WO2001028804A1 - Verfahren und anordnung zum steuern einer schaltverbindung zwischen den elektrischen ausgängen einer brennstoffzelle und einem isolierten elektrischen netz - Google Patents

Verfahren und anordnung zum steuern einer schaltverbindung zwischen den elektrischen ausgängen einer brennstoffzelle und einem isolierten elektrischen netz Download PDF

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Axel Jansen
Josef Sonntag
Hubert Urban
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Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for controlling and adjusting the switching state of a switching connection between the electrical outputs or poles of a fuel cell and an electrically insulated network arranged in the device, to which consumers supplied with energy by the fuel cell are connected ,
  • a further network is provided, which has a lower voltage than the network that can be connected to the fuel cell and has electrical consumers and a storage battery.
  • the network powered by the fuel cell is an ungrounded, electrically isolated network and contains e.g. B. one or more Ant ⁇ ebsmotore for the mobile device.
  • a number of auxiliary units are necessary for starting and operating the fuel cell, the drive motors of which receive the energy from an accumulator which is arranged in a low-voltage network when the fuel cell is started, and the drive motors of the auxiliary units which are arranged in a high-voltage network via one DC / DC converter powered.
  • the battery can be charged during operation of the fuel cell via the converter arranged between the two networks.
  • the converter which has electrical isolation between the two networks, also feeds the low-voltage network during operation of the fuel cell connected consumers. At least in vehicles, the low-voltage network is generally connected to the vehicle ground with one pole.
  • the switching connection at the output of the fuel cell must either not be closed or must be opened in certain situations or in certain events.
  • the fuel cell system must be checked for uncontrolled escape of the hydrogen before and during operation.
  • the high-voltage network is switched on to the fuel cell only after operational readiness has been reached and if the current draw is impermissibly high, e.g. B. in the event of a short circuit, or if the output voltage is insufficient, it is quickly separated.
  • the invention is therefore based on the problem of a method for a device which has a fuel cell with a switching connection to an electrical consumer-containing, electrically insulated network for generating energy and a further network designed for a voltage lower than the fuel cell voltage with further electrical consumers and to specify a device with which the switching connection can occur in situations or in certain operating states in which a hazard to persons or at least parts of the device or the fuel cell itself can occur due to a conductive connection between the electrical outputs of the fuel cell and the electrically insulated network between the outputs of the fuel cells and the network is either not closed or opened quickly.
  • the problem is solved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that device statuses are reported by sensors arranged in or on the device, in which the supply of energy to the electrically insulated network must be excluded or suspended for safety reasons, that with one from the further network with energy-supplied control and evaluation unit, the sensors are monitored so that the switching connection at each output or pole of the fuel cell for isolating the electrically insulated network from at least one of the outputs or poles of the fuel cell that are electrically insulated from the conductive parts of the device has the output or pole connected switching or working contact of a switching element that the switching or working contacts connected to the outputs or poles belong to one or to separate switching elements which are connected to the switching or control unit, that the one or more switching elements the energy of the fuel parts is ⁇ unit enabled by the switching and control for closing the switching or make contacts during starting of the fuel cell after reaching the operational readiness, when standardized by the switching and Steuerein ⁇ no message from at least one sensor, which ⁇ or make contacts refers to an imper
  • a high level of operational reliability of the fuel cell system is achieved with the method according to the invention. A risk to people and the environment and parts of the device itself can thus be avoided.
  • the power supply to the switching organs out so that the switching or working contacts open by themselves.
  • the fuel cell system changes into a state in which the energy output from the fuel cell is interrupted, ie a safe operating state is reached.
  • one of the switching or working contacts connected to the outputs or poles of the fuel cell is connected in parallel with the series connection of a resistor and a switching or working contact of a further switching element that is connected to the switching and control unit and can be actuated separately from the other switching elements the energy for closing the switching or working contact after starting the fuel cell and reaching its operational readiness is simultaneously supplied with the energy for closing the switching or working contact of the switching element, the switching or working contact to the other output or Pol is connected, and the energy for actuating the further switching element and the other switching elements is blocked or interrupted upon detection of a message by the switching and control unit relating to an impermissible closed position of the switching or working contacts of the switching elements ,
  • precharging is achieved between the fuel cell outputs and the electrically insulated network.
  • the potentials on both sides of the switching organ contacts are adjusted by closing the precharging branch containing the resistor in order to largely avoid sparking when the normally open contacts close.
  • the leakage of hydrogen from the hydrogen-producing or hydrogen-storing units by gas sensors the load current of the fuel cell if the limit values are exceeded or undershot by a current sensor connected downstream of the fuel cell, the impact of the mobile device on an Hm- dernis by at least one crash sensor, the insulation resistance of the electrically isolated network against the mass of the mobile device, the output voltage of the fuel cell to exceed or fall below limit values, the closed state of doors and lids of the mobile device by switches and the supply voltage in the other network monitored for exceeding and falling below limit values and checked for the presence of conditions for the opening of the switching or working contacts of the switching elements.
  • the insulation resistance between the elec ⁇ trically isolated network and the ground of the mobile device is determined by a pulse measurement, are given the positive and negative pulses via a precision resistor of predetermined size on the mass, wherein the pulses a in over the insulation resistance to a reference point Cause current flowing in the network, which is measured by a voltage drop across the measuring resistor.
  • the measuring voltage is fed to an A / D converter via a high and a low pass.
  • the insulation resistance is monitored for falling below a predefinable lower threshold and exceeding a too high threshold.
  • the insulation measurement is carried out continuously during the operation of the mobile device, but when starting as a quick measurement with reduced accuracy. If the insulation resistance is too low, the unearthed network is disconnected from the fuel cell.
  • the current measuring device is monitored by feeding a test current m an additional winding of the current sensor containing a current transformer.
  • the problem is solved according to the invention in that the outputs or poles of the fuel cell are each connected to the electrically insulated network via at least one switch or make contact, in that a control and evaluation unit of a module connects one to the other an internal bus of the mobile device connected processor, a logic circuit with hardware-based logic functions, an A / D converter electrically isolated from the processor, the input side with analog sensors for the current and voltage of the fuel cell and with a measuring device for the insulation resistance is connected between the electrically insulated network and the ground of the mobile device, a sensor for the fuel cell current which is electrically isolated from the processor and the logic circuit, a power supply unit with electrical isolation for the supply of the A / D implementing rs with operating voltage, control modules connected to the output of the logic circuit and converters connected to the processor and the logic circuit for supplying hydrogen sensors with operating voltage and adapting the signals output by these sensors to the levels of the processor and the logic circuit, that the logic circuit, the processor, the converter and the control components are
  • a compact control unit with a relatively lower weight and small dimensions is made available for a mobile fuel cell system, with which numerous safety requirements can be met when the fuel cell system is in operation.
  • the messages processed by the logic circuit about critical states of the fuel cell system or the mobile device immediately lead to the opening of the switch contacts.
  • a further switching or normally open contact of a third switching element is preferably arranged in a row with a resistor in parallel around the switching or normally open contact of the second or first switching element, the third switching element being connected to a driver module on the module which is supplied with operating voltage by the network , which is connected to the logic circuit, the driver block m the start phase after reaching the operational readiness of the fuel cell before the delivery of a control signal to the control unit that actuates the second or first switching element, with a control signal for outputting an actuation signal to the third switching element simultaneously with the output of a control signal for actuating the first or second switching element and for switching off the outputs of the fuel cell from the electrically insulated network, the output of control signals for actuating the three switching elements is blocked.
  • the assembly has a printed circuit board with a first section which contains the components supplied with operating voltage by the further network, such as logic circuit, processor, converter, control and driver components with associated conductor tracks and the connections to the coils of the Switching elements and connections for sensors supplied with the voltage of the further network, for bus lines and for the ground connection and which is separated from a second section which is acted upon by the voltage of the fuel cell or the insulated electrical network, such as the current sensor, a voltage divider for the Voltage measurement and the associated conductor tracks and connections for the network powered by the fuel cell.
  • the further network such as logic circuit, processor, converter, control and driver components with associated conductor tracks and the connections to the coils of the Switching elements and connections for sensors supplied with the voltage of the further network, for bus lines and for the ground connection and which is separated from a second section which is acted upon by the voltage of the fuel cell or the insulated electrical network, such as the current sensor, a voltage divider for the Voltage measurement and the associated conductor tracks and connections for the network powered by the fuel cell
  • the minus side of the fuel cell voltage is the reference potential for components acted upon by the voltage of the fuel cell on the assembly and on a connection of the second section of the assembly. This reference potential allows a great simplification of the circuit.
  • the current sensor preferably has a current transformer with a conductor passed through the printed circuit board without contact and through a current transformer core arranged on the latter, the current being measured according to the compensation principle.
  • the current transformer carries, in particular, an additional winding which is connected to a device for feeding a defined current, with which the current measurement is monitored for functionality.
  • the upper and lower limit values for the fuel cell current are stored in the processor. A corresponding message is output to the bus both when the upper limit is exceeded and when the value falls below the lower limit. Work contacts behind the poles or exits of the fuel cell are opened.
  • a measuring resistor is preferably provided on the circuit board in the second section of the circuit board, to which positive and negative voltage pulses are applied, the pulses causing a voltage across a current flow across the measuring resistor which is fed to the A / D converter via a high-pass and a low-pass filter, the output signals of which are fed to the processor.
  • the high pass blocks the DC fuel cell voltage and the low pass hides high-frequency interference.
  • the processor processes the measured values for the determination of the insulation resistance after a certain waiting time in order not to accept any measured values during the oscillation process.
  • the processor is preferably monitored by a watchdog device, ie a defect in the processor module or a software crash causes the work contacts to open at the output of the fuel cell, ie the precharging current branch is also de-energized.
  • the bus is also expediently checked for proper functioning. It is advantageous if the supply voltage of the further network, for. B. the processor is detected by means of an appropriate input by means of an A / D converter and is monitored for predetermined limit values hm, when the limit is exceeded or undershot the signal from the processor for opening the working or switching contacts is given to the logic circuit.
  • the inputs and outputs of the components arranged on the printed circuit board are designed to be short-circuit proof. With this measure, a high degree of safety in the functioning of the assembly is achieved.
  • ground and short circuits are recorded as faults.
  • the block diagram shows an assembly of an arrangement for controlling the switching states of a switch connection between the electrical outputs of a fuel cell arranged in a vehicle and an electrically insulated network arranged in the vehicle.
  • the invention is of course also applicable to fuel cells outside of vehicles.
