WO2014086624A2 - Verfahren zum bereitstellen einer versorgungsspannung und elektrisches antriebssystem - Google Patents

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    • Y04S10/126—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation the energy generation units being or involving electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV], i.e. power aggregation of EV or HEV, vehicle to grid arrangements [V2G]

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a supply voltage and an electric drive system, in particular in the power supply of electrical machines with a hybrid power source system of a fuel cell and an electrical energy storage.
  • Wind turbines or solar systems as well as in vehicles such as hybrid or
  • Electric vehicles increasingly electronic systems are used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology.
  • a converter in the form of a pulse-controlled inverter for feeding three-phase current into an electric machine, conventionally one of a converter in the form of a pulse-controlled inverter
  • DC voltage DC voltage supplied converted into a three-phase AC voltage supplied converted into a three-phase AC voltage.
  • the DC link is powered by a string of serially connected battery modules.
  • multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.
  • such an energy storage system is often used in electrically powered vehicles.
  • US 5,642,275 A1 a battery system with integrated
  • Energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or an electrical network. This can be single-phase or multi-phase
  • the energy storage module strings have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one battery cell and an associated controllable one Coupling unit which allows, depending on control signals to interrupt the respective energy storage module string or to bridge the respectively associated at least one battery cell or to switch the respectively associated at least one battery cell in the respective energy storage module string.
  • suitable control of the coupling units for example by means of pulse width modulation, it is also possible to provide suitable phase signals for controlling the phase output voltage, so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated into the battery.
  • the publications DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 disclose modularly connected battery cells in energy storage devices, which can be selectively connected or disconnected via a suitable control of coupling units in the strand of serially connected battery cells.
  • Systems of this type are known as the Battery Direct Converter (BDC).
  • BDC Battery Direct Converter
  • Such systems include DC sources in an energy storage module string connected to a DC link for supplying electrical power to an electrical machine or electrical network via a DC link
  • Pulse inverter can be connected.
  • Fuel cell vehicles are often equipped with additional electrical energy storage, for example, to provide a temporary increase in power for the drive or to allow recuperation of braking energy.
  • Such hybrid fuel cell systems may on the one hand have DC-DC converters which are used to couple the
  • the present invention provides an electric drive system with an energy storage device for generating a supply voltage, which has at least one energy supply train each having one or more energy storage modules connected in series in the energy supply train, each having an energy storage cell module with at least one energy storage cell and a coupling device having a plurality of coupling elements, which is designed to selectively switch the energy storage cell module into the respective power supply line or to bypass in the respective power supply line, comprising a fuel cell system, which is coupled to the output terminals of the energy storage device and connected in parallel to the energy storage device, and a control device , which is coupled to the energy storage device, and which is adapted to the coupling means of
  • the present invention provides a method for providing a supply voltage in an electric drive system according to the invention, comprising the steps of determining a current output voltage of the fuel cell system, driving the coupling devices of a first number of energy storage modules of the energy storage device for switching the respective energy storage cell modules into the power supply line , the driving of the coupling devices of a second number of energy storage modules of
  • Energy storage device for bypassing the respective energy storage cell modules in the power supply line, and determining the first and second number of energy storage modules of the energy storage device such that the
  • Supply voltage is adapted to the output terminals of the energy storage device to the determined output voltage of the fuel cell system.
  • An idea of the present invention is to provide an energy storage device with one or more modular power supply strands of a
  • Energy storage device by modular control of the energy storage modules to adapt to the needs of the fuel cell system.
  • the modular design of the power supply lines makes a fine gradation of the total output voltage of the energy storage device possible, for example, by the phase-offset control of the respective coupling units for the individual energy storage cell modules or the pulse width modulated control of individual energy storage modules.
  • Energy storage device allows for separate power electronics
  • a DC-DC converter for coupling the
  • Energy storage device with the fuel cell to dispense As a result, on the one hand the space requirement and the system weight of the drive system can be reduced. On the other hand, less cooling power is required for the power electronics, so that overall favorable components with low power and / or
  • Wärtsungsanabben can be used.
  • the energy storage device By using a modular energy storage device, a simplification of the battery management system is possible because only a module-based control is required.
  • the energy storage device can be easily scaled by the number of power supply lines or the number of installed energy storage modules per power supply string are modified without further adjustment problems. As a result, different variants of fuel cell systems can be supported cost-effectively.
  • the drive system may further comprise at least one storage inductance, which is coupled between one of the output terminals of the energy storage device and the fuel cell system.
  • the drive system may further comprise a DC intermediate circuit, which is coupled to the output terminals of the energy storage device and connected in parallel to the energy storage device and the fuel cell system.
