WO2019192802A1 - Hochvolt-system für ein brennstoffzellenfahrzeug zur ermittlung eines isolationsfehlers - Google Patents

Hochvolt-system für ein brennstoffzellenfahrzeug zur ermittlung eines isolationsfehlers Download PDF

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Martin Breu
Maximilian SCHIEDERMEIER
Jessica Denisse RAMIREZ ROCHA
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Audi Ag
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Definitions

  • the invention relates to a HV system of a fuel cell vehicle and to a method for operating the HV system.
  • HV systems of electric and hybrid vehicles often have a nominal voltage of several hundred volts, for example 350 to 400 volts. Therefore, it is necessary to take safety measures to avoid endangerment of human lives and vehicle components by the high voltage. Isolation faults can cause uncontrolled fault currents that are high enough to endanger lives, cause fires, or cause other property damage. In vehicles, therefore, the insulation resistance of the HV system
  • Insulation resistance dictates which must be adhered to.
  • An insulation monitor regularly or continuously checks the insulation resistance between the HV circuit and the vehicle ground. If this falls below the predetermined threshold, then fault messages are issued and possibly system parts are switched off.
  • Fuel cell vehicles have two high-voltage networks (HV networks), the fuel cell network (BZ high-voltage circuit) and the traction network, which via a DC-DC converter (DC / DC converter) coupled are.
  • HV networks high-voltage networks
  • BZ high-voltage circuit fuel cell network
  • DC / DC converter DC-DC converter
  • the two HV grids must be monitored regularly.
  • the traction network has an isolation guard, which is usually located in the HV battery. Because a blocking diode is present in the DC / DC converter, however, the insulation monitor can not measure through the converter into the BZ high-voltage circuit. For this reason, a second insulation monitor in the BZ high-voltage circuit is necessary.
  • the two insulation monitors must not measure simultaneously to prevent insulation faults.
  • the measuring ranges of the insulation monitors must be adjusted. This requires a functional effort and leads to limitations in the design of the fuel cell. There are twice the cost of components, greater space requirements, and additional coordination effort is required.
  • the object of the present invention is to provide a HV system and a method which eliminate at least some of the mentioned disadvantages.
  • a simple and cost-effective review of the HV system is to be made possible for insulation errors.
  • DE 10 2016 009 346 A1 relates to a circuit arrangement for a motor vehicle, comprising: a fuel cell stack, a
  • High-voltage battery a power electronic energy converter, via which the fuel cell stack is electrically coupled to the high-voltage battery using a common potential connection, an insulation monitoring device, which is designed to monitor an insulation resistance between the circuit arrangement and one of them operatively electrically isolated ground potential, and a Coolant circuit for cooling the fuel cell stack.
  • the coolant loop is electrically coupled to the common potential connection, wherein the insulation monitoring device is connected between the common potential connection and the ground potential.
  • a method for monitoring the insulation resistance in a vehicle propulsion system comprising: circulating a coolant in a coolant system that is fluidly coupled to a fuel cell stack forming at least part of the vehicle propulsion system, wherein the coolant provides thermal management within the fuel cell stack and wherein the coolant provides electrical isolation between the fuel cell stack and a vehicle driving value; Closing at least one contactor in an electrical system comprising a stack voltage and a battery voltage; Measuring a first isolation value, a second isolation value, the stack voltage, and the battery voltage.
  • the method further comprises opening the at least one contactor to the electrical system; Measuring a first negative isolation value; Calculating a stack isolation resistance using the first isolation value, the second isolation value, the first negative isolation value, the stack voltage, and the battery voltage; Calculating a coolant conductivity value; and indicating that the coolant in the coolant system must be replaced when the coolant amenity value crosses a threshold.
  • the two commonly present insulation monitors are replaced by a single, matched for both HV networks insulation monitor.
  • This insulation monitor is located in the BZ high-voltage circuit.
  • This insulation monitor can also reduce the insulation resistance through the blocking diode in the DC / DC converter to check the traction network and the fuel cell network for a common insulation fault. This is possible because the measurement in the forward direction of the blocking diode can be performed.
