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DE102015016372A1 - Method for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle - Google Patents

Method for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle Download PDF

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DE102015016372A1
DE102015016372A1 DE102015016372.8A DE102015016372A DE102015016372A1 DE 102015016372 A1 DE102015016372 A1 DE 102015016372A1 DE 102015016372 A DE102015016372 A DE 102015016372A DE 102015016372 A1 DE102015016372 A1 DE 102015016372A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
voltage
voltage circuit
resistor
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015016372.8A
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German (de)
Inventor
Sascha Mielke
Pere Antoni Pastor Nigorra
Andreas Posvert
Sven Schmalzriedt
Peter Wiesner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102015016372.8A priority Critical patent/DE102015016372A1/en
Publication of DE102015016372A1 publication Critical patent/DE102015016372A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle (2) mit einem Hochvoltkreis (3) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle (2) eine Brennstoffzellenspannung (UB) am Ausgang der Brennstoffzelle (2) erfasst wird, die Brennstoffzellenspannung (UB) mit einem Grenzwert (UG) verglichen wird und falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) überschreitet, ein Widerstand (R) parallel zu dem Ausgang geschaltet wird, wobei die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) elektrisch verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) unterschreitet.The invention relates to a method for electrically connecting a fuel cell (2) to a high-voltage circuit (3) of a motor vehicle, during which a fuel cell voltage (UB) is detected at the output of the fuel cell (2) during a starting process of the fuel cell (2). UB) is compared with a limit value (UG) and if the fuel cell voltage (UB) exceeds the limit value (UG), a resistor (R) is connected in parallel with the output, the fuel cell (2) being electrically connected to the high-voltage circuit (3) is, if the fuel cell voltage (UB) falls below the limit (UG).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs, bei welchem während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellenspannung an einem Ausgang der Brennstoffzelle erfasst wird, die Brennstoffzellenspannung mit einem Grenzwert verglichen wird und falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert überschreitet, ein Widerstand parallel zu dem Ausgang geschaltet wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungsüberwachungseinrichtung zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs.The present invention relates to a method for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle, wherein during a start-up operation of the fuel cell, a fuel cell voltage is detected at an output of the fuel cell, the fuel cell voltage is compared with a limit value and if the fuel cell voltage exceeds the threshold, a resistor is connected in parallel with the output. Moreover, the present invention relates to a voltage monitoring device for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle.

Das Interesse richtet sich vorliegend auf Brennstoffzellen, welche als Energiequellen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Die Brennstoffzellen werden dabei mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Beim Startvorgang einer Brennstoffzelle können transiente Spannungsspitzen entstehen, welche die nominelle Spannungsgrenze anderer Komponenten in dem Hochvoltkreis übersteigen. Die zeitliche Dauer des Vorhandenseins dieser Spannungsspitzen kann so lange andauern, dass sie die Dauer des gesamten Startvorgangs negativ beeinflusst. Daher ist es notwendig, die Dauer des Vorhandenseins der Spannungsspitzen zu verkürzen und die Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelle innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer in den nominellen Spannungsbereich der Komponenten des Hochvoltkreises zu bringen.The interest here is directed to fuel cells, which are used as energy sources in motor vehicles. The fuel cells are electrically connected to a high-voltage circuit of a motor vehicle. During the starting process of a fuel cell, transient voltage peaks may arise which exceed the nominal voltage limit of other components in the high-voltage circuit. The duration of the existence of these voltage spikes can last so long that it negatively influences the duration of the entire starting process. Therefore, it is necessary to shorten the duration of the existence of the voltage spikes and bring the fuel cell voltage of the fuel cell within a predetermined period of time in the nominal voltage range of the components of the high-voltage circuit.

Ein zu frühes Zuschalten der Brennstoffzelle auf den Hochvoltkreis kann ferner zu einer elektrischen Belastung der Brennstoffzelle führen, welche diese negativ beeinflussen kann. Beispielsweise können negative Spannungen an den einzelnen Zellen der Brennstoffzelle auftreten. Deshalb ist es notwendig, die elektrische Zuschaltung der Brennstoffzelle sehr kontrolliert durchzuführen.Too early connection of the fuel cell to the high-voltage circuit can also lead to an electrical load on the fuel cell, which can adversely affect them. For example, negative voltages can occur at the individual cells of the fuel cell. Therefore, it is necessary to perform the electrical connection of the fuel cell very controlled.

