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DE102018218333A1 - Electrical energy system with fuel cells - Google Patents

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DE102018218333A1
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Martin BREU
Maximilian Schiedermeier
Fabian Schulte
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.The invention relates to an electrical energy system containing fuel cells and a method for operating an electrical energy system for a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.The invention relates to an electrical energy system containing fuel cells and a method for operating an electrical energy system for a motor vehicle.

In einem Brennstoffzellenfahrzeug ist es üblich, Brennstoffzellen (BZ) als Energielieferant über einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) an den Traktions-Zwischenkreis mit der HV-Batterie anzubinden, an welchen die Pulswechselrichter (PWR) mit den Traktionsmaschinen (Elektromotoren) angeschlossen sind. Dies ist nötig, da die Spannung der Brennstoffzelle stark von dem aus der Brennstoffzelle gelieferten Strom abhängt. Die Spannung der Brennstoffzelle ist umso kleiner, je mehr Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Der Brennstoffzellen-Stack weist in herkömmlichen Antriebssträngen einen festen Spannungsbereich auf, der von dem Spannungsbereich der HV-Batterie abweicht. Der DC/DC-Wandler wird dazu verwendet, eine gleiche Spannungslage der beiden Komponenten einzustellen. Hierbei wird die Spannung der Brennstoffzellen dynamisch an jene der HV-Batterie angepasst.In a fuel cell vehicle, it is common to connect fuel cells (BZ) as energy suppliers via a direct current converter (DC / DC converter) to the traction intermediate circuit with the HV battery, to which the pulse-controlled inverters (PWR) with the traction machines (electric motors) are connected . This is necessary because the voltage of the fuel cell depends strongly on the current supplied by the fuel cell. The voltage of the fuel cell is lower, the more current is drawn from the fuel cell. In conventional drive trains, the fuel cell stack has a fixed voltage range that deviates from the voltage range of the HV battery. The DC / DC converter is used to set the same voltage level of the two components. The voltage of the fuel cells is dynamically adapted to that of the HV battery.

Für diesen Einsatzzweck müssen der DC/DC-Wandler und die darin enthaltenen Bauteile für die Maximalspannung des Brennstoffzellen-Stacks ausgelegt sein. Die Einhaltung des maximalen Spannungsniveaus der Brennstoffzelle macht den Einsatz von Bauteilen mit entsprechender Spannungsfestigkeit erforderlich. Diese Bauteile unterliegen mit höher werdenden Spannungsniveaus härteren Anforderungen und fallen teurer aus. Zudem steigt mit zunehmender Spannungsfestigkeit das Bauvolumen der Bauteile und der DC/DC-Wandler erfordert zusätzlichen Bauraum.For this purpose, the DC / DC converter and the components it contains must be designed for the maximum voltage of the fuel cell stack. Compliance with the maximum voltage level of the fuel cell requires the use of components with the appropriate dielectric strength. With increasing voltage levels, these components are subject to tougher requirements and are more expensive. In addition, the volume of the components increases with increasing dielectric strength, and the DC / DC converter requires additional installation space.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigen.The object of the present invention is to provide devices and methods which at least partially eliminate the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved according to the invention by a device with the features of claim 1 and a method with the features of claim 9. Refinements and developments of the invention result from the dependent claims.

Aus der WO 2015/169 979 A1 ist ein System zur Erzeugung elektrischer Energie bekannt, das eine Reihe von parallel geschalteten PEM-Zellenstapelmodulen aufweist, die von einer Wasserstoffquelle gespeist werden. Das System enthält ein Subsystem zur Steuerung und Überwachung jedes Stapels, das diese einzeln aktivieren und deaktivieren kann. Das Steuer- und Überwachungssubsystem verteilt die Betriebsstunden homogen zwischen allen Modulen, wenn die angeforderte Leistung geringer als die Maximalleistung ist.From the WO 2015/169 979 A1 a system for generating electrical energy is known which has a series of PEM cell stack modules connected in parallel and which are fed by a hydrogen source. The system contains a subsystem to control and monitor each batch, which can activate and deactivate them individually. The control and monitoring subsystem distributes the operating hours homogeneously between all modules if the requested power is less than the maximum power.