  • the drive system may further comprise at least one high-voltage consumer, which is coupled to the output terminals of the energy storage device and connected in parallel to the energy storage device and the fuel cell system.
  • the at least one high-voltage consumer may comprise a DC-DC converter which couples the energy storage device and the fuel cell system with a low-voltage network.
  • control device can furthermore be designed to detect the current power requirement of the electric drive system and to control the coupling devices of the energy storage modules for adapting the output voltage of the energy storage device to the fuel cell system as a function of the determined power requirement.
  • control device can furthermore be designed to detect the current power requirement of the electric drive system and to regulate the power consumption of one or more of the high-voltage consumers as a function of the determined power requirement.
  • the drive system may further comprise an inverter, which with the
  • Energy storage device and the fuel cell system is coupled and fed by these with the supply voltage, and having an electrical machine which is coupled to the inverter.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electric drive system with a fuel cell and an energy storage device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 4 is a schematic representation of a current-voltage characteristic of a
  • Fig. 5 is a schematic representation of a method for providing a
  • FIG. 1 shows a system 100 which comprises an energy storage device 1 for providing a supply voltage through parallel-connectable energy supply strands 10a, 10b between two output terminals of the energy storage device 1.
  • the power supply lines 10a, 10b each have strand connections 1a and 1b.
  • the energy storage device 1 has at least two parallel connected
  • Power supply lines 10a, 10b on are Power supply lines 10a, 10b on.
  • the number of the power supply lines 10a, 10b on are of power supply lines 10a, 10b on.
  • Power supply lines 10a, 10b in Fig. 1 two but any other larger number of power supply lines 10a, 10b is also possible. It may equally be possible to switch only one power supply line 10a between the line connections 1a and 1b, which form the output terminals of the energy storage device 1 in this case.
  • the power supply lines 10a, 10b can be connected in parallel via the line terminals 1a, 1b of the power supply lines 10a, 10b, the power supply lines 10a, 10b act as current sources of variable output current.
  • the output currents of the power supply lines 10a, 10b add up at the output terminal of the energy storage device 1 to a total output current.
  • the power supply lines 10a, 10b can in each case via
  • Energy storage device 1 may be coupled.
  • the storage inductances 2a, 2b may be, for example, concentrated or distributed components. Alternatively, too parasitic inductances of the power supply lines 10a, 10b as
  • Storage inductances 2a, 2b are used. By appropriate control of the power supply lines 10a, 10b, the current flow in the
  • DC voltage intermediate circuit 9 are controlled. If the average voltage before the storage inductances 2a, 2b is higher than the instantaneous intermediate circuit voltage, a current flow takes place into the DC intermediate circuit 9, whereas the average voltage before the storage inductances 2a, 2b is lower than the instantaneous one
  • each power supply string 10a or 10b acts via the storage inductances 2a, 2b as a variable current source, which is suitable for both
  • the storage inductance 2a can also be dispensed with, so that the power supply string 10a is coupled directly between the output terminals of the energy storage device 1.
  • Each of the power supply lines 10a, 10b has at least two series-connected energy storage modules 3.
  • the number of the power supply lines 10a, 10b has at least two series-connected energy storage modules 3.
  • each of the power supply lines 10a, 10b comprises the same number
  • the energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided.
  • the energy storage modules 3 each comprise one
  • Coupling device 7 with a plurality of coupling elements 7a and 7c and optionally 7b and 7d.
  • the energy storage modules 3 further include one each
  • the energy storage cell module 5 can, for example, serially connected batteries 5a to 5k, for example, lithium-ion batteries or accumulators exhibit. Alternatively or additionally, supercapacitors or
  • Double-layer capacitors are used as energy storage cells 5a to 5k.
  • the number of energy storage cells 5 a to 5 k in the energy storage module 3 shown in FIG. 2 is by way of example two, but any other number of
  • the coupling device 7 is exemplified in FIG. 2 as a full bridge circuit with two coupling elements 7a, 7c and two coupling elements 7b, 7d.
  • Coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can each have an active switching element, for example a semiconductor switch, and a free-wheeling diode connected in parallel therewith.
  • the semiconductor switches may comprise field effect transistors (FETs), for example.
  • FETs field effect transistors
  • the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the semiconductor switches.
  • the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 1 1 in Fig. 1 that the
  • Energy storage cell module 5 is selectively switched between the output terminals 3a and 3b or that the energy storage cell module 5 is bypassed or bypassed.
  • Power supply line 10a, 10b are integrated.
