Verfahren zur Spannungsbegrenzung bei einer Versorgungseinrichtung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für die elektrische Versor gung mindestens eines Verbrauchers, mit einem Primärstromnetz, in dem eine erste Brennstoffzelleneinrichtung mit einer ersten Leistungsfähigkeit vorliegt, mit einem Spannungswandler, der das Primärstromnetz mit einem eine Batterie umfassenden Sekundärstromnetz verbindet, und mit mindes tens einer Messeinrichtung zur Erfassung eines Isolationswiderstandes der Versorgungseinrichtung, insbesondere des Primärstromnetzes und/oder des Sekundärstromnetzes. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellen fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Span- nungsbegrenzung einer Versorgungseinrichtung bei der elektrischen Versor gung eines Verbrauchers.

Derartige Versorgungseinrichtungen werden typischweise in Brennstoffzel lenfahrzeugen eingesetzt, wobei für derartig elektrisch angetriebene Fahr- zeuge der Isolationswiderstand typischerweise 100 Ohm / Volt in Bezug zur höchsten auftretenden Spannung zu betragen hat, um einen Menschen vor einem für ihn gefährlichen Stromschlag zu schützen.

Eine eingangs erwähnte Versorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der DE 102016219984 A1 gezeigt. Hierbei wird mit tels mehrerer Messeinrichtungen der Isolationswiderstand des hybrid aus einer Brennstoffzelleneinrichtung und einer Batterie gebildeten Brennstoffzel lenfahrzeugs ermittelt. In Abhängigkeit des ermittelten Werts des Isolations widerstands wird das Brennstoffzellenfahrzeug zum Schutz vor einem ge- fährlichen Stromschlag in einen Notfahrmodus oder sogar in einen Leerlauf- Stopp-Modus versetzt.

In der US 2008 / 0 107933 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das in Abhängigkeit der gestellten Lastanforderung eine unterschiedliche Anzahl an Brennstoffzellenstapeln zur Leistungsbereitstellung aktiv oder in aktiv stellt.

In der US 2017 / 0 162924 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, welches die vom Brennstoffzellenstapel gelieferte Spannung überwacht und bei Überschreiten einer Grenzspannung des gesamten Systems in einen Notbetrieb übergeht.

In der CN 109606203 A ist ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer Batterie und einer Brennstoffzelleneinrichtung gebildeten Systems beschrie ben, das bei kritischen Ereignissen einen Notstopp bewirkt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Versorgungseinrichtung, ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung anzugeben, die eine erhöhte Sicherheit bieten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Versorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbil dungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der ersten Brennstoffzelleneinrichtung im Primärstrom netz eine zweite Brennstoffzelleneinrichtung mit einer, vorzugsweise von der ersten Leistungsfähigkeit abweichenden zweiten Leistungsfähigkeit in Reihe geschaltet ist, dass jeder der Brennstoffzelleneinrichtungen jeweils eine ei nen Schalter umfassende Überbrückungsschaltung parallel geschaltet ist, und dass die Schalter der Überbrückungsschaltungen in Abhängigkeit des erfassten Isolationswiderstands schaltbar sind.

Wenn beispielsweise zwei Brennstoffzelleneinrichtungen eingesetzt werden, bei denen sich die Leistungsfähigkeit unterscheidet, lässt sich gewährleisten, dass aufgrund des vorliegenden Isolationswiderstands die Spannung auf einen für einen Menschen ungefährliches Niveau gesenkt wird, da nur noch diejenige der Brennstoffzelleneinrichtung Leistung bereitstellt, die eine nied rige Spannung besitzt. Das Dynamikverhalten der noch aktiven Brennstoff zelleneinrichtung, also die situationsangepasste Einstellung des Lastpunkts, kann in diesem Notbetrieb eingeschränkt werden. Ein die Versorgungsein richtung verwendendes Brennstoffzellenfahrzeug kann noch immer in einem Notfahrmodus („limp home“) mit verrringerter Leistung weiterbetrieben oder weitergefahren werden, wobei es nicht notwendig ist, das Brennstoffzellen fahrzeug in einen Stopp-Modus zu versetzen und an einer Weiterfahrt zu hindern.