Die US 2015/0 188 160 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Verschaltung von Brennstoffzellenstapeln, die eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln umfasst, welche die gleichen oder ähnliche Spannungen aufweisen. Die Brennstoffzellenstapel können in Gruppen angeordnet und parallel miteinander verbunden sein, wodurch eine Verschlechterung der Brennstoffzellenstapel reduziert und die Betriebseffizienz des Systems erhöht wird.The US 2015/0 188 160 A1 discloses a fuel cell system and an apparatus and a method for controlling an interconnection of fuel cell stacks which comprises a plurality of fuel cell stacks which have the same or similar voltages. The fuel cell stacks can be arranged in groups and connected in parallel to one another, thereby reducing deterioration of the fuel cell stacks and increasing the operating efficiency of the system.

Die US 7 648 784 B2 lehrt ein Brennstoffzellen-System mit mehreren parallel geschalteten Brennstoffzellenmodulen. Jedes Modul enthält einen lokalen Controller, der mit einem Master-Controller verbunden ist, der die Module koordiniert, um zu jeder gegebenen Zeit eine gewünschte Leistungsabgabe zu erzielen. Jedes Modul wird innerhalb eines Ausgangsbereichs betrieben, um die Effizienz des Systems zu maximieren. Wenn die Lastanforderung an einem ersten Modul den gewünschten Ausgangsbereich des Moduls überschreitet, wird parallel zu dem ersten ein zusätzliches Modul in Betrieb genommen. Wenn die Last weiter ansteigt, werden zusätzliche Module in Kaskade geschaltet, um einen effizienten Betrieb aller Module zu ermöglichen.The US 7 648 784 B2 teaches a fuel cell system with several fuel cell modules connected in parallel. Each module contains a local controller that is connected to a master controller that coordinates the modules to achieve a desired power output at any given time. Each module is operated within an exit area to maximize the efficiency of the system. If the load requirement on a first module exceeds the desired output range of the module, an additional module is put into operation in parallel with the first. If the load continues to rise, additional modules are cascaded to enable efficient operation of all modules.

Die US 2005/0 112 428 A1 offenbart ein Brennstoffzellen-Energiesystem mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Brennstoffzellen-Leistungsmodulen, wobei jedes Modul eine Brennstoffzelle und zugehörige Peripheriegeräte umfasst. Jedes Brennstoffzellen-Leistungsmodul wird von einer eigenen lokalen Steuerung gesteuert. Ein Master-Controller steuert jede der lokalen Controller in Übereinstimmung mit den Gesamtsystemanforderungen. Optional ermöglicht ein Bypass, dass die Hauptsteuerung ein bestimmtes Brennstoffzellen-Leistungsmodul herunterfährt und umgeht, wodurch das Energiesystem mit größerer Flexibilität, Robustheit und Zuverlässigkeit ausgestattet wird.The US 2005/0 112 428 A1 discloses a fuel cell power system having a plurality of fuel cell power modules connected in parallel, each module comprising a fuel cell and associated peripherals. Each fuel cell power module is controlled by its own local control. A master controller controls each of the local controllers in accordance with the overall system requirements. Optionally, a bypass allows the main controller to shutdown and bypass a particular fuel cell power module, providing the energy system with greater flexibility, robustness, and reliability.

