DE102017009025A1 - Elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennstoffzelleneinheit zum Bereitstellen von elektrischer Energie abhängig von zugeführtem Brennstoff, einen Gleichspannungszwischenkreis zum Verteilen der elektrischen Energie zwischen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen elektrischen Einrichtungen und einem an die Brennstoffzelleneinheit und an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen unidirektionalen Hochsetzsteller, der ausgebildet ist, die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte elektrische Energie dem Gleichspannungszwischenkreis zuzuführen.
- Gattungsgemäße elektrische Bordnetze von Kraftfahrzeugen sowie Kraftfahrzeuge sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Kraftfahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und Einheiten in vorgebbarer Weise elektrisch miteinander zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz sind zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs. Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen kann darüber hinaus eine Brennstoffzelleneinheit vorgesehen sein, die unter Nutzung eines Brennstoffs elektrische Energie bereitstellt, die dem elektrischen Bordnetz zugeführt werden kann. Zu diesem Zweck ist das elektrische Bordnetz mit der Brennstoffzelleneinheit elektrisch gekoppelt. Die elektrische Kopplung wird in der Regel mittels des unidirektionalen Hochsetzstellers in Verbindung mit einer Schalteinheit realisiert.
- Gerade elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge verfügen in der Regel über eine elektrische Antriebseinrichtung, die zumindest teilweise dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient. Damit das Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann, umfasst das elektrische Bordnetz in der Regel einen elektrischen Energiespeicher als zumindest einer von mehreren elektrischen Einrichtungen, hier eine Fahrzeugbatterie, die vorzugsweise nach Art eines Akkumulators, beispielsweise durch eine Hochvoltbatterie oder dergleichen, gebildet ist. Während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs kann mittels der von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Energie eine geeignete Energieversorgung der elektrischen Antriebseinrichtung gewährleistet werden. Gegebenenfalls kann eine Unterstützung der Energieversorgung der Antriebseinrichtung unter gleichzeitiger Nutzung der Fahrzeugbatterie erfolgen.
- Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es diesbezüglich eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises ebenfalls nicht bedarf. Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist ein schienenungebundenes Fahrzeug, welches die elektrische Antriebseinrichtung aufweist, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zumindest teilweise angetrieben werden kann. Die elektrische Antriebseinrichtung weist hierfür üblicherweise eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen auf, die mittels eines geeignet ausgebildeten Energiewandlers in vorgebbarer Weise gesteuert werden können. Zu diesem Zweck ist der Energiewandler dazu ausgebildet, für die rotierenden elektrischen Maschinen eine jeweilige Maschinenspannung bereitzustellen. Ein derartiger Energiewandler kann zum Beispiel ein Wechselrichter, ein Gleichspannungswandler, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, und/oder dergleichen sein.
- Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei einem Elektrofahrzeug ist die elektrische Antriebseinrichtung in der Regel die einzige Einrichtung, die dem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient. Bei einem Hybridfahrzeug ist dagegen üblicherweise eine weitere Antriebseinrichtung vorhanden, die in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine kann ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb genutzt werden, wie die elektrische Antriebseinrichtung. Es können auch beide Antriebseinrichtungen kombiniert miteinander betrieben werden. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
- Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes hat sich gezeigt, dass bei einer Inbetriebnahme des Bordnetzes, bei der die Brennstoffzelleneinheit mit dem Hochsetzsteller mittels der Schalteinheit elektrisch gekoppelt werden soll, Probleme auftreten können, weil unter bestimmten Betriebsbedingungen eine elektrische Gleichspannung an einem Brennstoffzellenanschluss der Brennstoffzelleneinheit größer sein kann als eine Zwischenkreisgleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises. Bei der üblicherweise für einen unidirektionalen Hochsetzsteller vorgesehenen Schaltungstopologie kann dies dazu führen, dass ein unerwünscht hoher Stromfluss von der Brennstoffzelleneinheit zum Gleichspannungszwischenkreis über eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einer Diode des Hochsetzstellers erfolgt. Dies kann Beschädigungen zur Folge haben.
