Titel:

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS, SOWIE

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrie ben werden kann bzw. die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 012 047 Al geht beispielhaft ein Verfah ren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bzw. zum Starten einer Luftver sorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug hervor. Die Luftversorgungseinrichtung umfasst eine Luftfördereinrichtung mit einem An triebsmotor, der beim Starten mit einer elektrischen Leistung aus einer Hochvolt batterie versorgt wird, sofern diese in der Lage ist, eine ausreichende elektrische Leistung bereitzustellen. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise, weil die Hochvolt batterie leer oder defekt ist, erfolgt das Starten mit einer elektrischen Leistung aus einer Niedervoltbatterie, die über einen Spannungswandler auf ein Span nungsniveau hochgesetzt wird, welches für den Antriebsmotor der Luftförderein richtung geeignet ist. Der Spannungswandler ist ein DC/DC-Wandler, mit dessen Hilfe beispielsweise die Spannung einer 12 V Niedervoltbatterie auf ein Span nungsniveau hochgesetzt werden kann, das in jedem Fall größer als 60 V Gleichstrom als Nennspannung hat und das typischerweise in der bei der Brenn stoffzelle üblichen Größenordnung der Spannung von 100 bis 400 V liegt.

Bei Brennstoffzellenfahrzeugen mit Traktionsmotoren haben sich zwei Span nungsniveaus etabliert, und zwar ein erstes, das einen Spannungsbereich von 250 bis 450 V abdeckt, und ein zweites, das einen Spannungsbereich von 520 bis 750 V abdeckt. Bei PKW-Anwendungen kommt üblicherweise das erste Spannungsniveau zum Einsatz, bei LKW-Applikationen das zweite. In Abhängig keit von der Spannungslage des Traktionsmotors gelten unterschiedliche Sicher heitsanforderungen für die Hochvolt-Systemkomponenten des Brennstoffzellen systems.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Komplexität eines Brennstoffzel lensystems bei Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen zu senken, und zwar idealerweise unabhängig davon, ob das Brennstoffzellensystem in einem PKW oder in einem LKW zur Anwendung gelangt.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprü chen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle und einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft umfasst. Im Normalbe trieb des Brennstoffzellensystems wird der Luftverdichter über ein an die Brenn stoffzelle angeschlossenes Hochvoltnetz mit einer elektrischen Spannung ver sorgt. Im Startbetrieb des Brennstoffzellensystems wird die Spannungsversor gung über eine Niedervoltbatterie und einen Spannungswandler sichergestellt, der die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung wandelt. Er findungsgemäß wird im Startbetrieb ein Stromfluss in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle durch eine Diode verhindert, die in einem Abzweig des Hochvoltnetzes angeordnet ist.

Die Diode verhindert, dass es beim Starten des Brennstoffzellensystems zu einer unerwünschten Elektrolysereaktion kommt. Denn zum Startzeitpunkt ist die not wendige Versorgung eines Kathodenbereichs der Brennstoffzelle mit Luft als Ka thodengas noch nicht sichergestellt. Sobald der Kathodenbereich mit ausrei chend Luft versorgt ist, erreicht die Brennstoffzelle ihre Leerlaufspannung und kann die Spannungsversorgung des Luftverdichters über das Hochvoltnetz über- nehmen. Der Stromfluss erfolgt dabei über die Diode, die in dieser Richtung nicht sperrt. Über die Diode ist demnach zugleich der Luftverdichter an das Hoch voltnetz bzw. an die mindestens eine Brennstoffzelle angeschlossen.

Die wahlweise Leistungsversorgung des Luftverdichters aus der Niedervoltbatte rie oder aus dem Hochvoltnetz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfor dert dank der Diode weder ein spezielles Leistungssteuerungssystem noch einen Leistungsschalter. Auf diese Weise wird die Komplexität des Brennstoffzellensys tems verringert.

Die Möglichkeit der Leistungsversorgung des Luftverdichters über die Niedervolt batterie ermöglicht zudem Freiheitsgrade im Hinblick auf Gefrierstart- und Trock nungsprozeduren. In beiden Fällen kann auf eine Leistungsversorgung aus dem Hochvoltnetz verzichtet werden.

Durch die Anordnung der Diode in einem Abzweig des Hochvoltnetzes, muss die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte Leistung nicht über die Diode in das Hochvoltnetz eingespeist werden, so dass Leistungsverluste ver mieden werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein bidirektionaler Spannungswandler verwendet wird und der bidirektionale Spannungswandler im Normalbetrieb zum Laden der Niedervoltbatterie genutzt wird. Die zum Laden der Niedervoltbatterie erforderliche Spannung kann dann dem Hochvoltnetz ent nommen werden, und zwar über den Abzweig und die hierin angeordnete Diode, da diese Richtung des Stromflusses der Durchlassrichtung der Diode entspricht. Mit Hilfe des Spannungswandlers wird dann die dem Hochvoltnetz entnommene hohe Spannung in eine niedrigere Spannung gewandelt, die dem Spannungsni veau der Niedervoltbatterie entspricht.

