DE10105087A1 - DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle mit einem nichtlinearen Induktor - Google Patents

DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle mit einem nichtlinearen Induktor

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Abstract

Ein DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle umfaßt einen Eingangsknoten zur Aufnahme einer DC-Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle. Ein Ausgangsknoten sieht eine DC-Ausgangsspannung vor. Ein Induktor weist eine Induktanz auf, die sich bezüglich des Induktorstromes ändert. Der Induktor umfaßt einen ersten Anschluß und einen zweiten Anschluß. Der erste Anschluß ist mit dem Eingangsknoten zur Aufnahme einer DC-Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle gekoppelt. Zwischen den zweiten Anschluß des Induktors und die Masse ist ein Schalter gekoppelt. Eine Steuerschaltung schaltet den Schalter zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler und insbesonde­ re einen DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle.
Hinterrund der Erfindung
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle ver­ wendet worden. Brennstoffzellen sind auch für elektrische Fahrzeugtrieb­ werke als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Typi­ scherweise sind Brennstoffzellen derart gestapelt oder angeordnet, um ei­ ne einzelne Lieferleistung zu schaffen. Jedoch erfordern die meisten elek­ trisch betriebenen Fahrzeuge eine Betriebsspannung, die größer als die Versorgungsspannung ist, die durch die meisten Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Folglich ist ein DC/DC-Verstärkungswandler erforderlich, um die Spannung von dem Brennstoffzellenstapel auf das erforderliche Betriebsspannungsniveau zu erhöhen oder zu verstärken.
Bekannte in derartigen Brennstoffzellenanwendungen verwendete DC/DC- Wandler umfassen typischerweise einen Induktor und ein Schaltmittel. Bisher ist der Induktor so aufgebaut worden, daß die Induktanz relativ konstant bleibt, wenn sich der Strom durch den Induktor von einem Nie­ derlastzustand zu einem Hochlastzustand ändert. Dieser Typ von Induktor wird üblicherweise als linearer Induktor bezeichnet. Fig. 1 ist ein Dia­ gramm, das eine im wesentlichen lineare Rate der Induktanz in Abhängig­ keit vom Strom für einen typischen bekannten linearen Induktor zeigt, der in DC/DC-Wandlern verwendet wird.
Der lineare Induktor umfaßt einen ersten Anschluß, um Versorgungslei­ stung von dem Brennstoffzellenstapel aufnehmen zu können, und einen zweiten Anschluß, der durch das Schaltmittel mit Masse verbunden ist. Das Schaltmittel weist eine offene Stellung und eine geschlossene Stellung auf. In der geschlossenen Stellung bildet das Schaltmittel einen elektri­ schen Pfad zwischen dem zweiten Anschluß des Induktors und der Masse. In der offenen Stellung öffnet das Schaltmittel den elektrischen Pfad zwi­ schen dem zweiten Anschluß des Induktors und der Masse oder bildet mit anderen Worten eine offene Schaltung. Das Schaltmittel wird zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen mit einer Schaltfrequenz ge­ schaltet oder umgeschaltet, um ein Magnetinduktanzfeld um den Induktor herum abwechselnd zu erzeugen und zu unterbrechen und einen Aus­ gangskondensator zu laden. Auf diese Art und Weise sieht der Wandler eine erhöhte Ausgangsspannung vor.
Bei bekannten DC/DC-Wandlern, die einen linearen Induktor umfassen, erzeugt ein wiederholtes Schalten oder Umschalten des Schaltmittels zwi­ schen den offenen und geschlossenen Stellungen einen Strom mit AC- Welligkeit. Der Welligkeitsstrom stellt eine Erhöhung des Stromabzuges relativ zu einem Nennstromabzug von dem Brennstoffzellenstapel dar, wenn das Schaltmittel geschlossen ist. Der lineare Induktor, der typi­ scherweise in DC/DC-Wandlern verwendet wird, erzeugt einen konstanten Strom mit AC-Welligkeit während sowohl Nieder- als auch Hochlastzu­ ständen. Der Welligkeitsstrom beeinflußt den Brennstoffzellenstapel da­ durch nachteilig, daß der wirksame oder RMS-Strom, der von der Brenn­ stoffzelle abgezogen wird, erhöht wird, wodurch ohmsche Verluste in dem Brennstoffzellenstapel erhöht werden und der Brennstoffzellenwirkungs­ grad verringert wird. Typischerweise wird die Spannungsgröße, die durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, als ein Maß für den Wirkungsgrad dieser Brennstoffzelle verwendet.
