DE102021210932A1 - Modulare Wandlereinheit - Google Patents

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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Wandlereinheit 1, umfassend eine Basiseinheit 10, welche einen ersten DC/DC-Wandler 14 und eine Steuereinheit 13 umfasst, wobei die Steuereinheit 13 dazu eingerichtet ist, einen Schaltvorgang des ersten DC/DC-Wandlers 14 zu steuern, wobei die Basiseinheit 10 dazu eingerichtet ist, dass zumindest ein Erweiterungsmodul 20, 30 mit dieser verbindbar ist, wobei das Erweiterungsmodul 20, 30 einen weiteren DC/DC-Wandler 21, 31 umfasst, und die Steuereinheit 13 dazu eingerichtet ist, den weitere DC/DC-Wandler 21, 31 anzusteuern, wenn das Erweiterungsmodul 20, 30 mit der Basiseinheit 10 verbunden ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlereinheit, durch welche ein DC/DC-Wandler für ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird.
  • Derzeit werden für Brennstoffzellensysteme, sogenannte Fuel Cell Power Moduls, zwei oder gleich drei DC/DC-Wandler verwendet. Dieser Aufbau mit mehreren DC/DC-Wandlern erfordert typischerweise drei Gehäuse und die notwendige Anbindung über Kabel und für Kühlmittel.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße modulare Wandlereinheit umfasst eine Basiseinheit, welche einen ersten DC/DC-Wandler und eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Schaltvorgang des ersten DC/DC-Wandlers zu steuern. Die Basiseinheit ist ferner dazu eingerichtet, dass zumindest ein Erweiterungsmodul mit dieser verbindbar ist, wobei das Erweiterungsmodul einen weiteren DC/DC-Wandler umfasst, und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den weiteren DC/DC-Wandler anzusteuern, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist.
  • Das bedeutet, dass die Basiseinheit als ein eigenständiger DC/DC-Wandler inklusive zugehöriger Steuerung betrieben werden kann. Dabei ist aber beispielsweise eine Ausgangsleistung, die von der Basiseinheit bereitgestellt werden kann, begrenzt. Um diese zu erweitern, kann ein Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden werden. Das Erweiterungsmodul ist erfindungsgemäß mit der Basiseinheit verbindbar. Die Basiseinheit und das Erweiterungsmodul werden insbesondere als verbindbar angesehen, wenn diese mechanische Vorkehrungen umfassen, welche es erlauben, die Basiseinheit mit dem Erweiterungsmodul mechanisch zu verbinden. Ferner werden die Basiseinheit und das Erweiterungsmodul dann als verbindbar angesehen, wenn das Erweiterungsmodul elektrische Kontaktierungen aufweist, die es ermöglichen, elektrische Verbindungen zu Kontaktierungen der Basiseinheit herzustellen, wobei es die elektrischen Verbindungen bei einer Kopplung der Kontaktierungspunkte erlauben, dass der DC/DC-Wandler des Erweiterungsmoduls von der Steuereinheit der Basiseinheit angesteuert wird. Des Weiteren ist das Erweiterungsmodul insbesondere dann mit der Basiseinheit verbindbar, wenn das Erweiterungsmodul einen Gehäuseabschnitt aufweist, der ein Gehäuse der Basiseinheit derart erweitert, dass der Gehäuseabschnitt des Erweiterungsmoduls zusammen mit dem Gehäuse der Basiseinheit ein gemeinsames abschließendes Gehäuse bilden. Bevorzugt wird durch die Steuereinheit automatisch erkannt, ob ein Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist, beispielsweise dadurch, dass ein Vorhandensein der elektrischen Verbindung erkannt wird.
  • Die Basiseinheit kann somit eigenständig als DC/DC-Wandler mit zugehöriger Steuerung betrieben werden. Die Basiseinheit kann durch eines oder mehrere Erweiterungsmodule erweitert werden, indem die Erweiterungsmodule mit der Basiseinheit verbunden werden. Damit kann erreicht werden, dass durch die modulare Wandlereinheit höhere Ströme gehandhabt werden können und geglättete Ausgangssignale bereitgestellt werden können. Der erste DC/DC-Wandler und die weiteren DC/DC-Wandler sind bevorzugt baugleich. Ein DC/DC-Wandler wird dabei auch als Gleichspannungswandler bezeichnet. Abhängig davon, wie ein DC/DC-Wandler von der Steuereinheit angesteuert wird, wird eine Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers in eine durch die Steuereinheit definierte Ausgangsspannung gewandelt.