  • the invention relates to a high-voltage system (HV system) for a fuel cell vehicle, which comprises a fuel cell network with a fuel cell system and a traction network with a high-voltage battery (HV battery).
  • the fuel cell network and the traction network are electrically connected to each other via a DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the DC / DC converter includes a blocking diode having a forward direction from the fuel cell network toward the traction network.
  • the HV system comprises only a single insulation monitor associated with the fuel cell network. The insulation monitor is set up to determine a common insulation fault of the fuel cell network and the traction network.
  • the HV system is used to operate at least one electrical load of the motor vehicle.
  • the HV system is used to operate a drive device of the motor vehicle, which has at least one designed as an electric machine drive unit.
  • the drive unit is supplied with electrical power via the HV system.
  • the drive device or the drive unit serve to drive the motor vehicle, that is to say to provide a drive torque.
  • the drive device can be designed as a hybrid drive device, which has at least one further drive unit in addition to the drive unit.
  • the drive unit and the further drive unit are particularly preferably of different types, for example, the further drive unit is in the form of an internal combustion engine.
  • the hybrid drive device it is particularly preferred that the drive unit and the further drive unit to provide the drive torque at least temporarily together.
  • the fuel cell network and the traction network are connected to each other via the DC-DC converter.
  • the fuel cell network and the traction network are at least temporarily operated at different voltage levels, so that there is a first voltage level in the fuel cell network and a second voltage level different from the first voltage level in the traction network.
  • the DC-DC converter is used to transfer electrical energy from the fuel cell network into the traction network.
  • electrical energy can be provided in the fuel cell network and transmitted via the DC-DC converter to the traction network.
  • the DC-DC converter has a blocking diode, via which the fuel cell network and the traction network are at least temporarily connected to one another electrically.
  • the fuel cell network is connected to the traction network via the blocking diode of the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is preferably designed as a charge pump or boost converter.
  • a further embodiment of the invention provides that the fuel cell network has a first terminal and a second terminal, and the traction network has a first terminal and a second terminal, wherein the first terminal of the fuel cell network and the first terminal of the traction network via the blocking diode and the second terminal of the Fuel cell network and the second terminal of the traction network are connected directly to each other.
  • the second terminal of the fuel cell network and the second terminal of the traction network are directly and preferably permanently electrically connected to each other and in particular to the electrical ground, preferably also permanently.
  • the second connection of the fuel cell network and the second connection of the traction network are so far on the same electrical potential.
  • the first connection of the fuel cell network and the first connection of the traction network are only indirectly connected to one another via the blocking diode.
  • a power switch is electrically connected in series with the blocking diode between the first terminal of the fuel cell network and the first terminal of the traction network.
  • an inductance is connected in series with the blocking diode. The inductance serves for the intermediate storage of electrical energy, which is absorbed by the fuel cell network at a first voltage. Subsequently, the power switch is adjusted so that the cached in the inductance electrical energy is provided at a second voltage to the traction network.
  • the fuel cell network is assigned an insulation monitor, which is provided to determine the common insulation fault of the fuel cell network and the traction network.
  • the insulation monitor has a measuring resistor. To check for the presence of the insulation fault, the insulation monitor connects an electrical pole of the fuel cell network via the measuring resistor to a second pole, preferably an electrical ground. In other words, the pole of the fuel cell network is electrically connected via the measuring resistor to a body of the motor vehicle.
  • the insulation monitor supplies the fuel cell network and thus the entire HV system with a test voltage.
  • the insulation monitor preferably periodically applies the test voltage to the HV system.
  • the test voltage is a square-wave voltage.
  • the current intensity of the electrical current flowing through the measuring resistor is determined. If the current deviates from an expected current strength or if a higher voltage than expected drops off at the measuring resistor, then the presence of an insulation fault is detected.
  • the insulation monitor can now be used to determine the common insulation fault of the fuel cell network and the traction network. It is unnecessary in this respect, a second insulation guard, which is assigned to the traction network and the determination of an insulation fault in this serves. Rather, it is sufficient to check by means of the insulation monitor on the presence of the common insulation fault of the two power grids. This allows a cost-effective design of the FlV system.