Ein Pfad zur Verringerung oder zur Begrenzung des Effektes des Wellig­ keitsstromes besteht darin, die Schaltfrequenz des Schaltmittels zu erhö­ hen. Jedoch bewirkt eine höhere Schaltfrequenz erhöhte Schaltverluste in den Halbleitern (d. h. in Transistoren und Dioden) innerhalb des Wandlers. Demgemäß wäre es erwünscht, einen DC/DC-Wandler zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik bewältigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler für eine Brenn­ stoffzelle. Der Wandler umfaßt einen Eingangsknoten zur Aufnahme einer DC-Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle. Ein Ausgangsknoten lie­ fert eine DC-Ausgangsspannung. Ein Induktor weist eine Induktanz auf, die sich bezüglich des Induktorstromes ändert. Der Induktor umfaßt einen ersten Anschluß und einen zweiten Anschluß. Der erste Anschluß ist mit dem Eingangsknoten zur Aufnahme einer DC-Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle gekoppelt. Zwischen den zweiten Anschluß des Induktors und die Masse ist ein Schalter gekoppelt. Eine Steuerschaltung schaltet den Schalter zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung.
Der Wandler kann derart angepaßt sein, um (1) den Welligkeitsstrom zu minimieren und damit den Brennstoffzellenwirkungsgrad zu verbessern, (2) die Schaltfrequenz des Schalters zu minimieren und damit den Wand­ lerwirkungsgrad zu verbessern, oder (3) sowohl den Welligkeitsstrom als auch die Schaltfrequenz des Wandlers im Vergleich zu bekannten DC/DC- Wandlern zu verringern.
Zeichnungskurzbeschreibung
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Verwendungen der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher, in wel­ chen:
Fig. 1 ein Diagramm ist, das eine im wesentlichen lineare Rate der Induktanz in Abhängigkeit vom Strom für einen typischen bekannten linearen Induktor darstellt;
Fig. 2 eine elektrische schematische Darstellung eines DC/DC- Wandlers für eine Brennstoffzelle, die einen nichtlinearen Induktor aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 3 ein Diagramm ist, das eine beispielhafte nichtlineare Rate der Induktanz in Abhängigkeit vom Strom für einen nichtli­ nearen Induktor gemäß der vorliegenden Erfindung dar­ stellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Fig. 2 ist eine elektrische schematische Darstellung eines DC/DC- Wandlers 10 für eine Brennstoffzelle 12 gemäß der vorliegenden Erfin­ dung. Der Begriff Brennstoffzelle wird abhängig vom Zusammenhang typi­ scherweise zur Bezeichnung entweder einer einzelnen Zelle oder einer Vielzahl von Zellen (Stapel) verwendet. Bei Nieder- oder Teillastbedingun­ gen minimiert der vorliegende Wandler 10 den Welligkeitsstrom, minimiert die Schaltfrequenz oder verringert sowohl den Welligkeitsstrom als auch die Schaltfrequenz im Vergleich zu bekannten DC/DC-Wandlern.
Der Wandler 10 umfaßt einen Eingangsknoten 14, einen Ausgangsknoten 16, einen Induktor 17, einen Schalter 20, eine Steuerschaltung 22, eine Diode 24 und einen ersten Kondensator 26. Der Eingangsknoten 14 nimmt von der Brennstoffzelle 12 eine DC-Versorgungsleistung auf. Der Ausgangsknoten 16 liefert eine DC-Ausgangsleistung, die in Fig. 2 mit Vout bezeichnet ist. Vorzugsweise wird die DC-Ausgangsleistung an die erforderliche Betriebsspannung für ein Fahrzeug angepaßt erzeugt.