Der bidirektionale Spannungswandler ist vorzugsweise ein Gleichspannungs- bzw. ein DC/DC-Wandler, mit dessen Hilfe zum Einen eine niedrige Spannung von beispielsweise 12 V oder 24 V in eine höhere Spannung von beispielsweise 400 V gewandelt werden kann („Boost- Betrieb“ des Spannungswandlers), zum Anderen eine höhere Spannung von beispielsweise 400 V in eine niedrigere Spannung von beispielsweise 12 V oder 24 V gewandelt werden kann („Buck- Betrieb“ des Spannungswandlers).

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz angeordneten Leistungsschalters eine Hoch voltbatterie und/oder ein Traktionsmotor über das Hochvoltnetz mit einer elektri schen Spannung versorgt wird bzw. werden. Die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte und in das Hochvoltnetz eingespeiste Leistung kann dann zum Betreiben des Traktionsmotors und/oder zum Laden der Hochvoltbat terie genutzt werden. Bei geeigneter Platzierung kann zudem mit Hilfe des min destens einen Leistungsschalters der Luftverdichter vom Hochvoltnetz getrennt werden. Dies ist insbesondere in einem Fehlerfall von Vorteil, beispielsweise bei einer defekten Hochvoltsystemkomponente. Durch die Trennung des Luftverdich ters vom Hochvoltnetz wird die eingangs erwähnte geforderte Hochvoltsicherheit der Komponenten gewährleistet.

Im Hochvoltnetz kann insbesondere ein weiterer Spannungswandler als Hoch voltsystemkomponente angeordnet sein. Mit Hilfe des weiteren Spannungswand lers kann eine variable Spannung aus der mindestens einen Brennstoffzelle in eine zumindest annähernd konstante Spannung gewandelt werden. Dies ist ins besondere von Vorteil, wenn die Leistung der Brennstoffzelle der Energieversor gung eines Traktionsmotors dient.

Vorteilhafterweise wird ein monodirektionaler Gleichspannungswandler als weite ren im Hochvoltnetz angeordneter Spannungswandler verwendet. Denn auf die se Weise kann die Komplexität des Brennstoffzellensystems weiter gesenkt wer den. Insbesondere kann auf der Eingangsseite des Spannungswandlers ange ordnete zusätzliche Verbraucher, wie beispielsweise Spulen und/oder Kondensa toren, verzichtet werden. Zudem kommt dieses System ohne eine Vorladeschal tung aus.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brenn stoffzellensystem vorgeschlagen, das mindestens einen Brennstoffzelle und ei nen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter zur Versorgung der Brenn stoffzelle mit Luft umfasst. Der Luftverdichter ist dabei wahlweise über ein an die Brennstoffzelle angeschlossenes Hochvoltnetz oder über eine Niedervoltbatterie und einem zwischengeschalteten Spannungswandler mit einer elektrischen Spannung versorgbar. Erfindungsgemäß ist der Luftverdichter über eine Diode an das Hochvoltnetz angeschlossen. Die Diode ist dabei in einem Abzweig des Hochvoltnetzes angeordnet und sperrt den Stromfluss vom Luftverdichter in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle.

Über die Diode ist somit sichergestellt, dass im Startbetrieb kein Strom in Rich tung der mindestens einen Brennstoffzelle fließt. Auf diese Weise wird eine un erwünschte Elektrolysereaktion verhindert.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem weist alle notwendigen Komponen ten zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auf, so dass es vorzugsweise nach diesem Verfahren betrieben wird. Entspre chend lassen sich mit dem vorgeschlagenen Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile wie mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erzielen.

Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems ist, dass bei völliger Entladung der Niedervoltbatterie mit externer Starthilfe fremd gestartet werden kann. Bei einem Brennstoffzellensystem, welches die Startenergie aus der Hochvoltbatterie bezieht, entfällt diese Möglichkeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Spannungs wandler ein bidirektionaler Spannungswandler. Weiterhin vorzugsweise ein bidi rektionaler Gleichspannungs- bzw. DC/DC-Wandler. Durch Einsatz eines bidirek tionalen Spannungswandlers kann dieser nicht nur zum Wandeln der Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung genutzt werden („Boost- Betrieb“), sondern ferner zum Wandeln einer höheren Spannung in eine Span nung, die dem Spannungsniveau der Niedervoltbatterie entspricht („Buck- Betrieb“). Somit kann im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems die Nieder voltbatterie über den Spannungswandler geladen werden.

