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Hintergrund der Erfindung
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Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich allgemein auf Systeme, die ihre Energie
aus Brennstoffzellen beziehen, und im einzelnen auf eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Verlängerung
der Lebensdauer und Steigerung der Effizienz derartiger Systeme.
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Die
Brennstoffzellentechnik ist in Fahrzeuge eingebaut worden, die von
Personenkraftwagen und Bussen bis zu Gabelstaplern reichen. Während die Fahrzeuge,
die Brennstoffzellenantriebssysteme verwenden, niedrige bis fast
gar keine Emissionen erzeugen können,
erhöht
die Einbeziehung von Brennstoffzellensystemen in derartige Fahrzeuge
typischerweise die Kosten des Fahrzeugs (sowohl bei den Anschaffungskosten
als auch bei den Betriebskosten infolge einer relativ kurzen Lebensdauer
des Brennstoffzellensystems) und verringert die Reichweite, die
die Fahrzeuge zurücklegen
können.
Dementsprechend ist die Akzeptanz von Fahrzeugen mit Brennstoffzellentechnik
auf dem Markt im Allgemeinen gering gewesen.
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Typischerweise
sind Brennstoffzellenantriebssysteme so bemessen, dass sie den transienten
Spitzenbedarf für
den Betrieb des Systems erfüllen.
Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug treten die transienten Spitzen
allgemein in Phasen starker Beschleunigung auf, in denen das System
der Brenn stoffzelle wesentlich mehr Leistung entnimmt als in den
Phasen, in denen sich das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit
fortbewegt. Die Bemessung der Brennstoffzellen zur Erfüllung des
Spitzenleistungsbedarfs in Phasen starker Beschleunigung kann zu
Fahrzeugen führen,
die Brennstoffzellen enthalten, die wesentlich größer sind,
als es für
die Mehrzahl der Fahrsituationen erwünscht ist.
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Die
Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen mit Einzelbrennstoffzellen,
die zur Erfüllung der
Anforderungen des Maximalleistungsbedarfs ausgelegt sind, führt typischerweise
zu Brennstoffzellen, die teuer und schwer sind und eine kurze Lebensdauer
aufweisen. Weil die Lebensdauer einer Brennstoffzelle allgemein
abnimmt, wenn die Gesamtzahl der transienten Vorgänge, der
die Brennstoffzelle ausgesetzt ist, zunimmt, kann das Vorhandensein
einer einzigen großen
Brennstoffzelle zu einem häufigen
Austausch einer der teuersten Komponenten in dem Fahrzeug führen. Weil
die Kosten für den
Austausch einer Brennstoffzelle einen hohen Prozentsatz der Gesamtbetriebskosten
des Fahrzeugs ausmachen können,
sind eine Verringerung der Größe der Brennstoffzellen
und eine Verlängerung
der Lebensdauer der Brennstoffzelle zwei Faktoren bei der Verringerung
der Gesamtkosten des Betriebs von Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein Brennstoffzellenantriebssystem zu haben, das die Anzahl der
Transienten verringert, denen die Brennstoffzelle ausgesetzt ist.
Es wäre
ebenfalls wünschenswert,
ein Antriebssystem zu haben, bei dem die Größe und die Kosten der Brennstoffzelle
gegenüber
den für
die gegenwärtigen
Antriebssysteme typischen Werten verringert werden kann, während eine
Leistungsfähigkeit
geboten wird, die den Systemen mit größeren Brennstoffzellen vergleichbar
ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Ansteuerschaltung geschaffen, die
einen DC-Bus bzw. eine Gleichspannungssammelleitung, die zur Speisung
eines Verbrauchers mit Energie eingerichtet ist, eine erste Brennstoffzelle,
die mit der Gleichspannungssammelleitung verbunden und zur Abgabe
einer ersten Leistung an die Gleichspannungssammelleitung eingerichtet
ist, und eine zweite Brennstoffzelle aufweist, die mit der Gleichspannungssammelleitung
verbunden und dazu eingerichtet ist, zusätzlich zu der ersten Brennstoffzelle
eine zweite Leistung an die Gleichspannungssammelleitung abzugeben.
Die Ansteuerschaltung enthält
weiterhin eine Energiespeichereinrichtung, die mit der Gleichspannungssammelleitung
verbunden und dazu eingerichtet ist, Energie aus der Gleichspannungssammelleitung
aufzunehmen, wenn die gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten Brennstoffzelle
größer als
der Leistungsbedarf des Verbraucher ist, und Energie an die Gleichspannungssammelleitung
abzugeben, wenn die gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten
Brennstoffzelle kleiner als der Leistungsbedarf des Verbrauchers
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren geschaffen,
das enthält:
Einrichten eines Gleichspannungszwischenkreises bzw. eines DC-Link
zur Abgabe elektrischer Leistung an einen Fahrmotor, wobei der Fahrmotor eine
Last an dem Gleichspannungszwischenkreis aufweist, Verbinden einer
ersten Brennstoffzelle und einer zwei ten Brennstoffzelle mit dem
Gleichspannungszwischenkreis, wobei jede der Brennstoffzellen zur
Abgabe elektrischer Leistung an den Gleichspannungszwischenkreis
eingerichtet ist, und Verbinden einer ersten Energiespeichereinrichtung
mit dem Gleichspannungszwischenkreis, wobei die erste Energiespeichereinrichtung
zur Aufnahme von Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis eingerichtet
ist, wenn eine gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten
Brennstoffzelle größer als
eine Leistungsanforderung von einem Verbraucher ist, und zur Abgabe
von Energie an den Gleichspannungszwischenkreis eingerichtet ist,
wenn die gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten Brennstoffzelle
kleiner als die Leistungsanforderung von dem Verbraucher ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellenantriebssystem
geschaffen, das enthält:
Eine erste Brennstoffzelle, die zur Abgabe von Energie an einen
Fahrmotorenverbraucher eines Fahrzeugs eingerichtet ist, eine zweite
Brennstoffzelle, die zur Abgabe von Energie an den Fahrmotorenverbraucher
des Fahrzeugs eingerichtet ist, und eine Energiespeichereinrichtung,
die zur Abgabe von Energie an den Fahrmotorenverbraucher des Fahrzeugs
eingerichtet ist. Das System enthält weiterhin eine Steuerung,
die zum Regeln der Energie zu und von der Energiespeichereinrichtung eingerichtet
ist, so dass die Brennstoffzellen Energie an die Energiespeichereinrichtung
abgeben, wenn die gemeinsame Leistungsabgabe von den Brennstoffzellen
den Energiebedarf des Fahrzeugfahrmotors übersteigt, und die Energiespeichereinrichtung dem
Fahrzeugfahrmotor Energie zuführt,
wenn die gemeinsame Abgabeleistung der Brennstoffzellen kleiner
als der Leistungsbedarf des Fahrmotors des Fahrzeugs ist.
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Verschiedene
weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar, das zur
Zeit zum Ausführen der
Erfindung in Betracht gezogen wird.
