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DE102016000684A1 - Electrical system for an electrically driven motor vehicle - Google Patents

Electrical system for an electrically driven motor vehicle Download PDF

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DE102016000684A1
DE102016000684A1 DE102016000684.6A DE102016000684A DE102016000684A1 DE 102016000684 A1 DE102016000684 A1 DE 102016000684A1 DE 102016000684 A DE102016000684 A DE 102016000684A DE 102016000684 A1 DE102016000684 A1 DE 102016000684A1
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fuel cell
cell unit
voltage
voltage battery
intermediate circuit
Prior art date
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Application number
DE102016000684.6A
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German (de)
Inventor
Erich Albert Zehl
Bernd-Peter Elgas
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Antriebseinheitsanschluss (12) zum Anschließen einer Antriebseinheit (14), mit einer elektrischen Hochvoltbatterie (16), mit einem Gleichspannungszwischenkreis (18) zum elektrischen Koppeln des Antriebseinheitsanschlusses (12) mit der elektrischen Hochvoltbatterie (16) und mit einer Brennstoffzelleneinheit (20), die über ein Entkopplungselement (22) an den Gleichspannungszwischenkreis (18) angeschlossen ist, wobei das Entkopplungselement (22) ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20) elektrisch mit dem Gleichspannungszwischenkreis (18) ausschließlich nur dann zu koppeln, wenn die Brennstoffzelleneinheit (20) dem Gleichspannungszwischenkreis (18) elektrische Energie zuführt, wobei das Entkopplungselement (22) ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (18) energiewandlungslos zu koppeln, und dass die Brennstoffzelleneinheit (20) mit dem Entkopplungselement (22) einerseits und die Hochvoltbatterie (16) andrerseits unmittelbar parallelgeschaltet sind, zu welchem Zweck die Brennstoffzelleneinheit (20) und/oder die Hochvoltbatterie (16) derart ausgebildet sind, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Brennstoffzelleneinheit (20) ihre vorgegebene Bemessungsleistung bei einem niedrigsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie (16) und ihre Leerlaufleistung bei einem höchsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie (16) bereitstellt.The invention relates to an electrical system (10) for an electrically driven motor vehicle, having a drive unit connection (12) for connecting a drive unit (14) to a high voltage electrical battery (16), having a DC intermediate circuit (18) for electrically coupling the drive unit connection (12 ) with the high-voltage electric battery (16) and with a fuel cell unit (20) which is connected via a decoupling element (22) to the DC intermediate circuit (18), wherein the decoupling element (22) is formed, the fuel cell unit (20) electrically connected to the DC intermediate circuit (18) only to be coupled only when the fuel cell unit (20) the DC intermediate circuit (18) supplies electrical energy, wherein the decoupling element (22) is adapted to couple the fuel cell unit (20) with the DC intermediate circuit (18) energy conversion, and the fuel cell unit (20) with the decoupling element (22) on the one hand and the high-voltage battery (16) on the other hand are directly connected in parallel, for which purpose the fuel cell unit (20) and / or the high-voltage battery (16) are designed such that in normal operation, the fuel cell unit (20) their predetermined rated power at a lowest permissible state of charge of the high-voltage battery (16) and their idling power at a maximum allowable state of charge of the high-voltage battery (16) provides.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Antriebseinheitsanschluss zum Anschließen einer Antriebseinheit, mit einer elektrischen Hochvoltbatterie, mit einem Gleichspannungszwischenkreis zum elektrischen Koppeln des Antriebseinheitsanschlusses mit der elektrischen Hochvoltbatterie und mit einer Brennstoffzelleneinheit, die über ein Entkopplungselement an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, wobei das Entkopplungselement ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit elektrisch mit dem Gleichspannungszwischenkreis ausschließlich nur dann zu koppeln, wenn die Brennstoffzelle dem Gleichspannungszwischenkreis elektrische Energie zuführt.The invention relates to an electrical system for an electrically driven motor vehicle, having a drive unit connection for connecting a drive unit, with a high-voltage electric battery, with a DC voltage intermediate circuit for electrically coupling the drive unit connection with the electric high-voltage battery and with a fuel cell unit connected via a decoupling element to the DC voltage intermediate circuit is, wherein the decoupling element is designed to electrically couple the fuel cell unit with the DC voltage intermediate only when the fuel cell DC power supply to the DC link.