Hierzu beschreibt die US 2003/0113600 A1 ein Brennstoffzellensystem. Das System umfasst einen Stapel von Brennstoffzellen und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstapels. Falls die Spannung des Brennstoffzellenstapels einen Grenzwert überschreitet, wird der Brennstoffzellenstapel mit einer Last verbunden.This describes the US 2003/0113600 A1 a fuel cell system. The system comprises a stack of fuel cells and a detection device for detecting an electrical voltage of the fuel cell stack. If the voltage of the fuel cell stack exceeds a threshold, the fuel cell stack is connected to a load.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs sicherer und zuverlässiger verbunden werden kann.It is an object of the present invention to provide a solution as to how a fuel cell with a high-voltage circuit of a motor vehicle can be safely and reliably connected.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie durch eine Spannungsüberwachungsvorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method and by a voltage monitoring device according to the features of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle eine Brennstoffzellenspannung am Ausgang der Brennstoffzelle erfasst. Darüber hinaus wird die Brennstoffzellenspannung mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen und falls die Brennstoffzellenspannung den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, ein Widerstand parallel zu dem Ausgang geschaltet. Ferner ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis erst dann elektrisch verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert unterschreitet.An inventive method is used for electrically connecting a fuel cell with a high-voltage circuit of a motor vehicle. In this case, a fuel cell voltage is detected at the output of the fuel cell during a startup process of the fuel cell. In addition, the fuel cell voltage is compared with a predetermined threshold, and if the fuel cell voltage exceeds the predetermined threshold, a resistor is connected in parallel with the output. Furthermore, it is provided that the fuel cell is only electrically connected to the high-voltage circuit if the fuel cell voltage falls below the limit value.

Vorliegend soll eine Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden werden. Bei der Brennstoffzelle kann es sich grundsätzlich um eine Brennstoffzelle handeln, die zumindest eine Einzelzelle umfasst. Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelle einen Stapel aus mehreren Einzelzellen. Mit der Brennstoffzelle kann eine elektrische Spannung beziehungsweise eine Brennstoffzellenspannung bereitgestellt werden, die in den Hochvoltkreis des Kraftfahrzeugs eingespeist werden soll. Somit können die Hochvoltkomponenten des Kraftfahrzeugs, die mit dem Hochvoltkreis elektrisch verbunden sind, versorgt werden. Beim Startvorgang beziehungsweise beim Hochfahren werden der Brennstoffzelle Reaktanden, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, zugeführt. Während des Startvorgangs der Brennstoffzelle wird die Brennstoffzellenspannung am Ausgang der Brennstoffzelle fortlaufend überwacht. Die Spannung der Brennstoffzelle wird mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert überschreitet, wird ein Widerstand parallel zu dem Ausgang der Brennstoffzelle geschaltet. Hierbei können entsprechende Schalter vorgesehen sein, mittels welcher der Widerstand parallel zu der Brennstoffzelle geschaltet werden kann.In the present case, a fuel cell of the motor vehicle is to be electrically connected to a high-voltage circuit of a motor vehicle. In principle, the fuel cell may be a fuel cell comprising at least one individual cell. The fuel cell preferably comprises a stack of several individual cells. With the fuel cell, an electrical voltage or a fuel cell voltage can be provided, which is to be fed into the high-voltage circuit of the motor vehicle. Thus, the high-voltage components of the motor vehicle, which are electrically connected to the high-voltage circuit, can be supplied. During the startup process or during startup, the fuel cell is supplied with reactants, in particular oxygen and hydrogen. During the startup process of the fuel cell, the fuel cell voltage at the output of the fuel cell is continuously monitored. The voltage of the fuel cell is compared with a predetermined threshold. If the fuel cell voltage exceeds the threshold, a resistor is connected in parallel with the output of the fuel cell. In this case, corresponding switches can be provided, by means of which the resistor can be connected in parallel to the fuel cell.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis erst dann elektrisch verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert unterschreitet. Falls die Brennstoffzellenspannung den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Widerstand parallel zu dem Ausgang der Brennstoffzelle geschaltet. Dies bewirkt einen Spannungsabfall an dem Widerstand und somit eine Reduzierung der Brennstoffzellenspannung. Erst wenn die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert wieder unterschreitet, wird die Brennstoffzelle elektrisch mit dem Hochvoltkreis verbunden. Somit kann verhindert werden, dass die Komponenten des Hochvoltkreises in Folge von Spannungsspitzen beschädigt werden. Dies ermöglicht insgesamt ein zuverlässiges Verfahren zum elektrischen Verbinden der Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis.According to the invention, it is now provided that the fuel cell is only electrically connected to the high-voltage circuit if the fuel cell voltage falls below the limit value. If the fuel cell voltage exceeds the predetermined threshold, the resistor is connected in parallel with the output of the fuel cell. This causes a voltage drop across the resistor and thus a reduction in fuel cell voltage. Only when the fuel cell voltage falls below the limit again, the fuel cell is electrically connected to the high-voltage circuit. Thus it can be prevented that the components of the high-voltage circuit are damaged as a result of voltage peaks. This allows a total reliable method for electrically connecting the fuel cell to the high-voltage circuit.