Aus der DE 103 32 336 A1 geht eine Brennstoffzellenanlage mit mehreren parallel geschalteten Brennstoffzellenmodulen hervor, die eine RegelungsEinrichtung umfasst, durch welche in Abhängigkeit des Wirkungsgrades der eine Last speisenden Brennstoffzellenmodule zumindest ein weiteres Brennstoffzellenmodul zur Speisung der Last zuschaltbar oder zumindest eines der die Last speisenden Brennstoffzellenmodule abschaltbar ist.From the DE 103 32 336 A1 is a fuel cell system with a plurality of fuel cell modules connected in parallel, which comprises a control device by means of which, depending on the efficiency of the fuel cell modules feeding a load, at least one further fuel cell module can be switched on for feeding the load or at least one of the fuel cell modules feeding the load can be switched off.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Aufteilung eines Brennstoffzellenstapels (Stacks) in jeweils mindestens eine Brennstoffzelle umfassende, in Reihe geschaltete Module. Zwischen jeweils zwei Modulen erfolgt ein elektrischer Potenzialabgriff. Durch eine Umschalteinheit kann wahlweise zwischen den einzelnen Potenzialabgriffen umgeschaltet werden. Der Minuspol des Stacks und der Ausgang der Umschalteinheit sind mit dem Eingang des DC/DC-Wandlers verbunden.According to the invention, a fuel cell stack (stack) is divided into modules each comprising at least one fuel cell and connected in series. Between two modules there is an electrical potential tap. A switchover unit can be used to switch between the individual potential taps. The negative pole of the stack and the output of the switchover unit are connected to the input of the DC / DC converter.

Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule enthält, wobei zwischen den Brennstoffzellenmodulen jeweils ein Potenzialabgriff vorgesehen ist; mindestens eine HV-Batterie; einen zwischen dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichstromwandler; und eine Umschalteinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Eingang des Gleichstromwandlers wahlweise mit einem Pol des Brennstoffzellenstapels oder einem Potenzialabgriff zu verbinden, sowie ein Steuergerät, das dafür eingerichtet ist, die Umschalteinheit zu steuern, um die Eingangsspannung des Gleichstromwandlers zu selektieren.The invention relates to an energy system for a vehicle. The energy system comprises at least one fuel cell stack which contains at least two fuel cell modules connected in series, a potential tap being provided between the fuel cell modules; at least one HV battery; a DC converter arranged between the at least one fuel cell stack and the at least one HV battery; and a switchover unit that is set up to connect an input of the DC converter either to a pole of the fuel cell stack or a potential tap, and a control unit that is set up to control the switchover unit in order to select the input voltage of the DC converter.

Das erfindungsgemäße Energiesystem umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstapel, der mindestens zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule enthält. In einer Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule. In einer anderen Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel mindestens drei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel vier oder mehr in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule. Jedes Brennstoffzellenmodul umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. In einer Ausführungsform umfasst jedes Brennstoffzellenmodul mehr als eine Brennstoffzelle. In einer Ausführungsform umfassen alle Brennstoffzellenmodule dieselbe Anzahl von Brennstoffzellen. In einer anderen Ausführungsform umfassen mindestens zwei der Brennstoffzellenmodule eine unterschiedliche Anzahl von Brennstoffzellen.The energy system according to the invention comprises at least one fuel cell stack which contains at least two fuel cell modules connected in series. In one embodiment, the fuel cell stack comprises two fuel cell modules connected in series. In another embodiment, the fuel cell stack comprises at least three fuel cell modules connected in series. In a further embodiment, the fuel cell stack comprises four or more fuel cell modules connected in series. Each fuel cell module comprises at least one fuel cell. In one embodiment, each fuel cell module comprises more than one fuel cell. In one embodiment, all fuel cell modules comprise the same number of fuel cells. In another embodiment, at least two of the fuel cell modules comprise a different number of fuel cells.

Zusätzlich zu Pluspol und Minuspol des Brennstoffzellenstapels ist zwischen jeweils zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellenmodulen jeweils ein elektrischer Potenzialabgriff vorgesehen. In einer Ausführungsform wird der Potenzialabgriff aus dem Stack herausgeführt. Durch die Aufteilung des Brennstoffzellenstapels in mehrere Module ergibt sich mehr als ein Ausgangsspannungsbereich. Die größtmögliche Ausgangsspannung liegt zwischen Pluspol und Minuspol des Stacks an, während zwischen Minuspol oder Pluspol und einem der zwischen den Polen liegenden Potenzialabgriffe eine kleinere Ausgangsspannung abgreifbar ist.In addition to the positive pole and negative pole of the fuel cell stack, an electrical potential tap is provided between two fuel cell modules connected in series. In one embodiment, the potential tap is led out of the stack. The division of the fuel cell stack into several modules results in more than one output voltage range. The greatest possible output voltage is between the positive pole and negative pole of the stack, while a smaller output voltage can be tapped between the negative pole or positive pole and one of the potential taps between the poles.