  • Dadurch, dass der erste DC/DC-Wandler der Basiseinheit und die weiteren DC/DC-Wandler der Erweiterungsmodule durch eine gemeinsame Steuereinheit angesteuert werden, wird zum einen ein kompakter Aufbau der Wandlereinheit geschaffen und es wird ermöglicht, dass Steuervorgänge für die unterschiedlichen DC/DC-Wandler aufeinander abgestimmt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Erweiterungsmodul für die modulare Wandlereinheit umfasst einen zweiten DC/DC-Wandler, wobei das Erweiterungsmodul dazu eingerichtet ist, derart mit der Basiseinheit gekoppelt zu werden, dass der zweite DC/DC-Wandler mit der Steuereinheit der Basiseinheit verbunden ist, um von der Steuereinheit der Basiseinheit gesteuert zu werden. Durch das Erweiterungsmodul kann die Basiseinheit hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erweitert werden. Insbesondere ist ein Gehäuseanteil des Erweiterungsmoduls so geformt, dass dieses formschlüssig mit einem Gehäuse der Basiseinheit abschließt, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden wird. Auch weist das Erweiterungsmodul elektrische Kontaktierungen auf, die derart angeordnet sind, dass diese einer Anordnung elektrischer Kontaktierungen der Basiseinheit entsprechen und es erlauben, eine elektrische Verbindung zwischen der Basiseinheit und dem Erweiterungsmodul zu schaffen.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt umfasst die Basiseinheit zwei End-Module, welche jeweils einen Abschluss auf gegenüberliegenden Seiten der Wandlereinheit bilden und dazu eingerichtet sind, dass das zumindest eine Erweiterungsmodul optional zwischen den End-Modulen eingesetzt und mit den End-Modulen verbunden werden kann. Die Steuereinheit ist dabei bevorzugt vollständig in einem ersten der beiden End-Module angeordnet. Der erste DC/DC-Wandler ist wahlweise in dem ersten End-Modul oder in einem zweiten End-Modul der beiden End-Module angeordnet. Wird ein Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden, so ist dieses zwischen den beiden End-Modulen angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise beispielsweise BUS-Systeme durch die Steuereinheit der Basiseinheit bereitgestellt werde kann und auf einer gegenüberliegenden Seite der Basiseinheit terminiert werden kann. Auch ist dies besonders vorteilhaft, da durch die Basiseinheit auf diese Weise ein Gehäuseabschluss auf beiden Seiten der modularen Wandlereinheit geschaffen werden kann und baugleiche Erweiterungsmodule zwischen diesen eingefügt werden können.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Basiseinheit ein Kühlsystem umfasst und dazu eingerichtet ist, eine Anbindung des Erweiterungsmoduls an das Kühlsystem bereitzustellen, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist. Die Anbindung kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen. So ist das Kühlsystem beispielsweise ein Flüssigkeitskühlsystem und es wird eine Kühlmittelversorgung des Erweiterungsmoduls über die Basiseinheit bereitgestellt. Alternativ wird von der Basiseinheit ein wärmeleitendes Element bereitgestellt, welches derart angeordnet ist, dass dieses mit einem wärmeleitenden Element des Erweiterungsmoduls in Kontakt steht. Eine Flüssigkeitskühlung wird dabei durch einen geschlossenen Kreislauf in der Basiseinheit ausgeführt, wobei in den Erweiterungsmodulen entstandene Wärme über die wärmeleitenden Komponenten zu dem Kühlsystem der Basiseinheit geleitet wird.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Basiseinheit ferner eine mit dem ersten DC/DC-Wandler gekoppelte erste Filtereinheit und eine mit dem ersten DC/DC-Wandler gekoppelte erste Kapazität umfasst. Durch die erste Kapazität kann eine Eingangs- oder Ausgangsseite des ersten DC/DC-Wandlers gepuffert werden. Durch die erste Filtereinheit kann eine von dem DC/DC-Wandler ausgegebene Gleichspannung geglättet werden, da diese von dem ersten DC/DC-Wandler typischerweise in Impulsen mit einer vorgegebenen Frequenz ausgegeben wird. Die erste Filtereinheit und/oder die erste Kapazität sind dabei ausschließlich dem ersten DC/DC-Wandler zugehörig. Alternativ ist die erste Filtereinheit und/oder die erste Kapazität dazu eingerichtet, bei einem Verbinden der Basiseinheit mit einem Erweiterungsmodul auch durch den DC/DC-Wandler des Erweiterungsmoduls genutzt zu werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den ersten DC/DC-Wandler und die DC/DC-Wandler der mit der Basiseinheit gekoppelten Erweiterungsmodule so anzusteuern, dass deren Schaltvorgänge miteinander koordiniert sind, um eine Welligkeit in einem Summensignal der durch die DC/DC-Wandler bereitgestellten Ströme zu minimieren. Das bedeutet insbesondere, dass ein Schalttakt der DC/DC-Wandler der modularen