Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SUPPLY DEVICE HAVING A FUEL CELL DEVICE AND A BATTERY, AND METHOD FOR FROST-STARTING A SUPPLY DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/145059
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a supply device (1) for the electrical supply of at least one consumer (2, 3), said supply device having: a primary current system (4) in which there is a fuel cell device (5); a secondary current system (6) in which there is a battery (7) which has an operating voltage range limited at the top by a maximum voltage (Umax) and at the bottom by a minimum voltage (Umin) and which has an operating current strength range for supplying current to the at least one consumer (2, 3); and a frost-starting element (15), which is provided in the primary current system (4) and is designed to bring about heating of the fuel cell device (5). An open-circuit voltage of the fuel cell device (5) corresponds at most to the maximum voltage of the battery (7). The invention also relates to a method for frost-starting a supply device (1).

Inventors:
BREU, Martin (Wiesenstr. 5, Heilsbronn, 91560, DE)
SCHIEDERMEIER, Maximilian (Neidertshofener Straße 14, Ingolstadt, 85049, DE)
Application Number:
EP2018/079404
Publication Date:
August 01, 2019
Filing Date:
October 26, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
AUDI AG (85045 Ingolstadt, 85045, DE)
International Classes:
H01M8/04223; H01M8/04858; H01M16/00
Foreign References:
US20080241608A12008-10-02
EP1068998A22001-01-17
US20080187802A12008-08-07
DE102015206423A12016-10-13
DE102015109502A12015-12-24
Download PDF:
Claims:
ANSPRÜCHE:

Versorgungseinrichtung (1 ) für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers (2,3), mit einem Primärstromnetz (4), in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung (5) vorliegt, mit einem Sekundärstromnetz (6), in dem eine Batterie (7) vorliegt, die einen Betriebsspannungsbe- reich aufweist, der nach oben von einer Maximalspannung (Umax) und nach unten von einer Minimalspannung (Umin) begrenzt ist, und die ei- nen Betriebsstromstärkenbereich zur Bestromung des mindestens ei- nen Verbrauchers (2,3) aufweist, wobei eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung (5) höchstens der Maximalspannung der Batterie (7) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärstrom- netz (4) ein Froststartelement (15) vorgesehen ist, das ausgebildet ist, eine selbsttätige Erwärmung der Brennstoffzelleneinrichtung (5) herbei- zuführen, und dass das Froststartelement (15) parallel zur Brennstoff- zelleneinrichtung (5) geschaltet und ausgebildet ist, einen Strom von der Brennstoffzelleneinrichtung (5) abzunehmen zur Senkung der Brennstoffzellenspannung unter einen Spannungsgrenzwert.

Versorgungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Primärstromnetz (4) einen ersten Primärstromnetzanschluss (11 ) und einen zweiten Primärstromnetzanschluss (12) aufweist, dass das Froststartelement (15) einenends an den ersten Primärstromnetz- anschluss (11 ) und anderenends an den zweiten Primärstromnetzan- schluss (12) angeschlossen ist, dass das Sekundärstromnetz (6) einen ersten Sekundärstromnetzanschluss (12) und einen zweiten Sekundär- stromnetzanschluss (13) aufweist, und dass der erste Primärstromnetz- anschluss (10) und der erste Sekundärstromnetzanschluss (12) über eine Sperrdiode (14) und der zweite Primärstromnetzanschluss (11 ) und der zweite Sekundärstromnetzanschluss (13) unmittelbar aneinan- der angeschlossen sind.

3. Versorgungseinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Primärstromnetz (4) spannungswandlerfrei an das Sekundärstromnetz (6) angeschlossen ist. 4. Versorgungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (7) eine bestimmte Anzahl an Batte- riezellen aufweist und/oder die Brennstoffzelleneinrichtung (5) eine be- stimmte Anzahl an Brennstoffzellen aufweist, wobei die Anzahl der Bat- teriezellen und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen derart gewählt ist, dass die Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung (5) der Ma- ximalspannung (U max ) entspricht.

5. Versorgungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Froststartelement (15) als ein zu- und ab- schaltbarer Hochspannungswiderstand gebildet ist.

6. Versorgungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Froststartelement (15) als ein PTC- Heizelement gebildet ist.

7. Versorgungseinrichutng (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Froststartelement (15) als eine Z-Diode ge- bildet ist. 8. Versorgungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Froststartelement (15) als ein in einem Line- arbetrieb betreibbarer Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.

9. Verfahren für den Froststart einer Brennstoffzelleneinrichtung (5) einer Versorgungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn- zeichnet durch folgende Schritte:

a. Feststellen einer Bedingung eines Froststarts, b. Absenken einer Brennstoffzellenspannung unter einen Span- nungsgrenzwert durch Aktivieren des parallel zur Brennstoffzel- leneinrichtung (5) geschalteten Froststartelements (15), und c. Deaktivieren des Froststartelements (15) bei Erreichen einer Nor- maltemperatur der Brennstoffzelleneinrichtung (5).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fest- steilen der Bedingung eines Froststarts mittels eines Temperatu r- sensors eines Fahrzeugs erfolgt.

Description:
Versorgungseinrichtung mit einer Brennstoffzelleeinrichtung und einer Batterie sowie Verfahren für den Froststart einer Versorgungseinrichtung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für die elektrische Versor- gung mindestens eines Verbrauchers, mit einem Primärstromnetz, in dem eine Brennstoffzelleneinrichtung vorliegt. Weiterhin umfasst die Versor- gungseinrichtung ein Sekundärstromnetz, in dem eine Batterie vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maxi- malspannung und nach unten von einer Minimalspannung begrenzt ist. Fer- ner weist die Batterie einen Betriebsstromstärkenbereich zur Bestromung des mindestens einen Verbrauchers auf. Im Primärstromnetz ist ein Frost- startelement vorgesehen, das ausgebildet ist, eine Erwärmung der Brenn- Stoffzelleneinrichtung herbeizuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Ver- fahren für den Froststart einer Versorgungseinrichtung.

Wenn die Versorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, unter- liegt sie den unterschiedlichsten Witterungsbedigungen. Dabei können tiefe Temperaturen, die unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, bekanntlich erhebliche Probleme beim Starten einer Brennstoffzelleneinrichtung in einer Versorgungseinrichtung mit sich bringen. Beispielsweise können beim Vor- liegen von Frostbedingungen die Anodenräume und/oder die Kathodenräu- me von Eis blockiert sein, so dass Betriebsmedien nicht im gewünschten Ausmaß an den Anoden und/oder Kathoden der Brennstoffzelleneinrichtung zur Verfügung stehen. Aber auch eintritts- und austrittsseitig der Brennstoff- zelleinrichtung kann Frost zu fehlerhaften Funktionen von Stellgliedern, wie Klappen, Ventilen oder dergleichen führen oder Verstopfungen der die Be- tiebsmedien führenden Leitungen hervorrufen. Sofern also die Vorraussetzungen der Gefahr eines Froststarts erfüllt sind, beispielsweise dann, wenn die Umgebungstemperatur unter 5 Grad Celsius liegt, wird die Brennstoffzelleneinrichtung und damit die diese umfassende Versorgungseinrichtung in einem Froststartmodus betrieben, bevor sie in einen Normalbetrieb übergehen kann. Das Froststartelement wird dabei dazu verwendet, um einen Froststart der Brennstoffzelleneinrichtung bzw. der Versorgungseinrichtung zu ermöglichen und damit eine Erwärmung der Brennstoffzelleneinrichtung zu bewirken.

Die DE 10 2015 206 423 A1 beschäftigt sich ebenfalls mit dem Problem des Froststarts, wobei ein Element vorgesehen ist, das dem Kurzschließen der Kathode mit der Anode innerhalb der Brennstoffzelleneinrichtung dient. Durch dieses Kurzschließen kann eine Umpolung einzelner Zellen der Brennstoffzelleneinrichtung herbeigeführt werden, wenn infolge von Eisbil dung Flusskanäle der Anode oder der Kathode verstopft wurden.

