-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer Spannung eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Das Hochvoltbordnetz weist zumindest eine Brennstoffzelle, eine Hochvoltbatterie und einen Inverter auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein dementsprechendes Hochvoltbordnetz.
-
Üblicherweise sind eine Brennstoffzelle und eine Hochvoltbatterie als Parallelschaltung im Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Brennstoffzelle kann dabei alleine betrieben werden oder auch die Hochvoltbatterie kann alleine betrieben werden. Es können aber auch die Brennstoffzelle Hochvoltbatterie gemeinsam parallel betrieben werden. Der Brennstoffzelle kann dabei ein eigens zugeordneter Gleichspannungswandler zugeordnet sein. Auch der Hochvoltbatterie kann ein eigens zugeordneter Gleichspannungswandler zugeordnet sein. Die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie können aber auch einen gemeinsamen Gleichspannungswandler nutzen.
-
Durch den bzw. die Gleichspannungswandler kann die Spannung im Hochvoltbordnetz angepasst werden.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Hochvoltbordnetz zu schaffen, bei welchem bzw. mit welchem eine Spannung im Hochvoltbordnetz effizienter angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Hochvoltbordnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Spannung eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeuges angepasst. Das Hochvoltbordnetz weist zumindest eine Brennstoffzelle, eine Hochvoltbatterie und einen Inverter auf. Es werden folgende Schritte durchgeführt:
- - Bereitstellen eines Spannungsanpassungssignals; und
- - Wechseln zwischen einem Seriell-Betriebsmodus, bei welchem die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie in Reihe geschaltet sind, und einem Parallel-Betriebsmodus, bei welchem die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie parallel geschaltet sind oder nur die Brennstoffzelle betrieben wird oder nur die Hochvoltbatterie betrieben wird, anhand des Spannungsanpassungssignals, wobei die Spannung des Hochvoltbordnetzes zumindest an einer Eingangsseite des Inverters durch den Betriebsmoduswechsel angepasst wird.
-
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Spannung im Hochvoltbordnetz effektiver bzw. mit einem höheren Wirkungsgrad angepasst werden kann, in dem die Zueinanderschaltung der Brennstoffzelle und der Hochvoltbatterie im Hochvoltbordnetz angepasst wird. Wird die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie also beispielsweise im Parallel-Betriebsmodus parallel betrieben, so entspricht die Spannung im Hochvoltbordnetz der jeweiligen Endspannung bzw. Betriebsspannung der Brennstoffzelle oder der Hochvoltbatterie. Findet nun der Betriebsmoduswechsel statt und es wird von dem Parallel-Betriebsmodus in den Seriell-Betriebsmodus gewechselt, so entspricht die Spannung im Hochvoltbordnetz der Summe aus der Spannung, insbesondere Nennspannung oder Betriebsspannung, der Brennstoffzelle und der Spannung, Nennspannung oder Betriebsspannung, der Hochvoltbatterie.
-
Die Spannung des Hochvoltbordnetzes kann durch den Wechsel des Betriebsmodus effektiv bzw. wirkungsgradfreundlich angepasst werden. Vorteilhaft ist der Wechsel zu einer niedrigen Spannung im Hochvoltbordnetz, beispielsweise im Parallel-Betriebsmodus, wenn Energie gespart werden soll und sich das Kraftfahrzeug beispielsweise in einem Energiesparmodus, beispielsweise einem Segelmodus, befindet oder eine geringe Leistungsanforderung vorliegt. Eine höhere Spannung im Hochvoltbordnetz, welche beispielsweise durch den Seriell-Betriebsmodus erreicht wird, ist beispielsweise vorteilhaft, wenn ein überdurchschnittlicher Leistungsbedarf des Kraftfahrzeugs vorliegt. Beispielsweise bei einem Überholmanöver oder einer überdurchschnittlichen Leistungsanforderung durch einen Klimakompressor des Kraftfahrzeugs oder beispielsweise bei einer Autobahnfahrt mit eingeschaltetem Klimakompressor.
-
Der Inverter ist insbesondere ein Inverter einer elektrischen Traktionseinheit des Kraftfahrzeugs.
-
Das Spannungsanpassungssignal wird vorzugsweise in einem Spannungsanpassungssteuergerät des Kraftfahrzeugs erzeugt und an zumindest einen Schalter dem Hochvoltbordnetz ausgegeben. Durch das Spannungsanpassungssignal wird dann der Betriebsmoduswechsel vorgegeben. Der Betriebsmoduswechsel kann von dem Seriell-Betriebsmodus zum Parallel-Betriebsmodus erfolgen oder aber vom Parallel-Betriebsmodus zum Seriell-Betriebsmodus.