  • the energy storage cell module 5, for example, in
  • Coupling element 7a are placed in a closed state, while the two remaining active switching elements of the coupling elements 7b and 7c are set in an open state. In this case, the module voltage is applied between the output terminals 3a and 3b of the coupling device 7. A bridging or
  • Bypass state can be set, for example, by the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b are placed in the closed state, while the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d are held in the open state.
  • Bypass state can be set, for example, by putting the two active switches of the coupling elements 7c and 7d in the closed state, while keeping the active switching elements of the coupling elements 7a and 7b in the open state. In both bridging or bypass states is between the two output terminals 3a and 3b of the coupling device 7 the Voltage 0.
  • the power storage cell module 5 can be switched in the reverse direction between the output terminals 3a and 3b of the coupling device 7 by the active switching elements of the coupling elements 7b and 7c are placed in the closed state, while the active switching elements of the coupling elements 7a and 7d are set in the open state. In this case, the negative module voltage is applied between the two output terminals 3a and 3b of the coupling device 7.
  • the total output voltage of a power supply line 10a, 10b can be set in each case in stages, wherein the number of stages with the number of energy storage modules 3 scales.
  • Power supply line 10a, 10b are set in n + 1 stages between the voltage 0 and the total positive voltage.
  • 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3.
  • the energy storage module 3 shown in FIG. 3 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 2 only in that the coupling device 7 has two instead of four coupling elements which are in half-bridge instead of full-bridge are interconnected.
  • the active switching elements of the coupling devices 7 as power semiconductor switches, for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (junction field-effect transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), be executed ,
  • the coupling elements 7a, 7c and optionally 7b, 7d of an energy storage module 3 can be controlled clocked, for example in a pulse width modulation (PWM), so that the relevant energy storage module 3 provides on average over time a module voltage, which has a value between Zero and may have the maximum possible module voltage determined by the energy storage cells 5a to 5k.
  • PWM pulse width modulation
  • the control of the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d may, for example, a control device, such as the control device 1 1 in Fig. 1, make, which is designed to perform, for example, a current control with a lower voltage control, so that a gradual access to or shutdown of individual energy storage modules 3 can take place.
  • the drive system 100 comprises, in addition to the energy storage device 1 with the power supply lines 10a, 10b, a DC voltage intermediate circuit 9, an inverter 4 and an electric machine 6.
  • the system 100 in FIG. 1 serves to feed a three-phase electrical machine 6.
  • the energy storage device 1 is used to generate electricity for a power grid.
  • the electric machine 6 may also be a synchronous or asynchronous machine, a reluctance machine or a brushless DC motor (BLDC) .
  • the DC intermediate circuit 9 in the exemplary embodiment in Fig. 1 feeds a pulse inverter 4, which consists of the DC voltage of
  • DC intermediate circuit 9 provides a three-phase AC voltage for the electric machine 6.
  • any other type of converter can be used for the inverter 4, depending on the required power supply for the electric machine 6, for example a DC-DC converter.
  • the inverter 4 can be operated, for example, in space vector-modulated pulse width modulation (SVPWM).
  • SVPWM space vector-modulated pulse width modulation
  • the drive system 100 also includes a fuel cell system 8 of one or more fuel cells, which are connected directly in parallel with the output terminals of the energy storage device 1 and the DC voltage intermediate circuit 9. If the fuel cell system 8 has a sufficient capacity, the DC intermediate circuit 9 can also be dispensed with.
  • the fuel cells of the fuel cell system for example, depending on temperature, pressure, humidity and gas concentration at the electrodes provide different output currents at different operating voltages. Exemplary current-voltage characteristics K1, K2 and K3 of such fuel cells are shown schematically in the diagram shown in FIG.
  • the variation P has the hydrogen or
  • Oxygen concentration the greatest effect on the shift of the current-voltage characteristics.
  • the appropriate voltage U or the matching current I must be adjusted for each operating point. This can usually be achieved by setting the output voltage of the fuel cell system 8 in the absence of a power converter.
  • Energy storage device 1 of the total output voltage of Energy storage device 1 must comply, it is necessary to
  • the system 100 may further include a control device 1 1, which is connected to the energy storage device 1, and by means of which the
  • Energy storage device 1 can be controlled to the desired
  • the total output voltage of the energy storage device 1 is preferably variable over such a voltage range that a suitable output voltage can be set for each operating voltage of the fuel cell system 8. This can be done by an appropriate selection of the number of power supply lines 10a and 10b or the number of energy storage modules 3 per
  • Power supply line 10a and 10b carried, so that even at the lowest provided state of charge of the energy storage cells 5a to 5 of the
  • the controller 1 for example, predetermined maps of
  • the maps may, for example, correspond to the maps shown in FIG. 4.