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Die
Zeichnungen:
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenantriebssystem gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellenantriebssystem gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ansteuerschaltung zeigt, die in dem
System aus 1 verwendbar ist.
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4 ist
eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform eines Hochsetzstellers
zeigt.
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5 ist
eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform eines bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellers
zeigt.
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6 ist
ein Blockdiagramm, das eine in dem System aus 2 verwendbare
Ansteuerschaltung mit einer alternativen Hochsetzstelleranordnung darstellt.
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7 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ansteuerschaltung darstellt, die in
dem System aus 2 verwendbar ist.
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8 ist
eine grafische Darstellung der Abgabeleistung der Energiespeicherelemente
in einem Brennstoffzellenantriebssystem gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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9 ist
eine grafische Darstellung der Abgabeleistung der Energiespeicherelemente
in einem Brennstoffzellenantriebssystem gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
Erfindung umfasst Ausführungsformen, die
sich auf hybridelektrische Fahrzeuge beziehen. Die Erfindung umfasst
auch Ausführungsformen,
die sich auf eine Hilfsantriebseinrichtung und auf Verfahren zur
Herstellung von Hilfsantriebssystemen beziehen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Hybridfahrzeugantriebssystem 100 in 1 dargestellt.
Elektrische Energie wird über
eine Fahrmotoransteuerschaltung 104 einer Gleichspannungssammelleitung
oder einem Gleichspannungszwischenkreis 102 zugeführt. In
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Fahrmotor 106 mit einem Wechselrichter 108 ver bunden,
der über
die Gleichspannungssammelleitung 102 mit einem dynamischen Retarder 110 verbunden
ist. Eine oberspannungsseitige Energiespeichereinrichtung (ESD für Energy Storage
Device) 112 ist über
die Gleichspannungssammelleitung 102 ebenfalls mit dem
Retarder 110 verbunden. Eine Fahrmotoransteuerschaltung 104 enthält einen
oder mehrere Gleichspannungswandler 114, die mit Brennstoffzellen 116, 118,
einer unterspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 120 und
Hilfsverbrauchern 122 verbunden sind.
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In
Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann die unterspannungsseitige Energiespeichereinrichtung 120 eine
Batterie, ein Ultrakondensator, ein Schwungrad oder dergleichen
sein. In Ausführungsbeispielen
der Erfindung können
die Spannungswandler 114 ein Abwärtsregler, ein Tiefsetzsteller bzw.
Buck Converter, ein Aufwärtsregler,
ein Hochsetzsteller bzw. Boost Converter oder ein bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller bzw. Buck/Boost Converter sein. Die Brennstoffzellen
(FC für
Fuel Cell) 116, 118 sind mit den Brennstoffzellensystemsteuerungen 124 verbunden.
Eine Steuerung 126 ist mit den Brennstoffzellensystemsteuerungen 124,
den Spannungswandlern 114, dem Wechselrichter 108,
dem dynamischen Retarder 110 und dem Motor 106 verbunden.
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Im
Betrieb erhält
der Wechselrichter 108 ein Gleichspannungssignal, das von
der Fahrmotoransteuerschaltung 104 auf die Gleichspannungssammelleitung 102 ausgegeben
wird, und wandelt das Gleichspannungssignal in ein Wechselspannungssignal
um, das zum Betreiben des Fahrmotors 106 geeignet ist,
der zum Antrieb eines (nicht gezeigten) Hybridfahrzeugs eingerichtet
sein kann. Die Fahrmotoransteuerschaltung 104 erzeugt über die
Brennstoffzellen 116, 118 und die unterspan nungsseitige Energiespeichereinrichtung 120 ein
Gleichspannungsleistungssignal. Das Gleichspannungsleistungssignal
wird über
einen oder mehrere Spannungswandler 114 auf die Gleichspannungssammelleitung 102 ausgegeben.
Der dynamische Retarder 110 wird während des Bremsens bei der
Rückgewinnung
elektrischer Energie von dem Fahrmotor 106 verwendet. Die
oberspannungsseitige Energiespeichereinrichtung 112 ist
in einem Betriebsmodus, z. B. während
einer Beschleunigung des Fahrzeugs, zur Abgabe elektrischer Leistung
an den Wechselrichter 108 eingerichtet. In einem anderen
Betriebsmodus, z. B. beim regenerativen Bremsen, kann die oberspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung 112 über die Spannungswandler 114 elektrische
Leistung an die unterspannungsseitige Speichereinrichtung 120 oder
an Hilfsverbraucher 122 abgeben.
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Die
Steuerung 126 regelt die Leistungsabgabe sowohl des Wechselrichters 108 als
auch der Gleichspannungswandler 114. Durch ihre Steuerung der
Abgabespannung jedes der Spannungswandler 114 bestimmt
die Steuerung 126, welcher Anteil der elektrischen Energie,
die den Fahrmotor 106 antreibt, von jeder der Brennstoffzellen 116, 118 und
von der unterspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 120 stammt.
Die Steuerung 126 regelt auch den Betrieb des Brennstoffzellensteuerungssystems 124, das
dazu eingerichtet ist, eine Ein-/Ausschaltreihenfolge der Brennstoffzellen 116, 118 in
die Praxis umzusetzen, um die Lebensdauer derselben zu verlängern, während unabhängig von
den augenblicklichen Leistungsanforderungen des Fahrmotors 106 eine optimale
Effizienz erreicht wird. Während
das Brennstoffzellensystem 124 in 1 als ein
einziges Element bezeichnet ist, weist in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung jede der Brennstoffzellen 116, 118 ihre
eigenen Brennstoffzellensteuerung auf, wie es unten erläutert und
in 3 gezeigt ist. Während nur zwei Brennstoffzellen 116, 118 dargestellt
sind, sind die hierin dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung
jedoch weiterhin nicht auf zwei beschränkt, sondern können auch
mehr als zwei Brennstoffzellen enthalten, die mit den Spannungswandlern 114 verbunden
sind und von der Brennstoffzellensystemsteuerung 124 gesteuert
werden.
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2 stellt
ein Hybridfahrzeugantriebssystem 200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. In diesem Ausführungsbeispiel ist das System 200 eine „Plug-In”- bzw. Steckerversion,
die zur Aufnahme von Energie aus einem Elektrizitätsversorgungsnetz 230 eingerichtet
ist. Während
dies unter Bezug auf 2 dargestellt ist, muss jedoch
erkannt werden, dass die ihre offenbarten Hybridsysteme alle dazu
eingerichtet sein können,
Energie aus einem Elektrizitätsversorgungsnetz
zu erhalten, wie es unter Bezug auf 2 dargestellt
ist.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
das Hybridfahrzeugantriebssystem 200 eine Fahrmotoransteuerschaltung 204,
die an eine Gleichspannungssammelleitung oder einen Gleichspannungszwischenkreis 202 eine
elektrische Leistung abgibt. In dieser Ausführungsform ist ein Fahrmotor 206 mit
einem Wechselrichter 208 verbunden. Ein dynamischer Retarder 210 ist über die Gleichspannungssammelleitung 202 ebenfalls
mit dem Wechselrichter 208 verbunden. Eine oberspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung 212, die eine Batterie oder
ein Ultrakondensator sein kann, ist über die Gleichspannungssammelleitung 202 ebenfalls
mit dem dynamischen Retarder 210 verbunden. Die Fahrmotoransteuerschaltung 204 enthält einen oder
mehrere bidirektionale Tief-/Hochsetz steller 214, die mit
Brennstoffzellen 216, 217, 218, 219 und unterspannungsseitigen
Energiespeichereinrichtungen 222, 223 verbunden
sind. Die Brennstoffzellen 216, 217, 218, 219 sind
mit den Tief-/Hochsetzstellern 214 über eine Anzahl von Verbindungseinrichtung 221 verbunden,
die jeweils eine Diode, eine Schaltvorrichtung, ein Halbleiterschalter
oder dergleichen sein können.
