DE102022207433A1 - Symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler, aufweisend eine DC-Eingangsspannungsquelle mit einem DC-Minus-Spannungseingang und einem DC-Plus-Spannungseingang, einen DC-Minus- und einen DC-Plus-Spannungsausgang, mindestens vier Schalter, sowie zwei Drosseln, von denen eine Drossel mit dem DC-Minus-Spannungseingang und zwei benachbarten Schaltern, und die andere Drossel mit dem DC-Plus-Spannungseingang und zwei anderen benachbarten Schaltern derart verbunden ist, dass eine symmetrische Topologie mit getrennten DC-Spannungseingängen resultiert. Ferner sind ein zwischen den Spannungseingängen angeordneter Eingangskondensator und ein mit dem DC-Minus-Spannungseingang und dem DC-Minus-Spannungsausgang verbundener erster Symmetriekondensator, sowie ein mit dem DC-Plus-Spannungseingang und dem DC-Plus-Spannungsausgang verbundener zweiter Symmetriekondensator vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Boost-DC/DC-Wandler für einen mittels Brennstoffzellen angetriebenen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen.
  • Um einem Hochvoltbordnetz und damit einem Elektromotor Energie aus einer Brennstoffzelle bereitstellen zu können, wird ein Boost-DC/DC-Wandler eingesetzt. Dieser erhöht die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung um einen vorgegebenen Wert und stellt diese dann dem Hochvoltbordnetz zur Verfügung. Allerdings ist es ein Problem, dass bei der Verwendung von Boost-DC/DC-Wandlern eine direkte Verbindung von Anschlüssen der Brennstoffzelle und des HV-Bordnetzes vorhanden ist, woraus eine unerwünschte Asymmetrie in den Isolationsspannungen zum Fahrzeugchassis resultiert.
  • Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Boost-DC/DC-Wandler bereitzustellen, durch welchen die Asymmetrie in den Isolationsspannungen verringert oder weitgehend eliminiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird ein symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler, aufweisend eine DC-Eingangsspannungsquelle mit einem DC-Minus-Spannungseingang und einem DC-Plus-Spannungseingang, einen DC-Minus- und einen DC-Plus-Spannungsausgang, mindestens vier Schalter, sowie zwei Drosseln, von denen eine Drossel mit dem DC-Minus-Spannungseingang und zwei benachbarten Schaltern, und die andere Drossel mit dem DC-Plus-Spannungseingang und zwei anderen benachbarten Schaltern derart verbunden ist, dass eine symmetrische Topologie mit getrennten DC-Spannungseingängen resultiert. Ferner sind ein zwischen den Spannungseingängen angeordneter Eingangskondensator und ein mit dem DC-Minus-Spannungseingang und dem DC-Minus-Spannungsausgang verbundener erster Symmetriekondensator, sowie ein mit dem DC-Plus-Spannungseingang und dem DC-Plus-Spannungsausgang verbundener zweiter Symmetriekondensator vorgesehen.
  • In einer Ausführung sind die Drosseln magnetisch gekoppelt.
  • In einer Ausführung ist der Boost-DC/DC-Wandler als bidirektionaler Boost-DC/DC-Wandler ausgeführt, und die Schalter sind als Halbeiterschalter ausgeführt. In einer alternativen Ausführung ist der Boost-DC/DC-Wandler als unidirektionaler Boost-DC/DC-Wandler ausgeführt, und die Schalter sind als Dioden ausgeführt.
  • In einer Ausführung ist ferner zwischen den Schaltern und den DC-Spannungsausgängen Ausgangskondensatoren angeordnet.
  • Ferner wird eine Verwendung des Boost-DC/DC-Wandlers für mit einer Brennstoffzelle betriebene Kraftfahrzeuge vorgeschlagen.
  • Ferner wird ein Brennstoffzellenantrieb eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend eine Brennstoffzelle und den Boost-DC/DC-Wandler, wobei die DC-Spannungseingänge des Boost-DC/DC-Wandlers mit der Brennstoffzelle und die DC-Spannungsausgänge mit einem einen Elektromotor aufweisenden Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs als DC-Spannungseingänge verbunden sind.
  • Ferner wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend einen mittels dem Brennstoffzellenantrieb angetriebenen Elektromotor.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einem symmetrischen Boost-DC/DC-Wandler gemäß dem Stand der Technik.
