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DE102007031070A1 - Adaptation circuit for a fuel cell system of a vehicle, drive system and method for operating a drive or the drive system - Google Patents

Adaptation circuit for a fuel cell system of a vehicle, drive system and method for operating a drive or the drive system Download PDF

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DE102007031070A1
DE102007031070A1 DE102007031070A DE102007031070A DE102007031070A1 DE 102007031070 A1 DE102007031070 A1 DE 102007031070A1 DE 102007031070 A DE102007031070 A DE 102007031070A DE 102007031070 A DE102007031070 A DE 102007031070A DE 102007031070 A1 DE102007031070 A1 DE 102007031070A1
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fuel cell
voltage
drive
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supply
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Application number
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German (de)
Inventor
Emerson R. Vancouver Gallagher
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Ballard Power Systems Inc
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anpassschaltung für ein Brennstoffzellensystem, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welches eine wirtschaftliche Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Anpassschaltung (8) für ein Brennstoffzellensystem (2) eines Fahrzeugs (1) gelöst mit einer Eingangsschnittstelle (9) zum Anschluss einer Ausgangsspannung (US) einer Brennstoffzellenanordnung (6) des Brennstoffzellensystems (2), mit einer Antriebsausgangsschnittstelle (13) zur Versorgung eines Energiestrangs (3) für einen Antriebsmotor (5) mit einer Antriebsspannung (UA) und mit einer Versorgungsausgangsschnittstelle (10) zur Versorgung eines Versorgungsbusses (11) für Peripheriekomponenten (12) mit einer Versorgungsspannung (UV), wobei die Anpassschaltung (8) in einen Sonderbetriebszustand schaltbar ist, in dem die Versorgungsspannung (UV) betragsmäßig größer als die Antriebsspannung (UA) ausgebildet ist.The invention has for its object to provide a matching circuit for a fuel cell system, a drive system for a vehicle and a method for operating a drive system for a vehicle, which enables an economical operation of the fuel cell system. This object is achieved by an adaptation circuit (8) for a fuel cell system (2) of a vehicle (1) having an input interface (9) for connecting an output voltage (US) of a fuel cell arrangement (6) of the fuel cell system (2) to a drive output interface (13 ) for supplying a power train (3) for a drive motor (5) with a drive voltage (UA) and with a supply output interface (10) for supplying a supply bus (11) for peripheral components (12) with a supply voltage (UV), wherein the matching circuit ( 8) can be switched to a special operating state, in which the supply voltage (UV) is greater in magnitude than the drive voltage (UA) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anpassschaltung für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs mit einer Eingangsschnittstelle zum Anschluss einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems und mit einer Antriebsausgangsschnittstelle zur Versorgung eines Energiestrangs für einen Antriebsmotor mit einer Antriebsspannung. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben des Antriebssystems.The The invention relates to a matching circuit for a fuel cell system a vehicle having an input interface for connecting an output voltage a fuel cell assembly of the fuel cell system and with a drive output interface for supplying a power line for a drive motor with a drive voltage. Further The invention relates to a corresponding drive system and a Method for operating the drive system.

Brennstoffzellensysteme setzen in einem elektro-chemischen Prozess einen Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft, um und wandeln im Rahmen des Prozesses chemische Energie in elektrische Energie, die z. B. einem Fahrzeug als Antriebsenergie zur Verfügung gestellt wird. Neben der Versorgung des Fahrzeugs mit Antriebsenergie wird ein Teil der gewandelten Energie üblicherweise zur Eigenversorgung genutzt, so dass Peripheriekomponenten, wie zum Beispiel Kompressoren, Heizungen, Ventile oder dergleichen ebenfalls mit der durch das Brennstoffzellensystem erzeugte Energie versorgt werden.Fuel cell systems put in an electro-chemical process a fuel, usually hydrogen, with an oxidant, mostly ambient air, around and walk in the frame the process of chemical energy into electrical energy, the z. B. a vehicle provided as drive energy becomes. In addition to supplying the vehicle with drive power is a part of the converted energy usually for self-supply used so that peripheral components, such as compressors, Heaters, valves or the like also with by the Fuel cell system generated energy to be supplied.

Jedes Brennstoffzellensystem weist eine Mehrzahl, meist mehr als 100, Brennstoffzellen auf, die üblicherweise in Serie geschaltet sind, so dass eine durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzellenanordnung eine Ausgangsspannung von über 100 V bereitstellt. Die einzelnen Brennstoffzellen tragen zu dieser Ausgangsspannung jeweils mit einer Zellenspannung zwischen etwa 0,2 V und 0,7 V bei, wobei die Zellenspannung stark abhängig von dem Betriebszustand der Brennstoffzellen ist. Dies hat zur Folge, dass in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennstoffzellen auch die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung stark schwankt. Um diese Schwankung zu kompensieren, sind Anpassschaltungen bekannt, welche die schwankende Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung wandeln, so dass eine Gleichspannung bereitgestellt wird, welche über eine minimal geforderte Betriebsspannung für den Antriebsmotor des Fahrzeugs und für einen Versorgungsbus für die Peripheriekomponenten liegt.each Fuel cell system has a plurality, usually more than 100, Fuel cells, which are usually connected in series are such that one formed by the plurality of fuel cells Fuel cell assembly an output voltage of about 100V provides. The individual fuel cells contribute to this Output voltage each with a cell voltage between about 0.2V and 0.7V at, with cell voltage strongly dependent from the operating state of the fuel cells. As a consequence, that depending on the operating condition of the fuel cells Also, the output voltage of the fuel cell assembly varies widely. To compensate for this variation, matching circuits are known, which the fluctuating output voltage of the fuel cell assembly convert, so that a DC voltage is provided, which over a minimum required operating voltage for the drive motor of the vehicle and for a supply bus for the peripheral components is located.

