BESCHREIBUNG: Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen enthaltendes elektrisches Energiesystem und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.

In mobilen Brennstoffzellenanwendungen, z.B. Brennstoffzellenfahrzeugen, umfasst das Energiesystem mit dem Hochspannungsstromkreis (HV-Kreis) üblicherweise zwei Energiespeicher. Üblicherweise ist die Brennstoffzelle (BZ) einer der beiden Energiespeicher und eine HV-Batterie ist der zweite Energiespeicher. Da die Brennstoffzelle eine stark lastabhängige Spannung aufweist, wird sie üblicherweise über einen Gleichstromwandler (DC/DC- Wandler) mit der HV-Batterie gekoppelt. Der DC/DC-Wandler gleicht die unterschiedlichen Spannungen von BZ und HV-Batterie an. Da die Brennstoffzelle einen sehr geringen Isolationswiderstand besitzt, wird der DC/DC-Wandler oft mit galvanischer Trennung ausgeführt. Dadurch können die gesetzlich geforderten und durch Normen vorgegebenen Grenzwerte für den Isolationswiderstand auf Seiten der HV-Batterie eingehalten werden. Um eine möglichst optimale Spannungsversorgung der an das Energiesystem angeschlossenen Verbraucher, z.B. der Antriebssysteme des BZ-Fahrzeugs, zu garantieren, werden diese in der Regel aus dem Stromkreis der HV- Batterie mit Strom versorgt.

Um die HV-Batterie laden zu können, wird üblicherweise ein Netzladegerät verwendet. Dieses besteht in der Regel aus einer Stufe zur Gleichrichtung bzw. zur Leistungsfaktorkorrektur (Power-Factor-Correction, oder kurz PFC), und einem DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung. Aus der DE 10 2014 006 808 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer HV-Batterie bekannt, das ein Bordnetz mit einem Anschluss für eine externe Energieversorgung umfasst, die über einen galvanisch getrennten Spannungswandler des Fahrzeugs mit dem Bordnetz verbunden ist;

Aus der DE 10 2009 007 737 A1 gehen eine Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein entsprechendes Ladegerät hervor. Das Ladegerät ist über einen galvanisch getrennten Spannungswandler mit einem Fahrzeugbordnetz verbunden und lädt eine Batterie.

Die DE 10 2016 218 276 A1 offenbart ein Flochvolt-Kraftfahrzeug-Bordnetz, das eine Steuereinheit zur Verteilung von elektrischer Energie umfasst, die von einer Ladeschnittstelle stammt und über die Steuereinheit an einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler geleitet wird, der eine Batterie mit einer gewandelten Spannung lädt.

Das separate Ladegerät verursacht zusätzliche Kosten, die zu den Kosten für das BZ-System und die übrigen Komponenten des Batteriekreises hinzukommen. Ferner wird zusätzlicher Bauraum für das Ladegerät benötigt. Darüber hinaus geht die maximale Ladeleistung für das Ladegerät stark in die Dimensionierung und damit in Kosten und Volumen des Geräts ein. Es muss also eine Wahl zwischen hoher Ladeleistung und hohen Kosten bzw. hohem Gewicht oder geringerer Ladeleistung und geringeren Kosten bzw. geringerem Volumen getroffen werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die geschilderten Nachteile zumindest teilweise beseitigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle; mindestens eine HV-Batterie; und einen zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der mindestens einen HV-Batterie angeordneten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) mit galvanischer Trennung. Zwischen der Brennstoffzelle und dem DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung ist ein Netzladegerät angeschlossen, das lediglich einen Gleichrichter (AC/DC-Wandler), aber keinen DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung enthält.

In einer Ausführungsform umfasst der Gleichrichter des Netzladegeräts einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC). In einer Ausführungsform ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter ein passiver Oberschwingungsfilter. In einer anderen Ausführungsform ist der Leistungsfaktorkorrekturfilter ein aktiver Oberschwingungsfilter. In einer speziellen Ausführungsform ist dem aktiven Oberschwingungsfilter ein passiver Netzfilter vorgeschaltet.

In einer Ausführungsform ist der Gleichstromwandler mit galvanischer Trennung ein Gegentaktflusswandler. In einer anderen Ausführungsform ist der Gleichstromwandler mit galvanischer Trennung ein Resonanzwandler. In einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichstromwandler mit galvanischer Trennung ein brückenloser PFC-Wandler.