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In
Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann die unterspannungsseitige Energiespeichereinrichtung 222 eine
Batterie, ein Ultrakondensator oder ein Schwungrad sein. Die Brennstoffzellen 216, 217, 218, 219 sind
mit den Brennstoffzellensystemsteuerungen 224 verbunden.
Eine Steuerung 226 ist mit den Brennstoffzellensystemsteuerungen 224,
den Tief-/Hochsetzstellern 214 und
dem Wechselrichter 208 verbunden. Ein AC/DC-Wandler 228 ist
zwischen der oberspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 212 und
dem dreiphasigen Elektrizitätsversorgungsnetz 230 angeschlossen.
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Im
Betrieb wird ein Wechselspannungssignal aus dem Netz 230 von
dem AC/DC-Wandler 228 in ein Gleichspannungssignal umgewandelt,
dessen Energie in einer oberspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 212,
einer unterspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 222,
ein unterspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 223 oder einer
Kombination aus diesen gespeichert werden kann. In einer Ausführungsform
ist jede der mehreren Brennstoffzellen 216–219 mit
einem eigenen bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller von den bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellern 214 verbunden,
um Paare zu bilden. In dieser Ausführungsform können die
mehreren Brennstoffzellen 216–219 regenerativ oder
nicht regenerativ sein. In einer Ausführungsform, in der die Brennstoffzel len 216–219 regenerative
Brennstoffzellen sind, ermöglichen
die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 214 ein Aufladen
der Brennstoffzellen 216–219 beim regenerativen
Bremsen. Die mehreren Verbindungseinrichtungen 221 in dem System 200 können eine
Verbindungseinrichtung für jedes
Paar aus einer Brennstoffzelle und einem bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller
enthalten. Wenn die mehreren Verbindungseinrichtungen 221 Schaltvorrichtungen
oder Halbleiterschalter sind, kann die Steuerung 226 eine
entsprechende Brennstoffzelle 216–219 vollständig von
dem Rest der Schaltung 200 trennen. Einem Fahrmotor 206 wird
elektrische Energie demnach über
die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 214 zugeführt, die
auch zur Abgabe elektrischer Energie von dem Fahrmotor an die unterspannungsseitigen
Energiespeichereinrichtungen 222, 223 während des
regenerativen Bremsens eingerichtet sind.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein System 200 in einem Fahrzeug mit
mehreren Brennstoffzellen verwendet. In einem derartigen Ausführungsbeispiel
ist die Steuerung 226 zum Betrieb der Brennstoffzellen,
wie etwa der Brennstoffzellen 216, 217, bei einer
in Reaktion auf die Leistungsanforderungen von dem Fahrmotor 206 relativ
unveränderlichen
Abgabeleistung eingerichtet. Diese relativ stabile Leistungsabgabe
wird unabhängig
von den transienten oder sich ändernden
Leistungsanforderungen des Fahrmotor 206 aufrecht erhalten,
die eine Folge von unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeugs
sein können.
Wenn jedoch keine Leistungsanforderungen an die Brennstoffzellen
vorliegen, wie z. B. an einer Verkehrsampel, kann die Steuerung 226 die
Brennstoffzellen 216–219 anweisen, keine
Energie zu liefern, bis der Bediener das Fahrzeug beschleunigt.
In einem solchen Fall könnte
die Leistungsabgabe von den Brennstoffzellen re duziert werden. Damit
die Brennstoffzellen 216, 217 eine unveränderliche
Abgabeleistung unabhängig
von den veränderlichen
Leistungsanforderungen des Fahrmotor 206 beibehalten, sollte
das Leistungsabgabeniveau der Brennstoffzellen 216, 217 bei
oder unter dem minimalen während
des Fahrzeugbetriebs verwendeten Leistungswert liegen.
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In
Phasen der Beschleunigung oder beim Anstieg an einem steilen Berg
kann der Fahrmotor 206 Leistung über diejenige Leistung hinaus
anfordern, die von den Brennstoffzellen 216, 217 geliefert wird.
Derartige starke Anstiege oder Änderungen
des Leistungsbedarfs können
als Transienten bezeichnet werden und die Lebensdauer der Brennstoffzelle
verringern. Weil die Brennstoffzellen 216, 217 relativ
unveränderliche
Abgabeleistungen beibehalten, werden Leistungsanforderungen über die
von den Brennstoffzellen 216, 217 bereitgestellte
Leistung hinaus, die transiente oder sich ändernde Leistungsanforderungen
umfassen, durch zusätzliche
Brennstoffzellen, z. B. 218, 219, zusammen mit
den unterspannungsseitigen Energiespeichereinrichtungen 222, 223 und
der oberspannungsseitigen Energiespeichereinrichtung 212 gedeckt.
Auf diese Weise werden die Brennstoffzellenlebensdauern verlängert, weil
die Brennstoffzellen 216, 217 nicht den transienten
Anforderungen ausgesetzt sind. Während
die Brennstoffzellen 218, 219 die zusätzliche
Leistung liefern, die während
der transienten Anforderungen benötigt wird, können diese
Zellen keine Energie liefern müssen,
wenn sich das Fahrzeug in einem Zustand geringen Bedarfs befindet,
wie etwa beim Fahren mit einer konstanten Geschwindigkeit oder bei
Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit.
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Das
Betreiben der Brennstoffzellen in dieser Weise kann auch in der
Hinsicht wirtschaftlicher sein, dass die Brennstoffzellen kleiner
sein können
als es bei einem Fahrzeug möglich
wäre, das
nur von einer einzigen Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird. Ein
Fahrzeug mit einer Einzelbrennstoffzelle kann z. B. zu Zeitpunkten
des Spitzenbedarfs eine Leistung von 150 kW verbrauchen. In diesem
Falle müsste
die einzige Brennstoffzelle in der Lage sein, die 150 kW zu liefern.
Demnach könnte
die Brennstoffzelle groß sowie
teuer zu betreiben und auszutauschen sein, und sie würde transienten
Leistungsanforderungen ausgesetzt sein, wodurch die Lebensdauer
der Brennstoffzelle begrenzt würde.
Ein Brennstoffzellenantriebssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann jedoch eine Brennstoffzelle von 40 kW enthalten,
die eine relativ stabile oder unveränderliche Abgabeleistung bereitstellt,
die für
Betriebszustände
mit geringem Leistungsbedarf angemessen ist. Die Steuerung 226 ist
dazu eingerichtet, unter Verwendung einer oder mehrerer Energiespeichereinrichtungen,
wie z. B. der Speichereinrichtungen 212, 222, 223,
und unter Verwendung einer oder mehrerer Brennstoffzellen, wie etwa
der Brennstoffzellen 218, 219 zur Lieferung zusätzlicher
Leistung die transienten Leistungsanforderungen zu erfüllen. Die
Steuerung 226 könnte
als Reaktion auf transiente Leistungsanforderungen zwischen den
beiden zusätzlichen
Brennstoffzellen 218, 219 abwechseln, wodurch
die Lebensdauer jeder einzelnen Zelle verlängert wird. Kosteneinsparungen
können
sowohl durch eine längere
Lebensdauer der Brennstoffzellen als auch durch die Verwendung kleinerer,
weniger teurer Brennstoffzellen erreicht werden.
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Die 3, 6 und 7 stellen
jeweils Fahrmotoransteuerschaltungen 300, 600 bzw. 700 gemäß Ausführungsbei spielen
der Erfindung dar. Demnach können
die Schaltungen 300, 600, 700 auf das
in 1 dargestellte Hybridfahrzeugantriebssystem 100 oder
auf die in 2 dargestellte Steckerversion
eines Hybridfahrzeugantriebssystems 200 anwendbar sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Fahrmotoransteuerschaltung 300 ist in 3 dargestellt
und enthält
zwei Brennstoffzellen 302, 304, von denen jede mit
einem zugehörigen
Gleichspannungswandler 306, 308 gekoppelt ist.
Jeder der Gleichspannungswandler 306, 308 kann
ein unidirektionaler Hochsetzsteller oder ein bidirektionaler Tief-/Hochsetzsteller sein.
Unidirektionale Hochsetzsteller würden den Brennstoffzellen 302, 304 keine
wieder aufladende Spannung zuführen,
wenn die Brennstoffzellen 302, 304 z. B. Zellen
von einem nicht regenerativen Typ sind. In diesem Falle kann die
Verwendung von unidirektionalen Hochsetzstellern einen Kostenvorteil gegenüber bidirektionalen
Spannungswandlern bieten.
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Die
Gleichspannungswandler 306, 308 sind mit der Gleichspannungssammelleitung
bzw. dem Gleichspannungszwischenkreis 310 verbunden. Jede
Brennstoffzelle 302, 304 ist mit einer entsprechenden
Brennstoffzellensteuerung 312, 314 verbunden.
Eine Energiespeichereinrichtung 314, die eine Batterie,
ein Ultrakondensator oder ein Schwungrad sein kann, ist mit zwei
bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellern 318, 320 verbunden,
die beide mit der Gleichspannungssammelleitung 310 verbunden
sind. Hilfsverbraucher 317 können ebenfalls elektrisch mit
der Energiespeichereinrichtung 316 verbunden sein und von
der Energiespeichereinrichtung 316 oder dem Gleichspannungszwischenkreis über einen
oder mehrere bidirektionale Tief-/Hochsetzsteller 318, 320 Energie
aufnehmen. Während nur zwei
Brennstoffzellen 302, 304, zwei Brennstoffzellensteuerungen 312, 314 und
zwei Gleichspannungswandler 306, 308 dargestellt
sind, wird ein Fachmann erkennen, dass die Ausführungsformen des Systems 300 auch
mehr als zwei Brennstoffzellen, Brennstoffzellensteuerungen und
Spannungswandler enthalten können.
Dementsprechend wird ein Fachmann erkennen, dass die Ausführungsformen
des Systems 300 auch mehr als zwei bidirektionale Tief-/Hochsetzsteller 318, 320 enthalten
können,
wobei jeder der mehr als zwei bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller
mit der Gleichspannungssammelleitung 310 und der Energiespeichereinrichtung 316 verbunden
ist.
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Die
Leistungsabgabe der Brennstoffzellen 302, 304 wird
jeweils von den Brennstoffzellensteuerungen 312 bzw. 314 gesteuert.
Die einzelnen Brennstoffzellensteuerungen bilden gemeinsam ein Brennstoffzellensteuerungssystem,
wie etwa das in 2 gezeigte Brennstoffzellensteuerungssystem 224.
Im Betrieb erhöhen
die Gleichspannungswandler 306, 308 jeweils die
Spannungen von den Brennstoffzellen 302, 304,
wenn dies von den Steuerungen 312, 314 angeordnet
wird, und legen die erhöhte
Spannung an die Gleichspannungssammelleitung 310 an. In ähnlicher
Weise erhöhen
die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 318, 320 die
Spannung von der Energiespeichereinrichtung 316, wenn dies
von der Steuerung 226 angeordnet wird, und legen die erhöhte Spannung
an die Gleichspannungssammelleitung 310 an.
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Der
Wert, auf den die Ausgangsspannungen der Brennstoffzellen 302, 304 erhöht oder
hochgestellt werden, hängt
von der Art ab, in der die Gleichspannungswandler 306, 308 von
der Steuerung 226 geregelt werden. In ähnlicher Weise hängt der
Wert, auf den die Ausgangsspannung der Energiespei chereinrichtung 316 erhöht wird,
von der Art ab, in der die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 318, 320 von
der Steuerung 226 geregelt werden.
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4 stellt
einen beispielhaften Hochsetzsteller 400 dar, der hierin
in Ausführungsbeispielen von
Hochsetzstellern verwendbar ist. Der Hochsetzsteller 400 weist
einen Transistor oder Schalter 402 auf, der zum Steuern
der Ausgangsspannung der Vorrichtung 400 verwendet wird.
In einer Ausführungsform
der Erfindung öffnet
und schließt
eine Steuerung, wie etwa die (in 2 gezeigte)
Steuerung 226 den Schalter 402 unter Anwendung
einer Pulsweitenmodulation (PWM), um die gewünschte Ausgangsspannung zu
erzeugen. Die Pulsweitenmodulation einer Energieversorgung, wie
etwa der (in 3 gezeigten) Brennstoffzelle 302 und
des (in 3 gezeigte) Gleichspannungswandlers 306 umfasst
die Modulation der Einschaltdauer bzw. des Tastverhältnisses
der Energieversorgung. Das resultierende Ausgangssignal ist eine
Folge von Rechteckschwingungen. Durch eine Steuerung der Zeiteinteilung
der Rechteckschwingungen kann das Ausgangssignal der Energieversorgung
zur Simulation eines Bereiches von Gleichspannungswerten veranlasst
werden.