Beispielsweise offenbart die Druckschrift US 6,428,918 81 ein Brennstoffzellenversorgungssystem, welches einen Konverter aufweist, der die durch eine Brennstoffzellenanordnung erzeugte Energie mit schwankender Ausgangsspannung so konvertiert, dass die Ausgangsenergie mit im wesentlich konstanter Spannungsamplitude bereitgestellt wird.For example, the document discloses US Pat. No. 6,428,918 81 a fuel cell supply system having a converter that converts the energy generated by a fuel cell assembly with fluctuating output voltage so that the output energy is provided at a substantially constant voltage amplitude.

Die Druckschrift PAJ 20032003663 A (publication number), die wohl den nächst kommenden Stand der Technik bildet, zeigt ebenfalls eine Brennstoffzellenversorgungsvorrichtung mit einem DC/DC-Konverter, welcher von einer Steuereinrichtung angesteuert wird und der derart verschaltet ist, dass am Ausgang des DC/DC-Konverter ein vorbestimmter Ausgangswert anliegt.The Publication PAJ 20032003663 A (publication number), probably the Next state of the art forms, also shows a fuel cell supply device with a DC / DC converter, which is controlled by a control device and the like is connected at the output of the DC / DC converter, a predetermined Output value is present.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anpassschaltung für ein Brennstoffzellensystem, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Fahrzeug vorzuschlagen, welches eine wirtschaftliche Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a matching circuit for a fuel cell system, a drive system for a Vehicle and a method for operating a drive system to propose for a vehicle which is an economic Operation of the fuel cell system allows.

Diese Aufgabe wird durch eine Anpassschaltung für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Antriebssystem für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie mit einem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den Figuren.These The object is achieved by a matching circuit for a fuel cell system with the features of claim 1, a drive system for a vehicle with the features of claim 10 and with a Method for operating a drive system for a vehicle with a fuel cell system having the features of the claim 11 solved. Preferred or advantageous embodiments The invention will become apparent from the dependent claims, the following description and / or the figures.

Erfindungsgemäß wird eine Anpassschaltung bzw. eine Vorrichtung mit dieser Anpassschaltung vorgeschlagen, welche für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist.According to the invention a matching circuit or a device with this matching circuit proposed which for a fuel cell system of a Vehicle is suitable and / or trained.

Eingangsseitig weist die Anpassschaltung eine Eingangsschnittstelle auf, welche zum Anschluss einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems ausgebildet, verschaltet und/oder verschaltbar ist, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung an der Eingangsschnittstelle anliegt. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, jeweils mit mehreren Brennstoffzellen, die insbesondere mit Wasserstoff aus einem Tank oder von einem Reformator betrieben werden. Insbesondere ist die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung als die gemeinsame Spannung aller Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem und/oder der Brennstoffzellenanordnung definiert.On the input side the matching circuit has an input interface which for connecting a fuel cell arrangement of the fuel cell system trained, interconnected and / or interconnected, wherein in operation the fuel cell system, an output voltage of the fuel cell assembly is present at the input interface. The fuel cell assembly preferably comprises one or more fuel cell stacks, each with multiple fuel cells, especially with hydrogen be operated from a tank or from a reformer. Especially is the output voltage of the fuel cell assembly as the common Voltage of all fuel cells in the fuel cell system and / or the fuel cell assembly defined.

Ausgangsseitig weist die Anpassschaltung eine Antriebsausgangsschnittstelle auf, welche zur Versorgung eines Energiestrangs für einen Antriebsmotor mit einer Antriebsspannung ausgebildet, verschaltet und/oder verschaltbar ist. Der Energiestrang endet vorzugsweise in einem DC/AC-Wandler, welcher die Antriebsspannung in eine Wechselspannung für den Antriebsmotor umwandelt.On the output side the matching circuit has a drive output interface, which supply a power train for a drive motor formed with a drive voltage, interconnected and / or interconnected is. The power train preferably ends in a DC / AC converter, which converts the drive voltage into an AC voltage for converts the drive motor.

