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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Bordnetz.
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Bei dem Betrieb von elektrischen Fahrzeugen, welche zusätzlich eine Brennstoffzelle als weitere Energiequelle integriert haben, kann es während des Betriebs zu Zuständen kommen, in denen die begrenzte Leistungsdynamik dieser Brennstoffzelle im Gegensatz zu unmittelbar erfolgenden Aktionen auf der Antriebsstrang- oder Gesamtfahrzeugseite steht. Insbesondere das Abschalten der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems stellt dabei eine Herausforderung dar.
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Die
DE 10 2018 202 110 A1 betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein elektrisches Bordnetz zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein elektrisches Bordnetz gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei zumindest ein elektrischer Verbraucher an einem Hochvolt-Zwischenkreis des elektrischen Bordnetzes mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die elektrische Energie zumindest von einem Hochvoltenergiespeicher und einer Brennstoffzelleneinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird, und wobei elektrische Energie einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinrichtung mittels eines Gleichspannungswandlers in den Hochvolt-Zwischenkreis gespeist wird.
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Es ist dabei vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einem Steuersignal einer elektronischen Recheneinrichtung eine Schützeinrichtung der Brennstoffzelleneinrichtung angesteuert wird und ein Stromkreis zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Hochvolt-Zwischenkreis zerstörungsfrei und wiederholbar geöffnet wird, und wobei über eine Entladeeinrichtung die Spannung am Gleichspannungswandler dezidiert zerstörungsfrei und wiederholbar minimiert wird.
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Insbesondere kann somit ein spezifisches Abschalten der Brennstoffzelle im Kraftfahrzeug realisiert werden. So ist für einen optimalen Betrieb des Hochvolt-Systems ein schnelles Herunterfahren aus sicherheitstechnischen Aspekten wünschenswert. Jedoch ergeben sich bei Kraftfahrzeugen mit einer Brennstoffzelle als zusätzlicher Energiequelle für das Hochvolt-System besondere Schwierigkeiten resultierend aus deren komponentenspezifischen Verhalten während des Abschaltvorgangs. Der Brennstoffzellenstapel behindert einen sofortigen Leistungsabfall im Hochvolt-System, aufgrund der weiterhin erzeugten Leistung als Teil seiner Abschaltprozedur und der Notwendigkeit, dass diese Leistung durch das Hochvolt-System aufgenommen werden muss.
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Die Brennstoffzelle kann leistungsdynamisch nur sehr begrenzt agieren und benötigt ein langsames Herunterfahren, um die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu optimieren. Dies inkludiert eine Konditionierungsphase für die Elektroden der Bipolarplatten und mehrere Stufen der Restgasverwertung in dem Stack gegen Ende des Herunterfahrprozesses der Brennstoffzelle. Die überschüssige Energie wird dem Hochvolt-System zugeführt und von den Verbraucher- und Speicherkomponenten aufgenommen. Während dieser Zeitspanne ist das Hochvolt-System noch weiterhin mit dem Brennstoffzellensystem verbunden. Infolgedessen verzögert sich die Entkopplung zwischen Hochvolt-System und Brennstoffzellensystem, wodurch im gesamten Hochvoltzwischenkreis weiterhin die hohe Betriebsspannung anliegt. Aufgrund dieser Besonderheit der Brennstoffzelle kann die Anforderung als Hochvolt-System nach einem schnellen Abschaltvorgang nicht erfüllt und gleichzeitig die Brennstoffzelle schonend abgeschaltet werden. Durch die Erfindung wird eine frühzeitige Entkopplung des Hochvolt-Systems von dem Brennstoffzellensystem ermöglicht. Zusätzlich wird der Brennstoffzellen-Stack weiterhin optimal und geregelt heruntergefahren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird mittels zumindest eines ohmschen Widerstands als Entladeeinrichtung die Spannung minimiert.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Entladeeinrichtung aktiv zugeschaltet oder abgeschaltet wird.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn mittels zumindest einer Varistoreinrichtung als Entladeeinrichtung die Spannung minimiert wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass mittels einer Vielzahl von unterschiedlichen Entladeeinrichtungen die Spannung minimiert wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Hochvolt-Zwischenkreis, einem Hochvolt-Energiespeicher, einer Brennstoffzelleneinrichtung, einem Gleichspannungswandler, einer elektronischen Recheneinrichtung und einer Schützeinrichtung, wobei das elektrische Bordnetz zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des elektrischen Bordnetzes durchgeführt.
