EP3871330A1 - Gleichspannungswandleranordnung für brennstoffzellenfahrzeug verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Gleichspannungswandleranordnung für brennstoffzellenfahrzeug verfahren zu deren betrieb

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EP3871330A1
EP3871330A1 EP19779398.7A EP19779398A EP3871330A1 EP 3871330 A1 EP3871330 A1 EP 3871330A1 EP 19779398 A EP19779398 A EP 19779398A EP 3871330 A1 EP3871330 A1 EP 3871330A1
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EP
European Patent Office
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voltage
transformer
switch
fuel cell
full switch
Prior art date
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Pending
Application number
EP19779398.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Breu
Maximilian SCHIEDERMEIER
Fabian SCHULTE
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a DC / DC converter arrangement for the galvanically isolated, at least indirect, electrical coupling of a fuel cell unit to a traction network comprising a high-voltage battery.
  • the DC voltage converter arrangement comprises a fuel cell-side electrical first connection pair, to which an input DC voltage is or can be applied, the DC input voltage being established by means of a first full switch bridge comprising a first switch and by means of a second full switch bridge comprising a second switch connected in parallel with the first full switch bridge an AC voltage is transformable.
  • the AC voltage provided by the first full switch bridge can be transformed from a first primary side of a first transformer to a first secondary side of the first transformer in a predetermined or a predeterminable ratio.
  • the AC voltage provided by the second full switch bridge can be transformed from a second primary side of a second transformer to a second secondary side of the second transformer in a predetermined or a predeterminable ratio.
  • the transformed alternating voltage is by means of a fourth switch comprising a third switch electrically connected to the first secondary side of the first transformer and by means of a fourth switch comprising a fourth switch connected in series with the third switch bridge and electrically connected to the second secondary side of the second transformer
  • Switch full bridge can be transformed to an output DC voltage, which is provided or can be provided on a battery-side electrical second connection pair.
  • the invention further relates to a method for operating such a DC voltage circuit arrangement and a fuel cell vehicle.
  • the requirements for insulation resistance according to ISO 6496-3 (in the version valid at the time of the priority of the present application) must be met.
  • the insulation resistance is voltage-dependent and must therefore have higher values for larger voltages in order to protect against insulation faults.
  • the fuel cell stack itself has a comparatively low insulation resistance, so that it fulfills requirements for a traction network in the range from 350 volts (V) to 450 V, in particular 400 V.
  • V volts
  • fuel cell vehicles with an 800 volt architecture in particular, run the risk of not meeting the requirements of ISO 6496-3.
  • the DC / DC converter arrangement according to the invention is distinguished in particular by the fact that at least one of the full switch bridges is integrated in a resonant circuit comprising an inductor and a capacitor.
  • the resonant circuit has the advantage that the load current flows sinusoidally through the switches, being shifted in the positive direction by the amount of the output current. There is therefore only a low probability that the switching operation of the switches takes place precisely when the amplitude of the load current is at a maximum, so that in at least a large number of switching operations the switches do not carry the full load current and are therefore thermally relieved.
  • a particularly simple construction which at the same time leads to a compact design of the direct voltage converter arrangement, is characterized in that the resonant circuit is assigned to the secondary transformer on the secondary side and the resonant circuit by means of a leakage inductor provided on the secondary side - activity of the first transformer and / or the second transformer.
  • the capacitor and / or the leakage inductance is dimensioned or designed such that a load current flowing through the third switches of the third full switch bridge and / or a load current flowing through the fourth switches of the fourth full switch bridge is reduced, in particular minimized.
  • the switching times of the switches are selected such that they essentially correspond to the zero crossings of the essentially sinusoidal load current through the switches.
  • a further thermal relief of the switches and thus an increase in efficiency can be achieved in that the first transformer is assigned a first resonance circuit, driven by means of leakage inductance on the secondary side and comprising a first capacitor, and that the second transformer is driven by leakage inductance on the secondary side , a second resonant circuit comprising a second capacitor is assigned.
  • an output connection pair of a step-up converter electrically connected to the fuel cell unit is connected to the first electrical connection pair.
  • the voltage provided by the fuel cell unit can be increased in a ratio of 1.2 to 1.5 times by means of the step-up converter, the DC input voltage UE being provided at the output of the step-up converter.
  • the step-up converter has a first DC voltage position on the input side and a second DC voltage position which is higher than the first DC voltage position on the output side, the second DC voltage position corresponding to the input DC voltage and the output DC voltage again compared to the DC input voltage was increased.
  • a more compact and more highly integrated fuel cell system can be formed by the fact that the DC / DC converter arrangement provides a distribution unit on the output connection pair of the step-up converter, which is electrically connected there.
  • the distribution unit is preferably electrically connected on the output side to at least one secondary consumer of a fuel cell system comprising the fuel cell unit.
