치되는 것인, 에너지를 분배하기 위한 장치(1)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, EMC 필터(10)가 제공되는 것을 그리고 배터리 회로 차단기(9)는 접속부의 양자 모두의 전극을 분리하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지를 분배하기 위한 장치

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 상세히 한정된 유형에 따른 연료 전지 시스템의 에너지 분배 장치에 관한 것이다.

연료 전지 시스템에서, 에너지 분배는, 일반적으로 연료 전지 자체의 영역에 설치되는 소위 연료 전지 인터페이스(Fuel Cell Interface)를 통해 이루어진다. 이와 관련하여 예를 들어 출원인의 DE 10 2014 017 953 A1호 또는 US 2020/0235411 A1호 또는 US 2015/0295401 A1호가 참조될 수 있다. 기본적으로 이러한 구조는 DE 100 06 781 A1호에 이미 공개되어 있다.

DE 10 2018 213 159 A1호는, 이러한 연료 전지 인터페이스를 구비한 일반적인 전기 에너지 시스템을 설명한다. 이 경우, 직류 트랜스듀서 뒤에서 그리고 이것과 배터리 사이에서, 배터리 회로 차단기를 통해 배터리에 대한 비상 차단이 구현된다. 연료 전지 자체는, 직류 트랜스듀서의 반대쪽에 배치되며 비상 방전 장치를 갖는다.

본 발명의 과제는, 연료 전지 인터페이스(FCI)의 기본적으로 선행 기술에 공개된 이러한 구조를 더욱 개선하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 과제는 청구항 제1항의, 여기에서 특히 청구항 제1항의 특징부의 특징들을 갖는 에너지를 분배하기 위한 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들 및 개선예들은, 종속 청구항들에 제시된다.

본 발명에 따른 장치의 구조는, 선행 기술의 구조와 유사한, 연료 전지와 배터리의 조합으로서, 상기 2개의 구성 요소 사이에 트랜스듀서 뿐만 아니라, 연료 전지의 극들을 연결하기 위한 비상 차단 장치, 및 연료 전지와 배터리를 분리하기 위한 배터리 회로 차단기를 갖는, 연료 전지와 배터리의 조합을 제공한다. 이러한 배터리 회로 차단기는, 트랜스듀서와 배터리 사이에 배치된다. 선행 기술과 달리, 본 발명에 따른 장치는, 배터리 회로 차단기가 접속부의 양자 모두의 전극을 분리하도록 설계되는 것을 제공한다. 또한 EMC 필터도 제공된다.

이로써 본 발명에 따른 장치의 구조는, 해당 접촉기를 통해 컨버터와 배터리 사이의 양자 모두의 극을 안정적으로 분리하기 때문에, 구조의 전자파 적합성(EMC)을 보장하고, 배터리 회로 차단기가 개방되는 경우 안전성을 높인다. 트랜스듀서 뒤에 배터리 회로 차단기를 배치하는 것은, 언급한 선행 기술에서 대체로 트랜스듀서 앞에 배치할 때보다 낮은 전류가 전환되면 되는 장점을 제공한다.