Bevorzugt wird eine Hochvoltspannung in dem Hochvoltkreis während des Startvorgangs der Brennstoffzelle an einen Sollwert angepasst. Der Hochvoltkreis kann insbesondere eine Komponente umfassen, mittels welcher die Hochvoltspannung in dem Hochvoltkreis aktiv angepasst beziehungsweise geregelt werden kann. Diese Komponente kann beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher und einen entsprechenden Spannungswandler, beispielsweise einen DC-DC-Wandler, umfassen. Auf diese Weise kann die Hochvoltspannung in dem Hochvoltkreis während des Startens angepasst werden und somit an das Spannungsniveau der Brennstoffzelle angeglichen werden.A high-voltage voltage in the high-voltage circuit is preferably adapted to a desired value during the starting process of the fuel cell. The high-voltage circuit may in particular comprise a component by means of which the high-voltage voltage in the high-voltage circuit can be actively adjusted or regulated. This component may for example comprise an electrical energy store and a corresponding voltage converter, for example a DC-DC converter. In this way, the high-voltage in the high-voltage circuit during startup can be adjusted and thus adjusted to the voltage level of the fuel cell.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Hochvoltspannung an den Sollwert angepasst, nachdem der Widerstand parallel zu dem Ausgang geschaltet wird. Somit kann die Hochvoltspannung in dem Hochvoltkreis bereits angepasst werden, während die Brennstoffzellenspannung reduziert wird. Folglich kann ein beschleunigter Startvorgang der Brennstoffzelle ermöglicht werden.In another embodiment, the high voltage voltage is adjusted to the setpoint value after the resistor is switched in parallel with the output. Thus, the high-voltage in the high-voltage circuit can already be adjusted while the fuel cell voltage is reduced. Consequently, an accelerated starting operation of the fuel cell can be enabled.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis verbunden, falls die Brennstoffzellenspannung in einem Bereich zwischen dem Grenzwert und dem Sollwert liegt. Sobald die Brennstoffzellenspannung der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels sich in einem vorbestimmten Spannungsfenster zwischen dem Sollwert und dem Grenzwert befindet, werden die Hauptkontakte zum Verbinden der Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis geschlossen. Somit kann ein zuverlässiges Zuschalten der Brennstoffzelle auf den Hochvoltkreis ermöglicht werden.In a further embodiment, the fuel cell is connected to the high-voltage circuit if the fuel cell voltage is in a range between the limit value and the setpoint value. As soon as the fuel cell voltage of the fuel cell or the fuel cell stack is in a predetermined voltage window between the desired value and the limit value, the main contacts for connecting the fuel cell to the high-voltage circuit are closed. Thus, a reliable connection of the fuel cell to the high-voltage circuit can be made possible.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis verbunden, falls die Brennstoffzellenspannung geringer als der Sollwert und geringer als der Grenzwert ist. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, dass die Komponenten des Hochvoltkreises beschädigt werden, wenn die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis verbunden wird.In another embodiment, the fuel cell is connected to the high voltage circuit if the fuel cell voltage is less than the setpoint and less than the threshold. In this way, it can be reliably prevented that the components of the high-voltage circuit are damaged when the fuel cell is connected to the high-voltage circuit.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand elektrisch von dem Ausgang der Brennstoffzelle getrennt wird, nachdem die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis verbunden wird. Nachdem die Hauptkontakte zum Verbinden der Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis geschlossen sind, werden die Schalter des Widerstands geöffnet. Damit ist nun die Brennstoffzelle am Hauptkreis beziehungsweise Hochvoltkreis angeschlossen und der Hilfswiderstand davon getrennt.Furthermore, it is advantageous if the resistor is electrically disconnected from the output of the fuel cell after the fuel cell is connected to the high-voltage circuit. After the main contacts for connecting the fuel cell to the high-voltage circuit are closed, the switches of the resistor are opened. Thus, the fuel cell is now connected to the main circuit or high-voltage circuit and the auxiliary resistance separated.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand über zwei Schalter mit dem Ausgang der Brennstoffzelle verbunden wird, wobei die zwei Schalter separat angesteuert werden. Zudem ist es bevorzugt vorgesehen, dass bei einem Öffnen und/oder Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Widerstand die zwei Schalter nacheinander geschaltet werden und ein elektrischer Strom durch den Widerstand beim Öffnen und/oder Schließen der Verbindung erfasst wird. Die Schalter können mit einer Steuereinrichtung separat voneinander angesteuert werden. Beim Verbinden der Brennstoffzelle mit dem Widerstand können die zwei Schalter nacheinander geschlossen werden. Beim Trennen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Widerstand können die zwei Schalter nacheinander geöffnet werden. Nach dem jeweiligen Ansteuern der Schalter kann der Strom durch den Widerstand erfasst werden. Somit kann die Funktion der Schalter zuverlässig überprüft werden.Furthermore, it is advantageous if the resistor is connected via two switches to the output of the fuel cell, wherein the two switches are controlled separately. In addition, it is preferably provided that, when opening and / or closing the connection between the fuel cell and the resistor, the two switches are switched one after the other and an electric current is detected by the resistance when opening and / or closing the connection. The switches can be controlled separately with a control device. When connecting the fuel cell to the resistor, the two switches can be closed sequentially. When disconnecting the connection between the fuel cell and the resistor, the two switches can be opened one after the other. After each activation of the switches, the current can be detected by the resistor. Thus, the function of the switch can be reliably checked.

