DE102007024567A1 - Hochvolt-Bordnetzarchitektur für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug sowie integrierte Leistungselektronik für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur - Google Patents

Hochvolt-Bordnetzarchitektur für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug sowie integrierte Leistungselektronik für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur Download PDF

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Abstract

Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) mit integrierter Leistungselektronik (10) für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, mit einem Elektromotor (8), kombiniert mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) als zumindest komplementäres Antriebsmittel des Fahrzeugs, mit einem elektrischen Energiespeicher (2) sowie mindestens einem DC/DC-Wandler (3) als Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller innerhalb der Bordnetzarchitektur (20), wobei ein erster DC/DC-Wandler (3) an dem elektrischen Energiespeicher (2) und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler (4) an der Brennstoffzelleneinheit (1) vorgesehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur mit integrierter Leistungselektronik für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem Elektromotor, der mit einer Brennstoffzelleneinheit und zumindest einer zusätzlichen Energiespeichereinheit kombiniert ist, welches in der Folge nur noch als BZ-Hybridfahrzeug bezeichnet wird. Die Erfindung betrifft ebenso eine integrierte Leistungselektronik für eine derartige Hochvolt-Bordnetzarchitektur.
  • Bei heutigen Bordnetzarchitekturen von Kraftfahrzeugen, die über einen Brennstoffzellen-/Elektromotor-Antrieb verfügen, besteht ein Problem dahingehend, dass die Elektroelektronischen Anforderungen an das Bordnetz erhöht sind. Auf Grund der hier zeitweise verstärkt erforderlichen hohen Spannungen in der Steuerung und Regelung der verschiedenen Komponenten von Hybridfahrzeugen beispielsweise mit Brennstoffzellentechnologie bestehen bei aktuellen Lösungen massive Nachteile hinsichtlich bestimmter Betriebssituationen und/oder der Variabilität in der konstruktiven Ausgestaltung der Elemente der Netzarchitektur.
  • Beispielsweise bestehen bei derzeitigen Systemen von Bordnetzarchitekturen für Brennstoffzellenantriebe massive Probleme hinsichtlich der Erreichung eines schnellen Gefrierstarts. Unter Gefrierstart versteht man Probleme hinsichtlich der Startfähigkeit der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt in Folge von gefrierendem Wasser, wobei die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle bei diesen niedrigen Temperaturen nicht durch Eisbildung behindert werden darf. Für die Praxis ist es äußerst wichtig, dass auch bei Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen ein sicherer Start des Fahrzeugs bei niedrigen Temperaturen gewährleistet ist. Bei derzeitigen heutigen Lösungen ist es mit erheblichen technischem Aufwand unter anderem möglich, einen so genannten Gefrierstart bei Temperaturen von bis zu –20°C beziehungsweise –25°C zu ermöglichen.
  • Ein weiteres Problem von heutigen Bordnetzarchitekturen derartiger Fahrzeuge ist es, dass es sehr starke Abhängigkeiten und mögliche Beeinflussungen zwischen den einzelnen Komponenten des Fahrzeugs und insbesondere der Antriebskomponenten und Steuerungskomponenten untereinander gibt. Auf Grund dieser Abhängigkeiten und möglichen Beeinflussungen der Komponenten untereinander ist es nicht ohne weiteres und nicht ohne unvorhersehbare Probleme möglich, spätere Änderungen an dem Aufbau der Architektur und in der Form der Komponenten vorzusehen (zum Beispiel Veränderung der Anzahl von Brennstoffzellen des Stacks beziehungsweise Stapels). Daher müssen die restlichen elektrisch/elektronischen Komponenten jeweils entsprechend mit erheblichem Aufwand in der konstruktiven Planung und Realisierung von derartigen Fahrzeugen angepasst werden. Dies bedeutet, dass erhebliche Einschränkungen in der Entwicklungsmöglichkeit und nicht zu vernachlässigende zu sätzliche Kosten bei Veränderungen bestehender Konstruktionen entstehen.