  • a fuel cell 1 not shown in detail, which is part of a fuel cell system, also not shown, is connected with its electrical poles or outputs 2 and 3 to a switching or.
  • Normally open contact 4 and a switching or normally open contact 5 at least one switching element connected.
  • the fuel cell 1 is in particular a PEM cell consisting of numerous individual modules.
  • the fuel cell system contains a storage for hydrogen or a device for generating hydrogen from a hydrocarbon and auxiliary units for the demand or compression of hydrogen and air.
  • Terminal 2 has positive polarity and terminal 3 has negative polarity.
  • the outputs 2, 3 are electrically insulated from one another and from the conductive parts of the vehicle.
  • a line 6 is connected to the normally open contact 4 and a line 7 is connected to the normally open contact 5.
  • the lines 6, 7 are components of an electrically insulated or ungrounded network which contains a number of consumers which are fed by the fuel cell 1.
  • An essential consumer is a drive motor 8 connected to the network via an inverter.
  • B. em DC / DC converter for generating a charging current for an accumulator m another network arranged in the vehicle are not shown in the drawing.
  • the normally open contact 4 is part of a first switching element 9 arranged in the vehicle, which can be a load break switch or circuit breaker or protection 9 or relay.
  • the normally open contact 5 is part of a second switching element 10 arranged in the vehicle, which can also be a power or load break switch or protection or relay.
  • the working contacts 4, 5 are not part of a single switch for safety reasons. Since the working contacts 4, 5 have to open critical states of the fuel cell system or of the vehicle, the arrangement of two vone other independently operable contacts given a higher level of security that em contact works in the event of a fault in the other and shuts down the network at least one pole.
  • the coils of the switches or contactors 9, 10 or relay are each m exits with a control module as a Eco ⁇ nomizers 11 and an economizer 12 are connected.
  • the driver module 15 has two inputs, one of which is connected via a diode to a contact 17 of a key switch with which the vehicle is started.
  • a voltage of a further network in the vehicle is present at one input of the driver module 15.
  • the other network which is designated m in the drawing with 21, is designed as a conventional vehicle electrical system and contains an accumulator of, for. B. 12 V. Consumers in this further network, which has a lower voltage than the network that can be connected to the fuel cell 1, are, for. B. Windshield wiper motors, fans, windshield drive motors, lamps, turn signals etc.
  • the further network is also referred to below as a low-voltage network and the network fed by the fuel cell as a high-voltage network.
  • the relay 16, which is also referred to as a system relay, supplies electronic components of the module 14 with operating voltage after the response.
  • Em normally open contact 20 of the relay 19 is placed in a row with a resistor 52.
  • the series connection of normally open contact 20 and ohmic resistor 52 is parallel to normally open contact 5, but can optionally also be arranged parallel to normally open contact 4.
  • the branch consisting of normally open contact 20 and resistor 52 is intended as a precharge circuit for the adjustment of the voltage on the fuel cell side m its idling and on the side of the electrically insulated network when the DC / DC converter is connected to the accumulator.
  • the connections for the operating power supply of the economizers 11, 12 are connected to the conductor track 22 connected to the network 21.
  • the connection for the operating power supply of the driver stage 15 is connected to the conductor track 22 via a diode (not designated in more detail).
  • a connection of a power supply unit 23 to the conductor track 22 m is connected to the vehicle ground.
  • the power supply 23 is designed as a DC / DC converter and has a galvanic separation between the input and output voltage, which is indicated in the drawing by the transformer symbol. From the operating voltage of z. B. 12 V of the electrical system 21, the power supply generates a higher voltage of z. B. 15 V.
  • the circuit board 14 is divided into two sections 24, 25 in relation to the operating voltage and the voltage level of the components arranged thereon, by means of which spatial separation of the components with different voltage levels is achieved. In the drawing, this is shown by a dash-dotted line. In this way, a high degree of security against short circuits between components and lines or conductor tracks with different voltage levels is achieved.
  • the logic circuit 26 On section 24, to which the low voltage level is assigned, there is a logic circuit 26, the one Has a series of inputs, the connection with components are described in more detail below. On the output side, the logic circuit is connected to control inputs of the economizers 11, 12 and the driver modules 15 and 18.
  • Gas sensors for hydrogen are present in the fuel cell system to monitor the operating resources. These gas sensors require operating voltages that are different from the voltage of the vehicle electrical system 21. In general, the operating voltage is less than the vehicle electrical system voltage.
  • the signals generated by the gas sensors are at least not in the voltage level of the vehicle electrical system or in the range of the input signals that can be processed by the logic circuit 26.
  • Analog converter and matching circuits 27, 28 are therefore provided on the printed circuit board 13.
  • the converter and adaptation circuits 27, 28 each have outputs, which are not described in greater detail, to which the operating voltage connections of gas sensors, which are not shown in more detail, are connected. Furthermore, the converter and output circuits 27, 28 each have two inputs, not specified in more detail, for the analog signals output by the gas sensors.
  • the outputs of the converter and adaptation circuits 27, 28 are connected to an input 29 of the logic circuit 26 and an input of a processor 30, which is preferably em ⁇ P.
  • This input of the processor can be an analog input with a downstream A / D converter.
  • the input 29 of the logic circuit 26 is designed for threshold detection, ie the output signals of the converter and adaptation circuits 27, 28 are processed by the logic circuit 26 only from a certain level.
  • the converter and matching circuits 27, 28, the logic circuit 26 and the processor 30 are arranged with their corresponding connections on the circuit board 14 to external components and the conductor tracks between the connections and the inputs of these components in section 24.
  • the logic circuit 26 has further inputs, which are symbolically designated by the number 31. Switch contacts, e.g. B.
  • em switch contact 51 connected.
  • the switching status of devices in or on the vehicle is monitored with these switching contacts.
  • the switch contact 51 which is supplied with voltage by the vehicle electrical system 21, is provided for monitoring a cover for the trunk of the vehicle.
  • Further inputs of the logic circuit 26, which are designated in the drawing together with the number 32, are connected in particular to sensors which detect and report collisions of the vehicle. Such a sensor is shown in the drawing and labeled 34.
  • a further input 33 of the logic circuit 26 is connected to an emergency stop switch 35.
  • At least one input 36 of the logic circuit 26 is connected to a corresponding output of the processor 30.
  • the processor 30 has inputs, not specified, which are connected to a bus to which other participants in the vehicle are also connected.
  • the bus is preferably the known CAN bus.
  • a serial interface 37 of the processor 30 can be connected to corresponding transmission devices.
  • the reference potential for the components arranged on section 24 is the mass potential of the vehicle.
  • a current transformer 38 which is designed as a push-through transformer, through which and through an opening of the printed circuit board 13 corresponding to the core opening, the current conductor 6 is passed without contact.
  • the current transformer 38 is part of a current sensor 39, which measures the fuel cell current according to the known compensation principle.
  • the current sensor 39 is e.g. B. connected via a multiplexer, not shown, to an A / D converter.
  • the current sensor 39 has an optocoupler 41 at the output, the output of which is connected on the one hand to an input of the processor 30 and on the other hand to an input of the logic circuit 26.
  • the A / D converter 40 has an input z. B. about the Multiplexer and a line, not shown, connected to output 3.
  • section 25 there is a device 42 for measuring the insulation resistance between the electrically insulated network and the mass of the vehicle.
  • the insulation resistance is shown in dashed lines in the drawing and designated 43.
  • the reference potential for the components arranged in section 25 is the potential of the negative output 3 of the fuel cell.
  • the insulation resistance 43 is measured using a pulse method.
  • the device 42 contains a measuring resistor 44, the value of which is predetermined. Positive and negative pulses are alternately fed to the measuring resistor 44 via a switch 45.
  • the positive and negative voltage is generated by the power supply unit 23, which is connected to the reference voltage connection of the fuel cell.
  • the voltage occurring at the measuring resistor 44 is supplied to the A / D converter 40 via a voltage divider 46 via a high-pass filter, which blocks the DC fuel cell voltage, and a low-pass filter, which blocks out high-frequency interference. High and low pass are designated in the drawing with the reference number 47.
  • the output of the A / D converter 40 is connected to an input of the processor 30 via an optocoupler 48.
  • the devices for measuring and detecting electrical or mechanical variables and states of the mobile device are also referred to as sensors.
  • the processor 30 takes a series of measured values of the voltage at the measuring resistor 44 only after a certain waiting time, which is matched to the settling time of the measuring system, averages this in order to minimize low-frequency interference, and then calculates the insulation resistance.
  • the Insulation resistance of the non-grounded network the fuel cell 1 ⁇ measured.
  • processor 30 causes logic contacts 26 to open work or switch contacts 4, 5, 20 of the switching elements.
  • Is on the current transformer 38 is an additional winding 49, is fed to the a defined current introduced from a current source 50 ⁇ to the functionality of the power converter and the Optokoplers 41 including the conductor tracks to check to the processor 30th
  • the processor 30 carries out an automatic offset adjustment for the analog measured values such as fuel cell voltage, fuel cell current and insulation resistance and monitors these values by comparison with predeterminable values. Processor 30 also outputs these values to the bus so that they are available to other bus users in the vehicle. If critical values are exceeded or undershot, processor 30 issues a corresponding message to logic circuit 26.
  • the logic circuit 26 has logic functions of combinatorial and sequential type implemented in hardware and, if appropriate, memory functions, as a result of which rapid processing of the input signals is ensured. This means that in the event of a critical situation in and on the vehicle or dangers to the vehicle occupants, which are reported by the gas sensors, the switching contact 51, the sensors 34 and the emergency stop switch 35, the logic circuit 26 issues the corresponding messages very quickly processed or forwarded and cause the opening of the switching contacts 4, 5, 20 via the economizers 11, 12 or the precharge 18. The high-voltage network with the consumers connected to it is therefore de-energized, so that there can no longer be any danger in relation to a dangerous voltage. Furthermore, a switch in the 12V network is actuated via relay 16. - 18 -
  • the part of the components such as ⁇ P 30, logic circuit 26 and the converter and adapter circuits, which is arranged on the low voltage side of the assembly 14, is first supplied with operating voltage and starts operating.
  • the start phase of the fuel cell 1 is at the outputs of the fuel cell 1 with the contacts 4, 5, 20 open, the open circuit voltage of z. B. 450 V.
  • components on the high-voltage side of the assembly 14 start operating, whereby z. B. the open circuit voltage and insulation resistance can be measured.