Des Weiteren bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Schaltstellung mindestens eines im Hochvoltnetz angeordneten Leis tungsschalters mit einer Hochvoltbatterie und/oder einem Traktionsmotor ver bunden oder verbindbar. Die Leistung des Brennstoffzellensystems kann somit zur Energieversorgung des Traktionsmotors und/oder zum Laden der Hochvolt- batterie genutzt werden. Ferner kann bei entsprechender Schaltstellung des mindestens einen Leistungsschalters der Luftverdichter vom Hochvoltnetz ge trennt werden, so dass auf diese Weise die geforderte Hochvoltsicherheit einge halten wird.

Im Hochvoltnetz ist vorzugsweise ein weiterer Spannungswandler angeordnet, der vorzugsweise ein monodirektionaler Gleichspannungswandler ist. Mit Hilfe des weiteren Spannungswandlers kann die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugte variable Spannung in eine zumindest annähernd kon stante Spannung gewandelt werden. Auf diese Weise kann die Leistungsversor gung des Traktionsmotors verbessert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen systems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen systems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Dem Schaltbild der Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit mindestens einer Brennstoffzelle 2 zu entnehmen. Mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wird im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine elektrische Leistung erzeugt, die in ein an die Brennstoffzelle 2 angeschlossenes Hochvoltnetz 4 ein gespeist wird. Mit Hilfe der in das Hochvoltnetz 4 eingespeisten elektrischen Leistung kann ein Traktionsmotor 11 betrieben werden. Alternativ oder ergän zend kann die elektrische Leistung zum Laden einer Hochvoltbatterie 10 genutzt werden. Im Hochvoltnetz 4 ist ein Spannungswandler 12 angeordnet (nachfol gend „Hochvoltwandler“ genannt), der die über die mindestens eine Brennstoff zelle 2 bereitgestellte variable Spannung in eine konstante Spannung wandelt.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 muss die mindestens eine Brennstoff zelle 2 mit Luft versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst hierzu einen Luftverdichter 3, der mit Hilfe eines Elektromotors 15 angetrieben wird. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird der Luftverdichter 3 bzw. der Elektromotor 15 des Luftverdichters 3 über das Hochvoltnetz 4 mit der erforderli chen elektrischen Spannung versorgt. Der Luftverdichter 3 ist hierzu über einen Abzweig 7 an das Hochvoltnetz 4 angeschlossen.

Im Abzweig 7 ist eine Diode 6 angeordnet, die einen Stromfluss vom Luftverdich ter 3 in Richtung der mindestens einen Brennstoffzelle 2 unterbindet. Denn der Luftverdichter 3 ist nicht nur an das Hochvoltnetz 4, sondern ferner an eine weite re Spannungsversorgung angeschlossen, die eine Niedervoltbatterie (nicht dar gestellt) sowie einen weiteren Spannungswandler 5 (nachfolgend „Niedervolt wandler“ genannt) umfasst. Mit Hilfe des Niedervoltwandlers kann die Spannung der Niedervoltbatterie in eine höhere Spannung gewandelt werden, so dass im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 hierüber der Luftverdichter 3 gestartet werden kann. Die Diode 6 verhindert dann, dass Strom über den Abzweig 7 in Richtung der Brennstoffzelle 2 fließt. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Elektrolysereaktion verhindert.

Der Niedervoltwandler 5 ist vorliegend als bidirektionaler Spannungswandler 5 ausgebildet, so dass im Normalbetrieb die dem Hochvoltnetz 4 entnommene elektrische Leistung zum Laden der Niedervoltbatterie (nicht dargestellt) genutzt werden kann. Den die im Abzweig 7 angeordnete Diode 6 lässt einen Stromfluss in diese Richtung zu.

Mit Hilfe von Leistungsschaltern 8, 9 kann zudem der Verdichter 3 vom Hoch voltnetz 4 getrennt werden. Die Leistungsschalter 8, 9, die Diode 6 sowie optio nal vorgesehene Sicherungen 16 können gemeinsam in ein Gehäuse 17 eines Leistungssteuerungssystems 13 integriert sein.

Das in der Fig. 1 dargestellte System kommt ohne Vorladeschaltung aus. Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die in der Fig. 2 dargestellt ist, kann jedoch eine Vorladeschaltung 14 vorhanden sein. In der Fig. 2 wurde zugleich der Leis tungsschalter 9 verschoben.

In den beiden dargestellten Ausführungsformen ist der Hochvoltwandler 12 je weils als monodirektionaler Gleichspannungswandler ausgeführt. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Denkbar sind auch Ausführungsformen, die einen bidirek tionalen Hochvoltwandler 12 einsetzen.