  • Des Weiteren sind die momentan zur Verfügung stehenden Bordnetzarchitekturen für brennstoffzellenbasierte Fahrzeugantriebe extrem lastabhängig. Dies bedeutet, dass alle Leistungselektroniken der Antriebe und gegebenenfalls auch weitere Hochspannungskomponenten, wie zum Beispiel Heizer, auf einen sehr großen Eingangsspannungshub, beispielsweise in der Größenordnung von 100 V bis 500 V und sehr schnelle transiente Lastsprünge im Bordnetz ausgelegt werden müssen. Dies bedingt eine sehr aufwändige Technik, mit entsprechend hohen Kosten, einer vergleichsweise geringen Performance beziehungsweise Leistungsfähigkeit und führt nicht zuletzt auch meistens zu erhöhten Ausfallraten der Bordnetzelektronik derartiger Fahrzeuge.
  • Darüber hinaus stellt die langfristige Betriebssicherheit Schwierigkeiten bei derartigen Systemen dar: Bei einer fortschreitenden Degradation beziehungsweise Verschlechterung des Zustands der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellen-Stacks (beziehungsweise -Stapels) wird irgendwann ein Punkt erreicht, bei welchem im Volllastbetrieb des Fahrzeugs die Hochvolt-Bordnetzspannung einen kritischen Wert unterschreitet. Bei derzeit bekannten Systemen sind die Systemkomponenten aber auch auf eine bestimmte Mindestspannung ausgelegt und somit wäre in einer solchen Situation kein zufrieden stellender Betrieb des Fahrzeugs mehr gewährleistet. Dies ist daher zurzeit eine kritische und hauptsächliche Konstruktionsbeschränkung bei der Ausgestaltung von Netzwerkarchitekturen für derartige Fahrzeuge. Auf Grund dieser „End-of-Life"-Definitionen, das heißt kritischer Gestaltungsbeschränkungen, müssen sich die Konstrukteure und Entwickler derartiger Systeme mit weniger effizienten Architekturen zufrieden geben.
  • Schließlich besteht auch ein Problem bei den bekannten Hochvolt-Bordnetzarchitekturen bisher dahingehend, dass so genannte „Ripple"-Spannungen auf dem Bordnetz auftreten können. Der Grund hierfür liegt in einer verstärkten Rückwirkung auf das Bordnetz durch ungünstige Überlagerung der Schaltvorgänge ungekoppelter DC/DC-Wandler bzw. der Schaltvorgänge von bipolaren Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT-Schalten) bei mehreren einzeln angeordneten und geschalteten DC/DC-Wandlern (= Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler).
  • Um etwaige Nachteile und Fehler im Betrieb sicher zu vermeiden, wären bei den im Stand der Technik bekannten Systemen und Bordnetzarchitekturen so genannte EMV-Abschirmungen (elektromagnetische Verträglichkeits-Abschirmungen) für jeden nicht zu einer Baugruppe zugehörigen Wandler separat jeweils vorzunehmen, was bei vereinzelten Einzel-Wandlern (so genannten „Stand-Alone"-HV-Wandlern) sehr aufwändig, kostenträchtig und nachteilig hinsichtlich des Gewichts, des Volumens und der Herstellungs- und Realisierungskosten wäre.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme für Bordnetzarchitekturen von Brennstoffzellen-Fahrzeuge beschrieben: In dem US-Patent US 6,496,393 B1 ist ein integriertes Stromversorgungssystem zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugen beschrieben, die mit einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Motor versehen sind, wobei ein Wechselrichter und ein DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
  • Das US-Patent US 7,012,822 B2 beschreibt ein integriertes Stromumwandlungssystem zur Verwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, welches einen elektrischen Motor auf weist und eine Hilfsenergiequelle einschließlich eines Wechselrichters zum Umwandeln von Gleichstrom, der durch eine Hochspannungs-Energiequelle erzeugt wird, in einen Wechselstrom, der geeignet ist zum Antreiben des elektrischen Motors. Das hier offenbarte System basiert im Wesentlichen darauf, dass der Wechselrichter und der DC/DC-Wandler eine oder mehrere gemeinsame Komponenten teilen können, wie zum Beispiel einen Hochspannungs-DC-Bus-Kondensator.
  • Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur sowie eine hierfür geeignete integrierte Leistungselektronik insbesondere für die Verwendung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug bereitzustellen, welche in der konstruktiven Ausgestaltung und Änderung einzelner Komponenten weniger Einschränkungen auferlegt und welche hinsichtlich der Integrierfähigkeit und Kompaktheit zum Einbau in derartigen Fahrzeugen optimiert ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie nach einer integrierten Leistungselektronik nach den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
  • Die Hochvolt-Bordnetzarchitektur mit integrierter Leistungselektronik für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, welches mit einem Elektromotor kombiniert mit einer Brennstoffzelleneinheit als zumindest komplementäres Antriebsmittel des Fahrzeuges ausgestattet ist, weist eine Batterie oder eine Batterieeinheit sowie mindestens einen DC/DC-Wandler (im Folgenden auch bezeichnet als Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) innerhalb der Bordnetzarchitektur auf. Die erfindungsgemäße Hochvolt-Bordnetzarchitektur ist dadurch gekennzeichnet, dass ein ers ter DC/DC-Wandler an der Batterie und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler an der Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise dem Brennstoffzellen-Stack vorgesehen sind. Durch den zusätzlichen DC/DC-Wandler an der Brennstoffzelleneinheit gemäß der Erfindung werden die oben zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden und die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst: Dadurch wird eine zweite Stellgröße in das System eingefügt, um eine regelbare hohe Zwischenkreisspannung zu generieren, zum Beispiel in der Größenordnung von konstant 430 V, und gleichzeitig kann die Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise der Stack auf einen gewünschten Punkt auf der Polkurve, zum Beispiel während des Gefrierstarts auf circa 100 V gehalten werden. Durch die gezielte Entkopplung der Komponenten und ihrer oben beschriebenen Abhängigkeiten, das heißt insbesondere der Brennstoffzelleneinheit, der Hochvolt-Batterie und der Elektromotoren, ist eine optimale und kostengünstigere Auslegung der Komponenten und Bauteile nach der Erfindung möglich. Auch das Problem eines Gefrierstarts, das bei derartigen Fahrzeugtypen besteht, wird durch die erfindungsgemäße Bordnetzarchitektur entschärft: Die Aufwärmdauer bis zur Erteilung einer Fahrfreigabe beim Kaltstart kann deutlich verkürzt werden, weil zum einen die Spannung des Brennstoffzellen-Stacks oder -Einheit sehr lange künstlich niedrig gehalten werden kann, wodurch das Verhältnis von Wärmeerzeugung zu abgegebener elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit weiter erhöht wird. Zum anderen ist eine verkürzte Aufwärmdauer erfindungsgemäß realisierbar, weil eine hinreichende Zwischenkreisspannung in der Bordnetzarchitektur zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Nicht zuletzt bietet die erfindungsgemäße Lösung einen hohen Freiheitsgrad bei nachträglichen Änderungen an Komponenten, beispielsweise der Anzahl an Brennstoffzellen oder Brennstoffzellen-Stapel und der jeweils möglichen Betriebsstrate gie. Auch sind Vorteile hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch die Erfindung gegeben: dies wird durch ein intelligentes Takten der Transistoren, wie den bipolaren Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT-Transistoren) beispielsweise über einen Zentralprozessor und gemeinsame Abschirmungen für die erfindungsgemäß integrierten Komponenten in einem einzigen Gehäuse erreicht.