  • the isolation monitor is part of the fuel cell system. Checking for the common insulation fault of the fuel cell network and the traction network is therefore feasible with extremely low hardware complexity.
  • the isolation monitor is part of the fuel cell system. In another embodiment of the FlV system, the isolation monitor is part of the DC / DC converter and electrically connected to its inputs. In a further embodiment of the FlV system, the isolation monitor is arranged between the fuel cell system and the DC-DC converter.
  • a further embodiment of the invention provides that at least one consumer electrically to the traction network (the traction circuit) connected.
  • the electrical load is for example a drive unit, in particular an electric machine, which is connected via a pulse inverter to the traction circuit.
  • the at least one consumer comprises an auxiliary unit of the fuel cell, a charger, a 12 V DC / DC converter, an air conditioning compressor and / or an HV heater.
  • the arrangement allows the operation of the consumer alone with electrical energy taken from the HV battery.
  • the consumer can also be operated with electrical energy from the fuel cell network, which is provided via the DC transformer for the traction network.
  • the electrical power provided by the fuel cell system may be used to operate the load in the traction circuit and / or to charge the HV battery.
  • the fuel cell can be used to ensure a reliable and permanent supply of electrical power to the electrical system.
  • the invention further relates to a method for operating a HV system according to the above. It is provided that a common insulation fault of the fuel cell network and the traction network is determined by means of the insulation monitor.
  • the insulation monitor determines the insulation fault by periodically applying a test voltage to the fuel cell network and determining the electrical current flowing through a measuring resistor. If the current deviates from an expected current strength or if a higher voltage than expected drops off at the measuring resistor, then the presence of an insulation fault is detected.
  • the test voltage is a square-wave voltage.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of the HV system according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic representation of another embodiment of the FlV system according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of another embodiment of the FlV system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of the FlV system 10 according to the invention.
  • the FlV system 10 comprises a fuel cell circuit 11 with a fuel cell system 20 and a traction circuit 12 with a FIV battery 40.
  • Electric motors 60 are connected to the traction circuit 12 via pulse inverters 50 other FIV components 70, z.
  • As auxiliary units of the fuel cell chargers, 12 V DC / DC converter, air conditioning compressors, FIV Fleizer etc.
  • a DC-DC converter (DC / DC converter) 30 is arranged between the fuel cell circuit 11 and traction circuit 12.
  • the input of the DC / DC converter 30 is connected to the poles of the fuel cell system 20 connected, the output of the DC / DC converter 30 is connected to the poles of the HV battery 40.
  • the HV system 10 comprises only a single insulation monitor 13, which is arranged in the fuel cell circuit 11.
  • the insulation monitor 13 can monitor the insulation resistance in both the fuel cell circuit 11 and the traction circuit 12 because it can measure through the DC / DC converter 30.
  • the insulation monitor 13 is arranged in the fuel cell system 20.
  • the insulation resistance can be measured through the blocking diode of the DC / DC converter.
  • FIG. 2 shows a block diagram of another embodiment of the FlV system 10 according to the invention.
  • the isolation monitor 13 is arranged in the DC / DC converter 30 and connected to its inputs.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a further embodiment of the FlV system 10 according to the invention.
  • the isolation monitor 13 is not integrated into the fuel cell system 20 or the DC / DC converter 30, but implemented as a separate unit (stand-alone, external box) ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein HV-System eines Brennstoffzellenfahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben des HV-Systems.

Description

HOCHVOLT-SYSTEM FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG ZUR ERMITTLUNG EINES ISOLATIONSFEHLERS
BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft ein HV-System eines Brennstoffzellenfahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben des HV-Systems.
Die HV-Systeme von Elektro- und Hybridfahrzeugen weisen oft eine Nennspannung von mehreren hundert Volt, beispielsweise 350 bis 400 Volt auf. Daher ist es erforderlich, Sicherheitsmaßnahmen zu treffen, um eine Gefährdung von Menschenleben und Fahrzeugkomponenten durch die Hochspannung zu vermeiden. Durch Isolationsfehler können unkontrollierte Fehlerströme entstehen, die ausreichend hoch sind, um Menschenleben zu gefährden, Brände auszulösen oder andere Sachschäden hervorzurufen. In Fahrzeugen wird daher der Isolationswiderstand des HV-Systems
(Hochspannungssystems) periodisch oder kontinuierlich überwacht.
