WO2019145301A1 - Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein fahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein fahrzeug Download PDF

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WO2019145301A1
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inverter
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secondary battery
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Jochen Fassnacht
Klaus Beulich
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system, in particular for a vehicle.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell unit for generating electrical energy, a secondary battery for storing electrical energy, and a compressor for charging the
  • FCV fuel cell vehicle
  • the drive system comprises a fuel cell unit for generating electrical energy, a
  • Fuel cell systems generally have a compressor which, for example, sucks in ambient air and supplies it to the fuel cells.
  • the compressor requires up to 20% of the electrical power generated by the fuel cells, or energy. The losses of the compressor are thus relevant to the overall efficiency of the vehicle.
  • the dynamics of Fuel cell system is limited by the startup behavior of the
  • Fuel cell devices known.
  • the fuel cell devices have supply lines for supplying substances to a cathode and an anode and a discharge line for discharging exhaust gases.
  • Fuel cell devices further include compressors which are
  • the compressor can be supplied with the secondary battery at start-up.
  • the compressor can be connected to the traction network of the vehicle, which is connected via DC / DC converter to both the secondary battery and to the fuel cell.
  • the DC / DC converters must be designed for the additional load of the compressor, resulting in increased costs. The resulting in the voltage conversion losses to the operation of the compressor increase the
  • the fuel cell system includes a fuel cell unit for generating electric power and a secondary battery for
  • the fuel cell unit has a plurality of fuel cells.
  • Inverter provided to drive the compressor.
  • the inverter is electrically connected to the fuel cell unit and with the
  • the inverter preferably has a positive pole, a negative pole and a neutral pole.
  • the fuel cell unit and the secondary battery are electrically connected in series and electrically connected to the poles of the inverter.
  • the fuel cell unit is connected to the negative pole and the neutral pole, and the secondary battery is connected to the neutral pole and the positive pole.
  • the secondary battery is connected to the negative pole and the neutral pole, and the fuel cell unit is connected to the neutral pole and the positive pole.
  • the fuel cell unit and the secondary battery are connected to the poles of the inverter such that a higher potential is applied to the positive pole than to the neutral pole, and that a lower potential is applied to the negative pole than to the neutral pole.
  • a negative terminal of the fuel cell unit or the secondary battery is connected to the negative pole, and a positive terminal of the fuel cell unit or the secondary battery is connected to the neutral pole.
  • the negative terminal of the fuel cell unit or the secondary battery is connected to the
  • Neutral pole connected, and the positive terminal of the fuel cell unit or the secondary battery is connected to the positive pole.
  • the inverter has three phase outputs, and the compressor has three phase windings.
  • a first phase output of the inverter is electrically connected to a first phase winding of the compressor
  • a second phase output of the inverter is electrically connected to a second phase winding of the compressor
  • a third phase output of the inverter is electrically connected to a third phase winding of the compressor.
  • the inverter is designed as a 3-level inverter and has a plurality of electronic switches and diodes.
  • the electronic switches of the inverter can be controlled such that the compressor can be operated optionally with electrical energy from the fuel cell unit or with electrical energy from the secondary battery or with electrical energy from the fuel cell unit and from the secondary battery.
  • a converter for driving a traction motor is also provided.
  • the inverter has a positive pole, a negative pole and a neutral pole.
  • Fuel cell unit and the secondary battery are electrically connected in series and electrically connected to the poles of the inverter.
  • Inverter is thus with respect to the fuel cell unit and the
  • the inverter preferably also has three phase outputs, and the
  • Traction motor has three phase windings. Here are the
  • the inverter and the inverter are arranged in a common housing.
  • the compressor is arranged in a supply line for supplying a substance to the fuel cell unit.
  • the compressor is arranged in a supply line for supplying air to the fuel cell unit.
  • the compressor may also be in a supply line for supplying a fuel to the
  • Compressor in a discharge line for discharging an exhaust gas from the
  • Fuel cell unit arranged.
  • the electrical losses caused by the operation of a compressor are significantly reduced.
  • the consumption of fuel in a vehicle equipped with the fuel cell system according to the invention is also reduced and the range is increased.
  • the compressor may optionally be supplied with electrical energy from the fuel cell unit or with electrical energy from the
  • Traction motor in a common housing is only one set
  • Terminals required, to which the fuel cell unit and the secondary battery are connected Inside the housing, the terminals are connected to the plus poles, neutral poles and negative poles of the inverter and the inverter. Furthermore, common capacitors can be used as DC link capacitors in this case of the inverter and the inverter.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a fuel cell system
  • FIG. 1 is a detailed circuit diagram of the fuel cell system of FIG. 1
  • Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of a fuel cell system. Embodiments of the invention
  • FIG. 1 schematically shows a first exemplary embodiment of a fuel cell system 10 for a vehicle.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell unit 12 for generating electric power and a secondary battery 14 for storing electric power.