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Ferner betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz nach dem vorhergehenden Aspekt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Bordnetzes sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Das elektrische Bordnetz sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, um entsprechende Verfahrensschritte durchführen zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug.
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In der Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes 10 für ein rein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug 12. Das Kraftfahrzeug 12 ist zumindest teilweise elektrisch betrieben. Das elektrische Bordnetz 10 weist hierzu zumindest einen Hochvolt-Zwischenkreis 14, einen Hochvoltenergiespeicher 16, eine Brennstoffzelleneinrichtung 18, einen Gleichspannungswandler 20 sowie eine elektronische Recheneinrichtung 22 auf.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben des elektrischen Bordnetzes 10 ist vorgesehen, dass zumindest ein elektrischer Verbraucher 24 in dem Hochvolt-Zwischenkreis 14 mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei die elektrische Energie zumindest von dem Hochvoltenergiespeicher 16 und der Brennstoffzelleneinrichtung 18 bereitgestellt wird, und wobei elektrischer Energie einer Brennstoffzelle 26 der Brennstoffzelleneinrichtung 18 mittels des Gleichspannungswandlers 20 in den Hochvolt-Zwischenkreis 14 gespeist wird.
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Es ist dabei vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einem Steuersignal der elektronischen Recheneinrichtung 22 eine Schützeinrichtung 28 der Brennstoffzelleneinrichtung 26 angesteuert wird und ein Stromkreis zwischen dem Gleichspannungswandler 20 und dem Hochvolt-Zwischenkreis 14 zerstörungsfrei und wiederholbar geöffnet wird, und wobei über eine Entladeeinrichtung 30 die Spannung am Gleichspannungswandler 20 dezidiert zerstörungsfrei und wiederholt minimiert wird.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass mittels zumindest eines ohmschen Widerstands als Entladeeinrichtung 30 die Spannung minimiert wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Entladeeinrichtung 30 aktiv zugeschaltet oder abgeschaltet wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels zumindest einer Varistoreinrichtung als Entladeeinrichtung 30 die Spannung minimiert wird.
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Die Fig. zeigt insbesondere, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Entladeeinrichtungen 30 die Spannung minimieren kann.
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Insbesondere ist ein Verfahren zum schonenden Herunterfahren des Brennstoffzellen-Stacks ohne die Anforderung zur Energieaufnahme an das HV-System, was dem elektrischen Bordnetz 10 entspricht, während dem Abschaltprozesses vorgeschlagen. Sobald der „Shutdown“-Befehl das HV-System erreicht werden die Schütze geöffnet, sodass zwischen Brennstoffzellen-Stack und Hochvolt-Zwischenkreis 14 kein Strom mehr fließen kann. Zusätzlich wird der Betrieb des eingebauten Gleichspannungswandlers 20, welcher auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, unterbrochen, sodass in diesem keine Leistung mehr umgesetzt wird. Damit wird sichergestellt, dass keine Energieeinspeisung mehr in den Hochvolt-Zwischenkreis 14 geschieht. Der Brennstoffzellen-Stack ist damit vom restlichen HV-System galvanisch entkoppelt und ein separates Herunterfahren der beiden Systeme wird ermöglicht.
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Dadurch kann das HV-System schnell heruntergefahren und spannungsfrei gemacht werden, wodurch eventuelle Vorteile hinsichtlich der Hochvoltsicherheit erreicht werden.