  • Des Weiteren wird ein definierbares und einstellbares Zwischenkreis-Spannungsniveau bereitgestellt, was es jederzeit ermöglicht, auf zukünftige Trends oder Vorgaben für das Fahrzeugsystem insgesamt und insbesondere das System der Bordnetzarchitektur zu reagieren. Das Spannungsniveau im Zwischenkreis macht die Auslegung der angeschlossenen Verbraucher unabhängiger von den Kapazitäten von Brennstoffzellen oder Hochvoltbatterie.
  • Da die notwendigen Maßnahmen zur Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und zur Erreichung einer elektromagnetischen Verträglichkeit für die erfindungsgemäß integrierten Komponenten und Bauteile in einem Gehäuse gemeinsam sind, sind sie einfacher zu realisieren und sind insbesondere hinsichtlich des Gewichts, des Volumens und der Kosten weiter optimiert, als wenn sie für mehrere einzelne so genannte „Stand-Alone"-Geräte oder Bauteile durchzuführen wären. Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Hochvolt-Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1 für eine derartige Bordnetzarchitektur Vorteile im Hinblick auf die Kosten, die Packungsdichte und die Wirkungsgrade gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Lösungen geboten.
  • Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der erste DC/DC-Wandler ein unidirektionaler Wandler, insbesondere ein Hochsetzsteller beziehungsweise ein Tiefsetzsteller. Im Stand der Technik ist es teilweise bekannt, bidirektionale Wandler in derartigen Hochvolt-Bordnetzarchitekturen für Hybridfahrzeuge einzusetzen. Nach der Erfindung wird zumindest der erste DC/DC-Wandler, welcher an der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, als ein unidirektionaler Wandler ausgeführt.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der zusätzliche zweite DC/DC-Wandler am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs vorgesehen.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die DC/DC-Wandler, das heißt der erste und der zusätzliche zweite DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Durch das Zusammenbringen der beiden Wandler in ein und demselben Gehäuse kann eine kompakte, leicht zu integrierende Komponente bereitgestellt werden. Die Bordnetzarchitektur nach der Erfindung ist damit hinsichtlich der Packungsdichte und der Kosten sowie hinsichtlich der Realisierung in der Praxis verbessert. Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt in dieser Hinsicht ist/sind erfindungsgemäß neben den Wandlern auch ein Wechselrichter des Antriebsmotors des Fahrzeugs und gegebenenfalls weitere Leistungselektroniken in ein und demselben Gehäuse integriert. Die einzelnen Komponenten können auf diese Art und Weise bestimmte Funktionen und Bauteile miteinander teilen, wie zum Beispiel Kühleinheiten oder dergleichen. Auch die elektromagnetische Abschirmung kann für die so in einem einzigen Gehäuse integrierten Komponenten gemeinsam und damit kostengünstig und herstellungstechnisch einfach realisiert werden.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist ein Regler oder ein Steuerungsmittel (englisch: Controller) vorgesehen mit einer Regelstrategie, wonach der der Batterie nachgeschaltete DC/DC-Wandler eine Zwischenkreisspannung des Netzes der Bordnetzarchitektur regelt und der am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit vorgesehene DC/DC-Wandler einen festgelegten Punkt auf einer Polkurve der Brennstoffzelleneinheit anfährt beziehungsweise ansteuert. Dies erlaubt es erfindungsgemäß, die Probleme beim Gefrierstart von Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird einerseits eine zweite oder zusätzliche Stellgröße in das System eingebracht, über welche eine hohe und regelbare Zwischenkreisspannung generierbar ist. Gleichzeitig wird zum anderen die Brennstoffzelleneinheit auf einen gewünschten Punkt auf der Polkurve, zum Beispiel auf circa 100 V während des Gefrierstarts, gehalten.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind sämtliche Speicherdrosseln der DC/DC-Wandler nebeneinander in einem Gehäuse untergebracht. Die Speicherdrosseln sind auf diese Art und Weise in kompakter Form und raumsparend in dem gemeinsamen Gehäuse mit den anderen Leistungselektroniken, wie den Wandlern und Wechslern unterbringbar.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die zwischenkreisseitigen Filterkapazitäten der Bordnetzarchitektur zusammengelegt. Auch dies führt zu einer weiteren Kompaktierung und einer Verbesserung im Packaging oder in der Packungsdichte der erfindungsgemäßen Bordnetzarchitektur und ihrer räumlichen konstruktiven Ausgestaltung.