  • the fuel cell unit 12 for generating electric power
  • a secondary battery 14 for storing electric power.
  • Fuel cell unit 12 has a plurality of serial and possibly parallel
  • the secondary battery 14 have a plurality of serial and possibly parallel connected battery cells. Parallel to the fuel cell unit 12, a first capacitor 16 is connected. Parallel to the secondary battery 14, a second capacitor 18 is connected. The two capacitors 16, 18 are used in the fuel cell system 10 as
  • the fuel cell system 10 includes a compressor 20 for
  • the compressor 20 is arranged in a supply line for supplying air to the fuel cell unit 12.
  • the compressor 20 may also be arranged in a supply line for supplying a fuel to the fuel cell unit 12.
  • the compressor 20 may be disposed in a discharge passage for discharging an exhaust gas from the fuel cell unit 12.
  • the fuel cell system 10 also includes an inverter 30 for driving the compressor 20.
  • the inverter 30 has a first phase output 31, a second phase output 32 and a third phase output 33.
  • the phase outputs 31, 32, 33 are connected to the compressor 20.
  • the inverter 30 further includes a negative terminal 35, a neutral terminal 36 and a positive terminal 37. In the present case is a negative terminal of
  • Fuel cell unit 12 connected to the negative terminal 35, and a positive terminal of the fuel cell unit 12 is connected to the neutral pole 36. Further, a negative terminal of the secondary battery 14 is connected to the neutral pole 36, and a positive terminal of the secondary battery 14 is connected to the positive pole 37.
  • the fuel cell unit 12 and the secondary battery 14 are thus also connected in series. Alternatively, the
  • Fuel cell unit 12 and the secondary battery 14 may be arranged reversed.
  • Neutral terminal 36 is connected, and the negative terminal of the fuel cell unit 12 is connected to the neutral pole 36 and the positive terminal of the
  • Fuel cell unit 12 connected to the positive terminal 37.
  • FIG. 2 shows a detailed circuit diagram of the fuel cell system 10 from FIG. 1.
  • the compressor 20 has a first phase winding 21, a second phase winding 22 and a third phase winding 23.
  • Phase windings 21, 22, 23 are in this case connected in a star connection and connected to a common star point 25.
  • the phase windings 21, 22, 23 could also be connected in a delta connection.
  • the first phase output 31 of the inverter 30 is connected to the first
  • Phase winding 21 of the compressor 20 connected.
  • the second phase output 32 of the inverter 30 is connected to the second phase winding 22 of the
  • Compressor 20 connected.
  • the third phase output 33 of the inverter 30 is connected to the third phase winding 23 of the compressor 20.
  • a first clamping diode Dl is provided between the neutral pole 36 and a first node 41.
  • a second clamping diode D2 is provided between the neutral pole 36 and a second node 42.
  • a third clamping diode D3 is provided between the neutral pole 36 and a third node 43.
  • a fourth clamp diode D4 is provided between the neutral pole 36 and a fourth node 44.
  • a fifth clamp diode D5 is provided between the neutral pole 36 and a fifth node 45.
  • a sixth clamp diode D6 is provided between the neutral pole 36 and a sixth node 46.
  • a first switch S1 is arranged between the positive pole 37 and the first node 41. Between the first phase output 31 and the first node 41, a second switch S2 is arranged. Between the first phase output 31 and the second node 42, a third switch S3 is arranged. Between the negative pole 35 and the second node 42, a fourth switch S4 is arranged.
  • a fifth switch S5 is arranged between the positive pole 37 and the third node 43.
  • a sixth switch S6 is arranged between the second phase output 32 and the third node 43.
  • a seventh switch S7 is arranged between the second phase output 32 and the fourth node 44.
  • an eighth switch S8 is arranged between the negative pole 35 and the fourth node 44.
  • a ninth switch S9 is arranged between the positive pole 37 and the fifth node 45.
  • a tenth switch S10 is arranged between the third phase output 33 and the fifth node 45.
  • an eleventh switch Sil is arranged between the third phase output 33 and the sixth node 46.
  • a twelfth switch S12 is arranged between the negative pole 35 and the sixth node 46.
  • the switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12 of the inverter are electronic switches that can be activated by a drive unit (not shown).
  • Said switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, S12 are preferably as
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • a first freewheeling diode XI is connected.
  • Parallel to the second switch S2 a second free-wheeling diode X2 is connected.
  • Parallel to the third switch S3, a third free-wheeling diode X3 is connected.
  • Parallel to the fourth switch S4, a fourth freewheeling diode X4 is connected.
  • Parallel to the fifth switch S5, a fifth freewheeling diode X5 is connected.
  • Parallel to the sixth switch S6, a sixth freewheeling diode X6 is connected.
