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Die Erfindung betrifft ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen ersten Energiestrang, wobei der erste Energiestrang zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und einen parallel zum ersten Energiestrang angeordneten zweiten Energiestrang, wobei der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist und einen zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel angeordneten dritten Energiestrang, wobei der dritte Energiestrang eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist.
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Ein Energieversorgungssystem für ein elektrisches Plug-In-Hybridfahrzeug weist für gewöhnlich eine Brennstoffzelle und eine zu dieser parallel schaltbare HV-Batterie auf. Da die Brennstoffzelle eine stark lastabhängige Spannung aufweist, wird sie üblicherweise über einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) mit der HV-Batterie gekoppelt. Der DC/DC-Wandler gleicht die unterschiedlichen Spannungen von Brennstoffzelle und HV-Batterie an.
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Eine verbreitete DC/DC-Wandlertopologie ist beispielsweise der Vollbrückenwandler mit galvanischer Trennung, welcher jedoch eine große Anzahl an aktiven Leistungshalbleitern aufweist, was die Topologie teuer, groß bzw. schwer und nicht zuletzt komplex hinsichtlich der Steuerung und Regelung werden lässt.
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Die
DE 10 2018213171 A1 offenbart ein Energiesystem für ein Fahrzeug, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; und einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichstromwandler mit galvanischer Trennung, sowie einem zwischen der Brennstoffzelle und dem Gleichstromwandler angeschlossenen Netzladegerät, das lediglich einen Gleichrichter enthält.
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Das Aufladen erfolgt in der Regel durch eine Ladestation, welche gewöhnlich als Wand- oder Säulensystem für AC- oder DC-Laden ausgeführt ist.
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Bei einem elektrisch angetriebenen Hybridfahrzeug mit Ladeanschluss kann von der Ladestation ein Isolationswiderstand von mindestens 1 MOhm (ISO 17409 ) oder ein zukünftig höherer normierter oder festgesetzter Isolationswiderstand gefordert werden. Sollte bei der Prüfung des Isolationswiderstandes der geforderte Isolationswiderstand nicht erreicht werden, kann die Ladestation das Ladenverweigern.
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Die Norm ISO 17409 enthält die elektrischen Sicherheitsanforderungen, die innerhalb des Hybridfahrzeugs beim Anschluss an eine externe Ladestation erfüllt werden müssen. Hierunter fallen unter anderem der Berührungsschutz an den Ladesteckverbindern, Isolationsanforderungen, Schutz bei Kurzschluss, Überstrom, Übertemperatur und Lichtbogen zum Schutz der Ladeinfrastruktur. Der Isolationswiderstand ist vor Beginn des Ladevorgangs zu prüfen.
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Es ist weiter bekannt, dass für den reinen Betrieb eines Hybridfahrzeugs, d.h. nicht im Ladebetrieb, der normativ geforderte minimale Isolationswiderstand für ein elektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug unterhalb des Wertes liegt als für den Ladebetrieb erforderlich. In diesem Zusammenhang ist ein minimaler ISO-R von 500 Ohm/V bzw. 100 Ohm/V mit zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen zulässig.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein hinsichtlich dem Ladevorgang verbessertes Hybridsystem, sowie ein Hybridfahrzeug mit einem solchen Hybridsystem sowie ein verbessertes Ladeverfahren zum Aufladen von Hybridfahrzeugen mit einem solchen Hybridsystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Hybridfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Ladeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug aufweisend einen ersten Energiestrang, wobei der erste Energiestrang zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist, und
einen parallel zum ersten Energiestrang angeordneten zweiten Energiestrang, wobei der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist, und einen zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel angeordneten dritten Energiestrang, wobei der dritte Energiestrang eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist,
wobei ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen ist, und wobei der erste Energiestrang und der zweite Energiestrang und der dritte Energiestrang an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind, und wobei der dritte Energiestrang zumindest ein aktives Schaltmodul, welches vor der Brennstoffzelle angeordnet ist, aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewirken.
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Hybridfahrzeuge sind beispielsweise Pkws, Lkws, ebenso wie Motorräder, Schiffe oder Flugzeuge mit einem solchen Hybridsystem. Dabei kann ein DC/DC Wandler vorgesehen sein, welcher der Brennstoffstelle vorgeschaltet ist.
