阅读说明：本技术 具有燃料电池装置和电池组的供应装置以及用于供应装置的冰冻启动的方法 (Supply device with a fuel cell arrangement and a battery and method for the frozen start-up of a supply device ) 是由 M·布罗伊 M·沙伊德迈尔 于 2018-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于至少一个用电器(2、3)的供电的供应装置(1),供应装置具有初级电网(4)和次级电网(6),在初级电网中存在燃料电池装置(5),在次级电网中存在电池组(7),电池组具有运行电压范围,运行电压范围向上受最大电压(U<Sub>max</Sub>)的限制并且向下受最小电压(U<Sub>min</Sub>)的限制,并且电池组具有用于对至少一个用电器(2、3)通电的运行电流强度范围,并且供应装置具有在所述初级电网(4)中设置的冰冻启动元件(15),冰冻启动元件被构造用于,导致燃料电池装置(5)加热。所述燃料电池装置(5)的空转电压最高相应于所述电池组(7)的最大电压。此外本发明涉及一种用于供应装置(1)的冰冻启动的方法。(The invention relates to a supply device (1) for supplying power to at least one consumer (2, 3), comprising a primary power supply (4) in which a fuel cell device (5) is present, and a secondary power supply (6) in which a battery pack (7) is present, which has an operating voltage range that is subject to a maximum voltage (U) in the upward direction max ) Is limited and is subject to a minimum voltage (U) downwards min ) And the battery pack has a motor for energizing at least one electrical consumer (2, 3)A range of current intensities, and the supply device has a freeze-starting element (15) arranged in the primary power network (4), which is designed to cause heating of the fuel cell device (5). The idle voltage of the fuel cell arrangement (5) corresponds at most to the maximum voltage of the battery (7). The invention further relates to a method for the frozen start-up of a supply device (1).)

具有燃料电池装置和电池组的供应装置以及用于供应装置的 冰冻启动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于至少一个用电器的供电的供应装置，所述供应装置具有初级电网，在该初级电网中存在燃料电池装置。此外，该供应装置包括次级电网，在该次级电网中存在电池组，该电池组具有运行电压范围，该运行电压范围向上受最大电压限制并且向下受最小电压限制。此外，该电池组具有用于对至少一个用电器通电的运行电流强度范围。在初级电网中，设置冰冻启动元件，该冰冻启动元件被构造用于，导致燃料电池装置加热。此外，本发明涉及一种用于供应装置的冰冻启动的方法。

背景技术

如果在机动车中使用供应装置，则该供应装置遭受不同的天气条件。在此，低于水的冰点的低温众所周知地带来在启动供应装置中的燃料电池装置时的巨大的问题。例如，在存在结冰条件的情况下，阳极室和/或阴极室可能被冰阻塞，使得工作介质并没有以所期望的程度在燃料电池装置的阳极和/或阴极处可供使用。但是，在燃料电池装置的入口侧和出口侧，冰冻也可能导致促动器、例如活门、阀门等的错误功能或者引起引导工作介质的线路堵塞。

因此，如果例如在环境温度低于5摄氏度的情况下因此满足冰冻启动的危险的前提条件，那么在燃料电池装置能够转变到正常运行之前，燃料电池装置在冰冻启动模式中运行并且因此使得包括该燃料电池装置的供应装置在冰冻启动模式中运行。冰冻启动元件在此被使用用于，实现燃料电池装置或供应装置的冰冻启动并且因此引起燃料电池装置的加热。

DE 10 2015 206 423 A1同样地致力于冰冻启动的问题，其中设置如下元件，该元件用于将燃料电池装置之内的阴极与阳极短接。通过所述短接，能够在由于形成冰而已经使阳极或阴极的流通通道堵塞的情况下，导致燃料电池装置的各个电池的换极。

在DE 10 2015 109 502 A1中描述了一种用于加热燃料电池堆叠的方法和设备。在此情况下，将燃料电池装置与IGBT（具有绝缘栅的双极晶体管）并联，以便从燃料电池装置提取电流，并且以便由此产生用于燃料电池装置的热量。引导介质的管道在此围绕IGBT来定位，使得在其中的介质被加热。管道围绕燃料电池堆叠延伸，由此利用经加热的介质以加热燃料电池堆叠。