  • Nach Anspruch 5 wird eine Leistungselektronik für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug vorgeschlagen, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug geeignet ist, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erster DC/DC-Wandler an einer Batterie und zumindest ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler an einer Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs vorge sehen sind. Die beiden Wandler sind jeweils mit den entsprechenden Bauteilkomponenten entweder am Ausgang oder Eingang, oder an beiden geschaltet. Durch den zusätzlichen DC/DC-Wandler an der Brennstoffzelleneinheit wird ein weiterer Freiheitsgrad in der Regelung und Steuerung der Leistungselektronik bereitgestellt. Über diesen zusätzlichen Freiheitsgrad können erfindungsgemäß die gegensätzlichen Anforderungen von einerseits einer hohen Spannung und andererseits einer möglichst hohen gewichtssparenden und raumsparenden Umsetzung auch bei kritischen Betriebssituationen, wie dem Gefrierstart von Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen miteinander in Einklang gebracht werden.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der integrierten Leistungselektronik nach der Erfindung sind die DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse und gegebenenfalls mit weiteren Leistungselektroniken des Netzes und/oder des Fahrzeuges integriert.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen entnehmbar. In den Zeichnung zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochvolt-Bordnetzarchitektur sowie das erfindungsgemäße Ansteuerungskonzept;
  • 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen unidirektionalen DC/DC-Wandlers hier in Form eines Hochsetzstellers; und
  • 3 eine perspektivische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Hochvolt- Bordnetzarchitektur mit der Anordnung und Integration der -Leistungselektronikkomponenten in ein und demselben Gehäuse.
  • In der 1 ist schematisch ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur gemäß der Erfindung und der integrierten Leistungselektronik gemäß der Erfindung dargestellt. Die Bordnetzarchitektur 20 (grau unterlegt in 1) dient beispielsweise zur Steuerung und zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugs, welches unter anderem einen Elektromotor 8 als Antriebsmotor, eine Brennstoffzelleneinheit 1 in Form eines Stapels an Brennstoffzellen sowie einen elektrischen Energiespeicher 2 zum Speichern von Energie und zum Abgeben der Energie an den Motor 8 zum Antreiben des Fahrzeugs besteht. Die nach der Erfindung integrierte Leistungselektronik 10 der Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 weist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich einen ersten DC/DC-Wandler 3 beziehungsweise Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler an dem elektrischen Energiespeicher 2 auf. Zusätzlich und im Unterschied gegenüber dem Stand der Technik ist erfindungsgemäß ein zweiter DC/DC-Wandler 4 am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 vorgesehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel als ein unidirektionaler DC/DC-Wandler, wie es mit dem Symbol im Blockschaltdiagramm dargestellt ist, realisiert ist. Daneben besteht die Bordnetzarchitektur 20 gemäß der Erfindung aus einem Wechselrichter 6, der vor dem als Antriebsaggregat dienenden Elektromotor 8 geschaltet ist, um die Gleichstromspannung in eine für den Motor erforderliche Wechselstromspannung umzuwandeln. Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die gesamte Leistungselektronik in einem gemeinsamen Gehäuse 5 integriert, das heißt der erste Wandler 3 sowie der zweite Wandler 4 mitsamt dem Wechselrichter und dem Regler 7 befinden sich in ein und demselben Gehäuse 5. Die Regler 7 beziehungsweise Controller dienen der Durchführung des Betriebs und der Steuerung der einzelnen Komponenten untereinander.