Eine erfindungsgemäße Spannungsüberwachungsvorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Brennstoffzellenspannung am Ausgang der Brennstoffzelle während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle. Zudem umfasst die Spannungsüberwachungsvorrichtung eine Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Brennstoffzellenspannung mit einem Grenzwert zu vergleichen und einen Widerstand parallel zu dem Ausgang zu schalten, falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert überschreitet. Zudem ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Brennstoffzelle mit dem Hochvoltkreis elektrisch zu verbinden, falls die Brennstoffzellenspannung den Grenzwert unterschreitet.A voltage monitoring device according to the invention for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle comprises a detection device for detecting a fuel cell voltage at the output of the fuel cell during a start-up operation of the fuel cell. In addition, the voltage monitoring device comprises a control device which is designed to compare the fuel cell voltage with a limit value and to switch a resistor in parallel with the output if the fuel cell voltage exceeds the limit value. In addition, the control device is designed to electrically connect the fuel cell to the high-voltage circuit if the fuel cell voltage falls below the limit value.

Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Spannungsüberwachungsvorrichtung.The preferred embodiments presented with reference to the method according to the invention and their advantages apply correspondingly to the voltage monitoring device according to the invention.

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.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. The invention will now be described with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Spannungsüberwachungsvorrichtung zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle mit einem Hochvoltkreis eines Kraftfahrzeugs in einer schematischen Darstellung; und 1 a voltage monitoring device for electrically connecting a fuel cell to a high-voltage circuit of a motor vehicle in a schematic representation; and

2 einen zeitlichen Verlauf einer Brennstoffzellenspannung und einer Hochvoltspannung in dem Hochvoltkreis. 2 a time course of a fuel cell voltage and a high-voltage in the high-voltage circuit.

In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt eine Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung. Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 dient zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle 2 mit einem Hochvoltkreis 3, welcher vorliegend ausschnittsweise dargestellt ist. Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. 1 shows a voltage monitoring device 1 according to an embodiment of the present invention in a schematic representation. The voltage monitoring device 1 serves for the electrical connection of a fuel cell 2 with a high-voltage circuit 3 , which is shown here fragmentary. The voltage monitoring device 1 can be used in particular in a motor vehicle.