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Dabei ist die Batterie vor allem eine Hochvolt-Batterie.
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Unter Brennstoffzelle kann dabei ein Brennstoffzellensystem beispielsweise mit mehreren Brennstoffzellen verstanden werden. Insbesondere kann ein Brennstoffzellen-Stack umfasst sein. Ein Stack ist ein Stapel aus Brennstoffzellen, die jeweils durch ein Trennelement allpolig getrennt werden können.
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Eine Brennstoffzelle ist dabei ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (Brennstoffgas und Oxidationsgas, Wasserstoff). Es können verschiedene Typen von Brennstoffzellen wie z.B. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Brennstoffzellen mit Phosphorsäureelektrolyt und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen verwendet werden.
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Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Allgemeinen einen geringeren Isolationswiderstand aufgrund des direkten elektrischen Kontakts mit einem Kühlmittel als die anderen Komponenten, wie beispielsweise die Batterie, aufweisen können.
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Insbesondere betrifft dieser geringe Isolationswiderstand Plug-in Hybridfahrzeuge (FCEV) mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb und Ladebuchse, die sowohl über das Medium Wasserstoff aufgeladen werden können, als auch über ein externes elektrisches Ladegerät.
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Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass mit zunehmenden Alter bei Hybridfahrzeugen bei der Brennstoffzelle der Isolationswiderstand und damit Gesamtisolationswiderstand soweit sinken kann, so dass kein Laden mehr möglich ist oder nur noch erschwert möglich ist.
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Durch das erfindungsgemäße Hybridsystem wird nun das aktive Schaltmodul vor der Brennstoffzelle, d.h. beispielsweise vor einem DC/DC Wandler vorgeschaltet, mit dem eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vor dem Laden ermöglicht wird.
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Durch das aktive Schaltmodul kann eine allpolige galvanische Trennung unter Berücksichtigung der nötigen Kriech- und Luftstrecken des gesamten Hybridsystems von der Brennstoffzelle erfolgen.
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Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vom Batteriekreis, also von der Batterie, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie beispielsweise während des Ladevorgangs eingehalten werden.
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Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle und dem restlichen Hybridsystem, kann die Brennstoffzelle direkt vor und während des Ladens an einer externen elektrischen Ladestation von dem restlichen Hybridsystem somit unter Einhaltung der nötigen Kriech- und Luftstrecken abgetrennt werden und somit der Gesamtisolationswiderstand des Hybridfahrzeugs erhöht werden und ein Ladevorgang gesichert durchgeführt werden. Die Verfügbarkeit des Systems steigt.
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Dadurch wird ein Betrieb von der Brennstoffzelle während des Ladens verhindert. Durch die hochohmige Auslegung des restlichen Hybridsystems können die geforderten normativen ISO-R Werte für das Laden an der Ladesäule eingehalten werden, auch aufgrund des durch die Brennstoffzelle verursachten alterungsbedingten zunehmenden sinkenden Gesamtisolationswiderstands.
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Durch die Anordnung eines solchen Schaltmoduls kann zudem eine kostengünstige Trennung von Brennstoffzelle zu dem restlichen Hybridsystem erzielt werden. Ferner ist in weiterer Ausbildung das Hybridsystem dazu ausgebildet, vor einem Laden der Batterie durch eine Ladestation eine aktive Öffnung des Schaltmoduls zur Bewirkung der allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewerkstelligen, bei Nichterreichen eines geforderten Isolationswiderstands für einen Ladevorgang. Dadurch wird eine Erhöhung des Ladewiderstandes erzielt.
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Dazu können beispielsweise Sensoren/Messgeräte/Messeinrichtungen, welche den vorzunehmenden Ladevorgang, beispielsweise durch Öffnen der Ladeklappe, registrieren, vorhanden sein. Die Trennung kann auch über ein Steuergerät kommandiert werden, dass bei der Steuerung des Ladevorgangs beteiligt ist.
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In weiterer Ausbildung ist ein DC/DC Wandler vorgesehen, welcher der Brennstoffstelle vorgeschaltet ist, und wobei das zumindest eine Schaltmodul dem DC/DC Wandler im dritten Energiestrang vorgeschaltet ist. Dadurch ist eine vom DC/DC Wandler unabhängige allpolige galvanische Trennung möglich. Zudem kann ein einfacher Einbau in den dritten Energiestrang ermöglicht werden.