  • Secondary consumers of the fuel cell system can be, for example, coolant pumps, recirculation fans, compressors and the like.
  • an electrical resonant circuit comprising a capacitor by means of a leakage inductance of the first transformer and / or the second transformer on the secondary side, such that an essentially sinusoidal load current flowing through the switches of at least one of the full switch bridges is essentially at zero crossing at the switching instant.
  • An integrated resonant resonant circuit is thus implemented which uses the leakage inductance of the first transformer and / or the second transformer to reduce the load current during the switching process through the switches and thus to thermally relieve the switches of the full switch bridges.
  • the fuel cell unit provides a first DC voltage position which is picked up on the input side by a step-up converter which provides a second DC voltage position which is higher on the output side and if the second DC voltage position corresponds to the input DC voltage .
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a DC converter arrangement for the electrically isolated electrical coupling of a fuel cell unit to a traction network (vehicle electrical system), which provides a total of three different DC voltage layers
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a DC converter arrangement for the electrically isolated, at least indirect, electrical coupling of one 3 shows the current profile, the voltage profile and the switching losses while the switches of a full switch bridge of the DC voltage converter arrangement from FIG. 2 are switched off,
  • Figure 4 is an equivalent circuit diagram of a DC converter arrangement from the prior art
  • FIG. 5 shows the current profile, the voltage profile and the switching losses when the switches of a full switch bridge of the DC-DC converter arrangement from FIG. 4 are switched off.
  • FIG. 4 shows a DC voltage converter arrangement 100 according to the preamble of claim 1. Analogously to the DC voltage converter arrangement 100 according to the invention (FIG. 2), this is also designed to electrically couple, at least indirectly, a fuel cell unit 102 electrically, with a traction network 106 comprising a high-voltage battery 104.
  • the DC voltage converter arrangements 100 have an electrical first connection pair 108a, 108b on the fuel cell side, to which an input DC voltage UE is present or can be applied.
  • the DC input voltage UE is open by means of a first switch full bridge 1 10 comprising a first switch Sn, S12, S13, Si 4 and by means of a second switch bridge 1 12 comprising second switches S21, S22, S23, S24 connected in parallel to the first switch full bridge 1 10 an AC voltage can be transformed.
  • the AC voltage provided by the first full switch bridge 110 can be transformed from a first primary side 114 of a first transformer Ti to a first secondary side 116 of the first transformer Ti in a predetermined or a predetermined ratio.
  • the alternating voltage provided by the second full switch bridge 112 can be transformed from a second primary side 118 of a second transformer T2 to a second secondary side 120 of the second transformer T2 in a predetermined or a predeterminable ratio.
  • the transformed AC voltage is connected to the second secondary side 120 by means of a third full switch bridge 122 comprising third switches S31, S32, S33, S34, which is electrically connected to the first secondary side 116 of the first transformer Ti, and by means of a third full side bridge 122 connected in series with the third full switch bridge 122 of the second transformer T2 electrically connected, fourth switch S 4i , S 4 2, S 4 3, S 44 , fourth full switch bridge 124 transformable to an output DC voltage UA.
  • the DC output voltage UA is provided or can be provided on a battery-side electrical second connection pair 126a, 126b and is preferably at the voltage level of a high-voltage battery 104, in particular a voltage level of an 800V architecture.
  • FIG. 5 shows the metrological examination of a switch-off process of the third full switch bridge 122 and / or the fourth full switch bridge 124 in the DC converter arrangement 100 of the prior art.
  • the first transformer Ti is assigned a first resonant circuit 128, which is formed by means of a leakage inductance Lsi of the first transformer Ti and a first capacitor CRI.
  • the second transformer T2 is assigned a second resonant circuit 130, which is formed by means of a leakage inductance Lsi of the second transformer T2 and a second capacitor C R 2.
  • the capacitors CRI, CR2 and the leakage inductances Lsi, Ls2 are dimensioned or designed such that one through the third switches S31, S32, S33, S34 of the third full switch bridge 122 and one through the fourth switches S 4i , S 4 2, S 4 3 , S 44 of the fourth full switch bridge 124 flowing load current is reduced, in particular minimized.
  • the switching times of the switches S31, S32, S33, S34; S41, S42, S43, S44 selected such that they essentially the zero crossings of the sinusoidal load current through the switches S31, S32, S33, S34; S41, S42, S43, S44 correspond.
  • the first voltage level is generated by the fuel cell unit 102, which is in the range from 200V to 300V.
  • This first DC voltage position is provided on the input side at the step-up converter 134, which increases the voltage to a second DC voltage position, which corresponds to the DC input voltage U E.
  • the DC input voltage UE can be used to electrically supply auxiliary consumers 138 of a fuel cell system comprising the fuel cell unit 102, a voltage level being present here in particular, which lies in a range from 350V to 450V.