  • Parallel to the seventh switch S7 a seventh freewheeling diode X7 is connected.
  • Parallel to the eighth switch S8, an eighth freewheeling diode X8 is connected.
  • a ninth freewheeling diode X9 is connected.
  • Parallel to the tenth switch S10 a tenth freewheeling diode X10 is connected.
  • Parallel to the eleventh switch Sil an eleventh freewheeling diode X11 is connected.
  • Parallel to the twelfth switch S12 is a twelfth
  • Freewheeling diode X12 connected.
  • Fuel cell unit 12 the secondary battery 14 and the compressor 20, the compressor 20 optionally with electrical energy from the
  • Fuel cell unit 12 or supplied with electric power from the secondary battery 14 and operated. Also, the compressor 20 can simultaneously with electrical energy from the fuel cell unit 12 and from the
  • the compressor 20 In a first operating mode, the compressor 20 is operated exclusively with electrical energy from the fuel cell unit 12.
  • the first operating mode is used in particular when the
  • Fuel cell system 10 is regularly in operation and the fuel cell unit 12 generates regular electrical energy.
  • the compressor 20 is operated solely by electrical energy from the secondary battery 14.
  • Fuel cell unit 12 does not generate sufficient electrical energy, and when an output voltage of the fuel cell unit 12 is too low. This case occurs especially when starting fuel cell unit 12.
  • Fuel cell unit 12 does not generate sufficient electrical energy, and when an output voltage of the fuel cell unit 12 is too low. This case occurs especially when starting fuel cell unit 12.
  • fuel cell system 10 Even in the second operating mode only small electrical losses and thus results in a relatively high efficiency.
  • the compressor 20 simultaneously with electrical energy from the fuel cell unit 12 and of the
  • Secondary battery 14 operated.
  • the third mode of operation is also called
  • Voltage boost called.
  • the sum of the output voltages of the series-connected fuel cell unit 12 and secondary battery 14 is available. This results in a higher speed of the compressor 20.
  • the compressor 20 outputs a higher mechanical power, which is the fuel cell unit 12 is provided.
  • the electric power generated by the fuel cell unit 12 is increased. This increases, for example, the dynamics when accelerating the vehicle.
  • a fourth mode of operation the fuel cell unit 12 is electrically short-circuited, and the compressor 20 is operated solely with electric power from the secondary battery 14.
  • the fourth operating mode which is also referred to as freeze start, is used in particular at low outside temperatures.
  • the previously cold fuel cell unit 12 is heated relatively quickly and brought to a sufficient operating temperature.
  • FIG. 3 schematically shows a second exemplary embodiment of a fuel cell system 10 for a vehicle.
  • the fuel cell system 10 according to the second embodiment like the fuel cell system 10 shown in FIG. 1 according to the first embodiment, includes a fuel cell unit 12 for generating electric power
  • the fuel cell system 10 includes according to the second
  • Embodiment an inverter 50 for driving a traction motor 52 of the vehicle.
  • the converter 50 has a first one
  • Phase output 31 Phase output 31, a second phase output 32 and a third
  • the three phase outputs 31, 32, 33 are with the
  • Traction motor 52 of the vehicle connected.
  • the converter 50 also has a positive pole 37, a negative pole 35 and a neutral pole 36.
  • the fuel cell unit 12 and the secondary battery 14 are electrically connected in series and electrically connected to the poles of the inverter 50.
  • the negative terminal of the fuel cell unit 12 is connected to the negative terminal 35, and the positive terminal of the
  • Fuel cell unit 12 is connected to the neutral pole 36. Further, the negative terminal of the secondary battery 14 is connected to the neutral pole 36, and the positive terminal of the secondary battery 14 is connected to the positive pole 37.
  • the inverter 50 is thus electrically connected in parallel to the inverter 30 with respect to the fuel cell unit 12 and the secondary battery 14.
  • the inverter 30 and the inverter 50 are in a common
  • Housing 54 is arranged.
  • the capacitors 16, 18 serving as intermediate circuit capacitors are also arranged in the housing 54.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit (12) zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Sekundärbatterie (14) zur Speicherung elektrischer Energie. Dabei ist ein Verdichter (20) zur Beaufschlagung der Brennstoffzelleneinheit (12)vorgesehen, und ein Wechselrichter (30) ist zum Ansteuern des Verdichters (20) vorgesehen,wobei der Wechselrichter (30) elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit (12) und mit der Sekundärbatterie (14) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensvstem, insbesondere für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie, eine Sekundärbatterie zur Speicherung von elektrischer Energie, und einen Verdichter zur Beaufschlagung der
Brennstoffzelleneinheit.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft insbesondere in Fahrzeugen vermehrt elektrische Systeme zum Einsatz kommen, die fortschrittliche Technologien zur Energieerzeugung mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Eine Möglichkeit zur Erzeugung elektrischer Energie für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs bilden Brennstoffzellen. Ein Brennstoffzellensystem weist neben Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie auch eine Sekundärbatterie zur Speicherung der elektrischen Energie auf. Fahrzeuge, welche ein derartiges Brennstoffzellensystem aufweisen, werden auch als Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel cell Vehicle = FCV) bezeichnet.