Wandlereinheit aufeinander abgestimmt ist. Dies ist daher möglich, da die Schalttakte für die einzelnen DC/DC-Wandler von derselben Steuereinheit bereitgestellt werden. Die DC/DC-Wandler werden dabei insbesondere so angesteuert, dass eine Welligkeit in einem Summensignal der durch die DC/DC-Wandler bereitgestellten Ströme minimiert wird. Ein Minimieren einer Welligkeit bedeutet dabei, dass eine Differenz zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert des Summensignals minimiert wird, das Summensignal also geglättet wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Schaltvorgänge so gewählt werden, dass positive Spannungsimpulse von unterschiedlichen DC/DC-Wandlern von möglichst wenigen der DC/DC-Wandler überlappen. Das Summensignal ist dabei ein Signal, das durch ein Summieren der Ausgangsspannungen aller DC/DC-Wandler erzeugt wird. Dieses Signal wird von der Basiseinheit als Ausgangssignal bereitgestellt.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Basiseinheit einen Eingangsanschluss für ein Brennstoffzellensystem aufweist, wobei die Basiseinheit ferner eine Verteilereinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den ersten DC/DC-Wandler und die weiteren DC/DC-Wandler des zumindest einen Erweiterungsmoduls mit jeweils zumindest einem Anschlusskontakt des Eingangsanschlusses zu koppeln. Die DC/DC-Wandler des Erweiterungsmoduls werden somit mit einem Anschlusskontakt des Eingangsanschlusses der Basiseinheit gekoppelt, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist. In entsprechender Weise umfasst jedes Erweiterungsmodul ebenfalls eine Verteilereinheit, welche mit der Verteilereinheit der Basiseinheit verbunden wird, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist. Es wird somit ermöglicht, dass jeder DC/DC-Wandler der Wandlereinheit über jeweils ein zugehöriges Brennstoffzellensystem oder alle DC/DC-Wandler gemeinsam von einem Brennstoffzellensystem versorgt werden. Bevorzugt wird jeweils ein DC/DC-Wandler von jeweils einem Brennstoffzellensystem versorgt. Alternativ werden alle DC/DC-Wandler der Wandlereinheit von einem Brennstoffzellensystem versorgt. Die Verteilereinheit umfasst dabei insbesondere ein BUS-System, welches über das Erweiterungsmodul oder die Erweiterungsmodule erweitert wird. Die Verteilereinheit umfasst somit einen Strom-BUS oder einen Spannungs-BUS.
  • Das Erweiterungsmodul umfasst bevorzugt eine mit dem zweiten DC/DC-Wandler gekoppelte zweite Filtereinheit und/oder eine mit dem zweiten DC/DC-Wandler gekoppelte zweite Kapazität. Dadurch wird es ermöglicht, dass beispielsweise eine Pufferkapazität durch das Erweiterungsmodul erweitert wird, wodurch die Wandlereinheit für eine Verwendung im Zusammenhang mit höheren Leistungen angepasst werden kann. Durch die zweite Filtereinheit wird es ermöglicht, dass ein Ausgangssignal oder Eingangssignal jedes DC/DC-Wandlers separat gefiltert werden kann.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn das Erweiterungsmodul eines oder mehrere Trennelemente aufweist, durch welche eine galvanische Trennung des zweiten DC/DC-Wandlers von der Basiseinheit erfolgt, wenn das Erweiterungsmodul mit der Basiseinheit verbunden ist. Es wird somit vermieden, dass ein Störeinfluss, der durch das Schalten des DC/DC-Wandlers verursacht wird, einen negativen Einfluss auf die von der Steuereinheit bereiten Schaltsignale nimmt.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Erweiterungsmodul derart mit der Basiseinheit gekoppelt ist, dass der zweite DC/DC-Wandler mit der Steuereinheit der Basiseinheit verbunden ist, und von der Steuereinheit der Basiseinheit gesteuert zu werden. Es wird somit aus der Basiseinheit und dem Erweiterungsmodul eine gemeinsame Einheit geschaffen, welche beispielsweise in einer Ausgangsleistung oder einer Qualität eines Ausgangssignals der eigenständigen Basiseinheit überlegen ist.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen modularen Wandlereinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
    • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen modularen Wandlereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
    • 3 eine schematische Darstellung von Ausgangssignalen mehrerer DC/DC-Wandler und eines zugehörigen Summensignals.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße modulare Wandlereinheit 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist eine Basiseinheit 10, ein erstes Erweiterungsmodul 20 und ein zweites Erweiterungsmodul 30 dargestellt. Die Basiseinheit 10 umfasst dabei zwei End-Module, wobei in 1 ein erstes End-Modul 11 und ein zweites End-Modul 12 dargestellt ist und das erste End-Modul 11 zusammen mit dem zweiten End-Modul 12 die Basiseinheit 10 bildet.