-
Die Spannung entspricht vorzugsweise sowohl der Nennspannung als auch der Betriebsspannung des Hochvoltbordnetzes. Insbesondere werden beim Betriebsmoduswechsel also die Nennspannung des Hochvoltbordnetzes und auch die Betriebsspannung des Hochvoltbordnetzes angepasst.
-
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie im Serienbetriebsmodus gleichspannungswandlerlos in Reihe geschaltet werden. Durch das gleichspannungswandlerlose in Reihe schalten können die Brennstoffzellen in die Hochvoltbatterie besonders energieeffizient in die Reihe geschaltet werden, da ein Energieverlust an einem zwischengeschalteten Gleichspannungswandler entfällt.
-
Weiterhin vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie über einen Gleichspannungswandler im Seriell-Betriebsmodus in Reihe geschaltet werden. Durch das in Reihe schalten über den Gleichspannungswandler kann die Spannung im Hochvoltbordnetz nicht nur durch das in Serie schalten der Brennstoffzelle und der Hochvoltbatterie angepasst werden, sondern auch durch den Gleichspannungswandler. Die Spannung kann also genauer angepasst werden. Durch den Gleichspannungswandler sind also noch Spannungszwischenstufen im Hochvoltbordnetz möglich, welche über die einfache Addition der Brennstoffzellenspannung und der Hochvoltbatteriespannung hinausgehen. So ist eine individuelle Lastverteilung zwischen der Brennstoffzelle und der Hochvoltbatterie möglich. Insbesondere kann die Batterieleistung der Hochvoltbatterie durch eine Anordnung des Gleichspannungswandlers vor der Brennstoffzelle komplett abgerufen werden. Ferner kann der Anteil der Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle bezogen auf die Leistungsentnahme aus der Hochvoltbatterie gemäß einer Sollvorgabe eingestellt werden. Der Gleichspannungswandler kann nur vor der Brennstoffzelle, nur vor der Hochvoltbatterie oder auch mit gemeinsamer Wirkung vor der Brennstoffzelle und der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Es können mehrere Gleichspannungswandler im Seriell-Betriebsmodus eingesetzt werden. So können sich die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie beispielsweise einen gemeinsamen Gleichspannungswandler teilen oder aber die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie weisen jeweils zumindest einen ihnen separat zugeordneten Gleichspannungswandler auf.
-
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Brennstoffzelle und eine Ausgangsseite des an die Hochvoltbatterie nachgeschalteten Gleichspannungswandlers im Seriell-Betriebsmodus in Reihe geschaltet werden. Vorteilhaft ist dies, da die Brennstoffzelle dadurch gleichspannungswandlerlos betrieben werden kann, falls nur die Brennstoffzelle und nicht der Gleichspannungswandler mit der Hochvoltbatterie zum Hochvoltbordnetz zugeschaltet ist. Durch den Gleichspannungswandler kann die Hochvoltbatterie beispielsweise an Spannungsschwankungen der Brennstoffzelle angepasst werden.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug. Das Hochvoltbordnetz weist eine Brennstoffzelle, eine Hochvoltbatterie und einen Inverter einer elektrischen Traktionseinheit auf. Weiterhin weist das Hochvoltbordnetz eine erste Verbindung mit einer ersten Polung zwischen der Brennstoffzelle und dem Inverter auf, eine zweite Verbindung mit einer von der ersten Polung unterschiedlichen zweiten Polung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Inverter und zumindest eine Zwischenverbindung zwischen der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung. Das Hochvoltbordnetz weist auch einen ersten Schalter auf, welche in der Zwischenverbindung angeordnet ist.
-
Durch die Zwischenverbindung zwischen der ersten Verbindung und der zweiten Verbindung sind die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung lässt sich durch Öffnen des ersten Schalters unterbrechen.
-
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die erste Verbindung einen die erste Verbindung unterbrechenden zweiten Schalter aufweist. Auch durch Öffnen des zweiten Schalters kann die erste Verbindung unterbrochen werden.
-
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Verbindung einen die zweite Verbindung unterbrechenden dritten Schalter aufweist. Durch Öffnen des dritten Schalters kann die zweite Verbindung unterbrochen werden.
-
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Hochvoltbordnetz einen Gleichspannungswandler aufweist, welcher mit der zweiten Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Inverter verbunden ist. Durch den Gleichspannungswandler kann die Spannung der Hochvoltbatterie an die Spannung des Hochvoltbordnetzes angepasst werden. Kann durch den Gleichspannungswandler beispielsweise die Spannung der Hochvoltbatterie an die Spannung der Brennstoffzelle angepasst werden.
-
Weiterhin vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Zwischenverbindung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Gleichspannungswandler angeordnet ist. Durch die Zwischenverbindung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Gleichspannungswandler kann die Hochvoltbatterie und die Brennstoffzelle gleichspannungswandlerlos in Reihe geschaltet werden. Durch die gleichspannungswandlerlose Reihenschaltung kann das Hochvoltbordnetz energiesparender betrieben werden.