  • the A / D converter 40 has integrated a multiplexer, not shown, with which the various signals or measured values of current, voltage and resistance are fed to the ⁇ P 30 in series.
  • the normally open contacts 4 and 20 closed, whereby the output voltage of the fuel cell and the existing in the electrically isolated network due to the DC-DC converter powered by the battery voltage of z. B. 200 V can be adjusted.
  • the command to switch on the make contacts can be supplied to the logic circuit 26 from a higher-level control device (not shown) on the CAN bus, which then causes the make contacts 4 and 20 to be actuated. After the work contacts 20 are switched on, the work contact 5 is also closed. Due to the equipotential bonding at the contact poles of the normally open contact 5, sparks are largely avoided, so that the contacts are protected even with frequent switching.
  • the detection of a short-circuit current in the fuel cell network is reported to the processor 30 and causes the gear 36 of the logic circuit, the immediate draw, ie opening, working or switching contacts 4, 5 and 20th
  • the device 42 for measuring the insulation resistance is triggered or controlled by the processor 30 via an optocoupler interface (not shown in more detail). This also applies to the A / D converter 40 and the current sensor 38.
  • the processor 30 is monitored together with the software by a watchdog engineer. This means that a defect in the processor module or a software crash leads to the disconnection of the two isolating switches or switching contacts 4, 5 and 20.
  • Supply voltages of the electronics are read and monitored for their defined limits hm in order to prevent the switch contacts 4, 5, 20 from being closed when the vehicle is started or from causing a malfunction due to the vehicle electrical system voltage being too low.
  • various measures such as reporting and / or decommissioning of vehicle units or switching contacts 4, 5 and 20 can be carried out.
  • All inputs and outputs of module 14 are short-circuit proof against vehicle mass and the 12 V vehicle voltage and can be detected in the event of short circuits as faults that are reported or, in addition to the report in the event of such short circuits that impermissibly impair the safety of the operation and of the vehicle, lead to opening of the switching or working contacts 4, 5 and 20.
  • the fuel cell voltage is monitored for errors hm by setting lower and upper limits. Likewise, during insulation resistance monitoring, thresholds are set for an insulation resistance that is too low, with appropriate alarm handling, and a threshold for an insulation resistance that is too high, from which an interruption is detected. Since the measurement time for the insulation measurement is relatively long, a Sehnell measurement is provided for each new start process (switching on the supply voltage), but with somewhat reduced accuracy. When monitoring the fuel cell flow, the highest
  • the lower and upper limits of the current are initially monitored using software. When the upper limit (short circuit) is exceeded, a redundant hardware shutdown of the two switching contacts 4, 5 and the contact 20 is carried out redundantly. So that a circuit defect in the current measurement can also be detected, a test current is fed in and continuously monitored via an additional test winding of the current sensor.
  • a redundant hardware circuit for software monitoring is also used to monitor the hydrogen concentration.
  • the fuel cell, the fuel cell network and the insulation resistance of this network can be monitored in an economical and safe manner.
  • the connection between the fuel cell and the grid is opened.
  • Module 14 can be checked before installation in a vehicle so that a time-consuming test after installation can be omitted.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern und Einstellen der Schaltzustände von an den elektrischen Polen bzw. Ausgagen einer Brennstoffzelle angeschlossenen Schaltern, denen ein von der Brennstoffzelle gespeistes Netz mit Verbrauchern nachgeschaltet ist. Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für die Anwendung in einem Fahrzeug. Bei kritischen Zuständen der Brennstoffzelle bzw. des Fahrzeugs werden die Schalter geöffnet.

Description

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zwischen den elektrischen Ausg ngen einer Brennstoff elle und einem isolierten elektr chen Netz
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern und zur Einstellung des Schaltzustands einer Schaltverbmdung zwischen den elektrischen Ausgangen bzw. Polen einer Brennstoffzelle und einem m der Vorrichtung angeordneten, elektrisch isolierten Netz, an das von der Brennstoffzelle mit Energie versorgte Verbraucher angeschlossen sind, wobei m der Vorrichtung ein weiteres Netz vorgesehen ist, das eine geringere Spannung als das an die Brennstoffzelle anschließbare Netz und elektrische Verbraucher sowie eine Speicherbatterie aufweist.
Insbesondere m mobilen Energieerzeugungssystemen mit Brennstoffzellen sind vielfach zwei elektrische Netze vorhanden. Das von der Brennstoffzelle gespeiste Netz ist ein ungeerdetes, elektrisch isoliertes Netz und enthalt z. B. einen oder mehrere Antπebsmotore für die mobile Vorrichtung. F r das Starten und den Betrieb der Brennstoffzelle sind eine Reihe von Hilfsaggregaten notwendig, deren Antriebsmotoren beim Starten der Brennstoffzelle die Energie aus einen Akkumulator erhalten, der m einem Niedervoltnetz angeordnet ist und die Antriebsmotore der Hilfsaggregate, die m einem Hochvoltnetz angeordnet sind, über einen DC/DC- andler mit Strom versorgt. Der Akkumulator kann im Betrieb der Brennstoffzelle über den zwischen beiden Netzen angeordneten Stromrichter geladen werden. Der Strom-richter, der eine galvanische Trennung zwischen beiden Netzen hat, speist im Betrieb der Brennstoffzelle auch die an das Niedervoltnetz angeschlossenen Verbraucher. Das Niedervoltnetz ist zumindest in Fahrzeugen im allgemeinen mit einem Pol an Fahrzeugmasse gelegt .
Zur Vermeidung einer Gefährdung von Personen oder Teilen der mobilen Einrichtung durch Strom aus der Brennstoffzelle darf in bestimmten Situationen oder bei bestimmten Ereignissen die Schaltverbindung am Ausgang der Brennstoffzelle entweder nicht geschlossen oder muß geöffnet werden. Beispielsweise muß bei Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, das Brennstoffzellensystem vor und während des Betriebs auf unkontrolliertes Austreten des Wasserstoffs überprüft werden. Um einen Defekt der Brennstoffzelle zu verhindern, muß gewährleistet werden, daß das Hochvolt-Netz erst nach Erreichen der Betriebsbereitschaft an die Brennstoffzelle angeschaltet und bei unzulässig hoher Stromentnahme, z. B. im Kurzschlußfall, oder bei unzureichender Ausgangsspannung schnell von dieser getrennt wird. Aus Sicherheitsgründen muß auch immer ein Mindestisolationswiderstand zwischen den beiden Netzen vorhanden sein.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, für eine Vorrichtung, die zur Energieerzeugung eine Brennstoffzelle mit einer Schaltverbindung zu einem elektrische Verbraucher enthaltenden, elektrisch isolierten Netz und ein weiteres, für eine geringere Spannung als die BrennstoffZellenspannung ausgelegtes Netz mit weiteren elektrischen Verbrauchern aufweist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen in Situationen oder bei bestimmten Betriebszuständen, bei denen durch eine leitende Verbindung zwischen den elektrischen Ausgängen der Brennstoffzelle und dem elektrisch isolierten Netz eine Gefährdung von Personen oder zumindest von Teilen der Vorrichtung oder der Brennstoffzelle selbst auftreten kann, die Schaltverbindung zwischen den Ausgängen der Brennstoffzellen und dem Netz entweder nicht geschlossen oder schnell geöffnet wird. Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß von in oder an der Vorrichtung angeordneten Sensoren Vorrichtungszustande gemeldet werden, bei denen die Versorgung des elektrisch isolierten Netzes mit Energie aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen oder ausgesetzt werden muß, daß mit einer aus dem weiteren Netz mit Energie versorgten Steuer- und Auswerteinheit die Sensoren überwacht werden, daß die Schaltverbmdung an jedem Ausgang bzw. Pol der Brennstoffzelle zum Freischalten des elektrisch isolierten Netzes von den gegen die leitenden Teile der Vorrichtung elektrisch isolierten Ausgangen bzw. Polen der Brennstoffzelle wenigstens einen an den Ausgang bzw. Pol angeschlossenen Schalt bzw. Arbeitskontakt eines Schaltorgans aufweist, daß die an die Ausgange bzw. Pole angeschlossenen Schalt- bzw. Arbeitskontakte zu einem oder zu getrennten Schaltorganen gehören, der bzw. die mit der Schalt- bzw. Steuereinheit verbunden sind, dass dem oder den Schaltorganen die Energie zum Schließen der Schalt- bzw. Arbeitskontakte beim Starten der Brennstoffzelle nach dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der Brennstoffeile durch die Schalt- und Steuer¬ einheit freigegeben wird, wenn von der Schalt- und Steuerein¬ heit keine Meldung aus wenigstens einem Sensor, die sich auf eine aus Sicherheitsgründen unzulässige Schließung der Schalt¬ bzw. Arbeitskontakte bezieht, erfasst ist, und daß bei Erfassung wenigstens einer Meldung aus wenigstens einem Sensor, die sich auf eine aus Sicherheitsgründen unzulässige Schließstellung der Schalt bzw. Arbeitskontakte bezieht, von der Schalt- bzw. Steuereinheit die Energiezufuhr zu dem bzw. den Schaltorganen blockiert bzw. unterbrochen wird.
Mit dem erf dungsgemäßen Verfahren wird eine hohe Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erreicht. Es kann damit eine Gefahrdung von Personen und der Umwelt sowie Teilen der Vorrichtung selbst vermieden werden. Bei Kurzschlüssen im elektrisch isolierten Netz oder den von diesem Netz gespeisten Verbrauchern fallt die Energieversorgung des bzw. der Schalt- organe aus, so daß sich die Schalt- bzw. Arbeitskontakte von selbst offnen. Das Brennstoffzellensystem geht bei der Meldung einer Gefahr oder Störung m einen Zustand über, bei dem die Energieabgabe aus der Brennstoffzelle unterbrochen ist, d. h. es wird ein sicherer Betriebszustand erreicht.