Die Versorgung der Brennstoffzellen mit den für den Betrieb erforderlichen Reaktanden Brennstoff und Oxidationsmittel erfolgt in einer Ausführungsform für alle Zellen gleichzeitig. In einer Ausführungsform erfolgt die Zufuhr eines Reaktanden zu allen Zellen eines Brennstoffzellen-Moduls gemeinsam. In einer Ausführungsform sind im System Bypässe vorgesehen, über welche die Reaktanden an einzelnen Modulen vorbeigeleitet werden können, wenn diese nicht aktiv sind. In einer weiteren Ausführungsform werden die einzelnen Module separat oder in Gruppen versorgt.In one embodiment, the fuel cells are supplied with the reactants fuel and oxidizing agent required for operation for all cells simultaneously. In one embodiment, the supply of a reactant to all cells of a fuel cell module takes place together. In one embodiment, bypasses are provided in the system, via which the reactants can be directed past individual modules when they are not active. In a further embodiment, the individual modules are supplied separately or in groups.

Das erfindungsgemäße Energiesystem umfasst eine Umschalteinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Eingang des Gleichstromwandlers wahlweise mit einem Pol des Brennstoffzellenstapels (Pluspol oder Minuspol) oder einem Potenzialabgriff zu verbinden. Der andere Eingang des Gleichstromwandlers ist mit dem anderen Pol des Brennstoffzellenstapels verbunden. Es kann wahlweise der HV-Pluspfad oder der HV-Minuspfad schaltend ausgeführt sein. Die Umschalteinheit zum Umschalten zwischen den Potenzialabgriffen befindet sich dann im entsprechenden HV-Pfad. In einer Ausführungsform befindet sich die Umschalteinheit direkt am Stack. In dieser Ausführungsform müssen die Potenzialabgriffe zwischen den einzelnen Modulen nicht aus dem Stack herausgeführt werden, um ein Umschalten zu ermöglichen.The energy system according to the invention comprises a switchover unit which is set up to connect an input of the direct current converter either to a pole of the fuel cell stack (positive pole or negative pole) or to a potential tap. The other input of the DC converter is connected to the other pole of the fuel cell stack. The HV plus path or the HV minus path can be switched. The switchover unit for switching between the potential taps is then located in the corresponding HV path. In one embodiment, the switchover unit is located directly on the stack. In this embodiment, the potential taps between the individual modules do not have to be led out of the stack in order to enable switching.

In einer Ausführungsform ist die Umschalteinheit als elektromechanisches Schaltelement ausgeführt, beispielsweise als Relais oder Schütz. In einer anderen Ausführungsform ist die Umschalteinheit als Halbleiterschalter ausgeführt. In einer Ausführungsform umfasst die Umschalteinheit mindestens einen Thyristor. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Umschalteinheit mindestens einen Leistungsschalter, beispielsweise einen IGBT oder einen MOS-FET.In one embodiment, the switching unit is designed as an electromechanical switching element, for example as a relay or contactor. In another embodiment, the switchover unit is designed as a semiconductor switch. In one embodiment, the switchover unit comprises at least one thyristor. In a further embodiment, the switchover unit comprises at least one power switch, for example an IGBT or a MOS-FET.