In der DE 10 2015 109 502 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels beschrieben. Hierbei ist der Brenn- stoffzelleneinrichtung ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) parallel geschaltet, um der Brennstoffzelleneinrichtung Strom zu entnehmen, und um dadurch Wärme für die Brennstoffzelleneinrichtung zu erzeugen. Eine Röhre, die ein Medium führt, ist dabei so um den IGBT herum positioniert, dass das Medium darin erwärmt wird. Die Röhre erstreckt sich um den Brennstoffzel- lenstapel herum, womit das erwärmte Medium zum Erwärmen des Brenn- stoffzellenstapels genutzt wird.

Diese bekannten Lösungen zur Realisierung eines Froststarts sehen ein Primärstromnetz vor, das stets über einen DC/DC-Wandler (Spannungs- wandler oder Umrichter) mit dem Sekundärstromnetz verbunden ist. Der Ein- satz des Spannungswandlers führt aber zu zusätzlichem Gewicht und zu- sätzlichem Bauraum, der für die Versorgungseinrichtung bereitgestellt wer- den muss. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Versorgungsein- richtung für die elektrische Versorgung mindestens eines Verbrauchers an- zugeben, die einen möglichst einfachen Aufbau aufweist und zugleich einen zuverlässigen Froststart ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für den Froststart einer Brennstoffzelleneinrichtung einer solchen Versorgungseinrichtung anzugeben, das die Versorgungsein- richtung auf einfache Weise in dem Normalbetrieb überführt.

Die die Versorgungseinrichtung betreffende Aufgabe wird durch eine Versor- gungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An- sprüchen angegeben. Dabei entspricht insbesondere eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung höchstens der Maximalspannung der Batte- rie.

Das Froststartelement dient hierbei wiederum der Erwärmung der Brenn- stoffzelleneinrichtung, die ohne einen DC/DC-Wandler mit dem Sekundär- stromnetz der Batterie elektrisch verbunden werden kann. Damit lässt sich ein kompaktes Modul einer Versorgungseinrichtung bereitstellen, das einen vereinfachten Aufbau aufweist.

Als Verbraucher kommt im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine An- triebseinrichtung mit einem Antriebsaggregat infrage. Wenn sie elektrisch an das Sekundärstromnetz angeschlossen ist, kann sie dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs dienen, insoweit also dem Bereitstellen eines dem Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Antriebseinrich- tung verfügt hierzu über wenigstens ein Antriebsaggregat, welches als elekt- rische Maschine ausgestaltet ist, und über das Primärstromnetz und/oder das Sekundärstromnetz mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Selbstverständlich kann die Antriebseinrichtung als eine Hybridantriebsein- richtung ausgestaltet sein und insoweit zusätzlich zu dem Antriebsaggregat wenigstens ein weiteres Antriebsaggregat aufweisen, welches von einem anderen Typ ist als das Antriebsaggregat. Das weitere Antriebsaggregat liegt beispielsweise als Brennkraftmaschine oder dergleichen vor. Das Primärstromnetz und das Sekundärstromnetz bilden vorzugsweise ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder stellen zumindest einen Bereich eines sol- chen Bordnetzes dar. In dem Primärstromnetz ist eine erste Stromquelle in Form der Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehen und in dem Sekundär- stromnetz ist eine zweite Stromquelle in Form der Batterie vorgesehen. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann in Form einer einzigen Brennstoffzelle vor- liegen oder alternativ als Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack) mit mehreren Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinrichtung dient der zuver- lässigen Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie. Die Batterie dient ebenfalls der zuverlässigen Versorgung des Bordnetzes mit elektri scher Energie und ist zur Zwischenspeicherung der Energie vorgesehen, insbesondere von Energie, die mittels der Brennstoffzelleneinrichtung bereit- gestellt wurde.

Der Verbraucher, mithin die elektrische Maschine, ist elektrisch an das Se- kundärstromnetz angeschlossen und vorzugsweise während eines Fahrbe- triebs des Kraftfahrzeugs permanent mit der Batterie elektrisch verbunden. Die Anbindung des Verbrauchers in Form eines Antriebsaggregat an das Sekundärstromnetz kann beispielsweise über einen Umrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, realisiert sein.

Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Froststartelement parallel zur Brennstoffzelleneinrichtung geschaltet ist, und wenn das Froststartelement ausgebildet ist, einen Strom von der Brennstoff- zelleneinrichtung abzunehmen zur Senkung der Brennstoffzellenspannung unter einen, vorzugsweise vorgegebenen oder vorgebbaren, Spannungs- grenzwert. Durch die niedrige Spannung der Brennstoffzelleneinrichtung wird mehr Wärme von den einzelnen Brennstoffzellen pro Gramm Fl 2 produziert. Bisher war es möglich, mit einem DC/DC-Konverter große Ströme aus der Brennstoffzelleneinrichtung abzunehmen, um das innere Erwärmen der Brennstoffzelleneinrichtung aufgrund der niedrigen Spannung herbeizufüh- ren. Da aber der Spannungswandler vorzugsweise bei der vorliegenden Er- findung entfällt, wird das Froststartelement eingesetzt, um die Spannung in- nerhalb der Brennstoffzelleneinrichtung unter den Spannungsgrenzwert zu senken, so dass eine selbsttätige Erwärmung der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt.

Vorzugsweise weist das Primärstromnetz einen ersten Primärstromnetzan- schluss und einen zweiten Primärstromnetzanschluss auf, wobei das Frost- startelement einenends an den ersten Primärstromnetzanschluss und ande- renends an den zweiten Primärstromnetzanschluss angeschlossen ist. Wei- terhin weist das Sekundärstromnetz einen ersten Sekundärstromnetzan- schluss und einen zweiten Sekundärstromnetzanschluss auf, wobei der erste Primärstromnetzanschluss und der erste Sekundärstromnetzanschluss über eine Sperrdiode und der zweite Primärstromnetzanschluss und der zweite Sekundärstromnetzanschluss unmittelbar aneinander angeschlossen sind. Damit liegt an dem zweiten Primärstromnetzanschluss und dem zweiten Se- kundärstromnetzanschluss insoweit dasselbe elektrische Potenzial vor. Der erste Primärstromnetzanschluss und der erste Sekundärstromnetzanschluss sind hingegen lediglich mittelbar über die Sperrdiode aneinander ange- schlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung und die Batterie sind aufeinander abgestimmt und ermöglichen ein äußerst effizientes Betreiben der Versor- gungseinrichtung, die sich zudem durch einen sehr einfachen und kosten- günstigen Aufbau auszeichnet, da ein Spannungswandler entfällt. In diesem Zusammenhang hat es sich also als vorteilhaft erwiesen, wenn das Primär- stromnetz spannungswandlerfrei an das Sekundärstromnetz angeschlossen ist.

Vorzugsweise weist die Sperrdiode ihre Durchlassrichtung von dem Primär- stromnetz in Richtung des Sekundärstromnetz auf. Entsprechend kann bei ausreichend hoher Spannung in dem Primärstromnetz elektrische Energie aus dem Primärstromnetz in das Sekundärstromnetz gelangen. Die umge- kehrte Übertragungsrichtung ist demgegenüber ausgeschlossen, so dass kein Strom aus der Batterie in die Brennstoffzelleneinrichtung fließt. Eine Be- aufschlagung des Primärstromnetz mit einer unzulässig hohen Spannung wird vermieden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Batterie eine bestimmte Anzahl an Batteriezellen aufweist und/oder die Brennstoffzelleneinrichtung eine bestimmte Anzahl an Brennstoffzellen aufweist, wobei die Anzahl der Batteriezellen und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen derart gewählt ist, dass die Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung der Maximal- spannung der Batterie entspricht. Vorzugsweise entspricht jedoch die Leer- laufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung im Wesentlichen mindestens 85 % der Maximalspannung, vorzugsweise 90 % der Maximalspannung, wei- terhin vorzugsweise 95 % der Maximalspannung der Batterie. Durch eine derartige Konfiguration kann eine Abstimmung der Spannung-Strom- Kennlinien von Brennstoffzelleneinrichtung und Batterie erfolgen, und zwar über die Anzahl der Batteriezellen und/oder die Anzahl der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung. Alternativ oder ergänzend können unter- schiedliche Typen an Batteriezellen, beispielsweise mit unterschiedlichen Nennspannungen, zur Abstimmung der Kennlinie der Batterie auf diejenige der Brennstoffzelleneinrichtung herangezogen werden.