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In weiterer Ausbildung befindet sich die galavanische Trennung zwischen Brennstoffzelle und einem DC/DC Wandler. Auch eine andere Anordnung ist jedoch möglich.
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In weiterer Ausbildung ist das zumindest eine Schaltmodul als in den dritten Energiestrang angeordnete Schütze, insbesondere Gleichspannungsschütze ausgebildet.
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Dadurch ist eine einfache und kostengünstige allpolige galvanische Trennung möglich.
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Insbesondere können mehrere hintereinander geschaltete Schütze zur redundanten Trennung geschaltet sein. Durch die Redundanz wird zuverlässig eine allpolige galvanische Trennung ermöglicht, auch bei Ausfall eines der Schützen.
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Ferner ist in weiterer Ausbildung das Verteilerelement für Strom als eine Stromverteilereinheit ausgebildet. Insbesondere kann die Stromverteilereinheit als HV (Hochvolt)-PDU (Power Distribution Unit) ausgebildet sein. Dadurch ist eine kostengünstige Verteilung und eine einfache parallele Anbindung aller Energiestränge möglich. Ferner kann das Hybridsystem einfach um weitere Energiestränge mit Brennstoffzelle erweitert werden.
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Erfindungsgemäß ist das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen einer Ladeklappeneinrichtung zum Laden und/oder eine Aktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Öffnensignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch den Sensor, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.
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In weiterer Ausbildung kann das Hybridsystem eine Schnittstelle aufweisen zum Empfang eines Öffnensignals durch eine Ladesäule, wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Öffnensignal durch die Schnittstelle eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken.
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Dadurch kann verhindert werden, dass ein manuell auszuführendes Öffnen des Schaltmoduls vergessen wird und daraufhin keine allpolige galvanische Trennung und ggf. kein Laden stattfindet. Insbesondere ist dies bei autonom fahrenden Hybridfahrzeugen ohne Fahrer (Taxis) von Vorteil.
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In weiterer Ausbildung ist das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, nach einem Öffnen eine wieder geschlossene Ladeklappeneinrichtung zu registrieren und/oder eine Deaktivierung eines Ladeanschlusses zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls abzugeben.
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Auch kann das Hybridsystem mit einem Sensor, welcher dafür ausgebildet ist, eine Trennung eines Ladekabels von einem Ladeanschluss zu registrieren und ein Schließsignal zu generieren, zur Datenübertragung gekoppelt sein, und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei dem empfangenen Schließsignal durch den Sensor, welches eine Trennung des Ladekabels von dem Ladeanschluss anzeigt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.
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Dabei kann die Übertragung beispielsweise kabellos, mittels Funk oder kabelgebunden beispielsweise mittels Datenübertragungsleitungen und Koaxialleitungen erfolgen.
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Dadurch kann ein vollautomatisiertes Öffnen und anschließend ein vollautomatisiertes Schließen des Schaltmoduls bewerkstelligt werden, was insbesondere bei (teil)autonomen Hybridfahrzeugen, wie bereits betriebenen Hybrid-Bussen, Hybrid-Taxis von Vorteil ist.
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In weiterer Ausbildung ist das Hybridsystem mit einem manuellen Betätigungselement gekoppelt, wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei Betätigung des Betätigungselements bei einem stehenden Hybridfahrzeug eine Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken, so dass die allpolige, galvanische Trennung der Brennstoffzelle von dem Verteilerelement bewerkstelligt ist. Dabei kann das manuelle Betätigungselement beispielsweise bei der Ladebuchse angeordnet sein, so dass die Betätigung vor dem Ladevorgang nicht vergessen wird. Durch die ausschließliche Funktion des Öffnens bei stehendem Hybridfahrzeug, wobei als stehend hier ein nicht betriebenes Hybridfahrzeug verstanden werden soll, kann ein versehentliches Trennen der Brennstoffzelle vom übrigen Hybridsystem vermieden werden. Ferner kann bei erneuter Betätigung des Betätigungselements beispielsweise eine Schließung bzw. eine Freigabe zur Schließung bewerkstelligt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Hybridsystem dazu ausgebildet, eine Schließung eines geöffneten Schaltmoduls während des Ladevorgangs zu verhindern. Dadurch kann eine Unterbrechung des Ladevorgangs oder Schäden am Hybridsystem vermieden werden.
