DE102014204324A1 - Betriebsstrategie zur Entschärfung der Anforderungen an Komponenten des elektrischen Kreises durch geeigneten Kurzschluss der Brennstoffzellen - Google Patents

Betriebsstrategie zur Entschärfung der Anforderungen an Komponenten des elektrischen Kreises durch geeigneten Kurzschluss der Brennstoffzellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, einen Eingang eines Hochvoltbordnetzes eines Elektrofahrzeuges darstellenden Bauteils, wobei die Eingangsspannung von mindestens einem Brennstoffzellenstack (1) bereitgestellt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Unterschreitung eines Mindeststromes (IMin) durch einen Strombedarf des Brennstoffzellenstacks (1) dieser kurzgeschlossen und der Kurzschluss aufgehoben, wenn der Strombedarf des Brennstoffzellenstacks (1) den Mindeststrom (IMin) überschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 7 zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, einen Eingang eines Hochvoltbordnetzes eines Elektrofahrzeuges bildenden Bauteils.
  • Stand der Technik
  • In mobilen Anwendungen werden häufig Brennstoffzellensysteme verwendet, wie sie in 6 dargestellt sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstack, welcher vorzugsweise aus mehreren, nicht weiter dargestellten Brennstoffzellen gebildet ist. In dem Brennstoffzellenstack findet in der Regel eine kalte Verbrennung von Wasserstoff durch die Verbindung mit Sauerstoff der Luft statt. Dafür wird einer Anode des Brennstoffzellenstacks Wasserstoff zugeführt, während einer Kathode des Brennstoffzellenstacks Luft zugeführt wird. Der Brennstoffzellenstack erzeugt dabei neben elektrischer Energie und Abwasser auch Abwärme, welche durch einen Thermalkreislauf zu einem Fahrzeugkühler geführt wird.
  • Die Hauptanwendung des Brennstoffzellensystems ist die Lieferung von elektrischer Energie an ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges. Die Anode bzw. die Kathode des Brennstoffzellenstacks sind dabei mit einem DC/DC-Wandler verbunden, welcher die von dem Brennstoffzellenstack gelieferte elektrische Energie transformiert und an einen Traktionsakkumulator, eine Niedervoltbatterie bzw. einen Wechselrichter liefert, welcher einen Elektromotor des Kraftfahrzeuges antreibt. Da die elektrische Spannung des
  • Brennstoffzellenstacks mit der elektrischen Last zum Teil stark variiert, wie aus 8 hervorgeht, ist der dem Brennstoffzellenstack nachgeschaltete DC/DC-Wandler für die Stabilisierung der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeuges verantwortlich. Die typischen Spannungen für ein System mit einer Bruttoleistung von 75 kW (bei z.B. 400 in Reihe geschalteten Brennstoffzellen) sind in 6 verdeutlicht. Dabei ist ersichtlich, dass die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers mit der Eingangsspannung des Brennstoffzellenstacks gleich ist.
  • Es sind aber auch andere Realisierungsmöglichkeiten für den elektrischen Kreis eines Brennstoffzellensystems aus dem Stand der Technik möglich. Wie 7 zeigt, ist der DC/DC-Wandler direkt der Niedervoltbatterie vorgeschaltet. In diesem Fall wird die Spannung des Brennstoffzellenstacks allen Hochvoltkomponenten des Hochvoltkreises, wie der Niedervoltbatterie, dem Traktionsakkumulator sowie dem Wechselrichter aufgeprägt.
