DE102006054796B4

DE102006054796B4 - Aktives Isolationssystem für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102006054796B4
Application number: DE102006054796A
Authority: DE
Inventors: Stephen Raiser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: US7906242B2; CN100539275C; US20070116997A1; DE102006054796A1; JP2007149684A; JP4709732B2; CN1971993A

Abstract

Brennstoffzellensystem (20) mit: einer Brennstoffzelle (24), durch die ein Kühlmittel strömt; einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus (22), der mit der Brennstoffzelle verbunden ist; einer Y-Kondensatorschaltung (28), die an den Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus (22) geschaltet ist; und einer aktiven Isolationsschaltung (29) zur Implementierung mit einem Brennstoffzellensystem (20), durch das ein Kühlmittel strömt, mit: einem ersten oder mehrfachen Stromsensor (62, 64), der einen Fehlerstrom in dem Kühlmittel detektiert und ein erstes Fehlersignal erzeugt, wenn der Fehlerstrom detektiert ist; und einer Schalt-Schaltung (32), die den Fehlerstrom auf Grundlage des ersten Fehlersignals umlenkt, wobei die Schalt-Schaltung (32) umfasst: einen Operationsverstärker (34), der das erste Fehlersignal an einem Eingang (40) aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt; eine Schalteinheit (S1, S2), die selektiv einen alternativen Pfad von HV+ oder HV– zu Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht; und einen Tiefpassfilter (C11, R19), der den alternativen Pfad mit dem Eingang...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen oder andere Kraftfahrzeug-HVDC-Quellen und insbesondere Spannungs- und/oder Stromisolierungssysteme für Brennstoffzellenstapel, die mit leitendem (d. h. nicht isolierendem) Fluid gekühlt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellenstapel arbeiten bei relativ hohen Spannungspegeln und höheren Temperaturen. Flüssigkeit, die durch einen Kühlmittelkreislauf strömt, wird typischerweise dazu verwendet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu steuern. Der Kühlmittelkreislauf umfasst typischerweise Kühler, Pumpen, Rohre und/oder andere Komponenten. Um die Sicherheit zu verbessern, werden typischerweise Schritte unternommen, um die Hochspannungspegel des Brennstoffzellenstapels von dem in den Kühlmittelkreisläufen strömenden Kühlmittel zu isolieren. Mit anderen Worten sollten, um eine elektrische Isolierung vorzusehen, die Kühlmittelkreisläufe entweder elektrisch isoliert sein oder es sollte ein nichtleitendes Kühlmittel verwendet werden.
Gegenwärtige Vorgehensweisen verwenden ein Kühlmittel, das eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweist oder isolierend ist, und lange/dünne isolierende Kühlmittelrohre. Beispielsweise kann das Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit deionisiertes (DI) Wasser sein oder das isolierende Kühlmittel könnte Öl sein. Die Kühlmittel, die eine niedrige Leitfähigkeit aufweisen oder isolierend sind, besitzen typischerweise signifikante Leistungsnachteile im Vergleich zu Kühlmitteln mit höherer Leitfähigkeit, wie Kühlmittel für Kraftfahrzeuge (d. h. auf Wasser- und Glykolbasis). Beispielsweise besitzen die isolierenden Kühlmittel typischerweise eine geringe Wärmekapazität, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Viskosität (beispielsweise Öl). Die isolierenden Kühlmittel beeinträchtigen daher die Systemleistungsdichte, die Kühlergröße, die Kühlergebläsegröße und/oder die Kühlmittelpumpenleistung. Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit können auch verschiedene Umweltzwänge aufwerfen. Die Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit besitzen keine Frostschutzeigenschaften und/oder können eine Korrosion bewirken (beispielsweise deionisiertes Wasser). Bei Kontaminationen in dem Kühlmittelsystem besteht auch die Tendenz, dass die Leitfähigkeit eines Kühlmittels mit niedriger Leitfähigkeit über die Zeit erhöht wird und daher die Isolierung schlechter wird.