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Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung ein vierter Energiestrang vorgesehen, welcher parallel zum dritten Energiestrang angeordnet ist, wobei der vierte Energiestrang eine weitere Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist sowie im vierten Energiestrang der weiteren Brennstoffzelle vorgeschaltet ein weiteres aktives Schaltmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, bei Öffnen eine allpolige galvanische Trennung der weiteren Brennstoffzelle von dem Verteilerelement zu bewirken. Auch können weitere Energiestränge vorgesehen sein. Dabei kann ein weiterer DC/DC-Wandler der weiteren Brennstoffzelle vorgeschaltet sein.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Hybridfahrzeug mit einem wie oben beschriebenen Hybridsystem mit einem Schaltmodul.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Hybridfahrzeug zumindest eine Lademulde auf, sowie einen Ladeanschluss zum Anschließen des Hybridfahrzeugs an eine Ladestation, wobei der Ladeanschluss in der Lademulde angeordnet ist, wobei das Hybridfahrzeug ferner eine Ladeklappeneinrichtung die die Lademulde verdeckt aufweist, sowie einen Sensor aufweist, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen und Schließen der Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung und Deaktivierung des Ladeanschlusses zu registrieren und ein entsprechendes Öffnensignal oder Schließsignal zu generieren und an das Hybridsystem zu übermitteln, wobei das Hybridsystem ferner dazu ausgebildet ist, bei einem Öffnensignal durch den Sensor, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls zu bewirken und wobei das Hybridsystem dazu ausgebildet ist, bei einem auf das Öffnensignal folgendes Schließsignal durch den Sensor, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls zu bewirken.
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Dadurch kann ein einfaches und automatisiertes Öffnen und Schließen erfolgen, was beispielsweise für den Nutzer den Komfort erhöht. Insbesondere ist dies bei autonom fahrenden Fahrzeugen von Vorteil.
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Insbesondere kann das Schließsignal bei Registrierung einer nach Öffnen geschlossenen Ladeklappeneinrichtung oder durch eine Trennung des Ladekabels von dem Ladeanschluss beispielsweise der Ladebuchse, was einer Deaktivierung des Ladeanschlusses entspricht, generiert werden.
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Insbesondere kann der Sensor in oder an der Lademulde oder Ladeanschluss angeordnet sein. Dadurch kann ein einfaches Öffnen und Schließen durch den Sensor erkannt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Hybridfahrzeug einen Betätigungsschalter aufweisen, welcher ein manuelles Öffnen und Schließen des Schaltmoduls bewirkt.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Ladeverfahren für ein Hybridsystem für ein Hybridfahrzeug umfassend der Schritte:
- - Bereitstellen eines ersten Energiestrangs, welcher zumindest einen Inverter und einen dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie aufweist,
- - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang verschalteten zweiten Energiestrangs, welcher zumindest ein Schaltelement und eine dem Schaltelement nachgeschaltete Batterie zum Speichern von elektrischer Energie aufweist,
- - Bereitstellen eines parallel zum ersten Energiestrang und zweiten Energiestrang parallel geschalteten dritten Energiestrangs, welcher zumindest eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischer Energie aufweist, und
- - Bereitstellen eines Verteilerelements zum Verteilen von elektrischer Energie, wobei der erste Energiestrang und der zweite Energiestrang und der dritte Energiestrang an das Verteilerelement parallel angeschlossen sind,
- - Bereitstellen eines aktiven Schaltmoduls, welches im dritten Energiestrang der Brennstoffzelle vorgeschaltet ist,
- - Öffnen des aktiven Schaltmoduls vor dem Ladevorgang zur Durchführung einer allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem restlichen Hybridsystem, wenn der geforderte Isolationswiderstand für den Ladevorgang nicht erreicht wird
- - Zuführen von elektrischem Strom zum Laden der Batterie über das Verteilerelement.
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Insbesondere kann das Zuführen von elektrischem Strom zum Laden der Batterie über das Verteilerelement gemäß einem voreingestellten Lademuster erfolgen. Durch das Öffnen des aktiven Schaltmoduls vor dem Ladevorgang zur Durchführung einer allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle von dem restlichen Hybridsystem, wenn der geforderte Isolationswiderstand für den Ladevorgang nicht erreicht wird, wird eine Erhöhung des Ladewiderstandes bewirkt.