Vorzugsweise ist einem der an die Ausgange bzw. Pole der Brennstoffzelle angeschlossenen Schalt- bzw. Arbeitskontakte die Reihenschaltung eines Widerstands und eines Schalt- bzw. Arbeitskontakts eines mit der Schalt- und Steuereinheit verbundenen, getrennt von den anderen Schaltorganen betatigbaren weiteren Schaltorgans parallel geschaltet, dem die Energie zum Schließen des Schalt- bzw. Arbeitskontakts nach dem Starten der Brennstoffzelle und dem Erreichen von deren Betriebsbereitschaft zugleich mit der Energie zum Schließen des Schalt- bzw. Arbeitskontakts des Schaltorgans zugeführt wird, dessen Schalt- bzw. Arbeitskontakt an den anderen Ausgang bzw. Pol angeschlossen ist, und wobei bei der Erfassung einer Meldung durch die Schalt- und Steuereinheit, die sich auf eine unzulässige Schließstellung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte der Schaltorgane bezieht, die Energie zum Betatigen des weiteren Schaltorgans und der anderen Schaltorgane blockiert bzw. unterbrochen wird. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird eine Vorladung zwischen den Brennstoffzellenausgangen und dem elektrisch isolierten Netz erreicht. Die Potentiale auf beiden Seiten der Schaltorgankontakte werden durch Schließen des den Widerstand enthaltenden Vorladungszweigs angeglichen, um die Funkenbildung beim Schließen der Arbeitskontakte weitgehend zu vermeiden.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden das Austreten von Wasserstoff aus den Wasserstofferzeugenden bzw. wasserstoffspeichernden Einheiten durch Gassensoren, der Laststrom der Brennstoffzelle auf Überschreiten oder Unterschreiten von Grenzwerten durch einen der Brennstoffzelle nachgeschalteten Stromsensor, der Aufprall der mobilen Vorrichtung auf em Hm- dernis durch wenigstens einen Crash-Sensor, der Isolationswiderstand des elektrisch isolierten Netzes gegen die Masse der mobilen Vorrichtung, die AusgangsSpannung der Brennstoffzelle auf Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten, der Schließzustand von Türen und Deckeln der mobilen Vorrichtung durch Schalter und die Versorgungsspannung im weiteren Netz auf Über- und Unterschreiten von Grenzwerten überwacht und auf Vorliegen von Bedingungen für das Offnen der Schalt- bzw. Arbeitskontakte der Schaltorgane geprüft.
Insbesondere wird der Isolationswiderstand zwischen dem elek¬ trisch isolierten Netz und der Masse der mobilen Vorrichtung durch ein Impulsmeßverfahren bestimmt, mit dem positive und negative Impulse über einen Meßwiderstand vorgegebener Große auf die Masse gegeben werden, wobei die Impulse einen über die Isolationswiderstande zu einem Bezugspunkt im Netz fließenden Strom hervorrufen, der durch einen Spannungsabfall am Meßwiderstand gemessen wird. Die Meßspannung wird über einen Hoch- und einen Tiefpaß einem A/D-Umsetzer zugeführt. Der Isolationsiderstand wird auf Unterschreitung einer vorgebbaren unteren Schwelle und Überschreitung einer zu hohen Schwelle überwacht. Die Isolationsmessung wird standig wahrend des Betriebs der mobilen Einrichtung ausgeführt, jedoch beim Starten als Schnellmessung mit verminderter Genauigkeit. Bei zu geringem Isolationswiderstand wird das ungeerdete Netz von der Brennstoffzelle getrennt.
Bei einer anderen zweckmäßigen Ausfuhrungsform wird die Stro - meßemrichtung durch Emspeisung eines Prufstroms m eine zusatzliche Wicklung des einen Stromwandler enthaltenden Stromsensors überwacht.
Aus Sicherheitsgründen werden bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform beim Ansprechen eines oder mehrerer Gassensoren die Schalt- bzw. Arbeitkontakte der Schaltverbmdung zwischen den Ausgangen bzw. Polen der Brennstoffzelle und dem elektrisch isolierten Netz sowie wenigstens ein Schalt- bzw. Arbeits- kontakt eines zusatzlichen Schaltorgans im weiteren Netz zur Unterbrechung der Energieversorgung wenigstens der Schalt- und Steuereinheit geöffnet.
Bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art wird das Problem erf dungsgemaß dadurch gelost, daß die Ausgange bzw. Pole der Brennstoffzelle je über wenigstens einen Schalt- bzw. Arbeitskontakt mit dem elektrisch isolierten Netz verbunden sind, daß eine Steuer- und Auswerteinheit einer Baugruppe einen an einen internen Bus der mobilen Vorrichtung angeschlossenen Prozessor, eine Logikschaltung mit hardwaremaßig ausgebildeten logischen Funktionen, einen mit dem Prozessor galvanisch getrennt verbundenen A/D-Umsetzer, der emgangsseitig mit analo-gen Sensoren für den Strom und die Spannung der Brennstoffzelle und mit einer Meßeinrichtung für den Iso-lationswiderstand zwischen dem elektrisch isolierten Netz und der Masse der mobilen Vorrichtung verbunden ist, einen mit dem Prozessor und der Logikschaltung galvanisch getrennten verbundenen Sensor für den Brennstoffzellenstrom, ein vom weiteren Netz gespeistes Netzteil mit galvanischer Trennung für die Versorgung des A/D-Umsetzers mit Betriebsspannung, an den Ausgang der Logikschaltung angeschlossene Steuerbausteine und an den Prozessor und die Logikschaltung angeschlossene Umsetzer für die Versorgung von Wasserstoffsensoren mit Betriebsspannung und die Anpassung der von diesen Sensoren ausgegebenen Signale an die Pegel des Prozessors und der Logikschaltung aufweist, daß die Logikschaltung, der Prozessor, die Umsetzer und die Steuerbau- steme mit Betriebsspannung vom weiteren Netz beaufschlagt werden, daß mindestens em Ausgang des Prozessors mit einem entsprechenden Eingang der Logikschaltung verbunden ist, die mit Sensoren für die Erzeugung von Meldesignalen von Betriebs- zustanden der mobilen Vorrichtung oder von deren Bauteilen verbunden ist, daß durch die oder über die von einem übergeordneten Steuergerat ge-steuerte Logikschaltung die Freigabe von Ausgangssignalen der Steuerbausteine steuerbar ist, an die jeweils eine Spule eines einen der beiden Arbeitkontakte auf- weisenden ersten Schaltorgans und eines den anderen Schaltkontakt aufweisenden zweiten Schaltorgans angeschlossen ist, und daß bei vom Prozessor erfaßten Strom-, Spannungs- und/oder Isolationswiderstandsmeßwerten und bei von der Logikschaltung erfaßten Sensormeßwerten, bei denen die Versorgung des elektrisch isolierten Netzes aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen oder ausgesetzt werden muß, die Ausgabe von Ausgangssignalen der Steuerbausteine an die Spulen blockiert bzw. unterbrochen wird.
Mit der erfmdungsgemaßen Baugruppe wird em kompaktes Steuergerat mit relativ geringerem Gewicht und geringen Abmessungen für eine mobiles Brennstoffzellensystem verfugbar gemacht, mit dem beim Betrieb des BrennstoffZellensystems zahlreiche Sicherheitsanforderungen erfüllt werden können. Die von der Logik-schaltung verarbeiteten Meldungen über kritische Zustande des BrennstoffZellensystems oder der mobilen Einrichtung fuhren sofort zur Öffnung der Schaltkontakte.
Vorzugsweise ist em weiterer Schalt- bzw. Arbeitskontakt eines dritten Schaltorgans m Reihe mit einem Widerstand parallel um Schalt- bzw. Arbeitskontakt des zweiten oder ersten Schaltorgans angeordnet, wobei das dritte Schaltorgan mit einem vom Netz mit Betriebsspannung versorgten Trei- berbaustem auf der Baugruppe verbunden ist, der an die Logikschaltung angeschlossen ist, die den Treiberbaustein m der Startphase nach dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelle zeitlich vor der Abgabe eines Steuersignals an den Steuerbautem, der das zweite oder erste Schaltorgan betätigt, mit einem Steuersignal zur Ausgabe eines Betatigungssignals an das dritte Schaltorgan zugleich mit der Ausgabe eines Steuersignals zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltorgans veranlaßt und zur Abschaltung der Ausgange der Brennstoffzelle vom elektrisch isolierten Netz die Ausgabe von Steuersignalen zur Betätigung der drei Schaltorgane blockiert. Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird eine Vorladung zwischen Brennstoffzellen- ausgangen und elektrisch isoliertem Netz erreicht. Durch die Vorladung werden die Potentiale beiderseits der Arbeitskontaktpole aneinander angeglichen, so daß eine Funkenbildung beim Schalten weitgehend vermieden wird. Hierdurch werden die Kontakte geschont.
Es ist auch gunstig beim Ansprechen der Gassensoren nicht nur die Schaltverbmdung zwischen der Brennstoffzelle und dem elektrisch isolierten Netz sondern auch die Verbindung zum weiteren Netz mit dem Akkumulator abzuschalten, indem mit dem Ausgang der Logikschaltung em weiterer, vom weiteren Netz mit Betriebsspannung beaufschlagter Treiberbaustein auf der Baugruppe verbunden ist, von dem em Systemsrelais steuerbar ist, das zur Unterbrechung der Stromversorgung aus dem weiteren Netz zumindest für die Baugruppe beim Ansprechen wenigstens eines Gassensors zusammen mit den Schaltorganen abschaltbar
Bei einer bevorzugten Aus fuhrungsform weist die Baugruppe eine Leiterplatte mit einem ersten Abschnitt auf, der die von dem weiteren Netz mit Betriebsspannung versorgten Bauelemente, wie Logikschaltung, Prozessor, Umsetzer, Steuer- und Treiberbau- steme mit zugehörigen Leiterbahnen und die Anschlüsse zu den Spulen der Schaltorgane und Anschlüsse für mit der Spannung des weiteren Netzes versorgte Sensoren, für Busleitungen und für die Masseverbindung tragt und der von einem zweiten Abschnitt getrennt ist, der von der Spannung der Brennstoffzelle oder des isolierten elektrischen Netzes beaufschlagte Bauelemente wie den Stromsensor, einen Spannungsteiler für die Spannungsmessung und die zugehörigen Leiterbahnen sowie Anschlüsse für das von der Brennstoffzelle gespeiste Netz tragt. Aufgrund der durch die beiden Abschnitte gebildeten Trennung der Bauteile und Leiterbahnen, die niedrige Spannungen fuhren, von den Bauteilen und Leiterbahnen, die hohe Spannungen fuhren, ist em hohes Maß an Sicherheit gegen Kurzschlüsse auf der Leiterplatte zwischen beiden Netzen gegeben. Bei einer zweckmäßigen Ausfuhrungsform ist die Minusseite der Brennstoffzellenspannung Bezugspotential für von der Spannung der Brennstoffzelle beaufschlagte Bauteile auf der Baugruppe und an einen Anschluß des zweiten Abschnitts der Baugruppe gelegt. Dieses Bezugspotential erlaubt eine große Schaltungs- veremfachung . Vorzugsweise weist der Stromsensor einen Stromwandler mit einem beruhrungslos durch die Leiterplatte und durch einen auf dieser angeordneten Stromwandler-Kern hm- durchgefuhrten Leiter auf, wobei der Strom nach dem Kompensationsprinzip gemessen wird.