  • Aufgrund der direkten Kopplung zwischen dem Brennstoffzellenstack und dem DC/DC-Wandler bzw. dem Hochvolt-Bordnetz wird die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers bzw. die Hochvolt-Spannung im Hochvolt-Bordnetz gleich mit der Spannung des Brennstoffzellenstacks gesetzt. Die Realisierung bzw. die Kosten von den, im Hochvolt-Bordnetz verwendeten Leistungselektronik-Bauteilen hängen stark von der maximalen Spannung des Brennstoffzellenstacks ab. Durch die oben genannte Kopplung ist die realisierbare Stackspannung bzw. die Anzahl der Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstack bilden, abhängig von der jeweiligen Spannungsklasse der Leistungselektronik-Bauteile. Das begrenzt die realisierbare Leistung für einen bestimmten Strom des Brennstofffzellenstacks, da ein zu hoher Strom auch die Realisierbarkeit und Kosten der Leistungselektronik belastet. Bei der in 8 dargestellten U/I-Kennlinie wird mit dem Brennstoffzellenstack eine Bruttoleistung von 75 kW realisiert und das bei einer Spannung des Brennstoffzellenstacks von 250 Volt. Dafür sind aber Bauteile in der Spannungsklasse > 510 Volt für den DC/DC-Wandler bzw. die Niedervoltbatterie und den Wechselrichter bzw. den Inverter erforderlich, da diese der vollen Stackspannung ausgesetzt sind. Falls höhere Leistungen zu realisieren sind, sind Leistungselektronik-Bauteile in einer noch höheren Spannungsklasse auszuwählen, was eine direkte Auswirkung auf die Kosten des Brennstoffzellensystems hat.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, einen Eingang eines Hochvolt-Bordnetzes eines Elektrofahrzeuges darstellenden Bauteils bereitzustellen, bei welchem kostengünstige Leistungselektronik-Bauteile verwendet werden können.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit sämtlichen Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, einen Eingang eines Hochvolt-Bordnetzes eines Elektrofahrzeuges darstellenden Bauteils mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, einen Eingang eines Hochvolt-Bordnetzes eines Elektrofahrzeuges darstellenden Bauteils bei Unterschreitung eines Mindeststroms durch einen Strombedarf des Brennstoffzellenstacks (auch Mindeststrombedarf genannt) dieser kurzgeschlossen wird und der Kurzschluss aufgehoben wird, wenn der Strombedarf des Brennstoffzellenstacks den Mindeststrom überschreitet. Dies hat den Vorteil, dass der Eingangsspannungsbereich des, den Eingang des Hochvolt-Bordnetzes darstellenden Bauteils durch Kurzschluss des Brennstoffzellenstacks reduziert wird. Aufgrund dieser Reduzierung des Eingangsspannungsbereiches können kostengünstigere elektronische Bauteile verwendet werden, wobei gleichzeitig eine höhere Systemleistung realisiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß kann bei dem kurzgeschlossenen Brennstoffzellenstack eine Sauerstoffzufuhr zur Reaktion mit Wasserstoff dem Brennstoffzellenstack solange reduziert werden, bis der Mindeststrom in einer Kurzschlussstrecke zwischen Anode und Kathode des Brennstoffzellenstacks erreicht wird. Dabei wird der Brennstoffzellenstack erst mit dem, den Eingang des Hochvolt-Bordnetzes bildenden Bauteil verbunden, wenn der Strombedarf an dem Brennstoffzellenstack so hoch ist, dass die erwartet Stackspannung nach Aufhebung des Kurschlusses ausreichend gering ist. Die Luftzufuhr (gemeint ist auch die Sauerstoffzufuhr) wird demnach solange erhöht, bis der gewünschte Mindeststrom in der Kurzschlussstrecke erreicht ist, wonach anschließend der Kurzschluss beendet wird und die Spannung des Brennstoffzellenstacks erhöht wird.
  • Ferner ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass in Abhängigkeit des Mindeststromes eine, am Brennstoffzellenstack anliegende Stackspannung eingestellt wird, wobei erst bei einer erwarteten Unterschreitung einer vorgegebenen Bordnetzspannung durch die Stackspannung das Brennstoffzellenstack dem Hochvolt-Bordnetz zugeschaltet wird, wobei der Minimalstrom bei einer Maximalspannung des, am Hochvolt-Bordnetz angeschlossene Bauelementes schließt. Dadurch wird verhindert, dass das, den Eingang des Hochvoltkreises bildende Bauelement ununterbrochen an der Stackspannung anliegt, und dass es einer zu hohen Spannung und somit möglichen Schäden ausgesetzt wird.
  • Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass zur Zuschaltung des Brennstoffzellenstacks zu dem Hochspannungs-Bordnetz mindestens ein Schaltschütz geschlossen und ein parallel zum Schaltschütz angeordneter Vorladewiderstand angeschlossen ist. Mittels dieser einfachen Ausgestaltung lässt sich die Kurzschlussschaltung einfach realisieren, weshalb die Kosten für ein solches Brennstoffzellensystem, bei welchem der Eingangs-Spannungsbereich des, am Hochvolt-Bordnetz angeschlossenen (oder darstellenden) Bauteils reduziert werden kann, sinken.