Verschiedene Fahrzeughersteller haben sich auf eine Norm (LV123) für die Sicherheit der Hochvolttechnik bei Elektro- und Hybridfahrzeugen geeinigt. Diese verweist auf die Norm ISO 6497-3, die eine Schwelle des
Isolationswiderstandes vorgibt, welche zwingend eingehalten werden muss. Ein Isolationswächter prüft regelmäßig oder kontinuierlich den Isolationswiderstand zwischen dem HV-Stromkreis und der Fahrzeugmasse. Unterschreitet dieser den vorgegebenen Schwellenwert, so werden Störmeldungen abgegeben und eventuell Anlagenteile abgeschaltet.
Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen über zwei Hochspannungsnetze (HV- Netze), das Brennstoffzellennetz (BZ-Hochvoltkreis) und das Traktionsnetz, welche über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) gekoppelt sind. Die beiden HV-Netze müssen regelmäßig überwacht werden. In der Regel verfügt das Traktionsnetz über einen Isolationswächter, der üblicherweise in der HV-Batterie sitzt. Weil im DC/DC-Wandler eine Sperrdiode vorhanden ist, kann der Isolationswächter aber nicht durch den Wandler in den BZ-Hochvoltkreis messen. Aus diesem Grund ist ein zweiter Isolationswächter im BZ-Hochvoltkreis notwendig.
Dadurch entstehen eine Reihe von Nachteilen. Die beiden Isolationswächter dürfen nicht gleichzeitig messen, um Isolationsfehler zu verhindern. Die Messbereiche der Isolationswächter müssen abgestimmt werden. Dies erfordert einen funktionalen Aufwand und führt zu Einschränkungen bei der Konstruktion der Brennstoffzelle. Es entstehen doppelte Bauteilkosten, größerer Bauraumbedarf, und es ist zusätzlicher Koordinationsaufwand erforderlich.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein HV-System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche zumindest einige der genannten Nachteile beseitigen. Insbesondere soll eine einfache und kostengünstige Überprüfung des HV-Systems auf Isolationsfehler ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die DE 10 2016 009 346 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, eine
Hochvoltbatterie, einen leistungselektronischen Energiewandler, über welchen der Brennstoffzellenstapel mit der Hochvoltbatterie unter Nutzung einer gemeinsamen Potenzialverbindung elektrisch gekoppelt ist, eine Isolationsüberwachungsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Isolationswiderstand zwischen der Schaltungsanordnung und einem davon betriebsmäßig elektrisch isolierten Erdpotenzial zu überwachen, und einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Der Kühlmittelkreislauf ist elektrisch mit der gemeinsamen Potenzialverbindung gekoppelt, wobei die Isolationsüberwachungsvorrichtung zwischen die gemeinsame Potenzialverbindung und das Erdpotenzial geschaltet ist. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit eines Isolationswiderstands in einem die Schaltungsanordnung umfassenden Hochvoltnetz wird vorgeschlagen, den Kühlmittelkreislauf auf die gemeinsame Potenzialverbindung zu legen und die Isolationsüberwachungsvorrichtung auf die gemeinsame Potenzialverbindung zu legen.
Aus der DE 10 2014 103 117 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen des Isolationswiderstands in einem Fahrzeugvortriebssystem bekannt, wobei das Verfahren umfasst: Umwälzen eines Kühlmittels in einem Kühlmittelsystem, das mit einem Brennstoffzellenstapel, der wenigstens einen Teil des Fahrzeugvortriebssystems bildet, fluidtechnisch gekoppelt ist, wobei das Kühlmittel ein Wärmemanagement innerhalb des Brennstoffzellenstapels bereitstellt und wobei das Kühlmittel eine elektrische Isolation zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Fahrzeugfahrwert bereitstellt; Schließen wenigstens eines Schaltschützes in einem elektrischen System, das eine Stapelspannung und eine Batteriespannung umfasst; Messen eines ersten Isolationswerts, eines zweiten Isolationswerts, der Stapelspannung und der Batteriespannung. Das Verfahren umfasst des Weiteren Öffnen des wenigstens einen Schaltschützes mit dem elektrischen System; Messen eines ersten negativen Isolationswerts; Berechnen eines Stapelisolations- widerstands unter Verwendung des ersten Isolationswerts, des zweiten Isolationswerts, des ersten negativen Isolationswerts, der Stapelspannung und der Batteriespannung; Berechnen eines Kühlmittelleitfähigkeitswerts; und Angeben, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelsystem ersetzt werden muss, wenn der Kühlmittelleitfähigkeitswert einen Schwellenwert überquert.