    • 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einem symmetrischen Boost-DC/DC-Wandler gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt eine Schaltungsanordnung des in 2 gezeigten Boost-DC/DC-Wandlers.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie bereits erwähnt, ist es ein Ziel der Erfindung, eine Verringerung der Asymmetrie in den Isolationsspannungen zum Fahrzeugchassis zu erreichen.
  • Boost-DC/DC-Wandler 1 werden auch als Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler bezeichnet. Bei dieser Art von Wandler ist der Betrag der Ausgangsspannung stets höher als der Betrag der Eingangsspannung. Somit können Boost-DC/DC-Wandler 1 (nachfolgend auch lediglich kurz als DC/DC-Wandler 1 bezeichnet) im Bereich der Antriebstechnik bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere eignen sie sich dazu, im Rahmen eines Antriebs mittels Brennstoffzellen 2 eingesetzt zu werden. Hierbei wandelt der Boost-DC/DC-Wandler 1 eine von der Energiequelle (hier der Brennstoffzelle 2) kommende Eingangsspannung U_in von z.B. 400V in eine Ausgangsspannung von z.B. 800V für das an den Boost-DC/DC-Wandler 1 anschließende Hochvolt-Bordnetz 3 (kurz HV-Bordnetz 3), also auch den Antrieb in Form eines Elektromotors.
  • Der grundsätzliche Aufbau von DC/DC-Wandlern 1 ist bekannt und wird hier deshalb nicht wiederholt. In 1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 2, einem daran anschließenden DC/DC-Wandler 1 gemäß dem Stand der Technik und einem daran anschließenden HV-Bordnetz 3 gezeigt. Hier ist zu sehen, dass aufgrund der Topologie des DC/DC-Wandlers 1 eine direkte Verbindung zwischen z.B. den negativen DC-Minus-Spannungseingängen In- von Seite der Brennstoffzelle 2 und den negativen DC-Minus-Spannungsausgängen Out- in Richtung HV-Bordnetz 3 vorhanden ist. Daraus resultiert eine Asymmetrie in den Isolationsspannungen zum Potential P am Fahrzeugchassis, wie in 1 durch die unterschiedlichen Spannungen (+100V/-300V am Eingang des DC/DC-Wandlers 1 und +500V/-300V am Ausgang des DC/DC-Wandlers 1) beispielhaft angedeutet. Nachteilig an aktuellen DC/DC-Wandlern ist, dass an den Bauteilen im HV-Bordnetz 3 eine höhere Dauerspannung als die halbe HV-Spannung anliegt, was die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigen kann. Außerdem ist die Asymmetrie ungünstig für die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken sowie die Lebensdauer der Isolationsmaterialien.
  • Da die DC/DC-Wandler 1 die vollständige Antriebsleistung übernehmen müssen, ist eine galvanische Trennung wenig sinnvoll. Aus diesem Grund wurde eine andere Lösung für das Problem gesucht, Asymmetrie in den Isolationsspannungen zum Fahrzeugchassis zu vermeiden.
  • Um dieses Problem zu beheben, wird eine symmetrische DC/DC-Wandlertopologie mit getrennten negativen und positiven DC-Spannungseingängen In-; In+ vorgeschlagen, wie in 2 und 3 dargestellt. 3 zeigt den Schaltungsaufbau des in 2 als black box dargestellten Boost-DC/DC-Wandlers 1 im Detail. Bereits in 2 ist zu sehen, dass keine direkte Verbindung mehr zwischen negativem oder positivem DC-Spannungseingang In-; In+ auf Seite der Brennstoffzelle 2 und des HV-Bordnetzes 3 besteht.
  • Wie in 2 gezeigt, bewirkt die in 3 gezeigte symmetrische DC/DC-Wandlertopologie ein symmetrisches Aufteilen der Eingangsspannung U_in des DC/DC-Wandlers 1, welche in dieser Ausführung 400V beträgt, in je 200V. Auch wird dadurch ein symmetrisches Aufteilen der Eingangsspannung in das HV-Bordnetz 3, welche der Ausgangsspannung U_out des DC/DC-Wandlers 1 entspricht, erreicht. In dieser Ausführung beträgt diese 800V, und wird in je 400V aufgeteilt. Um dies zu erreichen, wird ein symmetrisch aufgebauter Multi-Level DC/DC-Wandler 1 zwischen Brennstoffzelle 2 und HV-Bordnetz 3 bereitgestellt, welcher zwei Drosseln 105, 106 im DC/DC-Wandler 1 aufweist, durch welche ein symmetrisches Aufteilen der Eingangsspannung U_in des DC/DC-Wandlers 1 erfolgen kann. Die Drosseln 105, 106 können dabei sowohl voneinander getrennt als auch magnetisch gekoppelt sein.