Aus dem Dokument DE 10 2012 222 343 Al ist ein Antriebssystem,
beispielsweise für ein Fahrzeug, bekannt. Das Antriebssystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, eine
Sekundärbatterie zur Speicherung elektrischer Energie und eine elektrische Maschine.
Brennstoffzellensysteme weisen in der Regel einen Verdichter auf, welcher beispielsweise Umgebungsluft ansaugt und den Brennstoffzellen zuführt. Der Verdichter benötigt bis zu 20% der von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Leistung, beziehungsweise Energie. Die Verluste des Verdichters sind damit relevant für die Gesamteffizienz des Fahrzeugs. Die Dynamik des Brennstoffzellensystems ist limitiert durch das Hochlaufverhalten des
Verdichters.
Aus dem Dokument DE 10 2011 122 162 Al sind verschiedenartige
Brennstoffzellenvorrichtungen bekannt. Die Brennstoffzellenvorrichtungen weisen Versorgungsleitungen zum Zuführen von Stoffen an eine Kathode und an eine Anode sowie eine Abführleitung zum Abführen von Abgasen auf. Die
Brennstoffzellenvorrichtungen weisen ferner Verdichter auf, welche
beispielsweise in einer der Versorgungsleitungen oder in der Abführleitung angeordnet sind.
Da die Brennstoffzellen beim Start des Fahrzeugs keine ausreichende Spannung und Energie liefern, kann der Verdichter beim Start über die Sekundärbatterie versorgt werden. Der Verdichter kann dazu an das Traktionsbordnetz des Fahrzeugs angeschlossen werden, welches über DC/DC-Wandler sowohl an die Sekundärbatterie als auch an die Brennstoffzellen angeschlossen ist. Die DC/DC-Wandler müssen für die Zusatzbelastung durch den Verdichter ausgelegt werden, was zu erhöhten Kosten führt. Die bei der Spannungswandlung entstehenden Verluste zum Betrieb des Verdichters erhöhen den
Gesamtverbrauch des Fahrzeugs.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug,
vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine Sekundärbatterie zur
Speicherung von elektrischer Energie. Die Brennstoffzelleneinheit weist mehrere Brennstoffzellen auf.
Erfindungsgemäß ist in dem Brennstoffzellensystem ein Verdichter zur
Beaufschlagung der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Ferner ist ein
Wechselrichter zum Ansteuern des Verdichters vorgesehen. Dabei ist der Wechselrichter elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit und mit der
Sekundärbatterie verbunden. Bevorzugt weist der Wechselrichter einen Pluspol, einen Minuspol und einen Neutralpol auf. Dabei sind die Brennstoffzelleneinheit und die Sekundärbatterie elektrisch seriell verschaltet und mit den Polen des Wechselrichters elektrisch verbunden. Beispielsweise ist die Brennstoffzelleneinheit mit dem Minuspol und dem Neutralpol verbunden, und die Sekundärbatterie ist mit dem Neutralpol und dem Pluspol verbunden. Alternativ ist die Sekundärbatterie mit dem Minuspol und dem Neutralpol verbunden, und die Brennstoffzelleneinheit ist mit dem Neutralpol und dem Pluspol verbunden.
Vorteilhaft sind die Brennstoffzelleneinheit und die Sekundärbatterie derart mit den Polen des Wechselrichters verbunden, dass an dem Pluspol ein höheres Potential anliegt als an dem Neutralpol, und dass an dem Minuspol ein tieferes Potential anliegt als an dem Neutralpol. Beispielsweise ist ein negatives Terminal der Brennstoffzelleneinheit oder der Sekundärbatterie mit dem Minuspol verbunden, und ein positives Terminal der Brennstoffzelleneinheit oder der Sekundärbatterie ist dem Neutralpol verbunden. Alternativ ist das negative Terminal der Brennstoffzelleneinheit oder der Sekundärbatterie mit dem
Neutralpol verbunden, und das positive Terminal der Brennstoffzelleneinheit oder der Sekundärbatterie ist dem Pluspol verbunden.