-
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Verbindung und die zweite Verbindung mittels einer weiteren Zwischenverbindung verbunden sind, und die weitere Zwischenverbindung an einem Ende einer zweiten Verbindung zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Inverter angeordnet ist, wobei die weitere Zwischenverbindung einen vierten Schalter aufweist. Durch die weitere Zwischenverbindung können die Brennstoffzelle und die Hochvoltbatterie über den Gleichspannungswandler in Reihe geschaltet werden. Die Spannung im Hochvoltbordnetz kann dadurch feinstufiger angepasst werden. Durch den vierten Schalter kann die weitere Zwischenverbindung unterbrochen oder geschlossen werden.
-
Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausführungen des Hochvoltbordnetzes anzusehen. Der gegenständlichen Komponenten des Hochvoltbordnetzes sind dazu ausgebildet, die jeweiligen Verfahrensschritte durchzuführen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
-
Die Fig. zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzelle und einer Hochvoltbatterie.
-
In der Fig. werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die Fig. zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Hochvoltbordnetz 2. Das Hochvoltbordnetz 2 ist als Gleichspannungsnetz ausgebildet.
-
Das Hochvoltbordnetz 2 weist eine Brennstoffzelle 3, eine Hochvoltbatterie 4, einen Inverter 5 und einen Gleichspannungswandler 6 auf. Der Gleichspannungswandler 6 weist eine Ausgangsseite 24 auf.
-
Der Inverter 5 ist mit einer Traktionseinheit 7 des Kraftfahrzeugs 1 elektrisch verbunden. Die Traktionseinheit 7 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Hauptantriebseinheit des Kraftfahrzeugs 1 ausgebildet.
-
Das Hochvoltbordnetz 2 weist zwischen der Brennstoffzelle 3 und dem Inverter 5 eine erste Verbindung 8 auf. Die erste Verbindung 8 weist eine erste Polung 9 auf. Die erste Polung 9 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Minuspolung ausgebildet. Weiterhin weist das Hochvoltbordnetz 2 zwischen der Hochvoltbatterie 4 und dem Inverter 5 eine zweite Verbindung 10 auf. Die zweite Verbindung 10 weist eine zweite Polung 11 auf. Die zweite Polung 11 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Pluspolung ausgebildet. Das bedeutet die zweite Verbindung 10 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einem Pluspol der Hochvoltbatterie 4 elektrisch verbunden. Die erste Verbindung 8 hingegen ist gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einem Minuspol der Brennstoffzelle 3 direkt elektrisch verbunden.
-
Sowohl die erste Verbindung 8 als auch die zweite Verbindung 10 ist an einer Eingangsseite 23 des Inverters 5 an den Inverter 5 angeschlossen.
-
Zwischen der ersten Verbindung 8 und der zweiten Verbindung 10 ist eine Zwischenverbindung 12 angeordnet. Die Zwischenverbindung 12 wiederum weist einen ersten Schalter 13 auf. Ist der erste Schalter 13 geschlossen, so sind die erste Verbindung 8 und die zweite Verbindung 10 elektrisch miteinander verbunden.
-
Die erste Verbindung 8 weist einen zweiten Schalter 14 auf. Durch den zweiten Schalter 14 kann die erste Verbindung 8 zwischen einem Minuspol der Brennstoffzelle 3 und einem Minuspol des Inverters 5 unterbrochen werden.
-
Weiterhin weist die zweite Verbindung 10 einen dritten Schalter 15 auf. Durch den dritten Schalter 15 kann eine elektrische Verbindung zwischen einem Pluspol des Inverters 5 und einem Pluspol des Gleichspannungswandlers 6 oder einen Pluspol der Hochvoltbatterie 4 unterbrochen werden bzw. hergestellt werden, je nachdem ob der dritte Schalter 15 geöffnet oder geschlossen wird.
-
Der Gleichspannungswandler 6 ist zwischen der Hochvoltbatterie 4 und dem Inverter 5 angeordnet und teilt die zweite Verbindung 10 in zwei Teile.
-
Das Hochvoltbordnetz 2 weist eine weitere Zwischenverbindung 16 auf. Die weitere Zwischenverbindung 16 ist zwischen der ersten Verbindung 8 und der zweiten Verbindung 10 angeordnet. Die erste Verbindung 8 und die zweite Verbindung 10 sind also durch die weitere Zwischenverbindung miteinander elektrisch verbunden, falls ein vierter Schalter 17 in der weiteren Zwischenverbindung 16 geschlossen ist. Die weitere Zwischenverbindung 16 ist mit einem Ende 18 an der zweiten Verbindung 10 zwischen dem Gleichspannungswandler 6 und dem Inverter 5 angeordnet. Insbesondere ist das Ende 18 der weiteren Zwischenverbindung 16 zwischen dem Gleichspannungswandler 6 und dem dritten Schalter 15 an der zweiten Verbindung 10 angeschlossen.