用于实现冰冻启动的已知解决方案设置了如下初级电网，该初级电网始终经由DC/DC转换器（电压转换器或变换器）来与次级电网连接。电压转换器的使用却导致必须为该供应装置所提供的附加结构空间和附加重量。

发明内容

本发明的任务因此是说明一种用于至少一个用电器的供电的供应装置，该供应装置具有尽可能简单的结构并且同时实现可靠的冰冻启动。此外本发明的任务是说明一种用于这种供应装置的燃料电池装置的冰冻启动的方法，该方法以简单的方式使供应装置转变到正常运行。

涉及该供应装置的任务通过按照权利要求1所述的供应装置而得以解决。具有本发明的适宜的扩展方案的有利的构型方案在从属权利要求中说明。在此，燃料电池装置的空转电压尤其是最高相应于电池组的最大电压。

冰冻启动元件在此情况下又用于加热该燃料电池装置，该燃料电池装置可以在没有DC/DC转换器的情况下与电池组的次级电网电连接。因此，可以提供供应装置的紧凑式模块，该紧凑式模块具有经简化的结构。

作为用电器在本发明的范畴内考虑例如具有驱动机组的驱动装置。当该驱动装置电连接到次级电网上时，该驱动装置可以用于驱动机动车，就此而言也即用于提供针对于该机动车的驱动的驱动扭矩。该驱动装置对此拥有至少一个驱动机组，所述驱动机组被构型为电机并且可以通过初级电网和/或次级电网来被供应电能。当然，该驱动装置能够构型为液压驱动装置并且就此而言相对于该驱动机组附加地具有至少一个与该驱动机组不同类型的其他驱动机组。所述其他驱动机组例如作为内燃机等而存在。

该初级电网和该次级电网优选地构成机动车的车载电网或者表示这种车载电网的至少一个区域。在初级电网中设置以燃料电池装置的形式的第一电流源并且在次级电网中设置以电池组的形式的第二电流源。燃料电池装置可以以唯一的燃料电池的形式而存在或者可替代地作为具有多个燃料电池的燃料电池堆叠（燃料电池堆）而存在。燃料电池装置用于以电能来可靠地供应车载电网。该电池组同样用于以电能来可靠供应车载电网并且被设置用于能量、尤其是借助燃料电池装置所提供的能量的中间存储。

用电器电连接到次级电网上并且优选地在机动车的行驶运行期间持久地与电池组电连接，因此电机电连接到次级电网上并且优选地在机动车的行驶运行期间持久地与电池组电连接。以驱动机组的形式的用电器到次级电网上的连接可以例如经由变换器、尤其是脉冲逆变器来实现。

在本发明的范畴内已证实为有利的是，冰冻启动元件与燃料电池装置并联并且冰冻启动元件被构造用于，从燃料电池装置提取电流以用于将燃料电池电压降低到优选预给定的或能预给定的电压极限值之下。通过燃料电池装置的低电压，各个燃料电池每克H₂地产生更多的热。迄今为止已可能的是，利用DC/DC转换器来从燃料电池装置提取更大电流，以便由于低电压而造成燃料电池装置的内部加热。但是，因为优选地在本发明的情况下取消电压转换器，冰冻启动元件被使用，以便将燃料电池装置之内的电压降低到电压极限值之下，从而进行燃料电池装置的自主加热。

优选地，该初级电网具有第一初级电网连接端和第二初级电网连接端，其中该冰冻启动元件在一端连接到第一初级电网连接端并且在另一端连接到第二初级电网连接端。此外，该次级电网具有第一次级电网连接端和第二次级电网连接端，其中该第一初级电网连接端和该第一次级电网连接端通过阻塞二极管来连接到彼此，并且该第二初级电网连接端和第二次级电网连接端直接连接到彼此。因此，在第二初级电网连接端和该第二次级电网连接端上就此而言存在相同的电位。相反，该第一初级电网连接端和该第一次级电网连接端仅仅间接地通过阻塞二极管来连接到彼此。燃料电池装置和电池组彼此相协调并且实现供应装置的尤其有效的运行，其中该供应装置此外以非常简单并且低成本的结构而出众，因为取消了电压转换器。就此而论，因此已证实为有利的是，该初级电网在没有电压转换器的情况下连接到该次级电网。

