DE102014018744A1 - Elektronischer Energiewandler zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zur galvanisch getrennten Kopplung mittels eines derartigen elektronischen Energiewandlers - Google Patents

Elektronischer Energiewandler zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zur galvanisch getrennten Kopplung mittels eines derartigen elektronischen Energiewandlers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Energiewandler (40) zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit (24) mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Wandlereinheit (10) zur Wandlung einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar (11, 12) des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung (UA) in eine dritte Gleichspannung (UDC), wobei die dritte Gleichspannung (UDC) galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung (UA), und einer zweiten Wandlereinheit (20) zur Wandlung einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar (21, 22) des Energiewandlers (40) bereitzustellen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur galvanisch getrennten Ordnung einer Brennstoffzelleneinheit (24) mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektronischen Energiewandlers (40) und einer ersten Wandlereinheit (10) und einer zweiten Wandlereinheit (20) mit den Schritten Wandeln eines ersten elektrischen Anschlusspaar (11, 12) des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung (UA) in eine dritte Gleichspannung (UDC) mittels einer ersten Wandlereinheit (10), wobei die dritte Gleichspannung (UDC) galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung (UA) und Wandeln einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar (21, 22) des Energiewandlers anliegenden zweiten Gleichspannung (UE) in die dritte Gleichspannung (UDC) mittels einer zweiten Wandlereinheit (20), wobei die zweite Wandlereinheit (20) mit der ersten Wandlereinheit (10) über einen die dritte Gleichspannung (UDC) führenden Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt ist. Weiterhin erfolgt ein Bereitstellen einer dritten Gleichspannung (UDC) in einem durch die erste Wandlereinheit (10) vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung (UA) an einen dritten elektrischen Anschluss des Energiewandlers.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektronischen Energiewandler zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Wandlereinheit zur Wandlung einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine dritte Gleichspannung, wobei die dritte Gleichspannung galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung, und einer zweiten Wandlereinheit zur Wandlung einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden zweiten Gleichspannung in die dritte Gleichspannung, wobei die zweite Wandlereinheit mit der ersten Wandlereinheit über einen die dritte Gleichspannung führenden Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektronischen Energiewandlers mit einer ersten Wandlereinheit und einer zweiten Wandlereinheit mit den Schritten Wandeln einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine dritte Gleichspannung mittels einer ersten Wandlereinheit, wobei die dritte Gleichspannung galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung, und Wandeln einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden zweiten Gleichspannung in die dritte Gleichspannung mittels einer zweiten Wandlereinheit, wobei die zweite Wandlereinheit mit der ersten Wandlereinheit über einen die dritte Gleichspannung führenden Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt ist.
  • Brennstoffzellen stellen eine alternative Energiequelle zu elektrisch wiederaufladbaren Batteriezellen im mobilen Straßenverkehr dar. Im Gegensatz zu den Batteriezellen ist die Energie jedoch nicht in der Brennstoffzelle selbst gespeichert, sondern muss kontinuierlich von außen der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dies geschieht bevorzugt aus einem externen Wasserstoffspeicher sowie unter kontinuierlicher Zufuhr von Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Zu diesem Zweck werden Brennstoffzellen im Allgemeinen in Form eines Brennstoffzellenstapels (Fuel Cell Stack) angeordnet, wobei zusätzliche Hilfsaggregate für die Brennstoff- und Luftzufuhr sorgen. Wie bei wiederaufladbaren Batteriezellen auch ist bei Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz aufgrund des weiten Temperaturbetriebsbereichs des Kraftfahrzeugs ein Temperaturmanagement unverzichtbar. Da eine Brennstoffzelle nicht rückspeisefähig ist, wird zur Bereitstellung einer Rückspeisefähigkeit beim Bremsen des Kraftfahrzeugs (Rekuperation) eine zusätzliche Traktionsbatterie eingesetzt, welche damit auch die Möglichkeit bietet, die Brennstoffzelle derart von Lastwechseln zu entlasten, dass sich ein optimierter Betrieb der Brennstoffzelle ergibt. Brennstoffzellenstapel und Traktionsbatterie werden dabei an unterschiedlichen Hochvoltnetzen im Kraftfahrzeug betrieben.