  • FIG. 1 also shows the possibility of using fuses 140.
  • the DC input voltage UE can also be used to connect the traction network 106 comprising the high-voltage battery 104, here being galvanically isolated in order to meet the requirements for the insulation resistance in accordance with ISO 6496-3.
  • This tract Onsnetz 106 is operated at a voltage level of 800V, for example, so that the third voltage level is thus realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandleranordnung (100) zur galvanisch getrennten, zumindest mittelbaren, elektrischen Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit (102) mit einem eine Hochvoltbatterie (104) umfassenden Traktionsnetz (106), wobei eine Eingangsgleichspannung UE mittels einer ersten Schaltervollbrücke (110) und mittels einer zur ersten Schaltervollbrücke (110) parallel geschalteten zweiten Schaltervollbrücke (112) auf eine Wechselspannung transformierbar ist, wobei die von der ersten Schaltervollbrücke (110) bereitgestellte Wechselspannung von einer ersten Primärseite (114) eines ersten Transformators (T1) auf eine erste Sekundärseite (116) des ersten Transformators (T1) transformierbar ist, wobei die von der zweiten Schaltervollbrücke (112) bereitgestellte Wechselspannung voneiner zweiten Primärseite (118) eines zweiten Transformators (T2) auf eine zweite Sekundärseite (120) des zweiten Transformators (T2) transformierbar ist, und wobei die transformierte Wechselspannung mittels einer mit der ersten Sekundärseite (116) des ersten Transformators (T1) elektrisch verbundenen dritten Schaltervollbrücke (122) und mittels einer seriell zur dritten Schaltervollbrücke (122) geschalteten, mit der zweiten Sekundärseite (120) des zweiten Transformators (T2) elektrisch verbundenen vierten Shaltervollbrücke (124) auf eine Ausgangsgleichspannung (UA) transformierbar ist. Zumindest eine der Schaltervollbrücken (110, 112, 122, 124) ist in einen eine Induktivität (LS1, LS2) und einen Kondensator (CR1,CR2) umfassenden Resonanzschwingkreis (128, 130) eingebunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solcher Gleichspannungswandleranordnung (100) sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Description

GLEICHSPANNUNGSWANDLERANORDNUNG FÜR BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG VERFAHREN ZU DEREN BETRIEB
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandleranordnung zur galva- nisch getrennten, zumindest mittelbaren, elektrischen Kopplung einer Brenn- stoffzelleneinheit mit einem eine Hochvoltbatterie umfassenden Traktions- netz. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst ein brennstoffzellen- seitiges elektrisches erstes Anschlusspaar, an welchem eine Eingangs- gleichspannung anliegt oder anleg bar ist, wobei die Eingangsgleichspannung mittels einer erste Schalter umfassenden ersten Schaltervollbrücke und mit- tels einer zur ersten Schaltervollbrücke parallel geschalteten, zweite Schalter umfassenden zweiten Schaltervollbrücke auf eine Wechselspannung trans- formierbar ist. Die von der ersten Schaltervollbrücke bereitgestellte Wechsel- spannung ist von einer ersten Primärseite eines ersten Transformators auf eine erste Sekundärseite des ersten Transformators in einem vorgegebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis transformierbar. Die von der zweiten Schaltervollbrücke bereitgestellte Wechselspannung ist von einer zweiten Primärseite eines zweiten Transformators auf eine zweite Sekundärseite des zweiten Transformators in einem vorgegebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis transformierbar. Die transformierte Wechselspannung ist mittels einer mit der ersten Sekundärseite des ersten Transformators elektrisch ver- bundenen, dritte Schalter umfassenden, dritten Schaltervollbrücke und mit- tels einer seriell zur dritten Schaltervollbrücke geschalteten, mit der zweiten Sekundärseite des zweiten Transformators elektrisch verbundenen, vierte Schalter umfassenden, vierten Schaltervollbrücke auf eine Ausgangsgleich- spannung transformierbar, welche an einem batterieseitigen elektrischen zweiten Anschlusspaar bereitgestellt oder bereitstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solcher Gleichspan- nungsschaltungsanordnung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Für den Einsatz eines Brennstoffzellenstapels in einem elektrisch betriebe- nen Fahrzeug müssen die nach ISO 6496-3 (in der zum Zeitpunkt der Priori tät der vorliegenden Anmeldung geltenden Fassung) gestellten Anforderun- gen an den Isolationswiderstand erfüllt werden. Der Isolationswiderstand ist spannungsabhängig und muss demnach für größere Spannungen höhere Werte aufweisen, um vor Isolationsfehlern zu schützen. Der Brennstoffzel- lenstapel selbst weist einen vergleichsweise geringen Isolationswiderstand auf, so dass er Anforderungen für ein Traktionsnetz im Bereich von 350 Volt (V) bis 450 V, insbesondere von 400 V erfüllt. Bei leistungsstarkeren Fahr- zeugen liegt eine Architektur vor, deren Spannungswerte deutlich über den vorstehend genannten Werten liegen, wobei insbesondere Brennstoffzellen- fahrzeuge mit einer 800 Volt-Architektur Gefahr laufen, den Anforderungen der ISO 6496-3 nicht gerecht zu werden.