Erfindungsgemäß werden die beiden üblicherweise vorhandenen Isolationswächter durch einen einzigen, für beide HV-Netze abgestimmten Isolationswächter ersetzt. Dieser Isolationswächter ist im BZ-Hochvoltkreis angeordnet. Dieser Isolationswächter kann den Isolationswiderstand auch durch die Sperrdiode im DC/DC-Wandler messen, um das Traktionsnetz und das Brennstoffzellennetz auf einen gemeinsamen Isolationsfehler zu überprüfen. Dies ist möglich, da die Messung in Durchlassrichtung der Sperrdiode durchgeführt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Hochvolt-System (HV-System) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches ein Brennstoffzellennetz mit einem Brennstoffzellensystem und ein Traktionsnetz mit einer Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) umfasst. Das Brennstoffzellennetz und das Traktionsnetz sind über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) elektrisch miteinander verbunden. Der DC/DC-Wandler enthält eine Sperrdiode, die eine Durchlassrichtung von dem Brennstoffzellennetz in Richtung des Traktionsnetzes aufweist. Erfindungsgemäß umfasst das HV-System nur einen einzigen Isolationswächter, der dem Brennstoffzellennetz zugeordnet ist. Der Isolationswächter ist eingerichtet zur Ermittlung eines gemeinsamen Isolationsfehlers des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes.
Das HV-System dient dem Betrieb wenigstens eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs. Bevorzugt dient das HV-System dem Betreiben einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs, welche über wenigstens ein als elektrische Maschine ausgestaltetes Antriebsaggregat verfügt. Das Antriebsaggregat wird über das HV-System mit elektrischem Strom versorgt.
Die Antriebseinrichtung bzw. das Antriebsaggregat dienen dem Antreiben des Kraftfahrzeugs, also dem Bereitstellen eines Antriebsdrehmoments. Selbstverständlich kann die Antriebseinrichtung als Hybridantriebseinrichtung ausgestaltet sein, welche zusätzlich zu dem Antriebsaggregat wenigstens ein weiteres Antriebsaggregat aufweist. Das Antriebsaggregat und das weitere Antriebsaggregat sind besonders bevorzugt unterschiedlichen Typs, beispielsweise liegt das weitere Antriebsaggregat in Form einer Brennkraftmaschine vor. Im Falle der Hybridantriebseinrichtung ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Antriebsaggregat und das weitere Antriebsaggregat das Antriebsdrehmoment wenigstens zeitweise gemeinsam bereitstellen.
Das Brennstoffzellennetz und das Traktionsnetz sind über den Gleichspannungswandler aneinander angeschlossen. Bevorzugt werden das Brennstoffzellennetz und das Traktionsnetz zumindest zeitweise bei unterschiedlichen Spannungsniveaus betrieben, sodass in dem Brennstoffzellennetz ein erstes Spannungsniveau und in dem Traktionsnetz ein von dem ersten Spannungsniveau verschiedenes zweites Spannungsniveau vorliegt.
Der Gleichspannungswandler dient dem Übertragen von elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellennetz in das Traktionsnetz. Mittels des Brennstoffzellensystems kann elektrische Energie in dem Brennstoffzellennetz bereitgestellt und über den Gleichspannungswandler zu dem Traktionsnetz übertragen werden.