  • the controller 1 1 can then be configured
  • Energy storage device 1 by appropriate control of one or more energy storage modules 3 set to the desired output voltage.
  • the energy storage device 1 can cover a voltage range d, which covers a predetermined output voltage range of the fuel cell system 8.
  • the drive system 100 may also have other high-voltage consumers 12, which are fed from the DC voltage intermediate circuit 9.
  • a high-voltage consumer 12 which is fed from the DC voltage intermediate circuit 9.
  • a high-voltage consumer 12 which is fed from the DC voltage intermediate circuit 9.
  • DC-DC converter for feeding a low-voltage network, for example a 14- Voltage or 12-volt electrical system of a vehicle to be used as a high-voltage consumer 12.
  • a low-voltage network for example a 14- Voltage or 12-volt electrical system of a vehicle to be used as a high-voltage consumer 12.
  • lamps, control units and similar applications of a vehicle which uses the electric drive system 100, can be fed by the fuel cell system 8 and / or the energy storage device 1, for example.
  • the current power requirement of the electric drive system 100 can be detected via the control device 11, for example the power requirement of the
  • the control device 1 1 then the coupling devices 7 of the energy storage modules 3 for adjusting the output voltage of
  • Controllable consumers such as low-voltage consumers
  • DC voltage converter between high-voltage network and low-voltage network are fed can be throttled to compensate for power fluctuations temporarily in their power consumption.
  • the DC-DC converter can be temporarily throttled in the power consumption.
  • fast power fluctuations in particular of non-controllable consumers, for example, safety-relevant consumers, can be temporarily buffered by the energy storage device 1. For longer-term shifts in the
  • the fuel cell system 8 can be set to a new operating point, for example by the hydrogen or oxygen supply is adjusted again.
  • 5 shows a schematic representation of an exemplary method 20 for providing a supply voltage, in particular in an electrical
  • a DC voltage intermediate circuit 9 can be supplied with a supply voltage which can be used to supply an inverter 4 for an electric machine 6.
  • a determination of a current output voltage of the fuel cell system 8 takes place.
  • steps 22 and 23 a triggering of the
  • Coupling devices 7 a first number of energy storage modules 3 of
  • Energy storage device 1 for switching the respective energy storage cell modules 5 in the power supply line 10a and 10b and a driving the
  • Coupling devices 7 a second number of energy storage modules 3 of
  • Energy storage device 1 for bypassing the respective energy storage cell modules 5 in the power supply line 10a and 10b done.
  • the first and second number of energy storage modules 3 can be selected or adapted in step 24 of the energy storage device 1 such that the supply voltage at the output terminals of the energy storage device 1 can be adapted to the determined current output voltage of the fuel cell system 8.
  • a control strategy in a fuel cell hybrid system can be achieved with an electrical energy storage in which an electric
  • Fuel cell system can be adjusted by a corresponding control of the coupling devices of the energy storage modules. This can be on the otherwise necessary additional hardware of the DC-DC converter and other elements such
  • Cooling components are dispensed with, so that such a driven drive system can be designed cost-effective, with low space requirements and lower system weight.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, welche mindestens einen Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, umfassen, aufweist, einem Brennstoffzellensystem, welches mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung parallel geschaltet ist, und einer Steuereinrichtung,welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern, welche einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems entspricht.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und elektrisches Antriebssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere bei der Spannungsversorgung elektrischer Maschinen mit einem hybriden Energiequellensystem aus einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Energiespeicher.
Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.
Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder
Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem
Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter
Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren
Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige
Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsbreitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit in die Batterie integriert.
Als Alternative offenbaren die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen
Pulswechselrichter anschließbar sind.
Eine alternative Erzeugungsmöglichkeit elektrischer Energie für ein elektrisches
Antriebssystem bilden Brennstoffzellen. Dabei werden Brennstoffzellenfahrzeuge häufig mit zusätzlichen elektrischen Energiespeichern ausgestattet, um beispielsweise eine temporäre Leistungserhöhung für den Antrieb zu schaffen oder eine Rekuperation von Bremsenergie zu ermöglichen. Derartige hybride Brennstoffzellensysteme können einerseits über Gleichspannungswandler verfügen, welche zur Kopplung der
Brennstoffzellen und der elektrischen Energiespeicher zur Angleichung der
Spannungsbereiche und der Leistungsflüsse der hybriden Energiequellen. Andererseits können entsprechende Betriebsstrategien für die Brennstoffzellen gewählt werden, um die Spannungs- und Leistungsflussanpassung vorzunehmen, wie beispielsweise in den Druckschriften EP 1 233 468 A2 und US 7,829,229 B1 gezeigt.