优选地，该阻塞二极管具有从初级电网向次级电网方向的流通方向。相应地，在初级电网中足够高的电压的情况下，电能从该初级电网到达次级电网中。与此相对地，排除相反的传输方向，从而没有电流从电池组流到燃料电池装置中。避免以不允许地高的电压来对初级电网进行加载。

本发明的扩展方案规定：电池组具有确定数目的电池组电池和/或燃料电池装置具有确定数目的燃料电池，其中这些电池组电池的数目和/或燃料电池的数目如此来选择，使得燃料电池装置的空转电压相应于电池组的最大电压。然而优选地，燃料电池装置的空转电压基本上相应于电池组的最大电压的至少85%、优选90%、进一步优选95%。通过这样的配置，可以使电池组和燃料电池装置的电压-电流特性曲线相协调，并且更确切地说通过电池组电池的数目和/或燃料电池装置的燃料电池的数目。可替代地或补充性地，可以考虑不同类型的电池组电池，例如具有不同额定电压的电池组电池，以用于使电池组的特性曲线与燃料电池装置的特性曲线相协调。

此外，通过相应选择运行电流强度范围和/或又通过选择电池组电池的实施方式和数目和/或燃料电池的实施方式和数目或者电池组电池的类型来确保：由燃料电池装置所提供的燃料电池电压超出运行电流强度范围地大于电池组的最小电压。燃料电池装置和电池组彼此的协调就此而言仅仅通过在设计燃料电池装置和电池组时简单实施的措施来进行。

为了从燃料电池装置提取大电流，已证实为有利的是，使冰冻启动元件构成为能接通和能关断的高电压电阻。在冰冻启动运行中，接通高电压电阻，从而实现来自燃料电池装置的高通过电流，这导致燃料电池装置的单电池的自主加热。就此而论，燃料电池装置因此提供能够利用高电压电阻而降低到电压极限值之下的高电压，其中该电压极限值导致自主加热。

在本发明的可替代的实施方式中，供应装置的特征在于，该冰冻启动元件被构成为PTC加热元件（PTC=positiver Temperatur-Koeffizient（正温度系数））。该PTC加热元件能够被构成为如下PTC电阻，该PTC电阻能够在从燃料电池装置中吸收能量的情况下产生热量。通过在PTC加热元件和燃料电池装置之间的热接触，能够利用在PTC加热元件中所产生的热量，以便加热该燃料电池装置，并且确切地说相对于燃料电池装置由于在其中存在的低电压而进行的自主加热而言附加地加热该燃料电池装置。

可替代地或补充性地，也通过冰冻启动元件而降低在燃料电池装置中的电压，该冰冻启动元件构成为Z-二极管。所述Z-二极管以此而出色，该Z-二极管经受住高通过电流，所述高通过电流可以是必需的，以便将燃料电池电压降低到优选预给定或能预给定的电压极限值并且以便因此导致自主加热。

此外已证实为有利的是，该冰冻启动元件被构成为在线性运行中能运行的功率半导体开关。也由此实现从燃料电池装置中的大电流提取，所述大电流提取导致燃料电池电压降低并且导致该燃料电池装置的自主加热。

涉及该方法的任务通过具有权利要求10的特征集的方法而得以解决，该方法尤其是以如下步骤而出众：

a．确定冰冻启动的条件；

b．通过激活与燃料电池装置并联的冰冻启动元件来将燃料电池电压降低到电压极限值之下，和

c．在达到燃料电池装置的正常温度的情况下去激活所述冰冻启动元件。

优选借助车辆的温度传感器来实现：确定冰冻启动的条件。在去激活所述冰冻启动元件之后，起始或开始燃料电池装置或供应装置的正常运行。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节从权利要求、接下来对优选实施方式的描述中以及根据附图来得出。在此：