Vorzugsweise weist der Wechselrichter drei Phasenausgänge auf, und der Verdichter weist drei Phasenwicklungen auf. Dabei ist ein erster Phasenausgang des Wechselrichters mit einer ersten Phasenwicklung des Verdichters elektrisch verbunden, und ein zweiter Phasenausgang des Wechselrichters ist mit einer zweiten Phasenwicklung des Verdichters elektrisch verbunden, und ein dritter Phasenausgang des Wechselrichters ist mit einer dritten Phasenwicklung des Verdichters elektrisch verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wechselrichter als 3-Level-lnverter ausgebildet und weist mehrere elektronische Schalter und Dioden auf. Die elektronischen Schalter des Wechselrichters sind dabei derart ansteuerbar, dass der Verdichter wahlweise mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit oder mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie oder mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit und von der Sekundärbatterie betreibbar ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch ein Umrichter zum Ansteuern eines Traktionsmotors vorgesehen. Dabei weist der Umrichter einen Pluspol, einen Minuspol und einen Neutralpol auf. Die
Brennstoffzelleneinheit und die Sekundärbatterie sind elektrisch seriell verschaltet und mit den Polen des Umrichters elektrisch verbunden. Der
Umrichter ist somit bezüglich der Brennstoffzelleneinheit und der
Sekundärbatterie elektrisch parallel zu dem Wechselrichter zum Ansteuern des Verdichters geschaltet.
Der Umrichter weist bevorzugt auch drei Phasenausgänge auf, und der
Traktionsmotor weist drei Phasenwicklungen auf. Dabei sind die
Phasenausgänge des Umrichters mit den Phasenwicklungen des
Traktionsmotors verbunden.
Vorteilhaft sind der Wechselrichter und der Umrichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichter in einer Zuführleitung zum Zuführen eines Stoffes an die Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Vorzugsweise ist der Verdichter dabei in einer Zuführleitung zum Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Der Verdichter kann auch in einer Zuführleitung zum Zuführen eines Brennstoffs zu der
Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Verdichter in einer Abführleitung zum Abführen eines Abgases von der
Brennstoffzelleneinheit angeordnet.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem findet vorteilhaft Verwendung in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Aber auch andere Anwendungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind denkbar. Vorteile der Erfindung
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind die durch den Betrieb eines Verdichters verursachten elektrischen Verluste signifikant verringert. Dadurch ist der Verbrauch an Brennstoff in einem mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeug ebenfalls verringert und die Reichweite ist erhöht. Der Verdichter kann wahlweise mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit oder mit elektrischer Energie von der
Sekundärbatterie oder mit elektrischer Energie von beiden Quellen gleichzeitig versorgt und betrieben werden. Bei Anordnung des Wechselrichters zum Ansteuern des Verdichters und des Umrichters zum Ansteuern des
Traktionsmotors in einem gemeinsamen Gehäuse ist nur ein Satz
Anschlussklemmen erforderlich, an welche die Brennstoffzelleneinheit und die Sekundärbatterie angeschlossen werden. Innerhalb des Gehäuses sind die Anschlussklemmen mit den Pluspolen, Neutralpolen und Minuspolen des Wechselrichters und des Umrichters verbunden. Ferner können in diesem Fall von dem Wechselrichter und dem Umrichter gemeinsame Kondensatoren als Zwischenkreiskondensatoren genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
Figur 2 einen detaillierten Schaltplan des Brennstoffzellensystems aus Figur
1 und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems. Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 10 für ein Fahrzeug schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 12 zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Sekundärbatterie 14 zur Speicherung elektrischer Energie. Die
Brennstoffzelleneinheit 12 weist mehrere seriell und eventuell parallel
verschaltete Brennstoffzellen auf. Die Sekundärbatterie 14 weisen mehrere seriell und eventuell parallel verschaltete Batteriezellen auf. Parallel zu der Brennstoffzelleneinheit 12 ist ein erster Kondensator 16 geschaltet. Parallel zu der Sekundärbatterie 14 ist ein zweiter Kondensator 18 geschaltet. Die beiden Kondensatoren 16, 18 dienen in dem Brennstoffzellensystem 10 als
Zwischenkreiskondensatoren.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Verdichter 20 zur
Beaufschlagung der Brennstoffzelleneinheit 12. Vorliegend ist der Verdichter 20 in einer Zuführleitung zum Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet. Der Verdichter 20 kann auch in einer Zuführleitung zum Zuführen eines Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet sein. Auch kann der Verdichter 20 in einer Abführleitung zum Abführen eines Abgases von der Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst auch einen Wechselrichter 30 zum Ansteuern des Verdichters 20. Der Wechselrichter 30 weist vorliegend einen ersten Phasenausgang 31, einen zweiten Phasenausgang 32 und einen dritten Phasenausgang 33 auf. Die Phasenausgänge 31, 32, 33 sind dabei mit dem Verdichter 20 verbunden. Der Wechselrichter 30 weist ferner einen Minuspol 35, einen Neutralpol 36 und einen Pluspol 37 auf. Vorliegend ist ein negatives Terminal der
Brennstoffzelleneinheit 12 mit dem Minuspol 35 verbunden, und ein positives Terminal der Brennstoffzelleneinheit 12 ist mit dem Neutralpol 36 verbunden. Ferner ist ein negatives Terminal der Sekundärbatterie 14 mit dem Neutralpol 36 verbunden, und ein positives Terminal der Sekundärbatterie 14 ist mit dem Pluspol 37 verbunden. Die Brennstoffzelleneinheit 12 und die Sekundärbatterie 14 sind somit auch seriell verschaltet. Alternativ können die
Brennstoffzelleneinheit 12 und die Sekundärbatterie 14 vertauscht angeordnet sein. In diesem Fall ist das negative Terminal der Sekundärbatterie 14 mit dem Minuspol 35 und das positive Terminal der Sekundärbatterie 14 mit dem
Neutralpol 36 verbunden, und das negative Terminal der Brennstoffzelleneinheit 12 ist mit dem Neutralpol 36 und das positive Terminal der
Brennstoffzelleneinheit 12 mit dem Pluspol 37 verbunden.