  • Die modulare Wandlereinheit 1 kann in unterschiedlichen Konfigurationen verwendet werden. So kann die Basiseinheit 10 in einer ersten Konfiguration ohne die Erweiterungsmodule 20, 30 genutzt werden. In einer zweiten Konfiguration kann die Basiseinheit 10 zusammen mit dem ersten Erweiterungsmodul 20 genutzt werden. In einer dritten Konfiguration kann die Basiseinheit 10 zusammen mit dem ersten Erweiterungsmodul 20 und dem zweiten Erweiterungsmodul 30 genutzt werden.
  • Bei der ersten Konfiguration wird das erste End-Modul 11 direkt mit dem zweiten End-Modul 12 verbunden. Wird die Basiseinheit 10 erweitert, so wird das erste Erweiterungsmodul 20 und/oder das zweite Erweiterungsmodul 30 zwischen den beiden End-Modulen 11, 12 angeordnet. So umfasst die modulare Wandlereinheit in der zweiten Konfiguration das erste End-Modul, das erste Erweiterungsmodul 20 und das zweite End-Modul 12. Dabei ist das erste Erweiterungsmodul 20 auf einer Seite direkt mit dem ersten End-Modul 11 verbunden und auf einer gegenüberliegenden Seite direkt mit dem zweiten End-Modul 12 verbunden. In der dritten Konfiguration umfasst die modulare Wandlereinheit 1 das erste End-Modul 11, das erste Erweiterungsmodul 20, das zweite Erweiterungsmodul 30 und das zweite End-Modul 12. Dabei ist das erste End-Modul 11 direkt mit dem ersten Erweiterungsmodul 20 verbunden, das erste Erweiterungsmodul 20 ist direkt mit dem zweiten Erweiterungsmodul 30 verbunden und das zweite Erweiterungsmodul 30 ist direkt mit dem zweiten End-Modul 12 verbunden. Die Modularität der modularen Wandlereinheit 1 erlaubt es, dass eine beliebige Anzahl von Erweiterungsmodulen 20, 30 mit der Basiseinheit 10 gekoppelt werden.
  • Die Basiseinheit 10 umfasst einen ersten DC/DC-Wandler 14 und eine Steuereinheit 13. Die Basiseinheit 10 umfasst ferner eine mit dem ersten DC/DC-Wandler 14 gekoppelte erste Filtereinheit 16 und eine mit dem ersten DC/DC-Wandler 14 gekoppelte erste Kapazität 15. Wird die Basiseinheit 10 in der ersten Konfiguration betrieben, also ohne eines der Erweiterungsmodule 20, 30, so wird ausschließlich der erste DC/DC-Wandler 14 von der Steuereinheit 13 geschaltet. Die Basiseinheit 10 weist einen Eingangsanschluss 18 auf, der dafür geeignet ist, die Basiseinheit 10 mit einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen zu verbinden. Über den Eingangsanschluss 18 wird somit ein Gleichstrom einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Dieser Strom dient als Versorgungsstrom für den ersten DC/DC-Wandler 14. Dazu ist der erste DC/DC-Wandler 14 über eine Verteilereinheit 50 mit dem Eingangsanschluss 18 verbunden. Diese Verteilereinheit 50 umfasst beispielsweise einen Strom-BUS und ist dazu eingerichtet, den ersten DC/DC-Wandler 14 mit zumindest einem Anschlusskontakt des Eingangsanschlusses 18 zu koppeln. Durch die Gestaltung der Anschlusskontakte des Eingangsanschlusses 18 und die weitere Gestaltung der Verteilereinheit 50 kann definiert werden, ob der erste DC/DC-Wandler 14 von einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen versorgt wird. Ist das erste End-Modul 11 direkt mit dem zweiten End-Modul 12 verbunden, so wird eine Verbindung zwischen unterschiedlichen Abschnitten der Verteilereinheit 50 zwischen den beiden End-Modulen 11, 12 über einen ersten Kontaktanschluss 51 des ersten End-Moduls 11 und einem zweiten Kontaktanschluss 52 des zweiten End-Moduls 12 hergestellt, die bei dem Verbinden der beiden End-Module 11, 12 aneinandergesteckt werden.