  • Unter einem Hochvoltnetz in einem Kraftfahrzeug wird üblicherweise ein Netz mit einer Betriebsspannung größer als 60 Volt bei Betrieb mit einer Gleichspannung und größer als 25 Volt bei Betrieb mit einer Wechselspannung verstanden. Üblicherweise wird ein Brennstoffzellenstapel mittels eines DC/DC-Wandlers, welcher auch galvanisch getrennt sein kann, mit einer Hochvolt-Batterie, nämlich der Traktionsbatterie, gekoppelt. Somit stehen zwei unterschiedliche Hochvolt-Spannungsniveaus, welche unabhängig voneinander regelbar sind, zur Verfügung. Für die Speisung beispielsweise der Hilfsaggregate der Brennstoffzelle wird nunmehr ein drittes Spannungsniveau benötigt, welches sich von den beiden verfügbaren Spannungsniveaus soweit unterscheidet, dass die Hilfsaggregate nicht direkt daran betrieben werden können.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Energiewandler zur Verfügung zu stellen, welcher ein drittes Spannungsniveau mit einem möglichst geringen Zusatzaufwand bereitstellt. Überdies ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen eines dritten Spannungsniveaus mit einem möglichst geringen Zusatzaufwand zur Verfügung zu stellen
  • Diese Aufgabe wird durch einen Energiewandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Energiewandler zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Wandlereinheit zur Wandlung einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine dritte Gleichspannung, wobei die dritte Gleichspannung galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung, und einer zweiten Wandlereinheit zur Wandlung einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden zweiten Gleichspannung in die dritte Gleichspannung, wobei die zweite Wandlereinheit mit der ersten Wandlereinheit über einen die dritte Gleichspannung führenden Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt ist. Der gattungsgemäße elektronische Energiewandler wird derart weitergebildet, dass er dazu ausgelegt ist, die dritte Gleichspannung in einem durch die erste Wandlereinheit vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung an einen dritten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers bereitzustellen.
  • Entsprechend geht die Erfindung von einem Verfahren zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektronischen Energiewandlers mit einer ersten Wandlereinheit und einer zweiten Wandlereinheit aus, mit den Schritten Wandeln einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden ersten Gleichspannung in eine dritte Gleichspannung mittels einer ersten Wandlereinheit, wobei die dritte Gleichspannung galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung, und Wandeln einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers anliegenden zweiten Gleichspannung in die dritte Gleichspannung mittels einer zweiten Wandlereinheit, wobei die zweite Wandlereinheit mit der ersten Wandlereinheit über einen die dritte Gleichspannung führenden Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt ist. Gemäß der Erfindung wird dieses Verfahren weitergebildet durch Bereitstellen der dritten Gleichspannung in einem durch die erste Wandlereinheit vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung an einem dritten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zur Speisung von Verbrauchern, insbesondere von der Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel zum störungsfreien Betrieb zugeordneten Hilfsaggregaten, welche auf einem vorgegebenen Betriebsspannungsbereich angewiesen sind, ausreichend ist, eine variable Gleichspannung zur Verfügung zu stellen, welche über ein fest vorgegebenes Übersetzungsverhältnis an das Spannungsniveau der Hochvolt-Batterie gekoppelt ist. Somit ergibt sich die Möglichkeit, mittels der ersten Wandlereinheit (Trafoteil), welche die galvanische Trennung zwischen dem ersten elektrischen Anschlusspaar und dem die dritte Gleichspannung führenden Spannungszwischenkreis bereitstellt, mit fest eingestellten Übersetzungsverhältnis die dritte Gleichspannung (Zwischenkreisspannung) in Abhängigkeit der ersten Gleichspannung (Hochvolt-Batteriespannung) eines fahrzeugseitigen Hochvolt-Zwischenkreises passiv eingestellt werden. Damit wird die aktive Erzeugung eines dritten Spannungsniveaus eingespart. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der dritten Gleichspannung und der ersten Gleichspannung ist dabei bevorzugt so zu wählen, dass über einen gesamten zulässigen Spannungsbetriebsbereich der Hochvolt-Batterie, welche an dem ersten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers angeschlossen ist, die fest daran gekoppelte dritte Gleichspannung an dem Spannungszwischenkreis innerhalb eines zulässigen Betriebsbereichs der an dem dritten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers zu betreibenden Verbraucher liegt.