Um die Spannung der Versorgungseinrichtung, insbesondere ihre Aus gangsspannung, auf einen für einen Menschen ungefährlichen Wert zu be grenzen und damit den Isolationswiderstand auf oder über einen vorgegebe nen Widerstandswert anzuheben, ist es von Vorteil, dass der Batterie im Se kundärstromnetz ebenfalls eine Überbrückungsschaltung parallel geschaltet ist, welche einen in Abhängikeit des erfassten Isolationswiderstands schalt baren Schalter umfasst.

Es ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung möglich, dass der Spannungs wandler zur Einstellung der Spannungslage der ersten Brennstoffzellenein richtung, der Spannungslage der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung sowie der Spannungslage der Batterie als ein Triport-Wandler gebildet ist. Somit kann der Triport-Wandler gewährleisten, dass der Isolationswiderstand nicht unter einen vorgegebenen Widerstandswert fällt, was zu einem für einen Menschen gefährlichen Stromschlag führen könnte. Hierfür wird zunächst mittels der Messeinrichtung der Isolationswiderstand ermittelt, aus welchem dann die für die Versorgungseinrichtung maximal mögliche, für einen Men- sehen ungefährliche Spannung berechnet wird. Die Einzelspannungen der Brennstoffzelleneinrichtungen und der Batterie werden dann derart einge stellt und ggfs aufeinander abgestimmt, dass dieser Maximalspannungswert nicht überschritten wird.

Um eine für unterschiedliche Anwendungen nutzbare Leistungsskalierung bereitstellen zu können, ist es zudem von Vorteil, wenn im Primärstromnetz mindestens eine weitere Brennstoffzelleneinrichtung mit einer ihr zugeordne ten, einen Schalter umfassenden Überbrückungsschaltung vorhanden und mit den übrigen Brennstoffzelleneinrichtungen in Reihe geschaltet ist.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Versorungseinrichtung erläu terten Vorteile, technischen Wirkungen und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahr zeug. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass im Falle eines zu geringen Isolationswiderstands eine Weiterfahrt mit verrigerter Leistung möglich bleibt und ein Notstopp („Emergency Shutdown“) vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Spannungsbegrenzung einer vorste hend Versorgungseinrichtung bei der elektrischen Versorgung eines Ver brauchers umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

A. Erfassen des Isolationswiderstandes im Primärstromnetz und/oder im Sekundärstromnetz mittels der Messeinrichtung,

B. Prüfen, ob der Isolationswiderstand einen vorgegebenen Widerstands wert unterschritten hat, und

C. im Fall eines unterschrittenen Widerstandswerts, Ansteuerung eines oder mehrerer Schalter der Überbrückungsschaltungen derart, dass mindestens eine der Brennstoffzelleneinrichtungen überbrückt und so mit, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig inaktiv gestellt wird, und dass eine andere der Brennstoffzelleneinrichtungen unüberbrückt ist und somit zur Bereitstellung einer Spannung aktiv gestellt wird.

Es ist bei diesem Verfahren bevorzugt aber nicht notwendig, dass die erste Brennstoffzelleneinrichtung eine erste Leistungsfähigkeit aufweist, und dass die zweite Brennstoffzelleinrichtung eine von der ersten Leistungsfähigkeit abweichende zweite Leistungsfähigkeit aufweist, und dass im Fall eines un terschrittenen Widerstandswerts diejenige Brennstoffzelleneinrichtung über brückt wird, die die höhere Leistungsfähigkeit vorweist.

Auf diese Weise ist eine Notversorgung der Verbraucher mit verringerter Leistung gewährleistet, so dass ein Notstopp der Verbraucher vermieden ist.

Es ist von Vorteil, wenn im Falle eines unterschrittenen Widerstandswerts der Ladezustand (SOC) der Batterie herabgesetzt wird, da auf diese Weise die Spannung der Versorungseinrichtung insgesamt herabgesetzt wird.

Sollte das bloße Herabsetzen der Spannungslage der Batterie nicht ausrei chen, um den Isolationswiderstand auf einen vorgegebenen Widerstandswert anzuheben, so ist die Möglichkeit gegeben, dass der Batterie im Sekundär stromnetz ebenfalls eine Überbrückungsschaltung parallel geschaltet ist, welche einen in Abhängigkeit des erfassten Isolationswiderstands schaltba ren Schalter umfasst, und dass die Batterie im Falle eines unterschrittenen Widerstandwerts ebenfalls überbrückt und somit inaktiv gestellt wird.