본 발명에 따른 장치에서, 비상 차단 장치는, 바람직한 개선예에 따라 불꽃 점화식 폐색기(pyrotechnic closer)로서 구현될 수 있거나 그러한 폐색기를 포함할 수 있고, 외부 통신 인터페이스에 연결될 수 있다. 이러한 불꽃 점화식 폐색기는, 예를 들어 장치가 장착된 차량의 충돌 센서에 연결될 수 있다. 사고 시, 예를 들어 에어백이 트리거되는 등의 경우에, 불꽃 점화식 폐색기를 트리거하기 위해 그리고 연료 전지 스택의 극들을 연결하기 위해, 전술한 바람직한 개선예에서 이 센서 시스템을 통해 동시에 신호가 본 발명에 따른 장치에 전송될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 또 다른 매우 바람직한 실시예는, 구성 요소를 제어하기 위해 마이크로컨트롤러가 제공되며, 상기 마이크로컨트롤러는, 외부 통신 인터페이스에 대한 접속부를 갖는다. 이러한 접속부는, 특히 전술한 실시예의 불꽃 점화식 폐색기의 접속부와 상이할 수 있다. 이 경우 구성 요소는 적어도, 일반적으로 스텝업 컨버터로서 작동되는 트랜스듀서와, 일반적으로 접촉기로서 설계된 배터리 보호 스위치를 포함하므로, 전기 접속부의 양자 모두의 극은 마이크로컨트롤러의 제어 신호에 따라 분리될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 다른 매우 바람직한 실시예에 따르면, 절연 저항을 모니터링하기 위한 장치가 더 제공될 수 있으며, 상기 장치는 특히, 비상 차단 장치와 트랜스듀서 사이에, 즉 연료 전지를 향한 트랜스듀서의 측에 배치된다. 이러한 장치 또한, 외부 통신 인터페이스들 또는 그들 중의 하나에 연결될 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 이러한 바람직한 실시예에서, 절연 저항을 측정함으로써 연료 계면의 절연의 결함 없는 확실한 기능이 확인될 수 있다. 이 경우 양극과 음극 모두 접지에 대해 측정된다. 이 경우, 절연 저항은, 수 MΩ의 크기여야 하며, 일반적으로 해당 표준에 따라 지정된다. 그런 다음 절연 저항의 모니터링을 위한 장치에 의해 절연 저항의 현재 값이 측정되고 모니터링할 수 있으므로, 절연 저항이 저하되는 경우, 특히 이러한 저항이 지정된 한계값 아래로 떨어지면, 경보가 트리거될 수 있고, 이러한 경보는 비상 차단 등과 같은 추가 조치의 트리거를 가능하게 한다.

본 발명에 따른 장치의 매우 바람직한 다른 실시예에 따르면, 부가적으로 또는 대안적으로, 갈바닉 분리 조정 가능 변압기가 더 제공될 수 있으며, 상기 변압기는, 고전압 예비 충전을 위해 설계되며 그리고 장치의 저전압 접속부에 연결된다. 전술한 바람직한 실시예에 따라, 제공될 경우 마이크로컨트롤러에 의해, 상기 변압기가 제어될 수도 있다. 그 결과 연료 전지 인터페이스 상의 전압을 배터리의 전압 레벨에 맞게 조정하는 것이 간단하게 가능하다. 따라서 배터리 측의 전압은, 저전압에 의한 고전압 예비 충전의 전압 조정을 위한 설정값으로서 이용될 수 있다. 이는 특히, 연료 전지 스택이, 매체, 즉 공기 또는 산소를 공급받기 이전에도, 일반적으로 접촉기들에 의해 구현되는 고전압 배터리 상에서의 접속이 전환되는 것을 가능하게 한다. 그러면 실제 직류 전압 트랜스듀서 자체는, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 개선예에 따라 제공되는 스텝업 컨버터로서 단일 방향으로 설계될 수 있다.

매우 바람직한 다른 실시예는, 마찬가지로 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 개방 회로의 전압을 제한하기 위한 장치를 더 제공한다. 그 결과, 연료 전지 스택의 전압의 제한, 이른바 전압 클리핑(Voltage Clipping)이 가능하다. 특히 고전압 예비 충전을 위한 변압기를 갖는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전술한 구성과 조합 시, 이러한 전압 클리핑은 더 이상 별도의 구성 요소로 구현할 필요 없이 실제 직류 전압 트랜스듀서에서 수행할 수 있어, 설계가 더욱 간단해진다. 연료 전지 스택은, 트랜스듀서를 통해 로딩될 수도 있으므로, 전압의 제한도 완전히 생략될 수 있고, 즉, 전술한 선택적인 전압 제한기가, 완전히 생략될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 매우 바람직한 다른 실시예는, 연료 전지 시스템의 보조 유닛, 즉 예를 들어 공기 이송 장치, 수소 재순환 팬 등을 위한, 안전 수단으로 보호되는 적어도 하나의 전기 접속부가, EMC 필터와 배터리 접속부 사이에 제공되어, 이러한 구성 요소도 본 장치를 통해 직접 전력을 공급받고 장치 내의 안전 수단으로 보호될 수 있는 것이 제공된다. 바람직한 실시예에 따르면, 구조를 단순하고 콤팩트하게 유지하기 위해, 컨슈머 자체가 배터리 접속부를 통해 또는 배터리에 대해 병렬로 접속될 수도 있다.