Die nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung veröffentlichte deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 043 278 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, durch die ein Kühlmittel strömt, und einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Eine aktive Isolationsschaltung umfasst Kühlmittelfehlerstromsensoren, die einen Fehlerstrom in dem Kühlmittel detektieren und ein Fehlersignal erzeugen, wenn ein Fehlerstrom detektiert wird. Eine Schalt-Schaltung lenkt den Fehlerstrom auf Grundlage des Fehlersignals um.
Die Druckschrift EP 1 336 528 A2 beschreibt ein Batteriesystem mit in Reihe geschalteten Batterien, einem mit den Batterien verbundenen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus, einer an den Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus geschalteten Kondensatorschaltung und einer aktiven Isolationsschaltung zur Fehlerstromumleitung.
Die Druckschrift DE 195 03 749 C1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus und einer Einrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstands zwischen dem Laststromkreis und der Fahrzeugkarosserie.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Brennstoffzelle, durch die ein Kühlmittel strömt, und einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus aufweist, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Eine aktive Isolationsschaltung umfasst einen ersten/zweiten oder mehrere Stromsensoren, die mit dem Kühlmittel an den Kühlmittelaustritts-/-eintrittspfaden zu der Brennstoffzelle in Verbindung stehen und einen Massefehlerstrom in dem Kühlmittel detektieren und ein Fehlersignal erzeugen, wenn der Fehlerstrom detektiert wird. Eine Schalt-Schaltung führt eine Umlenkung und Kompensation des Fehlerstroms auf Grundlage des Fehlersignals durch.
Bei einer Ausführungsform ist der erste/zweite Stromsensor in das Kühlmittel eingetaucht.
Bei einer weiteren Ausführungsform überwacht die Schalt-Schaltung das Fehlersignal.
Die Schalt-Schaltung umfasst erfindungsgemäß einen Operationsverstärker, der das Fehlersignal aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt. Eine Schaltvorrichtung ermöglicht selektiv einen alternativen Pfad zur Masse für den Fehlerstrom aufgrund Grundlage des Ausgangssignals. Der Schalter umfasst bei einer Ausführungsform MOSFET-Transistoren, die den alternativen Pfad ermöglichen, wenn sie sich in einer leitenden Betriebsart befinden.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die aktive Isolationsschaltung ferner einen dritten oder mehrere Fehlersensoren, die den Fehlerstrom in allen Kühlmittelpfaden (Austritte/Eintritte/Entlüftungen etc.) detektieren und zu dem Fehlersignal beitragen, wenn der Fehlerstrom detektiert wird. Die Schalt-Schaltung umfasst einen Operationsverstärker, der ein Ausgangssignal erzeugt, und einen ersten Schalter, der selektiv einen alternativen Pfad von HVDC-Minus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Ausgangssignalpolarität ermöglicht. Ein zweiter Schalter ermöglicht selektiv einen alternativen Pfad von HVDC-Plus zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals. Wenn einer der Fehlersensoren einen positiven Fehlerstrom detektiert, signalisiert der Operationsverstärker dem ersten Schalter, den alternativen Pfad zu ermöglichen. Wenn einer der Fehlersensoren einen negativen Fehlerstrom detektiert, signalisiert der Operationsverstärker dem zweiten Schalter, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein elektrisches Schema eines Y-Kondensatoren aufweisenden Hochspannungs-(HV)-Busses eines mit leitender Flüssigkeit gekühlten Brennstoffzellensystems ist;
2 ein elektrisches Schema des HV-Busses ist, der eine aktive Isolationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
3 ein Schaubild ist, das Fehlerentladeströme gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 ein elektrisches Schema des HV-Busses ist, der eine Y-Kondensator-(Y-cap)-Entladekompensationsschaltung und eine aktive Isolationsschaltung, die kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Für die Zwecke der Klarheit werden in den Zeichnungen zur Bezeichnung gleicher Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 10 einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Leistungsbus 12 und einen Brennstoffzellenstapel 14. Der Brennstoffzellenstapel 14 wird durch zwei Spannungsquellen V₁ und V₂ repräsentiert. Beispielhafte Werte für V₁ und V₂ sind 200 V, obwohl andere Werte verwendet werden können. Wenn 200 V für V₁ und V₂ angenommen werden, beträgt die Gesamtspannung über den Brennstoffzellenstapel 14 400 V. Der Brennstoffzellenstapel 14 enthält ein leitendes Kühlmittel, das durch Verteiler strömt. Das Kühlmittel, das in die Brennstoffzelle eintritt bzw. diese verlässt, ist als parallele Widerstände R_C angegeben. Beispielhafte Werte für die Widerstände R_C sind jeweils 20 kΩ oder insgesamt 10 kΩ. Da das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel durch Verteiler an beliebig definierten Punkten der Brennstoffzelle eintreten bzw. den Brennstoffzellenstapel durch Verteiler an beliebig definierten Punkten der Brennstoffzelle verlassen kann, können die Widerstände R_C mit der Brennstoffzellenspannung bei einer beliebigen Zwischenspannung verbunden werden und sind hier der Deutlichkeit halber in einer ausgeglichenen Konfiguration gezeigt (= Eintritt in die/Austritt aus der Brennstoffzelle in der Mitte).