  • Erfindungsgemäß kann bei einer Unterschreitung des Mindeststrombedarfs des mindestens einen Brennstoffzellenstacks der mindestens eine Schaltschütz geöffnet werden, wodurch die Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack in das Hochvolt-Bordnetz unterbrochen wird. Dabei wird sichergestellt, dass das am Hochvolt-Bordnetz angeschlossene Bauteil einer zu hohen Spannung ausgesetzt wird.
  • Ferner ist es bei der Erfindung möglich, dass nach Feststellung des reduzierten Strombedarfs durch das Brennstoffzellenstack die Luftzufuhr (gemeint auch die Sauerstoffzufuhr) zum Brennstoffzellenstack reduziert werden, bis sich der Mindeststrom eingestellt hat und nach Einstellung des Mindeststromes der wenigstens eine Schaltschütz geöffnet sowie die Sauerstoffzufuhr eingestellt wird und der Brennstoffzellenstack wieder kurzgeschlossen wird, wodurch die Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack in das Hochvolt-Bordnetz unterbrochen wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, an einem Hochvolt-Bordnetz eines Elektrofahrzeuges angeschlossenen Bauteiles, welches mit einer Anode und einer Kathode eines Brennstoffzellenstacks verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen Anode und Kathode ein, einen Kurzschlussschalter aufweisender Kurzschlusskreis ausgebildet ist, wobei der Kurzschlussschalter bei Unterschreitung eines Mindeststromes durch einen Strombedarf des Brennstoffzellenstacks geschlossen ist und bei Überschreitung des Mindeststromes durch den Strombedarf des Brennstoffzellenstacks geöffnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird der Eingangs-Spannungsbereich des, am Hochvolt-Bordnetz angeschlossenen (oder darstellenden) Bauteiles durch einen Kurzschluss des Brennstoffzellenstacks realisiert. Gleichzeitig werden trotz der Verwendung kostengünstigerer Bauteile höhere Systemleistungen realisiert.
  • Vorteilhafterweise kann in je einer Verbindungsleitung des elektrischen Bauteils mit der Anode bzw. der Kathode des Brennstoffzellenstacks ein Schaltschütz angeordnet sein. Mittels dieser Schaltschütze lässt sich die Kurzschlussschaltung einfach und kostengünstig realisieren.
  • Ebenso ist es bei der Erfindung möglich, dass, insbesondere parallel, zu einem der Schaltschütze ein Vorladewiderstand angeordnet ist, welcher über einen Schalter mit der Verbindungsleitung verbindbar ist. Der Strom des Brennstoffzellenstacks kann somit ganz normal in das Hochvolt-Bordnetz eingespeist werden.
  • Des Weiteren ist es denkbar, dass das, den Eingang des Hochspannungs-Bordnetzes bildende Bauteil ein Gleichspannungswandler ist. Unter einem Gleichspannungswandler soll im Weiteren ein Wandler verstanden werden, welcher eine Gleichspannung eines ersten Spannungsniveaus auf eine Gleichspannung eines zweiten Spannungsniveaus transformiert. Vorzugsweise sind solche Gleichspannungswandler als DC/DC-Wandler ausgebildet. Solche DC/DC-Wandler sind gebräuchliche Spannungswandler und daher kostengünstig erhältlich.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, an einem Hochvolt-Bordnetz eines Elektrofahrzeuges bildendenden (oder angeschlossenen) Bauteils. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung nach mindestens einem, in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmale ausgebildet.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5 eine Prinzipdarstellung einer Eingangsspannung eines DC/DC-Wandlers bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
  • 6 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik,
  • 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik,
  • 8 eine typische U/I-Kennlinie für einen Brennstoffzellenstack bei einem 75 kW-System nach dem Stand der Technik.