Der Gleichspannungswandler weist eine Sperrdiode auf, über welche das Brennstoffzellennetz und das Traktionsnetz zumindest zeitweise elektrisch miteinander verbunden sind. In anderen Worten ist das Brennstoffzellennetz über die Sperrdiode des Gleichspannungswandlers an das Traktionsnetz angeschlossen. Der Gleichspannungswandler ist vorzugsweise als Ladungspumpe bzw. Hochsetzsteller ausgestaltet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Brennstoffzellennetz einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss sowie das Traktionsnetz einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, wobei der erste Anschluss des Brennstoffzellennetzes und der erste Anschluss des Traktionsnetzes über die Sperrdiode und der zweite Anschluss des Brennstoffzellennetzes und der zweite Anschluss des Traktionsnetzes unmittelbar aneinander angeschlossen sind. Der zweite Anschluss des Brennstoffzellennetzes und der zweite Anschluss des Traktionsnetzes sind unmittelbar und vorzugsweise permanent elektrisch miteinander und insbesondere mit der elektrischen Masse verbunden, bevorzugt ebenfalls permanent. Der zweite Anschluss des Brennstoffzellennetzes und der zweite Anschluss des Traktionsnetzes liegen insoweit auf demselben elektrischen Potenzial. Der erste Anschluss des Brennstoffzellennetzes und der erste Anschluss des Traktionsnetzes sind hingegen lediglich mittelbar über die Sperrdiode aneinander angeschlossen.
In einer Ausführungsform des Gleichspannungswandlers ist zwischen dem ersten Anschluss des Brennstoffzellennetzes und dem ersten Anschluss des Traktionsnetzes ein Leistungsschalter in Reihe mit der Sperrdiode elektrisch angeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Induktivität mit der Sperrdiode in Reihe geschaltet. Die Induktivität dient zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, welche aus dem Brennstoffzellennetz bei einer ersten Spannung aufgenommen wird. Anschließend wird der Leistungsschalter derart eingestellt, dass die in der Induktivität zwischengespeicherte elektrische Energie bei einer zweiten Spannung dem Traktionsnetz bereitgestellt wird. Dadurch ergibt sich eine besonders kostengünstige Realisierung des Gleichspannungswandlers, welche zudem das Überprüfen des HV-Systems auf den gemeinsamen Isolationsfehler des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes mittels eines einzigen Isolationswächters ermöglicht.
Dem Brennstoffzellennetz ist ein Isolationswächter zugeordnet, welcher zur Ermittlung des gemeinsamen Isolationsfehlers des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes vorgesehen ist. In einer Ausführungsform verfügt der Isolationswächter über einen Messwiderstand. Zum Überprüfen auf das Vorliegen des Isolationsfehlers verbindet der Isolationswächter einen elektrischen Pol des Brennstoffzellennetzes über den Messwiderstand mit einem zweiten Pol, vorzugsweise einer elektrischen Masse. In anderen Worten ist der Pol des Brennstoffzellennetzes über den Messwiderstand mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Der Isolationswächter beaufschlagt das Brennstoffzellennetz und damit das gesamte HV-System mit einer Prüfspannung. Vorzugsweise beaufschlagt der Isolationswächter das HV-System periodisch mit der Prüfspannung. In einer Ausführungsform ist die Prüfspannung eine Rechteckspannung. Während des Beaufschlagens des HV-Systems mit der Prüfspannung wird die Stromstärke des durch den Messwiderstand fließenden elektrischen Stroms ermittelt. Weicht die Stromstärke von einer erwarteten Stromstärke ab beziehungsweise fällt an dem Messwiderstand eine höhere Spannung ab als erwartet, so wird auf das Vorliegen eines Isolationsfehlers erkannt.
In diesem Fall werden, insbesondere durch den Isolationswächter, geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet, beispielsweise erfolgt eine Fehleranzeige und/oder es wird ein Fehlereintrag in einen Fehlerspeicher eingeschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des FlV-Systems kann nun der Isolationswächter zum Ermitteln des gemeinsamen Isolationsfehlers des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes herangezogen werden. Es erübrigt sich insoweit ein zweiter Isolationswächter, welcher dem Traktionsnetz zugeordnet ist und der Ermittlung eines Isolationsfehlers in diesem dient. Vielmehr ist es ausreichend, mittels des Isolationswächters auf das Vorliegen des gemeinsamen Isolationsfehlers der beiden Stromnetze zu prüfen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Ausgestaltung des FlV-Systems.