  • Mittels des Abgreifens der dritten Gleichspannung an den Spannungszwischenkreis in der Mitte zwischen der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit und Bereitstellung dieser Spannung an dem dritten elektrischen Anschlusspaar des Energiewandlers können an dem dritten elektrischen Anschlusspaar angeschlossene Hilfsantriebe mit der nötigen Hochvolt-Energie versorgt werden. Dabei kann auf übermäßig große Anforderungen an die Regel-Güte der ersten Wandlereinheit verzichtet werden, und dennoch ausgehend von der dritte Gleichspannung an dem Gleichspannungszwischenkreis eine stabile Versorgung der Hilfsantriebe erreicht werden.
  • Die sichere elektrische galvanische Trennung, welche mittels der ersten Wandlereinheit zwischen der die zweite Gleichspannung führenden Hochvolt-Sammelleitung der Brennstoffzelle (HV-Bus), welche über eine sogenannte „Power Distribution Unit” (PDU) und eine die erste Gleichspannung führenden Sammelleitung auf der Kraftfahrzeugseite (Fahrzeug-HV-Zwischenkreis) an welcher eine Hochvolt-Batterie als Traktionsbatterie und ein Hauptantrieb (Traktionsstromrichter) sowie gegebenenfalls weitere Nebenantriebe angeordnet sein können, löst somit die Probleme, welche sich durch unterschiedliche Bemessungsspannungsobergrenzen der unterschiedlichen Hochvolt-Kreise ergeben. In Folge der sicheren Trennung der HV-Zwischenkreise mit unterschiedlichen Bemessungsspannungen können diese entsprechend in der Luft- und Kriechstreckenauslegung berücksichtigt werden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung weist die erste Wandlereinheit zumindest einen ersten Transformator mit einer ersten Primärwicklung und einer ersten Sekundärwicklung auf, wobei die erste Primärwicklung mit dem Spannungszwischenkreis über eine erste Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, und wobei die erste Sekundärwicklung mit dem ersten Anschlusspaar über eine zweite Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Wandlereinheit zusätzlich einen zweiten Transformator mit einer zweiten Primärwicklung und einer zweiten Sekundärwicklung auf, wobei die zweite Primärwicklung mit dem Spannungszwischenkreis über eine dritte Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, und wobei die zweite Sekundärwicklung mit dem ersten Anschlusspaar über eine vierte Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, wobei die erste Schalteranordnung parallel zu der dritten Schalteranordnung verschaltet ist und die zweite Schalteranordnung seriell zu der vierten Schalteranordnung verschaltet ist.
  • Bevorzugt kann die zweite Wandlereinheit als unidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet sein, insbesondere als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller, wobei der unidirektionaler Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, die dritte Gleichspannung in einem variablen Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung an dem Spannungszwischenkreis des Energiewandlers bereitzustellen.
  • Besonders bevorzugt kann dabei die zweite Wandlereinheit eine Speicherinduktivität aufweisen, welcher eine erste Speicherwicklung und eine zweite Speicherwicklung umfasst, wobei die erste Speicherwicklung an einem ersten Wicklungsanschluss über eine erste Halbbrückenschalteranordnung sowie die zweite Speicherwicklung an einem zweiten Wicklungsanschluss, welcher magnetisch gleichsinnig zu dem ersten Wicklungsanschluss angeordnet ist, über eine zweite Halbbrückenschalteranordnung jeweils mit dem zweiten Anschlusspaar elektrisch gekoppelt sind, und wobei die erste Speicherwicklung an einem dritten Wicklungsanschluss über eine dritte Halbbrückenanordnung sowie die zweite Speicherwicklung an einem vierten Wicklungsanschluss über eine vierte Halbbrückenschalteranordnung jeweils mit dem Spannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt sind.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dabei ein Anschluss des zweiten Anschlusspaars mittels eines Kondensators mit einem oberen ersten Halbbrückenschalter der ersten Halbbrückenschalteranordnung sowie einem oberen zweiten Halbbrückenschalter der zweiten Halbbrückenschalteranordnung elektrisch gekoppelt sein.