- Aufgrund der in der Regel genutzten Schaltungstopologie des Hochsetzstellers ist diese nicht kurzschlussfest. Tritt eine entsprechende Überlastung des Hochsetzstellers an dessen Ausgangsanschluss auf, kann nicht nur ungesteuert elektrische Energie von der Brennstoffzelleneinheit in den Kurzschluss gespeist werden, sondern es kann darüber hinaus der Hochsetzsteller beschädigt werden. Die übliche Schaltungstopologie des Hochsetzstellers lässt hier keine Eingriffsmöglichkeiten zu. Dies gilt nicht nur für einen Kurzschluss als solchen, sondern bereits bei einer derartigen Spannungslage, bei der die am Ausgangsanschluss des Hochsetzstellers vorhandene elektrische Gleichspannung kleiner als die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Brennstoffzellengleichspannung ist, die am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers vorhanden ist. Es kann hierbei ein nicht kontrollierbarer und auch vom Hochsetzsteller nicht abschaltbarer elektrischer Strom strömen. Mit den verfügbaren bekannten Maßnahmen wie einer Schmelzsicherung oder dergleichen kann in der Regel keine ausreichende Schutzwirkung erreicht werden, insbesondere nicht für den Hochsetzsteller. Die bekannten Maßnahmen sind zu träge und/oder schaltungs- und kostenmäßig zu aufwändig.
- Den Hochsetzsteller entsprechend mit einer geeigneten zusätzlichen Schutzschaltung auszurüsten, würde den Aufwand sowie auch das Gewicht erheblich vergrößern und kommt deshalb für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug nicht in Betracht.
- Ferner offenbart die
DE 10 2012 016 246 A1 einen Schaltkreis, eine Spannungsquelle und ein Betriebsverfahren zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses einer Spanungsquelle. Schließlich offenbart die einen Shuntregler für ein Bren nstoffzellensystem.US 2005/0266283 A1 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zu schaffen, mit der das elektrische Bordnetz, insbesondere der Hochsetzsteller, besser vor einer Überlastung geschützt werden kann.
- Als Lösung wird mit der Erfindung ein elektrisches Bordnetz gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen.
- Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
- Bezüglich eines gattungsgemäßen elektrischen Bordnetzes wird insbesondere vorgeschlagen, dass das elektrische Bordnetz einen Stromsensor zum Erfassen eines dem Hochsetzsteller von der Brennstoffzelleneinheit zugeführten elektrischen Stromes sowie ein am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers angeschlossenes und abhängig vom erfassten Strom steuerbares Kurzschlusselement aufweist.
- Die Erfindung hat gegenüber alternativen Möglichkeiten, insbesondere auch gegenüber einem weiteren Leistungshalbleiter, der in einen Längszweig zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Hochsetzstellers geschaltet werden müsste, dass sehr kostengünstig auf einfache Weise ein zuverlässiger Schutz erreicht werden kann. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass ein gefährlicher Zustand, wie er zuvor erläutert wurde, insbesondere dann eintreten kann, wenn am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers die elektrische Spannung größer als eine elektrische Spannung an seinem Ausgangsanschluss ist. Dadurch, dass mit dem Kurzschlusselement die Eingangsspannung sehr weit reduziert werden kann, vorzugsweise etwa null ist, kann erreicht werden, dass der gefährliche Zustand durch entsprechende Reduktion der elektrischen Spannung am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers weitgehend vermieden, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden kann.
- Zu diesem Zweck ist das Kurzschlusselement vorzugsweise als steuerbares Kurzschlusselement ausgebildet, welches abhängig von einem elektrischen Strom, den der Stromsensor erfasst, ausgelöst werden kann. Mit dem Kurzschlusselement kann somit erreicht werden, dass die elektrische Spannung am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers im Wesentlichen immer kleiner als die elektrische Spannung am Ausgangsanschluss des Hochsetzstellers ist.