Der Stromwandler tragt insbesondere eine Zusatzwicklung, die an eine Einrichtung zur Einspeisung eines definierten Stroms angeschlossen ist, mit der die Strommessung auf Funktionsfahigkeit überwacht wird. Im Prozessor sind em oberer und em unterer Grenzwert für den Brennstoffzellenstrom gespeichert. Sowohl beim Überschreiten des oberen Grenzwerts als auch beim Unterschreiten der unteren Grenze wird eine entsprechende Mel-dung an den Bus ausgegeben, und die Schaltbzw. Arbeitkon-takte hinter den Polen bzw. Ausgängen der Brennstoffzelle werden geöffnet.
Für die Messung des Isolationswiderstands des isolierten elektrischen Netzes gegenüber der Masse der mobilen Vorrichtung ist vorzugsweise e auf der Leiterplatte im zweiten Abschnitt der Leiterplatte angeordneter Meßwiderstand vorgesehen, der mit positiven und negativen Spannungsimpulsen beaufschlagt wird, wobei die Impulse über einen Stromfluß am Meßwiderstand eine Spannung hervorrufen, die über einen Hochpaß und einen Tiefpaß dem A/D-Umsetzer zugeführt wird, dessen Ausgangssignale dem Prozessor zugeführt werden. Der Hochpaß blockt die Brennstoffzellengleichspannung ab und der Tiefpaß blendet hochfrequente Störungen aus. Der Prozessor verarbeitet die Meßwerte für die Bestimmung des Isolationswiderstands nach einer gewissen Wartezeit, um keine Meßwerte wahrend E schwmgvorgangen zu übernehmen. Der Prozessor wird zusammen mit semer Software vorzugsweise von einem Watchdog-Baustem überwacht, d. h. em Defekt des Prozessorbausteins bzw. em Absturz der Software bewirkt eine Öffnung der Arbeitskontakte am Ausgang der Brennstoffzelle, d. h. auch der Vorladestromzweig wird stromlos.
Zweckmaßigerweise wird auch der Bus standig auf einwandfreie Funktion überprüft. Es ist vorteilhaft, wenn die Versorgungs- spannung des weiteren Netzes z. B. durch eine entsprechende Eingabe den Prozessor mittels eines A/D-Umsetzers erfaßt und auf vorgegebene Grenzwerte hm überwacht wird, bei deren Über- bzw. Unterschreitung vom Prozessor das Signal zum Offnen der Arbeits- bzw. Schaltkontakte an die Logikschaltung gegeben wird.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausfuhrungsform sind die Em- und Ausgange der auf der Leiterplatte angeordneten Bauteile wie Logikschaltung, Prozessor, Steuer- und Treiberstufen und Umsetzer kurzschlußfest ausgelegt. Mit dieser Maßnahme wird em großes Maß an Sicherheit der Arbeitsweise der Baugruppe erreicht .
Insbesondere werden Masse- und Kurzschlüsse als Fehler erfaßt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines einer Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels naher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
In der Zeichnung ist im Blockschaltbild eine Baugruppe einer Anordnung zum Steuern der Schaltzustande einer Schalterverbm- dung zwischen den elektrischen Ausgangen einer m einem Fahrzeug angeordneten Brennstoffzelle und einem im Fahrzeug angeordneten elektrisch isolierten Netz dargestellt. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch auf Brennstoffzellen außerhalb von Fahrzeugen anzuwenden. E e einem nicht naher dargestellten Fahrzeug angeordnete Brennstoffzelle 1, die Bestandteil eines ebenfalls nicht naher dargestellten Brennstoffzellensystems ist, ist mit ihren elektrischen Polen bzw. Ausgangen 2 und 3 jeweils an einen Schaltbzw. Arbeitskontakt 4 und einen Schalt- bzw. Arbeitskontakt 5 wenigstens eins Schaltorgans angeschlossen. Bei der Brennstoffzelle 1 handelt es sich insbesondere um eine aus zahlreichen einzelnen Modulen bestehende PEM-Zelle. Das Brennstoffzellensystem enthalt einen Speicher für Wasserstoff oder eine Einrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff und Hilfsaggregate zur Forderung bzw. Komprimierung von Wasserstoff und Luft.
Der Anschluß 2 hat positive Polarität und der Anschluß 3 negative Polarität. Die Ausgange 2,3 sind gegeneinander und gegen die leitenden Teile des Fahrzeugs elektrisch isoliert. An den Arbeitskontakt 4 ist eine Leitung 6 und an den Arbeitskontakt 5 eine Leitung 7 angeschlossen. Die Lei-tungen 6, 7 sind Bestandteile eines elektrisch isolierten bzw. ungeerdeten Netzes, das eine Reihe von Verbrauchern enthalt, die von der Brennstoffzelle 1 gespeist werden. Em wesentlicher Verbraucher ist em über einen Wechselrichter mit den Netz verbundener Fahrmotor 8. Weiterer Verbraucher, z. B. em DC/DC-Wandler für die Erzeugung eines Ladestroms für einen Akkumulator m einem weiteren im Fahrzeug angeordneten Netz sind der Zeichnung nicht dargestellt.
Der Arbeitskontakt 4 ist Bestandteil eines im Fahrzeug angeordneten ersten Schaltorgans 9, das em Lasttrennschalter oder Leistungsschalter oder Schutz 9 bzw. Relais sein kann. Der Arbeitskontakt 5 ist em Bestandteil eines im Fahrzeug angeordneten zweiten Schaltorgans 10, das ebenfalls em Leistungsoder Lasttrennschalter oder Schutz bzw. Relais sein kann. Die Arbeitskontakte 4, 5 sind aus Sicherheitsgründen nicht Bestandteile eines einzigen Schalters. Da die Arbeitskontakte 4, 5 kritischen Zustanden des Brennstoffzellensystems oder des Fahrzeugs offnen müssen, ist durch die Anordnung zweier, vone ander unabhängig betatigbarer Kontakte em höheres Maß an Sicherheit dafür gegeben, daß em Kontakt bei einer Störung des anderen arbeitet und das Netz wenigstens einpolig abschaltet .
Die Spulen der Schalter bzw. Schütze 9, 10 oder Relais sind jeweils mit Ausgangen eines Steuerbausteins m Form eines Eco¬ nomizers 11 und eines Economizers 12 verbunden. Bei den beiden Economizern 11 und 12, die auf einer Leiterplatte 13 einer Baugruppe 14 angeordnet sind und zu einer im folgenden naher erläuterten Steuer- und Auswerteinheit gehören, handelt es sich um Schaltungen, die für Gleichstromschutze bzw. Relais einen höheren Strom zum Betatigen, d. h. Anziehen, erzeugen und danach den geringeren Haltestrom für die Schütze 9, 10 bzw. Relais ausgeben. Auf der Leiterplatte 13 der Baugruppe 14 befindet sich weiterhin e Relais-Treiberbaustem 15, mit dem em Relais 16 außerhalb der Baugruppe verbunden ist. Der Treiberbaustein 15 hat zwei Eingänge, von denen einer über eine Diode mit einem Kontakt 17 eines Schlusselschalters verbunden ist, mit dem das Fahrzeug gestartet wird. Bei geschlossenem Schlusselschalter liegt am einen Eingang des Treiberbausteins 15 eine Spannung eines weiteren Netzes im Fahrzeug an. Das weitere Netz, das m der Zeichnung mit 21 bezeichnet ist, ist als übliches Bordnetz für Fahrzeuge ausgebildet und enthalt einen Akkumulator von z. B. 12 V. Verbraucher m diesem weiteren Netz, das eine geringere Spannung als das an die Brenn-stoffzelle 1 anschließbare Netz hat, sind z. B. Scheibenwischermotore, Lufter, Scheibenantriebsmotore, Lampen, Blinker usw. Das weitere Netz wird im folgenden auch Niedervoltnetz und das von der Brennstoffzelle gespeiste Netz als Hochvoltnetz bezeichnet. Das Relais 16, das auch als Systemrelais bezeichnet wird, versorgt nach dem Ansprechen elektronische Bauelemente der Baugruppe 14 mit Betriebsspannung.
Auf der Leiterplatte 13 der Baugruppe 14 befindet sich noch em weiterer Treiberbaustein 18 mit zwei Eingängen, an dessen Ausgang em drittes Schaltorgan 19, z. B. em Relais 19, das ebenfalls auf der Baugruppe 14 angeordnet sein kann, angeschlossen ist. Em Arbeitskontakt 20 des Relais 19 ist m Reihe mit einem Widerstand 52 gelegt. Die Reihenschaltung aus Arbeitskontakt 20 und ohmschem Widerstand 52 liegt parallel zum Arbeitkontakt 5 kann aber auch wahlweise parallel zum Ar- beitkontakt 4 angeordnet sein. Der Zweig aus Arbeitskontakt 20 und Widerstand 52 ist als Vorladeschaltung für die Angleichung der Spannung auf der Brennstoffzellenseite m deren Leerlauf und auf der Seite des elektrisch isolierten Netzes bei der Verbindung des DC/DC-Wandlers mit dem Akkumulator bestimmt. Die Anschlüsse für die Betriebsstromversorgung der Economizer 11, 12 sind an die mit dem Netz 21 verbundene Leiterbahn 22 angeschlossen. Der Anschluß für die Betriebsstromversorgung der Treiberstufe 15 ist über eine nicht naher bezeichnete Diode mit der Leiterbahn 22 verbunden. Weiterhin steht em Anschluß eines Netzgeräts 23 mit der Leiterbahn 22 m Verbindung. Der zweite Anschluß des Netzgeräts 23 ist an die Fahrzeugmasse gelegt. Das Netzgerat 23 ist als DC/DC-Wandler ausgebildet und hat eine m der Zeichnung durch das Transformatorsymbol gekennzeichnete, galvanische Trennung zwischen Eingang- und Ausgangsspannung. Aus der Betriebsspannung von z. B. 12 V des Bordnetzes 21 erzeugt das Netzteil eine höhere Spannung von z. B. 15 V.