Es besteht daher ein Bedarf an kostengünstigen und mit wenig technischem
Implementierungsaufwand herzustellenden Möglichkeiten, hybride
Energiequellensysteme aus Brennstoffzellen und elektrischen Energiespeichern für die Spannungsversorgung elektrischer Antriebssysteme zu schaffen.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, welche mindestens einen Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, umfassen, aufweist, einem Brennstoffzellensystem, welches mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung parallel geschaltet ist, und einer Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der
Energiespeichermodule zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den
Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern, welche einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem, mit den Schritten des Ermitteins einer aktuellen Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen der Energiespeichereinrichtung zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungsstrang, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen der
Energiespeichereinrichtung zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungsstrang, und des Bestimmens der ersten und zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen der Energiespeichereinrichtung derart, dass die
Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung an die ermittelte Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems angepasst wird.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit einem oder mehreren modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer
Serienschaltung von Energiespeichermodulen direkt parallel zu einem
Brennstoffzellensystem zu schalten, und die Ausgangsspannung der
Energiespeichereinrichtung durch modularweise Ansteuerung der Energiespeichermodule an die Erfordernisse des Brennstoffzellensystems anzupassen. Vorteilhafterweise macht der modulare Aufbau der Energieversorgungsstränge eine feine Stufung der gesamten Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung möglich, beispielsweise durch die phasenversetzte Ansteuerung der jeweiligen Koppeleinheiten für die einzelnen Energiespeicherzellenmodule oder die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung einzelner Energiespeichermodule.
Ein variabel an die Arbeitsspannung der Brennstoffzelle angepasste
Energiespeichereinrichtung ermöglicht es, auf separate Leistungselektronik,
beispielsweise einen Gleichspannungswandler, zur Kopplung der
Energiespeichereinrichtung mit der Brennstoffzelle zu verzichten. Dadurch kann einerseits der Bauraumbedarf sowie das Systemgewicht des Antriebssystem verringert werden. Andererseits ist weniger Kühlleistung für die Leistungselektronik erforderlich, so dass insgesamt günstige Bauelemente mit niedrigen Leistungs- und/oder
Entwärmungsanforderungen eingesetzt werden können.
Durch den Einsatz einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung ist eine Vereinfachung des Batteriemanagementsystems möglich, da lediglich eine modulweise Ansteuerung erforderlich ist. Außerdem kann die Energiespeichereinrichtung in einfacher Weise skaliert werden, indem die Anzahl der Energieversorgungsstränge bzw. die Anzahl der verbauten Energiespeichermodule pro Energieversorgungsstrang ohne weitere Anpassungsprobleme modifiziert werden. Dadurch können unterschiedliche Varianten von Brennstoffzellensystemen kostengünstig unterstützt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin mindestens eine Speicherinduktivität aufweisen, welche zwischen einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem parallel geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin mindestens einen Hochvoltverbraucher aufweisen, welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellen system parallel geschaltet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann der mindestens eine Hochvoltverbraucher einen Gleichspannungswandler umfassen, welcher die Energiespeichereinrichtung und das Brenn stoffzellensystem mit einem Niedervoltnetz koppelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zum Anpassen der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung an das Brennstoffzellensystem anzusteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Leistungsaufnahme eines oder mehrerer der Hochvoltverbraucher zu regeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin einen Wechselrichter, welcher mit der
Energiespeichereinrichtung und dem Brennstoffzellensystem gekoppelt und von diesen mit der Versorgungsspannung gespeist wird, und eine elektrische Maschine aufweisen, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Brennstoffzelle und einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer
Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer
Versorgungsspannung in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein System 100, welches eine Energiespeichereinrichtung 1 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch parallel schaltbare Energieversorgungsstränge 10a, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 umfasst. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1 a und 1 b auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei parallel geschaltete
Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der
Energieversorgungsstränge 10a, 10b in Fig. 1 zwei, wobei jedoch jede andere größere Anzahl von Energieversorgungsstränge 10a, 10b ebenso möglich ist. Es kann dabei gleichermaßen auch möglich sein, nur einen Energieversorgungsstrang 10a zwischen die Stranganschlüsse 1 a und 1 b zu schalten, die in diesem Fall die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 bilden.
Da die Energieversorgungsstränge 10a, 10b über die Stranganschlüsse 1 a, 1 b der Energieversorgungsstränge 10a, 10b parallel geschaltet werden können, wirken die Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Stromquellen variablen Ausgangsstroms. Die Ausgangsströme der Energieversorgungsstränge 10a, 10b summieren sich dabei an dem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung 1 zu einem Gesamtausgangsstrom.
Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über
Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss der
Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sein. Die Speicherinduktivitäten 2a, 2b können beispielsweise konzentrierte oder verteilte Bauelemente sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energieversorgungsstränge 10a, 10b als
Speicherinduktivitäten 2a, 2b eingesetzt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b kann der Stromfluss in den
Gleichspannungszwischenkreis 9 gesteuert werden. Ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b höher als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9, ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b hingegen niedriger als die momentane
Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivitäten 2a, 2b im Zusammenspiel mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9 begrenzt.
Auf diese Art und Weise wirkt jeder Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b über die Speicherinduktivitäten 2a, 2b als variable Stromquelle, die sich sowohl für eine
Parallelschaltung als auch zur Realisierung von Stromzwischenkreisen eignen. Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivität 2a auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.
Jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der
Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungsstrang in Fig. 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b die gleiche Anzahl an
Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden
Energieversorgungsstrang 10a, 10b eine unterschiedliche Anzahl an
Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.
Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine
Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein
Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten
Energiespeicherzellen 5a, 5k.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch Superkondensatoren oder
Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicherzellen 5a bis 5k eingesetzt werden. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von
Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
Die Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die
Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 1 1 in Fig. 1 , dass das
Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. umgangen wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines
Energieversorgungsstrangs 10a, 10b integriert werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in
Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des
Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Modulspannung an. Ein Überbrückungs- bzw.
Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Ein zweiter Überbrückungs- bzw.
Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Überbrückungs- bzw. Umgehungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die negative Modulspannung an.
Die Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n ersten und zweiten
Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des
Energieversorgungsstrangs 10a, 10b in n+1 Stufen zwischen der Spannung 0 und der positiven Gesamtspannung eingestellt werden. Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente der Koppeleinrichtungen 7 als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Um einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der
Energiespeicherzellemodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7c und gegebenenfalls 7b, 7d eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5k bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 1 1 in Fig. 1 , vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann. Das Antriebssystem 100 umfasst neben der Energiespeichereinrichtung 1 mit den Energieversorgungssträngen 10a, 10b weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis 9, einen Inverter 4 sowie eine elektrische Maschine 6. Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC,„brushless DC motor") sein. Der Gleichspannungszwischenkreis 9 speist in der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 1 einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des
Gleichspannungszwischenkreises 9 eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt. Es kann jedoch auch jeder andere Wandlertyp für den Inverter 4 verwendet werden, je nach erforderlicher Spannungsversorgung für die elektrische Maschine 6, zum Beispiel einen Gleichspannungswandler. Der Inverter 4 kann beispielsweise in raumzeigermodulierter Pulsbreitenmodulation (SVPWM,„space vector pulse width modulation") betrieben werden.
Das Antriebssystem 100 umfasst zudem ein Brennstoffzellensystem 8 aus einer oder mehreren Brennstoffzellen, welche direkt parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. des Gleichspannungszwischenkreises 9 geschaltet sind. Wenn das Brennstoffzellensystem 8 eine ausreichende Kapazität besitzt, kann auf den Gleichspannungszwischenkreis 9 auch verzichtet werden. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems können beispielsweise in Abhängigkeit von Temperatur, Druck, Feuchte und Gaskonzentration an den Elektroden verschiedene Ausgangsströme bei unterschiedlichen Betriebsspannungen liefern. Beispielhafte Strom-Spannungskennlinien K1 , K2 und K3 von derartigen Brennstoffzellen sind schematisch in dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm gezeigt. Dabei hat die Variation P der Wasserstoff- bzw.
Sauerstoffkonzentration die größte Auswirkung auf die Verschiebung der Strom- Spannungskennlinien. Um das Brennstoffzellensystem 8 beispielsweise am Punkt des größtmöglichen Wirkungsgrades zu betreiben, muss für jeden Betriebspunkt die passende Spannung U oder der passende Strom I eingeregelt werden. Üblicherweise kann dies in Ermangelung eines Stromrichters über die Einstellung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 erreicht werden.
Da die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 durch die direkte Verschaltung des Brennstoffzellensystems 8 mit den Ausgangsanschlüssen der
Energiespeichereinrichtung 1 der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 entsprechen muss, ist es notwendig, die
Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 über die entsprechende Ansteuerung der Energiespeichermodule 3 bedarfsgerecht einzustellen.
Das System 100 kann dazu weiterhin eine Steuereinrichtung 1 1 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte
Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen
Ausgangsanschlüssen für den zwischen die Ausgangsanschlüsse gekoppelten
Gleichspannungszwischenkreis 9 bzw. das Brennstoffzellensystem 8 bereitzustellen.