Das erfindungsgemäße Energiesystem umfasst ein Steuergerät, das dafür eingerichtet ist, die Umschalteinheit zu steuern, um die Eingangsspannung des Gleichstromwandlers zu selektieren. Die Selektion erfolgt dabei durch Umschalten zwischen einzelnen Potenzialabgriffen bzw. Polen des Brennstoffzellenstapels. In einer Ausführungsform ist das Steuergerät auch dafür eingerichtet, die Zufuhr von Reaktanden, also Brennstoff, wie Wasserstoff, Methan oder Methanol und Oxidationsmittel, wie Luft oder Sauerstoff, zu den Brennstoffzellen-Modulen bzw. den darin enthaltenen Brennstoffzellen zu steuern und die Zufuhr von Reaktanden zu den einzelnen Modulen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels wahlweise zu unterbrechen oder freizugeben.The energy system according to the invention comprises a control device which is set up to control the switchover unit in order to select the input voltage of the DC converter. The selection is made by switching between individual potential taps or poles of the fuel cell stack. In one embodiment, the control device is also set up to control the supply of reactants, that is to say fuel, such as hydrogen, methane or methanol and oxidizing agents, such as air or oxygen, to the fuel cell modules or the fuel cells contained therein and the supply of reactants to either interrupt or release the individual modules of the at least one fuel cell stack.

Ist die Umschalteinheit mit einem Pol des Brennstoffzellenstapels verbunden, resultiert der größtmögliche Spannungsbereich des Stacks wenn gleichzeitig der andere Pol des Brennstoffzellenstapels mit dem anderen Eingang des DC/DC-Wandlers verbunden ist. Ist der Schalter mit einem Potenzialabgriff verbunden, ist der Ausgangsspannungsbereich des Stacks im Vergleich zum ersten Schaltzustand kleiner. Durch die unterschiedlichen Ausgangsspannungsbereiche ergeben sich unterschiedlich hohe maximale Stack-Ausgangsspannungen. Die höchste maximale Ausgangsspannung ergibt sich durch die elektrische Verbindung aller Brennstoffzellenmodule. Der Vorteil dieser Aufteilung besteht in einer geringer ausfallenden Eingangs-Maximalspannung für den DC/DC-Wandler.If the switchover unit is connected to one pole of the fuel cell stack, the greatest possible voltage range of the stack results if the other pole of the stack is used simultaneously Fuel cell stack is connected to the other input of the DC / DC converter. If the switch is connected to a potential tap, the output voltage range of the stack is smaller compared to the first switching state. The different output voltage ranges result in different maximum stack output voltages. The highest maximum output voltage results from the electrical connection of all fuel cell modules. The advantage of this division is a lower input maximum voltage for the DC / DC converter.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Energiesystems, bei dem die Ausgangsspannung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der durch an das Energiesystem angeschlossene Verbraucher aktuell angeforderten Leistung selektiert wird.The invention also relates to a method for operating an energy system according to the invention, in which the output voltage of the at least one fuel cell stack is selected as a function of the power currently requested by consumers connected to the energy system.

Ist die Belastung durch die Verbraucher im Traktionsnetz für den Stack gering, wird durch den Umschalter der kleinste Stack-Spannungsbereich ausgewählt. Steigt die Belastung und somit die vom Stack abverlangte Leistung über die Maximalleistung des Stacks in der Konfiguration mit nur einem Modul, wird ein zusätzliches Modul elektrisch eingebunden. Dadurch wird der Spannungsbereich des Stacks zu höheren Maximalspannungen verschoben. Aufgrund der hohen Belastung wird der Stack jedoch nicht bei seiner Maximalspannung betrieben, da die elektrische Last im Traktionsnetz die Stack-Spannung gegenüber dem Maximalwert abfallen lässt. Sind mehr als zwei Module vorhanden und steigt die vom Stack abverlangte Leistung über die Maximalleistung des Stacks in der Konfiguration mit zwei Modulen, wird ein weiteres Modul elektrisch eingebunden, und so weiter. Sobald sich die Belastung aus dem Traktionsnetz verringert, wird wieder auf einen geringeren Spannungsbereich des Stacks umgeschaltet und es ergibt sich wieder eine geringere maximale Ausgangsspannung für den Stack.If the load on the stack in the traction network is low, the smallest stack voltage range is selected using the switch. If the load and thus the power demanded by the stack increases beyond the maximum power of the stack in the configuration with only one module, an additional module is integrated electrically. This shifts the voltage range of the stack to higher maximum voltages. However, due to the high load, the stack is not operated at its maximum voltage, since the electrical load in the traction network causes the stack voltage to drop compared to the maximum value. If there are more than two modules and the power demanded by the stack rises above the maximum power of the stack in the configuration with two modules, another module is electrically connected, and so on. As soon as the load from the traction network is reduced, the system switches back to a lower voltage range of the stack and there is again a lower maximum output voltage for the stack.