  • Nachfolgend wird der Schaltungsaufbau mit Bezug zu 3 genauer beschrieben. In dieser Ausführung sind die Schalter 101-104 als Halbleiterschalter ausgeführt, von denen jeweils Schalter 101,102 und 103, 104 eine Halbbrücke bilden.
  • Die Drossel 105 ist an einem Ende mit dem DC-Plus-Spannungseingang In+ elektrisch verbunden. An dem anderen Ende ist sie mittig zwischen den beiden benachbarten Schaltern 101, 102 elektrisch verbunden. Die beiden anderen Enden der Schalter 101, 102, also die nicht mit der Drossel 105 verbundenen Enden, sind mit dem DC-Minus- und dem DC-Plus-Spannungsausgang Out-; Out+ verbunden.
  • Dieselbe Schaltungsanordnung wird für den DC-Minus-Spannungseingang In- gespiegelt, um einen symmetrischen Aufbau zu erreichen. Das heißt, die Drossel 106 ist an einem Ende mit dem DC-Minus-Spannungseingang In- elektrisch verbunden und mit dem anderen Ende mittig zwischen den beiden anderen benachbarten Schaltern 103, 104 elektrisch verbunden.
  • Wie bereits beschrieben, sind in dieser Ausführung an die Drosseln 105, 106 anschließend mindestens vier in Reihe geschaltete Schalter 101-104 vorgesehen, so dass mindestens drei topologische Level vorhanden sind. Es können aber auch mehr topologische Level vorgesehen sein, also mehr als vier Schalter 101-104.
  • Um eine Symmetrie zu erreichen, sind die beiden benachbarten Schalter 101, 102 mit der Drossel 105 und damit mit dem DC-Plus-Spannungseingang In+, und die anderen beiden benachbarten Schalter 103, 104 mit der Drossel 106 und damit mit dem DC-Minus-Spannungseingang In- verbunden. Somit können zwei getrennte Zwischenkreise im HV-Bordnetz 3 vorgesehen sein, die von je zwei (in 3) übereinander liegenden Schaltern 101, 102 bzw. 103, 104 angesteuert werden.
  • Zwischen den Schaltern 101-104 und dem DC-Minus- bzw. DC-Plus-Spannungsausgang Out-; Out+ sind in Reihe geschaltete Ausgangskondensatoren C_A1; C_A2 vorgesehen, welche in der in 3 gezeigten Ausführung als einzelne Kondensatoren C_A1; C_A2 gebildet sind.
  • Zwischen den beiden zu je einer Spule 105 und 106 und damit zu einem anderen DC-Spannungseingang In-, In+ zugehörigen in Reihe geschalteten Schaltern 101, 102 bzw. 103, 104 ist ein Spannungs-Abgriff vorgesehen, der wiederum zwischen den Ausgangskondensatoren C_A1; C_A2 verbunden ist. Die jeweiligen Enden der Ausgangskondensatoren C_A1; C_A2 sind mit dem DC-Minus- bzw. dem DC-Plus-Spannungsausgang Out-; Out+ verbunden.
  • Am Eingang der Spulen 105, 106, an dem diese mit der Energiequelle, also der Brennstoffzelle 2, elektrisch verbunden sind, sind drei Kondensatoren C1, C_S1, C_S2 in Reihe geschaltet. Der Eingangskondensator C_1 ist dabei an einem Ausgang mit dem DC-Plus-Spannungseingang In+ und am anderen Ende mit dem DC-Minus-Spannungseingang In- verbunden. Der zum DC-Plus-Spannungseingang In+ zugehörige Symmetriekondensator C_S1 ist mit einem Ende ebenfalls am DC-Plus-Spannungseingang In+ verbunden. Mit seinem anderen Ende ist er mit dem DC-Plus-Spannungsausgang Out+ verbunden (ebenso wie ein Ausgang des Schalters 101 und ein Ende des Ausgangskondensators C_A1). Der zum DC-Minus-Spannungseingang In- zugehörige Symmetriekondensator C_S2 ist mit einem Ende ebenfalls am DC-Minus-Spannungseingang In- verbunden. Mit seinem anderen Ende ist er mit dem DC-Minus-Spannungsausgang Out- verbunden (ebenso wie ein Ausgang des Schalters 104 und ein Ende des Ausgangskondensators C_A2).