Elektrische Anlagen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sind dem Grunde nach aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der US 2009/0223726 A1 . Diese offenbart ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, bei der zwei Brennstoffzellen an den Zwischenkreis angeschlossen sind. Über einen DC/DC-Wandler sind ferner Supercaps an den Zwischenkreis angeschlossen. Der Zwischenkreis ist ferner an mehrere Wechselrichter angeschlossen, die ihrerseits jeweils an eine rotierende elektrische Maschine angeschlossen sind. Die rotierenden elektrischen Maschinen sind wiederum über ein gemeinsames Getriebe mechanisch mit einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Dadurch kann die Antriebsleistung der elektrischen Maschinen auf die Antriebsachse gemeinsam übertragen werden.Electrical installations for electrically driven motor vehicles are basically known from the prior art, for example from the US 2009/0223726 A1 , This discloses an electrically driven motor vehicle with an electrical system in which two fuel cells are connected to the DC link. Supercaps are also connected to the DC link via a DC / DC converter. The intermediate circuit is also connected to a plurality of inverters, which in turn are each connected to a rotating electrical machine. The rotating electrical machines are in turn coupled via a common transmission mechanically with a drive axle of the motor vehicle. Thereby, the driving power of the electric machines can be transmitted to the drive axle together.

Auch wenn sich diese Lehre bewährt hat, so erweist es sich dennoch als nachteilig, dass die elektrische Anlage aufwändig gestaltet ist, um eine vorschriftsmäßige elektrische Entkopplung der Brennstoffzellen von den Supercaps zu ermöglichen. Dadurch ist der DC/DC-Wandler zwingend erforderlich, zumal bei Supercaps – im Unterschied zu Akkumulatoren – die Klemmenspannung stark vom Ladungszustand abhängig ist. Ohne eine zwischenkreisseitige Entkopplung kann ein zuverlässiger Betrieb zusammen mit Brennstoffzellen deshalb nicht gewährleistet werden. Aber auch bei Betrieb mit Akkumulatoren ist es im Stand der Technik üblich, die Brennstoffzelle sowie auch den Akkumulator jeweils über einen DC/DC-Wandler an den Zwischenkreis anzukoppeln, um sicherzustellen, dass ein Energiefluss in eine vorgebbare Richtung erfolgt, insbesondere zu verhindern, dass die Brennstoffzellen nicht mit elektrischer Energie beaufschlagt werden.Even if this doctrine has proven itself, it nevertheless proves to be disadvantageous that the electrical system is elaborately designed in order to permit a correct electrical decoupling of the fuel cells from the supercaps. As a result, the DC / DC converter is absolutely necessary, especially in supercaps - in contrast to batteries - the terminal voltage is highly dependent on the state of charge. Without a decoupling decoupling a reliable operation together with fuel cells can therefore not be guaranteed. But even when operating with batteries, it is common in the art to couple the fuel cell and the accumulator each via a DC / DC converter to the DC link to ensure that an energy flow is in a predetermined direction, in particular to prevent the fuel cells are not supplied with electrical energy.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße elektrische Anlage hinsichtlich des Aufwands zum gemeinsamen Betreiben von Brennstoffzellen und Hochvoltbatterien an einem Gleichspannungszwischenkreis zu verbessern.It is therefore an object of the invention to improve a generic electrical system in terms of the cost of the common operation of fuel cells and high-voltage batteries to a DC voltage intermediate circuit.

Als Lösung wird mit der Erfindung eine elektrische Anlage gemäß dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.As a solution, an electrical system according to claim 1 is proposed with the invention. Further embodiments and advantages will become apparent from the features of the dependent claims.

Mit der Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, dass das Entkopplungselement ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit mit dem Gleichspannungszwischenkreis energiewandlungslos zu koppeln, und dass die Brennstoffzelleneinheit mit dem Entkopplungselement einerseits und die Hochvoltbatterie andererseits unmittelbar parallel geschaltet sind, zu welchem Zweck die Brennstoffzelleneinheit und/oder die Hochvoltbatterie derart ausgebildet sind, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Brennstoffzelleneinheit ihre vorgegebene Bemessungsleistung bei einem niedrigsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie und ihre Leerlaufleistung bei einem höchsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie bereitstellt.With the invention it is particularly proposed that the decoupling element is designed to couple the fuel cell unit with the DC voltage intermediate circuit, and that the fuel cell unit with the decoupling element on the one hand and the high-voltage battery on the other hand are connected directly in parallel, for which purpose the fuel cell unit and / or the high-voltage battery such are formed such that the fuel cell unit provides its predetermined rated power at a lowest permissible state of charge of the high-voltage battery and their idling power at a maximum allowable state of charge of the high-voltage battery in normal operation.

Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, welches sowohl elektrisch als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, oder dergleichen. Der Antriebseinheitsanschluss dient zum Anschließen der Antriebseinheit, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb betrieben werden kann. Zu diesem Zweck umfasst die Antriebseinheit eine über einen Wechselrichter angeschlossene rotierende elektrische Maschine. Die rotierende elektrische Maschine kann eine Gleichspannungsmaschine, eine Wechselspannungsmaschine, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannungsmaschine oder dergleichen sein. Insbesondere eignen sich als rotierende elektrische Maschinen Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen oder dergleichen. Der Wechselrichter ist entsprechend der rotierenden elektrischen Maschine ausgebildet, sodass ein bestimmungsgemäßer Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann. Ist eine Gleichspannungsmaschine vorgesehen, kann der Wechselrichter durch einen DC/DC-Wandler ersetzt sein. Alternativ besteht natürlich die Möglichkeit, den Wechselrichter so zu ergänzen, dass er eine Gleichspannungswandlung vornehmen kann. Der Antriebseinheitsanschluss kann durch ein Klemmenpaar gebildet sein, an dem die Antriebseinheit elektrisch angeschlossen ist. Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Antriebseinheit insgesamt von der elektrischen Anlage mit umfasst ist.An electrically driven motor vehicle is, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, which can be driven both electrically and by means of an internal combustion engine, or the like. The drive unit connection is used to connect the drive unit, by means of which the electrically driven motor vehicle can be operated while driving. For this purpose, the drive unit comprises a rotating electrical machine connected via an inverter. The rotary electric machine may be a DC machine, an AC machine, particularly a multi-phase AC machine, or the like. In particular, synchronous machines, asynchronous machines or the like are suitable as rotating electrical machines. The inverter is designed according to the rotating electrical machine, so that a proper driving operation of the motor vehicle can be achieved. If a DC machine is provided, the inverter can be replaced by a DC / DC converter. Alternatively, of course, it is possible to supplement the inverter so that it can make a DC voltage conversion. The drive unit connection can be formed by a pair of terminals to which the drive unit is electrically connected. Alternatively, it can of course also be provided that the drive unit is included in total of the electrical system with.

Die elektrische Hochvoltbatterie, die vorzugsweise durch einen elektrischen Akkumulator, beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator oder dergleichen gebildet ist, ist über einen Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage mit dem Antriebseinheitsanschluss elektrisch gekoppelt. Dadurch ist bei angeschlossener Antriebseinheit die Hochvoltbatterie auch mit der Antriebseinheit elektrisch gekoppelt. Die Hochvoltbatterie kann eine Mehrzahl von galvanischen Zellen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Bemessungsspannung erreichen zu können. Die Bemessungsspannung kann beispielsweise eine maximal auftretende elektrische Spannung in einem Spannungsbereich von 90 V bis 750 V sein. Insbesondere kann der Spannungsbereich etwa 90 V bis etwa 190 V, etwa 170 V bis etwa 340 V, etwa 250 V bis etwa 450 V, oder auch vorzugsweise 520 V bis 750 V betragen. Die Bemessungsspannung der Hochvoltbatterie kann beispielsweise auch einer maximalen oberen Toleranz einer Nennspannung der Hochvoltbatterie entsprechen. Die Nennspannung ist vorzugsweise ein vom Hersteller der Hochvoltbatterie spezifizierter Wert der elektrischen Spannung, die einen dauerhaften bestimmungsgemäßen Betrieb der Hochvoltbatterie ermöglicht. Im Unterschied zur Nennspannung ist die Bemessungsspannung häufig ein Wert, der mit einer oberen Toleranzgrenze der Nennspannung zusammenfällt. Für diesen Spannungswert ist die Hochvoltbatterie insgesamt ausgelegt. Darüber hinaus kann die Hochvoltbatterie natürlich auch ergänzend parallelgeschaltete galvanische Zellen, insbesondere eine Matrixschaltung von galvanischen Zellen, oder dergleichen aufweisen, um Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Leistung und der Stromstärke besser genügen zu können.The electric high-voltage battery, which is preferably formed by an electric accumulator, such as a lithium-ion battery or the like, is connected via a DC voltage intermediate circuit of the electrical system with the Drive unit connection electrically coupled. As a result, when the drive unit is connected, the high-voltage battery is also electrically coupled to the drive unit. The high-voltage battery may have a plurality of galvanic cells connected in series in order to achieve a desired rated voltage. The rated voltage can be, for example, a maximum occurring electrical voltage in a voltage range of 90 V to 750 V. In particular, the voltage range may be about 90V to about 190V, about 170V to about 340V, about 250V to about 450V, or even more preferably 520V to 750V. The rated voltage of the high-voltage battery, for example, also correspond to a maximum upper tolerance of a rated voltage of the high-voltage battery. The rated voltage is preferably a value of the electrical voltage specified by the manufacturer of the high-voltage battery, which enables permanent operation of the high-voltage battery in accordance with the intended purpose. In contrast to the rated voltage, the rated voltage is often a value that coincides with an upper tolerance limit of the rated voltage. The high-voltage battery is designed for this voltage value. In addition, the high-voltage battery, of course, also complementary parallel galvanic cells, in particular a matrix circuit of galvanic cells, or the like, in order to meet requirements in terms of electrical power and current strength better.