Die Brennstoffzelle 2 kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel sein, der mehrere Einzelzellen umfasst. An einem Ausgang der Brennstoffzelle 2 liegt die Brennstoffzellenspannung UB an. Die Brennstoffzelle 2 ist elektrisch mit der Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 verbunden. Die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 umfasst die Hochvoltleitungen 5 und 6, welche mit der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise mit dem Ausgang der Brennstoffzelle 2 elektrisch verbunden sind. Darüber hinaus umfasst die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 einen pyrotechnischen Schalter 4 (PCD – Pyrotechnic Closing Device), mittels welchem die Brennstoffzelle 2 in einem Fehlerfall kurzgeschlossen werden kann.The fuel cell 2 For example, it may be a fuel cell stack that includes multiple single cells. At an output of the fuel cell 2 is the fuel cell voltage UB on. The fuel cell 2 is electrically connected to the voltage monitoring device 1 connected. The voltage monitoring device 1 includes the high-voltage cables 5 and 6 , which with the fuel cell 2 or with the output of the fuel cell 2 are electrically connected. In addition, the voltage monitoring device comprises 1 a pyrotechnic switch 4 (PCD - Pyrotechnic Closing Device), by means of which the fuel cell 2 can be shorted in a fault.

Des Weiteren umfasst die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 die beiden Schalter S1 und S2, mit denen die Hochvoltleitungen 5 und 6 mit dem Hochvoltkreis 3 verbunden werden können. Die Schalter S1 und S2 können auch als Hauptschalter bezeichnet werden. Darüber hinaus ist ein Widerstand R beziehungsweise ein Hilfswiderstand vorgesehen, der über die Schalter S3 und S4 parallel zu der Brennstoffzelle 2 geschaltet werden kann. Die Hochvoltleitungen 5 und 6 sind über die Kondensatoren C1 und C2 mit einem Masseanschluss verbunden.Furthermore, the voltage monitoring device comprises 1 the two switches S1 and S2, with which the high-voltage cables 5 and 6 with the high-voltage circuit 3 can be connected. The switches S1 and S2 may also be referred to as main switches. In addition, a resistor R or an auxiliary resistor is provided which, via the switches S3 and S4 in parallel to the fuel cell 2 can be switched. The high-voltage cables 5 and 6 are connected via the capacitors C1 and C2 to a ground terminal.

Darüber hinaus umfasst die Spannungsüberwachungsvorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 7, die mit einer Erfassungseinrichtung 8 zur Datenübertragung verbunden ist. Die Erfassungseinrichtung 8 umfasst einen Spannungssensor V. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 7 mit weiteren Spannungssensoren V sowie weiteren Stromsensoren A verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei über die Datenleitungen 9. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung 9 mit den Schaltern S1, S2, S3 und S4 über die Datenleitungen verbunden. Mit Hilfe der Steuereinrichtung 7 können die Schalter S1, S2, S3 und S4 unabhängig voneinander angesteuert werden. Beim Verbinden des Widerstands R mit der Brennstoffzelle 2 und/oder beim Trennen des Widerstands R von der Brennstoffzelle 2 können die beiden Schalter S3, S4 mittels der Steuereinrichtung 7 nacheinander angesteuert werden. Zudem kann mit den Stromsensoren A der elektrische Strom durch den Widerstand R erfasst werden. Die Verwendung der zwei Schalter S3, S4 anstatt eines einzigen Schalters zusammen mit der Strommessung erlaubt die Überprüfung der Trennfunktion eines der zwei Schalter S3, S4 durch die nicht gleichzeitige Ab- und/oder Zuschaltung der Schalter S3, S4. Bei jedem Schaltvorgang kann einer der Schalter S3, S4 überprüft werden.In addition, the voltage monitoring device comprises 1 a control device 7 provided with a detection device 8th connected to the data transmission. The detection device 8th includes a voltage sensor V. In addition, the control device 7 with further voltage sensors V and other current sensors A connected. The connection is made via the data lines 9 , Furthermore, the control device 9 connected to the switches S1, S2, S3 and S4 via the data lines. With the help of the control device 7 The switches S1, S2, S3 and S4 can be controlled independently of each other. When connecting the resistor R to the fuel cell 2 and / or when disconnecting the resistor R from the fuel cell 2 can the two switches S3, S4 by means of the control device 7 be controlled in succession. In addition, with the current sensors A, the electric current through the resistor R can be detected. The use of the two switches S3, S4 instead of a single switch together with the current measurement allows the verification of the separation function of one of the two switches S3, S4 by the non-simultaneous disconnection and / or connection of the switches S3, S4. With each switching operation, one of the switches S3, S4 can be checked.