  • Besonders vorteilhaft können die vier Halbbrückenschalterschalteranordnungen ein gemeinsames Verbindungspotential aufweisen, vorzugsweise an einem jeweils oberen Halbbrückenschalter, welcher gegenüber einem jeweils in derselben Halbbrückenschalteranordnung angeordneten unteren Halbbrückenschalter auf einem positiveren Potential liegt, wobei das gemeinsame Verbindungspotential insbesondere durch einen positiven Pol des Spannungszwischenkreises gegeben ist.
  • Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug einen derartigen Energiewandler aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt. Dabei ist es auch möglich, mehrere Brennstoffzellen nach dem vorgeschlagenen Konzept in Reihe oder parallel zu schalten, zum Beispiel für ein Nutzfahrzeug, einen Personenbus oder ein Schienenfahrzeug. In solchen Anwendungen werden elektrische Leistungen in der Größenordnung bis 100 Kilowatt hochdynamisch übertragen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in mobilen Anwendungen im Bereich hoher Beanspruchungen (Heavy Duty) und für Busse einsetzbar. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Einsatzmöglichkeiten beschränkt vielmehr ist sie auch stationär einsetzbar.
  • Die für den erfindungsgemäßen Energiewandler beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigt die einzige Fig. eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers.
  • Eine erste Wandlereinheit 10 weist einen ersten Plus-Anschluss 11 und einen ersten Minus-Anschluss 12 auf, zwischen denen eine erste Gleichspannung uA anliegt. Ein aus dem ersten Plus-Anschluss herausfließender Strom wird als erster Strom IA bezeichnet. Zwischen dem ersten Plus-Anschluss 11 und dem ersten Minus-Anschluss 12 ist ein Kondensator Ca angeordnet, wobei dazu parallel eine Serienschaltung aus einem Kondensator CR1 und CR2 angeordnet ist. Die erste Wandlereinheit 10 weist ferner einen ersten Transformator Tr1 mit einer ersten Primärwicklung Tr11 und einer ersten Sekundärwicklung Tr12 sowie einen zweiten Transformator Tr2 mit einer zweiten Primärwicklung Tr21 und einer zweiten Sekundärwicklung Tr22 auf.
  • Eine zweite Wandlereinheit 20 weist einen zweiten Plus-Anschluss 21 und einen zweiten Minus-Anschluss 22 auf, zwischen denen eine zweite Gleichspannung UE anliegt. Ein in den zweiten Plus-Anschluss fließender Strom ist als erster Strom IE bezeichnet. Der erste Plus-Anschluss 11 und der erste Minus-Anschluss 12 bilden zusammen ein erstes elektrisches Anschlusspaar, an welchem eine Hochvolt-Batterie 14, ein Hauptantrieb 16 sowie Nebenantriebe 18 angeschlossen sind. Der zweite Plus-Anschluss 21 und der zweite Minus-Anschluss 22 bilden zusammen ein zweites elektrisches Anschlusspaar, an welchem mittels einer sogenannten „Power Distribution Unit” (PDU) eine Brennstoffzelleneinheit 24 angeschlossen ist. Die erste Wandlereinheit 10 und die zweite Wandlereinheit 20 sind miteinander über einen Spannungszwischenkreis 30 elektrisch gekoppelt, welcher einen Zwischenkreiskondensator CDC aufweist, und an welchem eine als dritte Gleichspannung UDC bezeichnete Zwischenkreisspannung anliegt. Ein über den Spannungszwischenkreis 30 von der zweiten Wandlereinheit 20 in die erste Wandlereinheit 10 fließender Strom ist als Zwischenkreisstrom IDC bezeichnet.
