DE102007024567A1 - High-voltage on-board network architecture for a fuel cell vehicle and integrated power electronics for a high-voltage vehicle electrical system architecture - Google Patents
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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.High-voltage vehicle electrical system architecture (20) with integrated power electronics (10) for a fuel cell vehicle, in particular a fuel cell hybrid vehicle, with an electric motor (8) combined with a fuel cell unit (1) as at least complementary drive means of the vehicle, with an electrical energy store ( 2) and at least one DC / DC converter (3) as a boost converter and / or buck converter within the electrical system architecture (20), wherein a first DC / DC converter (3) to the electrical energy storage (2) and at least one additional second DC / DC converter (4) is provided on the fuel cell unit (1).
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.The The present invention relates to a high-voltage vehicle electrical system architecture with integrated power electronics for a fuel cell vehicle, in particular a fuel cell vehicle with an electric motor, with a fuel cell unit and at least one additional Energy storage unit is combined, which in the episode only still referred to as BZ hybrid vehicle. The invention relates as well as integrated power electronics for such High-voltage electrical system architecture.
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.at Today's wiring systems architectures of motor vehicles that over have a fuel cell / electric motor drive, there is a problem that the electro-electronic requirements are increased to the electrical system. Because of this here at times Increased required high voltages in the controller and control of the various components of hybrid vehicles, for example with fuel cell technology exist with current solutions massive disadvantages with regard to certain operating situations and / or the Variability in the structural design of the elements the network architecture.
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.For example exist in current systems of on-board network architectures for Fuel cell drives have massive problems in terms of achieving a quick freeze start. Under freeze start you understand problems with regard to the startability of the fuel cell or the fuel cell stack at temperatures below freezing as a result of freezing water, the electrochemical reaction the fuel cell at these low temperatures not through Ice formation may be hampered. It is extreme for the practice important that even with fuel cell hybrid vehicles a safer Start of the vehicle at low temperatures guaranteed is. With today's solutions it is with considerable technical effort among others possible, a so-called Freeze-start at temperatures down to -20 ° C or -25 ° C to allow.
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.One Another problem of today's wiring systems of such vehicles is it that there are very strong dependencies and possible Influences between the individual components of the vehicle and in particular the drive components and control components among each other. Because of these dependencies and possible influences of the components among each other it is not easy and not without unpredictable problems possible, later changes to the structure architecture and in the form of the components (for Example change in the number of fuel cells of the Stacks or stacks). Therefore, the rest have to electrical / electronic components in each case correspondingly with considerable Effort in the design planning and realization of such vehicles be adjusted. This means that significant limitations in the development opportunity and not negligible additional costs for changes to existing ones Constructions arise.
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.Of Further, the currently available on-board network architectures Extremely load-dependent for fuel cell-based vehicle drives. This means that all the power electronics of the drives and optionally also other high-voltage components, such as Heater, on a very large input voltage swing, for example in the order of 100V to 500V and very rapid transient load jumps are designed in the electrical system have to. This requires a very elaborate technique, with correspondingly high costs, a comparatively low performance or performance and does not lead most recently also to increased failure rates of the electrical system electronics such vehicles.
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.About that In addition, the long-term reliability problems in such systems: in a progressive degradation or deterioration of the state of the fuel cell or the fuel cell stack (or stack) At some point a point is reached at which in full load operation of the vehicle, the high-voltage vehicle electrical system voltage a critical value below. In currently known systems, however, the system components are also designed for a certain minimum voltage and thus would be in such a situation no satisfactory operation of the Vehicle more guaranteed. This is therefore currently one critical and major design limitation in the design of network architectures for such Vehicles. Because of these "end-of-life" definitions, that is, critical design constraints, the designers and developers of such Satisfy systems with less efficient architectures.
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).After all There is also a problem with the known high-voltage vehicle electrical system architectures So far, to the effect that so-called "ripple" voltages can occur on the electrical system. The reason for that lies in an increased repercussion on the electrical system due to unfavorable superposition of the switching operations uncoupled DC / DC converter or the switching operations of Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT Switching) with several individually arranged and switched DC / DC converters (= DC / DC converter).
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.Around Any disadvantages and errors in operation would be safe to avoid in the known in the art systems and wiring systems architectures so-called EMC shielding (electromagnetic compatibility shielding) for each not belonging to an assembly Converters separately to make each, which in isolated individual transducers (so-called "stand-alone" HV converters) very complex, costly and disadvantageous in terms of weight, volume and manufacturing and realization costs.