Der Hochvoltkreis 3 ist mit mehreren Komponenten 10 elektrisch verbunden. Die Komponenten 10 werden mit elektrischer Spannung beziehungsweise mit einer Hochvoltspannung UH aus dem Hochvoltkreis 3 versorgt. Die Komponenten 10 sind elektrisch über entsprechende Sicherungen F1, F2, F3 und F4 mit dem Hochvoltkreis 3 verbunden. Darüber hinaus ist eine Komponente 11 vorgesehen, mittels welcher die Hochvoltspannung UH in dem Hochvoltkreis 3 geregelt werden kann. Die Komponente 11 kann beispielsweise eine Energiequelle und einen entsprechenden Spannungswandler umfassen.The high-voltage circuit 3 is with several components 10 electrically connected. The components 10 be with electrical voltage or with a high voltage UH from the high-voltage circuit 3 provided. The components 10 are electrically protected by corresponding fuses F1, F2, F3 and F4 with the high-voltage circuit 3 connected. In addition, a component 11 provided by means of which the high-voltage UH in the high-voltage circuit 3 can be regulated. The component 11 For example, it may include an energy source and a corresponding voltage converter.

2 zeigt die Brennstoffzellenspannung UB und die Hochvoltspannung UH in Abhängigkeit von der Zeit t. Vorliegend wird die Brennstoffzelle 2 zu einem Zeitpunkt t1 gestartet. Hierzu wird die Brennstoffzelle 2 mit den Reaktanden, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, befüllt. Dies bewirkt, dass die Brennstoffzellenspannung UB ansteigt. Am Anfang der Startprozedur der Brennstoffzelle 2 sind die Hauptkontakte beziehungsweise die Schalter S1 und S2 geöffnet. Mit Hilfe der Erfassungseinrichtung 8 wird überprüft, ob die Brennstoffzellenspannung UB einen vorbestimmten Grenzwert UG überschreitet. Dieser Grenzwert UG kann in Abhängigkeit von den Komponenten 10, 11 bestimmt sein. 2 shows the fuel cell voltage UB and the high voltage UH as a function of the time t. In the present case, the fuel cell 2 started at a time t1. For this purpose, the fuel cell 2 with the reactants, in particular oxygen and hydrogen, filled. This causes the fuel cell voltage UB to increase. At the beginning of the startup procedure of the fuel cell 2 the main contacts or the switches S1 and S2 are open. With the help of the detection device 8th it is checked whether the fuel cell voltage UB exceeds a predetermined limit UG. This limit UG may vary depending on the components 10 . 11 be determined.

Zum Zeitpunkt t2 überschreitet die Brennstoffzellenspannung UB den Grenzwert UG. In diesem Fall steuert die Steuereinrichtung 7 die Schalter S3 und S4 an. Dabei werden die Schalter S3 und S4 geschlossen und der Widerstand R wird parallel zu der Brennstoffzelle 2 geschaltet. Gleichzeitig wird ab dem Zeitpunkt t2 die Hochvoltspannung UH in dem Hochvoltkreis 3 mittels der Komponente 11 erhöht.At the time t2, the fuel cell voltage UB exceeds the limit value UG. In this case, the controller controls 7 the switches S3 and S4 on. At this time, the switches S3 and S4 are closed, and the resistor R becomes parallel to the fuel cell 2 connected. At the same time from the time t2, the high voltage UH in the high-voltage circuit 3 by means of the component 11 elevated.