  • Der Regler 7 kann erfindungsgemäß mit einer Regelstrategie ausgestattet sein und programmiert sein, wonach der der elektrische Energiespeicher 2 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 3 eine Zwischenkreisspannung des Netzes regelt und der am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 vorgesehene DC/DC-Wandler 4 einen festgelegten Punkt auf einer Polkurve der Brennstoffzelleneinheit 1 anfährt beziehungsweise ansteuert. Auf diese Weise kann beispielsweise während eines Gefrierstarts ein Punkt auf der Polkurve von in etwa 100 V angefahren werden, wobei über den Regler dennoch eine relativ hohe Zwischenkreisspannung generierbar ist, beispielsweise auf einer Spannungshöhe von 430 V konstant. Dadurch wird eine zusätzliche Stellgröße in das System und die Steuerung der Bordnetzarchitektur 20 nach der Erfindung eingeführt, welche es erlaubt, unabhängig von den Komponenten und ihren Abhängigkeiten zueinander den Anforderungen bei extremen Betriebssituationen, insbesondere während eines Kaltstarts oder bei Brennstoffzellen auch als Gefrierstart, besser gerecht zu werden. Die zusätzliche Stellgröße durch den zusätzlichen zweiten DC/DC-Wandler bietet eine größere Freiheit in der Auslegung, Auswahl und Konstruktion der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems.
  • In der Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 für Brennstoffzellenfahrzeuge nach der Erfindung wird durch das Hinzufügen eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers 4, vorzugsweise am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 die Möglichkeit geschaffen, die Zwischenkreisspannung auf einen bestimmten Wert zu regeln und gleichzeitig die Brennstoffzelleneinheit 1 auf einen bestimmten Punkt ihrer Polkurve zu halten. Die Taktung der integrierten Wandler 3, 4 wird erfindungsgemäß so aufeinander ab gestimmt, dass durch die Wahl eines geschickten Schaltversatzes so genannte „Ripple"-Ströme und „Ripple"-Spannungen im Hochvolt-Zwischenkreis weitestgehend minimiert werden. Der beispielsweise bidirektionale DC/DC-Wandler 3 an dem elektrischen Energiespeicher 2 dient zur Regelung der Zwischenkreisspannung während der der Brennstoffzelleneinheit 1 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 4 die Brennstoffzelleneinheit 1 beziehungsweise den Brennstoffzellenstapel auf einen bestimmten Punkt ihrer entsprechenden Polkurve hält. Die Kopplung beider Teile der Regler 7 beziehungsweise der Controller innerhalb der integrierten Leistungselektronik 10 ermöglicht zudem nach der Erfindung viel kürzere Signalverzögerungen, als es bei konventionellen Fahrzeugen diesen Typs der Fall ist. Die konventionellen Fahrzeuge verwenden beispielsweise CAN-Bus-Systeme (Controller Area Network, zu deutsch: Steuerungsbereichsnetzwerk). Die erfindungsgemäßen verkürzten Signalübertragungszeiten führen zu einer Erhöhung der Dynamik der gesamten Bordnetzarchitektur und der integrierten Leistungselektronik im Zusammenspiel der beiden DC/DC-Wandler 3, 4 und dem Wechselrichter 6, der seitens des Motors 8 zugeschaltet ist.
  • Mit dieser erfindungsgemäß bereitgestellten zweiten Stellgröße erhält man einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Entwicklung, Ausgestaltung und Umsetzung von Bordnetzarchitekturen für Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge. Dadurch kann beispielsweise eine zeitigere Fahrtfreigabe beim Gefrierstart geboten werden. Auch bei älteren Fahrzeugmodellen und dementsprechend gealterter Brennstoffzelleneinheit, welche ab einem bestimmten Spannungsverlust typischerweise aus dem Verkehr gezogen werden müssen, kann noch längere Zeit eine hinreichende Zwischenkreisspannung für den Betrieb erreicht werden. Zudem ermöglicht die zusätzliche Stellgröße nach der Erfindung eine erhöhte Entwicklungs- und Anpassungsfreiheit, da bestimmte Änderungen an einer Komponente der Bordnetzarchitektur 20 bei der vorliegenden Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 aufgrund des Zwischenkreises weniger Auswirkungen auf andere Komponenten haben, als es bei herkömmlichen derartigen Architekturen der Fall ist.