Aus diesem Grund wird mit der eingangs erwähnten Gleichspannungswand- leranordnung die Möglichkeit geschaffen, dass insgesamt drei unterschiedli- che Spannungslagen zur Spannungsanpassung der Brennstoffzelleneinheit an die Nebenverbraucher und an die Hochvoltbatterie bereitgestellt werden können. Eine derartige Gleichspannungswandleranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der DE 10 2014 018 744 A1 bekannt.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Gleichspannungswandleran- ordnung hat sich der Nachteil gezeigt, dass während des Schaltens der Schalter diese den vollen Laststrom führen, wobei hohe Schaltverluste wäh- rend des Ausschaltens vorliegen. Im Zuge des Ausschaltvorgangs erhöht sich der Widerstand des Halbleiters schrittweise, wodurch die Spannung über dem Schalter kontinuierlich zunimmt und der Stromfluss durch den Schalter immer geringer ausfällt. Ist der Schalter geschlossen, liegt der Spannungswert auf dem Niveau der Eingangsspannung und der Stromfluss ist vollständig zum Erliegen gekommen. Eine dabei auftretende hohe Verlust- leistung führt zu einer starken Erhitzung der als Halbleiterschalter ausgebil- deten Schalter, was zu einem verringerten Wirkungsgrad der Spannungs- wandlung führt. Die Reduzierung des Wirkungsgrads führt zudem zu einer geringeren Reichweite eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichspan- nungswandleranordnung, ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung bereitzustellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleichspannungswandleranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 , durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angege- ben.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest eine der Schaltervollbrücken in einen eine Induktivität und einen Kondensator umfassenden Resonanz- schwingkreis eingebunden ist.
Der Schwingkreis weist den Vorteil auf, dass der Laststrom sinusförmig durch die Schalter strömt, wobei er um den Betrag des Ausgangsstromes in positiver Richtung verschoben ist. Somit liegt nur noch eine geringe Wahr- scheinlichkeit vor, dass der Schaltvorgang der Schalter genau dann erfolgt, wenn die Amplitude des Laststroms maximal ist, so dass bei zumindest einer großen Anzahl von Schaltvorgängen die Schalter nicht den vollen Laststrom führen und somit thermisch entlastet sind.
Einen besonders einfachen Aufbau, der zugleich zu einer kompakten Bau- weise der Gleichspannungswandleranordnung führt, ist dadurch gekenn- zeichnet, dass dem ersten Transformator und/oder dem zweiten Transforma- tor sekundärseitig der Resonanzschwingkreis zugeordnet ist, und dass der Resonanzschwingkreis mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuinduk- tivität des ersten Transformators und/oder des zweiten Transformators ge- trieben ist.
Als besonders bevorzugt hat es sich herausgestellt, wenn der Kondensator und/oder die Streuinduktivität derart dimensioniert oder ausgebildet ist, dass ein durch die dritten Schalter der dritten Schaltervollbrücke und/oder ein durch die vierten Schalter der vierten Schaltervollbrücke fließender Laststrom reduziert, insbesondere minimiert ist. Somit lässt sich also durch eine geeig- nete Dimensionierung des Resonanzschwingkreises der Nulldurchgang des sinusförmigen Laststromes in den Schaltzeitpunkt der Schaltervollbrücken legen, womit die Schalter während der Schaltvorgänge zumindest nahezu keinen Strom führen und damit zusätzlich thermisch entlastet werden.
Im gleichen Zusammenhang hat es sich daher als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Schaltzeitpunkte der Schalter derart gewählt sind, dass sie im We- sentlichen den Nulldurchgängen des im Wesentlichen sinusförmigen Last- stroms durch die Schalter entsprechen.
Eine weitere thermische Entlastung der Schalter und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dadurch erzielen, dass dem ersten Transfor- mator ein mittels sekundärseitiger Streuinduktivität getriebener, einen ersten Kondensator umfassenden ersten Resonanzschwingkreis zugeordnet ist, und dass dem zweiten Transformator ein mittels sekundärseitiger Streuin- duktivität getriebener, einen zweiten Kondensator umfassender zweiter Re- sonanzschwingkreis zugeordnet ist.