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5 zeigt
einen beispielhaften bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 500,
der hierin in Ausführungsbeispielen
des bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellers verwendbar ist. Der bidirektionale
Tief-/Hochsetzsteller 500 weist zwei Transistoren oder
Schalter 502, 504 auf, die zum Steuern der Ausgangsspannung
der Vorrichtung verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
betreibt die (in 2 gezeigte) Steuerung 226 die
Transistoren 502, 504 unter Anwendung einer Pulsweitenmodulation, um
die gewünschte
Aus gangsspannung zu erzeugen. In beiden Richtungen kann Leistung
durch den Wandler 500 fließen. Die Ausgangsspannung kann jedoch
nur in einer Richtung erhöht
werden, d. h. wenn die Leistung an einem ersten Anschluss 506 abgegeben
wird. Für
Leistung, die in der anderen Richtung fließt und an einem zweiten Anschluss 508 abgegeben
wird, wirkt der bidirektionale Wandler 500 als ein Abwärtswandler
oder Tiefsetzsteller.
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6 stellt
ein Ausführungsbeispiel
für eine Fahrmotoransteuerschaltung 600 dar,
bei der eine Anzahl von Brennstoffzellen 602 mit einer
Verbindungseinrichtung 604 verbunden sind. In einer alternativen
Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Schaltung 600 eine Verbindungseinrichtung für jede der
mehreren Brennstoffzellen 602. Der kombinierte Ausgang
der mehreren Brennstoffzellen 602 wird durch die Verbindungseinrichtung 604 mit
einer Anzahl von bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellern 606 verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform der
Erfindung ist der kombinierte Ausgang der mehreren Brennstoffzellen 602 durch
die Verbindungseinrichtung 604 auch mit (gestrichelt eingezeichneten)
Hilfsverbrauchern 611 elektrisch verbunden. Die Hilfsverbraucher 611 können von
den Brennstoffzellen 602 direkt oder über die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 606 unter
Nutzung von Energie aus der Gleichspannungssammelleitung 608 mit
Energie versorgt werden. Die Brennstoffzellen 602 sind auch
mit einem Brennstoffzellensteuerungssystem 607 verbunden,
das in einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine (nicht gezeigte) separate Brennstoffzellensteuerung
für jede
der mehreren Brennstoffzellen 602 enthält. Jeder der mehreren bidirektionalen
Tief-/Hochsetzsteller 606 ist mit der Gleichspannungssammelleitung 608 verbunden.
Eine erste Energiespeichereinrichtung 610, die eine Batterie oder
ein Ultrakondensator sein kann, ist mit einem ersten bidirektionalen
Tief-/Hochsetzsteller 612 verbunden. Eine zweite Energiespeichereinrichtung 614,
die eine Batterie, ein Ultrakondensator oder ein Schwungrad sein
kann, ist mit einem zweiten bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 616 verbunden.
Der erste und der zweite bidirektionale Tief-/Hochsetzsteller 612, 616 sind
mit der Gleichspannungssammelleitung 608 verbunden. Ein
Fachmann wird erkennen, dass die Schaltung 600 nicht auf
zwei Energiespeichereinrichtungen beschränkt ist, sondern eine Anzahl
von Energiespeichereinrichtungen enthalten kann, die mit einem oder
mehreren bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellern verbunden sind.
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Die
Verwendung von bidirektionalen Tief-/Hochsetzstellern 606 ermöglicht ein
Wiederaufladen von Brennstoffzellen 602 des regenerativen Typs
beim regenerativen Bremsen. In ähnlicher
Weise ermöglichen
die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 612, 616 ein
Wiederaufladen der Energiespeichereinrichtungen 610, 614 während des
regenerativen Bremsens. Das Vorhandensein von mehreren Energiespeichereinrichtungen 610, 614 kann
die Menge der elektrischen Energie erhöhen, die für die Vorrichtungen verfügbar ist,
die von der Gleichspannungssammelleitung 608 mit Energie
versorgt werden. Die Menge der elektrischen Energie, die der Gleichspannungssammelleitung 608 über die
Energiespeichereinrichtungen 610, 614 zugeführt wird,
ist jedoch durch die Art bestimmt, in der die Spannungsabgabe jedes
der bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 612, 616 geregelt
wird.
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Die
bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 606 erhöhen die
Ausgangsspannung von den mehreren Brennstoffzellen 602 und
führen
die erhöhte
Spannung der Gleichspannungssam melleitung 608 zu. In ähnlicher
Weise erhöhen
die bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 612, 616 die
Spannungen von den Energiespeichereinrichtungen 610, 614 und
führen
die hochgestellten Spannungen der Gleichspannungssammelleitung 608 zu.
Die Menge der elektrischen Energie, die von den Brennstoffzellen 602 abgegeben
wird, wird von der Art bestimmt, in der der Brennstoffzellenausgang
durch das Brennstoffzellensteuerungssystem 607 geregelt
wird. Während
einer Fahrt mit geringer Geschwindigkeit oder einer Fahrt mit einer
konstanten Geschwindigkeit kann das Brennstoffzellensteuerungssystem 607 angewiesen werden,
eine Teilmenge der mehreren Brennstoffzellen 602 zu betreiben,
um Leistung mit einem unveränderlichen
Wert zum Antrieb des Fahrzeugs abzugeben. In Phasen der Beschleunigung,
wenn mehr Leistung benötigt
wird, kann die Schaltung 600 den transienten Leistungsbedarf
decken, indem sie den Energiespeichereinrichtungen 610, 614 und
den Brennstoffzellen 602 zusätzliche Leistung entnimmt.
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7 stellt
eine Fahrmotoransteuerschaltung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Die Fahrmotoransteuerschaltung 700 enthält eine
Anzahl von Brennstoffzellen, deren kombinierter Ausgang mit einem
Hochsetzsteller 704 verbunden ist, der mit der Gleichspannungssammelleitung 706 verbunden
ist. In einer alternativen Ausführungsform
der Schaltung 700 ist jede der mehreren Brennstoffzellen 702 mit
einer (gestrichelt eingezeichneten) Verbindungseinrichtung 708 verbunden, die
ein Halbleiterschalter, eine Diode, eine Schaltvorrichtung oder
dergleichen sein kann. Eine erste Energiespeichereinrichtung 710 ist
mit einem ersten bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 712 verbunden,
und eine zweite Energiespeichereinrichtung 714 ist mit
einem zweiten bidirektionalen Tief-/Hochsetzsteller 716 verbunden.
Die ers te und die zweite Energiespeichereinrichtung 710, 714 kann
jeweils eine Batterie, ein Ultrakondensator oder ein Schwungrad sein.
Der erste und zweite bidirektionale Tief-/Hochsetzsteller 712, 716 ist
jeweils mit der Gleichspannungssammelleitung 706 verbunden.
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Im
Betrieb wird die Ausgangsspannung der mehreren Brennstoffzellen 702 durch
den Hochsetzsteller 704 erhöht und an die Gleichspannungssammelleitung 706 abgegeben.