Figur 2 zeigt einen detaillierten Schaltplan des Brennstoffzellensystems 10 aus Figur 1. Der Verdichter 20 weist eine erste Phasenwicklung 21, eine zweite Phasenwicklung 22 und eine dritte Phasenwicklung 23 auf. Die drei
Phasenwicklungen 21, 22, 23 sind vorliegend in einer Sternschaltung verschaltet und mit einem gemeinsamen Sternpunkt 25 verbunden. Die Phasenwicklungen 21, 22, 23 könnten auch in einer Dreieckschaltung verschaltet sein.
Der erste Phasenausgang 31 des Wechselrichters 30 ist mit der ersten
Phasenwicklung 21 des Verdichters 20 verbunden. Der zweite Phasenausgang 32 des Wechselrichters 30 ist mit der zweiten Phasenwicklung 22 des
Verdichters 20 verbunden. Der dritte Phasenausgang 33 des Wechselrichters 30 ist mit der dritten Phasenwicklung 23 des Verdichters 20 verbunden.
Eine erste Klemmdiode Dl ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem ersten Knotenpunkt 41 vorgesehen. Eine zweite Klemmdiode D2 ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem zweiten Knotenpunkt 42 vorgesehen. Eine dritte Klemmdiode D3 ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem dritten Knotenpunkt 43 vorgesehen. Eine vierte Klemmdiode D4 ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem vierten Knotenpunkt 44 vorgesehen. Eine fünfte Klemmdiode D5 ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem fünften Knotenpunkt 45 vorgesehen. Eine sechste Klemmdiode D6 ist zwischen dem Neutralpol 36 und einem sechsten Knotenpunkt 46 vorgesehen.
Zwischen dem Pluspol 37 und dem ersten Knotenpunkt 41 ist ein erster Schalter S1 angeordnet. Zwischen dem ersten Phasenausgang 31 und dem ersten Knotenpunkt 41 ist ein zweiter Schalter S2 angeordnet. Zwischen dem ersten Phasenausgang 31 und dem zweiten Knotenpunkt 42 ist ein dritter Schalter S3 angeordnet. Zwischen dem Minuspol 35 und dem zweiten Knotenpunkt 42 ist ein vierter Schalter S4 angeordnet.
Zwischen dem Pluspol 37 und dem dritten Knotenpunkt 43 ist ein fünfter Schalter S5 angeordnet. Zwischen dem zweiten Phasenausgang 32 und dem dritten Knotenpunkt 43 ist ein sechster Schalter S6 angeordnet. Zwischen dem zweiten Phasenausgang 32 und dem vierten Knotenpunkt 44 ist ein siebter Schalter S7 angeordnet. Zwischen dem Minuspol 35 und dem vierten Knotenpunkt 44 ist ein achter Schalter S8 angeordnet.
Zwischen dem Pluspol 37 und dem fünften Knotenpunkt 45 ist ein neunter Schalter S9 angeordnet. Zwischen dem dritten Phasenausgang 33 und dem fünften Knotenpunkt 45 ist ein zehnter Schalter S10 angeordnet. Zwischen dem dritten Phasenausgang 33 und dem sechsten Knotenpunkt 46 ist ein elfter Schalter Sil angeordnet. Zwischen dem Minuspol 35 und dem sechsten Knotenpunkt 46 ist ein zwölfter Schalter S12 angeordnet.
Bei den Schaltern Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, Sil, S12 des Wechselrichters handelt es sich um elektronische Schalter, die von einer nicht dargestellten Ansteuereinheit ansteuerbar sind. Die besagten Schalter Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, Sil, S12 sind vorzugsweise als
Bipolartransistor oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (insulated gate bipolar transistor, IGBT) ausgeführt.