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Weiterhin kann das Ladeverfahren für ein Hybridfahrzeug auf einem wie oben beschriebenen Hybridsystem erfolgen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hybridsystems können dabei auf das Ladeverfahren übertragen werden. Durch das aktive Schaltmodul kann eine allpolige galvanische Trennung des gesamten Hybridsystems unter Berücksichtigung der nötigen Kriech- und Luftstrecken von der Brennstoffzelle erfolgen.
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Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle vom Batteriekreis, also von der Batterie, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie beispielsweise während des Ladevorgangs eingehalten werden.
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Ferner kann das Hybridfahrzeug einen Sensor, welcher ein Öffnen einer Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung des Ladeanschlusses registriert und daraufhin ein Öffnensignal generiert, aufweisen. Ferner kann bei dem Öffnensignal durch einen Sensor, welches ein Öffnen der Ladeklappeneinrichtung und/oder eine Aktivierung des Ladeanschlusses anzeigt, eine automatisierte Öffnung des Schaltmoduls durch das Hybridsystem bewirkt werden.
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Auch kann der Sensor eine geschlossene Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses registrieren und ein Schließsignal generieren. Dabei kann durch das, durch den Sensor generierte Schließsignal eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls bewirkt werden.
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Alternativ kann bei einem Schließsignal durch den Sensor, welches eine Trennung eines Ladekabels von dem Ladeanschluss anzeigt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung des Schaltmoduls bewirkt werden.
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In weiterer Ausgestaltung wird ein Schließen des Schaltmoduls während des Ladevorgangs verhindert.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Dabei zeigen:
- 1: ein erfindungsgemäßes Hybridsystem der Erfindung,
- 2: ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridsystem 1 gemäß der Erfindung mit einer Ladestation 2. Die Ladestation 2 umfasst als Energiequellen 18 beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel und eine HV-Batterie. Ferner umfasst die Ladestation 2 einen DC-Ladeschütze 3. An die Ladestation 2 kann ein Hybridfahrzeug 16 (2) mit einem Hybridsystem 1 angeschlossen werden. Ein Stecker eines Ladekabels wird dazu in einen Ladeanschluss, beispielsweise eine Ladebuchse 19 (2) des Hybridfahrzeugs 16 eingesteckt.
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Bei solchen Plug-in Hybridfahrzeugen 16 (FCEV) wird von der Ladestation 2 ein Isolationswiderstand von mindestens 1 MOhm oder ein zukünftig höherer normierter oder festgesetzter Isolationswiderstand gefordert.
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Sollte bei der Prüfung des Isolationswiderstandes durch die Ladestation 2 der geforderte Isolationswiderstand des Hybridsystems 1 nicht erreicht werden, kann die Ladestation 2 den Ladevorgang verweigern.
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Dabei ist bekannt, dass Brennstoffzellen 13 im Allgemeinen einen geringeren Isolationswiderstand aufgrund des direkten elektrischen Kontakts mit einem Kühlmittel als andere HV-Komponenten aufweisen können.
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Insbesondere betrifft dieser geringe Isolationswiderstand Hybridfahrzeuge 16, hier Plug-in Hybridfahrzeuge (FCEV) mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb und Ladebuchse 19 (2), die sowohl über das Medium Wasserstoff aufgeladen werden können, als auch über ein externes elektrisches Ladegerät.
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Mit zunehmenden Alter sinkt bei diesen Hybridfahrzeugen 16 bei der Brennstoffzelle 13 der Isolationswiderstand und damit der Gesamtisolationswiderstand, so dass gegebenenfalls kein Laden mehr möglich ist oder dies nur noch sehr schwer möglich ist. Dieses wird durch das Hybridsystem 1 nun vermieden.
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Das Hybridsystem 1 weist dabei einen ersten Energiestrang 4 auf. Dieser weist zumindest einen Inverter 5 und einen dem Inverter 5 nachgeschaltete elektrische Maschine 6 zur Generierung von Leistung durch Umsetzen von elektrischer Energie auf.
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Der Inverter 5 verändert beispielsweise den gelieferten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom einer beliebigen Frequenz. Der resultierende Strom treibt die elektrische Maschine 6 an, die beispielsweise für den Antrieb des Hybridfahrzeugs 16 verwendet werden kann.