본 발명에 따른 구성의 바람직한 개선예에 따르면, 장치 전체가, 연료 전지, 즉 연료 전지 스택에 장착되도록 설계된 공통의 하우징 내에 통합될 수 있다. 따라서 연료 전지 인터페이스는, 연료 전지 스택의 구조, 특히 그 하우징 내에 또는 상에 통합되어, 배선의 복잡성이 상응하게 감소하며 그리고 본 발명에 따른 장치로 효율적인 단일 인터페이스 모듈이 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 구성은, 도면을 참조하여 아래에서 상세히 설명되는 예시적인 실시예로부터 주어진다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 가능한 구조의 제1 실시예를 도시한 도면이고;
도 2는 본 발명에 따른 장치의 가능한 구조의 제2 실시예를 도시한 도면이며;
도 3은 본 발명에 따른 장치의 가능한 구조의 제3 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 장치(1)는, 연료 전지 인터페이스로서 이용되며, 도 1에 따라 표시된 연료 전지 스택(2)과 '3'으로 지시된 고전압 배터리 사이에 배치된다. 상기 장치는 특히, 여기서는 구체적으로 도시되지 않고 표시만 되어 있는, 하우징(4) 내에 배치될 수 있으며, 상기 하우징은 특히 연료 전지 스택(2)에 연결되도록 설계될 수 있다. 연료 전지 인터페이스로서, 장치(1)는, 스텝업 컨버터의 전류 분배 유닛들의 기능과 연료 전지 스택(2) 및/또는 배터리(3)를 위한 상응하는 보호 기능을 공통의 유닛 또는 모듈로 결합한다. 따라서, 장치(1)는, 연료 전지 스택(2)과 고전압 배터리(3) 사이에서, 전류 및 전압의 비용 효율적인 최적의 변환을 가능하게 한다. 연료 전지 스택(2)의 비교적 낮은 전압은, 이하 트랜스듀서(5)로만 지칭되며 일반적으로 스텝업 컨버터로서 작동되는, 직류 전압 트랜스듀서(5)에 의해 거의 동일한 전력 및 그에 상응하는 낮은 전류에서 배터리(3)의 높은 전압으로 승압된다.

연료 전지 인터페이스로서 장치(1)는, 이제 연료 전지 스택(2)에 필요한 보호, 스위칭, 측정 및 분배 기능을 포함하는, 스텝업 컨버터로서의 이러한 트랜스듀서(5)의 기능을 반영한다. 이는 트랜스듀서를 위한 효율적인 조합, 보호 기능 및 특히 예를 들어 승용차 또는 특정 화물차와 같은 차량에서의 연료 전지의 이용에 최적화될 수 있는, 전력 분배 개념이다. 이러한 모든 것은, 모듈화를 가능하게 하고 하나의 모듈 내에 다양한 기능을 하나로 결합하는 공통의 하우징(4)에서 가능하다. 이러한 결합은, 조립 공간과 비용을 절약하고, 특히 하우징(4)이 연료 전지 스택(2)의 영역 내에, 바람직하게는 스택 하우징 내에 직접 배치되는 경우, 접속 구성 요소와 라인들을 절약할 수 있다. 따라서 장치(1)는, 예를 들어, 특히 화물차와 같은 차량에서, 특히 이동식 연료 전지 용도를 위해, 대량 생산과 관련하여 상당한 비용 절감을 가능하게 한다. 이는, 하드웨어 측면과, 조립 시 시간 및 비용 절감 측면 모두에, 적용된다.