Die Leiterplatte 14 ist m Bezug auf die Betriebsspannung und die Spannungspegel der auf ihr angeordneten Bauelemente m zwei Abschnitte 24, 25 unterteilt, durch die eine räumliche Trennung der Bauelemente mit unterschiedlichem Spannungsniveau erreicht wird. In der Zeichnung ist dies durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Auf diese Weise wird em hohes Maß an Sicherheit gegen Kurzschlüsse zwischen Bauelementen und Leitungen bzw. Leiterbahnen mit unterschiedlichem Spannungs-niveau erreicht.
Auf dem Abschnitt 24, dem das niedrige Spannungsniveau zugeordnet ist, befindet sich eine Logikschaltung 26, die eine Reihe von Eingängen hat, deren Verbindung mit Bauelementen folgenden noch naher beschrieben werden. Ausgangsseitig ist die Logikschaltung mit Steuereingangen der Economizer 11, 12 und der Treiberbausteine 15 und 18 verbunden.
Im Brennstoffzellensystem sind Gassensoren für Wasserstoff zur Überwachung der Betriebsmittel vorhanden. Diese Gassensoren benotigen Betriebsspannungen, die von der Spannung des Bordnetzes 21 verschieden sind. Im allgemeinen ist die Betriebsspannung kleiner als die Bordnetzspannung. Die von den Gassensoren erzeugten Signale befinden sich zumindest nicht im Spannungsniveau des Bordnetzes oder im Bereich der von der Logikschaltung 26 verarbeitbaren Eingangssignale. Auf der Leiterplatte 13 sind daher analoge Umsetzer- und Anpassungsschaltungen 27, 28 vorgesehen. Die Umsetzer- und Anpassungs- schaltungen 27, 28 haben jeweils nicht naher bezeichnete Ausgange, an die die Betπebsspannungsanschlusse von nicht naher dargestellten Gassensoren angeschlossen sind. Weiterhin haben die Umsetzer- und Ausgangsschaltungen 27, 28 jeweils zwei nicht naher bezeichnete Eingänge für die von den Gassensoren ausgegebenen analogen Signale. Die Ausgange der Umsetzer- und Anpassungsschaltungen 27, 28 sind mit einem Eingang 29 der Logikschaltung 26 und einen Eingang eines Prozessors 30 verbunden, der vorzugsweise em μP ist. Es kann sich bei diesem Eingang des Prozessors um einen analogen Eingang mit nachgeschaltetem A/D-Umsetzer handeln. Dagegen ist der Eingang 29 der Logikschaltung 26 für em Schwellwertfassung ausgebildet, d. h. die Ausgangssignale der Umsetzer- und Anpassungsschaltungen 27, 28 werden von der Logikschaltung 26 erst ab einer gewissen Hohe weiterverarbeitet. Die Umsetzerund Anpassungsschaltungen 27, 28, die Logikschaltung 26 und der Prozessor 30 sind mit ihren entsprechenden Anschlüssen auf der Leiterplatte 14 zu externen Bauteilen und den Leiterbahnen zwischen den Anschlüssen und den Eingängen dieser Bauteile im Abschnitt 24 angeordnet. Die Logikschaltung 26 hat weitere Eingänge, die symbolisch mit der Ziffer 31 bezeichnet sind. An diese Eingänge 31 sind Schaltkontakte, z. B. em Schaltkontakt 51, angeschlossen. Mit diesen Schaltkontakten wird der Schließzustand von Vorrichtungen im bzw. am Fahrzeug überwacht. Beispielsweise ist der Schaltkontakt 51, der vom Bordnetz 21 mit Spannung versorgt wird, für die Überwachung eines Deckels für den Kofferraum des Fahrzeugs vorgesehen. Weitere Eingänge der Logikschaltung 26, die m der Zeichnung zusammen mit der Ziffer 32 bezeichnet sind, sind insbesondere an Sensoren, die Zusammenstoße des Fahrzeugs erfassen und melden, angeschlossen. Em solcher Sensor ist der Zeichnung dargestellt und mit 34 bezeichnet. Em weiterer Eingang 33 der Logikschaltung 26 ist mit einem Not-Ausschalter 35 verbunden. Mindestens em Eingang 36 der Logikschaltung 26 ist mit einem entsprechenden Ausgang des Prozessors 30 verbunden.
Der Prozessor 30 hat nicht naher bezeichnete Eingänge, die mit einen Bus verbunden sind, an den auch andere Teilnehmer des Fahrzeugs angeschlossen sind. Es handelt sich bei dem Bus vorzugsweise um den an sich bekannten CAN-Bus . Eine serielle Schnittstelle 37 des Prozessors 30 ist an entsprechende Uber- tragungsgerate anschließbar. Weiterhin ist am Prozessor 30 em nicht naher bezeichneter BOOT-Emgang vorhanden. Bezugspotential für die auf dem Abschnitt 24 angeordneten Bauelemente ist Massenpotential des Fahrzeugs.
Auf dem Abschnitt 25 ist em Stromwandler 38 vorhanden, der als Durchsteckwandler ausgebildet ist, durch den und durch eine mit der Kernoffnung korrespondierende Öffnung der Leiterplatte 13 der Stromleiter 6 beruhrungslos hmdurchgefuhrt ist. Der Stromwandler 38 ist Teil eines Stromsensors 39, der nach dem an sich bekannten Kompensationsprinzip den Brennstoffzellenstrom mißt. Der Stromsensor 39 ist z. B. über einen nicht dargestellten Multiplexer mit einem A/D-Umsetzer ver-bunden. Weiterhin hat der Stromsensor 39 am Ausgang einen Optokoppler 41, dessen Ausgang einerseits mit einem Eingang des Prozessors 30 und andererseits mit einem Eingang der Logikschaltung 26 verbunden ist. Der A/D-Umsetzer 40 ist mit einem Eingang z. B. über den Multiplexer und eine nicht dargestellte Leitung mit dem Ausgang 3 verbunden.
Im Abschnitt 25 befindet sich eine Einrichtung 42 zur Messung der Isolationswiderstands zwischen dem elektrisch isolierten Netz und der Masse des Fahrzeugs. Der Isolationswiderstand ist m der Zeichnung gestrichelt dargestellt und mit 43 bezeichnet. Bezugspotential für die im Abschnitt 25 angeordneten Bauelemente ist das Potential des negativen Ausgangs 3 der Brennstoffzelle. Der Isolationswiderstand 43 wird mit einem Impulsverfahren gemessen. Die Einrichtung 42 enthalt einen Meßwiderstand 44, dessen Wert vorgegeben ist. Über einen Schalter 45 werden abwechselnd positive und negative Impulse dem Meßwider- stand 44 zugeführt. Die positive und negative Spannung wird vom Netzteil 23 erzeugt, das mit dem Bezugsspannungsanschluß der Brennstoffzelle verbunden ist. Es findet aufgrund der Spannungsimpulse em Stromfluß vom Meßwiderstand 44 zum Fahr- zeugchassis über den Isolationswiderstand 43 zurück zum Bezugspunkt der BrennstoffZellenspannung statt, wodurch em Spannungsabfall am Meßwiderstand 44 entsteht. Die am Meßwiderstand 44 auftretende Spannung wird über einem Hochpaß, der die Brennstoffzellen-Gleichspannung abblockt und einen Tiefpaß, der hochfrequente Störungen ausblendet, über einen Spannungsteiler 46 dem A/D-Umsetzer 40 zugeführt. Hoch- und Tiefpaß sind m der Zeichnung mit der Bezugsziffer 47 bezeichnet. Der Ausgang des A/D-Umsetzers 40 ist über einen Optokoppler 48 mit einem Eingang des Prozessor 30 verbunden. Die Einrichtungen zur Messung und Erfassung elektrischer oder mechanischer Großen und Zustande der mobilen Vorrichtung werden auch als Sensoren bezeichnet.
Bei der Isolationsmessung übernimmt der Prozessor 30 eine Reihe von Meßwerten der Spannung am Meßwiderstand 44 erst nach einer bestimmten Wartezeit, die auf die Einschwingzeit des Meßsystems abgestimmt ist, mittelt diese, um niederfrequente Störungen zu minimieren, und berechnet anschließend den Isolationswiderstand. Im Betrieb des Fahrzeugs wird standig der Isolationswiderstand des ungeerdeten Netzes der Brennstoff¬ zelle 1 gemessen. Bei unzulässigen Isolationsverschlechterungen veranlaßt der Prozessor 30 über die Logikschaltung 26 das Öffnen der Arbeits- bzw. Schaltkontakte 4, 5, 20 der Schaltorgane .
Auf dem Stromwandler 38 befindet sich eine Zusatzwicklung 49, in die von einer Stromquelle 50 ein definierter Strom einge¬ speist wird, um die Funktionsfähigkeit des Stromwandlers und des Optokoplers 41 einschließlich der Leiterbahnen bis zum Prozessor 30 zu überprüfen.
Der Prozessor 30 führt einen automatisch Offsetabgleich für die analog gemessenen Werte wie BrennstoffZellenspannung, Brennstoffzellenstrom und Isolationswiderstand durch und überwacht diese Werte durch Vergleich mit vorgebbaren Werten. Weiterhin gibt der Prozessor 30 diese Werte auf den Bus aus, so daß sie für andere Busteilnehmer im Fahrzeug verfügbar sind. Bei Über- bzw. Unterschreitung kritischer Werte gibt der Prozessor 30 eine entsprechende Meldung an die Logikschaltung 26 ab.
Die Logikschaltung 26 hat hardwaremäßig realisierte logische Funktionen kombinatorischer und sequentieller Art und gegebenenfalls Speicherfunktionen, wodurch eine schnelle Verarbeitung der Eingangssignale sichergestellt wird. Dies bedeutet, daß bei kritischen Situation im und am Fahrzeug bzw. Gefahren für die Fahrzeuginsassen, die von den Gassensoren, dem Schaltkontakt 51, den Sensoren 34 und dem Not-Aus-Schalter 35 gemeldet werden, von der Logikschaltung 26 die entsprechenden Meldungen sehr schnell verarbeitet bzw. weitergeleitet werden und über die Economizer 11, 12 bzw. die Vorladung 18 das Öffnen der Schaltkontakte 4, 5, 20 hervorrufen. Das Hochvoltnetz mit den daran angeschlossenen Verbrauchern wird daher spannungslos, so daß von daher keine Gefahr mehr in Bezug auf eine gefährliche Spannung ausgehen kann. Weiterhin wird über das Relais 16 ein Schalter im 12V-Netz betätigt. - 18 -
Nach der Betätigung des Schlusselschalters 17 wird zuerst der auf der Niedervoltseite der Baugruppe 14 angeordnete Teil der Bauteile wie μP 30, Logikschaltung 26 und die Umsetzer- und Anpaßschaltungen mit Betriebsspannung versorgt und nimmt den Betrieb auf. Nach der Startphase der Brennstoffzelle 1 steht an den Ausgangen der Brennstoffzelle 1 bei geöffneten Kontakten 4, 5, 20 die LeerlaufSpannung von z. B. 450 V an. Danach nehmen Bauelemente auf der Hochvoltseite der Baugruppe 14 ihren Betrieb auf, wodurch z. B. die LeerlaufSpannung und der Isolationswiderstand gemessen werden. Der A/D-Wandler 40 hat einen nicht dargestellten Multiplexer integriert, mit dem die verschiedenen Signalen bzw. Meßwerte von Strom, Spannung und Widerstand seriell dem μP 30 zugeleitet werden.