  • Wird die modulare Wandlereinheit 1 in der zweiten Konfiguration betrieben, wird also das erste Erweiterungsmodul 20 zwischen das erste End-Modul 11 und das zweite End-Modul 12 eingebracht, so wird die Verteilereinheit 50 durch einen zugehörigen Abschnitt auf dem ersten Erweiterungsmodul 20 erweitert. So wird bei dem Anbringen des ersten Erweiterungsmoduls 20 die erste Kontaktschnittstelle 51 des ersten End-Moduls 11 mit einer dritten Kontaktschnittstelle 53 des ersten Erweiterungsmoduls 20 verbunden und die zweite Kontaktschnittstelle 52 des zweiten End-Moduls 12 wird mit einer vierten Kontaktschnittstelle 54 des ersten Erweiterungsmoduls 20 verbunden.
  • In dieser ersten Ausführungsform umfasst das erste Erweiterungsmodul 20 einen ersten DC/DC-Wandler 21. Das zweite Erweiterungsmodul 30 umfasst einen zweiten DC/DC-Wandler 31. Das erste Erweiterungsmodul 20 ist baugleich zu dem zweiten Erweiterungsmodul 30. Die modulare Wandlereinheit 1 erlaubt es optional auch weitere Erweiterungsmodule mit der Basiseinheit 10 zu koppeln, wobei die weiteren Erweiterungsmodule bevorzugt baugleich zu dem ersten Erweiterungsmodul 20 und dem zweite Erweiterungsmodul 30 sind.
  • Wird das erste Erweiterungsmodul 20 mit der Basiseinheit 10 verbunden, so wird der erste DC/DC-Wandler 21 über einen von der Basiseinheit 10 bereitgestellten Steuer-BUS 17 mit der Steuereinheit 13 gekoppelt, wobei der Steuerbus 17 durch das erste Erweiterungsmodul 20 erweitert wird. Die Verbindung des ersten DC/DC-Wandlers 21 mit der Steuereinheit 13 über ein BUS-System ist jedoch beispielhaft gewählt. Alternativ wird eine dedizierte Verbindung bereitgestellt.
  • In der zweiten Konfiguration wird der erste DC/DC-Wandler 21 über die Steuereinheit 13 angesteuert und über die Verteilereinheit 50 versorgt. Dabei wird beispielsweise ein Strom eines ersten Brennstoffzellensystems dem ersten DC/DC-Wandler 14 der Basiseinheit 10 bereitgestellt und dem zweiten DC/DC-Wandler 21 des ersten Erweiterungsmoduls 20 wird ein Strom eines zweiten Brennstoffzellensystems bereitgestellt.
  • In gleicher Weise, wie auch bei dem Hinzufügen des ersten Erweiterungsmoduls 20, kann bei der dritten Konfiguration zusätzlich das zweite Erweiterungsmodul 30 hinzugefügt werden. Dabei wird beispielsweise das zweite Erweiterungsmodul 30 über eine fünfte Kontaktierungsschnittstelle 55 mit der vierten Kontaktierungsschnittstelle 54 des ersten Erweiterungsmoduls 20 verbunden und wird mit einer sechsten Kontaktierungsschnittstelle 56 mit der zweiten Kontaktierungsschnittstelle 52 des zweiten End-Moduls 12 verbunden. Die Verteilereinheit 50 wird damit über das zweite Erweiterungsmodul 30 erweitert und erstreckt sich somit von dem zweiten End-Modul 12 ausgehend über den Erweiterungsmodulen 20, 30 zugehörigen Abschnitte bis auf das erste End-Modul 11.