이러한 장치(1)의 도 1에 도시된 가능한 제1 구조는, 하우징(4) 내에 이미 언급된 트랜스듀서(5)를 포함한다. 이러한 트랜스듀서(5)와 연료 전지 스택(2) 또는 장치(1)에 대한 연료 전지 스택(2)의 전기 접속부 사이에, 불꽃 점화식 폐색 장치(6) 및 회로 개방 시 전압을 제한하기 위한 장치(7)가 놓인다. 그 다음에는, 각각 '8'로 지시되는, 연료 전지 측과 배터리 측 양자 모두에 대응하는 수동 방전 옵션(8)을 갖는 스텝업 컨버터로서, 이미 언급된 트랜스듀서(5)가 뒤따른다. 그런 다음, 배터리 회로 차단기(9)가, 트랜스듀서(5)와 고전압 배터리(3)를 위한 접속부 사이에 뒤따르며, 따라서 상기 회로 차단기를 통해, 여기에 도시된 바와 같이, 필요한 경우 전기 접속부의 양자 모두의 극이 분리될 수 있다. 그런 다음, 수동 방전을 동반하는 EMC 필터(10)가 뒤따른다. 부가적으로, 전류(A) 및 전압(V) 측정을 위한 센서들이 제공된다. 또한, 예를 들어 팬 휠들, 유동 압축기들, 냉각 매체 펌프들 또는 이와 유사한 것의 전력 공급을 위해, 보조 유닛들의 외부 전원에 대한 대응 인터페이스(19)를 갖도록 설계되는 퓨즈(11)가 제공된다. 장치(1)는 또한, 외부 통신 인터페이스(12)를 포함하고, 상기 인터페이스를 통해, 적어도 전압 제한 장치(7), 트랜스듀서(5) 및 배터리 회로 차단기(9)를 제어하기 위해 제공되는, 마이크로컨트롤러(13)가 접속된다. 불꽃 점화식 폐색 장치(6)는, 일반적으로, 그 자체의 외부 통신 인터페이스(14)를 가지며, 상기 인터페이스는 예를 들어 차량의 충돌 센서들에 적절하게 연결된다.

배터리 회로 차단기(9)는, 장치(1)의 구조에서, 트랜스듀서(5) 뒤에 배치되므로, 배터리 회로 차단기(9)의 해당 스위치 또는 접촉기는 더 작게 설계될 수 있는데, 그 이유는 전술한 바와 같이, 트랜스듀서(5)가 일반적으로 스텝업 컨버터로서 사용됨으로써, 이러한 트랜스듀서(5) 측에 더 높은 전압, 그러나 훨씬 더 낮은 전류가 존재하기 때문이다. 이는 장치(1)의 간단하고 저렴한 구조와 관련해서 또 다른 구조를 제공한다. 이에 따라, 장치(1)의 중량을 감소시키기 위해, 여기에서 갈바닉 분리 기능이 없는 스텝업 컨버터가 제공될 수 있다. 따라서, 전압 조정은 트랜스듀서(5)를 통해 이루어지기 때문에, 별도의 예비 충전 회로가 생략될 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 불꽃 점화식 폐색 장치(6)는, 그 자체의 외부 통신 인터페이스(14)를 통해, 외부 통신 장치에 접속될 수 있다. 예를 들어 배터리(3)가 연료 전지 스택(2)으로부터 분리되는, 장치(1)가 장착된 차량의 충돌 시, 상기 연료 전지 스택은, 불꽃 점화식 폐색 장치를 통해 단락되어 방전될 수 있다. 여기에서, 불꽃 점화식 폐색 장치(6) 뒤에 배치된 전압 제한 장치(7)는, 연료 전지 스택(2)의 무부하 전압을 이를 포함하는 연료 전지 시스템의 시동을 위해 상응하게 감소시키는 데 이용된다. 즉 전압 제한 장치는, 트랜스듀서(5)의 시동을 보장하기 위해, 연료 전지 시스템의 시동 시 연료 전지 스택(2)의 무부하 전압을 고전압 배터리(3)의 전압보다 낮게 유지한다. 연료 전지 시스템의 전기 컨슈머, 즉 특히 차량용 구동 모터는, 접속부(18)를 통해 배터리(3)에 대해 병렬로 또는 장치(1)의 배터리 접속부에 접속된다. LV 접속부(17)는, 마이크로컨트롤러(13)에 차량의 온 보드 네트워크의 저전압(LV) 공급을 보장한다.

본 발명에 따른 장치(1)의 대안적인 확장된 실시예가 도 2에 도시된다. 상기 장치는, 실질적으로 이미 설명한 것과 동일한 구성 요소들을 포함한다. 이러한 구성 요소들은, 각각 동일한 참조 번호를 갖는다. 이에 추가하여 상기 장치는, 절연 저항 모니터링을 위한 장치(15)를 포함하고, 상기 장치에 의해 장치(1)의 완전하고 확실한 절연 기능이 확인될 수 있다. 이를 위해 양극과 음극이 접지에 대해 측정된다. 이들 사이의 절연 저항은, 수 MΩ이어야 한다. 절연 저항이, 예를 들어 해당 표준에 따라 지정된 한계값 아래로 떨어지면, 경보가 트리거될 수 있으며, 필요한 경우 안전을 보장하기 위해 시스템이 차단될 수 있다.