In ähnlicher
Weise werden die Ausgangsspannungen der Speichereinrichtungen 710, 714 jeweils
durch die Wandler 712 bzw. 716 erhöht und der
Gleichspannungssammelleitung 706 zugeführt. In einer alternativen
Ausführungsform kann
eine Verbindungseinrichtung 708 vom Typ einer Schalteinrichtung
oder eines Schalters so betrieben werden, dass sie die mehreren
Brennstoffzellen 702 von dem Rest der Schaltung trennt.
Alternative Ausführungsbeispiele
können
eine (gestrichelt eingezeichnete) Verbindungseinrichtung 718 enthalten, die
zwischen den Ausgängen
der ersten Energiespeichereinrichtung 710 und der zweiten
Energiespeichereinrichtung 714 angeschlossen ist. Die Verbindungseinrichtung 718 könnte zum
Wiederaufladen einer Energiespeichereinrichtung durch eine zweite
Energiespeichereinrichtung verwendet werden. Wenn die erste Energiespeichereinrichtung 710 zum
Beispiel eine Batterie und die zweite Energiespeichereinrichtung 714 ein
Ultrakondensator ist, könnte
die Batterie 710 dem Ultrakondensator 714 über die
Verbindungseinrichtung 718 Energie zuführen.
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8 ist
eine graphische Darstellung eines Leistungsabgabediagramms 800 eines
beispielhaften Hybridfahrzeugantriebssystems mit zwei Brennstoffzellen,
einer Batterie und einem Verbraucher, wie etwa einem Elektromotor,
gemäß den Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Eine Leistungsbedarfskurve 802 stellt einen
beispielhaften Leistungsbedarf des Elektromotors dar. Die Kurven 804 und 811 stellen
jeweils die Leistung dar, die von der ersten bzw. zweiten Brennstoffzelle
bereitgestellt wird. Eine Leistungskurve 812 der Energiespeichereinrichtung
stellt die Leistungsabgabe von einer Energiespeichereinrichtung,
wie etwa einer Batterie dar.
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Die
erste Brennstoffzelle wird gemäß den Ausführungsbeispielen
der Erfindung so betrieben, dass sie einem Minimum an Transienten
ausgesetzt ist, während
die zweite Brennstoffzelle so betrieben wird, dass sie Transienten
ausgesetzt ist, sobald die Grenzen der Energiespeichereinrichtung
erreicht sind. Wie dargestellt ist die Leistung 804 der
ersten Brennstoffzelle trotz des sich transient verändernden Leistungsbedarfs 802 stabil
oder unveränderlich.
Die Leistung 811 der zweiten Brennstoffzelle ist in den Phasen
stabil, in denen der Leistungsbedarf 802 des Elektromotors
kleiner als die gemeinsame Leistungsabgabe der ersten Brennstoffzelle 804,
der zweiten Brennstoffzelle 811 und der Batterieleistung 812 ist, wie
etwa während
des Zeitabschnitts 809. Während des Zeitabschnitts 809 ist
der Leistungsbedarf 802 variabel und übersteigt zeitweise die Gesamtabgabeleistung
der ersten und zweiten Brennstoffzelle 804, 811,
und er ist zu anderen Zeiten kleiner als die gesamte Leistungsabgabe
der ersten und zweiten Brennstoffzelle 804, 811.
Wenn der Leistungsbedarf kleiner als die gemeinsame Leistungsabgabe
der ersten und zweiten Brennstoffzelle 804, 811 ist,
wird eine Leistungsabgabe 812 der Batterie nicht benötigt, und
die überschüssige Energie
der Brennstoffzelle lädt
die Batterie auf. Wie in 8 dargestellt, kann die Batterie überschüssige Leistung von
der ersten und zweiten Brennstoffzelle aufnehmen, wenn die Batterieleistung 812 unter
die Nulllinie 814 sinkt.
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Zeitweilig
kann der Leistungsbedarf 802 während des Betriebs Spitzen 806, 808 aufweisen, die
die stabile Abgabeleistung der beiden Brennstoffzellen 802, 811 sowie
der Batterie 812 überschreiten. Die
Leistungsabgabe 812 der Batterie kann z. B. durch die physikalischen
Eigenschaften der Batterie beschränkt sein, wie es durch die
Plateaus 803, 816 veranschaulicht ist. Bei einem
derartigen Auftreten von Spitzen 806, 808 erhöht sich
die Leistungsabgabe der zweiten Brennstoffzelle bei 820 und 822 in transienter
Weise, um den zusätzlichen
Leistungsbedarf zu decken, sobald die Batterieleistung 812 die maximale
Abgabeleistung 803, 816 der Batterie erreicht.
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Weil
zuerst die Batterie auf transiente Leistungsanforderungen reagiert,
die die stabilen Abgabeleistungen der beiden Brennstoffzellen überschreiten,
reagiert die zweite Brennstoffzelle demnach auf diejenigen transienten
Anforderungen, die die gemeinsame stabile Abgabeleistung der beiden
Brennstoffzellen und die Leistungsabgabe der Batterie überschreiten.
Dass die zweite Brennstoffzelle den transienten Leistungsanforderungen
in einem verringerten Maße
ausgesetzt wird, nachdem die Grenzen der Batterie erreicht sind,
erhöht
die Lebensdauer der zweiten Brennstoffzelle. Weil die erste Brennstoffzelle
nicht auf die Transienten des Leistungsbedarfs, wie etwa die Spitzen 806, 808 anspricht,
hat weiterhin die erste Brennstoffzelle eine längere Lebensdauer und braucht
außerdem
nicht so dimensioniert zu sein, dass sie einen Leistungsbedarf deckt,
der größer als
die stabile Abgabeleistung 804 ist.
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9 ist
eine graphische Darstellung 900 der Leistungsabgabe eines
beispielhaften Hybridfahrzeugantriebssystems mit zwei Brennstoffzellen, einer
Batterie und einem Verbraucher, wie etwa einem Elektromotor, gemäß Ausführungsbeispielen der
Erfindung. Das in 9 dargestellte Beispiel ist dem
in 8 dargestellten ähnlich. In diesem Ausführungsbeispiel
ist jedoch die maximale Energieabgabe der Batterie halbiert, und
die zweite Brennstoffzelle wird veranlasst, unter den gleichen angenommenen
Lastbedingungen größere transiente
Fluktuationen zu erfahren.