  • Elemente und technische Merkmale mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren unabhängig von den Ausführungsbeispielen mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem dargestellt, welches mit resultierenden Spannungen für eine Volllastleistung von 75 kW vorgesehen ist. Das Brennstoffzellensystem weist einen, aus mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstack 1 auf, welcher eine Anode 2 umfasst, der Wasserstoff zugeführt wird, und eine Kathode 3 aufweist, welcher Luft zugeführt wird. Die Anode 2 und die Kathode 3 des Brennstoffzellenstacks 1 sind mit einem DC/DC-Wandler 6 verbunden, welcher direkt mit einem Traktionsakkumulator 7 und über einen weiteren DC/DC-Wandler 11 mit einer Niedervoltbatterie 8 verbunden ist. Darüber hinaus führt der den Eingang des Hochvolt-Bordnetz darstellende DC/DC-Wandler 6 an einen Inverter (Wechselrichter) 9, welcher mit einem Elektromotor 10 verbunden ist. Zwischen die Leitungen 14, 15, welche die Anode 2 bzw. die Kathode 3 mit dem DC/DC-Wandler 6 verbinden, ist ein Kurzschlusskreis 12 angeordnet, welcher über einen Kurzschlussschalter 13 verfügt.
  • Da das Brennstoffzellenstack 1 bei der kalten Verbrennung nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wärme erzeugt, ist das Brennstoffzellenstack 1 über einen Thermokreislauf 4 mit einem Fahrzeugkühler 5 verbunden.
  • Darüber hinaus ist in den Leitungen 14, 15, welche die Anode 2 bzw. die Kathode 3 mit dem DC/DC-Wandler 6 verbinden, jeweils ein Schaltschütz 16 bzw. 17 angeordnet. Aufgrund des Kurzschlusskreises 12 wird der Brennstoffzellenstack 1 erst dann mit dem DC/DC-Wandler 6 und somit dem Hochvolt-Bordnetz verbunden, wenn der Strombedarf an dem Brennstoffzellenstack 1 so hoch ist, dass die Spannung des Brennstoffzellenstacks 1 ausreichend gering ist. Die Vorbereitung für die Umschaltung erfolgt mit dem Kurzschlussschalter 13 sowie den Schaltschützen 16, 17.
  • In 2 ist ein Flussdiagramm zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Im Block 100 wird angenommen, dass keine Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack 1 in das Hochvolt-Bordnetz erfolgt. Anschließend wird der Brennstoffzellenstack 1 kurzgeschlossen, indem der Kurzschlussschalter 13 den Kurzschlusskreis 12 schließt (Block 101). Anschließend wird überprüft, ob der Sollstrom ISoll-BZ des Brennstoffzellenstacks 1 größer ist als ein Mindeststrom IMin (Block 102). Ist dies nicht der Fall, wird im Block 103 die Luftzufuhr ☐.O2in erhöht. Wurde aber im Block 102 festgestellt, dass der Sollstrom ISoll-BZ größer ist als der Mindeststrom IMin, wird im Block 104 der Kurzschluss des Brennstoffzellenstacks 1 beendet, indem der Kurzschlussschalter 13 geöffnet wird.
  • Falls Strom aus dem Brennstoffzellenstack 1 gezogen werden soll und diese Stromanforderung überschreitet die Untergrenze des Mindeststroms IMin, wird der Brennstoffzellenstack 1 kurzgeschlossen. Bei ausreichender Wasserstoffversorgung ist der Strom des Brennstoffzellenstacks 1 abhängig von der Sauerstoffzufuhr gemäß Formel
    Figure DE102014204324A1_0002
    wobei nZellen die Anzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks 1 darstellt und F als Faraday-Konstante mit F = 96485,339 C/mol angegeben wird.
  • Die Luftzufuhr wird solange erhöht, bis der gewünschte Strom IMin in dem Kurzschlusskreis 12 erreicht ist. Danach wird der Kurzschluss beendet und die Stackspannung wird erhöht. Im Block 105 wird überprüft, ob die Stackspannung UBC größer/gleich der Bordnetzspannung UBordnetz des Hochvolt-Bordnetzes ist. Ist dies der Fall, wird eine Zuschaltung des Brennstoffzellenstacks 1 an das Hochvolt-Bordnetz eingeleitet. Dabei wird zunächst ein Vorladewiderstand 18 im Block 106 zugeschaltet. Anschließend werden im Block 107 die Stackschütze 16, 17 geschlossen. Nach Zuschaltung des Brennstoffzellenstacks 1 fließt der Mindeststrom IMin bei der Spannung UDC/DCin-Max des DC/DC-Wandlers 6 (Block 108). Der Stackstrom kann nun ganz normal in das Hochvolt-Bordnetz gespeist werden. Zum besseren Verständnis sind auf der linken Seite der Schaltzustand der Stackschütze 16, 17 dargestellt, während auf der rechten Seite der Stromverlauf an der Eingangsbeschaltung des DC/DC-Wandlers 6 gezeigt ist.