Weiterhin wird durch die entsprechende Wahl des Betriebsstromstärkenbe- reich und/oder wiederum durch die Auswahl der Anzahl und Ausführungs- form von Batteriezellen und/oder die Anzahl und Ausführungsform der Brennstoffzellen bzw. des Typs der Batteriezellen sichergestellt, dass die von der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellte Brennstoffzellenspannung über den Betriebstromstärkenbereich hinweg größer ist als die Minimalspan- nung der Batterie. Die Abstimmung der Brennstoffzelleneinrichtung und der Batterie aufeinander erfolgt insoweit allein durch einfach umzusetzende Maßnahmen bei der Auslegung der Brennstoffzelleneinrichtung und der Bat- terie.

Um aus der Brennstoffzelleneinrichtung einen großen Strom abzunehmen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Froststartelement als ein zu- und abschaltbarer Hochspannungswiderstand gebildet ist. Im Froststartbe- trieb wird der Hochspannungswiderstand zugeschaltet, so dass ein hoher Stromfluss aus der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt, was zu einer selbsttä- tigen Erwärmung der Einzelzellen der Brennstoffzelleinrichtung führt. In die- sem Zusammenhang liefert die Brennstoffzelleneinrichtung also eine Hoch- spannung, die mit dem Hochspannungswiderstand unter einen Spannungs- grenzwert abgesenkt werden kann, der zur selbsttätigen Erwärmung führt.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Versorgungsein- richtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Froststartelement als ein PTC-, Heizelement gebildet ist (PTC=positiver Temperatur-Koeffizient). Dieses PTC-Heizelement kann als ein PTC-Widerstand gebildet sein, der beim Ab- sorbieren der Energie aus der Brennstoffzelleneinrichtung Wärme erzeugen kann. Durch einen thermischen Kontakt zwischen PTC-Heizelement und Brennstoffzelleneinrichtung kann die im PTC-Heizelement erzeugte Wärme genutzt werden, um die Brennstoffzelleneinrichtung zu erwärmen; und zwar zusätzlich zu dem selbsttätigen Erwärmen der Brennstoffzelleneinrichtung aufgrund der darin vorliegenden niedrigen Spannung.

Alternativ oder ergänzend kann die Spannung in der Brennstoffzelleneinrich- tung auch durch ein Froststartelement gesenkt werden, das als eine Z-Diode gebildet ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie einem hohen Stromfluss standhält, der nötig sein kann, um die Brennstoffzellenspannung unter einen, vorzugsweise vorgegebenen oder vorgebbaren, Spannungsgrenzwert abzu- senken und um damit die selbsttätige Erwärmung herbeizuführen.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Froststartelement als ein in einem Linearbetrieb betreibbarer Leistungshalbleiterschalter gebildet ist. Auch hierdurch ist eine große Stromabnahme aus der Brennstoffzellen- einrichtung möglich, die zu einem Senken der Brennstoffzellenspannung und zu einem selbsttätigen Erwärmen der Brennstoffzelleneinrichtung führt.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst, welches sich insbesondere durch die folgenden Schritte auszeichnet:

a. Feststellen einer Bedingung eines Froststarts, b. Absenken einer Brennstoffzellenspannung unter einen Span- nungsgrenzwert durch Aktivieren des parallel zur Brennstoffzel- leneinrichtung geschalteten Froststartelements, und

c. Deaktivieren des Froststartelements bei Erreichen einer Normal- temperatur der Brennstoffzelleneinrichtung.