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Unter
Bezug auf 9: Ein Leistungsabgabediagramm 900 ist
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Das Leistungsabgabediagramm 900 zeigt
eine Leistungsbedarfskurve 902 ähnlich der in 8 gezeigten
Leistungsbedarfskurve 802. Eine Leistungsabgabekurve 904 einer ersten
Brennstoffzelle zeigt eine stabile oder unveränderliche Leistungsabgabe trotz
der sich ändernden Leistungsanforderungen 902 des
Elektromotors. Eine Leistungsabgabekurve 910 einer zweiten Brennstoffzelle
ist aufgetragen, die die Hälfte
der Leistungsabgabe der zweiten Brennstoffzelle aufweist, die für die in 8 dargestellte
Leistungsabgabekurve 811 verwendet wird. Eine Energiespeichereinrichtungs-
oder Batterieleistungskurve von 912 stellt z. B. die Leistungsabgabe
einer Batterie mit der Hälfte
der Leistungsabgabe der Batterie dar, die für die in 8 dargestellte
Leistungsabgabekurve 802 verwendet wird. Die Kurve 910 zeigt
eine Leistungsabgabe 911 mit einer von Null verschiedenen
Basis, die stabil ist, während
der Leistungsbedarf des Elektromotors aus der Kurve 902 kleiner
als die stabile Leistungsabgabe 904 der ersten Brennstoffzelle
ist. Die Kurve 910 zeigt eine weitere Leistungsab gabe 913 mit
von Null verschiedener Basis, die stabil ist, während der Leistungsbedarf des
Elektromotors von der Kurve 902 größer als die stabile Leistungsabgabe 904 der
ersten Brennstoffzelle ist und während
der Leistungsbedarf des Elektromotors aus der Kurve 902 kleiner
als eine maximale Batterieabgabeleistung ist, wie sie durch die
Plateaus 916, 918 der Kurve 912 veranschaulicht
ist.
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Weil
die Batterie in diesem Ausführungsbeispiel
die Hälfte
der Abgabeleistung der in 8 verwendeten
Batterie aufweist, wird die zweite Brennstoffzelle so betrieben,
dass sie auf mehr transiente Anforderungen anspricht als unter den
gleichen Lastbedingungen wie den in 8 dargestellten,
so dass die erste Brennstoffzelle minimalen Transienten ausgesetzt
ist. Wenn der Leistungsbedarf 902 des Elektromotors kleiner
als die gemeinsame Leistungsabgabe der ersten und zweiten Brennstoffzelle 904, 910 ist,
lädt die überschüssige Brennstoffzellenenergie die
Batterie auf, wie es dargestellt ist, wenn die Linie 912 der
Batterieleistungsabgabe in dem Graphen 900 unter die Nulllinie 914 sinkt,
was anzeigt, dass die Batterie überschüssige Leistung
von der ersten und zweiten Brennstoffzelle aufnimmt. Die Batterieabgabeleistung 912 fügt den Leistungsabgaben 904, 910 der
ersten bzw. zweiten Brennstoffzelle zusätzliche Leistung hinzu, wenn
der Leistungsbedarf 902 die Abgabeleistung 904 der
ersten Brennstoffzelle und die Basisabgabeleistung 913 der
zweiten Brennstoffzelle übersteigt.
Wenn die Batterieabgabeleistung ihr bei 916, 918 gezeigtes
Maximum erreicht, steigt die Leistungsabgabe der zweiten Brennstoffzelle
bei 920, 922 an, um die bei 906, 908 angeforderte
Leistung zu decken. Weil zuerst die Batterie auf transiente Anforderungen
anspricht, die die stabilen Abgabeleistungen der beiden Brennstoffzellen ü berschreiten,
werden die Reaktionen der zweiten Brennstoffzelle auf transiente
Leistungsanforderungen verringert. Weil das Maximum der Batterieabgabeleistung
jedoch kleiner als das in 8 dargestellte
ist, ist der Bedarf an transienten Reaktionen der zweiten Brennstoffzelle
erhöht.
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Ein
Fachmann wird demnach zwischen den beiden Darstellungen der 8 und 9 erkennen, dass
ein Zielkonflikt zwischen der Batteriekapazität und den transienten Anforderungen
an die zweite Brennstoffzelle geschaffen werden kann. Eine große Batteriekapazität kann die
transienten Anforderungen an die zweite Brennstoffzelle unter den
vorgesehenen Betriebsbedingungen verringern oder beseitigen. Dies
geschieht jedoch um den Preis einer größeren und teureren Batterie.
Umgekehrt kann eine kleinere Batteriekapazität zu erhöhten transienten Anforderungen
an die zweite Brennstoffzelle führen, die
deren Lebensdauer nachteilig beeinflussen. Demnach können gemäß den Ausführungsbeispielen
der Erfindung die im Voraus entstehenden Kosten einer großen Batterie
verwendet werden, um die langfristigen Lebensdauerkosten einer Brennstoffzelle
zu kompensieren und umgekehrt.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Ansteuerschaltung geschaffen, die eine Gleichspannungssammelleitung,
die dazu eingerichtet ist, an einen Verbraucher Energie zu liefern, eine
erste Brennstoffzelle, die mit der Gleichspannungssammelleitung
verbunden und zur Lieferung einer ersten Abgabeleistung an die Gleichspannungssammelleitung
eingerichtet ist, und eine zweite Brennstoffzelle aufweist, die
mit der Gleichspannungssammelleitung verbunden und zur Lieferung einer
zweiten Abgabeleistung an die Gleichspannungssammelleitung zusätzlich zu
der ersten Brenn stoffzelle eingerichtet ist. Die Ansteuerschaltung
enthält
weiterhin eine Energiespeichereinrichtung, die mit der Gleichspannungssammelleitung
verbunden und zur Aufnahme von Energie aus der Gleichspannungssammelleitung
eingerichtet ist, wenn die gemeinsame Abgabeleistung der ersten
und zweiten Brennstoffzelle größer als
ein Leistungsbedarf von dem Verbraucher ist, und zur Abgabe von
Energie an die Gleichspannungssammelleitung eingerichtet ist, wenn
die gemeinsame Leistungsabgabe der ersten und zweiten Brennstoffzelle
kleiner als der Leistungsbedarf von dem Verbraucher ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren geschaffen, das das
Einrichten einer Gleichspannungssammelleitung zur Bereitstellung
elektrischer Energie für
einen Fahrmotor, wobei der Fahrmotor eine Last an der Gleichspannungssammelleitung
aufweist, das Verbinden einer ersten Brennstoffzelle und einer zweiten Brennstoffzelle
mit der Gleichspannungssammelleitung, wobei jede Brennstoffzelle
zur Abgabe elektrischer Leistung an die Gleichspannungssammelleitung
eingerichtet ist, und das Verbinden einer ersten Energiespeichereinrichtung
mit der Gleichspannungssammelleitung enthält, wobei die erste Energiespeichereinrichtung
zur Aufnahme von Energie aus der Gleichspannungssammelleitung, wenn
die gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten Brennstoffzelle
größer als
ein Leistungsbedarf einer Last ist, und zur Abgabe von Energie an
die Gleichspannungssammelleitung eingerichtet ist, wenn die gemeinsame
Abgabeleistung der ersten und zweiten Brennstoffzelle kleiner als
der Leistungsbedarf der Last ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Brennstoffzellenantriebssystem geschaffen, das
enthält:
eine erste Brennstoffzelle, die zur Abgabe von Leistung an einen
Fahrmotorenverbraucher eines Fahrzeugs eingerichtet ist, eine zweite
Brennstoffzelle, die zur Abgabe von Leistung an den Fahrmotorenverbraucher des
Fahrzeugs eingerichtet ist, und eine Energiespeichereinrichtung,
die zur Abgabe von Leistung an den Fahrmotorenverbraucher des Fahrzeugs
eingerichtet ist. Das System enthält weiterhin eine Steuerung,
die zur Regelung der Energie zu und von der Energiespeichereinrichtung
eingerichtet ist, so dass die Brennstoffzellen Energie an die Energiespeichereinrichtung
abgeben, wenn die gemeinsame Abgabeleistung der Brennstoffzellen
einen Leistungsbedarf des Fahrmotors des Fahrzeugs übersteigt,
und die Energiespeichereinrichtung Leistung an den Fahrmotor des
Fahrzeugs abgibt, wenn die gemeinsame Abgabeleistung der Brennstoffzellen
kleiner als der Leistungsbedarf des Fahrmotors des Fahrzeugs ist.