- Mit dem Stromsensor kann der unerwünschte Zustand der Überlastung beziehungsweise ein Kurzschluss am Ausgangsanschluss des Hochsetzstellers angeschlossenen Teil des Bordnetzes zuverlässig aus dem erfassten Strom ermittelt werden. Ein hierdurch gewonnenes Auslösesignal kann dann dem Kurzschlusselement zum Auslösen beziehungsweise dem Herstellen des Kurzschlusses beziehungsweise einer sehr niederohmigen elektrischen Verbindung zugeführt werden.
- Der Stromsensor kann zum Beispiel mittels eines Shunts den elektrischen Strom erfassen. Darüber hinaus gibt es natürlich auch weitere Möglichkeiten den elektrischen Strom am Eingangsanschluss des Hochsetzstellers zu erfassen, beispielsweise mittels eines Hall-Elements und/oder dergleichen. Ein hierdurch ermitteltes Stromsignal wird mit einem Stromvergleichswert verglichen und, sobald ein Stromsensorsignal erfasst wird, welches größer als der Stromvergleichswert ist, das Auslösesignal bereitgestellt. Diese Funktionalität kann mit einer geeigneten Hardwareschaltung, insbesondere einem Komparator und/oder dergleichen realisiert werden. Der Stromvergleichswert ist vorzugsweise derart gewählt, dass eine Auslösung des Kurzschlusselements während des bestimmungsgemäßen Betriebs des elektrischen Bordnetzes zuverlässig vermieden werden kann.
- Das Kurzschlusselement kann zum Beispiel ein elektromechanisches Hochgeschwindigkeitsschaltelement umfassen. Vorzugsweise ist jedoch ein elektronisches Schaltelement vorgesehen. Das elektronische Schaltelement kann besonders bevorzugt einen Thyristor, beispielsweise auch einen Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO), einen Transistor und/oder dergleichen aufweisen. Das Kurzschlusselement kann darüber hinaus geeignete Steuerelektronik aufweisen, um das Schaltelement, insbesondere das elektronische Schaltelement, in Abhängigkeit vom Auslösesignal zuverlässig steuern zu können. Das Kurzschlusselement kann zu diesem Zweck zum Beispiel eine Auslöseschaltung umfassen, die abhängig vom Auslösesignal das Schaltelement entsprechend in den gewünschten Schaltzustand steuert. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass die Auslöseschaltung eine Vergleichseinheit umfasst und der Stromsensor lediglich das Stromsensorsignal bereitstellt, sodass der Vergleich mit dem Stromvergleichswert durch die Auslöseschaltung ausgeführt wird.
- 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 der einzigen Figur 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.
- Es zeigt die einzige Fig. ein schematisches Prinzipschaltbild für ein Bordnetz gemäß der Erfindung.