Ferner umfasst die elektrische Anlage die Brennstoffzelleneinheit, die unter Oxidation eines Brennstoffs mittels eines Oxidationsmittels, die als Fluide der Brennstoffzelle zugeführt werden, elektrische Energie zu erzeugt. Die elektrische Energie der Brennstoffzelleneinheit wird an deren Anschlussklemmen bereitgestellt und über das Entkopplungselement dem Gleichspannungszwischenkreis zugeführt. Da die Brennstoffzelleneinheit in der Regel nicht für einen reversiblen Betrieb ausgelegt ist, das heißt, sie ist nicht dafür ausgelegt, mit elektrischer Energie beaufschlagt zu werden, ist der Betrieb der Brennstoffzelle über das Entkopplungselement erforderlich. Im Stand der Technik wird hierzu ein unidirektional wandelnder DC/DC-Wandler eingesetzt.Furthermore, the electrical system comprises the fuel cell unit, which generates electrical energy while oxidizing a fuel by means of an oxidizing agent, which are supplied as fluids of the fuel cell. The electrical energy of the fuel cell unit is provided at its terminals and fed via the decoupling element to the DC voltage intermediate circuit. Since the fuel cell unit is not usually designed for reversible operation, that is, it is not designed to be supplied with electrical energy, the operation of the fuel cell via the decoupling element is required. In the prior art, a unidirectionally changing DC / DC converter is used for this purpose.

Erfindungsgemäß ist jedoch stattdessen ein Entkopplungselement vorgesehen, welches ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit mit dem Gleichspannungszwischenkreis energiewandlungslos zu koppeln. Das Entkopplungselement ist mit der Brennstoffzelleneinheit in Reihe geschaltet. Eine Energiewandlung kann also vollständig vermieden werden. Dadurch ist eine besonders einfache Kopplung an den Gleichspannungszwischenkreis ermöglicht. Zugleich wird mit dem Entkopplungselement sichergestellt, dass nicht Betriebszustände auftreten können, bei denen der Brennstoffzelleneinheit aus dem Gleichspannungszwischenkreis elektrische Energie zugeführt wird. Ein solches Entkopplungselement kann beispielsweise durch eine Diode, insbesondere eine Halbleiterdiode oder dergleichen, gebildet sein. Darüber hinaus kann das Entkopplungselement natürlich auch durch einen Halbleiterschalter gebildet sein, beispielsweise einem Metalloxyd Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), einen bipolaren Transistor, insbesondere einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), oder dergleichen. Bei den beiden letztgenannten Halbleiterschaltern ist jedoch zu beachten, dass diese so betrieben werden sollten, dass etwaig vorhandene Freilaufdioden nicht in unerwünschter Weise aktiviert werden können.According to the invention, however, instead of a decoupling element is provided, which is designed to couple the fuel cell unit with the DC voltage intermediate circuit energy. The decoupling element is connected in series with the fuel cell unit. An energy conversion can thus be completely avoided. This allows a particularly simple coupling to the DC intermediate circuit. At the same time, the decoupling element ensures that operating states can not occur in which electrical energy is supplied to the fuel cell unit from the DC intermediate circuit. Such a decoupling element can be formed for example by a diode, in particular a semiconductor diode or the like. In addition, the decoupling element can of course also be formed by a semiconductor switch, for example a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), a bipolar transistor, in particular an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or the like. In the two latter semiconductor switches, however, it should be noted that they should be operated so that any freewheeling diodes present can not be activated in an undesired manner.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Reihenschaltung aus der Brennstoffzelleneinheit mit dem Entkopplungselement einerseits sowie die Hochvoltbatterie andrerseits unmittelbar parallelgeschaltet sind. Unmittelbar parallelgeschaltet meint, dass keine weiteren Bauteile und Funktionsgruppen zwischengeschaltet sind.According to the invention, it is provided that the series connection of the fuel cell unit with the decoupling element, on the one hand, and the high-voltage battery, on the other hand, are directly connected in parallel. Immediately connected in parallel means that no other components and functional groups are interposed.

Damit diese Parallelschaltung bestimmungsgemäß betrieben werden kann, sind die Brennstoffzelleneinheit und/oder die Hochvoltbatterie derart ausgebildet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Brennstoffzelleneinheit ihre vorgegebene Bemessungsleistung bei einem niedrigsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie und ihre Leerlaufleistung bei einem höchsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie bereitstellt.So that this parallel connection can be operated as intended, the fuel cell unit and / or the high-voltage battery are designed such that the fuel cell unit provides its predetermined rated power at a lowest permissible charge state of the high-voltage battery and its no-load power at a maximum permissible charge state of the high-voltage battery during normal operation.

Die Erfindung basiert somit auf der Erkenntnis, dass ein durch die extremalen zulässigen Ladungszustände der Hochvoltbatterie vorgegebene Spannungen an die Brennstoffzelleneinheit derart angepasst sind, dass bei diesen extremalen Spannungen die extremalen Leistungen der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden. Dadurch kann der unmittelbare parallele Betrieb der Brennstoffzelleneinheit mit der Hochvoltbatterie zuverlässig gewährleistet werden. Bei der Auslegung ist ergänzend zu berücksichtigen, dass das Entkopplungselement gegebenenfalls einen Durchlassverlust beziehungsweise einen Spannungsabfall im bestimmungsgemäßen Betrieb zur Folge haben kann. Dies kann jedoch auf einfache Weise berücksichtigt werden.The invention is therefore based on the finding that a predetermined by the extreme permissible charge states of the high-voltage battery voltages are adapted to the fuel cell unit such that at these extreme voltages, the extreme performance of the fuel cell unit can be achieved. As a result, the direct parallel operation of the fuel cell unit with the high-voltage battery can be reliably ensured. In the design, it should additionally be considered that the decoupling element may possibly result in a passage loss or a voltage drop during normal operation. However, this can be easily taken into account.