Um die Betriebssicherheit der Versorgungseinrichtung zu erhöhen, ist es zu dem von Vorteil, wenn der Spannungswandler als ein Triport-Wandler gebil det ist, wenn der Triport-Wandler im Falle eines unterschrittenen Wi derstandwerts die Spannungslage der ersten Brennstoffzelleneinrichtung, die Spannungslage der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung und/oder die Span nungslage der Batterie herabsetzt. Somit kann dieser Triport-Wandler also in Abhängigkeit des vorliegenden Isolationswiderstands und der sich daraus ergebenden Maximalspannung der Versorgungseinrichtung die Spannungs lagen aller Konstituenten auf einen für einen Menschen ungefährlichen Wert einstellen.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina- tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh rungsform und sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Versorgungseinrichtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers in Form einer Antriebseinrichtung mit Antriebsaggregat zum Antrei ben eines Kraftfahrzeugs.

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Versorgungseinrichtung 1 für die elektrische Versorgung eines ersten Verbrauchers 2 und eines zwei ten Verbrauchers 3 gezeigt. Die vorliegende Versorgungseinrichtung 1 kann vorzugsweise auch weitere nicht näher dargestellte Verbraucher mit elektri scher Energie versorgen.

Die Versorgungseinrichtung 1 umfasst ein Primärstromnetz 4, in dem eine erste Brennstoffzelleneinrichtung 7 und eine zweite Brennstoffzelleneinrich tung 8 vorliegen, welche miteinander in Reihe geschaltet sind. Außerdem weist die Versorgungseinrichtung 1 ein Sekundärstromnetz 17 auf, in dem eine Batterie 20 vorliegt. Die Batterie 20 ist ausgelegt, die Verbraucher 2, 3 zu bestromen. Das Primärstromnetz 4 ist eingangsseitig an einen Span nungswandler 13 angeschlossen, wobei das Sekundärstromnetz 17 vorlie gend ausgangsseitig an den Spannungswandler 13 angeschlossen ist, so dass der Spannungswandler 13 das Primärstromnetz 4 mit dem Sekundär stromnetz 17 verbindet. Der Verbraucher 2 umfasst ein Antriebsaggregat 22, welches in Form einer elektrischen Maschine vorliegt. Diese elektrische Maschine ist typischer weise mittels eines Drei-Phasen-Wechselstroms betreibbar und ist vorzugs weise als Fahrmotor für ein Kraftfahrzeug gebildet. Da das Primärstromnetz 4 und auch das Sekundärstromnetz 17 eine Flochspannung und einen Gleichstrom liefern, ist dem Verbraucher 2 zusätzlich der Wechselrichter 21 zugeordnet, der den Gleichstrom in den Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 2 kann das Antriebsaggregat 22 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Brems vorgang durch das Antriebsaggregat 22 erzeugte Energie der Batterie 20 über den Wechselrichter 21 wieder zugeführt werden kann.

Der Verbraucher 3 kann ebenfalls an das aus dem Primärstromnetz 4 und Sekundärstromnetz 17 gebildete Bordnetz angeschlossen sein. Als Verbrau cher 3 kommen beispielsweise Nebenaggregate der Brennstoffzelleneinrich tung 7, ein Ladegerät, ein 12V-Gleichstrom-Gleichstromwandler, ein Hoch spannungs-Heizer, ein elektrischer Klimakompressor oder dergleichen in Betracht.

Die vorliegende Versorgungseinrichtung 1 zeichnet sich durch mehrere Überbrückungsschaltungen 10 aus, die jeweils einen Schalter 11 umfassen. Jeder Brennstoffzelleneinrichtung 7, 8 im Primärstromnetz 4 ist dabei eine eigene Überbrückungsschaltung 10 parallel geschaltet um wahlweise, bei geschlossenem Schalter 11 die Brennstoffzelleneinrichtung 7, 8 elektrisch zu überbrücken und damit inaktiv zu stellen, oder bei geöffnetem Schalter 11 die betreffende Brennstoffzelleneinrichtung 7, 8 aktiv zu stellen, damit diese eine elektrische Spannung bereitstellt. Im gezeigten Beispiel ist auch der Batterie 20 eine Überbrückungsschaltung 10 mit einem Schalter 11 parallel geschaltet, mit welcher die Batterie 20 bei geschlossenem Schalter 11 elektrisch überbrückt und damit inaktiv gestellt ist, und mit welcher bei geöff netem Schalter 11 die Batterie 20 aktiv gestellt ist, damit diese eine elektri sche Spannung bereitstellen oder aufnehmen kann. Die Ansteuerung der Schalter 11 erfolgt beispielsweise mittels des Span nungswandlers 13, der beispielsweise als Triport-Wandler gebildet ist, damit er die Spannungslage der ersten Brennstoffzelleneinrichtung 7, der zweiten Brennstoffzelleneinrichtung 8 sowie der Batterie 20 einstellen kann. Es kann aber auch ein anderes - vom Spannungswandler 13 getrenntes - Steuerge rät zur Ansteuerung der Überbrückungsschaltungen 10 vorhanden und ein gesetzt sein.