또한, 여기에 도시된 장치(1)의 실시예는, 연료 전지 인터페이스의 전압을 고전압 배터리의 전압 레벨에 맞추기 위해, 저전압에 의한 고전압 예비 충전을 가능하게 하는, 갈바닉 분리 조정 가능 변압기(16)를 포함한다. 이를 위해 저전압에 의한 고전압 예비 충전의 전압 조정을 위한 설정값으로서 배터리 측의 전압이 이용된다. 이는, LV 접속부(17)의 저전압을 고전압(HV)으로 변환하는 갈바닉 분리 조정 가능 변압기(16)에 의해 구현된다. 상기 변압기 또한, 마이크로컨트롤러(13)에 의해 상응하게 제어되거나 조절된다. 이러한 저전압 예비 충전의 장점은, 연료 전지 스택(2)에 매체가 공급되기 이전에도, 연료 전지 인터페이스의 접촉기들을 고전압 배터리(3)에 접속할 수 있다는 점이다. 실제 트랜스듀서(5)는, 순수 스텝업 컨버터로서 단일 방향으로 설계될 수 있다. 그 경우, 이것은, 전압을 제한하는 기능을 또한 수행할 수 있다. 이를 위해, 연료 전지 스택(2)은, 트랜스듀서(5)를 통해 의도된 방식으로 로딩될 수 있고, 따라서 전압 제한 및 이를 위해 필요한 장치(7)는, 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 완전히 생략될 수 있다.

저전압에 의한 고전압 예비 충전의 또 다른 장점은, 연료 전지 스택의 시동 시에 로드 피크(load peak)를 갖는 연료 전지 스택(2)의 로딩이 방지될 수 있다는 것이다. 부가적으로, 연료 전지 스택에서 문제를 해결하기 위한 테스트들이, 더 간단해 수 있다.

Claims

적어도 하나의 연료 전지 스택(2) 및 고전압 배터리(3)를 구비하는 연료 전지 시스템에서 에너지를 분배하기 위한 장치(1)로서, 상기 연료 전지 스택(2) 및 상기 고전압 배터리(3)를 위한 전기 접속부들, 적어도 하나의 통신 인터페이스(12, 14), 트랜스듀서(5), 상기 고전압 배터리(3)와 상기 연료 전지 스택(2)을 분리하기 위한 배터리 회로 차단기(9), 및 상기 연료 전지 스택(2)의 극들을 연결하기 위한 비상 차단 장치(6)를 포함하고, 상기 배터리 회로 차단기(9)는, 상기 트랜스듀서(5)와 상기 고전압 배터리(3) 사이에 배치되는 것인, 장치에 있어서,
EMC 필터(10)가 제공되며, 그리고 상기 배터리 회로 차단기(9)는 상기 접속부의 양자 모두의 전극을 분리하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 비상 차단 장치(6)는, 불꽃 점화식 폐색기를 포함하며, 그리고 외부 통신 인터페이스(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
구성 요소들(5, 9)을 제어하기 위한 마이크로컨트롤러(13)가, 제공되며, 그리고 외부 통신 인터페이스(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
절연 저항을 모니터링하기 위한 장치(15)가, 제공되고, 상기 장치(15)는 특히 상기 비상 차단 장치(6)와 상기 트랜스듀서(5) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
갈바닉 분리 조정 가능 변압기(16)가 제공되고, 상기 변압기는, 고전압 예비 충전을 위해 설정되고, 상기 트랜스듀서(5)의 저전압 측에 연결되며, 그리고 상기 마이크로컨트롤러(13)에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,
상기 트랜스듀서(5)는 단일 방향성인 것을 특징으로 하는 장치.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
회로가 개방될 때 전압을 제한하기 위한 장치(7)가 제공되고, 상기 장치(7)는, 상기 연료 전지 스택(2)과 상기 트랜스듀서(5) 사이에 배치되며, 그리고 상기 마이크로컨트롤러(13)에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 퓨즈(11)를 통해 보호되는, 연료 전지 시스템의 보조 유닛들을 위한, 적어도 하나의 전기 접속부가, 상기 EMC 필터(10)와 상기 고전압 배터리(3) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
메인 컨슈머들은, 장치(1)의 배터리 접속부들을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
공통의 하우징(4)이 상기 연료 전지 스택(2) 상에 장착하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.