Der zulässige maximale Ladungszustand und der zulässige minimale Ladungszustand der Hochvoltbatterie können herstellerseitig festgelegt sein. Es kann aber auch sein, dass diese Zustände durch Auslegung des bestimmungsgemäßen Betriebs der elektrischen Anlage bestimmt sind. Zum Zwecke der Auslegung kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl der galvanischen Zellen, die bei der Hochvoltbatterie in Reihe geschaltet sind, entsprechend angepasst gewählt ist, um zu einer vorgegebenen Brennstoffzelleneinheit einen zuverlässigen bestimmungsgemäßen Betrieb ermöglichen zu können.The permissible maximum charge state and the permissible minimum charge state of the high-voltage battery may be determined by the manufacturer. But it may also be that these conditions are determined by interpretation of the intended operation of the electrical system. For the purpose of the design, it can be provided that a number of the galvanic cells, which are connected in series in the high-voltage battery, is selected to be adapted accordingly predetermined fuel cell unit to enable reliable operation as intended.

Weiterhin kann natürlich vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelleneinheit eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist, und eine Anzahl der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit an eine elektrische Spannung der Hochvoltbatterie im niedrigsten und im höchsten zulässigen Ladungszustand unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls am Entkopplungselement im bestimmungsgemäßen Betrieb angepasst gewählt ist. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass für die Auswahl der Hochvoltbatterie und der Brennstoffzelleneinheit bei beiden die jeweilige Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen adaptiert wird, um so zu einer gemeinsam parallel betreibbaren Einheit gelangen zu können.Furthermore, it can of course be provided that the fuel cell unit has a plurality of series-connected fuel cells, and a number of series-connected fuel cells of the fuel cell unit to an electrical voltage of the high-voltage battery in the lowest and highest allowable charge state, taking into account a voltage drop across the decoupling element in normal operation adapted is selected. Of course, it can also be provided that for the selection of the high-voltage battery and the fuel cell unit in both the respective number of series-connected cells is adapted so as to be able to reach a common parallel operable unit.

Die Hochvoltbatterie ist vorzugsweise ferner ausgebildet, die maximale Leistung der Brennstoffzelleneinheit aufzunehmen. Da die Brennstoffzelleneinheit in der Regel reaktionsträge im Vergleich zur Hochvoltbatterie ist, kann somit bei einer plötzlichen Energieentnahmeänderung durch die Antriebseinheit gewährleistet werden, dass die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Energie von der Hochvoltbatterie aufgenommen werden kann und somit ein gefährlicher Zustand vermieden werden kann.The high-voltage battery is preferably further configured to receive the maximum power of the fuel cell unit. Since the fuel cell unit is usually inert in comparison to the high-voltage battery, it can thus be ensured by a sudden energy removal change by the drive unit, that the energy provided by the fuel cell can be absorbed by the high-voltage battery and thus a dangerous condition can be avoided.

Hinsichtlich der Bemessungsleistung bei der Brennstoffzelleneinheit gilt dem Grunde nach auch das, was bereits zur Bemessungsspannung bezüglich der Hochvoltbatterie eingangs angeführt ist, nämlich dass die Bemessungsleistung eine vorgegebene Leistung ist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb durch die Brennstoffzelleneinheit kontinuierlich bereitgestellt werden kann. Die Bemessungsleistung kann dabei eine Leistung sein, die mit einer Obergrenze einer Nennleistung, die von einem Hersteller angegeben ist, zusammenfällt.With regard to the rated power in the fuel cell unit, what is already stated at the beginning of the rated voltage with regard to the high-voltage battery also applies, namely that the rated power is a predetermined power that can be continuously provided by the fuel cell unit during normal operation. The rated power can be a power that coincides with an upper limit of a rated power specified by a manufacturer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Es zeigen:Show it:

1 eine elektrische Anlage gemäß der Erfindung, bei der eine Brennstoffzelleneinheit und eine Hochvoltbatterie parallelgeschaltet sind; und 1 an electrical system according to the invention, in which a fuel cell unit and a high-voltage battery are connected in parallel; and

2 eine schematische Diagrammdarstellung für eine Auslegung der Hochvoltbatterie und der Brennstoffzelleneinheit der elektrischen Anlage gemäß 1. 2 a schematic diagram representation of a design of the high-voltage battery and the fuel cell unit of the electrical system according to 1 ,