Zu einem Zeitpunkt t3 unterschreitet die Brennstoffzellenspannung UB den Grenzwert UG wieder. Ferner hat die Hochvoltspannung UH einen Sollwert US erreicht, der beispielsweise 420 V betragen kann. Zu dem Zeitpunkt t3 steuert die Steuereinrichtung 7 die Schalter S1 und S2 an, so dass diese geschlossen werden. Somit wird die Brennstoffzelle 2 elektrisch mit dem Hochvoltkreis 3 verbunden. Grundsätzlich können die Schalter S1 und S2 geschlossen werden, falls sich die Brennstoffzellenspannung UB zwischen dem Grenzwert UG und dem Sollwert US befindet. Dieser Spannungsbereich zwischen dem Grenzwert UG und dem Sollwert US kann beispielsweise 10 bis 20 V betragen. At a time t3, the fuel cell voltage UB falls below the limit UG again. Furthermore, the high-voltage UH has reached a target value US, which may be 420 V, for example. At the time t3, the controller controls 7 the switches S1 and S2, so that they are closed. Thus, the fuel cell becomes 2 electrically with the high-voltage circuit 3 connected. In principle, the switches S1 and S2 can be closed if the fuel cell voltage UB is between the limit value UG and the desired value US. This voltage range between the limit value UG and the desired value US can be, for example, 10 to 20 V.

Anschließend werden zu einem Zeitpunkt t 4 die Schalter S3 und S4 des Widerstands R geöffnet. Damit ist nun die Brennstoffzelle 2 an dem Hochvoltkreis 3 beziehungsweise dem Hauptkreis angeschlossen und der Hilfswiderstand R davon getrennt.Subsequently, at a time t 4, the switches S3 and S4 of the resistor R are opened. Now this is the fuel cell 2 at the high-voltage circuit 3 or connected to the main circuit and the auxiliary resistor R disconnected.

Somit kann insgesamt ein zuverlässiges elektrisches Verbinden der Brennstoffzelle 2 mit dem Hochvoltkreis 3 ermöglicht werden. Darüber hinaus kann der Startvorgang der Brennstoffzelle 2 verkürzt werden und die Komponenten 10, 11 des Hochvoltkreises 3 werden vor Spannungsspitzen geschützt. Ferner wird die Brennstoffzelle 2 mit einer sehr kontrollierten Belastung am Anfang des Startvorgangs vor negativen Folgen, beispielsweise der Anodenpassivierung, geschützt.Thus, overall, a reliable electrical connection of the fuel cell 2 with the high-voltage circuit 3 be enabled. In addition, the starting process of the fuel cell 2 be shortened and the components 10 . 11 of the high-voltage circuit 3 are protected from voltage surges. Further, the fuel cell becomes 2 protected from negative consequences, such as anode passivation, with a very controlled load at the beginning of the starting process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
SpannungsüberwachungsvorrichtungVoltage monitoring device
22
Brennstoffzellefuel cell
33
HochvoltkreisHigh-voltage circuit
44
Pyrotechnischer SchalterPyrotechnic switch
55
HochvoltleitungHigh-voltage line
66
HochvoltleitungHigh-voltage line
77
Steuereinrichtungcontrol device
88th
Erfassungseinrichtungdetector
99
Datenleitungdata line
1010
Komponentecomponent
1111
Komponentecomponent
AA
Stromsensorcurrent sensor
C1C1
Kondensatorcapacitor
C2C2
Kondensatorcapacitor
F1F1
Sicherungfuse
F2F2
Sicherungfuse
F3F3
Sicherungfuse
F4F4
Sicherungfuse
RR
Widerstandresistance
S1S1
Schalterswitch
S2S2
Schalterswitch
S3S3
Schalterswitch
S4S4
Schalterswitch
tt
ZeitTime
t1t1
Zeitpunkttime
t2t2
Zeitpunkttime
t3t3
Zeitpunkttime
t4t4
Zeitpunkttime
UU
Spannungtension
UBUB
Brennstoffzellenspannungfuel cell voltage
UGUG
Grenzwertlimit
UHUH
HochvoltspannungHigh-voltage power
USUS
Sollwertsetpoint
VV
Spannungssensorvoltage sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2003/0113600 A1 [0004] US 2003/0113600 A1 [0004]

Claims (9)