  • Mittels Abgreifens der dritten Gleichspannung UDC an den Spannungszwischenkreis 30 wird an einem dritten Plus-Anschluss 31 sowie einem dritten Minus-Anschluss 32 die dritte Gleichspannung UDC zur Versorgung von externen Verbrauchern, insbesondere Hilfsaggregate, welche für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 24 erforderlich sind, bereitgestellt. Dazu können beispielsweise ein Gebläse 34, eine elektrische Heizvorrichtung 36 für einen Wasserkreislauf sowie ein elektrischer Kühlmittelverdichter 38 zählen.
  • Dabei können in jeweils einer Zuleitung zu einem Hilfsaggregat eine entsprechend dem jeweiligen Hilfsaggregat 34, 36, 38 angepasste Sicherungen F34, F36 und F38 vorgesehen sein. Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Energiewandlers 40 umfasst somit die erste Wandlereinheit 10, die zweite Wandlereinheit 20 den Spannungszwischenkreis 30 und kann auch entsprechende Sicherungen F34, F36 und F38 beinhalten.
  • Die erste Primärwicklung Tr11 ist mit dem Spannungszwischenkreis 30 über eine erste Schalteranordnung S11a, S11b, S11c, S11d in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt wobei S11a und S11b ein linksseitiges Zweigpaar bilden und S11c und S11d ein rechtsseitiges Zweigpaar bilden. S11a und S11b weisen oben eine gemeinsame Verbindung auf, S11b und S11d weisen unten eine gemeinsame Verbindung auf. S11a und S11b sind somit übereinander angeordnet, ebenso sind S11c und S11d übereinander angeordnet. In gleicher Weise ist die erste Sekundärwicklung Tr12 mit dem ersten Anschlusspaar 11, 12 über eine zweite Schalteranordnung S12a, S12b, S12c, S12d in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt. Ein identischer zellenweiser Aufbau gilt für den zweiten Transformator Tr2, wobei die zweite Primärwicklung Tr21 mit dem Spannungszwischenkreis 30 über eine dritte Schalteranordnung S21a, S21b, S21c, S21d in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist. und wobei die zweite Sekundärwicklung Tr22 mit dem ersten Anschlusspaar 11, 12 über eine vierte Schalteranordnung S22a, S22b, S22c, S22d in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist.
  • Dabei ist die erste Schalteranordnung S11a, S11b, S11c, S11d parallel zu der dritten Schalteranordnung S21a, S21b, S21c, S21d verschaltet, sodass an der ersten Schalteranordnung und der zweiten Schalteranordnung jeweils die dritte Gleichspannung UDC anliegt. In Abweichung dazu ist die zweite Schalteranordnung S12a, S12b, S12c, S12d seriell zu der vierten Schalteranordnung S22a, S22b, S22c, S22d verschaltet, sodass über beiden Schalteranordnungen zusammen die erste Gleichspannung UA anliegt. Unter Annahme idealer Verhältnisse liegt somit die halbe Gleichspannung UA an jeweils der zweiten Schalteranordnung S12a, S12b, S12c, S12d und an der vierten Schalteranordnung S22a, S22b, S22c, S22d an.
  • Bevorzugt kann in dem Ausführungsbeispiel die erste Gleichspannung UA 520 Volt bis 750 Volt betragen. Für Spannungen in diesem Bereich erweist sich die sekundärseitige Serienschaltung der beiden Transformatoren Tr1 und Tr2 als sinnvoll, da für die gemäß der beschriebenen Topologie benötigten Sperrspannungsanforderungen der verwendeten Schaltelemente vorteilhaft von am Markt verfügbaren Bauelementen erfüllt werden können.