Zur Realisierung mehrerer Spannungslagen, und zur Einhaltung der Anforde- rungen gemäß ISO 6496-3 hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn an dem ersten elektrischen Anschlusspaar ein Ausgangsanschlusspaar eines elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit verbundenen Hochsetzstellers an- geschlossen ist. Damit lässt sich also die von der Brennstoffzelleneinheit be- reitgestellte Spannung mittels des Hochsetzstellers in einem Verhältnis von 1 ,2- bis 1 ,5-fach erhöhen, wobei am Ausgang des Hochsetzstellers die Ein- gangsgleichspannung UE bereitgestellt ist. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn an dem Hochsetzsteller eingangsseitig eine erste Gleichspannungslage und ausgangseitig eine ge- genüber der ersten Gleichspannungslage erhöhte zweite Gleichspannungs- lage vorliegt, wobei die zweite Gleichspannungslage der Eingangsgleich- spannung entspricht, und wobei die Ausgangsgleichspannung gegenüber der Eingangsgleichspannung nochmals erhöht wurde.
Ein kompakteres und höher integrierteres Brennstoffzellensystem lässt sich dadurch bilden, dass die Gleichspannungswandleranordnung an dem Aus- gangsanschlusspaar des Hochsetzstellers eine Verteileinheit vorsieht, die dort elektrisch angebunden ist. Die Verteileinheit ist vorzugsweise ausgang- seitig mit mindestens einem Nebenverbraucher eines die Brennstoffzellen- einheit umfassenden Brennstoffzellensystems elektrisch verbunden. Neben- verbraucher des Brennstoffzellensystems können beispielsweise Kühlmittel pumpen, Rezirkulationsgebläse, Verdichter und dergleichen sein.
Die im Zusammenhang mit der Gleichspannungswandleranordnung be- schriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug, welches beispielsweise mit einer 800 V-Architektur ausgestattet sein kann und damit sehr leistungsstark ausgeführt ist.
Auch treten die für die Gleichspannungswandleranordnung beschriebenen Vorteile im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Betreiben einer sol- chen auf, welches vorzugsweise die folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen einer Eingangsgleichspannung an einer ersten Schalter umfassenden ersten Schaltervollbrücke und an einer zur ersten Schal- tervollbrücke parallel geschalteten, zweite Schalter umfassenden zweiten Schaltervollbrücke,
Transformieren der Eingangsgleichspannung zu einer Wechselspan- nung mittels der ersten Schaltervollbrücke und mittels der zweiten Schaltervollbrücke, Bereitstellen der Wechselspannung an einer ersten Primärseite eines ersten Transformators und Transformieren der Wechselspannung auf eine erste Sekundärseite des ersten Transformators in einem vorge- gebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis, sowie Bereitstellen der Wechselspannung an einer zweiten Primärseite eines zweiten Trans- formators und Transformieren der Wechselspannung auf eine zweite Sekundärseite des zweiten Transformators in einem vorgegebenen oder vorgebbaren Verhältnis,
Transformieren der sekundärseitigen Wechselspannung mittels einer dritte Schalter umfassenden dritten Schaltervollbrücke und mittels ei- ner seriell zur dritten Schaltervollbrücke geschalteten, vierte Schalter umfassenden vierten Schaltervollbrücke, und
Betreiben eines einen Kondensator umfassenden elektrischen Reso- nanzschwingkreises mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuinduktivität des ersten Transformators und/oder des zweiten Transformators, derart, dass ein durch die Schalter zumindest einer der Schaltervollbrücken fließender im Wesentlichen sinusförmiger Laststrom im Schaltzeitpunkt sich im Wesentlichen im Nulldurchgang befindet.
Es ist also ein integrierter Resonanzschwingkreis realisiert, der die Streuin- duktivität des ersten Transformators und/oder des zweiten Transformators nutzt, um den Laststrom im Schaltvorgang durch die Schalter herabzusetzen und somit die Schalter der Schaltervollbrücken thermisch zu entlasten.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Brennstoffzellenein- heit eine erste Gleichspannungslage bereitstellt, die eingangsseitig an einem Hochsetzsteller abgegriffen wird, welcher ausgangseitig eine gegenüber der ersten Gleichspannungslage erhöhte zweite Gleichspannungslage bereit- stellt, und wenn die zweite Gleichspannungslage der Eingangsgleichspan- nung entspricht.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals- kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina- tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi- nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Gleichspannungswand- leranordnung zur galvanisch getrennten elektrischen Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Traktionsnetz (Bord- netz), die insgesamt drei unterschiedliche Gleichspannungsla- gen bereitstellt, Figur 2 ein Ersatzschaltbild einer Gleichspannungswandleranordnung zur galvanisch getrennten, zumindest mittelbaren, elektrischen Kopplung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem eine Hoch- voltbatterie umfassenden Traktionsnetz, Figur 3 den Stromverlauf, den Spannungsverlauf und die Schaltverluste während des Ausschaltens der Schalter einer Schaltervollbrü- cke der Gleichspannungswandleranordnung aus Figur 2,
Figur 4 ein Ersatzschaltbild einer Gleichspannungswandleranordnung aus dem Stand der Technik, und
Figur 5 den Stromverlauf, den Spannungsverlauf und die Schaltverluste während des Ausschaltens der Schalter einer Schaltervollbrü- cke der Gleichspannungswandleranordnung aus Figur 4. In Figur 4 ist eine Gleichspannungswandleranordnung 100 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Analog zur erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung 100 (Fig. 2) ist auch diese ausgebildet, eine Brennstoffzelleneinheit 102 galvanisch getrennt, zumindest mittelbar, mit einem eine Hochvoltbatterie 104 umfassenden Traktionsnetz 106 elektrisch zu koppeln.