Die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 ist vorzugsweise über einen derartigen Spannungsbereich variabel, dass für jede Betriebsspannung des Brennstoffzellensystems 8 eine passende Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Dies kann über eine entsprechende Auswahl der Anzahl von Energieversorgungssträngen 10a und 10b bzw. der Anzahl von Energiespeichermodulen 3 pro
Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b erfolgen, so dass auch bei dem niedrigsten vorgesehenen Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5 der
Energiespeichermodule 3 eine entsprechende minimale Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann.
Die Steuereinrichtung 1 1 kann beispielsweise vorbestimmte Kennfelder der
Parameterbereiche für die Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 speichern und zur Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 der Energiespeichermodule 3 in Abhängigkeit von während des Betriebs des Antriebssystems 100 ermittelten
Betriebsparametern wie Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k,
Betriebsspannung des Brennstofzellensystems 8, Ladezustand des
Gleichspannungszwischenkreises 9, angeforderte Leistung des Pulswechselrichter 4 oder anderen Parametern verwenden. Die Kennfelder können beispielsweise den in Fig. 4 dargestellten Kennfelder entsprechen. Die Steuereinrichtung 1 1 kann dann die
Energiespeichereinrichtung 1 durch entsprechende Ansteuerung eines oder mehrerer Energiespeichermodule 3 auf die gewünschte Ausgangsspannung einstellen. Dabei kann die Energiespeichereinrichtung 1 einen Spannungsbereich d abdecken, der einen vorgegebenen Ausgangsspannungsbereich des Brennstoffzellensystems 8 abdeckt.
Das Antriebssystem 100 kann zudem weitere Hochvoltverbraucher 12 aufweisen, die aus dem Gleichspannungszwischenkreis 9 gespeist werden. Beispielsweise kann ein
Gleichspannungswandler zur Speisung eines Niedervoltnetzes, zum Beispiel eines 14- Volt- oder 12-Volt-Bordnetzes eines Fahrzeugs, als Hochvoltverbraucher 12 eingesetzt werden. Im Niedervoltnetz können beispielsweise Leuchtmittel, Steuergeräte und ähnliche Anwendungen eines Fahrzeugs, welches das elektrische Antriebssystem 100 nutzt, durch das Brennstoffzellensystem 8 und/oder die Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden.
Über die Steuereinrichtung 1 1 kann zudem der aktuelle Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems 100 erfasst werden, beispielsweise den Leistungsbedarf der
Hochvoltverbraucher 12 oder der elektrischen Maschine 6. In Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf kann die Steuereinrichtung 1 1 dann die Koppeleinrichtungen 7 der Energiespeichermodule 3 zum Anpassen der Ausgangsspannung der
Energiespeichereinrichtung 1 an das Brennstoffzellensystem 8 ansteuern. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn die aktuelle Leistung des Brennstoffzellensystems 8 zu gering, das heißt, nicht im optimalen Arbeitsbereich ist. Durch die Anpassung der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an das Brennstoffzellensystem 8 erhöht sich die Brennstoffzellenleistung.
Regelbare Verbraucher, wie beispielsweise Niedervoltverbraucher, die durch den
Gleichspannungswandler zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz gespeist werden, können zum Ausgleich von Leistungsschwankungen temporär in ihrer Leistungsaufnahme gedrosselt werden. Dazu kann beispielsweise der Gleichspannungswandler temporär in der Leistungsaufnahme gedrosselt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können schnelle Leistungsschwankungen, insbesondere von nicht regelbaren Verbrauchern, beispielsweise sicherheitsrelevanten Verbrauchern, durch die Energiespeichereinrichtung 1 temporär gepuffert werden. Bei längerfristigen Verschiebungen in der
Leistungsaufnahme kann das Brennstoffzellensystem 8 auf einen neuen Betriebspunkt gesetzt werden, beispielsweise indem die Wasserstoff- oder Sauerstoffversorgung neu eingeregelt wird. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung, insbesondere in einem elektrischen
Antriebssystem 100 mithilfe einer Energiespeichereinrichtung 1 und einem
Brennstoffzellensystem 8, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 erläutert. Mit dem Verfahren 20 kann in einer Variante ein Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einer Versorgungsspannung gespeist werden, welche zur Speisung eines Wechselrichters 4 für eine elektrische Maschine 6 dienen kann. In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Ermitteln einer aktuellen Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8. In den Schritten 22 und 23 kann ein Ansteuern der
Koppeleinrichtungen 7 einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 der
Energiespeichereinrichtung 1 zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b sowie ein Ansteuern der
Koppeleinrichtungen 7 einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 der
Energiespeichereinrichtung 1 zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in dem Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b erfolgen.