Im Rahmen der Erfindung wird eine Versorgungsausgangsschnittstelle der Anpassschaltung vorgeschlagen, welche zur Versorgung eines Versorgungsbus für Peripheriekomponenten der Brennstoffzellenanordnung mit einer Versorgungsspannung ausgebildet, verschaltet und/oder verschaltbar ist. Der Versorgungsbus ist insbesondere als Hochspannungsbus, vorzugsweise mit einer Versorgungsspannung größer als 150 V, insbesondere größer als 170 V, im speziellen größer als 180 V, ausgebildet. Die Peripheriekomponenten der Brennstoffzellenanordnung dienen zur Versorgung der Brennstoffzellen mit den Betriebsstoffen, wie z. B. Brennstoff, Oxidant, Wasser, und/oder zur Sicherstellung von Betriebsbedingungen, wie z. B. Betriebsdruck oder Temperatur der Arbeitsgase oder Betriebsstoffe, und umfassen vorzugsweise eine beliebige Auswahl der nachfolgenden Einrichtungen: Kompressoren, Ventile, Entfeuchter, Befeuchter, Ventilatoren, etc.In the context of the invention, a supply output interface of the matching circuit proposed, which is designed to supply a supply bus for peripheral components of the fuel cell assembly with a supply voltage, interconnected and / or interconnected. The supply bus is designed in particular as a high-voltage bus, preferably with a supply voltage greater than 150 V, in particular greater than 170 V, in particular greater than 180 V. The peripheral components of the fuel cell assembly are used to supply the fuel cells with the operating materials, such. As fuel, oxidant, water, and / or to ensure operating conditions such. Operating pressure or temperature of the working gases or supplies, and preferably include any selection of the following devices: compressors, valves, dehumidifiers, humidifiers, fans, etc.

Die Anpassschaltung ist erfindungsgemäß in einen Sonderbetriebszustand schaltbar, in dem die Versorgungsspannung betragsmäßig größer als die Antriebsspannung ausgebildet ist.The Matching circuit is according to the invention in a special operating condition switchable, in which the supply voltage in terms of amount greater than the drive voltage is formed.

In diesem Sonderbetriebszustand wird der Energiestrang und der Versorgungsbus mit unterschiedlichen Spannungen versorgt, wobei die Spannungsdifferenz vorzugsweise über einen längeren Zeitraum von mindestens 5 Sekunden, vorzugsweise mindestens 30 Sekunden, insbesondere mindestens 2 Minuten erhalten bleibt und/oder größer als 5 V, vorzugsweise größer als 15 V, insbesondere größer als 25 V ausgebildet ist.In This special mode is the power line and the supply bus supplied with different voltages, the voltage difference preferably over a longer period of time at least 5 seconds, preferably at least 30 seconds, in particular maintained for at least 2 minutes and / or greater as 5 V, preferably greater than 15 V, in particular greater than 25 V is formed.

Eine Überlegung der Erfindung ist es, dass Sonderbetriebszustände des Brennstoffzellensystems auftreten können, in denen es wünschenswert ist, die Betriebsspannungen der Brennstoffzellen und somit die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung gering zu halten. Beispielsweise tritt ein derartiger Sonderbetriebszustand bei einem Kalt- oder Gefrierstart eines Brennstoffzellensystems auf, während dem das Brennstoffzellensystem eine Temperatur deutlich unterhalb der normalen Betriebstemperatur aufweist. In diesem Sonderbetriebszustand stellt sich die Aufgabe, das Brennstoffzellensystem von der Temperatur unterhalb der normalen Betriebstemperatur, insbesondere unterhalb von 0°C, auf die normale Betriebstemperatur von z. B. 80°C zu bringen. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass die Brennstoffzellen mit einer sehr geringen Betriebsspannung betrieben werden, da die abgegebene Wärme oder Verlustwärme der Brennstoffzellenanordnung umgekehrt proportional zu der Betriebsspannung der Brennstoffzellen bzw. der Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung ist. Üblicherweise wird bei diesem Vorgehen dann eine Anpassschaltung verwendet, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung zu einer Spannung zu wandeln, deren minimale Amplitude durch die Anforderungen des Fahrzeugs bestimmt ist.A consideration The invention is that special operating conditions of the fuel cell system can occur where it is desirable the operating voltages of the fuel cells and thus the output voltage to keep the fuel cell assembly low. For example, occurs Such a special operating state at a cold or freeze start a fuel cell system during which the fuel cell system a temperature well below the normal operating temperature having. In this special operating state, the task arises the fuel cell system from the temperature below normal Operating temperature, in particular below 0 ° C, on the normal operating temperature of z. B. to bring 80 ° C. This could be achieved by the fuel cells be operated with a very low operating voltage, as the emitted heat or heat loss of the fuel cell assembly inversely proportional to the operating voltage of the fuel cells or the output voltage of the fuel cell assembly is. Usually In this procedure, then a matching circuit is used to the output voltage of the fuel cell assembly to a voltage whose minimum amplitude is due to the requirements of the Vehicle is determined.

Bei der Erfindung wurde dagegen erkannt, dass es nicht notwendig ist, die gesamte Antriebsenergie auf eine gemeinsame Spannung zu wandeln, sondern dass es vorteilhaft ist, die Versorgungsspannung für den Versorgungsbus und die Antriebsspannung für den Energiestrang unterschiedlich oder unabhängig voneinander an die Bedürfnisse der jeweilig zugeordneten Verbraucher anzupassen. Der Antriebsmotor ist nämlich in der Lage, insbesondere bei geringen Geschwindigkeiten, mit einer kleineren Antriebsspannung ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen.at On the other hand, the invention recognizes that it is not necessary to but to convert the entire drive energy to a common voltage that it is advantageous to supply the supply voltage for Supply bus and the drive voltage for the power train different or independently to the needs to adapt to the respective assigned consumer. The drive motor is capable, in particular at low speeds, of with a smaller drive voltage sufficient torque to create.