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Ferner kann noch ein Spannungswandler 10, hier ein DC/DC-Wandler, der die Hochvoltspannung umwandelt und mit dem Inverter gekoppelt ist, vorgesehen sein.
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Ferner weist das Hybridsystem 1 einen parallel zum ersten Energiestrang 4 angeordneten zweiten Energiestrang 7 auf. Dabei weist der zweite Energiestrang zumindest ein Schaltelement 8 und eine dem Schaltelement 8 nachgeschaltete HV-Batterie 9 zum Speichern von elektrischer Energie auf.
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Zudem weist das Hybridsystem 1 einen parallel zum ersten Energiestrang 4 und zweiten Energiestrang 7 angeordneten dritten Energiestrang 11 auf. Dieser weist einen DC/DC-Wandler 12 und eine dem DC/DC-Wandler 12 nachgeschaltete Brennstoffzelle 13 zum Generieren von elektrischer Energie auf. Dabei kann die Brennstoffzelle 13 ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise ein Stack mit mehreren Brennstoffzellen sein.
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Ferner ist ein Verteilerelement zum Verteilen von elektrischer Energie vorgesehen, welches hier als HV-PDU (Stromverteiler) 14 ausgebildet ist. Dabei sind der erste Energiestrang 4 und der zweite Energiestrang 7 und der dritte Energiestrang 11 an der HV-PDU 14 parallel angeschlossen.
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Ferner weist das Hybridsystem 1 ein aktives Schaltmodul, hier Gleichspannungsschütze 15 auf, welche zwischen dem DC/DC-Wandler 12 und der HV-PDU 14 im dritten Energiestrang 11 geschaltet sind. Alternativ kann der Gleichspannungsschütze 15 auch zwischen DC/DC-Wandler 12 und Brennstoffzelle 13 geschaltet sein.
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Insbesondere kann das aktive Schaltmodul als mehrere redundant angeordnete Gleichspannungsschütze 15 ausgebildet sein, so dass durch die Redundanz eine zuverlässige allpolige galvanische Trennung erfolgen kann.
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Auch können die Gleichspannungsschütze 15 entweder im HV-PDU (Stromverteiler) 14 oder nahe an der Brennstoffzelle 13 positioniert sein.
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Ferner ist das Hybridsystem 1 dazu ausgebildet, vor einem Laden der HV-Batterie 9 durch eine Ladestation 2 eine aktive Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 zur Bewirkung der allpoligen galvanischen Trennung der Brennstoffzelle 13 von der HV-PDU 14 zu bewerkstelligen.
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Dies kann beispielsweise automatisiert erfolgen. Dafür kann das Hybridsystem 1 mit einem Sensor 20 (2) verbunden sein, welcher zur Erkennung eines bevorstehenden Ladevorgangs ausgebildet ist. Dieser kann beispielsweise im Bereich eines Ladeanschlusses angeordnet sein und mit dem Hybridsystem 1 zur Datenübertragung gekoppelt sein.
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Der Sensor 20 (2) kann ein Öffnensignal, beispielsweise bei einem Öffnen der Ladeklappeneinrichtung und/oder bei einem Aktivieren des Ladeanschlusses, was beispielsweise einen bevorstehenden Ladevorgang anzeigt, generieren. Das Öffnensignal wird an das Hybridsystem 1 übermittelt, welches eine automatisierte Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 bewirkt. Dadurch kann ein sicheres Laden der HV-Batterie 9 durch eine Ladestation 2 erfolgen.
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Nach erfolgreichem Laden der HV-Batterie 9 kann durch ein Schließsignal, welches der Sensor 20 (2) beispielsweise bei einer wieder geschlossenen Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses generiert und an das Hybridsystem 1 übermittelt, eine Freigabe zur automatisierten Schließung der Gleichspannungsschütze 15 durch das Hybridsystem 1 bewirkt werden.
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Alternativ kann das Schließsignal durch den Sensor 20 (2) bei einer Trennung eines Ladekabels von dem Ladeanschluss des Hybridfahrzeugs 16 generiert werden und an das Hybridsystem 1 übermittelt werden.
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Während des Ladevorgangs wird eine Schließung der geöffneten Gleichspannungsschützen 15 durch das Hybridsystem 1 verhindert.