In einer Ausführungsform ist der Isolationswächter Bestandteil des Brennstoffzellensystems. Das Überprüfen auf den gemeinsamen Isolationsfehler des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes ist also mit äußerst geringem hardwaretechnischem Aufwand umsetzbar.
In einer Ausführungsform des FlV-Systems ist der Isolationswächter Bestandteil des Brennstoffzellensystems. In einer anderen Ausführungsform des FlV-Systems ist der Isolationswächter Bestandteil des DC/DC-Wandlers und mit dessen Eingängen elektrisch verbunden. In einer weiteren Ausführungsform des FlV-Systems ist der Isolationswächter zwischen dem Brennstoffzellensystem und dem Gleichspannungswandler angeordnet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Verbraucher elektrisch an das Traktionsnetz (den Traktionskreis) angeschlossen ist. Der elektrische Verbraucher ist beispielsweise ein Antriebsaggregat, insbesondere eine elektrische Maschine, die über einen Pulswechselrichter an den Traktionskreis angeschlossen ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Verbraucher ein Nebenaggregat der Brennstoffzelle, ein Ladegerät, einen 12 V DC/DC- Wandler, einen Klimakompressor und/oder einen HV-Heizer. Die Anordnung ermöglicht das Betreiben des Verbrauchers allein mit elektrischer Energie, die der HV-Batterie entnommen ist. Wahlweise kann der Verbraucher zudem mit elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellennetz betrieben werden, welcher über den Gleichspannungswandler für das Traktionsnetz bereitgestellt wird.
Der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Strom kann zum Betreiben des Verbrauchers in dem Traktionskreis und/oder zum Laden der HV-Batterie herangezogen werden. Mithilfe der Brennstoffzelle kann eine zuverlässige und dauerhafte Versorgung des Bordnetzes mit elektrischem Strom sichergestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines HV- Systems gemäß den vorstehenden Ausführungen. Dabei ist vorgesehen, dass mittels des Isolationswächters ein gemeinsamer Isolationsfehler des Brennstoffzellennetzes und des Traktionsnetzes ermittelt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ermittelt der Isolationswächter den Isolationsfehler, indem er das Brennstoffzellennetz periodisch mit einer Prüfspannung beaufschlagt und den durch einen Messwiderstand fließenden elektrischen Strom ermittelt. Weicht die Stromstärke von einer erwarteten Stromstärke ab beziehungsweise fällt an dem Messwiderstand eine höhere Spannung ab als erwartet, so wird auf das Vorliegen eines Isolationsfehlers erkannt. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Prüfspannung eine Rechteckspannung.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen HV-Systems zählt, dass es einen verringerten Bauraumbedarf und reduzierte Bauteilkosten aufweist. Es entsteht außerdem kein zusätzlicher Koordinationsaufwand für die Ermittlung von Isolationsfehlern. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen HV-Systems;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen FlV-Systems;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen FlV-Systems.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen FlV-Systems 10. Das FlV-System 10 umfasst einen Brennstoffzellenkreis 11 mit einem Brennstoffzellensystem 20 und einen Traktionskreis 12 mit einer FIV-Batterie 40. An den Traktionskreis 12 sind über Pulswechselrichter 50 Elektromotoren 60 angeschlossen, außerdem weitere FIV-Komponenten 70, z. B. Nebenaggregate der Brennstoffzelle, Ladegeräte, 12 V DC/DC- Wandler, Klimakompressoren, FIV-Fleizer etc. Zwischen Brennstoffzellenkreis 11 und Traktionskreis 12 ist ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 30 angeordnet. Der Eingang des DC/DC-Wandlers 30 ist mit den Polen des Brennstoffzellensystems 20 verbunden, der Ausgang des DC/DC-Wandlers 30 ist mit den Polen der HV- Batterie 40 verbunden.