Der HVDC-Leistungsbus 12 umfasst positive und negative Knoten (HV+ bzw. HV–) und eine Kondensatorschaltung 16. Unter der Annahme der beispielhaften Werte von V₁ und V₂ und der Annahme, dass das Spannungsgleichgewicht symmetrisch ist, liegt HV+ bei +200 V und HV– bei –200 V. Die Kondensatorschaltung umfasst Kondensatoren C₁, C₂ und C₃. Beispielhafte Werte für C₁, C₂ und C₃ sind 3000 μF, 5 μF bzw. 5 μF. Die Kondensatorschaltung 16 schirmt den HVDC-Leistungsbus 12 vor elektromagnetischer Interferenz (EMI) ab. Die Y-Kondensatoren C2, C3 überbrücken den HVDC-Leistungsbus 12 an ein Fahrzeugfahrgestell (nicht gezeigt) oder eine Sicherheitsmasse. Die Kondensatoren C1, C2 und C3 können über mehrere Komponenten eines echten Brennstoffzellensystems verteilt sein, das mit dem HVDC-Bus verbunden ist, sind jedoch hier als zusammengeballte Komponenten dargestellt.
Ein typischer Fehlerkontakt, beispielsweise ein menschlicher Körper, ist als ein Fehlerwiderstand R_FEHLER angegeben. Obwohl der Fehlerkontakt bei HV+ gezeigt ist, kann der Fehlerkontakt auch bei HV– oder bei einer beliebigen Zwischenspannung auftreten. Ein beispielhafter Wert für R_FEHLER ist ein 1 kΩ. Als Ergebnis des Fehlerkontaktes bewirkt ein Entladestrom, dass sich die Y-Kondensatorschaltung 16 durch R_FEHLER zu Masse entlädt. Die Energie in der Y-Kondensatorschaltung, die während des Fehlerkontaktes dissipiert wird, ist gleich ½CV². Wie in 3, die nachfolgend detaillierter beschrieben ist, gezeigt ist, wird der typische Entladestrom bei Fehlerkontakt unmittelbar ein Spitzenwert und nimmt dann allmählich auf unter 25 mA ab, unter der Annahme der hier vorgesehenen beispielhaften Werte. Die Fläche unterhalb der typischen Entladestromkurve gibt die Energie an, die durch R_FEHLER (beispielsweise einen menschlichen Körper) dissipiert wird.