Das Feststellen einer Bedingung eines Froststarts wird vorzugsweise mittels eines Temperatursensors eines Fahrzeugs realisiert. Nach dem Deaktivieren des Froststartelements wird der Normalbetrieb der Brennstoffzelleneinrich- tung beziehungsweise der Versorgungseinrichtung eingeleitet oder gestartet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungs- form und sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

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, und

Figur 2 ein Spannungs-Strom-Kennfeld, in dem Spannung-Strom- Kennlinien für eine Batterie mit unterschiedlichen Ladeständen sowie Spannungs-Strom-Kennlinien einer Brennstoffzelleneinrich- tung aufgetragen sind.

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 Brennstoffzelleneinrichtung 5 vorliegt. Außerdem umfasst die Versorgungs- einrichtung 1 ein Sekundärstromnetz 6, in dem eine Batterie 7 vorliegt, die einen Betriebsspannungsbereich aufweist, der nach oben von einer Maxi- malspannung U ma x und nach unten von einer Minimalspannung U m in begrenzt ist. Zudem weist die Batterie 7 einen Betriebsstromstärkenbereich auf, der nach unten von einer Minimalstromstärke l min und nach oben von einer ma- ximal Stromstärke l max begrenzt ist. Die Batterie 7 ist ausgelegt, die Verbrau- cher 2, 3 zu bestromen.

Der Verbraucher 2 umfasst ein Antriebsaggregat 8, welches in Form einer elektrischen Maschine vorliegt. Diese elektrische Maschine ist typischer- weise mittels eines Drei-Phasen-Wechselstroms betreibbar und ist Vorzug s- weise als Fahrmotor für ein Kraftfahrzeug gebildet. Da das Primärstromnetz 4 und auch das Sekundärstromnetz 6 eine Flochspannung und einen Gleich- strom liefern, ist dem Verbraucher 2 zusätzlich der Wechselrichter 9 zuge- ordnet, der den Gleichstrom in den Drei-Phasen-Wechselstrom wandelt. In einer Weiterbildung des Verbrauchers 2 kann das Antriebsaggregat 8 auch als Generator eingesetzt werden, so dass beispielsweise beim Bremsvor- gang durch das Antriebsaggregat 8 erzeugte Energie der Batterie 7 über den Wechselrichter 9 wieder zugeführt werden kann.

Der Verbraucher 3 kann ebenfalls an das aus dem Primärstromnetz 4 und Sekundärstromnetz 6 gebildete Bordnetz angeschlossen sein. Als Verbrau- cher 3 kommen beispielsweise Nebenaggregate der Brennstoffzelleneinrich- tung 5, ein Ladegerät, ein 12V-Gleichstrom-Gleichstromwandler, ein Hoch- spannungs-Heizer, ein elektrischer Klimakompressor oder dergleichen in Betracht.

Wie sich der Figur 1 entnehmen lässt, ist das Primärstromnetz 4 an das Se- kundärstromnetz 6 wandlerlos oder spannungswandlerfrei angeschlossen. Die Brennstoffzelleneinrichtung 5 weist einen ersten Primärstromnetzan- schluss 10 und einen zweiten Primärstromnetzanschluss 1 1 auf. Die Batterie 7 im Sekundärstromnetz 6 weist dementsprechend einen ersten Sekundär- stromnetzanschluss 12 und einen zweiten Sekundärstromnetzanschluss 13 auf. Der erste Primärstromnetzanschluss 10 ist über eine Sperrdiode 14 an den ersten Sekundärstromnetzanschluss 12 angeschlossen. Eine Durchlass- richtung der Sperrdiode 14 liegt dabei in einer Richtung von dem Primär- stromnetz 4 zu dem Sekundärstromnetz 6 vor. Der zweite Primärstromnetz- anschluss 11 ist hingegen unmittelbar mit dem zweiten Sekundärstromnetz Anschluss 13 elektrisch verbunden.