Um die durch das Ladegerät entstehenden Nachteile zu eliminieren, wird erfindungsgemäß der zwischen Brennstoffzelle und HV-Batteriekreis vorhandene DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung verwendet, um Teile der Ladefunktion zu übernehmen. Dabei wird insbesondere davon Gebrauch gemacht, dass der DC/DC-Wandler nur im Fährbetrieb die Aufgabe hat, die Spannung zwischen BZ und HV-Batterie anzupassen. Dagegen kommt das Ladegerät nur zum Einsatz, wenn das Fahrzeug steht. Der DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung des Ladegeräts wird eliminiert, wodurch Komplexität, Kosten und Volumen des Ladegeräts reduziert werden.

Da die Brennstoffzellen-Leistung, welche vom DC/DC-Wandler angepasst und in den HV-Batteriekreis übertragen werden muss, in der Regel deutlich mehr als 40 kW beträgt, ist der DC/DC-Wandler für entsprechende Leistungen dimensioniert. Daher können auch höhere Ladeleistungen erzielt werden als mit gebräuchlichen Netzladegeräten.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Energiesystems, bei dem zum Aufladen der HV-Batterie eine Netzspannung über den Gleichrichter gleichgerichtet und über den zwischen Brennstoffzelle und HV-Batterie angeordneten DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung an die HV-Batterie weitergeleitet wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt durch den Gleichrichter eine Leistungsfaktorkorrektur.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Energiesystems und Verfahrens zählen ein geringer Bauteil- und Ansteueraufwand, die eine kostengünstigere Realisierung des Energiesystems ermöglichen als bei Verwendung eines herkömmlichen Netzladegeräts. Gewicht und Volumen des Energiesystems sind geringer als bei herkömmlichen Energiesystemen. Zudem ermöglicht das Energiesystem eine hohe Ladeleistung.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Energiesystems des

Standes der Technik mit Ladegerät und angeschlossenen Verbrauchern;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems mit Ladegerät und angeschlossenen Verbrauchern.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiesystems 10 des Standes der Technik mit einem AC-Ladegerät 14 und angeschlossenen Verbrauchern 17, 18, 19. Das Energiesystem 10 umfasst als Energiequellen eine Brennstoffzelle 11 und eine FIV-Batterie 12. Diese sind über einen Gleichstromwandler 13 mit galvanischer Trennung verbunden. Zwischen dem DC/DC-Wandler 13 und der FIV-Batterie 12 ist ein Netzladegerät 14 angeschlossen. Das Netzladegerät 14 des Energiesystems 10 umfasst einen DC/DC-Wandler 15 mit galvanischer Trennung und einen AC/DC-Wandler 16 mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, "Power Factor Correction"). An das Energiesystem 10 sind mindestens ein Pulswechselrichter 17 und mindestens ein Elektromotor 18 angeschlossen, sowie weitere HV- Komponenten 19 wie Nebenaggregate der Brennstoffzelle, 12 V DC/DC- Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10 mit einem AC-Ladegerät 14 und angeschlossenen Verbrauchern 17, 18, 19. Das Energiesystem 10 umfasst als Energiequellen eine Brennstoffzelle 11 und eine HV-Batterie 12. Diese sind über einen Gleichstromwandler 13 mit galvanischer Trennung verbunden. Zwischen Brennstoffzelle 11 und DC/DC-Wandler 13 ist ein Netzladegerät 14 angeschlossen. Das Netzladegerät 14 des Energiesystems 10 umfasst lediglich einen AC/DC-Wandler 16 mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, "Power Factor Correction"). Der DC/DC-Wandler 13 passt die Ausgangsspannung des Netzladegeräts 14 an die Spannung der HV-Batterie 12 an und trennt den Zwischenkreis mit der HV-Batterie 12 galvanisch vom Netzstrom. Dadurch kann im Netzgerät 14 ein eigener DC/DC-Wandler 15 mit galvanischer Trennung entfallen. An das Energiesystem 10 sind mindestens ein Pulswechselrichter 17 und mindestens ein Elektromotor 18 angeschlossen, sowie weitere HV-Komponenten 19 wie Nebenaggregate der Brennstoffzelle, 12 V DC/DC-Wandler, HV-Heizer, elektrische Klimakompressoren etc.

Bezuqszeichenliste

10 Energiesystem

11 Brennstoffzelle (BZ)

12 HV-Batterie

13 DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung

14 Netzladegerät

15 DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung

16 AC/DC-Wandler mit PFC

17 Pulswechselrichter (PWR)

18 Elektromotor (EM)

19 Sonstige HV-Komponenten