Somit wurde festgestellt, dass – auch bei geringer Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung – die Antriebsspannung nicht unbedingt mittels einer Anpassschaltung gegenüber der Ausgangsspannung erhöht werden muss. In dem Sonderbetriebszustand ist es folglich möglich, die Brennstoffzellenanordnung mit einer geringen Ausgangsspannung, zum Beispiel weniger als 50% oder 30% der maximalen Ausgangsspannung, zu betreiben und nur die Versorgungsspannung für die Peripheriekomponenten anzupassen, die Antriebsspannung jedoch auf dem Niveau der Ausgangsspannung zu belassen.Consequently it was found that - even at low output voltage the fuel cell assembly - the drive voltage is not necessarily by means of a matching circuit with respect to the output voltage must be increased. It is in the special mode consequently possible, the fuel cell assembly with a low output voltage, for example less than 50% or 30% of the maximum output voltage, operate and only the supply voltage for the peripheral components, the drive voltage However, to leave at the level of the output voltage.

Dies führt zu dem Vorteil, dass die Anpassschaltung für diesen Sonderbetriebszustand nur zur Anpassung der Spannung für einen Teil der Ausgangsleistung der Brennstoffzellenanordnung ausgelegt sein muss. Nachdem der Großteil der Ausgangsleistung der Brennstoffzellenanordnung in den Energiestrang geführt wird, kann die Anpassschaltung entsprechend klein und somit kostengünstig ausfallen. Die Anpassschaltung kann beispielsweise auf weniger als 40% vorzugsweise weniger als 25% insbesondere weniger als 10% der Maximalleistung der Brennstoffzellenanordnung ausgelegt sein.This leads to the advantage that the matching circuit for this special operating condition only for adjusting the voltage for designed a part of the output of the fuel cell assembly have to be. After the bulk of the output of the Fuel cell assembly out in the power train is, the matching circuit can be correspondingly small and therefore cost fail. The matching circuit may, for example, be less than 40% preferably less than 25%, in particular less than 10% of Maximum power of the fuel cell assembly to be designed.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anpassschaltung so ausgebildet, dass in dem Sonderbetriebszustand die Antriebsspannung der Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung entspricht. Insbesondere entsprechen sich jeweils die zeitlich gemittelten oder geglätteten Amplituden. In diese r Ausführungsform ist vorzugsweise zwischen der Antriebsausgangsschnittstelle und der Eingangsschnittstelle bzw. zwischen dem Energiestrang und der Brennstoffzellenanordnung kein DC/DC-Wandler zwischengeschaltet, der eine Boost-Funktionalität aufweist.at a preferred embodiment of the invention is the Matching circuit designed so that in the special operating state the drive voltage of the output voltage of the fuel cell assembly equivalent. In particular, the time averaged correspond in each case or smoothed amplitudes. In this embodiment is preferably between the drive output interface and the input interface or between the power train and the Fuel cell arrangement no DC / DC converter interposed, which has a boost functionality.

Vorzugsweise ist in dem Sonderbetriebszustand vorgesehen, dass die Antriebsspannung und/oder die Ausgangsspannung ausreichend zur Versorgung des Antriebsmotors für einen Fahrbetrieb ausgebildet ist. Diese Bedingung erlaubt die Reduzierung der von einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugten Spannung auf Werte von kleiner als 0,3 V, vorzugsweise kleiner als 0,2 V pro Zelle. Auf diese Weise ist es auch in dem Sonderbetriebszustand möglich, dass das Fahrzeug mit der Energie des Brennstoffzellensystems im Fahrbetrieb bewegt werden kann. Zumindest ist dadurch ein Notfahrbetrieb oder ein Betrieb mit eingeschränkter Leistung möglich.Preferably, it is provided in the special operating state that the drive voltage and / or the output voltage is sufficiently designed to supply the drive motor for a driving operation. This condition allows the reduction of the voltage generated by a single fuel cell to values less than 0.3 V, preferably less than 0.2 V per cell. In this way it is also possible in the special operating state that the vehicle can be moved while driving with the energy of the fuel cell system. At least an emergency or a limited power operation is possible thereby.

Bei einer konstruktiven Realisierung weist die Anpassschaltung ein Konvertermodul auf, welches zur Konvertierung der Ausgangsspannung in die Versorgungsspannung ausgebildet und/oder verschaltet ist. Bevorzugt ist das Konvertermodul als ein DC/DC-Wandler ausgebildet, welcher insbesondere als Gleichstromsteller, DC/DC-Steller und/oder getakteter Spannungssteller ausgebildet ist. Insbesondere ist das Konvertermodul als Boost-Konverter ausgebildet bzw. umfasst einen Boost-Konverter.at a constructive realization, the matching circuit has a converter module which is used to convert the output voltage into the supply voltage is formed and / or interconnected. The converter module is preferred formed as a DC / DC converter, which in particular as a DC chopper, DC / DC controller and / or clocked voltage controller is formed. In particular, the converter module is designed as a boost converter or includes a boost converter.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konvertermodul ausschließlich dem Versorgungsbus zugeordnet, bzw. die Anpassschaltung weist nur das ausschließlich dem Versorgungsbus zugeordnete Konvertermodul auf.at A preferred embodiment is the converter module exclusively assigned to the supply bus, or the Matching circuit has only the exclusively assigned to the supply bus Converter module.