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbilddiagramm einer elektrischen Anlage 10 für ein nicht weiter dargestelltes Elektrofahrzeug gemäß der Erfindung. Die elektrische Anlage 10 weist einen Antriebseinheitsanschluss 12 zum Anschließen einer Antriebseinheit 14 auf, die vorliegend eine über einen Wechselrichter angeschlossene Asynchronmaschine umfasst. In 1 ist lediglich die Antriebseinheit 14 als solche dargestellt. Ferner umfasst die elektrische Anlage 10 eine elektrische Hochvoltbatterie 16, die über einen Gleichspannungszwischenkreis 18 mit dem Antriebseinheitsanschluss 12 elektrisch gekoppelt ist. Weiterhin umfasst die elektrische Anlage 10 eine Brennstoffzelleneinheit 20 mit einer Mehrzahl von nicht dargestellten, in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, die über eine Diode 22 als Entkopplungselement an den Gleichspannungszwischenkreis 18 angeschlossen ist. Sowohl die Hochvoltbatterie 16 als auch die Brennstoffzelleneinheit 20 sind jeweils über elektromechanische Schalter 40, 42 aktivierbar beziehungsweise deaktivierbar. 1 shows a schematic representation of a block diagram of an electrical system 10 for a not further illustrated electric vehicle according to the invention. The electrical system 10 has a drive unit connection 12 for connecting a drive unit 14 in the present case comprises an asynchronous machine connected via an inverter. In 1 is only the drive unit 14 represented as such. Furthermore, the electrical system includes 10 an electric high-voltage battery 16 , which have a DC voltage intermediate circuit 18 with the drive unit connection 12 is electrically coupled. Furthermore, the electrical system includes 10 a fuel cell unit 20 with a plurality of unillustrated series-connected fuel cells connected via a diode 22 as a decoupling element to the DC voltage intermediate circuit 18 connected. Both the high-voltage battery 16 as well as the fuel cell unit 20 are each about electromechanical switches 40 . 42 can be activated or deactivated.

Durch die Diode 22 ist die Brennstoffzelleneinheit 20 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 18 ausschließlich nur dann elektrisch gekoppelt, wenn die Brennstoffzelleneinheit 20 dem Gleichspannungszwischenkreis 18 elektrische Energie zuführt. Wird dem Gleichspannungszwischenkreis 18 keine elektrische Energie von der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeführt, wird durch die Diode 22 verhindert, dass elektrische Energie vom Gleichspannungszwischenkreis 18 zur Brennstoffzelleneinheit 20 zugeführt werden kann.Through the diode 22 is the fuel cell unit 20 with the DC intermediate circuit 18 only electrically coupled only when the fuel cell unit 20 the DC intermediate circuit 18 supplying electrical energy. Is the DC voltage intermediate circuit 18 no electrical energy from the fuel cell unit 20 fed through the diode 22 prevents electrical energy from the DC link 18 to the fuel cell unit 20 can be supplied.

Erfindungsgemäß ist die Entkopplungseinheit ausgebildet, die Brennstoffzelleneinheit 20 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 18 energiewandlungslos zu koppeln, das heißt, dass über die Diode 22 die elektrische Spannung der Brennstoffzelleneinheit 20 unmittelbar auf den Gleichspannungszwischenkreis 18 gegeben wird. Solange die Brennstoffzelleneinheit 20 dem Gleichspannungszwischenkreis 18 elektrische Energie zuführt, entspricht die elektrische Spannung der Brennstoffzelleneinheit 20 im Wesentlichen der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 18, lediglich vermindert um Durchlassspannungen aufgrund eines Stromflusses durch die Diode 22 und gegebenenfalls auch noch durch den elektromechanischen Schalter 42. Das Gleiche auch für die Hochvoltbatterie 16.According to the invention, the decoupling unit is formed, the fuel cell unit 20 with the DC intermediate circuit 18 to couple energy-free, that is, via the diode 22 the electrical voltage of the fuel cell unit 20 directly to the DC voltage intermediate circuit 18 is given. As long as the fuel cell unit 20 the DC intermediate circuit 18 supplying electrical energy corresponds to the electrical voltage of the fuel cell unit 20 essentially the DC voltage of the DC intermediate circuit 18 , only reduced by forward voltages due to a current flow through the diode 22 and optionally also by the electromechanical switch 42 , The same for the high-voltage battery 16 ,

Vorliegend sind die Brennstoffzelleneinheit 20 und die Hochvoltbatterie 16 derart ausgebildet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Brennstoffzelleneinheit 20 ihre vorgegebene Bemessungsleistung bei einem niedrigsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie 16 und ihre Leerlaufleistung bei einem höchsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie 16 bereitstellt. Eine diesbezügliche Auslegung ist aus 2 ersichtlich.In the present case are the fuel cell unit 20 and the high-voltage battery 16 designed such that in normal operation the fuel cell unit 20 their predetermined rated power at a lowest permissible charge state of the high-voltage battery 16 and their no-load performance at a maximum allowable charge state of the high-voltage battery 16 provides. A relevant interpretation is over 2 seen.