Parallel zu dem ersten Schalter Sl ist eine erste Freilaufdiode XI geschaltet. Parallel zu dem zweiten Schalter S2 ist eine zweite Freilaufdiode X2 geschaltet. Parallel zu dem dritten Schalter S3 ist eine dritte Freilaufdiode X3 geschaltet. Parallel zu dem vierten Schalter S4 ist eine vierte Freilaufdiode X4 geschaltet. Parallel zu dem fünften Schalter S5 ist eine fünfte Freilaufdiode X5 geschaltet. Parallel zu dem sechsten Schalter S6 ist eine sechste Freilaufdiode X6 geschaltet. Parallel zu dem siebten Schalter S7 ist eine siebte Freilaufdiode X7 geschaltet. Parallel zu dem achten Schalter S8 ist eine achte Freilaufdiode X8 geschaltet. Parallel zu dem neunten Schalter S9 ist eine neunte Freilaufdiode X9 geschaltet. Parallel zu dem zehnten Schalter S10 ist eine zehnte Freilaufdiode X10 geschaltet. Parallel zu dem elften Schalter Sil ist eine elfte Freilaufdiode Xll geschaltet. Parallel zu dem zwölften Schalter S12 ist eine zwölfte
Freilaufdiode X12 geschaltet.
Durch diese elektrische Verschaltung des Wechselrichters 30 mit der
Brennstoffzelleneinheit 12, der Sekundärbatterie 14 und dem Verdichter 20 kann der Verdichter 20 wahlweise mit elektrischer Energie von der
Brennstoffzelleneinheit 12 oder mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie 14 versorgt und betrieben werden. Auch kann der Verdichter 20 gleichzeitig mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit 12 und von der
Sekundärbatterie 14 versorgt und betrieben werden.
In einem ersten Betriebsmodus wird der Verdichter 20 ausschließlich mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit 12 betrieben. Der erste Betriebsmodus wird insbesondere dann verwendet, wenn das
Brennstoffzellensystem 10 regulär in Betrieb ist und die Brennstoffzelleneinheit 12 regulär elektrische Energie erzeugt. Vorteilhaft entstehen in dem ersten Betriebsmodus nur geringe elektrische Verluste und somit ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Effizienz.
In einem zweiten Betriebsmodus wird der Verdichter 20 ausschließlich mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie 14 betrieben. Der zweite
Betriebsmodus wird insbesondere dann verwendet, wenn die
Brennstoffzelleneinheit 12 nicht genügend elektrische Energie erzeugt, und wenn eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 12 zu gering ist. Dieser Fall tritt insbesondere beim Starten Brennstoffzelleneinheit 12 auf. Vorteilhaft entstehen auch in dem zweiten Betriebsmodus nur geringe elektrische Verluste und somit ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Effizienz. Ferner ergibt sich eine hohe Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems 10. Weiterhin ist es möglich den Verdichter 20 im Generatorbetrieb zu betreiben. Dadurch wird die Dynamik des Brennstoffzellensystems 10 bei einem Lastabwurf erhöht.
In einem dritten Betriebsmodus wird der Verdichter 20 gleichzeitig mit elektrischer Energie von der Brennstoffzelleneinheit 12 und von der
Sekundärbatterie 14 betrieben. Der dritte Betriebsmodus wird auch als
Spannungsboost bezeichnet. In dem dritten Betriebsmodus steht die Summe der Ausgangsspannungen der in Reihe geschalteten Brennstoffzelleneinheit 12 und Sekundärbatterie 14 zur Verfügung. Dies führt zu einer höheren Drehzahl des Verdichters 20. Bei höherer Drehzahl gibt der Verdichter 20 eine höhere mechanische Leistung ab, welche der Brennstoffzelleneinheit 12 zur Verfügung gestellt wird. Dadurch wird die von der Brennstoffzelleneinheit 12 generierte elektrische Leistung erhöht. Dies erhöht beispielsweise die Dynamik beim Beschleunigen des Fahrzeugs.