Insbesondere um eine Umschaltung von dem Sonderbetriebszustand in einen normalen Betriebszustand zu erlauben, ist das Konvertermodul vorzugsweise selbst überbrückend und/oder mit einem aktivierbaren Bypass zur Überbrückung des Konvertermoduls ausgebildet. Ein separater aktivierbarer Bypass wird vorzugsweise eingesetzt, wenn das Konvertermodul sich nicht selbst überbrückt, sobald die anliegende Ausgangsspannung größer als die geforderte Versorgungsspannung für den Versorgungsbus ist.Especially to switch from the special mode to a normal one To allow operating state, the converter module is preferred self-bridging and / or with an activatable Bypass formed for bridging the converter module. A separate activatable bypass is preferably used, if the converter module does not bridge itself, as soon as the applied output voltage increases as the required supply voltage for the supply bus is.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anpassschaltung eine Steuervorrichtung auf, welche zur Aktivierung des Sonderbetriebszustands ausgebildet ist. Die Aktivierung des Sonderbetriebszustandes erfolgt insbesondere, sobald die Ausgangsspannung unter eine, insbesondere einstellbare minimale Versorgungsspannung für den Versorgungsbus fällt. Diese minimale Versorgungsspannung ist größer oder gleich der minimalen Spannungsanforderung der Peripheriekomponenten. Beispielsweise sind mindestens eine, einige oder alle der Peripheriekomponenten nur über der minimalen Spannungsanforderung betreibbar.at a preferred embodiment, the matching circuit a control device, which for activating the special operating state is trained. The activation of the special operating state takes place in particular, as soon as the output voltage falls below one, in particular adjustable minimum supply voltage for the supply bus falls. This minimum supply voltage is greater or equal to the minimum voltage requirement of the peripheral components. For example, at least one, some, or all of the peripheral components operable only over the minimum voltage requirement.

Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung ausgebildet, dass der Sonderbetriebszustand aktiviert wird, sobald ein Kalt- oder Gefrierstart des Brennstoffzellensystems bestimmt oder gemeldet ist. Ein Kalt- oder Gefrierstarts liegt insbesondere vor, wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen unter der normalen Betriebstemperatur, zum Beispiel 80°C liegen und im speziellen, wenn die Betriebstemperatur kleiner als 0°C ausgebildet ist.Preferably the control device is designed such that the special operating state is activated as soon as a cold or freeze start of the fuel cell system is determined or reported. A cold or freeze starts in particular before, when the operating temperature of the fuel cell is below normal Operating temperature, for example 80 ° C and in particular, when the operating temperature is less than 0 ° C is.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, welches erfindungsgemäß eine Anpassschaltung aufweist, wie sie zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Anpassschaltung ist bestimmungsgemäß mit der Brennstoffzellenanordnung, mit dem Energiestrang und mit dem Versorgungsbus verschaltet.One Another object of the invention relates to a drive system for a vehicle with a fuel cell system, which according to the invention a Matching circuit, as previously described or after one of the preceding claims. The matching circuit is intended with the fuel cell assembly, with the power line and connected to the supply bus.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem in einem Sonderbetriebszustand, insbesondere bei einem Kalt- oder Gefrierstart, wobei vorzugsweise die zuvor beschriebene Anpassschaltung und/oder das zuvor beschriebene Antriebssystem bzw. jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche Verwendung findet.One Another object of the invention relates to a method of operation a drive system for a vehicle having a fuel cell system in a special operating condition, especially in a cold or Freezing start, wherein preferably the previously described matching circuit and / or the drive system described above or in each case according to one of previous claims is used.

In dem Sonderbetriebszustand ist die Betriebsspannung einer bzw. der Brennstoffzellenanordnung betragsmäßig kleiner als eine minimale vorgegebene Versorgungsspannung eines bzw. des Versorgungsbus für Peripheriekomponenten. Es wird ein Energiestrang für einen oder den Antriebsmotor mit der Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung als Antriebsspannung und der Versorgungsbus mit einer gewandelten Ausgangsspannung als Versorgungsspannung versorgt, wobei die gewandelte Ausgangsspannung betragsmäßig größer als die minimale Versorgungsspannung und/oder als die Antriebsspannung ausgebildet ist.In the special operating state is the operating voltage of one or Fuel cell arrangement in terms smaller in size as a minimum predetermined supply voltage of one or the supply bus for peripheral components. It becomes an energy strand for one or the drive motor with the output voltage of the fuel cell assembly as drive voltage and the supply bus with a converted Output voltage supplied as a supply voltage, wherein the converted Output voltage greater in magnitude as the minimum supply voltage and / or as the drive voltage is trained.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigt:Further Features, advantages and effects of the inventions emerge the following description of an embodiment the invention and the accompanying figures. Showing:

1 ein Blockschaltbild eines Antriebssystems in einem Fahrzeug als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a block diagram of a drive system in a vehicle as an embodiment of the invention;

2 das Blockschaltbild in 1 mit weiteren, optionalen Details. 2 the block diagram in 1 with further, optional details.

Einander entsprechende Komponenten sind in den beiden Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding components are in each of the two figures provide the same reference numerals.

Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 und einem Energiestrang 3. Der Energiestrang 3 umfasst einen DC/AC-Wandler 4, welcher eine Antriebsspannung UA, die als Gleichspannung ausgebildet ist, in eine Wechselspannung wandelt und damit einen Antriebsmotor 5 versorgt, so dass dieser das Fahrzeug 1 im Fahrbetrieb antreiben kann.The 1 shows a highly schematic representation of a vehicle 1 with a fuel cell system 2 and an energy strand 3 , The energy strand 3 includes a DC / AC converter 4 which converts a drive voltage UA, which is designed as a DC voltage, into an AC voltage and thus a drive motor 5 supplied, so that this the vehicle 1 can drive while driving.

Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzellenanordnung 6 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 7 in einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln auf. Die Brennstoffzellenanordnung 6 stellt an ihrem Leistungsausgang eine Spannung US zur Verfügung.The fuel cell system 2 has a fuel cell assembly 6 with a plurality of fuel cells 7 in one or more fuel cell stacks. The fuel cell assembly 6 Provides a voltage US at its power output.

Eine Anpassschaltung 8 des Brennstoffzellensystems 2 ist über Eingangsschnittstellen 9 mit der Brennstoffzellenanordnung 6, insbesondere dem Leistungsausgang, elektrisch leitend verbunden, so dass die Ausgangsspannung US der Brennstoffzellenanordnung 6 an der Anpassschaltung 8 als Eingangsspannung US anliegt.A matching circuit 8th of the fuel cell system 2 is via input interfaces 9 with the fuel cell assembly 6 , in particular the power output, electrically conductively connected, so that the output voltage US of the fuel cell assembly 6 at the matching circuit 8th as input voltage US is present.

Ausgangsseitig weist die Anpassschaltung 8 Versorgungsausgangsschnittstellen 10 auf, an denen ein Versorgungsbus 11 für Peripheriekomponenten 12 angeordnet ist, so dass dieser mit einer Versorgungsspannung UV versorgt ist. Der Versorgungsbus 11 ist beispielsweise als ein Hochspannungsbus mit einer Spannung UV > 170 V ausgebildet. Die Peripheriekomponenten werden neudeutsch auch mit dem Begriff BOP (Balance-Of-Plant) bezeichnet und umfassen Komponenten, die im Betrieb und zur Versorgung der Brennstoffzellenanordnung 6, wie zum Beispiel Kompressoren, Lüfter, Ventilatoren, Heizungen und dergleichen notwendig sind.On the output side, the matching circuit 8th Supply output interface 10 on where a utility bus 11 for peripheral components 12 is arranged so that it is supplied with a supply voltage UV. The supply bus 11 is for example designed as a high voltage bus with a voltage UV> 170V. The peripheral components are also known by the term BOP (Balance-Of-Plant) and include components that are in operation and supply to the fuel cell assembly 6 , such as compressors, fans, fans, heaters and the like are necessary.

An einer Antriebsausgangsschnittstelle 13 der Anpassschaltung liegt die Antriebsspannung UA an, wobei Antriebsausgangsschnittstelle 13 mit dem Energiestrang 3 leitend verbunden ist.At a drive output interface 13 the matching circuit is the drive voltage UA, wherein drive output interface 13 with the energy strand 3 is conductively connected.

In einem normalen Betriebszustand wird das Brennstoffzellensystem 2 so betrieben bzw. gesteuert, so dass an der Versorgungsausgangsschnittstelle 10 und an der Antriebsausgangsschnittstelle 13 jeweils die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Spannung (UA = UV) anliegen.In a normal operating condition, the fuel cell system becomes 2 operated or controlled so that at the supply output interface 10 and at the drive output interface 13 each the same or substantially the same voltage (UA = UV) abut.

In Sonderbetriebszuständen, zum Beispiel während eines Kalt- oder Gefrierstarts der Brennstoffzellenanordnung 6 ist jedoch die Ausgangsspannung US der Brennstoffzellenanordnung 6 kleiner als die minimal notwendige Versorgungsspannung UV ausgebildet. Die minimale Versorgungsspannung UV ist durch die kleinste Spannung definiert, mit der einige, alle oder alle notwendigen Peripheriekomponenten 12 noch betreibbar sind.In special operating conditions, for example during a cold or freeze start of the fuel cell assembly 6 however, is the output voltage US of the fuel cell assembly 6 smaller than the minimum necessary supply voltage UV formed. The minimum supply voltage UV is defined by the smallest voltage with which some, all or all necessary peripheral components 12 are still operable.

Um die Funktionsfähigkeit der Peripheriekomponenten 12 sicherzustellen, wird die Ausgangsspannung US über einen DC/DC-Wandler gewandelt, so dass die Versorgungsspannung UV > US und zugleich größer als die minimal notwendige Versorgungsspannung UV ausgebildet ist. Die Antriebsspannung UA bleibt dagegen ungewandelt und entspricht bzw. entspricht im Wesentlichen der Ausgangsspannung US. Mit dieser gegenüber dem normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 2 verringerten Antriebsspannung UA ist es trotzdem möglich, den Antriebsmotor 5 ausreichend zu versorgen und einen leistungsreduzierten Betrieb, insbesondere Schon- oder Notbetrieb des Fahrzeugs 1 zu erreichen.To the functionality of the peripheral components 12 To ensure the output voltage US is converted via a DC / DC converter, so that the supply voltage UV> US and at the same time greater than the minimum necessary supply voltage UV is formed. The drive voltage UA, however, remains unconverted and corresponds or substantially corresponds to the output voltage US. With this over the normal operating condition of the fuel cell system 2 reduced drive voltage UA, it is still possible, the drive motor 5 to provide sufficient and a reduced-power operation, especially light or emergency operation of the vehicle 1 to reach.