Bezugnehmend auf 2 umfasst ein Brennstoffzellensystem 20 einen Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Leistungsbus 22 und einen Brennstoffzellenstapel 24. Der Brennstoffzellenstapel 24 ist durch zwei Spannungsquellen V₁ und V₂ repräsentiert. Beispielhafte Werte für V₁ und V₂ sind 200 V, obwohl auch andere Werte verwendet werden können. Unter der Annahme von 200 V für V₁ und V₂ beträgt die Gesamtspannung über den Brennstoffzellenstapel 24 400 V. Der Brennstoffzellenstapel 24 umfasst ein leitendes Kühlmittel, das durch Verteiler strömt und das hier als parallele Widerstände R₁ und R₄ gezeigt ist. Beispielhafte Werte für R₁ und R₄ sind 22 kΩ bzw. 18 kΩ. Das Kühlmittel wird durch ein Kühlmittelsystem 26 vorgesehen, wie durch parallele Widerstände R₉ und R₈ angegeben ist. Beispielhafte Werte für R₉ und R₈ sind jeweils 10 kΩ. R₉ und R₈ befinden sich in jeweiliger Reihenschaltung mit R₁ und R₄.
Der HVDC-Leistungsbus 22 umfasst positive und negative Knoten (HV+ bzw. HV–) und eine Kondensator-(cap)-Schaltung 28. Unter der Annahme der beispielhaften Werte von V₁ und V₂ und der Annahme, dass das Spannungsgleichgewicht symmetrisch ist, befindet sich HV+ bei +200 V und HV– bei –200 V. Die Kondensatorschaltung 28 umfasst Kondensatoren C₈, C₁ und C₂. Beispielhafte Werte für C₈, C₁ und C₂ sind 3000 μF, 5 μF bzw. 5 μF. Die Kondensatorschaltung 28 schützt den HVDC-Leistungsbus 12 vor elektromagnetischer Interferenz (EMI). Die Y-Kondensatoren C₁, C₂ überbrücken den HVDC-Leistungsbus zu einem Fahrzeugfahrgestell (nicht gezeigt) oder einer Sicherheitsmasse.
Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst eine aktive Isolationsschaltung 29. Das aktive Isolationssystem besteht aus einer Überwachungsschaltung 60 und einer Schalt-Schaltung 32. Die Überwachungsschaltung 60 umfasst Fehlersensoren 62, 64, die dem Kühlmittel zugeordnet sind, und Widerstände RS1 und RS2. Die Fehlersensoren 62, 64 sammeln einen Nettofehlerstrom, der durch alle Kühlmittelwiderstandspfade des Brennstoffzellensystems 20 durch RS1, RS2 an die Masse fließt. RS1, RS2 (die ein einzelner kombinierter Widerstand sein könnten) wandeln die Fehlerströme, die von den Sensoren 62, 64 stammen, in eine Fehlersignalspannung um. Die Fehlersignalspannung ist mit dem invertierenden Eingang 40 des Operationsverstärkers 34 verbunden. Die Schalt-Schaltung 32 umfasst einen Operationsverstärker (Op-Amp) 34, einen ersten MOSFET-Transistor S₁ und einen zweiten MOSFET-Transistor 52. Der Operationsverstärker 34 umfasst einen positiven Eingang 36, der mit Masse verbunden ist. Ein Ausgang 38 ist mit S₁ und S₂ verbunden. Ein negativer Eingang 40 ist mit der Überwachungsschaltung und dem Ausgang durch einen Kondensator C₇ und einen Widerstand R₇ verbunden. S₁ umfasst einen Gateeingang 42, der mit dem Ausgang 38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang 46 (Drain) ist mit dem HV– durch einen Widerstand R₁₇ verbunden, und ein Ausgang 48 (Source) ist mit der Masse über einen Widerstand R_INJ verbunden. S₂ umfasst einen Gateeingang 50, der mit dem Ausgang 38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang 54 (Drain) ist mit dem HV+ über einen Widerstand R₁₆ verbunden, und ein Ausgang 56 (Source) ist mit der Masse durch den Widerstand R_INJ verbunden. Beispielhafte Werte für R₁₆ und R₁₇ umfassen jeweils 50 Ω, und ein beispielhafter Wert für R_INJ umfasst 10 Ω. S₁ und S₂ funktionieren als Schalter. In einem leitenden Zustand sehen S₁ und S₂ einen Strompfad von dem HVDC-Bus positiv oder negativ zur Masse durch R_INJ und R₁₆ oder R₁₇ vor. C11 und R19 sehen eine Tiefpassfilterung für das injizierte Stromsignal vor, das von R_INJ stammt, R18 speist das gefilterte Signal zurück an den Eingang 40 des Operationsverstärkers. Beispielhafte Werte für C11, R18, R19 umfassen 1 μF, 5 kOhm und 5 kOhm.