Im Primärstromnetz 4 liegt außerdem ein Froststartelement 15 vor, das aus- gebildet ist, eine Erwärmung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 herbeizufüh- ren. Vorliegend ist das Froststartelement 15 parallel zur Brennstoffzellenein- richtung 5 geschaltet und ausgebildet, einen Strom von der Brennstoffzellen- einrichtung 5 abzunehmen, um eine Brennstoffzellenspannung unter einen Spannungsgrenzwert abzusenken. Durch die niedrige Brennstoffzellenspan- nung in der Brennstoffzelleneinrichtung 5 erwärmt sich die Brennstoffzellen- einrichtung 5 selbsttätig. Vorzugsweise ist das Froststartelement 15 einen- ends an dem ersten Primärstromnetzanschluss 10 elektrisch angeschlossen und anderenends mit dem zweiten Primärstromnetzanschluss 11 elektrisch verbunden. Beide Verbindungen sind hierbei unmittelbar, so dass insbeson- dere die Sperrdiode 14 keinen Einfluss auf das Froststartelement 15 nimmt. Das Froststartelement 15 kann als ein PTC-Fleizelement, als eine Z-Diode, als ein in einem Linearbetrieb betreibbarer Leistungshalbleiterschalter oder als ein zu-und abschaltbarer Hochspannungswiderstand gebildet sein. Je- denfalls wird durch das Froststartelement 15 die Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 unter einen Spannungsgrenzwert abge- senkt, wodurch das selbsttätige Erwärmen der Brennstoffzellen innerhalb der Brennstoffzelleneinrichtung 5 hervorgerufen wird.

In Figur 2 ist ein Spannungs-Strom-Kennfeld gezeigt, in welchem eine Span- nungs-Strom-Kennlinie 16 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 mit inaktiven oder deaktivierten Froststartelement 15 gezeigt ist. Weiterhin sind eine erste Spannungs-Strom-Kennlinie 17 und eine zweite Spannungs-Strom-Kennlinie 21 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 mit, vorzugsweise unterschiedlichichem aber aktivem Froststartelement 15 gepunktet dargestellt. Zudem zeigt die Spannungs-Strom-Kennlinie 18 den Zustand der Batterie 7 mit einem hohen bzw. mit einem maximalem Ladestand und die Spannungs-Strom-Kennlinie 19 zeigt einen niedrigen Ladestand der Batterie 7, insbesondere einen mini- malen Ladestand. Zudem zeigt die Spannungs-Strom-Kennlinie 20 der Batte- rie 7 einen intermediären, insbesondere mittleren Ladestand der Batterie 7 auf.

Das Kennfeld umfasst einerseits einen Betriebsspannungsbereich und ande- rerseits einen Betriebsstromstärkenbereich. Der Betriebsspannungsbereich wird von einer Minimalspannung U m in nach unten und von einer Maximal- spannung U max nach oben begrenzt. Der Betriebsstromstärkenbereich wird nach unten von einer Minimalstromstärke l min und nach oben von einer Ma- ximalstromstärke l max begrenzt. Innerhalb des Betriebsstromstärkenbereich soll die von der Batterie 7 bereitgestellte Spannung stets hinreichend groß sein, um wenigstens einen der beiden Verbraucher 2, 3 bestimmungsgemäß zu betreiben. Innerhalb des Betriebstromstärkenbereich liegt also stets eine entsprechende Minimalspannung U m in vor.

Die Kennlinien 16, 17, 21 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 sind vorliegend auf den Betriebsspannungsbereich und den Betriebsstromstärkenbereich der Batterie 7 abgestimmt. Dies lässt sich erreichen durch eine vorgegebene Anzahl an Batteriezellen und/oder eine vorgegebene Anzahl an Brennstoff- zellen innerhalb der Brennstoffzelleneinrichtung 5. Alternativ oder ergänzend können unterschiedliche Typen an Batteriezellen eingesetzt werden, um eine entsprechende Abstimmung hervorzurufen. Insbesondere entspricht eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelleneinrichtung 5 höchstens der Maximal- spannung U max der Batterie 7, insbesondere entspricht sie genau der Maxi- malspannung U max der Batterie 7. Umgekehrt ist die von der Brennstoffzel- leneinrichtung 5 bereitgestellte Brennstoffzellenspannung über den Be- triebstromstärkenbereich hinweg stets oder meistens größer als die Minimal- spannung U min der Batterie 7. Dies muss aber im speziellen Falle des Frost- starts nicht zwingend so sein, denn dann kann die Brennstoffzellenspannung auch unter die minimale Spannung U m in der Batterie 7 fallen, was bei der Kennlinie 21 abschnittsweise der Fall ist. In einem solchen Fall kann es aber Vorkommen, dass die Batterie 7 dann ihre Schütze öffnet. Selbst wenn die Schütze der Batterie 7 nicht geöffnet werden, besteht aber ein Schutz der Brennstoffzelleneinrichtung 5 aufgrund der im Primärstromnetz 4 vorgesehe- nen Sperrdiode 14. Mit steigendem Stromfluss nähert sich die Brennstoffzel- lenspannung vorzugsweise der Kennlinie 19 der Batterie 7 für den kleinsten hier dargestellten Ladestand asymptomatisch an.