-
Durch Schließen des ersten Schalters 13 werden die Brennstoffzelle 3 und die Hochvoltbatterie 4 gleichspannungswandlerlos in Reihe geschaltet, da eine dritte Verbindung 19 die erste Polung 9 aufweist und insbesondere unterbrechungsfrei durch den Gleichspannungswandler 6 hindurch verläuft.
-
Durch Schließen des vierten Schalters 17 werden die Brennstoffzelle 3 und die Hochvoltbatterie 4 zusammen mit dem Gleichspannungswandler 6 in Reihe geschaltet. Die Spannung der Hochvoltbatterie 4 kann also durch den Gleichspannungswandler 6 an die Spannung des Hochvoltbordnetzes 2 oder die Spannung der Brennstoffzelle 3 angepasst werden.
-
Die Brennstoffzelle 3 ist über eine vierte Verbindung 20 direkt mit dem Inverter 5 elektrisch verbunden. Die vierte Verbindung 20 weist die zweite Polung 11 auf.
-
Das Hochvoltbordnetz 2 kann nun in einem Seriell-Betriebsmodus 21 oder einem Parallel-Betriebsmodus 22 betrieben werden.
-
In Seriell-Betriebsmodus 21 können die Brennstoffzelle 3 und die Hochvoltbatterie 4 gleichspannungswandlerlos in Reihe geschaltet werden, indem der erste Schalter 13 geschlossen wird und der zweite Schalter 14, der dritte Schalter 15 und der vierte Schalter 17 geöffnet werden. Das Hochvoltbordnetz 2 kann im Seriell-Betriebsmodus 21 aber auch mit dem Gleichspannungswandler 6 betrieben werden, indem der vierte Schalter 17 geschlossen wird und die übrigen Schalter 13, 14, 15 geöffnet werden.
-
Im Parallel-Betriebsmodus 22 können die Brennstoffzelle 3 und die Hochvoltbatterie 4 gemeinsam betrieben werden, indem der zweite Schalter 14 und der dritte Schalter 15 geschlossen werden, während der erste Schalter 13 und der vierte Schalter 17 geöffnet werden. Es kann im Parallel-Betriebsmodus 22 gemäß dem Ausführungsbeispiel aber auch vorgesehen sein, dass nur die Brennstoffzelle 3 spannungsübertragend mit dem Hochvoltbordnetz 2 verbunden ist oder aber nur die Hochvoltbatterie 4 spannungsübertragend mit dem Hochvoltbordnetz 2 verbunden ist. Nur die Brennstoffzelle 3 beaufschlagt das Hochvoltbordnetz 2 mit Spannung, falls der zweite Schalter 14 geschlossen wird und die übrigen Schalter 13, 15, 17 geöffnet werden. Hingegen nur die Hochvoltbatterie 4 beaufschlagt das Hochvoltbordnetz 2 mit Spannung, falls der dritte Schalter 15 geschlossen wird, während die übrigen Schalter 13, 14, 17 geöffnet werden.
-
Der Betriebsmoduswechsel zwischen dem Seriell-Betriebsmodus 21 und dem Parallel-Betriebsmodus 22 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel durch ein Spannungsanpassungssignal 25 ausgelöst. Das Spannungsanpassungssignal 25 kann beispielswiese durch eine Steuereinheit 26 des Kraftfahrzeugs erzeugt bzw. bereitgestellt werden und an die jeweiligen Schalter 13, 14, 15, 16, 17 des Hochvoltbordnetzes 2 übertragen werden.
-
Durch das Hochvoltbordnetz 2 wird ein flexibles Energieversorgungsbordnetz für ein Kraftfahrzeug beschrieben, mit welchem die Spannung des Hochvoltbordnetzes 2 in vielfältiger Weise abhängig von der Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs 1 angepasst werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Hochvoltbordnetz
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Hochvoltbatterie
- 5
- Inverter
- 6
- Gleichspannungswandler
- 7
- Traktionseinheit
- 8
- erste Verbindung
- 9
- erste Polung
- 10
- zweite Verbindung
- 11
- zweite Polung
- 12
- Zwischenverbindung
- 13
- erster Schalter
- 14
- zweiter Schalter
- 15
- dritter Schalter
- 16
- weitere Zwischenverbindung
- 17
- vierter Schalter
- 18
- Ende der Zwischenverbindung
- 19
- dritte Verbindung
- 20
- vierte Verbindung
- 21
- Seriell-Betriebsmodus
- 22
- Parallel-Betriebsmodus
- 23
- Eingangsseite des Inverters
- 24
- Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers
- 25
- Spannungsanpassungssignal
- 26
- Steuereinheit