Die Gleichspannungswandleranordnungen 100 weisen ein brennstoffzellen- seitiges elektrisches erstes Anschlusspaar 108a, 108b auf, an welchem eine Eingangsgleichspannung U E anliegt oder anlegbar ist. Die Eingangsgleich- spannung U E ist mittels einer erste Schalter Sn , S12, S13, Si4 umfassenden ersten Schaltervoll brücke 1 10 und mittels einer zur ersten Schaltervoll brücke 1 10 parallelgeschalteten, zweite Schalter S21 , S22, S23, S24 umfassenden zweiten Schaltervollbrücke 1 12 auf eine Wechselspannung transformierbar.
Die von der ersten Schaltervollbrücke 1 10 bereitgestellte Wechselspannung ist von einer ersten Primärseite 1 14 eines ersten Transformators Ti auf eine erste Sekundärseite 1 16 des ersten Transformators Ti in einem vorgegebe- nen oder einem vorgebbaren Verhältnis transformierbar. Die von der zweiten Schaltervollbrücke 1 12 bereitgestellte Wechselspannung ist von einer zwei- ten Primärseite 1 18 eines zweiten Transformators T2 auf eine zweite Sekun- därseite 120 des zweiten Transformators T2 in einem vorgegebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis transformierbar.
Die transformierte Wechselspannung ist mittels einer mit der ersten Sekun- därseite 1 16 des ersten Transformators Ti elektrisch verbundenen, dritte Schalter S31 , S32, S33, S34 umfassenden, dritten Schaltervollbrücke 122 und mittels einer seriell zur dritten Schaltervollbrücke 122 geschalteten, mit der zweiten Sekundärseite 120 des zweiten Transformators T2 elektrisch ver bundenen, vierte Schalter S4i, S42, S43, S44 umfassenden, vierten Schalter- vollbrücke 124 auf eine Ausgangsgleichspannung UA transformierbar. Die Ausgangsgleichspannung UA ist an einem batterieseitigen elektrischen zweiten Anschlusspaar 126a, 126b bereitgestellt oder bereitstellbar und liegt vorzugsweise auf dem Spannungsniveau einer Hochvoltbatterie 104, insbe- sondere einem Spannungsniveau einer 800V-Architektur.
Figur 5 zeigt die messtechnische Untersuchung eines Ausschaltvorgangs der dritten Schaltervollbrücke 122 und/oder der vierten Schaltervollbrücke 124 bei der Gleichspannungswandleranordnung 100 des Standes der Technik. Es ist zu erkennen, dass sich im Zuge des Ausschaltvorgangs der Wider- stand der Halbleiter schrittweise erhöht, was anhand des Spannungsverlaufs 204 erkennbar ist. Die Spannung nimmt also über den Schalter kontinuierlich zu, wobei anhand des Stromverlaufs 202 festzustellen ist, dass der Strom- fluss durch den betreffenden Schalter zunehmens geringer ausfällt. Ist der betreffende Schalter geschlossen, liegt der Spannungswert auf dem Niveau der Eingangsspannung und der Stromfluss ist vollständig zum Erliegen ge- kommen. Anhand des Verlaufs der Verlustleistung 206 lässt sich nachvoll- ziehen, dass diese bei der Hälfte der Schaltdauer ihr Maximum besitzt, wobei die auftretende hohe Verlustleistung zu einer starken Erhitzung des Halb- leiterschalters führt.
An diesem Punkt greift die vorliegende Erfindung an, wobei aus Figur 2 er sichtlich wird, dass zumindest eine der Schaltervollbrücken 110, 112, 122, 124 in einen eine Induktivität Lsi , Ls2 und einen Kondensator CRI , CR2 um- fassenden Resonanzschwingkreis 128, 130 eingebunden ist.