Der Induktor 17 umfaßt eine Wicklung oder Spule 18 mit ersten und zweiten Anschlüssen oder Enden 30 bzw. 32. Der erste Anschluß 30 der Wicklung 18 ist mit dem Eingangsknoten 14 zur Aufnahme einer DC- Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle 12 gekoppelt. Der Schalter 20 ist zwischen den zweiten Anschluß 32 der Wicklung 18 und die Masse ge­ koppelt. Die Steuerschaltung 22 schaltet den Schalter 20 zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung.
Der erste oder Ausgangskondensator 26 ist zwischen den Ausgangsknoten 16 und die Masse gekoppelt. Die Diode 24 ist zwischen den zweiten An­ schluß 32 der Wicklung 18 und den Ausgangsknoten 16 gekoppelt, um so zu verhindern, daß Strom von dem ersten Kondensator 26 zu dem zweiten Anschluß 32 der Wicklung 18 oder dem Schalter 20 fließt. Wahlweise umfaßt der Wandler 10 einen zweiten oder Eingangskondensator 28, der zwischen den Eingangsknoten 14 und die Masse gekoppelt ist, um den Strom zu dem ersten Anschluß 30 der Wicklung 18 zu puffern oder zu glätten.
Der Wandler 10 arbeitet in einem kontinuierlichen Zyklus, um die er­ wünschte konstante DC-Ausgangsleistung an den Ausgangsknoten 16 zu liefern. Der Betriebszyklus des Wandlers 10 wird am besten in bezug auf die Stellung des Schalters 20 beschrieben. Während eines ersten Ab­ schnittes des Betriebszyklus wird der Schalter 20 durch die Steuerschal­ tung 22 geöffnet und Strom fließt von der Brennstoffzelle 12 durch den Verstärkungsinduktor 17 und die Diode 24 zu dem Ausgangsknoten 16. Während dieses Abschnittes des Betriebszyklus wird der Ausgangskon­ densator 26 mit Spannung geladen und ein Magnetinduktanzfeld, das um die Wicklung 18 herum durch den Strom erzeugt wird, der durch den In­ duktor 17 fließt, nimmt ab oder bricht zusammen. Der Zusammenbruch des magnetischen Induktanzfeldes um die Wicklung 18 herum erhöht die Spannung an dem Ausgangsknoten 16 bis zu der DC-Sollausgangs­ spannung.
Während des zweiten Abschnittes des Betriebszyklus wird der Schalter 20 durch die Steuerschaltung 22 geschlossen, und Strom fließt von der Brennstoffzelle 12 durch den Induktor 17 und den Schalter 20 zur Masse. Während dieser Zeit wird das magnetische Induktanzfeld um die Wicklung 18 herum verstärkt oder wächst an, und die in dem Ausgangskondensator 26 gespeicherte Spannung wird teilweise entladen. Die teilweise Entla­ dung von Spannung von dem Ausgangskondensator 26 puffert oder behält die Spannung an dem Ausgangsknoten 16 auf der DC-Sollausgangs­ spannung bei. Folglich bleibt die DC-Ausgangsspannung an dem Aus­ gangsknoten 16 während des gesamten Betriebszyklus relativ konstant. Im Betrieb wiederholt der Wandler 10 diesen Betriebszyklus kontinuier­ lich.
Wenn der Schalter 22 wiederholt zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen geschaltet oder umgeschaltet wird, wird dem von der Brenn­ stoffzelle 12 gelieferten DC-Strom eine Stromkomponente mit AC- Welligkeit verliehen. Wie vorher beschrieben wurde, beeinflußt der Wellig­ keitsstrom die Brennstoffzelle 12 nachteilig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter 20 ein Transistor, und die Steuerschaltung 22 ist ein Mikrocontroller, um den Transistor an- und auszuschalten und damit eine Pulsbreitenmodulation (PWM) der DC- Versorgungsleistung durch den Wandler 10 zu dem Ausgangsknoten 16 zu schaffen. Die Spannungsdifferenz über den Wandler 10 oder, mit ande­ ren Worten gesagt, die Spannungsdifferenz zwischen der DC-Versorgungs­ spannung und der DC-Ausgangsspannung ist eine Funktion der PWM- Rate oder des Arbeitszyklus. Beispielsweise erzeugt eine PWM-Rate von 50% (d. h. wenn die Transistoranschaltzeit gleich der Transistorausschaltzeit ist) eine DC-Ausgangsspannung gleich der mit Zwei multiplizierten DC- Versorgungsspannung. Somit kann die DC-Ausgangsspannung insbeson­ dere derart erzeugt werden, daß der größte Teil eines Sollspannungsni­ veaus durch entsprechende Änderung der PWM-Rate angepaßt wird. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die PWM-Rate und Werte/Größe des Induktors 17 und des Ausgangskondensators 26 so ausgewählt sind, um die vorher erwähnten Funktionen auszuführen und die vorher erwähnten Ergebnisse zu erzielen.