  • In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers in der Form eines unidirektionalen Hochsetzstellers dargestellt. Der DC/DC-Wandler 4 nach diesem Ausführungsbeispiel weist insbesondere eine Speicherdrossel LFC auf. Bei kleinen Leistungen und insbesondere kleineren Drehzahlen des Antriebsmotors 8 (vergleiche 1) ist die Motorspannung deutlich kleiner, als die Brennstoffzelleneinheits-Ausgangsspannung. In diesen Fällen gibt es erfindungsgemäß zudem die Möglichkeit, den als Hochsetzsteller ausgebildeten Wandler 4 auf einfache Weise durchzuschalten. Dabei bleibt der zum Aufladen der Speicherdrossel LFC vorgesehene elektronische Schalter permanent geöffnet (wie in 2 dargestellt), sodass eine Spannungsübertragung von 1:1 in diesem Betriebsmodus vorgenommen wird.
  • Auf diese Weise können in Arbeitsbereichen, in denen die hohe Zwischenkreisspannung für den Antrieb des Fahrzeugs und demnach dem Elektromotor 8 nicht vonnöten ist, folgende Verluste eingespart und damit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusätzlich erhöht werden:
    • • Ein- und Abschaltverluste der IGBT's
    • • Abschaltverluste der Freilaufdioden
    • • Hystereseverluste der Eisenkerne in den Speicherdrosseln
    • • Ohm'sche Verluste bedingt durch Lade- und Entladeströme der Glättungskondensatoren (CFC und CHC)
  • Damit sind die schwerwiegenden Verluste des Wandlers 4 in diesem Betriebsmodus weitestgehend eliminiert. Folgende Verluste treten im Durchschaltbetrieb dennoch auf:
    • • Durchlassverluste der Freilaufdioden
    • • Ohm'sche Verluste der Speicherdrossel LFC
  • In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit könnte auch ein zusätzlicher Schalter 11 vorgesehen werden, durch den die oben beschriebene Verluste der Freilaufdiode und der Speicherdrossel vermieden werden können.
  • Die 3 schließlich zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine konstruktive Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung und des erfindungsgemäßen Integrationskonzepts mit geöffnetem Deckel. In dem gemeinsamen Gehäuse 5 sind einerseits die Glättungskondensatoren 12 für den Zwischenkreis und andererseits die Induktoren 14 (bzw. Drosseln) vorgesehen. Zwischen den Induktoren 14 und den Kondensatoren 12 sind gemeinsame Kühler 13 für die Leistungsmodule eingebaut. Am rückwärtigen (in 3 vorderen) Ende des Gehäuses 5 sind jeweils zwei Anschlüsse oder Ausgänge 15, 16 für einerseits den Anschluss an den elektrischen Energiespeicher 2 (Bezugszeichen 15) und andererseits den Anschluss an die Brennstoffzelleneinheit 1 (Bezugszeichen 16) ausgeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Integrationskonzept der wesentlichen Bauteile und Leistungselektroniken innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 5 sind die Drosseln (bzw. Induktor 14) beider DC/DC-Wandler 3, 4 auf einer Seite in dem Gehäuse 5 untergebracht. Ebenfalls ist der für die Wandler 3,4 zusammengelegte zwischenkreisseitige Glättungskondensator 12 in Form eines Folienkondensators zu erkennen. Weitere Synergieeffekte werden durch eine gemeinsame Kühlung über die Kühler 13 sowie eine gemeinsame Abschirmung hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeits-Anforderungen in Form einer inneren Wandbeschichtung im Gehäuse 5 oder dergleichen erzielt.