-
Während die
Erfindung nur in Verbindung mit einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen genau
beschrieben worden ist, sollte leicht erkannt werden, dass die Erfindung
nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist.
Vielmehr kann die Erfindung abgewandelt werden, so dass sie eine
beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten
Anordnungen beinhaltet, die zuvor nicht beschrieben worden sind,
die jedoch dem Geist und dem Bereich der Erfindung entsprechen.
Während
vielfältige
Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben worden sind, muss weiterhin erkannt werden,
dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele
enthalten können.
Dementsprechend darf die Erfindung nicht als durch die vorangegangene
Beschreibung beschränkt
angesehen werden, sondern sie ist nur durch den Bereich der beigefügten Ansprüche beschränkt.
-
Eine
Ansteuerschaltung wird geschaffen, die eine Gleichspannungssammelleitung,
die zur Lieferung von Energie an einen Verbraucher eingerichtet ist,
eine erste Brennstoffzelle 116, die mit der Gleichspannungssammelleitung
verbunden und zur Lieferung einer ersten Abgabeleistung an die Gleichspannungssammelleitung 102 eingerichtet
ist, und eine zweite Brennstoffzelle 118 aufweist, die
mit der Gleichspannungssammelleitung verbunden und zur Lieferung
einer zweiten Abgabeleistung an die Gleichspannungssammelleitung
zusätzlich
zu der ersten Brennstoffzelle 116 eingerichtet ist. Die
Ansteuerschaltung enthält
weiterhin eine Energiespeichereinrichtung, die mit der Gleichspannungssammelleitung 102 verbunden
und zur Aufnahme von Energie aus der Gleichspannungssammelleitung 102 eingerichtet
ist, wenn eine gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten
Brennstoffzelle größer als
ein Leistungsbedarf eines Verbrauchers ist, und zur Lieferung von
Energie an die Gleichspannungssammelleitung eingerichtet ist, wenn
die gemeinsame Abgabeleistung der ersten und zweiten Brennstoffzelle
kleiner als der Leistungsbedarf des Verbrauchers ist.
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- 100
- Hybridfahrzeugantriebssystem
- 102
- Gleichspannungssammelleitung
- 104
- Fahrmotoransteuerschaltung
- 106
- Fahrmotor
- 108
- Wechselrichter
- 110
- Dynamischer
Retarder
- 112
- Oberspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung
- 114
- Gleichspannungswandler
- 116
- Brennstoffzelle
- 118
- Brennstoffzelle
- 120
- Unterspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung
- 122
- Hilfsverbraucher
- 124
- Brennstoffzellensystemsteuerung
- 126
- Steuerung
- 200
- Hybridfahrzeugantriebssystem
- 202
- Gleichspannungssammelleitung
- 204
- Fahrmotoransteuerschaltung
- 206
- Fahrmotor
- 208
- Wechselrichter
- 210
- Dynamischer
Retarder
- 212
- Oberspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung
- 214
- Bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller
- 216
- Brennstoffzelle
- 217
- Brennstoffzelle
- 218
- Brennstoffzelle
- 219
- Brennstoffzelle
- 221
- Verbindungseinrichtung
- 222
- Unterspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung
- 223
- Unterspannungsseitige
Energiespeichereinrichtung
- 224
- Brennstoffzellensystemsteuerung
- 226
- Steuerung
- 228
- AC/DC-Wandler
- 230
- Elektrizitätsversorgungsnetz
- 300
- Fahrmotoransteuerschaltung
- 302
- Brennstoffzelle
- 304
- Brennstoffzelle
- 306
- Gleichspannungswandler
- 308
- Gleichspannungswandler
- 310
- Gleichspannungssammelleitung
- 312
- Brennstoffzellensteuerung
- 314
- Brennstoffzellensteuerung
- 316
- Energiespeichereinrichtung
- 317
- Hilfsverbraucher
- 318
- Bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller
- 320
- Bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller
- 400
- Hochsetzsteller
- 402
- Transistor
oder Schalter
- 500
- Bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller
- 502
- Transistor
oder Schalter
- 504
- Transistor
oder Schalter
- 506
- Erster
Anschluss
- 508
- Zweiter
Anschluss
- 600
- Fahrmotoransteuerschaltung
- 602
- Brennstoffzelle
- 604
- Verbindungseinrichtung
- 606
- Bidirektionaler
Tief-/Hochsetzsteller
- 607
- Brennstoffzellensteuerungssystem
- 608
- Gleichspannungssammelleitung
- 610
- Erste
Energiespeichereinrichtung
- 611
- Hilfsverbraucher
- 612
- Erster
bidirektionaler Tief-/Hochsetzsteller
- 614
- Zweite
Energiespeichereinrichtung
- 616
- Zweiter
bidirektionaler Tief-/Hochsetzsteller
- 700
- Fahrmotoransteuerschaltung
- 702
- Brennstoffzellen
- 704
- Hochsetzsteller
- 706
- Gleichspannungssammelleitung
- 708
- Verbindungseinrichtung
- 710
- Erste
Energiespeichereinrichtung
- 712
- Erster
bidirektionaler Tief-/Hochsetzsteller
- 714
- Zweite
Energiespeichereinrichtung
- 716
- Zweiter
bidirektionaler Tief-/Hochsetzsteller
- 718
- Verbindungseinrichtung
- 800
- Leistungsabgabediagramm
- 802
- Leistungsbedarfskurve
- 803
- Plateau
- 804
- Kurve
- 806
- Spitze
- 808
- Spitze
- 809
- Zeitabschnitt
- 811
- Kurve
- 812
- Leistungskurve
der Energiespeichereinrichtung
- 814
- Nulllinie
- 816
- Plateau
- 900
- Graphische
Darstellung
- 902
- Leistungsbedarfskurve
- 904
- Leistungsabgabekurve
- 906
- Angeforderte
Leistung
- 908
- Angeforderte
Leistung
- 910
- Leistungsabgabekurve
- 911
- Von
Null verschiedene Basisabgabeleistung
- 912
- Energiespeichereinrichtungs-
oder Batterieleistungskurve
- 913
- Von
Null verschiedene Basisabgabeleistung
- 914
- Nulllinie
- 916
- Plateau
- 918
- Plateau
- 920
- Abgabeleistung
der zweiten Brennstoffzelle
- 922
- Abgabeleistung
der zweiten Brennstoffzelle