  • Wird das zweite Erweiterungsmodul 30 in der dritten Konfiguration mit der Basiseinheit 10 gekoppelt, so ist die Steuereinheit 13 ebenfalls über den Steuer-BUS 17 mit dem dritten DC/DC-Wandler des zweiten Erweiterungsmoduls 30 verbunden. Es ist somit ermöglicht, dass durch die Steuereinheit 13 der erste DC/DC-Wandler 14, der zweite DC/DC-Wandler 21 und der dritte DC/DC-Wandler 31 angesteuert wird. Die Steuereinheit 13 ist dazu eingerichtet, den ersten DC/DC-Wandler 14 und die DC/DC-Wandler 21, 31 der mit der Basiseinheit 10 gekoppelten Erweiterungsmodule 20, 30 so anzusteuern, dass deren Schaltvorgänge miteinander koordiniert sind, um eine Welligkeit in einem Summensignal der durch die DC/DC-Wandler bereitgestellten Ströme zu minimieren. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt.
  • Gemäß dem in 3 dargestellten Diagrammen wird die Wandlereinheit in der dritten Konfiguration betrieben. So ist in 3 ein erstes Diagramm 41 dargestellt, in dem ein Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers 14 gezeigt ist. Ferner ist in einem zweiten Diagramm 42 ein Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 21 gezeigt und in einem dritten Diagramm 43 ein Ausgangsstrom des dritten DC/DC-Wandlers 31 gezeigt. In einem vierten Diagramm 44 ist ein Summensignal dargestellt, welches einen Strom beschreibt, der von der modularen Wandlereinheit 1 in der dritten Konfiguration über einen Ausgangsanschluss 19 ausgegeben wird. Der Ausgangsstrom ergibt sich in dem Summensignal durch Summieren der Ausgangsströme der einzelnen DC/DC-Wandler 14, 21, 31. In 3 ist somit das in dem vierten Diagramm 44 dargestellte Stromsignal eine Summe aus den darüber abgebildeten Stromsignalen des ersten bis dritten Diagramms 41 bis 43.
  • Es ist ersichtlich, dass durch den ersten DC/DC-Wandler 14 einzelne Stromimpulse ausgegeben werden. Entsprechend werden auch durch den zweiten DC/DC-Wandler 21 und den dritten DC/DC-Wandler 31 einzelne Stromimpulse ausgegeben. Durch die Steuereinheit 13 wird definiert, wann durch die einzelnen DC/DC-Wandler 14, 21, 31 jeweils ein Impuls ausgegeben wird. So wird beispielsweise jeder der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 derart angesteuert, dass durch diesen nach jedem Zeitintervall T1 erneut ein Stromimpuls ausgegeben wird. Gleichzeitig werden die Schaltzeiten der einzelnen DC/DC-Wandler 14, 21, 31 durch die Steuereinheit 13 derart koordiniert, dass maximal die Stromimpulse zweier der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 zeitgleich abgegeben werden. So wird durch die Steuereinheit 13 beispielsweise eine Phasenverschiebung d zwischen den Stromimpulsen der unterschiedlichen DC/DC-Wandler 14, 21, 31 koordiniert.
  • Ein Moment, zu dem zwei der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 einen Stromimpuls ausgeben ist in dem Summensignal 44 als ein Peak erkennbar. Durch die Steuereinheit wird vermieden, dass die Taktung der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 gegeneinander triftet und dass es dazu kommt, dass drei der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 gleichzeitig einen Stromimpuls abgeben, wodurch in dem Summensignal ein deutlich höherer Peak verursacht würde. Gleichzeitig wird dadurch vermieden, dass zu irgendeinem Zeitpunkt keiner der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 einen Impuls abgibt, wodurch das Summensignal auf null abfallen würde. Es werden sowohl Minima als auch Maxima in dem Summensignal einem Mittelwert angenähert und somit die Welligkeit des Summensignals minimiert.
  • Durch die Basiseinheit 10 wird ebenfalls ein Kühlsystem bereitgestellt. So weist beispielsweise das erste End-Modul 11 einen Kühlmittelanschluss 57 auf, wobei das Kühlmittel für eine Kühlung des ersten DC/DC-Wandlers 14 über den Kühlmittelanschluss 57 bereitgestellt, durch das erste End-Modul 11 geleitet und über den Kühlmittelanschluss 57 wieder abgegeben wird. Die DC/DC-Wandler 21, 31 der Erweiterungsmodule 20, 30 können über wärmeleitende Elemente, welche Komponenten des jeweiligen Erweiterungsmoduls 20, 30 sind, mit dem Kühlsystem verbunden werden. Optional ist es möglich, dass ein Kühlmittelfluss auch durch die Erweiterungsmodule 20, 30 geführt wird, was beispielsweise mittels eines Kühlmittelverbindungssteckers erfolgen könnte.