Im
Stand der Technik sind verschiedene Systeme für Bordnetzarchitekturen
von Brennstoffzellen-Fahrzeuge beschrieben: In dem
Das
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.In contrast, It is the object of the present invention, a high-voltage vehicle electrical system architecture as well as an integrated power electronics suitable for this purpose in particular for use in a fuel cell vehicle to provide, which in the structural design and modification individual components imposed fewer restrictions and which in terms of integratability and compactness is optimized for installation in such vehicles.
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.The The object of the invention is a high-voltage vehicle electrical system architecture according to the features of claim 1 and after an integrated Power electronics solved according to the features of claim 10. Advantageous aspects and further developments of the invention are the subject matter the respective dependent claims.
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.The High-voltage on-board network architecture with integrated power electronics for a fuel cell vehicle, which is equipped with an electric motor combined with a fuel cell unit as at least complementary Drive means of the vehicle is equipped, has a battery or a battery unit and at least one DC / DC converter (hereinafter also referred to as a DC / DC converter) within the On-board network architecture. The inventive High-voltage vehicle electrical system architecture is characterized in that a ers ter DC / DC converter on the battery and at least one additional second DC / DC converter to the fuel cell unit or are provided the fuel cell stack. By the additional DC / DC converter to the fuel cell unit according to the Invention are the disadvantages described above in the prior art avoided and solved the problem of the invention: This will result in a second manipulated variable in the system inserted to a controllable high DC link voltage to generate, for example, in the order of magnitude of constant 430 V, and at the same time, the fuel cell unit or the stack to a desired point the Polkurve, for example, during the freeze on about 100 V are kept. Through the targeted decoupling of Components and their dependencies described above, that is, in particular, the fuel cell unit, the High-voltage battery and electric motors, is an optimal and less expensive design of components and components possible according to the invention. Also the problem of a freeze start, which exists in such types of vehicles is, by the invention Vehicle electrical system defused: The warm-up period until the granting of a driving clearance during a cold start can be clear be shortened, because on the one hand, the voltage of the fuel cell stack or unit are kept artificially low for a very long time can, reducing the ratio of heat generation to discharged electric power of the fuel cell unit is further increased. For another is a shortened Warm-up time feasible according to the invention, because a sufficient DC link voltage in the electrical system architecture for Can be made available.
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.Not last offers the solution of the invention a high degree of freedom with subsequent changes to components, such as the number of fuel cells or Fuel cell stack and the respective possible operating strategies. There are also advantages in terms of electromagnetic compatibility (EMC) given by the invention: this is by an intelligent Clocking the transistors, such as the bipolar transistors with isolated Gate electrode (IGBT transistors), for example via a central processor and common shields for the inventively integrated components in reached a single housing.
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.Furthermore, a definable and adjustable DC link voltage level is available which makes it possible at any time to respond to future trends or requirements for the vehicle system as a whole and in particular the system of the electrical system architecture. The voltage level in the DC link makes the design of the connected loads more independent of the capacities of fuel cells or high-voltage battery.
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.There the necessary measures to shield against electromagnetic radiation and to achieve electromagnetic compatibility for the components integrated according to the invention and components in a housing are common, they are easier to realize and are particularly in terms of Weight, volume and cost are further optimized than when for several individual so-called "stand-alone" devices or components to perform. In total by the high-voltage vehicle electrical system architecture according to the invention according to claim 1 for such a vehicle electrical system architecture Advantages with regard to the costs, the packing density and the Efficiencies compared to those known from the prior art Solutions offered.
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.To An advantageous aspect of the invention is the first DC / DC converter a unidirectional converter, in particular a boost converter or a buck converter. It is known in the art that bidirectional converters in such high-voltage vehicle electrical system architectures to use for hybrid vehicles. At least according to the invention the first DC / DC converter connected to the fuel cell unit is designed as a unidirectional converter.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der zusätzliche zweite DC/DC-Wandler am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs vorgesehen.To Another advantageous aspect of the invention is the additional one second DC / DC converter at the output of the fuel cell unit of Vehicle provided.
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.To In another advantageous aspect of the invention, the DC / DC converters, that is the first and the second additional DC / DC converter integrated in a common housing. By bringing the two converters in one and the same Housing can be a compact, easy-to-integrate component to be provided. The wiring system architecture according to the invention is thus in terms of packing density and cost as well as in terms Improved the realization in practice. After a further advantageous Aspect in this regard is / are in accordance with the invention the converters also an inverter of the drive motor of the vehicle and possibly other power electronics in one and the same Housing integrated. The individual components can in this way certain functions and components with each other share, such as cooling units or the like. Also, the electromagnetic shielding can for the so common components in a single enclosure and thus inexpensive and easy to manufacture will be realized.