In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die nicht beteiligten Brennstoffzellen-Module, also jene Module des Brennstoffzellenstapels, die in der jeweiligen Konfiguration nicht mit den Eingängen des DC/DC-Wandlers verbunden sind, deaktiviert. In einer weiteren Ausführungsform werden die deaktivierten Module über Bypässe nicht mit den Reaktanden versorgt, das heißt, es wird die Zufuhr von Reaktanden zu den nicht beteiligten Brennstoffzellen-Modulen unterbrochen. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden Brennstoffzellenmodule des mindestens einen Brennstoffzellenstapels deaktiviert und die Zufuhr von Reaktanden zu ihnen unterbrochen, wenn sie nicht mit den Eingängen des Gleichstromwandlers verbunden sind.In one embodiment of the method, the fuel cell modules that are not involved, that is to say those modules of the fuel cell stack that are not connected to the inputs of the DC / DC converter in the respective configuration, are deactivated. In a further embodiment, the deactivated modules are not supplied with the reactants via bypasses, that is to say the supply of reactants to the fuel cell modules which are not involved is interrupted. In one embodiment of the method, fuel cell modules of the at least one fuel cell stack are deactivated and the supply of reactants to them is interrupted if they are not connected to the inputs of the DC converter.

Durch die Möglichkeit des Umschaltens zwischen Bereichen unterschiedlich großer Ausgangsspannungen können der DC/DC-Wandler und die darin enthaltenen Bauteile für geringere Maximalspannungen ausgelegt werden. Somit werden die einzusetzenden Komponenten günstiger, fallen kleiner aus und der DC/DC-Wandler weist einen geringeren Bauraumbedarf auf.Due to the possibility of switching between areas of differently large output voltages, the DC / DC converter and the components it contains can be designed for lower maximum voltages. The components to be used are therefore cheaper, are smaller and the DC / DC converter requires less installation space.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit angeschlossenen Verbrauchern;
The invention is shown schematically in the drawing using an embodiment and is further described with reference to the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the energy system according to the invention with connected consumers;

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit an einen Traktionskreis 40 angeschlossenen Verbrauchern 41, 42, 43. Das Energiesystem 10 umfasst als Energiequellen einen Brennstoffzellenstapel 11 und eine HV-Batterie 30. Der Brennstoffzellenstapel 11 ist über einen Gleichstromwandler 20 mit dem Traktionskreis 40 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 11 enthält zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellen-Module 12 und 13. Zwischen dem ersten Modul 12 und dem zweiten Modul 13 ist ein Zwischenabgriff 14 angeordnet. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und dem Wandler 20 ist eine Umschalteinheit 15 angeordnet. Der Minuspol des Stacks 11 ist mit dem einen Eingang des Wandlers 20 verbunden, während der andere Eingang des Wandlers 20 mit dem Ausgang der Umschalteinheit 15 verbunden ist. Die Umschalteinheit 15 wird über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert, um die Eingangsspannung des Wandlers 20 zu selektieren. Je nach Stellung der Umschalteinheit 15 liegt am Eingang des Wandlers 20 die maximale Ausgangsspannung des Stacks 11 an, also die Summe der Ausgangsspannungen des ersten Moduls 12 und des zweiten Moduls 13, oder nur die Ausgangsspannung des zweiten Moduls 13. An den Traktionskreis 40 des Energiesystems 10 sind Pulswechselrichter 41 und Elektromotoren 42 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 43 wie Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the energy system according to the invention 10th with a traction circuit 40 connected consumers 41 , 42 , 43 . The energy system 10th comprises a fuel cell stack as energy sources 11 and an HV battery 30th . The fuel cell stack 11 is about a DC converter 20th with the traction circle 40 connected. The fuel cell stack 11 contains two fuel cell modules connected in series 12th and 13 . Between the first module 12th and the second module 13 is an intermediate tap 14 arranged. Between the fuel cell stack 11 and the converter 20th is a switchover unit 15 arranged. The negative pole of the stack 11 is with one input of the converter 20th connected while the other input of the converter 20th with the output of the switching unit 15 connected is. The switchover unit 15 is controlled by a control unit, not shown in the drawing, to the input voltage of the converter 20th to select. Depending on the position of the switchover unit 15 is at the input of the converter 20th the maximum output voltage of the stack 11 on, i.e. the sum of the output voltages of the first module 12th and the second module 13 , or just the output voltage of the second module 13 . To the traction circle 40 of the energy system 10th are pulse inverters 41 and electric motors 42 connected, as well as other HV components 43 such as auxiliary units of the fuel cell, chargers, 12 V DC / DC converters, HV heaters, electric air conditioning compressors etc.