In einem vierten Betriebsmodus wird die Brennstoffzelleneinheit 12 elektrisch kurzgeschlossen und der Verdichter 20 wird ausschließlich mit elektrischer Energie von der Sekundärbatterie 14 betrieben. Der vierte Betriebsmodus, welcher auch als Gefrierstart bezeichnet wird, wird insbesondere bei geringen Außentemperaturen verwendet. In dem vierten Betriebsmodus wird die zuvor kalte Brennstoffzelleneinheit 12 verhältnismäßig schnell erwärmt und auf eine ausreichende Betriebstemperatur gebracht.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 10 für ein Fahrzeug schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst, wie auch das in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, eine Brennstoffzelleneinheit 12 zur Erzeugung elektrischer Energie, eine
Sekundärbatterie 14 zur Speicherung elektrischer Energie, zwei als
Zwischenkreiskondensatoren dienende Kondensatoren 16, 18, einen Verdichter 20 zur Beaufschlagung der Brennstoffzelleneinheit 12 und einen Wechselrichter 30 zum Ansteuern des Verdichters 20. Bei räumlich naher Anordnung der Sekundärbatterie 14 und Brennstoffzelleneinheit 12 an den Wechselrichter 30 können die Zwischenkreiskondensatoren eventuell auch entfallen. Zusätzlich umfasst das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel einen Umrichter 50 zum Ansteuern eines Traktionsmotors 52 des Fahrzeugs. Der Umrichter 50 weist vorliegend einen ersten
Phasenausgang 31, einen zweiten Phasenausgang 32 und einen dritten
Phasenausgang 33 auf. Die drei Phasenausgänge 31, 32, 33 sind dabei mit dem
Traktionsmotor 52 des Fahrzeugs verbunden.
Der Umrichter 50 weist ferner einen Pluspol 37, einen Minuspol 35 und einen Neutralpol 36 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 12 und die Sekundärbatterie 14 sind elektrisch seriell verschaltet und mit den Polen des Umrichters 50 elektrisch verbunden. Vorliegend ist das negative Terminal der Brennstoffzelleneinheit 12 mit dem Minuspol 35 verbunden, und das positive Terminal der
Brennstoffzelleneinheit 12 ist mit dem Neutralpol 36 verbunden. Ferner ist das negative Terminal der Sekundärbatterie 14 mit dem Neutralpol 36 verbunden, und das positive Terminal der Sekundärbatterie 14 ist mit dem Pluspol 37 verbunden. Der Umrichter 50 ist somit bezüglich der Brennstoffzelleneinheit 12 und der Sekundärbatterie 14 elektrisch parallel zu dem Wechselrichter 30 geschaltet. Der Wechselrichter 30 und der Umrichter 50 sind in einem gemeinsamen
Gehäuse 54 angeordnet. Auch die als Zwischenkreiskondensatoren dienenden Kondensatoren 16, 18 sind in dem Gehäuse 54 angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit (12) zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Sekundärbatterie (14) zur Speicherung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verdichter (20) zur Beaufschlagung der Brennstoffzelleneinheit (12) vorgesehen ist, und dass
ein Wechselrichter (30) zum Ansteuern des Verdichters (20) vorgesehen ist, wobei
der Wechselrichter (30) elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit (12) und mit der Sekundärbatterie (14) verbunden ist.
2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselrichter (30) einen Pluspol (37), einen Minuspol (35) und einen Neutralpol (36) aufweist, wobei
die Brennstoffzelleneinheit (12) und die Sekundärbatterie (14) elektrisch seriell verschaltet und mit den Polen (35, 36, 37) des Wechselrichters (30) elektrisch verbunden sind.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzelleneinheit (12) und die Sekundärbatterie (14) derart mit den Polen (35, 36, 37) des Wechselrichters (30) elektrisch verbunden sind, dass
an dem Pluspol (37) ein höheres Potential anliegt als an dem Neutralpol (36), und dass an dem Minuspol (35) ein tieferes Potential anliegt als an dem Neutralpol (36).
4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Phasenausgang (31) des Wechselrichters (30) mit einer ersten Phasenwicklung (21) des Verdichters (20) elektrisch verbunden ist, und dass
ein zweiter Phasenausgang (32) des Wechselrichters (30) mit einer zweiten Phasenwicklung (22) des Verdichters (20) elektrisch verbunden ist, und dass
ein dritter Phasenausgang (33) des Wechselrichters (30) mit einer dritten Phasenwicklung (23) des Verdichters (20) elektrisch verbunden ist.
5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselrichter (30) als 3-Level-lnverter ausgebildet ist und mehrere elektronische Schalter (Sl, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, Sil, S12) und Dioden (Dl, D2, D3, D4, D5, D6, XI, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8, X9, X10, Xll, X12) aufweist.
6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Umrichter (50) zum Ansteuern eines Traktionsmotors (52) vorgesehen ist, wobei
der Umrichter (50) einen Pluspol (37), einen Minuspol (35) und einen Neutralpol (36) aufweist, und wobei
die Brennstoffzelleneinheit (12) und die Sekundärbatterie (14) elektrisch seriell verschaltet und mit den Polen (35, 36, 37) des Umrichters (50) elektrisch verbunden sind.
7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselrichter (30) und der Umrichter (50) in einem gemeinsamen Gehäuse (54) angeordnet sind.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter (20) in einer Zuführleitung zum Zuführen eines Stoffes an die Brennstoffzelleneinheit (12) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter (20) in einer Abführleitung zum Abführen eines Abgases von der Brennstoffzelleneinheit (12) angeordnet ist.
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der
vorstehenden Ansprüche in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
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