- Die einzige Fig. zeigt ein elektrisches Bordnetz
10 , welches in einem nicht weiter dargestellten Elektrofahrzeug als elektrisch antreibbarem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Das elektrische Bordnetz10 weist eine Brennstoffzelleneinheit12 zum Bereitstellen von elektrischer Energie abhängig von zugeführtem Brennstoff sowie einen Gleichspannungszwischenkreis14 zum Verteilen der elektrischen Energie zwischen an dem Gleichspannungszwischenkreis14 angeschlossenen elektrischen Einrichtungen16 auf. Die elektrischen Einrichtungen16 sind in der vorliegenden Ausgestaltung lediglich symbolisch durch ein Widerstandssymbol in der Fig. dargestellt. Die elektrischen Einrichtungen16 können neben elektrischen Verbrauchern wie einem elektrischen Klimakompressor, Beleuchtungseinrichtungen, einer Heizeinrichtung auch elektrische Energiespeicher nach Art eines Akkumulators, insbesondere eine Hochvoltbatterie, und/oder dergleichen umfassen. - Energietechnisch gekoppelt ist die Brennstoffzelleneinheit
12 mit dem Gleichspannungszwischenkreis14 durch einen unidirektionalen Hochsetzsteller18 , der mit einem Eingangsanschluss22 an die Brennstoffzelleneinheit12 und mit einem Ausgangsanschluss34 an die elektrische Einrichtung16 angeschlossen ist. Der Hochsetzsteller18 ist ausgebildet, die von der Brennstoffzelleneinheit12 bereitgestellte elektrische Energie dem Gleichspannungszwischenkreis14 , hier der elektrischen Einrichtung16 , zuzuführen. Der Hochsetzsteller18 weist zwischen seinem Eingangsanschluss22 und seinem Ausgangsanschluss34 eine Reihenschaltung aus einer Induktivität28 und einer Diode30 auf. An einem Verbindungsanschluss der Induktivität28 und der Diode30 ist ein elektronisches Schaltelement32 nach Art eines Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder auch eines Metaloxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) angeschlossen. Mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit wird das elektronische Schaltelement32 in geeigneter Weise im Schaltbetrieb betrieben, sodass der Hochsetzsteller18 in vorgegebener Weise seine Energiewandlung ausführt. Im bestimmungsgemäßen Betrieb ist eine elektrische Spannung am Eingangsanschluss22 kleiner als eine elektrische Spannung am Ausgangsanschluss34 . - Gemäß der Erfindung ist zusätzlich zu der Reihenschaltung aus der Induktivität
28 und der Diode30 ein Stromsensor20 in Reihe geschaltet. Mit dem Stromsensor20 kann ein dem Hochsetzsteller18 von der Brennstoffzelleneinheit12 zugeführter elektrischer Strom erfasst werden. Der Stromsensor20 stellt ein Stromsensorsignal abhängig vom erfassten elektrischen Strom bereit. - Das Stromsensorsignal des Stromsensors
20 wird einer Auslöseschaltung26 zugeführt, die ausgebildet ist, das Stromsensorsignal mittels einer nicht dargestellten Vergleichseinheit mit einem Stromvergleichswert zu vergleichen. Abhängig von dem Vergleich stellt die Auslöseschaltung26 dann ein Auslösesignal bereit. Die Auslöseschaltung26 ist vorliegend als elektronische Hardwareschaltung ausgebildet. Sie kann darüber hinaus jedoch auch eine Rechnereinheit umfassen, wenn diese aufgrund ihrer Eigenschaften sich hierfür eignet. Eine solche Recheneinheit kann zum Beispiel ein digitaler Signalprozessor und/oder dergleichen sein. - Am Eingangseinschluss
22 des Hochsetzstellers18 ist ein Thyristor24 als Kurzschlusselement angeschlossen, dessen Steuerelektrode beziehungsweise Gate abhängig vom Auslösesignal gesteuert wird. Das Auslösesignal wird der Steuerelektrode beziehungsweise dem Gate des Thyristors24 zugeführt. - Wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes
10 mittels des Stromsensors20 ein Strom erfasst, der größer als der Stromvergleichswert ist, stellt die Auslöseschaltung26 das Auslösesignal bereit. Mittels des Auslösesignals wird der Thyristor24 angesteuert, sodass dieser in den leitfähigen Zustand übergeht. Durch den Thyristor24 wird die Brennstoffzelleneinheit12 im Wesentlichen kurzgeschlossen, sodass am Eingangsanschluss22 lediglich noch eine kleine Restspannung oder nahezu keine Spannung mehr anliegt. - Dadurch wird verhindert, dass ein elektrischer Strom vom Eingangsanschluss