  • Das erste Erweiterungsmodul 20 und das zweite Erweiterungsmodul 30 weisen jeweils ein Trennelement auf, durch welches eine galvanische Trennung des jeweils zugehörigen DC/DC-Wandlers 21, 31 von der Basiseinheit 10 erfolgt, wenn das jeweilige Erweiterungsmodul 20, 30 mit der Basiseinheit 10 verbunden ist. So ist der zweite DC/DC-Wandler 21 und der dritte DC/DC-Wandler 31 beispielsweise über eine Kopplungskapazität mit dem Steuer-BUS 17 gekoppelt. Auf diese Weise wird vermieden, dass Unterschiede in einem Spannungsniveau zwischen den Komponenten der Basiseinheit 10 und Komponenten der Erweiterungsmodule 20, 30 zu einer Verzerrung der Schaltzeiten der DC/DC-Wandler 21, 31 der Erweiterungsmodule 20, 30 führen.
  • In 2 ist eine modulare Wandlereinheit 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die modulare Wandlereinheit 1 entspricht dabei im Wesentlichen der Wandlereinheit 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, jedoch ist auf jedem der Erweiterungsmodule 20, 30 jeweils eine Filtereinheit und eine Kapazität angeordnet. So ist beispielsweise auf dem ersten Erweiterungsmodul 20 eine zweite Filtereinheit 23 und eine zweite Kapazität 22 angeordnet, wobei die zweite Filtereinheit 23 und die zweite Kapazität 22 mit dem zweiten DC/DC-Wandler 21 gekoppelt sind. In entsprechender Weise umfasst das zweite Erweiterungsmodul 30 eine dritte Kapazität 32 und eine dritte Filtereinheit 33, die beide mit dem dritten DC/DC-Wandler 31 gekoppelt sind. Es kann somit für jeden der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 eine individuelle Filterung des Ausgangssignals mittels der Filtereinheiten 16, 23, 33 erfolgen und durch die Kapazitäten 15, 22, 32 wird eine eingangs- oder ausgangsseitige Pufferung der DC/DC-Wandler 14, 21, 31 ermöglicht. In welcher Weise die Filtereinheiten, die Kapazitäten und die DC/DC-Wandler miteinander und mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 18, 19 gekoppelt sind, ergibt sich aus den individuellen Anforderungen an die modulare Wandlereinheit 1, kann aber in ähnlicher Weise wie bei DC/DC-Wandlern erfolgen, die auch in nicht modularer Weise in der Kombination mit Brennstoffzellen verwendet werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung der Funktion und die Reduzierung der Kosten durch Entfall oder geeignete Anpassung von Bauteilen in einem Fuel Cell Power Modul.
  • Durch die erfindungsgemäße Wandlereinheit 1 wird eine Optimierung des DC-DC Wandler Bauraums in einem Fuel Cell Power Modul, durch die Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses und Optimierung der Anschlüsse (Kabel, Kühlmittel, ...) erreicht. Zudem erfolgt eine Optimierung der Funktion, durch Koordination der Signale, um eine gleichförmigere Spannung am Ausgang und am DC-Link Kondensator zu erreichen. Auch erfolgt eine die Optimierung des Bauraums oder der Kosten des DC-Link Kondensators mittels der Koordination der Signale. Zudem erfolgt eine Reduzierung der Kosten zur Erfüllung der EMV-Anforderungen durch den Einsatz kostengünstigerer Bauteile und den Aufbau in einem Gehäuse
  • Die Wandlereinheit 1 ist bevorzugt aus zwei Seitenteilen und einem oder mehreren Mittelteilen aufgebaut. Die Seitenteile tragen die gemeinsamen Anschlüsse für die elektrische Anbindung, einen µController, also die Steuereinheit 13, eine Kühlmittelanbindung, sowie weitere gemeinsame Schnittstellen oder Bauteile (falls diese erforderlich sind). Die Mittelteile und somit die Erweiterungsmodule 20, 30 weisen jeweils einen DC-DC Wandler 21, 31 auf, der über eine galvanische Trennung verfügt. Dieser optimierte Aufbau ermöglicht den Entfall von zwei DC-Link Kondensatoren und zwei µControllern. Die Verwendung eines µControllers und einer gemeinsamen Software ermöglicht die Koordination der Strom Signale der jeweiligen DC-DC Wandler. Beispielsweise können die Pausen t1 der DC-DC Wandler Signale so abgestimmt werden, dass ein nahezu konstantes Summensignal entsteht. Ziel der Koordination ist die Welligkeit der Signale zu reduzieren, um dadurch eine Optimierung (Reduzierung) der Kapazität und des Bauraums für den DC-Link Kondensator zu erreichen.
  • Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 3 verwiesen.

Claims (10)

  1. Modulare Wandlereinheit (1), umfassend: - eine Basiseinheit (10), welche einen ersten DC/DC-Wandler (14) und eine Steuereinheit (13) umfasst, wobei die Steuereinheit (13) dazu eingerichtet ist, einen Schaltvorgang des ersten DC/DC-Wandlers (14) zu steuern, - wobei die Basiseinheit (10) dazu eingerichtet ist, dass zumindest ein Erweiterungsmodul (20, 30) mit dieser verbindbar ist, wobei das Erweiterungsmodul (20, 30) einen weiteren DC/DC-Wandler (21, 31) umfasst, und die Steuereinheit (13) dazu eingerichtet ist, den weiteren DC/DC-Wandler (21, 31) anzusteuern, wenn das Erweiterungsmodul (20, 30) mit der Basiseinheit (10) verbunden ist.
  2. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (10) zwei End-Module (11, 12) umfasst, welche jeweils einen Abschluss auf gegenüberliegenden Seiten der Wandlereinheit (1) bilden und dazu eingerichtet sind, dass das zumindest eine Erweiterungsmodul (20, 30) optional zwischen den End-Modulen (11, 12) eingesetzt und mit den End-Modulen (11, 12) verbunden werden kann.
  3. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (10) ein Kühlsystem umfasst und dazu eingerichtet ist, eine Anbindung des Erweiterungsmoduls (20, 30) an das Kühlsystem bereitzustellen, wenn das Erweiterungsmodul (20, 30) mit der Basiseinheit (10) verbunden ist.
  4. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (10) ferner eine mit dem ersten DC/DC-Wandler (14) gekoppelte erste Filtereinheit (16) und eine mit dem ersten DC/DC-Wandler (14) gekoppelte erste Kapazität (15) umfasst.
  5. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) dazu eingerichtet ist, den ersten DC/DC-Wandler (14) und die DC/DC-Wandler (21, 31) der mit der Basiseinheit (10) gekoppelten Erweiterungsmodule (20, 30) so anzusteuern, dass deren Schaltvorgänge miteinander koordiniert sind, um eine Welligkeit in einem Summensignal der durch die DC/DC-Wandler (20, 30) bereitgestellten Ströme zu minimieren.
  6. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (10) einen Eingangsanschluss (18) für einen oder mehrere Brennstoffzellensysteme aufweist, wobei die Basiseinheit (10) ferner eine Verteilereinheit (50) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den ersten DC/DC-Wandler (14) und die weiteren DC/DC-Wandler (21, 31) des zumindest einen Erweiterungsmoduls (20, 30) mit jeweils zumindest einem Anschlusskontakt des Eingangsanschlusses (18) zu koppeln.
  7. Erweiterungsmodul (20) für eine modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend einen zweiten DC/DC-Wandler (21), - wobei das Erweiterungsmodul (20) dazu eingerichtet ist, derart mit der Basiseinheit (10) gekoppelt zu werden, dass der zweite DC/DC-Wandler (21) mit der Steuereinheit (13) der Basiseinheit (10) verbunden ist, um von der Steuereinheit (13) der Basiseinheit (10) gesteuert zu werden.
  8. Erweiterungsmodul (20) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erweiterungsmodul ferner eine mit dem zweiten DC/DC-Wandler (21) gekoppelte zweite Filtereinheit (23) und eine mit dem zweiten DC/DC-Wandler gekoppelte zweite Kapazität (22) umfasst.
  9. Erweiterungsmodul (20) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erweiterungsmodul (20) eines oder mehrere Trennelemente aufweist durch welche eine galvanische Trennung des zweiten DC/DC-Wandlers (21) von der Basiseinheit (10) erfolgt, wenn das Erweiterungsmodul (20) mit der Basiseinheit (10) verbunden ist.
  10. Modulare Wandlereinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend das Erweiterungsmodul gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Erweiterungsmodul (20) derart mit der Basiseinheit (10) gekoppelt ist, dass der zweite DC/DC-Wandler (21) mit der Steuereinheit (13) der Basiseinheit (10) verbunden ist, um von der Steuereinheit (13) der Basiseinheit (10) gesteuert zu werden.
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