Im Betrieb signalisiert in dem Fall eines ausreichenden Fehlerstromes durch die Kühlmittelwiderstandspfade die aktive Isolationsschaltung 60 der Schalt-Schaltung 32, einen alternativen Strompfad zur Masse vorzusehen. Wenn beispielsweise ein ausreichender positiver Fehlerstrom durch den Fehlersensor 64 oder 62 detektiert wird, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S2, um einen alternativen Strompfad zur Masse durch R16, R_INJ zu erzeugen. Infolgedessen wird der Fehlerstrom in Richtung 0 mA getrieben. Wenn ähnlicherweise ein ausreichender negativer Fehlerstrom von dem Fehlersensor 62 oder 64 detektiert wird, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S1, um einen alternativen Strompfad zu Masse durch R17, R_INJ zu erzeugen, was wiederum zum Ergebnis hat, dass der Fehlerstrom in Richtung 0 mA getrieben wird.
Die aktive Isolationsschaltung 29 ermöglicht ein Kühlmittelschema für einen Brennstoffzellenstapel, das ein leitendes Kühlmittel aufweist, das in den Brennstoffzellenstapel 24 bei einer gemeinsamen Spannungspotenzialplatte oder bei einem beliebigen Brennstoffzellenspannungsort eintritt und den Brennstoffzellenstapel 24 bei einer gemeinsamen Spannungspotenzialplatte oder bei einem beliebigen Brennstoffzellenspannungsort verlässt. Die Spannungspotenzialplatte kann eine Endplatte oder eine Mittenabgreifplatte in dem Fall von Anordnungen mit mehreren Stapeln sein. Die aktive Isolationsschaltung 29 sieht ferner eine zusätzliche Sicherheitsmasse für alle leitenden Komponenten des Kühlmittelkreislaufes vor, die mit dem Kühlmittel in Kontakt stehen. Ferner erfordert die Implementierung der aktiven Isolationsschaltung 29 die Verwendung isolierter oder nichtleitender Kühlmittelverteiler oder nichtleitender Kühlmitteleintritts- und -austrittsbereiche, um einen definierten Kühlmittelwiderstandspfad oberstromig und unterstromig der Fehlersensoren 62, 64 zu bilden.
Bezugnehmend auf 4, die in der nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung veröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 043 278 A1 enthalten ist, überbrückt eine aktive Isolationsschaltung mit zusätzlicher Y-Kondensatorentladungskompensationsschaltung 29 den HVDC-Leistungsbus 22 und weist eine Überwachungsschaltung 30 und 60 und eine Schalt-Schaltung 32 auf. Die Überwachungsschaltung 30 umfasst Kondensatoren C₁₂ und C₁₃ und Widerstände R_Y-CAP, R₂₁ und R₂₂. Beispielhafte Werte für C₁₂ und C₁₃ umfassen jeweils 1 μF. Ein beispielhafter Wert für R_Y-CAP umfasst 100 Ω, und beispielhafte Werte für R₂₁ und R₂₂ umfassen jeweils 5 kΩ. Die Überwachungsschaltung 60 umfasst auch die Fehlersensoren 62, 64, die mit dem invertierenden Eingang 40 des Operationsverstärkers 34 und der Masse durch die Widerstände R_S1 bzw. R_S2 verbunden sind. Die Fehlersensoren 62, 64 messen den Nettofehlerstrom, der durch alle Kühlmittelwiderstandspfade des Brennstoffzellensystems 20 an die Masse durch RS1, RS2 fließt.