Im Gegensatz zu bekannten DC/DC-Wandler, die in Brennstoffzellenan­ wendungen verwendet werden, umfaßt der vorliegende Wandler 10 einen Induktor 17 mit einer Induktanz, die sich bezüglich des Stromes durch den Induktor 17 mit einer nichtlinearen oder nichtkonstanten Rate än­ dert. Somit wird der Induktor 17 richtig als ein nichtlinearer Induktor be­ zeichnet. Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte nichtlineare Rate der Induktanz in Abhängigkeit vom Strom durch einen nichtlinearen In­ duktor gemäß der vorliegenden Erindung zeigt. Vorzugsweise weist der Induktor 17 eine maximale Induktanz bei einem minimalen Induktor­ strombereich auf, und die Induktanz wird verringert, wenn der Induktor­ strom oder, mit anderen Worten gesagt, der Strom durch den Induktor 17 zunimmt. Auf diese Art und Weise ist der Induktanzwert bei Nieder- oder Teillastbedingungen am größten.
In DC/DC-Wandlern wird ein Welligkeitsstrom erzeugt, wenn das Schalt­ mittel wiederholt zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen ge­ schaltet oder umgeschaltet wird. Die Größe oder Amplitude des erzeugten Welligkeitsstromes ist eine inverse Funktion der Schaltfrequenz des Schaltmittels. Somit erhöht eine Verringerung der Schaltfrequenz die Menge an erzeugtem Welligkeitsstrom und eine Erhöhung der Schaltfre­ quenz verringert die Menge an erzeugtem Welligkeitsstrom. Die Rate der Welligkeitsstromerzeugung, oder mit anderen Worten gesagt, die Rate, mit der Welligkeitsstrom erzeugt wird, ist invers proportional zu dem Induk­ tanzwert des Induktors. Somit gilt, je größer die Induktanz ist, um so niedriger ist die Erzeugungsrate für Welligkeitsstrom, und je niedriger die Induktanz ist, um so größer ist die Erzeugungsrate für Welligkeitsstrom. Bei Nieder- oder Teillastbedingungen ist der Induktanzwert des nichtlinea­ ren Induktors, wie in Fig. 3 gezeigt ist, größer als der Induktanzwert eines bekannten linearen Induktors, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Somit ist während Nieder- oder Teillastbedingungen die Größe an Welligkeitsstrom, der durch den nichtlinearen Induktor 17 des vorliegenden Wandlers 10 er­ zeugt wird, geringer, als die Menge an Welligkeitsstrom, der durch einen bekannten linearen Induktor erzeugt wird. Auf diese Art und Weise mini­ miert oder verringert der vorliegende Wandler 10 den Welligkeitsstrom, um den Brennstoffzellenwirkungsgrad zu verbessern.
Alternativ dazu kann der vorliegende Wandler 10 dazu ausgebildet sein, eine niedrigere Schaltfrequenz zuzulassen. Jedoch erhöht eine Verringe­ rung der Schaltfrequenz die Menge an erzeugtem Welligkeitsstrom. Die Schaltfrequenz des vorliegenden Wandlers 10 kann durch den Nutzen der verringerten Größe an Welligkeitsstrom, der durch den nichtlinearen In­ duktor 17 erzeugt wird, im Vergleich zu bekannten Wandlern verringert werden, während die Gesamtgröße oder Gesamtwirkung des Wellig­ keitsstromes, der durch die vorliegende Erfindung und bekannte Wandler erzeugt wird, auf eine Brennstoffzelle gleichbleibt. Auf diese Art und Weise ermöglicht der vorliegende Wandler 10 eine minimale oder niedrigere Schaltfrequenz zur Verbesserung des Wandlerwirkungsgrades.