Die Anpassschaltung 8 ist dabei so ausgebildet, dass nur maximal 10% oder maximal 20% der Gesamtleistung der Brennstoffzellenanordnung 6 im normalen Betriebszustand oder im Sonderbetriebszustand gewandelt werden können. Damit kann die Anpassschaltung 8 mit vergleichsweise leistungsschwachen Wandelkomponenten ausgebildet sein und zugleich sehr gute Eigenschaften des Brennstoffzellensystems 2 auch während eines Kalt- oder Gefrierstarts sicherstellen.The matching circuit 8th is designed so that only a maximum of 10% or a maximum of 20% of the total power of the fuel cell assembly 6 can be converted in the normal operating state or in the special operating state. This allows the matching circuit 8th be formed with comparatively low-power conversion components and at the same time very good properties of the fuel cell system 2 even during a cold or freeze start.

Die 2 zeigt das Fahrzeug 1 mit dem Brennstoffzellensystem 2 in gleicher Darstellung wie in 1, wobei jedoch eine optionale, schaltungstechnische Ausgestaltung der Anpassschaltung 8 gezeigt ist. Wie sich aus der Darstellung in der 2 ergibt, wird die Ausgangsspannung US durch die Anpassschaltung 8 durchgeschleift, so dass an die Antriebsausgangsschnittstelle 13 als Antriebsspannung UA die Ausgangsspannung US anliegt. Dagegen ist jedoch zwischen der Eingangsschnittstelle 9 und der Versorgungsausgangsschnittstelle 10 ein DC/DC-Booster 14 zwischengeschaltet, welcher die Wandlung der Ausgangsspannung US in die höhere Versorgungsspannung UV umsetzt. Für den Fall, dass die Ausgangsspannung UA größer als die minimal notwendige Versorgungsspannung UV ist, weist die Anpassschaltung 8 einen schaltbaren Bypass 15 auf, der schaltungstechnisch parallel zu dem DC/DC-Booster 14 angeordnet ist und diesen bei Aktivierung überbrückt. Oftmals weist jedoch bereits der DC/DC-Booster 14 eine Selbstüberbrückungsfunktion auf, so das der Bypass 15 entfallen kann.The 2 shows the vehicle 1 with the fuel cell system 2 in the same representation as in 1 , but with an optional circuit design of the matching circuit 8th is shown. As can be seen from the presentation in the 2 results, the output voltage US through the matching circuit 8th looped through so that to the drive output interface 13 as the drive voltage UA, the output voltage US is applied. In contrast, however, is between the input interface 9 and the utility exit interface 10 a DC / DC booster 14 interposed, which converts the conversion of the output voltage US in the higher supply voltage UV. In the event that the output voltage UA is greater than the minimum necessary supply voltage UV, has the matching circuit 8th a switchable bypass 15 on, the circuitry parallel to the DC / DC booster 14 is arranged and bridges this when activated. Often, however, already indicates the DC / DC booster 14 a self-bypass function, so the bypass 15 can be omitted.

11
Fahrzeugvehicle
22
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
33
Energiestrangpower train
44
DC/AC-WandlerDC / AC converter
55
Antriebsmotordrive motor
66
BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly
77
Brennstoffzellenfuel cells
88th
Anpassschaltungmatching
99
EingangsschnittstellenInput interfaces
1010
VersorgungsausgangsschnittstellenSupply output interface
1111
Versorgungsbussupply bus
1212
Peripheriekomponentenperipherals
1313
AntriebsausgangsschnittstelleDrive output interface
1414
DC/DC-BoosterDC / DC Booster
1515
Bypassbypass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 642891881 [0004] - US 642891881 [0004]

Claims (12)