Die Schalt-Schaltung 32 umfasst einen Operationsverstärker (Op-Amp) 34, einen ersten MOSFET-Transistor S₁ und einen zweiten MOSFET-Transistor S₂. Der Operationsverstärker 34 umfasst einen positiven Eingang 36, der mit Masse verbunden ist. Ein Ausgang 38 ist mit S₁ und S₂ verbunden. Ein negativer Eingang 40 ist mit der Überwachungsschaltung und dem Ausgang durch einen Kondensator C₇ und einen Widerstand R₇ verbunden. S₁ umfasst einen Gateeingang 42, der mit dem Ausgang 38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang 46 (Drain) ist mit dem HV– durch einen Widerstand R₁₇ verbunden, und ein Ausgang 48 (Source) ist mit der Masse durch einen Widerstand R_INJ verbunden. S₂ umfasst einen Gateeingang 50, der mit dem Ausgang 38 des Operationsverstärkers verbunden ist. Ein Eingang 54 (Drain) ist mit dem HV+ durch einen Widerstand R₁₆ verbunden, und ein Ausgang 56 (Source) ist mit Masse durch den Widerstand R_INJ verbunden. Beispielhafte Werte für R₁₆ und R₁₇ umfassen jeweils 50 Ω, und ein beispielhafter Wert für R_INJ umfasst 10 Ω. S₁ und S₂ funktionieren als Schalter. In einem leitenden Zustand sehen S₁ und S₂ einen Strompfad von dem HVDC-Bus positiv oder negativ zu Masse durch R_INJ und R16 oder R17 vor.
Im Betrieb liefert die Überwachungsschaltung 30 Strom an die Schalt-Schaltung 32, der einen Entladestrom der Y-Kondensatorschaltung 28 angibt. Insbesondere überwacht die Überwachungsschaltung 30 die Rate der Änderung der Spannung (dV/dt) der Kondensatorschaltung 28 bezüglich Masse. Wenn dV/dt der Kondensatorschaltung 28 größer als ein Schwellenpegel ist, wird eine externe Entladestromsituation angegeben. Dies bedeutet, dass bewirkt wird, dass die Y-Kondensatoren C2, C1 durch einen Fehlerkontakt entladen werden, wie eine Person, die entweder HV+, HV– oder einen beliebigen Zwischenspannungspunkt berührt.
Der Operationsverstärker 34 nimmt das Stromsignal von der Überwachungsschaltung 30 auf, wenn dV/dt der Y-Kondensatorschaltung 28 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Insbesondere wird das dV/dt-Signal durch das differenzierende Kondensator-Widerstands-Netzwerk erzeugt, das R_Y-CAP und C₁₂ enthält. Das dV/dt-Signal wird durch R21 und C₁₃ gefiltert und geglättet. Das gefilterte Signal bewirkt, dass sich der Ausgang 38 des Operationsverstärkers abhängig von dem Vorzeichen von dV/dt nach positiv oder negativ ändert, was davon abhängt, ob sich der Fehlerort an dem positiven oder negativen HVDC-Busanschluss befindet. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers die Einschaltgateschwellenspannung der MOSFET-Schalter S1 (beispielsweise –5 V) oder S2 (beispielsweise +5 V) überschreitet, bewirkt dies, dass S1 oder S2 einschalten, was den Hauptfehlerentladestrompfad umlenkt. Beispielsweise in dem Fall eines Fehlers bei HV+, wie in 4 gezeigt ist, schließt der Ausgang des Operationsverstärkers S2, um einen Entladepfad zu Masse durch R16 und R_INJ zu erzeugen. Infolgedessen wird die Energie der Y-Kondensatorschaltung 28 hauptsächlich durch R16 und R_INJ anstatt durch R_FEHLER dissipiert. Ähnlicherweise schließt in dem Fall eines Fehlers bei HV– der Ausgang des Operationsverstärkers S₁, um einen Entladepfad zur Masse durch R17 und R_INJ zu erzeugen. Obwohl das Brennstoffzellensystem 20 von 4 so gezeigt ist, dass es sowohl die Y-Kondensator-Entladekompensationsschaltung 29 als auch die aktive Isolationsschaltung 60 gemeinsam enthält, kann die Funktion der aktiven Isolationsschaltung 60 durch Verwendung der aktiven Isolationsschaltung 60 und der Schalt-Schaltung 32 allein erreicht werden.