22 zum Ausgangsanschluss34 des Hochsetzstellers18 strömen kann, wenn nämlich die elektrische Spannung am Eingangsanschluss22 größer als die elektrische Spannung am Ausgangsanschluss34 ist. Ein solcher Strom wäre bei der vorliegenden Schaltungstopologie des unidirektionalen Hochsetzstellers18 nicht steuerbar. Durch den Thyristor24 kann dies verhindert werden. - Nicht dargestellt in der Fig. ist, dass die Auslöseschaltung
26 zugleich ein Steuersignal für die Brennstoffzelleneinheit12 bereitstellt, also dass die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass die Brennstoffzelleneinheit12 bei Auslösen des Thyristors24 nicht permanent zusätzlich elektrische Energie bereitstellt und somit zu einer unbegrenzten Überlastung der Brennstoffzelleneinheit12 beziehungsweise des Thyristors24 führen kann. Die Brennstoffzelleneinheit12 braucht deshalb lediglich dafür ausgelegt zu sein, die nach Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu der Brennstoffzelleneinheit12 verfügbare Energie aufzunehmen. - Insgesamt wird das Kurzschlusselement beziehungsweise der Thyristor
24 ab einem bestimmten Überstrom zwischen der Brennstoffzelleneinheit12 und dem Hochsetzsteller18 getriggert und die Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelleneinheit12 gestoppt. Dadurch kann eine unmittelbare Entladung der Brennstoffzelleneinheit12 und ein schneller Abbau der elektrischen Spannung am Eingangsanschluss22 des Hochsetzstellers18 erreicht werden, wodurch eine nahezu unmittelbare Abschaltung eines erfassten Überstroms erreicht werden kann. Das Kurzschlusselement beziehungsweise der Thyristor24 kann ein bereits vorhandenes Bauteil sein, welches darüber hinaus auch weitere Sicherheitsfunktionen, insbesondere bei Hochvoltanwendungen, übernehmen kann. - Die Beschreibung dient der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- elektrisches Bordnetz
- 12
- Brennstoffzelleneinheit
- 14
- Gleichspannungszwischenkreis
- 16
- elektrische Einrichtung
- 18
- unidirektionaler Hochsetzsteller
- 20
- Stromsensor
- 22
- Eingangsanschluss
- 24
- Thyristor
- 26
- Auslöseschaltung
- 28
- Induktivität
- 30
- Diode
- 32
- IGBT
- 34
- Ausgangsanschluss
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012016246 A1 [0009]
- US 2005/0266283 A1 [0009]
Claims (5)
- Elektrisches Bordnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) zum Bereitstellen von elektrischer Energie abhängig von zugeführtem Brennstoff, einem Gleichspannungszwischenkreis (14) zum Verteilen der elektrischen Energie zwischen an den Gleichspannungszwischenkreis (14) angeschlossenen elektrischen Einrichtungen (16) und einem an die Brennstoffzelleneinheit (12) und an den Gleichspannungszwischenkreis (14) angeschlossenen unidirektionalen Hochsetzsteller (18), der ausgebildet ist, die von der Brennstoffzelleneinheit (12) bereitgestellte elektrische Energie dem Gleichspannungszwischenkreis (14) zuzuführen, gekennzeichnet durch einen Stromsensor (20) zum Erfassen eines dem Hochsetzsteller (18) von der Brennstoffzelleneinheit (12) zugeführten elektrischen Stromes sowie ein am Eingangsanschluss (22) des Hochsetzstellers (18) angeschlossenes und abhängig vom erfassten Strom steuerbares Kurzschlusselement (24).
- Elektrisches Bordnetz nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (24) ein elektronisches Schaltelement aufweist. - Elektrisches Bordnetz nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Schaltelement (24) einen Thyristor und/oder einen Transistor aufweist. - Elektrisches Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (24) eine Auslöseschaltung (26) umfasst, die eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des erfassten Stromes mit einem Stromvergleichswert aufweist.
- Elektrisches Bordnetz nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseschaltung (26) ausgebildet ist, eine Brennstoffzufuhr zur Brennstoffzelleneinheit (12) zu deaktivieren.
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| R081 | Change of applicant/patentee |
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