Vorliegend ist dem ersten Transformator Ti ein erster Resonanzschwingkreis 128 zugewiesen, der mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuindukti- vität Lsi des ersten Transformators Ti und einem ersten Kondensator CRI gebildet ist. Dem zweiten Transformator T2 ist ein zweiter Resonanzschwing- kreis 130 zugeordnet, der mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuin- duktivität Lsi des zweiten Transformators T2 und einem zweiten Kondensator CR2 gebildet ist. Die Kondensatoren CRI , CR2 und die Streuinduktivitäten Lsi , Ls2 sind derart dimensioniert oder ausgebildet, dass ein durch die dritten Schalter S31 , S32, S33, S34 der dritten Schaltervollbrücke 122 und ein durch die vierten Schalter S4i, S42, S43, S44 der vierten Schaltervollbrücke 124 fließender Laststrom re- duziert, insbesondere minimiert ist. Dabei sind die Schaltzeitpunkte der Schalter S31 , S32, S33, S34; S41 , S42, S43, S44 derart gewählt, dass sie im We sentlichen den Nulldurchgängen des im sinusförmigen Laststroms durch die Schalter S31 , S32, S33, S34; S41 , S42, S43, S44 entsprechen.
Dies ist der messtechnischen Untersuchung eines Ausschaltvorgangs aus Figur 3 zu entnehmen, wobei der Stromverlauf 202 im Ausschaltvorgang na- hezu null Ampere entspricht und somit auch die Leistungsverluste 206 deut- lich geringer ausfallen. Dies führt zu einer thermischen Entlastung der Schal- tervollbrücken 110, 112, 122, 124.
Anhand von Figur 1 ist zu erkennen, dass mittels der Gleichspannungswand- leranordnung 100 beim Einsatz eines Hochsetzstellers 134 insgesamt drei unterschiedliche Spannungslagen bereitstellbar sind. Die erste Spannungs- lage wird durch die Brennstoffzelleneinheit 102 erzeugt, die im Bereich von 200V bis 300V liegt.
Diese erste Gleichspannungslage wird eingangsseitig am Hochsetzsteller 134 bereitgestellt, der die Spannung erhöht auf eine zweite Gleichspan- nungslage, die der Eingangsgleichspannung U E entspricht. Die Eingangs- gleichspannung UE kann dazu genutzt werden, um Nebenverbraucher 138 eines die Brennstoffzelleneinheit 102 umfassenden Brennstoffzellensystems elektrisch zu versorgen, wobei insbesondere hier ein Spannungsniveau vor- liegt, das in einem Bereich von 350V bis 450V liegt. In Figur 1 ist zudem die Möglichkeit aufgezeigt, Sicherungen 140 einzusetzen.
Die Eingangsgleichspannung UE kann auch zur Anbindung des die Hoch- voltbatterie 104 umfassenden Traktionsnetzes 106 genutzt werden, wobei hier eine galvanische Trennung vorliegt, um den Anforderungen an den Iso- lationswiderstand gemäß der ISO 6496-3 gerecht zu werden. Dieses Trakti- onsnetz 106 wird beispielsweise in einem Spannungsniveau von 800V be- trieben, so dass damit die dritte Spannungslage realisiert ist.
BEZUGSZEICHENLISTE:
100 Gleichspannungswandleranordnung
102 Brennstoffzelleneinheit
104 Hochvoltbatterie
106 Transaktionsnetz
108a Anschluss (erstes Anschlusspaar)
108b Anschluss (erstes Anschlusspaar)
110 erste Schaltervollbrücke
511 erster Schalter
512 erster Schalter
513 erster Schalter
514 erster Schalter
112 zweite Schaltervollbrücke
521 zweiter Schalter
522 zweiter Schalter
523 zweiter Schalter
524 zweiter Schalter
114 erste Primärseite (Ti)
116 erste Sekundärseite (Ti)
T 1 erster T ransformer
118 zweite Primärseite (T2)
120 zweite Sekundärseite (T2)
T2 zweiter Transformer
122 dritte Schaltervollbrücke
531 dritter Schalter
532 dritter Schalter
533 dritter Schalter
534 dritter Schalter
124 vierte Schaltervollbrücke
541 vierter Schalter
542 vierter Schalter
543 vierter Schalter
544 vierter Schalter 126a Anschluss (zweites Anschlusspaar)
126b Anschluss (zweites Anschlusspaar)
128 erster Resonanzschwingkreis
130 zweiter Resonanzschwingkreis
CRI erster Kondensator (erster Resonanzschwingkreis)
CR2 zweiter Kondensator (zweiter Resonanzschwingkreis)
132a Anschluss (Ausgang Hochsetzsteller)
132b Anschluss (Ausgang Hochsetzsteller)
134 Hochsetzsteller
136 Verteilereinheit
138 Nebenverbraucher
140 Sicherung
Ci Eingangskondensator
C2 Ausgangskondensator
202 Stromverlauf
204 Spannungsverlauf
206 Verlauf der Verlustleistung