  • Neben den dargestellten Komponenten können unter Umständen auch noch weitere Leistungselektroniken zusätzlicher Hilfsantriebe 9 (vergleiche 1) wie beispielsweise diejenigen des Luftmoduls, des Wasserstoff-Rezirkulationsgebläses oder ähnlichem in dem Gehäuse 5 erfindungsgemäß integriert werden. Bei derartigen weiteren Integrierungen von weiteren Leistungselektronikkomponenten im Bereich von Kraftfahrzeugen bestehen ein und dieselben Vorteile und können weitere Synergien und Vorteile hinsichtlich des Gewichts, der Kosten und des Raumbedarfs wie oben beschrieben erreicht werden.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses lediglich zu Zwecken eines Beispiels dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und umfasst alle Äquivalente und in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallenden veränderten Ausführungsformen.
    • 1
    Brennstoffzelleneinheit (beziehungsweise -Stapel oder -Stack)
    2
    Elektrischer Energiespeicher
    3
    erster DC/DC-Wandler
    4
    zweiter (zusätzlicher) DC/DC-Wandler
    5
    Gehäuse
    6
    Wechselrichter (bzw. Inverter)
    7
    Regler beziehungsweise Controller
    8
    Antriebsmotor (hier Elektromotor)
    9
    zusätzliche Leistungselektroniken für Hilfsantriebe
    10
    integrierte Leistungselektronik
    11
    optionaler Schalter
    12
    Kondensator
    13
    Leistungselektronikkomponenten mit Kühleinheit
    14
    Induktor (bzw. Drossel)
    15
    Ausgang Batterie
    16
    Ausgang Brennstoffzelleneinheit
    20
    Hochvolt-Bordnetzarchitektur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6496393 B1 [0009]
    • - US 7012822 B2 [0010]

Claims (11)

  1. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) mit integrierter Leistungselektronik (10) für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem Elektromotor (8), mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) und mit einem elektrischen Energiespeicher (2) sowie mindestens zwei DC/DC-Wandler (3, 4) innerhalb der Bordnetzarchitektur (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster DC/DC-Wandler (3) an den elektrischen Energiespeicher (2) und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler (4) an der Brennstoffzelleneinheit (1) vorgesehen ist und beide Wandler einen Zwischenkreis speisen.
  2. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC/DC-Wandler (4) ein unidirektionaler Wandler, insbesondere ein Hoch-/Tiefsetzsteller ist.
  3. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC/DC-Wandler (4) in der Brennstoffzelleneinheit (1) integriert ist.
  4. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (3, 4) in einem gemeinsamen Gehäuse (5) integriert sind.
  5. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Wandlern (3, 4) ein Wechselrichter (6) des Antriebsmotors (8) des Fahrzeugs und gegebenenfalls weitere Leistungselektroniken (9) in ein und dem selben Gehäuse (5) integriert ist/sind.
  6. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Einheit (7) vorgesehen ist, die mit dem dem elektrischen Energiespeicher (2) nachgeschalteten DC/DC-Wandler (3) die Zwischenkreisspannung und mit dem am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit (1) vorgesehenen DC/DC-Wandler (4) den Arbeitspunkt der Brennstoffzelleneinheit (1) einstellt.
  7. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Speicherdrosseln der DC/DC-Wandler (3, 4) elektronisch parallel liegen und auf den selben Kern gewickelt sind.
  8. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenkreisseitigen Filterkapazitäten der Bordnetzarchitektur (20) zusammengelegt sind.
  9. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den der Brennstoffzelle nachgeschalteten unidirektionalen DC/DC-Wandler ein weiterer Schalter (11) zur Überbrückung vorgesehen ist.
  10. Hochvolt-Bordnetzarchitektur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorgänge aller beteiligten Leistungselektronikkomponenten zur Reduzierung von Spannungs-/Stromrippeln im Zwischenkreis aufeinander abgestimmt sind.
  11. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (3, 4) in einem gemeinsamen Gehäuse (5) gegebenenfalls mit weiteren Leistungselektroniken der Hilfsantriebe integriert sind.
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