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Anschließend wird der im Brennstoffzellensystem integrierte Gleichspannungswandler 20 als Regelelement verwendet um mit Hilfe der aktiven und passiven Entladungselemente, also der Entladungseinrichtung 30, die restliche Energie, welche während dem Abschaltvorgang des Brennstoffzellen-Stacks abfällt, in Wärme umzuwandeln. Diese Regelung kann dann möglichst variabel zu dem gewünschten Brennstoffzellenverhalten angepasst werden, sodass den komponentenspezifischen Anforderungen an Betrieb und Lebensdauer trotz der Trennung vom HV-System weiterhin optimiert werden können.
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Der DC/DC-Wandler ist aufgrund seiner Funktionsweise ohne weitere Maßnahmen als Regelelement zu verwenden und auch sonst müssen keine weiteren Veränderungen an den Bauteilen oder Schaltkreis vorgenommen werden. Darüber hinaus ist für den hier betrachteten Anwendungsfall es gegebenenfalls sinnvoll den DC/DC mit einem maximal ineffektiven Wirkungsgrad zu betreiben.
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Die Fig. zeigt den Schaltkreis beim Abschaltvorgang unmittelbar nach der Abschaltanforderung seitens des Systems. Dafür blockiert den DC/DC-Wandler die Leistungsübertragung, indem er den Leistungsdurchsatz unterbricht. Darüber hinaus werden die Schütze geöffnet, sodass der Brennstoffzellen-Stack und der Hochvolt-Zwischenkreis 14 galvanisch getrennt sind. In diesem Fall bleibt die Spannung stackseitig bestehen und eine Konditionierung der Zellen ist aufgrund einer fehlenden Leistungssenke im Stand der Technik nicht möglich. Nach der galvanischen Trennung des Brennstoffzellensystems kann das restliche HV-System heruntergefahren werden.
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Die Fig. zeigt den Schaltkreis mit geregelten Deenergetisierung über aktive und passive Entladeelemente beim Abschaltvorgang. Die Schütze sind weiterhin geöffnet, damit der Brennstoffzellen-Stack und der Hochvolt-Zwischenkreis 14 weiterhin galvanisch getrennt sind. Zudem wird der Schalter des aktiven Entladebauteils geschlossen, damit im weiteren Zeitverlauf der DCDC-Wandler die überschüssige Energie aus dem Brennstoffzellen-Stack, mittels gezielter Ansteuerung an die aktiven und passiven Entladeelemente übergeben kann.
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Vor dem Zeitpunkt des Abschaltens setzten die aktiven Entladungselemente keine Leistung um, da der Schalter geschlossen ist. Ab dem Zeitpunkt des Abschaltens, werden die Schalter der aktiven Entladungselemente geschlossen und die Regelung der DCDC Anlage setzt ein. Es wird in geschickter Weise, unter Berücksichtigung der komponentenspezifischen Anforderungen und der derzeitigen Thermik, die Leistungsabgabe an die aktiven Entladungselemente geregelt, sodass der Brennstoffzellen-Stack schonend heruntergefahren werden kann, samt einer Konditionierungsphase und Restgasverwertung. Beispielhaft ist hier der Verlauf der Leistung der aktiven Entladungselemente über die Zeit als Treppenstufen dargestellt.
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Darüber hinaus sind ebenfalls weitere Ausführungsstufen des vorgestellten grundsätzlichen Konzepts zur Entkopplung des Herunterfahrprozesses der Brennstoffzelle von dem restlichen HV-System und dieser geregelten Entladung denkbar.
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Zusätzlich könnte das Einbringen weiterer aktiver Entladewiderstände ergänzende technische Vorteile mit sich bringen. So könnten mehrere aktive Entladewiderstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten für unterschiedliche Leistungen vorgesehen werden und beliebig kombiniert werden, welche über externe Signale zu- und abgeschaltet werden. Sowie ein weiterer aktiver Entladewiderstand dediziert für die konventionelle Entladung vorhandener Kapazitäten.