  • Die zweite Wandlereinheit 20 weist eine Speicherinduktivität auf, mit welcher eine erste Speicherwicklung L1 und eine zweite Speicherwicklung 12 umfasst, wobei die erste Speicherwicklung L1 an einem ersten Wicklungsanschluss über eine erste Halbbrückenschalteranordnung S1xa, S1xb, sowie die zweite Speicherwicklung 12 an einem zweiten Wicklungsanschluss, welcher magnetisch gleichsinnig zu dem ersten Wicklungsanschluss angeordnet ist, über eine zweite Halbbrückenschalteranordnung S2xa, S2xb jeweils mit dem zweiten Anschlusspaar 21, 22 elektrisch gekoppelt sind. Auch die erste Speicherwicklung L1 ist an einem dritten Wicklungsanschluss über eine dritte Halbbrückenschalteranordnung S1ya, S1yb sowie die zweite Speicherwicklung 12 an einem vierten Wicklungsanschluss über eine vierte Halbbrückenschalteranordnung s2ya, s2yb jeweils mit dem Spannungszwischenkreis 30 elektrisch gekoppelt.
  • Die vier Halbbrückenschalteranordnungen weisen ein gemeinsames Verbindungspotential auf, vorzugsweise an jeweils einem oberen Halbbrückenschalter S1ya, S2xa, S1ya, S2ya, welcher gegenüber einem jeweils in derselben Halbbrückenschalteranordnung angeordnetem unteren Halbbrückenschalter S1yb, S2yb, S1yb, S2yb auf einem positiveren Potential liegt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das gemeinsame Verbindungspotential durch einen positiven Pol des Spannungszwischenkreises gegeben.
  • Zwischen dem zweiten Plus-Anschluss 21 und dem zweiten Minus-Anschluss 22 ist ein Kondensator CE1 angeordnet, des Weiteren ist der zweite Plus-Anschluss 21 über einen Kondensator cE2 mit dem positiven Pol des Spannungszwischenkreises 30 und somit auch mit den jeweils oberen Halbbrückenschaltern S1xa, S2xa, S1ya und S2ya elektrisch gekoppelt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die zweite Wandlereinheit mehrere derartige DC/DC-Wandler-Zweige aufweisen, vorzugsweise zwei oder drei, was eine Skalierung der übertragbaren Leistung ermöglicht. Insbesondere kann bei einem mehrphasigen Aufbau durch eine sequentieller Ansteuerung der einzelnen DC/DC-Wandler-Zweige die Stromwelligkeit (Rippel) reduziert werden, was vorteilhaft für die Dimensionierung der erforderlichen Energiespeicher, insbesondere des Zwischenkreiskondensators ist.
  • In gleicher Weise kann auch die übertragbare Leistung der ersten Wandlereinheit 10 durch Parallelschalten mehrere derartiger Transformatoranordnungen erfolgen.
  • Bevorzugt wird ein Übersetzungsverhältnis ü zwischen der dritten Gleichspannung und der ersten Gleichspannung zwischen 1,85 und 2 gewählt. Entsprechend UDC = UA/ü ergibt sich beispielsweise als Spannung am Zwischenkreis 250 Volt, was kleiner als 430 Volt und somit für eine niedrigere Isolationskategorie zulässig ist. Eine Brandstoffzelleneinheit 24 kann beispielsweise 330 Zellen pro Brennstoffzellenstapel (Stack) aufweisen. Typischerweise kann eine an dem zweiten Anschlusspaar 21, 22 bereitgestellte zweite Spannung UE 200 Volt bis 360 Volt betragen.
  • Der erfindungsgemäße Energiewandler ermöglicht einen stabileren Betrieb hinsichtlich der Regelung und bietet darüber hinaus die Möglichkeit zur Modularisierung und somit zur Kosteneinsparung.
  • Durch die galvanisch trennende erste Wandlereinheit 10 ist ein festes Übersetzungsverhältnis gegeben, infolge des festen Windungszahlenverhältnisses zwischen der jeweiligen Primärwicklung und der Sekundärwicklung des jeweiligen Transformators Tr1 beziehungsweise Tr2 stellt sich somit eine feste Zwischenkreisspannung an dem Spannungszwischenkreis 30 ein, welche gemäß dem Ausführungsbeispiel von der Spannung an der Hochvolt-Batterie 14 abhängt. Die Umsetzung der zweiten Gleichspannung UE wird somit von der als Hoch-/Tiefsetzsteller ausgebildeten zweiten Wandlereinheit 20 übernommen, welche eine variable Übersetzung bereitstellt. Die zweite Wandlereinheit 20 kann hierbei auch ganz oder teilweise Funktionen der Power Distribution Unit 23 übernehmen, sodass diese einfacher aufgebaut sein kann.
  • Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Baugruppen, insbesondere die speziellen Anordnungen der Schaltelemente innerhalb der ersten Wandlereinheit 10 und der zweiten Wandlereinheit 20 abweichen, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
  • Somit wurde abschließend gezeigt, wie ein galvanisch getrennter DC/DC-Steller mit drei unterschiedlichen Spannungsniveaus ohne großen Einsatz zusätzlicher Halbleiterelemente realisiert werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    erste Wandlereinheit
    11
    erster Plus-Anschluss
    12
    erster Minus-Anschuss
    14
    Hochvolt-Batterie
    16
    Hauptantrieb
    18
    Nebenantriebe
    20
    zweite Wandlereinheit
    21
    zweiter Plus-Anschluss
    22
    zweiter Minus-Anschluss
    23
    Power Distribution Unit
    24
    Brennstoffzelleneinheit
    30
    Spannungszwischenkreis
    31
    dritter Plus-Anschluss
    32
    dritter Minus-Anschluss
    34
    Gebläse
    36
    elektrische Heizvorrichtung
    38
    elektrischer Kühlmittelverdichter
    40
    elektronischer Energiewandler
    CE1, CE2, CDC, CR1, CR2, CA
    Kondensator
    F34, F36, F38
    Sicherung
    IA
    erster Strom
    IDC
    Zwischenkreisstrom
    IE
    zweiter Strom
    L1
    erste Speicherwicklung
    L2
    zweite Speicherwicklung
    S11a, S11b, S11c, S11d, S12a, S12b, S12c, S12d, S21a, S21b, S21c, S21d, S22a, S22b, S22c, S22d, S1xa, S2xa, S1xb, S2xb, S1ya, S2ya, S1yb, S2yb
    Schaltelemente
    Tr1
    erster Transformator
    Tr2
    zweiter Transformator
    Tr11
    erste Primärwicklung
    Tr12
    erste Sekundärwicklung
    Tr21
    zweite Primärwicklung
    Tr22
    zweite Sekundärwicklung
    UA
    erste Gleichspannung
    UDC
    dritte Gleichspannung
    UE
    zweite Gleichspannung

Claims (9)

  1. Elektronischer Energiewandler (40) zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit (24) mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs, mit: – einer ersten Wandlereinheit (10) zur Wandlung einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar (11, 12) des Energiewandlers (40) anliegenden ersten Gleichspannung (UA) in eine dritte Gleichspannung (UDC), wobei die dritte Gleichspannung (UDC) galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung (UA) – einer zweiten Wandlereinheit (20) zur Wandlung einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar (21, 22) des Energiewandlers (40) anliegenden zweiten Gleichspannung (UE) in die dritte Gleichspannung (UDC), wobei die zweite Wandlereinheit (20) mit der ersten Wandlereinheit (10) über einen die dritte Gleichspannung (UDC) führenden Spannungszwischenkreis (30) elektrisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (40) dazu ausgelegt ist, die dritte Gleichspannung (UDC) in einem durch die erste Wandlereinheit (10) vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung (UA) an einem dritten elektrischen Anschlusspaar (31, 32) des Energiewandlers (40) bereitzustellen.
  2. Energiewandler (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandlereinheit (10) zumindest einen ersten Transformator mit einer ersten Primärwicklung und einer ersten Sekundärwicklung aufweist, wobei die erste Primärwicklung mit dem Spannungszwischenkreis (30) über eine erste Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, und wobei die erste Sekundärwicklung mit dem ersten Anschlusspaar (11, 12) über eine zweite Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist.