  • Der Eingangskondensator C_1 verhindert ein Springen des Potentials zwischen den DC-Spannungseingängen In-; In+. Die beiden Symmetriekondensatoren C_S1 und C_S2 verhindern ein Springen des Potentials zwischen DC-Plus-Spannungseingang In+ bzw. dem deutlichen höheren Potential am DC-Plus-Spannungsausgang Out+ und zwischen DC-Minus-Spannungseingang In- und dem deutlichen höheren Potential am DC-Minus-Spannungsausgang Out-.
  • In 1 und 2 sind ferner Isolationswiderstände R_iso eingezeichnet. Diese sind nicht Teil der Erfindung und sind lediglich der Vollständigkeit halber eingezeichnet.
  • Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektromotors eines mittels Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Leistungselektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem HV-Bordnetz 3 für den Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
  • DC/DC-Wandler und Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Boost-DC/DC-Wandler
    101-104
    Schalter
    105, 106
    Drosseln
    C_1
    Eingangskondensator
    C_S1; C_S2
    Symmetriekondensator
    C_A1; C_A2
    Ausgangskondensatoren
    In-; In+
    DC-Spannungseingänge
    Out-; Out+
    DC-Spannungsausgänge
    U_in
    Eingangsspannung
    U_out
    Ausgangsspannung
    P
    Potential Fahrzeugchassis
    2
    Brennstoffzelle
    3
    HV-Bordnetz

Claims (7)

  1. Symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler (1), aufweisend - eine DC-Eingangsspannungsquelle (2) mit einem DC-Minus-Spannungseingang (In-) und einem DC-Plus-Spannungseingang (In+), - einen DC-Minus- und einen DC-Plus-Spannungsausgang (Out-; Out+) - mindestens vier Schalter (101-104), - zwei Drosseln (105, 106), von denen eine Drossel (105) mit dem DC-Minus-Spannungseingang (In-) und zwei benachbarten Schaltern (101, 102), und die andere Drossel (106) mit dem DC-Plus-Spannungseingang (In+) und zwei anderen benachbarten Schaltern (103, 104) derart verbunden ist, dass eine symmetrische Topologie mit getrennten DC-Spannungseingängen (In-; In+) resultiert, und wobei ferner vorgesehen sind: - ein zwischen den Spannungseingängen (In-; In+) angeordneter Eingangskondensator (C_1), - ein mit dem DC-Minus-Spannungseingang (In-) und dem DC-Minus-Spannungsausgang (Out-) verbundener erster Symmetriekondensator (C_S1) und ein mit dem DC-Plus-Spannungseingang (In+) und dem DC-Plus-Spannungsausgang (Out+) verbundener zweiter Symmetriekondensator (C_S2).
  2. Symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler (1) nach Anspruch 1, wobei die Drosseln (105, 106) magnetisch gekoppelt sind.
  3. Symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Boost-DC/DC-Wandler (1) - als bidirektionaler Boost-DC/DC-Wandler (1) ausgeführt ist und die Schalter (101-104) als Halbeiterschalter ausgeführt sind, oder - als unidirektionaler Boost-DC/DC-Wandler (1) ausgeführt ist und die Schalter (101-104) als Dioden ausgeführt sind.
  4. Symmetrischer Boost-DC/DC-Wandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner zwischen den Schaltern (101-104) und den DC-Spannungsausgängen (Out-; Out+) Ausgangskondensatoren (C_A1; C_A2) angeordnet sind.
  5. Verwendung eines Boost-DC/DC-Wandlers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für mit einer Brennstoffzelle betriebene Kraftfahrzeuge.
  6. Brennstoffzellenantrieb eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Brennstoffzelle (2) und einen Boost-DC/DC-Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die DC-Spannungseingänge (In-; In+) des Boost-DC/DC-Wandlers (1) mit der Brennstoffzelle (2) und die DC-Spannungsausgänge (Out-; Out+) mit einem einen Elektromotor aufweisenden Hochvoltbordnetz des Kraftfahrzeugs als DC-Spannungseingänge verbunden sind.
  7. Kraftfahrzeug, aufweisend einen mittels einem Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6 angetriebenen Elektromotor.
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