图1示出用于以驱动装置形式的至少一个用电器的供电的供应装置的示意图，其中该驱动装置具有用于驱动机动车的驱动机组；和

图2示出电压-电流特性曲线族，在其中描绘了针对具有不同充电状态的电池组的电压-电流特性曲线以及燃料电池装置的电压-电流特性曲线。

具体实施方式

在图1中示出用于第一用电器2和第二用电器3的供电的供应装置1的示意图。当前的供应装置1可以优选地也给其他未进一步示出的用电器供应电能。

供应装置1包括初级电网4，在该初级电网中存在燃料电池装置5。此外，该供应装置1包括次级电网6，在该次级电网中存在电池组7，该电池组具有如下运行电压范围，所述运行电压范围向上受最大电压U_max限制并且向下受最小电压U_min限制。此外，电池组7具有如下运行电流强度范围，该运行电流强度范围向下受最小电流强度I_min限制并且向上受最大电流强度I_max限制。电池组7被设计用于对用电器2、3通电。

该用电器2包括驱动机组8，该驱动机组以电机的形式存在。该电机典型地能够借助三相交流电流来运行并且优选地构成为用于机动车的牵引电动机。因为初级电网4和次级电网6提供高电压和直流电流，给该用电器2附加地分配逆变器9，该逆变器将直流电流转换成三相交流电流。在用电器2的扩展方案中，驱动机组8也可以使用作为发电机，从而例如在制动过程中又能够经由逆变器9来将通过驱动机组8所产生的能量输送给电池组7。

用电器3可以同样地连接到由初级电网4和次级电网6所构成的车载电网。作为用电器3例如考虑燃料电池装置5的辅助机组、充电设备、12V直流电流-直流电流转换器、高电压加热器、电的空调压缩机等。

如从图1得知，初级电网4以无转换器或无电压转换器的方式连接到次级电网6上。燃料电池装置5具有第一初级电网连接端10和第二初级电网连接端11。在次级电网6中的该电池组7与之相应地具有第一次级电网连接端12和第二次级电网连接端13。第一初级电网连接端10通过阻塞二极管14来连接到第一次级电网连接端12上。阻塞二极管14的流通方向在此在从初级电网4到次级电网6的方向上存在。相反，该第二初级电网连接端11直接与第二次级电网连接端13电连接。

在初级电网4中此外存在冰冻启动元件15，该冰冻启动元件被构造用于导致燃料电池装置5的加热。当前，该冰冻启动元件15与该燃料电池装置5并联并且被构造用于从燃料电池装置5提取电流，以便将燃料电池电压降低到电压极限值之下。由于在燃料电池装置5中的低的燃料电池电压，该燃料电池装置5自主地加热。优选地，该冰冻启动元件15在一端在第一初级电网连接端10上电连接并且在另一端与第二初级电网连接端11电连接。这两个连接在此情况下是直接的，使得尤其是该阻塞二极管14不对该冰冻启动元件15进行任何影响。该冰冻启动元件15可以构成为PTC加热元件、Z-二极管、在线性运行中能够运行的功率半导体开关或者构成为能接通和关断的高电压电阻。总是通过冰冻启动元件15来将燃料电池装置5的燃料电池电压降低到电压极限值之下，由此引起在燃料电池装置5之内的燃料电池的自主加热。

在图2中示出电压-电流特性曲线族，在该电压-电流特性曲线族中示出在非激活的或被去激活的冰冻启动元件15的情况下的燃料电池装置5的电压-电流特性曲线16。此外，以点划线的方式示出在优选不同的但是激活的冰冻启动元件15的情况下的燃料电池装置5的第一电压-电流特性曲线17和第二电压-电流特性曲线21。此外，电压-电流特性曲线18表明具有高充电状态或最大充电状态的电池组7的状态，而电压-电流特性曲线19则表明电池组7的低充电状态，尤其是最小充电状态。此外，该电池组7的电压-电流特性曲线20表明电池组7的中间充电状态、尤其是平均充电状态。