  3. Energiewandler (40) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandlereinheit (10) einen zweiten Transformator mit einer zweiten Primärwicklung und einer zweiten Sekundärwicklung aufweist, wobei die zweite Primärwicklung mit dem Spannungszwischenkreis (30) über eine dritte Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, und wobei die zweite Sekundärwicklung mit dem ersten Anschlusspaar (11, 12) über eine vierte Schalteranordnung in Vollbrückenkonfiguration elektrisch gekoppelt ist, wobei die erste Schalteranordnung parallel zu der dritten Schalteranordnung verschaltet ist und die zweite Schalteranordnung seriell zu der vierten Schalteranordnung verschaltet ist.
  4. Energiewandler (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinheit (20) als unidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet ist, insbesondere als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller, wobei der unidirektionale Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, die dritte Gleichspannung in einem variablen Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung an dem Spannungszwischenkreis (30) des Energiewandlers (40) bereitzustellen.
  5. Energiewandler (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinheit (10) eine Speicherinduktivität aufweist, welche eine erste Speicherwicklung und eine zweite Speicherwicklung umfasst, wobei die erste Speicherwicklung an einem ersten Wicklungsanschluss über eine erste Halbbrückenschalteranordnung sowie die zweite Speicherwicklung an einem zweiten Wicklungsanschluss, welcher magnetisch gleichsinnig zu dem ersten Wicklungsanschluss angeordnet ist, über eine zweite Halbbrückenschalteranordnung jeweils mit dem zweiten Anschlusspaar (21, 22) elektrisch gekoppelt sind, und wobei die erste Speicherwicklung an einem dritten Wicklungsanschluss über eine dritte Halbbrückenschalteranordnung sowie die zweite Speicherwicklung an einem vierten Wicklungsanschluss über eine vierte Halbbrückenschalteranordnung jeweils mit dem Spannungszwischenkreis (30) elektrisch gekoppelt sind.
  6. Energiewandler (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des zweiten Anschlusspaars (21, 22) mittels eines Kondensators (CE2) mit einem oberen ersten Halbbrückenschalter der ersten Halbbrückenschalteranordnung sowie einem oberen zweiten Halbbrückenschalter der zweiten Halbbrückenschalteranordnung elektrisch gekoppelt ist.
  7. Energiewandler (40) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Halbbrückenschalteranordnungen ein gemeinsames Verbindungspotential aufweisen, vorzugsweise an einem jeweils oberen Halbbrückenschalter, welcher gegenüber einem jeweils in derselben Halbbrückenschalteranordnung angeordneten unteren Halbbrückenschalter auf einem positiveren Potential liegt, wobei das gemeinsame Verbindungspotential insbesondere durch einen positiven Pol des Spannungszwischenkreises (30) gegeben ist.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Energiewandler (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Verfahren zur galvanisch getrennten Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit (24) mit einem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs mittels eines elektronischen Energiewandlers (40) mit einer ersten Wandlereinheit (10) und einer zweiten Wandlereinheit (20), mit den Schritten: – Wandeln einer an einem ersten elektrischen Anschlusspaar (31, 32) des Energiewandlers (40) anliegenden ersten Gleichspannung (UA) in eine dritte Gleichspannung (UDC) mittels einer ersten Wandlereinheit (10), wobei die dritte Gleichspannung (UDC) galvanisch getrennt ist von der ersten Gleichspannung (UA), und – Wandeln einer an einem zweiten elektrischen Anschlusspaar (21, 22) des Energiewandlers (40) anliegenden zweiten Gleichspannung (UE) in die dritte Gleichspannung (UDC) mittels einer zweiten Wandlereinheit (20), wobei die zweite Wandlereinheit (20) mit der ersten Wandlereinheit (10) über einen die dritte Gleichspannung (UDC) führenden Spannungszwischenkreis (30) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch: – Bereitstellen der dritten Gleichspannung (UDC) in einem durch die erste Wandlereinheit (10) vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Bezug auf die erste Gleichspannung (UA) an einem dritten elektrischen Anschlusspaar (31, 32) des Energiewandlers (40).
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