Wenn nach dem Starten der Brennstoffzelle keine Alarme wie Ansprechen der Gassensoren, kritischer Wert der Leerlaufspannung, kritischer Wert des Isolationswiderstands oder em anderer, von einem Sensor erzeugter kritischer Wert vom μP 30 bzw. von der Logikschaltung 26 festgestellt wird, werden die Arbeitskontakte 4 und 20 geschlossen, wodurch die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und die im elektrisch isolierten Netz aufgrund des vom Akkumulator gespeisten DC/DC-Wandlers vorhandene Spannung von z. B. 200 V einander angeglichen werden. Der Befehl zum Einschalten der Arbeitskontakte kann von einem nicht dargestellten übergeordneten Steuergerat auf dem CAN-Bus der Logikschaltung 26 zugeführt werden, die dann die Betätigung der Arbeitskontakte 4 und 20 veranlaßt. Nach dem Einschalten der Arbeitkontakte 20 wird auch der Arbeitskontakt 5 geschlossen. Aufgrund des Potentialausgleichs an den Kontaktpolen des Arbeitskontakts 5 werden Funken weitgehend vermieden, so daß auch bei häufigen Schalten die Kontakte geschont werden.
Die Feststellung eines Kurzschlußstroms im Brennstoffzellen- netz wird dem Prozessor 30 gemeldet und bewirkt über den Em- gang 36 der Logikschaltung die sofortige Auslosung, d. h. Öffnung, Arbeits- bzw. der Schaltkontakte 4, 5 und 20.
Durch die vorstehend beschriebenen Uberwachungsmaßnahmen und die Trennung der Baugruppe 14 m einen Niedervolt-Abschnitt 24 und einen Hochvolt-Abschnitt 25 wird bereits ein hohes Maß an Sicherheit erreicht. Die Einrichtung 42 zur Messung des Isolationswiderstands wird vom Prozessor 30 aus über eine nicht naher dargestellte Optokoppler-Schnittstelle angestoßen bzw. gesteu-ert. Dies trifft auch auf den A/D-Umsetzer 40 und den Stromsensor 38 zu.
Um em möglichst großes Maß an Sicherheit zu erreichen sind noch folgende Maßnahmen vorgesehen:
Der Prozessor 30 wird zusammen mit der Software von einem Watchdogbaustem überwacht. Das heißt, em Defekt des Prozessorsbausteins bzw. em Absturz der Software fuhrt zum Abschalten der beiden Trennschalter bzw. Schaltkontakte 4, 5 und 20.
Die korrekte Arbeitsweise des CAN-Bus Anschlusses wird standig geprüft und Fehler werden erkannt und gemeldet bzw. bewirken eine Öffnung der Arbeits- bzw. Schaltkontakte 4, 5 und 20.
Versorgungsspannungen der Elektronik werden emgelesen und auf ihre festgelegten Grenzen hm überwacht, um zu verhindern, daß die Schaltkontakte 4, 5, 20 beim Starten des Fahrzeugs geschlossen werden oder wahrend des Betriebs des Fahrzeugs eine Störung durch zu niedrige Bordnetzspannung hervorgerufen wird. Je nach der Hohe der Abweichung vom festgelegten Grenzwert können verschiedene Maßnahmen wie Meldung und/oder Stillegung von Aggregaten des Fahrzeugs oder Abschaltung der Schaltkontakte 4, 5 und 20 durchgeführt werden.
Alle Em- und Ausgange der Baugruppe 14 sind kurzschlußfest gegenüber Fahrzeugmasse und der 12 V Fahrzeug-Spannung und lassen sich bei Kurzschlüssen als Fehler detektieren, die gemeldet werden bzw. zusatzlich zur Meldung bei solchen Kurzschlüssen, durch die die Sicherheit des Betriebs und des Fahrzeugs m unzulässiger Weise beeinträchtigt wird, zu Öffnung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte 4, 5 und 20 fuhren.
Die BrennstoffZellenspannung wird durch Festlegen von Unter- und Obergrenzen auf Fehler hm überwacht. Ebenso werden bei der Isolationswiderstandsuberwachung Schwellen für einen zu kleinen Isolationswiderstand festgelegt mit entsprechender Alarmbehandlung und einer Schwelle für einen zu großen Isolationswiderstand, ab der auf Unterbrechung erkannt wird. Da die Meßzeit für die Isolationsmessung relativ lang ist, wird für jeden neuen Startvorgang (Einschalten der Versorgungsspannung) eine Sehnellmessung vorgesehen, jedoch mit etwas verminderter Genauigkeit. Bei der Überwachung des Brennstoffzellenstromes werden die höchsten
Sicherheitsvorkehrungen getroffen. Die Unter- und Obergrenzen des Stromes werden zunächst mittels Software überwacht. Beim Überschreiten der Obergrenze (Kurzschluß) wird redundant eine schnelle Hardwareabschaltung der beiden Schaltkontakte 4, 5 und des Kontakts 20 vorgenommen. Damit auch em Schaltungsdefekt der Strommessung erkannt werden kann, wird über eine zusatzliche Prufwicklung des Stromsensors ein Prüfström eingespeist und kontinuierlich überwacht.
Auch für die Überwachung der Wasserstoffkonzentration wird eine redundante Hardwareschaltung zur Softwareuberwachung verwendet .
Mit der erfmdungsgemaßen Steuer- und Auswerteinheit auf der kompakten Baugruppe 14 laßt sich auf wirtschaftliche und sichere Weise eine Überwachung der Brennstoffzelle, des BrennstoffZellennetzes und des Isolationswiderstands dieses Netzes erreichen. Im Falle einer Gefahrdung wird die Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Netz geöffnet. Die Baugruppe 14 kann vor Einbau in ein Fahrzeug geprüft werden, so daß eine zeitaufwendige Prüfung nach dem Einbau entfallen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern und zur Einstellung des Schaltzustands einer Schaltverbindung zwischen den elektrischen Ausgängen bzw. Polen einer Brennstoffzelle und einem isolierten elektrischen Netz, an das von der Brennstoffzelle mit Energie versorgte Verbraucher angeschlossen sind, wobei ein weiteres Netz vorgesehen ist, das eine geringere Spannung als das an die Brennstoffzelle anschließbare Netz sowie eine Speicherbatterie aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß von Sensoren Vorrichtungszustände gemeldet werden, bei denen die Versorgung des elektrisch isolierten Netzes mit Energie aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen oder ausgesetzt werden muß, daß mit einer aus dem weiteren Netz mit Energie versorgten Steuer- und Auswerteinheit die Sensoren überwacht werden, daß die Schaltverbindung an jedem Ausgang bzw. Pol der Brennstoffzelle zum Freischalten des elektrisch isolierten Netzes von den gegen die leitenden Teile der Vorrichtung elektrisch isolierten Ausgängen bzw. Polen der Brennstoffzelle wenigstens einen an den Ausgang bzw. Pol angeschlossenen Schalt- bzw. Arbeitskontakt eines Schaltorgans aufweist, dass die an die Pole bzw. Ausgänge angeschlossenen Schalt- bzw. Arbeitskontakte zu einem oder zu getrennten Schaltorganen gehö-ren, der bzw. die mit der Schalt- und Steuereinheit verbunden sind, daß dem oder den Schaltorganen die Energie zum Schließen der Schalt- bzw. Arbeitskontakte beim Starten der Brennstoffzelle nach dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelle durch die Schalt- und Steuereinheit freigegeben wird, wenn von der Schalt- und Steuereinheit keine Meldung aus wenigstens einem Sensor, die sich auf eine aus Sicherheitsgrunden unzulässige Schließung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte der Schaltorgane bezieht, erfasst ist, und dass bei Erfassung wenigstens einer Meldung aus wenigstens einem Sensor, die sich auf eine aus Sicherheitsgründen unzulässige Schließstellung des Schalt- bzw. Arbeitskontakts bezieht, von der Steuer- und Auswerteinheit die Energiezufuhr zu dem bzw. den Schaltorganen blockiert bzw. unterbrochen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einem der an die Ausgange bzw. Pole der Brennstoffzelle angeschlossenen Schalt- bzw. Arbeitskontakte die Reihenschaltung eines Widerstands und eines Schalt- bzw. Arbeitskontakts eines mit der Schalt- bzw. Steuereinheit verbundenen, getrennt von den anderen Schaltorganen betatigbaren weiteren Schaltorgans parallel geschaltet ist, dem die Energie zum Schließen des Schalt- bzw. Arbeitskontakts nach dem Starten der Brennstoffzelle und dem Erreichen von deren Betriebsbereitschaft zugleich mit der Energie zum Schließen des Schalt- bzw. Arbeitskontakts des Schaltorgans zugeführt wird, dessen Schalt- bzw. Arbeitskontakt an den anderen Ausgang bzw. Pol angeschlossen ist, und dass bei der Erfassung einer Meldung durch die Schalt- und Steuereinheit, die sich auf eine unzulässige Schließstellung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte der Schaltorgane bezieht, die Energie zum Betatigen des weiteren Schaltorgans und der anderen Schaltorgane blockiert bzw. unterbrochen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Austreten von Wasserstoff aus den Wasserstofferzeugenden bzw. Wasserstoffspeichernden Einheiten durch Gassensoren, der Laststrom der Brennstoffzelle auf Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten durch einen der Brennstoffzelle nachgeschalteten Sensor, der Aufprall der mobilen Vorrichtung auf em Hindernis durch wenigstens einen Crash-Sensor, der Isolationswiderstand des elektrisch isolierten Netzes gegen die Masse der Vorrichtung, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf Über- oder Unterschreiten von Grenzwerten, der Schließzustand von Türen und Deckeln durch Schalter und die Versorgungsspannung des weiteren Netzes auf Über- und Unterschreiten von Grenzwerten überwacht und auf Vorliegen von Bedingungen für das Offnen der Arbeitskontakte der Schaltorgane geprüft werden.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Isolationswiderstand zwischen dem elektrisch isolierten Netz und der Masse der Vorrichtung durch em Impulsmeßverfahren bestimmt wird, mit dem positive und negative Impulse abwechselnd über einen Meßwiderstand vorgegebener Große auf die Masse gegeben werden, und daß die Impulse einen über die Isolationswiderstande zu einem Bezugspunkt im Netz fließenden Strom hervorrufen, der durch einen Spannungsabfall am Meßwiderstand gemessen wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß e Stromsensor durch Emspeisung eines Prufstroms m eine zusatzliche Wicklung eines Stromwandlers auf einwandfreie Funktion überwacht wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beim Ansprechen eines oder mehrerer Gassensoren die Schalt- bzw. Arbeitskontakte der Schaltverbmdung zwischen den Ausgangen bzw. Polen der Brennstoffzelle und dem elektrisch isolierten Netz sowie wenigstens em Schalt- bzw. Arbeitskontakt eines zusätzlichen Schaltorgans im weiteren Netz zur Unterbrechung der Energieversorgung wenigstens der Schalt- und Steuereinheit geöffnet werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das getrennt betatigbare Schaltorgan e Relais und die anderen Schaltorgane Leistungs- oder Lasttrennschalter sind.