Das erfindungsgemäße HV-System 10 umfasst nur einen einzigen Isolationswächter 13, der im Brennstoffzellenkreis 11 angeordnet ist. Der Isolationswächter 13 kann den Isolationswiderstand sowohl im Brennstoff- zellenkreis 11 als auch im Traktionskreis 12 überwachen, da er durch den DC/DC-Wandler 30 hindurch messen kann.
In der in Figur 1 dargestellten Variante ist der Isolationswächter 13 in dem Brennstoffzellensystem 20 angeordnet. Der Isolationswiderstand kann durch die Sperrdiode des DC/DC-Wandlers hindurch gemessen werden.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen FlV-Systems 10. In dieser Variante ist der Isolationswächter 13 im DC/DC-Wandler 30 angeordnet und mit dessen Eingängen verbunden.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen FlV-Systems 10. In dieser Variante ist der Isolationswächter 13 nicht in das Brennstoffzellensystem 20 oder den DC/DC-Wandler 30 integriert, sondern als eigenständige Einheit (Stand- alone, externe Box) implementiert.
Bezugszeichenliste
10 FlV-System
11 Brennstoffzellen-Flochvoltkreis
12 Traktionskreis
13 Isolationswächter (IMS)
20 Brennstoffzellensystem (BZ)
30 Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler)
40 Flochvolt-Batterie (FIV-Batterie)
50 Pulswechselrichter (PWR) 60 Elektromotor (EM)
70 Sonstige HV-Komponenten

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Hochvolt-System (10) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches ein Brennstoffzellennetz (11 ) mit einem Brennstoffzellensystem (20) und ein Traktionsnetz (12) mit einer Hochvolt-Batterie (40) umfasst, wobei das Brennstoffzellennetz (11 ) und das Traktionsnetz (12) über einen Gleichspannungswandler (30) mit einer Sperrdiode, die eine Durchlassrichtung von dem Brennstoffzellennetz (11 ) in Richtung des Traktionsnetzes (12) aufweist, elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvolt-System (10) einen einzigen Isolationswächter (13) umfasst, der dem Brennstoffzellennetz (11 ) zugeordnet ist und eingerichtet ist zur Ermittlung eines gemeinsamen Isolationsfehlers des Brennstoffzellennetzes (11 ) und des Traktionsnetzes (12).
2. Hochvolt-System (10) nach Anspruch 1 , bei dem der Isolationswächter (13) Bestandteil des Brennstoffzellensystems (20) ist.
3. Hochvolt-System (10) nach Anspruch 1 , bei dem der Isolationswächter (13) Bestandteil des Gleichspannungswandlers (30) und mit dessen
Eingängen elektrisch verbunden ist.
4. Hochvolt-System (10) nach Anspruch 1 , bei dem der Isolationswächter
(13) zwischen dem Brennstoffzellensystem (20) und dem Gleichspannungswandler (30) angeordnet ist.
5. Hochvolt-System (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Isolationswächter (13) einen Messwiderstand umfasst. 6. Hochvolt-System (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Verbraucher (50, 70) an das Traktionsnetz (12) elektrisch angeschlossen ist.
7. Hochvolt-System (10) nach Anspruch 6, bei dem der mindestens eine Verbraucher (50, 70) ein Pulswechselrichter (50) ist, über den eine elektrische Maschine (60) mit Strom versorgt wird. 8. Hochvolt-System (10) nach Anspruch 6, bei dem der mindestens eine
Verbraucher (50, 70) ein Nebenaggregat des Brennstoffzellensystems (20), ein Ladegerät, ein 12 V DC/DC-Wandler, ein Klimakompressor oder ein HV-Heizer ist. 9. Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Systems (10) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend die Ermittlung eines gemeinsamen Isolationsfehlers des Brennstoffzellennetzes (11 ) und des Traktionsnetzes (12) mittels des Isolationswächters (13). 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Isolationswächter den gemeinsamen Isolationsfehler des Brennstoffzellennetzes (11 ) und des Traktionsnetzes (12) ermittelt, indem er das Brennstoffzellennetz (11 ) periodisch mit einer Prüfspannung beaufschlagt und den durch einen Messwiderstand fließenden elektrischen Strom ermittelt.
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