  • In 3 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens der Fall betrachtet, dass der Strombedarf des Brennstoffzellenstacks 1 im Normalbetrieb die Untergrenze des Mindeststromes IMin unterschreitet. Dabei erfolgt im Block 200 eine Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack 1 in das Hochvolt-Bordnetz. Im Block 201 wird der Sollstrom ISoll-BZ des Brennstoffzellenstacks 1 mit dem Mindeststrom IMin verglichen. Ist der Sollstrom ISoll-BZ kleiner als der Mindeststrom IMin, werden die Stackschütze 16, 17 im Block 202 geöffnet. Beim Öffnen der Stackschütze 16, 17 erhöht sich die Spannung des Brennstoffzellenstacks 1 auf eine Open Circuit Voltage UOCV. Als Ergebnis erfolgt im Block 203 keine Stromspeisung von dem Brennstoffzellenstack 1 in das Hochvolt-Bordnetz.
  • Um eine Beschädigung des Brennstoffzellenstacks 1 sicher ausschließen zu können, ist in 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Dabei erfolgt im Block 300 eine Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack 1 in das Hochvolt-Bordnetz. Im Block 301 wird der Sollstrom ISoll-BZ mit dem Mindeststrom IMin des Kurzschlusskreises 12 verglichen. Ist der Sollstrom ISoll-Bz geringer als der Mindeststrom IMin, wird im Block 302 überprüft, ob der aktuelle Strom IIst-BZ des Brennstoffzellenstacks 1 kleiner/gleich dem Mindeststrom IMin ist. Ist dies nicht der Fall, wird im Block 303 die Luftzufuhr (gemeint ist auch die Sauerstoffzufuhr) zum Brennstoffzellenstack 1 solange reduziert, bis der Mindeststrom IMin erreicht ist. Anschließend werden die Stackschütze 16, 17 wieder geöffnet (Block 304). Gleichzeitig wird im Block 305 die Sauerstoffzufuhr (Luftzufuhr) eingestellt und im Block 306 wird das Brennstoffzellenstack 1 wieder kurzgeschlossen. Dies führt dazu, dass die Stackspannung des Brennstoffzellenstacks 1 nicht so hoch wird und Beschädigungsmechanismen vermieden werden. Im Block 307 erfolgt keine Stromspeisung von dem Brennstoffzellenstack 1 ins Hochvolt-Bordnetz. Wie bei den vorausgehenden Figuren ist auch in 4 auf der linken Seite der Schaltzustand des Vorschaltwiderstandes 18 und der Schaltschütze 16, 17 dargestellt, während auf der rechten Seite der Stromverlauf in einer U/I-Kennlinie gezeigt ist.
  • 5 zeigt die resultierende Eingangsspannung des, den Eingang des Hochvolt-Bordnetzes darstellenden DC/DC-Wandlers 6. Die maximale Spannung UDC/DCin-Max wurde gegenüber einer Darstellung in 8 deutlich reduziert. Diese Schwelle UDC/DCin-Max kann je nach Verfügbarkeit von elektrischen Bauelementen und dem gewünschten Ein- und Ausschaltverhalten des Brennstoffzellenstacks 1 festgelegt werden. In dem Beispiel beträgt diese ca. 300 Volt, d.h. die Spannungsklasse der Bauteile kann von 500 Volt auf 300 Volt abgesenkt werden, was sich kostengünstig auswirkt.