Anpassschaltung (8) für ein Brennstoffzellensystem (2) eines Fahrzeugs (1) mit einer Eingangsschnittstelle (9) zum Anschluss einer Ausgangsspannung (US) einer Brennstoffzellenanordnung (6) des Brennstoffzellensystems (2), mit einer Antriebsausgangsschnittstelle (13) zur Versorgung eines Energiestrangs (3) für einen Antriebsmotor (5) mit einer Antriebsspannung (UA), gekennzeichnet durch eine Versorgungsausgangsschnittstelle (10) zur Versorgung eines Versorgungsbus (11) für Peripheriekomponenten (12) mit einer Versorgungsspannung (UV), wobei die Anpassschaltung (8) in einen Sonderbetriebszustand schaltbar ist, in dem die Versorgungsspannung (UV) betragsmäßig größer als die Antriebsspannung (UA) ausgebildet ist.Matching circuit ( 8th ) for a fuel cell system ( 2 ) of a vehicle ( 1 ) with an input interface ( 9 ) for connecting an output voltage (US) of a fuel cell arrangement ( 6 ) of the fuel cell system ( 2 ), with a drive output interface ( 13 ) for supplying an energy train ( 3 ) for a drive motor ( 5 ) with a drive voltage (UA), characterized by a supply output interface ( 10 ) for supplying a supply bus ( 11 ) for peripheral components ( 12 ) with a supply voltage (UV), wherein the matching circuit ( 8th ) can be switched to a special operating state, in which the supply voltage (UV) is greater in magnitude than the drive voltage (UA) is formed. Anpassschaltung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassschaltung (8) ausgebildet ist, dass in dem Sonderbetriebszustand die Antriebsspannung (UA) der Ausgangsspannung (US) der Brennstoffzellenanordnung entspricht.Matching circuit ( 8th ) according to claim 1, characterized in that the matching circuit ( 8th ) is formed such that in the special operating state, the drive voltage (UA) corresponds to the output voltage (US) of the fuel cell assembly. Anpassschaltung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspannung (UA) ausreichend zur Versorgung des Antriebsmotors (5) für einen Fahrbetrieb ist.Matching circuit ( 8th ) according to claim 1 or 2, characterized in that the drive voltage (UA) sufficient for the supply of the drive motor ( 5 ) is for a driving operation. Anpassschaltung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Konvertermodul (14), welches zur Konvertierung der Ausgangsspannung (US) in die Versorgungsspannung (UV) ausgebildet und/oder verschaltet ist.Matching circuit ( 8th ) according to one of the preceding claims, characterized by a converter module ( 14 ), which is designed to convert the output voltage (US) into the supply voltage (UV) and / or connected. Anpassschaltung (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvertermodul (14) als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, welcher ausschließlich dem Versorgungsbus (11) zugeordnet ist.Matching circuit ( 8th ) according to claim 4, characterized in that the converter module ( 14 ) is designed as a DC / DC converter, which exclusively to the supply bus ( 11 ) assigned. Anpassschaltung (8) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvertermodul als Boost-Modul (14) ausgebildet ist.Matching circuit ( 8th ) according to one of claims 4 or 5, characterized in that the converter module as a boost module ( 14 ) is trained. Anpassschaltung (8) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen aktivierbaren Bypass (15), der schaltungstechnisch parallel zu dem Konvertermodul (14) und zu dessen Überbrückung angeordnet ist.Matching circuit ( 8th ) according to one of claims 4 to 6, characterized by an activatable bypass ( 15 ), which in terms of circuitry parallel to the converter module ( 14 ) and is arranged to bridge it. Anpassschaltung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung, welche zur Aktivierung des Sonderbetriebszustand ausgebildet ist, sobald die Ausgangsspannung (US) unter eine minimale Versorgungsspannung (UV) fällt.Matching circuit ( 8th ) according to one of the preceding claims, characterized by a control device which is designed to activate the special operating state as soon as the output voltage (US) falls below a minimum supply voltage (UV). Anpassschaltung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder die Steuervorrichtung, welche zur Aktivierung des Sonderbetriebszustands ausgebildet ist, sobald ein Kaltstart des Brennstoffzellensystems bestimmt ist.Matching circuit ( 8th ) according to one of the preceding claims, characterized by one or the control device, which is designed to activate the special operating state, as soon as a cold start of the fuel cell system is determined. Antriebssystem für ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2), gekennzeichnet, durch eine Anpassschaltung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Drive system for a vehicle ( 1 ) with a fuel cell system ( 2 ), characterized by a matching circuit ( 8th ) according to any one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems für ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) in einem Sonderbetriebszustand, vorzugsweise unter Verwendung einer Anpassschaltung (8) und/oder des Antriebssystems jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Sonderbetriebszustand die Ausgangsspannung (US) einer Brennstoffzellenanordnung (6) betragsmäßig kleiner als eine minimale Versorgungsspannung (UV) eines Versorgungsbus (11) für Peripheriekomponenten (12) ausgebildet ist, wobei ein Energiestrang (3) für einen Antriebsmotor (5) mit der Ausgangsspannung (US) als Antriebsspannung (UA) und wobei der Versorgungsbus (11) mit einer gewandelten Ausgangsspannung versorgt wird, wobei die gewandelte Ausgangsspannung betragsmäßig größer als die minimale Versorgungsspannung (UV) und/oder als die Antriebsspannung (UA) ausgebildet ist.Method for operating a drive system for a vehicle ( 1 ) with a fuel cell system ( 2 ) in a special operating state, preferably using a matching circuit ( 8th ) and / or the drive system according to any one of the preceding claims, wherein in the special operating state, the output voltage (US) of a fuel cell assembly ( 6 ) smaller than a minimum supply voltage (UV) of a supply bus ( 11 ) for peripheral components ( 12 ), wherein an energy strand ( 3 ) for a drive motor ( 5 ) with the output voltage (US) as the drive voltage (UA) and with the supply bus ( 11 ) is supplied with a converted output voltage, wherein the converted output voltage is greater in magnitude than the minimum supply voltage (UV) and / or as the drive voltage (UA) is formed. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderbetriebszustand als Kalt- oder Gefrierstart ausgebildet ist.Method according to claim 11, characterized in that that the special operating condition designed as a cold or freeze start is.
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