Ist die Belastung durch die Verbraucher 41, 42, 43 im Traktionsnetz 40 für den Stack 11 gering, wird durch die Umschalteinheit 15 der Zwischenabgriff 14 mit dem Pluspfad des DC/DC-Wandlers 20 verbunden. Es liegt also nur die Ausgangsspannung des zweiten Moduls 13 am Eingang des Wandlers 20 an. Steigt die Belastung und somit die vom Stack 11 abverlangte Leistung über die Maximalleistung des zweiten Moduls 13, wird zusätzlich das erste Modul 12 elektrisch eingebunden, indem die Umschalteinheit 15 den Pluspol des Stacks 11 mit dem Pluspfad des Wandlers 20 verbindet. Dadurch wird der Spannungsbereich des Stacks 11 zu höheren Maximalspannungen verschoben. Aufgrund der hohen Belastung wird der Stack 11 jedoch nicht bei seiner Maximalspannung betrieben, da die elektrische Last im Traktionsnetz 40 die Stack-Spannung gegenüber dem Maximalwert abfallen lässt. Sobald sich die Leistungsanforderung aus dem Traktionsnetz 40 auf einen Wert verringert, der kleiner oder gleich der Maximalleistung des zweiten Moduls 13 ist, wird wieder auf den geringeren Spannungsbereich des Stacks 11 umgeschaltet, indem die Umschalteinheit 15 den Pluspfad des Wandlers 20 wieder mit dem Zwischenabgriff 14 verbindet, wodurch sich wieder eine geringere maximale Ausgangsspannung für den Stack 11 ergibt. Is the burden on the consumer 41 , 42 , 43 in the traction network 40 for the stack 11 low, is due to the switchover unit 15 the intermediate tap 14 with the plus path of the DC / DC converter 20th connected. So there is only the output voltage of the second module 13 at the entrance of the converter 20th at. Increases the load and thus that of the stack 11 demanded power over the maximum power of the second module 13 , will also be the first module 12th electrically integrated by the switching unit 15 the positive pole of the stack 11 with the plus path of the converter 20th connects. This will make the tension range of the stack 11 shifted to higher maximum voltages. Because of the high load, the stack 11 however not operated at its maximum voltage as the electrical load in the traction network 40 the stack voltage drops from the maximum value. As soon as the performance requirement from the traction network 40 reduced to a value that is less than or equal to the maximum output of the second module 13 is back to the lower voltage range of the stack 11 switched by the switching unit 15 the plus path of the converter 20th again with the intermediate tap 14 connects, which results in a lower maximum output voltage for the stack 11 results.