2 zeigt in schematischer Darstellung ein Diagramm 24, in welchem mittels eines ersten Graphen 36 ein Leistungsverlauf der Leistung der Brennstoffzelleneinheit 20 und mit einem zweiten Graphen 38 ein Spannungsverlauf der elektrischen Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 18 beziehungsweise bei geschlossenem elektromechanischen Schalter 40 der Klemmenspannung der Hochvoltbatterie 16 dargestellt ist. 2 shows a schematic representation of a diagram 24 in which by means of a first graph 36 a performance curve of the performance of the fuel cell unit 20 and with a second graph 38 a voltage curve of the electrical voltage at the DC voltage intermediate circuit 18 or with closed electromechanical switch 40 the terminal voltage of the high-voltage battery 16 is shown.

Eine Abszisse in dem Diagramm 24 der 2, die mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist, ist einem Strom in der Einheit A zugeordnet, wohingegen eine erste Ordinate 32 im linken Bereich des Diagramms 24 eine elektrische Spannung am Gleichspannungszwischenkreis 18 in der Einheit V angibt. Im rechten Bereich des Diagramms 24 ist eine weitere Ordinate 34 dargestellt, auf der die Leistung der Brennstoffzelleneinheit 20 in kW angegeben ist.An abscissa in the diagram 24 of the 2 denoted by the reference numeral 30 is associated with a current in the unit A, whereas a first ordinate 32 in the left area of the diagram 24 an electrical voltage at the DC voltage intermediate circuit 18 in the unit V indicates. In the right part of the diagram 24 is another ordinate 34 shown on the performance of the fuel cell unit 20 in kW.

In dem Diagramm der 2 sind zwei Auslegungspunkte 26 sowie 28 dargestellt. Der Auslegungspunkt 26 definiert dabei den Punkt der vorgegebenen Bemessungsleistung der Brennstoffzelleneinheit 20, bei dem die Hochvoltbatterie 16 ihren niedrigsten zulässigen Ladungszustand aufweist. Vorliegend ist dies die Leistung der Brennstoffzelleneinheit 20, die als maximal abgebare Leistung vorgegeben ist. Dagegen ist bei dem zweiten Auslegungspunkt 28 vorgesehen, dass hier die Brennstoffzelleneinheit 20 ihre Leerlaufleistung bereitstellt und die Hochvoltbatterie 16 ihren maximalen zulässigen Ladungszustand im bestimmungsgemäßen Betrieb erreicht hat. Mit 44 ist der zulässige Betriebsbereich der Brennstoffzelleneinheit 20 im Diagramm 24 gekennzeichnet. Durch geeignete Wahl der Anzahl der Zellen sowohl bei der Brennstoffzelleneinheit 20 als auch bei der Hochvoltbatterie 16 kann ein Spannungsverlauf gemäß des Graphen 38 erreicht werden, bei dem die Brennstoffzelleneinheit 20 über die Diode 22 unmittelbar mit der Hochvoltbatterie 16 parallelgeschaltet werden kann.In the diagram of 2 are two design points 26 such as 28 shown. The design point 26 defines the point of the given rated power of the fuel cell unit 20 in which the high-voltage battery 16 has its lowest permissible charge state. In the present case this is the performance of the fuel cell unit 20 , which is specified as the maximum deliverable power. By contrast, at the second design point 28 provided that here the fuel cell unit 20 their idle power provides and the high-voltage battery 16 has reached its maximum permissible state of charge during normal operation. With 44 is the allowable operating range of the fuel cell unit 20 in the diagram 24 characterized. By suitable choice of the number of cells in both the fuel cell unit 20 as well as the high-voltage battery 16 can be a voltage curve according to the graph 38 can be achieved, wherein the fuel cell unit 20 over the diode 22 directly with the high-voltage battery 16 can be connected in parallel.

Es ist also mit der Erfindung möglich, einen bestimmungsgemäßen Betrieb zuverlässig zu erreichen, ohne dass ein weiterer Einsatz von Energiewandlern erforderlich wäre. Dadurch kann die elektrische Anlage 10 der Erfindung erheblich vereinfacht werden gegenüber dem Stand der Technik.It is thus possible with the invention to achieve a proper operation reliably, without further use of energy converters would be required. This allows the electrical system 10 The invention can be considerably simplified compared to the prior art.

Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Weiterhin ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße elektrische Anlage beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen auch auf ein entsprechendes Verfahren angewendet werden können. Insbesondere können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale vorgesehen sein.The embodiment is merely illustrative of the invention and is not limitative of it. It should also be noted that the advantages and features and embodiments described for the electrical system according to the invention can equally be applied to a corresponding method. In particular, corresponding device features may be provided for device features.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
elektrische AnlageElectrical system
1212
AntriebseinheitsanschlussDrive unit connection
1414
Antriebseinheitdrive unit
1616
HochvoltbatterieHigh-voltage battery
1818
GleichspannungszwischenkreisDc link
2020
Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
2222
Diodediode
2424
Diagrammdiagram
2626
Auslegungspunktdesign point
2828
Auslegungspunktdesign point
3030
Abszisseabscissa
3232
erste Ordinatefirst ordinate
3434
weitere Ordinatemore ordinates
3636
erster Graphfirst graph
3838
zweiter Graphsecond graph
4040
elektromechanischer Schalterelectromechanical switch
4242
elektromechanischer Schalterelectromechanical switch
4444
Betriebsbereichoperating range

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2009/0223726 A1 [0002] US 2009/0223726 A1 [0002]

Claims (5)

Elektrische Anlage (10) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Antriebseinheitsanschluss (12) zum Anschließen einer Antriebseinheit (14), mit einer elektrischen Hochvoltbatterie (16), mit einem Gleichspannungszwischenkreis (18) zum elektrischen Koppeln des Antriebseinheitsanschlusses (12) mit der elektrischen Hochvoltbatterie (16) und mit einer Brennstoffzelleneinheit (20), die über ein Entkopplungselement (22) an den Gleichspannungszwischenkreis (18) angeschlossen ist, wobei das Entkopplungselement (22) ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20) elektrisch mit dem Gleichspannungszwischenkreis (18) ausschließlich nur dann zu koppeln, wenn die Brennstoffzelleneinheit (20) dem Gleichspannungszwischenkreis (18) elektrische Energie zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (22) ausgebildet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (18) energiewandlungslos zu koppeln, und dass die Brennstoffzelleneinheit (20) mit dem Entkopplungselement (22) einerseits und die Hochvoltbatterie (16) andrerseits unmittelbar parallelgeschaltet sind, zu welchem Zweck die Brennstoffzelleneinheit (20) und/oder die Hochvoltbatterie (16) derart ausgebildet sind, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Brennstoffzelleneinheit (20) ihre vorgegebene Bemessungsleistung bei einem niedrigsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie (16) und ihre Leerlaufleistung bei einem höchsten zulässigen Ladungszustand der Hochvoltbatterie (16) bereitstellt.Electrical system ( 10 ) for an electrically driven motor vehicle, with a drive unit connection ( 12 ) for connecting a drive unit ( 14 ), with a high voltage electric battery ( 16 ), with a DC voltage intermediate circuit ( 18 ) for electrically coupling the drive unit connection ( 12 ) with the electric high-voltage battery ( 16 ) and with a fuel cell unit ( 20 ), which via a decoupling element ( 22 ) to the DC voltage intermediate circuit ( 18 ) is connected, wherein the decoupling element ( 22 ), the fuel cell unit ( 20 ) electrically connected to the DC voltage intermediate circuit ( 18 ) only to couple only if the fuel cell unit ( 20 ) the DC intermediate circuit ( 18 ) supplies electrical energy, characterized in that the decoupling element ( 22 ), the fuel cell unit ( 20 ) with the DC voltage intermediate circuit ( 18 ) to couple energy conversionless, and that the fuel cell unit ( 20 ) with the decoupling element ( 22 ) on the one hand and the high-voltage battery ( 16 ) On the other hand, are connected directly in parallel, for what purpose the fuel cell unit ( 20 ) and / or the high-voltage battery ( 16 ) are designed such that during normal operation, the fuel cell unit ( 20 ) their predetermined rated power at a lowest permissible charge state of the high-voltage battery ( 16 ) and their no-load performance at a maximum permissible charge state of the high-voltage battery ( 16 ). Elektrische Anlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (20) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist und eine Anzahl der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit (20) an eine elektrische Spannung der Hochvoltbatterie im niedrigsten und höchsten zulässigen Ladungszustand unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls am Entkopplungselement (22) im bestimmungsgemäßen Betrieb angepasst gewählt ist.Electrical system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the fuel cell unit ( 20 ) has a plurality of fuel cells connected in series and a number of the series-connected fuel cells of the fuel cell unit ( 20 ) to an electrical voltage of the high-voltage battery in the lowest and highest permissible charge state taking into account a voltage drop across the decoupling element ( 22 ) has been selected adjusted in normal operation. Elektrische Anlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (16) ausgebildet ist, die vorgegebene Bemessungsleistung der Brennstoffzelleneinheit (20) aufzunehmen.Electrical system ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the high-voltage battery ( 16 ), the predetermined rated power of the fuel cell unit ( 20 ). Elektrische Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenwiderstand der Brennstoffzelleneinheit (20) und/oder der Hochvoltbatterie (16) einstellbar ausgebildet ist.Electrical system ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that an internal resistance of the fuel cell unit ( 20 ) and / or the high-voltage battery ( 16 ) is adjustable. Elektrische Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (20) und die Hochvoltbatterie (16) thermisch miteinander gekoppelt sind.Electrical system ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel cell unit ( 20 ) and the high-voltage battery ( 16 ) are thermally coupled together.
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