Bezugnehmend auf 3 zeigt ein Schaubild Y-Kondensator-Fehlerentladeströme gemäß der vorliegenden Erfindung. Typische Entladeströme für herkömmliche Schaltungen sind durch die höchste gestrichelte Linie dargestellt. Der Entladestrom für die aktive Isolationsschaltung 29 der vorliegenden Erfindung ist durch die mittlere gestrichelte Linie dargestellt. Der Entladestrom fällt auf einen wesentlich niedrigeren und sicheren stabilen Wert, der einer hohen Isolation gleichwertig ist. Der Entladestrom für die Entladekompensationsschaltung 29 der vorliegenden Erfindung ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Der Entladestrom fällt schneller ab. Zusätzlich zeigt die Fläche unter jeder der Kurven die Menge an Energie an, die durch R_FEHLER dissipiert wird. Eine signifikant verringerte Menge an Energie wird durch R_FEHLER unter Verwendung der Entladekompensationsschaltung 29 dissipiert.
Fachleute erkennen nun aus der vorhergehenden Beschreibung, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher sollte, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen derselben beschrieben worden ist, der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt sein, da andere Abwandlungen für Fachleute nach einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (20) mit: einer Brennstoffzelle (24), durch die ein Kühlmittel strömt; einem Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus (22), der mit der Brennstoffzelle verbunden ist; einer Y-Kondensatorschaltung (28), die an den Hochspannungsgleichstrom-(HVDC)-Bus (22) geschaltet ist; und einer aktiven Isolationsschaltung (29) zur Implementierung mit einem Brennstoffzellensystem (20), durch das ein Kühlmittel strömt, mit: einem ersten oder mehrfachen Stromsensor (62, 64), der einen Fehlerstrom in dem Kühlmittel detektiert und ein erstes Fehlersignal erzeugt, wenn der Fehlerstrom detektiert ist; und einer Schalt-Schaltung (32), die den Fehlerstrom auf Grundlage des ersten Fehlersignals umlenkt, wobei die Schalt-Schaltung (32) umfasst: einen Operationsverstärker (34), der das erste Fehlersignal an einem Eingang (40) aufnimmt und der ein Ausgangssignal erzeugt; eine Schalteinheit (S1, S2), die selektiv einen alternativen Pfad von HV+ oder HV– zu Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage des Ausgangssignals ermöglicht; und einen Tiefpassfilter (C11, R19), der den alternativen Pfad mit dem Eingang (40) des Operationsverstärkers (34) verbindet, wobei keine Überwachungsschaltung vorgesehen ist, die einen externen Fehlerentladestrom der Y-Kondensatorschaltung (28) überwacht.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, wobei der erste Stromsensor (62, 64) in das Kühlmittel eingetaucht ist.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, wobei die Schalt-Schaltung (32) das erste Fehlersignal überwacht.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, wobei die Schalteinheit MOSFET-Transistoren (S1, S2) umfasst, die die alternativen Pfade ermöglichen, wenn sie sich in einer leitenden Betriebsart befinden.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 4, wobei die Schalt-Schaltung (32) umfasst: einen ersten Schalter (S1), der selektiv einen alternativen Pfad von HV– zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals ermöglicht; und einen zweiten Schalter (S2), der selektiv einen alternativen Pfad von HV+ zur Masse für den Fehlerstrom auf Grundlage der Polarität des Ausgangssignals ermöglicht.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 5, wobei, wenn die Stromsensoren (62, 64) einen negativen Fehlerstrom detektieren, der Operationsverstärker (34) dem ersten Schalter (S1) signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 5, wobei, wenn die Stromsensoren (62, 64) einen positiven Fehlerstrom detektieren, der Operationsverstärker (34) dem zweiten Schalter (52) signalisiert, den alternativen Pfad zu ermöglichen.