Verfahren zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle (2) mit einem Hochvoltkreis (3) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle (2) eine Brennstoffzellenspannung (UB) an einem Ausgang der Brennstoffzelle (2) erfasst wird, die Brennstoffzellenspannung (UB) mit einem Grenzwert (UG) verglichen wird und falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) überschreitet, ein Widerstand (R) parallel zu dem Ausgang geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) elektrisch verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) unterschreitet.Method for electrically connecting a fuel cell ( 2 ) with a high-voltage circuit ( 3 ) of a motor vehicle, wherein during a starting process of the fuel cell ( 2 ) a fuel cell voltage (UB) at an output of the fuel cell ( 2 ), the fuel cell voltage (UB) is compared with a limit value (UG), and if the fuel cell voltage (UB) exceeds the limit value (UG), a resistor (R) is connected in parallel with the output, characterized in that the fuel cell ( 2 ) with the high-voltage circuit ( 3 ) is electrically connected, if the fuel cell voltage (UB) falls below the limit value (UG). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochvoltspannung (UH) in dem Hochvoltkreis (3) während des Startvorgangs der Brennstoffzelle (2) an einen Sollwert (US) angepasst wird.A method according to claim 1, characterized in that a high-voltage (UH) in the high-voltage circuit ( 3 ) during the starting process of the fuel cell ( 2 ) is adjusted to a setpoint (US). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltspannung (UH) an den Sollwert (US) angepasst wird, nachdem der Widerstand (R) parallel zu dem Ausgang geschaltet wird.A method according to claim 2, characterized in that the high voltage (UH) is adjusted to the desired value (US) after the resistor (R) is connected in parallel with the output. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) in einem Bereich zwischen dem Sollwert (US) und dem Grenzwert (UG) liegt.Method according to one of claims 2 to 3, characterized in that the fuel cell ( 2 ) with the high-voltage circuit ( 3 ) is connected if the fuel cell voltage (UB) is in a range between the target value (US) and the limit value (UG). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) verbunden wird, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) geringer als der Sollwert (US) und geringer als der Grenzwert (UG) ist.Method according to one of claims 2 to 3, characterized in that the fuel cell ( 2 ) with the high-voltage circuit ( 3 ) is connected if the fuel cell voltage (UB) is less than the target value (US) and less than the limit value (UG). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) elektrisch von dem Ausgang der Brennstoffzelle (2) getrennt wird, nachdem die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) verbunden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the resistor (R) electrically from the output of the fuel cell ( 2 ) is disconnected after the fuel cell ( 2 ) with the high-voltage circuit ( 3 ) is connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R) über zwei Schalter (S3, S4) mit dem Ausgang der Brennstoffzelle (2) verbunden wird, wobei die zwei Schalter (S3, S4) separat angesteuert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the resistor (R) via two switches (S3, S4) with the output of the fuel cell ( 2 ), wherein the two switches (S3, S4) are driven separately. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Öffnen und/oder Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle (2) und dem Widerstand (R) die zwei Schalter (S3, S4) nacheinander geschaltet werden und ein elektrischer Strom durch den Widerstand (R) beim Öffnen und/oder Schließen der Verbindung erfasst wird.A method according to claim 7, characterized in that when opening and / or closing the connection between the fuel cell ( 2 ) and the resistor (R) the two switches (S3, S4) are switched one after the other and an electric current through the resistor (R) when opening and / or closing the connection is detected. Spannungsüberwachungsvorrichtung (1) zum elektrischen Verbinden einer Brennstoffzelle (2) mit einem Hochvoltkreis (3) eines Kraftfahrzeugs, mit einer Erfassungseinrichtung (8), zum Erfassen einer Brennstoffzellenspannung (UB) an einem Ausgang der Brennstoffzelle (2) während eines Startvorgangs der Brennstoffzelle (2), mit einer Steuereinrichtung (7), welche dazu ausgelegt ist, die Brennstoffzellenspannung (UB) mit einem Grenzwert (UG) zu vergleichen und einen Widerstand (R) parallel zu dem Ausgang zu schalten, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) dazu ausgelegt ist, die Brennstoffzelle (2) mit dem Hochvoltkreis (3) elektrisch zu verbinden, falls die Brennstoffzellenspannung (UB) den Grenzwert (UG) unterschreitet.Voltage monitoring device ( 1 ) for electrically connecting a fuel cell ( 2 ) with a high-voltage circuit ( 3 ) of a motor vehicle, with a detection device ( 8th ), for detecting a fuel cell voltage (UB) at an output of the fuel cell ( 2 ) during a startup process of the fuel cell ( 2 ), with a control device ( 7 ), which is adapted to compare the fuel cell voltage (UB) with a limit value (UG) and to switch a resistor (R) in parallel with the output, if the fuel cell voltage (UB) exceeds the limit value (UG), characterized in that the control device ( 7 ) is adapted to the fuel cell ( 2 ) with the high-voltage circuit ( 3 ) electrically connect, if the fuel cell voltage (UB) below the limit (UG).
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