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.To A further advantageous aspect of the invention is a regulator or a control means (English: Controller) provided with a control strategy, after which the battery downstream DC / DC converter controls a DC link voltage of the network of the vehicle electrical system architecture and the DC / DC converter provided at the output of the fuel cell unit a predetermined point on a pole curve of the fuel cell unit starts or drives. This allows according to the invention, the problems with the freeze start of fuel cell hybrid vehicles to avoid. According to the invention on the one hand a second or additional control value introduced into the system, via which a high and controllable DC link voltage can be generated. At the same time becomes another the fuel cell unit to a desired point the pole curve, for example to about 100 V during the Freeze starts, held.
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.To In a further advantageous aspect of the invention are all Storage chokes of the DC / DC converter side by side housed in a housing. The storage chokes are in this way in a compact form and space-saving in the common housing with the other power electronics, as the converters and changers accommodated.
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.To In a further advantageous aspect of the invention, the intermediate circuit side Filter capacities of the vehicle electrical system architecture merged. Also this leads to a further compaction and an improvement in the packaging or in the packing density of the invention Wiring architecture and its spatial constructive Design.
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.According to claim 5, a power electronics for a high-voltage vehicle electrical system architecture for a fuel cell vehicle is proposed, which is particularly, but not exclusively suitable for a fuel cell vehicle, wherein it is characterized in that a first DC / DC converter to a battery and at least one additional second DC / DC converter are provided on a fuel cell unit of the vehicle. The two transducers are each connected to the corresponding component components either at the output or input, or at both. The additional DC / DC converter on the fuel cell unit provides a further degree of freedom in the regulation and control of the power electronics. About this additional degree of freedom can according to the invention, the conflicting requirements be brought on the one hand a high voltage and on the other hand the highest possible weight-saving and space-saving implementation even in critical operating situations, such as the freeze start of fuel cell hybrid vehicles with each other.
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.To a further advantageous aspect of the integrated power electronics According to the invention, the DC / DC converters are in a common housing and optionally with other power electronics of the network and / or the vehicle integrated.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen entnehmbar. In den Zeichnung zeigen:Further Advantages and features of the invention are the following description an embodiment with reference to the appended Drawings removable. In the drawing show:
In
der
Der
Regler
In
der Hochvolt-Bordnetzarchitektur
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
In
der
Auf
diese Weise können in Arbeitsbereichen, in denen die hohe
Zwischenkreisspannung für den Antrieb des Fahrzeugs und
demnach dem Elektromotor
- • 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)
- • Switch-on and switch-off losses of the IGBTs
- • Switch-off losses of the freewheeling diodes
- • Hysteresis losses of the iron cores in the storage chokes
- Ohmic losses due to charging and discharging currents of the smoothing capacitors (C FC and C HC )
Damit
sind die schwerwiegenden Verluste des Wandlers
- • Durchlassverluste der Freilaufdioden
- • Ohm'sche Verluste der Speicherdrossel LFC
- • Passage losses of the freewheeling diodes
- • Ohmic losses of the storage choke L FC
In
einer weiteren Ausführungsmöglichkeit könnte
auch ein zusätzlicher Schalter
Die
Neben
den dargestellten Komponenten können unter Umständen
auch noch weitere Leistungselektroniken zusätzlicher Hilfsantriebe
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.The Of course, invention is not limited to this only Example illustrated for purposes of example limited and includes all equivalents and in the scope of protection of the following claims modified embodiments.
- 11
- Brennstoffzelleneinheit (beziehungsweise -Stapel oder -Stack)fuel cell unit (or pile or stack)
- 22
- Elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 33
- erster DC/DC-Wandlerfirst DC / DC converter
- 44
- zweiter (zusätzlicher) DC/DC-Wandlersecond (additional) DC / DC converter
- 55
- Gehäusecasing
- 66
- Wechselrichter (bzw. Inverter)inverter (or inverter)
- 77
- Regler beziehungsweise Controllerregulator or controller
- 88th
- Antriebsmotor (hier Elektromotor)drive motor (here electric motor)
- 99
- zusätzliche Leistungselektroniken für Hilfsantriebeadditional Power electronics for auxiliary drives
- 1010
- integrierte Leistungselektronikintegrated power electronics
- 1111
- optionaler Schalteroptional switch
- 1212
- Kondensatorcapacitor
- 1313
- Leistungselektronikkomponenten mit KühleinheitPower electronics components with cooling unit
- 1414
- Induktor (bzw. Drossel)inductor (or throttle)
- 1515
- Ausgang Batterieoutput battery
- 1616
- Ausgang Brennstoffzelleneinheitoutput fuel cell unit
- 2020
- Hochvolt-BordnetzarchitekturHigh-voltage electrical system architecture
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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