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Eine weitere Ausführung kann über eventuelle Halbleiterelektrik realisiert werden wie über Varistor-Elemente, welche erst bei hohen Spannungen leiten und einen spannungsabhängigen Widerstand aufweisen. Über die ausgehende Spannung des DC/DC-Wandlers besteht so ein zusätzlicher Freiheitsgrad das System zu regeln und die gewünschte Entladeleistung für den Brennstoffzellenstack zur Verfügung zu stellen.
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Alternativ kann auch ein Halbleiter, welcher abhängig von der Spannungslage leitfähig wird, verwendet werden, sodass die dedizierte Entladeschaltung für das Herunterfahren direkt über die Ausgangsspannung des DC/DC initial gestartet werden kann. Dazu ist beispielsweise der Einsatz eines Halbleiters mit einer Zündspannung von 600V denkbar für ein Fahrzeug, welches eine maximale Systemspannung von 450V im Normalbetrieb aufweist.
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Ebenfalls denkbar wäre die Entladung über einen internen Brückenkurzschluss im DC/DC-Wandler.
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Darüber hinaus ist auch eine Mischung aus dem derzeitigen Stand der Technik und dem vorgestellten Konzept in den verschiedenen Ausführungsformen denkbar, sodass erst nachdem die Brennstoffzelle während ihrem Abschaltvorgang eine bestimmte Leistungsschwelle unterschritten hat diese galvanisch vom restlichen Hochvolt-Zwischenkreis 14 getrennt wird. Erst nach dieser Trennung wird die verbleibende, geringere Energiemenge über das beschriebene Konzept intern im Brennstoffzellensystem in Wärme gewandelt. Dafür spricht, dass die meiste Energie weiterhin in die Batterie fließen kann ohne den Nachteil einen übermäßig langen Betrieb des HV-Systems für Stack-Konditionierung und Restgasverwertung in Kauf nehmen zu müssen.
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Durch das Verfahren wird ein Sicherheitsgewinn durch ein frühzeitiges Abstellen des HV-Systems erzielt. Zusätzlich lassen sich aufgrund der Spannungsregelung des DC/DC definierte Ströme einstellen, wodurch ein schonendes Herunterfahren der Brennstoffzellen-Stacks erst ermöglicht wird. Im Falle der Abschaltung kann frühzeitig das sicherheitsnotwendige schnelle Entkoppeln des HV-Systems erreicht werden und gleichzeitig ein schonender Abschaltvorgang des Brennstoffzellen-Stacks, durch gezielte Regelung des DC/DC-Wandlers, durchgeführt werden. Weiterhin werden hierfür keine zusätzlichen Komponenten benötigt insofern der DC/DC-Wandler sowohl im Hochsetzsteller-, als auch im Tiefsetzstellerbetrieb arbeiten kann.
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Kritisch bleibt an dieser Stelle, dass die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle und die geregelte Umwandlung über den DC/DC-Wandler für den Stack weiterhin weniger schonend ablaufen, als mit verbundener Batterie. Jedoch stellt dieses Verfahre für den Fall einer notwendigen galvanischen Trennung des Brennstoffzellensystems aus sicherheitstechnischen Gründen eine deutliche Verbesserung zu derzeit existierenden dar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrisches Bordnetz
- 12
- Kraftfahrzeug
- 14
- Hochvolt-Zwischenkreis
- 16
- elektrischer Hochvoltenergiespeicher
- 18
- Brennstoffzelleneinrichtung
- 20
- Gleichspannungswandler
- 22
- elektronische Recheneinrichtung
- 24
- Verbraucher
- 26
- Brennstoffzelle
- 28
- Schützeinrichtung
- 30
- Entladeeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018202110 A1 [0003]