Zusammenfassend kann der vorliegende Wandler 10 dazu angepaßt sein, um (1) den Welligkeitsstrom zu minimieren und damit den Brennstoffzel­ lenwirkungsgrad zu verbessern, (2) die Schaltfrequenz des Schalters 22 zu minimieren und damit den Wandlerwirkungsgrad zu verbessern, oder (3) sowohl den Welligkeitsstrom als auch die Schaltfrequenz des Wandlers 10 im Vergleich zu bekannten DC/DC-Wandlern zu verringern.
Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausfüh­ rungsformen beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß diese auf die obige Beschreibung beschränkt ist, sondern ist vielmehr nur durch den Schutzumfang festgelegt, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung, in denen ein exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, sind in den folgenden Ansprüchen defi­ niert.

Claims (15)

1. DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle, wobei der Wandler umfaßt:
einen Eingangsknoten zur Aufnahme einer DC-Versorgungs­ leistung von der Brennstoffzelle;
einen Ausgangsknoten zur Lieferung einer DC-Ausgangsspan­ nung;
einen Induktor mit einer Induktanz, die sich bezüglich des In­ duktorstromes ändert, wobei der Induktor einen ersten Anschluß und einen zweiten Anschluß umfaßt, wobei der erste Anschluß mit dem Eingangsknoten zur Aufnahme von DC-Versorgungsleistung von der Brennstoffzelle gekoppelt ist;
einen Schalter, der zwischen den zweiten Anschluß des Induktors und die Masse gekoppelt ist; und
eine Steuerschaltung, um den Schalter zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung zu schalten.
2. Wandler nach Anspruch 1, wobei sich die Induktanz des Induktors in bezüglich des Induktorstroms durch den Induktor mit einer nicht konstanten Rate ändert.
3. Wandler nach Anspruch 1, wobei sich die Induktanz des Induktors verringert, wenn der Induktorstrom durch den Induktor zunimmt.
4. Wandler nach Anspruch 1, wobei der Induktor bei einem minimalen Induktorstrom eine maximale Induktanz aufweist.
5. Wandler nach Anspruch 4, wobei die maximale Induktanz eine mini­ male Größe an Welligkeitsstrom erzeugt, wenn der Schalter in der ge­ schlossenen Stellung angeordnet ist.
6. Wandler nach Anspruch 1, mit einem ersten Kondensator, der zwi­ schen den Ausgangsknoten und die Masse gekoppelt ist.
7. Wandler nach Anspruch 6, mit einer ersten Diode, die zwischen den zweiten Anschluß des Induktors und den Ausgangsknoten gekoppelt ist, um zu verhindern, daß Strom von dem ersten Kondensator zu dem zweiten Anschluß des Induktors fließt.
8. Wandler nach Anspruch 6, mit einem zweiten Kondensator, der zwi­ schen den Eingangsknoten und die Masse gekoppelt ist.
9. Wandler nach Anspruch 1, wobei der Schalter ein Transistor ist.
10. Wandler nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung eine Mikro­ steuerung ist.
11. DC/DC-Wandler für eine Brennstoffzelle, wobei der Wandler eine Spannungserhöhungsschaltung umfaßt, mit:
einem Induktor mit einer Induktanz, die sich bezüglich des In­ duktorstromes ändert.
12. Wandler nach Anspruch 11, wobei sich die Induktanz des Induktors bezüglich des Induktorstromes durch den Induktor mit einer nicht konstanten Rate ändert.
13. Wandler nach Anspruch 11, wobei sich die Induktanz des Induktors verringert, wenn der Induktorstrom durch den Induktor zunimmt.
14. Wandler nach Anspruch 11, wobei der Wandler bei einem minimalen Induktorstrom eine maximale Induktanz aufweist.
15. Wandler nach Anspruch 14, wobei die maximale Induktanz eine mi­ nimale Größe an Welligkeitsstrom erzeugt, wenn der Schalter in der geschlossenen Stellung angeordnet ist.
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