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Auch kann eine andere Anordnung eines solchen Sensors 20 (2), welcher ein bevorstehendes Laden erkennt und eine Beendigung des Ladens erkennt, vorhanden sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann On-demand die Anforderung zur Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 zur galvanischen Trennung der Brennstoffzelle 13 durch das Hybridfahrzeug 16 erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein manuelles Betätigungselement im Hybridfahrzeug 16 angeordnet sein, welches bei Betätigung bei einem stehenden Hybridfahrzeug 16 eine Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 bewirkt.
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Dabei ist hier unter einem stehenden Hybridfahrzeug 16 ein nicht betriebenes Hybridfahrzeug 16 zu verstehen.
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Durch die Gleichspannungsschütze 15 kann eine allpolige galvanische Trennung unter Berücksichtigung der nötigen Kriechstrecken und Luftstrecken des gesamten Hybridsystems 1 von der Brennstoffzelle 13 erfolgen. Durch die allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle 13 vom Batteriekreis, also von der HV-Batterie 9, wird der Gesamtisolationswiderstand erhöht und es können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der (HV-)Batterie 9 während des Ladevorgangs eingehalten werden.
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Somit wird eine Verweigerung des elektrischen Ladens der (HV-)Batterie 9 an einer Ladestation 2 aufgrund eines zu geringen Gesamtisolationswiderstands des Hybridsystems 1 verhindert.
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Auf eine dauerhafte, auch im Alter, technische Auslegung der Brennstoffzelle 13 in einem solchen Hybridsystem 1 auf einen festgelegten minimalen Isolationswiderstand wie 1 MOhm, der für den elektrischen Ladevorgang benötigt wird, kann somit verzichtet werden. Somit langt beispielsweise im reinen Betrieb eines Hybridfahrzeugs 16 ein normativ geforderter minimaler Isolationswiderstand von 500 Ohm/V bzw. 100 Ohm/V mit zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen für ein elektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug 16 aus. Damit können Kosten eingespart werden.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Hybridfahrzeug 16 mit dem Hybridsystem 1. Das Hybridfahrzeug 1 weist eine Lademulde 17 auf sowie einen Ladeanschluss, beispielsweise in Form einer Ladebuchse 19 zum Anschließen des Hybridfahrzeugs 16 an die Ladestation 2. Dabei ist der Ladeanschluss in der Lademulde 17 angeordnet.
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Die Lademulde 17 ist dabei von einer Ladeklappeneinrichtung verdeckt. Auch weist das Hybridfahrzeug 16 einen Sensor 20 auf, welcher dafür ausgebildet ist, ein Öffnen und Schließen der Ladeklappeneinrichtung, insbesondere der Ladeklappe selber, und/oder eine Aktivierung/Deaktivierung des Ladeanschlusses zu registrieren und entsprechend ein Öffnensignal bzw. ein Schließsignal zu generieren.
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Wird ein solches Öffnensignal an das Hybridsystem 1 übermittelt, so wird eine automatisierte Öffnung der Gleichspannungsschütze 15 (1) durch das Hybridsystem 1 bewirkt und dadurch eine allpolige galvanische Trennung der Brennstoffzelle 13 von der HV-PDU 14 bewirkt.
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Während des Ladens der HV-Batterie 9 (1) verhindert das Hybridsystem 1 ein Schließen der Gleichspannungsschütze 15 (1).
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Wird durch den Sensor 20 anschließend ein Schließsignal generiert, welches eine geschlossene Ladeklappeneinrichtung und/oder Deaktivierung des Ladeanschlusses beispielsweise durch eine Trennung eines Ladekabels von der Ladebuchse 19 anzeigt, an das Hybridsystem 1 übermittelt, so kann dieses eine Freigabe zur automatisierten Schließung der Gleichspannungsschütze 15 (1) bewirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridsystem
- 2
- Ladestation
- 3
- DC-Ladeschütze
- 4
- erster Energiestrang
- 5
- Inverter
- 6
- elektrische Maschine
- 7
- zweiter Energiestrang
- 8
- Schaltelement
- 9
- HV-Batterie
- 10
- Spannungswandler
- 11
- dritter Energiestrang
- 12
- DC/DC-Wandler
- 13
- Brennstoffzelle
- 14
- HV-PDU
- 15
- Gleichspannungsschütze
- 16
- Hybridfahrzeug
- 17
- Lademulde
- 18
- Energiequellen
- 19
- Ladebuchse
- 20
- Sensor