Während die durchgezogen dargestellte Kennlinie 16 der Brennstoffzellen- einrichtung 5 den Zustand zeigt, bei dem das Froststartelement 15 inaktiv ist, zeigen die Kennlinien 17, 21 der Brennstoffzelleneinrichtung 5 den Zustand mit aktivem Froststartelement 15. Kennlinie 16 zeigt somit beispielsweise den Normalbetrieb der Versorgungseinrichtung 1 bzw. deren Brennstoffzel- leneinrichtung 5, wobei die Kennlinie 17 einem Froststartbetrieb entspricht, bei der die Brennstoffzellenspannung nicht unter das Spannungsniveau der Batterie 7 sinkt. Die Kennlinie 21 zeigt eine Brennstoffzellenspannung, die unter das Spannungsniveau der Batterie 7 absinkt, wobei sie sogar die Mi- nimalspannung U m in der Batterie bereichsweise unterschreitet. Die Kennli- nien 17, 21 weisen also einen größeren Spannungsabfall der Brennstoffzel- lenspannung auf, als dies bei der dem Normalbetrieb entsprechenden Kenn- linie 16 der Fall ist. Mithin unterliegt also bei aktivem Froststartelement 15 die Brennstoffzellenspannung einem stärkeren Abfall gegenüber der Brennstoff- zellenspannung im Normalbetrieb. Dies führt dazu, dass sich die Brennstoff- zelleneinrichtung 5 selbsttätig erwärmt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur, zum Beispiel bei Erreichen von 5 Grad Celcius, kann das Frost- startelement 15 inaktiv geschalten werden, so dass sich die Kennlinie 16 einstellt und die Versorgungseinrichtung aus dem Froststartbetrieb in den Normalbetrieb übergeht.

Mit einer derartigen Ausgestaltung kann ein sehr effizienter Betrieb der Ver- sorgungseinrichtung 1 sichergestellt werden. Entsprechendes gilt also für eine Antriebseinrichtung, die mit einer solchen Versorgungseinrichtung 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. Außerdem kann die Versorgungseinrich- tung 1 sehr einfach ausgeführt sein, so dass sich beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug Bauraum- und Kostenvorteile ergeben. BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Versorgungseinrichtung

2 Verbraucher

3 (zweiter) Verbraucher

4 Primärstromnetz

5 Brennstoffzelleneinrichtung

6 Sekundärstromnetz

7 Batterie

8 Antriebsaggregat

9 Wechselrichter

10 erster Primärstromnetzanschluss

11 zweiter Primärstromnetzanschluss

12 erste Sekundärstromnetzanschluss

13 zweiter Sekundärstromnetzanschluss

14 Sperrdiode

15 Froststartelement

16 Spannungs-Strom-Kennlinie (Brennstoffzelle/Froststartelement inaktiv)

17 Spannungs-Strom-Kennlinie (Brennstoffzelle/Froststartelement aktiv) 18 Spannungs-Strom-Kennlinie (Batterie/Ladestand hoch).

19 Spannungs-Strom-Kennlinie (Batterie/Ladestand niedrig)

20 Spannungs-Strom-Kennlinie (Batterie/intermediärer Ladestand)

21 Spannungs-Strom-Kennlinie (Brennstoffzelle/Froststartelement aktiv)