8. Anordnung zum Steuern und zur Einstellung der Schaltzustande einer Schaltverbmdung zwischen den elektrischen Ausgangen einer Brennstoffzelle (1) und einem isolierten elektrischen Netz, an das von der Brennstoffzelle (1) mit Energie versorgte Verbraucher angeschlossen sind, wobei em weiteres Netz vorgesehen ist, das eine geringere Spannung als das an die Brennstoffzelle anschließbare Netz und eine Speicherbatterie aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pole bzw. Ausgange (2, 3) der Brennstoffzelle (1) je über wenigstens einen Schalt- bzw. Arbeitskontakt (4, 5) mit dem elektrisch isolierten Netz verbunden sind, daß eine Steuer- und Auswerteinheit einer Baugruppe (14) einen an einen internen Bus Vorrichtung angeschlossenen Prozessor (30), eine Logikschaltung (26) mit hardwaremaßig ausgebildeten logischen Funktionen, einen mit dem Prozessor (30) galvanisch getrennt verbundenen A/D-Umsetzer (40) zur Umsetzung des analog gemessenen Brennstoffzellenstroms, der analog gemessenen Brennstoffzellenspannung und der analogen Spannung eines Meßwiderstands für die Isolationsuberprufung, em vom weiteren Netz gespeistes Netzteil (23) mit galvanischer Trennung für die Versorgung des A/D-Umsetzers (40) mit Betriebsspannung, an den Ausgang der Logikschaltung (26) angeschlossene Steuerbausteine (11, 12) und an den Prozessor (30) und die Logikschaltung angeschlossene Umsetzer (27, 28) f r die Spannungsversorgung von Gassensoren und die Anpassung der von den Gassensoren ausgegebenen Signale an die Pegel der Logikschaltung (26) und des Prozessors (30) aufweist, daß der Logikbauste (26) und der Prozessor (30), die Umsetzer (27, 28) und die Steuerbausteine (11, 12) mit Be-triebsspannung vom weiteren Netz versorgt werden, daß wenigstens em Ausgang des Prozessors (30) mit einem entsprechenden Eingang der Logikschaltung verbunden ist, die mit Sensoren für die Erzeugung von Meldesignalen von Zustanden der Vorrichtung oder deren Teile verbunden ist, daß durch die oder über die von einem übergeordneten Gerat gesteuerte Logikschaltung (26) die Freigabe von Ausgangssignalen der Steuerbausteine (11, 12) steuerbar ist, an die jeweils eine Spule eines einen der beiden Schalt- bzw. Arbeitskontakte aufweisenden ersten Schaltorgans und eines den anderen Schalt- bzw. Arbeitskontakt aufweisenden, zweiten Schaltorgans angeschlossen ist und daß bei vom Prozessor (30) erfaßten Strom-, Span-nungs- und/oder Isolationswiderstandsmeßwerten und bei von der Logikschaltung (26) erfaßten Sensormeßwerten, bei denen die Versorgung des elektrisch isolierten Netzes aus Sicherheitsgründen ausgeschlossen oder ausgesetzt werden muß, die Ausgabe von Ausgangssignalen der Steuerbausteine an die Spulen blockiert oder unterbrochen wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß em weiterer Schalt- bzw. Arbeitskontakt (20) eines dritten Schaltorgans m Reihe mit einem Widerstand (52) parallel zum Schalt- bzw. Arbeitskontakt (5) des zweiten oder ersten Schaltorgans angeordnet ist, und daß das dritte Schaltorgan mit einem vom weiteren Netz mit Betriebsspannung versorgten Treiberbaustein (18) auf der Baugruppe (14) verbunden ist, der an die Logikschaltung (26) angeschlossen ist, die den Treiberbaustein (15) m der Startphase nach dem Erreichen der Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelle (1) zeitlich vor der Abgabe eines Steuersignals an den einen Steuerbaustein (11), der das zweite oder erste Schaltorgan ( 12 ) betätigt, mit einem Steuersignal zur Ausgabe eines Betatigungssignals an das dritte Schaltorgan zugleich mit der Ausgabe eines Steuersignals zur Betätigung des ersten oder zweiten Schaltorgans veranlaßt und zur Abschaltung der Pole bzw. Ausgange der Brennstoffzelle (1) vom elektrisch isolierten Netz die Ausgabe von Steuersignalen zur Betätigung der drei Schaltorgane blockiert.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mit dem Ausgang der Logikschaltung (26) em weiterer Trei- berbauste (15) auf der Baugruppe (14) verbunden ist, von dem em Systemrelais (16) steuerbar ist, das zur Unterbrechung der Stromversorgung aus dem weiteren Netz wenigstens für die Baugruppe (14) beim Ansprechen wenigstens eines Gassensors zugleich mit den Schaltorganen abschaltbar ist.
11. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Baugruppe (14) eine Leiterplatte (13) mit einem ersten Abschnitt (24) aufweist, der die von dem weiteren Netz (21) mit Betriebsspannung direkt versorgten Bauelemente wie Logikschaltung (26), Prozessor (30), Umsetzer (27, 28) und Steuer- und Treiberbausteine mit zugehörigen Leiterbahnen und die Anschlüsse zu den Spulen der Schaltorgane sowie Anschlüsse von mit dem weiteren Netz (21) verbundener Sensoren, von Busleitern und von einer Masseverbindung tragt und der von einem zweiten Abschnitt (25) der Leiterplatte (13) getrennt ist, der von der Spannung der Brennstoffzelle des Netzes der Brennstoffzelle (1) beaufschlagte Bauelemente wie einem Stromsensor (39), einen Spannungsteiler für die Spannungsmessung an der Ausgangen (2, 3) der Brennstoffzelle, einen A/D-Umsetzer (40) für die Umwandlung von analogen Strom- und Spannungsmeßwerten sowie eine Einrichtung (42) für die Isolationsmessung tragt.
12. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Minusseite der BrennstoffZellenspannung Bezugspotential für von der Spannung der Brennstoffzelle beaufschlagte Bauteile auf der Baugruppe (14) ist und an einen Anschluß des zweiten Abschnitts (25) der Leiterplatte (14) gelegt ist.
13. Anordnung nach zumindest einer der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stromsensor (39) einen Stromwandler (38) mit einem beruhrungslos durch die Leiterplatte (13) und einen auf dieser angeordneten Stromwandlerkern hmdurchfuhrten Leiter aufweist.
14. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Messung des Isolationswiderstands des isolierten elektrischen Netzes gegenüber der Masse der mobilen Einrichtung em auf der Leiteplatte (13) im zweiten Abschnitt (25) angeordneter Meßwiderstand (44) vorgesehen ist, der von positiven und negativen Spannungsimpulsen beaufschlagbar ist, und daß der Meßwiderstand über ein Hochpaß und einen Tiefpaß mit dem A/D-Umsetzer (40) verbunden ist.
15. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Prozessor (30) und die Software im Prozessor (30) mit einem Watchdog-Baustem überwacht wird, der bei Feststellung eines Fehlers eine Meldung erzeugt und/oder die Abschaltung der Schalt bzw. Arbeitskontakte über die Logikschaltung (26) steuert .
16. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Versorgungsspannung des weiteren Netzes (21) durch eine entsprechende Eingabe im Prozessor (30) auf vorgegebene Grenzwerte hm überwacht wird, bei deren Über- oder Unterschreitung eine Meldung und/oder Öffnung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte (4, 5, 20) erfolgt.
17. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ein- und Ausgänge der auf der Leiterplatte (13) angeordneten Bauteile wie Logikschaltung (26) , Prozessor, Treiberstufen (15, 18), Steuerschaltungen (11, 12) und Umsetzer (27, 28) kurzschlußfest ausgebildet sind.
18. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Funktionsweise des Busses vom Prozessor periodisch überprüft wird.
19. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoffzellenstrom auf Über- und Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte mit dem Prozessor (30) überwacht wird, bei deren Über- und Unterschreitung eine Meldung und/oder eine Öffnung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte (4, 5, 20) erfolgt.
20. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 19,+ d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die BrennstoffZellenspannung auf Über- und Unterschreitung von vorgegebenen Grenzwerten mit dem Prozessor (30) überwacht wird, bei deren Über- oder Unterschreitung eine Meldung und/oder eine Öffnung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte (4, 5, 20) erfolgt.
21. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Isolationswiderstand auf Unterschreitung einer Grenze mittels des Prozessors (30) überwacht wird, bei deren Unterschreitung eine Öffnung der Schalt- bzw. Arbeitskontakte (4, 5, 20) erfolgt.
22. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mit Software im Prozessor (30) em Nullpunkts- und Ver- starkungsabgleich für die Meßwerte von Strom, Spannung und Isolationswiderstand erfolgt.
23. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltzustande der Schaltorgane durch Hilfskontakte, die an den Prozessor (30) angeschlossen sind, uberwachbar sind.
24. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das erste und zweite Schaltorgan (9, 10) je ein Lasttrennschalter oder Leistungsschalter und das weitere Schaltorgan (19) em Relais ist.
25. Anordnung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das erste und zweite Schaltorgan em Schutz (9,10) ist.
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