Die erste und zweite Anzahl von Energiespeichermodulen 3 kann in Schritt 24 der Energiespeichereinrichtung 1 derart ausgewählt bzw. angepasst werden, dass die Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 an die ermittelte aktuelle Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems 8 angepasst werden kann.
Mit dem Verfahren 20 kann eine Regelstrategie in einem Brennstoffzellenhybridsystem mit einem elektrischen Energiespeicher erreicht werden, in der eine elektrische
Verbindung zwischen Energiespeicher und Brennstoffzellensystem ohne
Zwischenschaltung eines Gleichspannungswandlers implementiert werden kann, da die Ausgangsspannungen des Energiespeichers und des Brennstoffzellensystems über die Regelung des Energiespeichers aufeinander abgestimmt werden können. Insbesondere kann die gewünschte Aufteilung der Leistungsflüsse aus Energiespeicher und
Brennstoffzellensystem durch eine entsprechende Ansteuerung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule eingeregelt werden. Dadurch kann auf die sonst zusätzlich notwendige Hardware des Gleichspannungswandlers und sonstige Elemente wie
Kühlkomponenten verzichtet werden, so dass ein derartig angesteuertes Antriebssystem kostengünstig, mit geringem Bauraumbedarf und geringerem Systemgewicht ausgestaltet werden kann.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrisches Antriebssystem (100), mit:
einer Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, welche mindestens einen Energieversorgungsstrang (10a; 10b) mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang (10a; 10b) in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen (3), welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul (5) mit mindestens einer Energiespeicherzelle (5a, 5k) und eine Koppeleinrichtung (7) mit einer Vielzahl von Koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d), welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang (10a; 10b) zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang (10a; 10b) zu umgehen, umfassen, aufweist;
einem Brennstoffzellensystem (8), welches mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung (1 ) parallel geschaltet ist; und
einer Steuereinrichtung (1 1 ), welche mit der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (7) der
Energiespeichermodule (3) zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1 ) anzusteuern, welche einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (8) entspricht.
2. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 1 , weiterhin mit:
mindestens einer Speicherinduktivität (2a; 2b), welche zwischen einem der
Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung (1 ) und dem
Brennstoffzellensystem (8) gekoppelt ist.
3. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 und 2, weiterhin mit: einem Gleichspannungszwischenkreis (9), welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung (1 ) und dem Brennstoffzellensystem (8) parallel geschaltet ist.
4. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit: mindestens einem Hochvoltverbraucher (12), welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt und zu der Energiespeichereinrichtung (1 ) und dem Brennstoffzellensystem (8) parallel geschaltet ist.
5. Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Hochvoltverbraucher (12) einen Gleichspannungswandler umfasst, welcher die Energiespeichereinrichtung (1 ) und das Brennstoffzellensystem (8) mit einem
Niedervoltnetz koppelt.
6. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Steuereinrichtung (1 1 ) weiterhin dazu ausgelegt ist, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems (100) zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Koppeleinrichtungen (7) der Energiespeichermodule (3) zum Anpassen der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung (1 ) an das Brennstoffzellensystem (8) anzusteuern.
7. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die
Steuereinrichtung (1 1 ) weiterhin dazu ausgelegt ist, den aktuellen Leistungsbedarf des elektrischen Antriebssystems (100) zu erfassen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Leistungsbedarf die Leistungsaufnahme eines oder mehrerer der
Hochvoltverbraucher (12) zu regeln.
8. Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin mit: einem Wechselrichter (4), welcher mit der Energiespeichereinrichtung (1 ) und dem Brennstoffzellensystem (8) gekoppelt und von diesen mit der Versorgungsspannung gespeist wird; und
einer elektrischen Maschine (6), welche mit dem Wechselrichter (4) gekoppelt ist.
9. Verfahren (20) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einem elektrischen Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten:
Ermitteln (21 ) einer aktuellen Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (8); Ansteuern (22) der Koppeleinrichtungen (7) einer ersten Anzahl von
Energiespeichermodulen (3) der Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in den Energieversorgungsstrang (10a; 10b);
Ansteuern (23) der Koppeleinrichtungen (7) einer zweiten Anzahl von
Energiespeichermodulen (3) der Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Umgehen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule (5) in dem Energieversorgungsstrang (10a; 10b); und
Bestimmen (24) der ersten und zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) der Energiespeichereinrichtung (1 ) derart, dass die Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1 ) an die ermittelte Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (8) angepasst wird.
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