BezugszeichenlisteReference list

1010th
EnergiesystemEnergy system
1111
Brennstoffzellenstapel (Stack)Fuel cell stack
1212th
BZ-Modul 1 BZ module 1
1313
BZ-Modul 2 BZ module 2nd
1414
ZwischenabgriffIntermediate tap
1515
UmschalteinheitSwitchover unit
2020th
DC/DC-WandlerDC / DC converter
3030th
HV-BatterieHV battery
4040
TraktionskreisTraction circuit
4141
Pulswechselrichter (PWR)Pulse inverter (PWR)
4242
Elektromotoren (EM)Electric motors (EM)
4343
Sonstige HV-KomponentenOther HV components

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Energiesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens einen Brennstoffzellenstapel (11), der mindestens zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule (12, 13) enthält, wobei zwischen jeweils zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellenmodulen (12, 13) jeweils ein Potenzialabgriff (14) vorgesehen ist; mindestens eine HV-Batterie (30); einen zwischen dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (11) und der mindestens einen HV-Batterie (30) angeordneten Gleichstromwandler (20); eine Umschalteinheit (15), die dafür eingerichtet ist, einen Eingang des Gleichstromwandlers (20) wahlweise mit einem Pol des Brennstoffzellenstapels (11) oder einem Potenzialabgriff (14) zu verbinden; und ein Steuergerät, das dafür eingerichtet ist, die Umschalteinheit (15) zu steuern, um die Eingangsspannung des Gleichstromwandlers (20) zu selektieren.A power system (10) for a vehicle, comprising at least one fuel cell stack (11) containing at least two fuel cell modules (12, 13) connected in series, a potential tap (14) being provided between each two series of fuel cell modules (12, 13); at least one HV battery (30); a direct current converter (20) arranged between the at least one fuel cell stack (11) and the at least one HV battery (30); a switchover unit (15) which is set up to connect an input of the direct current converter (20) either to a pole of the fuel cell stack (11) or to a potential tap (14); and a control device which is set up to control the switchover unit (15) in order to select the input voltage of the direct current converter (20). Energiesystem (10) nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Brennstoffzellenstapel (11) mindestens drei in Reihe geschaltete Brennstoffzellenmodule (12, 13) enthält.Energy system (10) after Claim 1 wherein the at least one fuel cell stack (11) contains at least three fuel cell modules (12, 13) connected in series. Energiesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin die Umschalteinheit (15) als elektromechanisches Schaltelement ausgeführt ist.Energy system (10) after Claim 1 or 2nd , wherein the switching unit (15) is designed as an electromechanical switching element. Energiesystem (10) nach Anspruch 3, worin die Umschalteinheit (15) als Relais oder Schütz ausgeführt ist.Energy system (10) after Claim 3 , wherein the switching unit (15) is designed as a relay or contactor. Energiesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin die Umschalteinheit (15) als Halbleiterschalter ausgeführt ist.Energy system (10) after Claim 1 or 2nd , wherein the switching unit (15) is designed as a semiconductor switch. Energiesystem (10) nach Anspruch 5, worin die Umschalteinheit (15) mindestens einen Thyristor umfasst.Energy system (10) after Claim 5 , wherein the switching unit (15) comprises at least one thyristor. Energiesystem (10) nach Anspruch 5 oder 6, worin die Umschalteinheit (15) mindestens einen IGBT umfasst.Energy system (10) after Claim 5 or 6 , wherein the switching unit (15) comprises at least one IGBT. Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin die Umschalteinheit (15) mindestens einen MOS-FET umfasst.Energy system (10) according to one of the Claims 5 to 7 , wherein the switching unit (15) comprises at least one MOS-FET. Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Ausgangsspannung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (11) in Abhängigkeit von der durch an das Energiesystem (10) angeschlossene Verbraucher (41, 42, 43) aktuell angeforderten Leistung selektiert wird.Method for operating an energy system (10) according to one of the preceding claims, in which the output voltage of the at least one fuel cell stack (11) is selected as a function of the power currently requested by consumers (41, 42, 43) connected to the energy system (10) . Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Brennstoffzellenmodule (12, 13) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (11) deaktiviert werden und die Zufuhr von Reaktanden zu ihnen unterbrochen wird, wenn sie nicht mit den Eingängen des Gleichstromwandlers (20) verbunden sind.Procedure according to Claim 9 , in which fuel cell modules (12, 13) of the at least one fuel cell stack (11) are deactivated and the supply of reactants to them is interrupted if they are not connected to the inputs of the direct current converter (20).
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