该特性曲线族一方面包括运行电压范围并且另一方面包括运行电流强度范围。该运行电压范围向下受最小电压U_min限制并且向上受最大电压U_max限制。该运行电流强度范围向下受最小电流强度I_min限制并且向上受最大电流强度I_max限制。在运行电流强度范围之内，由电池组7所提供的电压始终应该是足够大的，以便按照规定地运行这两个用电器2、3其中至少之一。因此相应的最小电压U_min始终存在于该运行电流强度范围之内。

燃料电池装置5的特性曲线16、17、21当前与电池组7的运行电压范围和运行电流强度范围相协调。这可以通过预给定数目的电池组电池和/或在燃料电池装置5之内的预给定数目的燃料电池来实现。可替代地或补充性地，可以使用不同类型的电池组电池，以便引起相应的协调。尤其是，燃料电池装置5的空转电压最高相应于电池组7的最大电压U_max，尤其是燃料电池装置5的空转电压恰好相应于电池组7的最大电压U_max。反之，由燃料电池装置5所提供的燃料电池电压超出运行电流强度范围地始终大于或者大多大于电池组7的最小电压U_min。但是，这在冰冻启动的特定情况中不必是强制性的，因为该燃料电池电压然后也能够降到电池组7的最小电压U_min之下，这在特性曲线21的情况下区段式地是该情况。但是这在这种情况下可能发生，该电池组7然后断开自身的接触器。即使在该电池组7的接触器没有被断开的情况下，却由于在初级电网4中所设置的阻塞二极管14而还是存在燃料电池装置5的保护。随着增大的通过电流，燃料电池电压优选地无症状地（asymptomatisch）接近于针对最小的、在此示出的充电状态的电池组7的特性曲线19。

燃料电池装置5的以实线示出的特性曲线16示出如下状态，在所述状态情况下冰冻启动元件15是非激活的，而燃料电池装置5的特性曲线17、21则示出了在激活的冰冻启动元件15的情况下的状态。特性曲线16因此例如示出供应装置1的正常运行或其燃料电池装置5，其中该曲线17相应于冰冻启动运行，在所述冰冻启动运行情况下该燃料电池电压并不下降到电池组7的电压水平之下。该特性曲线21示出如下燃料电池电压，所述燃料电池电压下降到电池组7的电压水平之下，其中所述燃料电池电压甚至局部地不超出电池组的最小电压U_min。这些特性曲线17、21因此具有燃料电池电压的比在相应于正常运行的特性曲线16的情况下更大的电压降。因此，在激活的冰冻启动元件情况下燃料电池电压受到比在正常运行中的燃料电池电压更强烈的下降。这导致：燃料电池装置5自主地加热。在达到预给定的温度情况下、例如在达到5摄氏度的情况下，冰冻启动元件15能够被切换为非激活的，从而出现特性曲线16并且供应装置从冰冻启动运行转变到正常运行。

利用这样的构型方案，能够确保供应装置1的非常有效的运行。相应的内容因此适用于利用这种供应装置1以电能来供应的驱动装置。此外，供应装置1能够非常简单地实施，使得在机动车中使用的情况下得出结构空间优势和成本优势。

附图标记列表

1 供应装置

2 用电器

3 （第二）用电器

4 初级电网

5 燃料电池装置

6 次级电网

7 电池组

8 驱动机组

9 逆变器

10 第一初级电网连接端

11 第二初级电网连接端

12 第一次级电网连接端

13 第二次级电网连接端

14 阻塞二极管

15 冰冻启动元件

16 电压-电流特性曲线（燃料电池/冰冻启动元件非激活）

17 电压-电流特性曲线（燃料电池/冰冻启动元件激活）

18 电压-电流特性曲线（电池组/充电状态高）

19 电压-电流特性曲线（电池组/充电状态低）

20 电压-电流特性曲线（电池组/中间充电状态）

21 电压-电流特性曲线（燃料电池/冰冻启动元件激活）