  • Falls Bauteile der Spannungsklasse bis 510 Volt benutzt werden, kann das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden, damit die maximale Leistung angehoben wird. Falls der Bereich der Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers 6 beispielsweise von 400 bis 510 Volt variiert, kann eine Vorlastleistung von 120 kW (bei 300 Ampere) realisiert werden. Die Anzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks 1 würde 615 betragen. Die Stackspannung UOCV würde auf ca. 780 Volt ansteigen. Ein weiterer Vorteil ist die Einengung des Spannungsbereiches. Die damit verbundenen Komponenten müssen nicht für den gesamten Spannungsbereich ausgelegt werden, was wiederum einen entsprechenden Kostenvorteil darstellt.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, am Hochvoltbordnetz eines Elektrofahrzeuges angeschlossenen Bauteils, wobei die Eingangsspannung von mindestens einem Brennstoffzellenstack (1) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines Mindeststrombedarfes (IMin) des Brennstoffzellenstacks (1) dieser kurzgeschlossen wird und der Kurzschluss aufgehoben wird, wenn der Strombedarf des Brennstoffzellenstacks (1) den Mindeststrom (IMin) überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem kurzgeschlossenen Brennstoffzellenstack (1) eine Sauerstoffzufuhr zur Reaktion mit von Wasserstoff dem Brennstoffzellenstack (1) solange erhöht wird, bis der Mindeststrom (IMin) in einem Kurzschlusskreis (12) zwischen Anode (2) und Kathode (3) des Brennstoffzellenstacks (1) erreicht wird.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erst bei einem Strom größer als der Mindeststrom (IMin), wobei sich eine, am Brennstoffzellenstack (1) anliegende Stackspannung einstellt, welche die vorgegebene maximale Bordnetzspannung (UBordnetz-max) unterschreitet, die Stackspannung das Brennstoffzellenstack (1) dem Hochvolt-Bordnetz zugeschaltet wird, wobei die Maximalspannung des, am Hochvolt-Bordnetz angeschlossenen Bauelementes (6) geringer oder gleich der maximalen Bordnetzspannung (UBordnetz-max) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuschaltung des Brennstoffzellenstacks (1) zu dem Hochspannungs-Bordnetz mindestens ein Schaltschütz (16, 17) geschlossen und ein parallel zum Schaltschütz (17) angeordneter Vorladewiderstand (18) angeschlossen wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterschreitung des Mindeststrombedarfes (IMin) des Brennstoffzellenstacks (1) der mindestens eine Schaltschütz (16, 17) geöffnet wird, wodurch die Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack (1) in das Hochvolt-Bordnetz unterbrochen wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Feststellung des reduzierten Strombedarfs durch das Brennstoffzellenstack (1) die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstack (1) reduziert wird, bis sich der Mindeststrom (IMin) eingestellt hat und nach Einstellung des Stromes (I) der wenigstens eine Schaltschütz (16, 17) geöffnet sowie die Sauerstoffzufuhr eingestellt wird und der Brennstoffzellenstack (1) wieder kurzgeschlossen wird, wodurch die Stromeinspeisung von dem Brennstoffzellenstack (1) in das Hochvolt-Bordnetz unterbrochen wird.
  7. Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen, am Hochvolt-Bordnetz eines Elektrofahrzeuges angeschlossenen Bauteils, welches mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) eines Brennstoffzellenstacks (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anode (2) und Kathode (3) ein, einen Kurzschlussschalter (13) aufweisender Kurzschlusskreis (12) ausgebildet ist, wobei der Kurzschlussschalter (13) bei Unterschreitung eines Mindeststrombedarfes (IMin) des Brennstoffzellenstacks (1) geschlossen ist und bei Überschreitung des Mindeststrombedarfes (IMin) des Brennstoffzellenstacks (1) geöffnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in je einer Verbindungsleitung (14, 15) des elektrischen Bauteiles (6) mit der Anode (2) bzw. der Kathode (3) des Brennstoffzellenstacks (1) ein Schaltschütz (16, 17) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere parallel, zu einem der Schaltschütze (16) ein Vorladewiderstand (18) angeordnet ist, welcher über einen Schalter mit der Verbindungsleitung (14) verbindbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das, den Eingang des Hochspannungs-Bordnetzes bildende Bauteil (6) ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) und/oder ein Spannungsrichter ist.
  11. Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur Reduzierung eines Spannungsbereiches eines elektrischen Eingangs eines Hochvolt-Bordnetzes eines Elektrofahrzeuges bildenden Bauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach mindestens einer vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10 ausgebildet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018015239A1 (de) * 2016-07-21 2018-01-25 Robert Bosch Gmbh Energiesystem und verfahren zum betrieb des energiesystems
CN115000456A (zh) * 2022-05-12 2022-09-02 亿创氢能源科技(张家港)有限公司 一种燃料电池***中电堆短路试验方法

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