Die Versorgungseinrichtung 1 umfasst eine Messeinrichtung 12 zur Erfas sung eines Isolationswiderstandes des Primärstromnetzes 4 und/oder des Sekundärstromnetzes 17. Die gezeigte Messeinrichtung 12 erfasst vorzugs weise den Isolationswiderstand der gesamten Versorgungseinrichtung 1 , mithin also des gesamten Systems. Es können mehrere Messeinrichtungen 12 vorhanden sein, so dass vorzugsweise eine erste Messeinrichtung 12 den Isolationswiderstand des Primärstromnetzes 4 und eine zweite Messeinrich tung den Isolationswiderstand des Sekundärstromnetzes 17 erfasst.

Im Betrieb der Versorgungseinrichtung 1 wird gewährleistet, dass ihr Isolati onswiderstand nicht unter einen für einen Menschen gefährlichen Wert sinkt. Aus diesem Grund wird der Isolationswiderstand im Primärstromnetz 4 und/oder im Sekundärstromnetz 17 mittels der Messeinrichtung 12 getaktet oder kontinuierlich erfasst. Anschließend wird geprüft, ob der Isolationswi derstand einen vorgegebenen Widerstandswert unterschritten hat, wobei im Fall eines unterschrittenen Widerstandswerts einer oder mehrere der Schal ter 11 der Überbrückungsschaltungen 10 derart angesteuert und geschaltet werden, dass diejenige Brennstoffzelleneinrichtung 7, 8 mit einer größeren Leistungsfähigkeit überbrückt und somit vorzugsweise vollständig inaktiv ge stellt wird, und diejenige Brennstoffzelleneinrichtung 7, 8 mit einer geringeren Leistungsfähigkeit unüberbrückt ist und somit zur Bereitstellung einer Span nung aktiv gestellt wird.

Vorzugsweise wird im Falle eines unterschrittenen Widerstandswerts außer dem der Ladezustand (SOC) der Batterie 20 herabgesetzt. Genügt das Her absetzen nicht, um zum gewünschten Isolationswert des Systems zu gelan- gen, so kann die der Batterie 20 zugewiesene Überbrückungsschaltung 10 genutzt werden. Dann wird nämlich die Batterie 20 im Falle eines trotz Her absetzen des SOC noch immer unterschrittenen Widerstandwerts ebenfalls überbrückt und somit inaktiv gestellt.

Durch die entsprechende Stellung der Schalter 11 im Primärstromnetz 4 und/oder der Schalter 11 im Sekundärstromnetz 17 lässt sich gewährleisten, dass der Isolationswiderstand auf einen für einen Menschen ungefährlichen Wert erhöht wird und ein die Versorgungseinrichtung verwendendes Brenn- Stoffzellenfahrzeug noch immer in einem Notfahrmodus („limp home“-Modus) betrieben werden kann. Eine Weiterfahrt ist somit möglich. Es ist auf diese Weise also nicht notwendig, das Brennstoffzellenfahrzeug in einen Stopp- Modus zu versetzen und an einer Weiterfahrt oder einem Weiterbetrieb zu hindern.

Das vorstehend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene Versorgungseinrichtung 1 bieten eine hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig kompakter Bauweise aller beteiligten Konstituenten. Entsprechendes gilt also auch für eine Antriebseinrichtung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, die mit einer solchen Versorgungseinrichtung 1 mit elektrischer Energie versorgt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE:

Versorgungseinrichtung

Verbraucher

(zweiter) Verbraucher

Primärstromnetz erste Brennstoffzelleneinrichtung zweite Brennstoffzelleneinrichtung

Überbrückungsschaltung

Schalter

Messeinrichtung

Spannungswandler

Sekundärstromnetz

Batterie

Wechselrichter

Antriebsaggregat