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Gleichspannungswandleranordnung (100) zur galvanisch getrennten, zumindest mittelbaren, elektrischen Kopplung einer Brennstoffzellen- einheit (102) mit einem eine Hochvoltbatterie (104) umfassenden Trak- tionsnetz (106), mit einem brennstoffzellenseitigen elektrischen ersten Anschlusspaar (108a, 108b), an welchem eine Eingangsgleichspan- nung (UE) anliegt oder anlegbar ist, wobei die Eingangsgleichspannung UE mittels einer erste Schalter (Sn, S12, S13, SM) umfassenden ersten Schaltervollbrücke (110) und mittels einer zur ersten Schaltervollbrücke (110) parallel geschalteten, zweite Schalter (S21 , S22, S23, S24) umfas- senden zweiten Schaltervollbrücke (112) auf eine Wechselspannung transformierbar ist, wobei die von der ersten Schaltervollbrücke (110) bereitgestellte Wechselspannung von einer ersten Primärseite (114) ei- nes ersten Transformators (Ti) auf eine erste Sekundärseite (116) des ersten Transformators (Ti) in einem vorgegebenen oder einem vorgeb- baren Verhältnis transformierbar ist, wobei die von der zweiten Schal- tervollbrücke (112) bereitgestellte Wechselspannung von einer zweiten Primärseite (118) eines zweiten Transformators (T2) auf eine zweite Sekundärseite (120) des zweiten Transformators (T2) in einem vorge- gebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis transformierbar ist, und wobei die transformierte Wechselspannung mittels einer mit der ersten Sekundärseite (116) des ersten Transformators (Ti) elektrisch verbundenen, dritte Schalter (S31 , S32, S33, S34) umfassenden, dritten Schaltervollbrücke (122) und mittels einer seriell zur dritten Schalter- vollbrücke (122) geschalteten, mit der zweiten Sekundärseite (120) des zweiten Transformators (T2) elektrisch verbundenen, vierte Schalter (S4i , S42, S43, S44) umfassenden, vierten Schaltervollbrücke (124) auf ei- ne Ausgangsgleichspannung (UA) transformierbar ist, die an einem bat- terieseitigen elektrischen zweiten Anschlusspaar (126a, 126b) bereitge- stellt oder bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schaltervollbrücken (110, 112, 122, 124) in einen eine Indukti- vität (Lsi, LS2) und einen Kondensator (CRI , CR2) umfassenden Reso- nanzschwingkreis (128, 130) eingebunden ist.
Gleichspannungswandleranordnung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Transformator (Ti) und/oder dem zweiten Transformator (T2) sekundärseitig der Resonanzschwingkreis (128, 130) zugeordnet ist, und dass der Resonanzschwingkreis (128, 130) mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuinduktivität (Lsi, I_s2) des ersten Transformators (Ti) und/oder des zweiten Transforma- tors (T2) getrieben ist.
Gleichspannungswandleranordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C21, C22) und/oder die Streuin- duktivität (L21 , L22) derart dimensioniert oder ausgebildet ist, dass ein durch die dritten Schalter (S31 , S32, S33, S34) der dritten Schaltervollbrü- cke (122) und/oder ein durch die vierten Schalter (S4i , S42, S43, S44) der vierten Schaltervollbrücke (124) fließender Laststrom reduziert oder mi- nimiert ist.
Gleichspannungswandleranordnung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeitpunkte der Schalter (S31 S32 S33 S34; S4i S42 S43 S44) derart gewählt sind, dass sie im Wesentlichen den Nulldurchgängen des im Wesentlichen sinusförmigen Laststroms durch die Schalter (S31 S32 S33 S34; S41 S42 S43 S44) entsprechen.
Gleichspannungswandleranordnung (100) nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Transformator (Ti) ein mittels sekundärseitiger Streuinduktivität (Lsi) getriebener, einen ersten Kondensator (CRI ) umfassenden erster Resonanzschwingkreis (128) zugeordnet ist, und dass dem zweiten Transformator (T2) ein mittels senkundärseitiger Streuinduktivität (Ls2) getriebener, einen zweiten Kondensator (CR2) umfassender zweiter Resonanzschwingkreis (130) zugeordnet ist.
6. Gleichspannungswandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten elektrischen An- schlusspaar (108a, 108b) ein Ausgangsanschlusspaar (132a, 132b) ei- nes elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit (102) verbundenen Hoch- setzstellers (134) angeschlossen ist.
7. Gleichspannungswandleranordnung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hochsetzsteller (134) eingangsseitig eine erste Gleichspannungslage und ausgangseitig eine gegenüber der ers- ten Gleichspannungslage erhöhte zweite Gleichspannungslage vorliegt, dass die zweite Gleichspannungslage der Eingangsgleichspannung (UE) entspricht, und dass die Ausgangsgleichspannung (UA) gegenüber der Eingangsgleichspannung (UE) erhöht ist.
8. Gleichspannungswandleranordnung (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ausgangsanschlusspaar (132a, 132b) des Hochsetzstellers (134) eine Verteileinheit (136) elektrisch angeschlossen ist, die ausgangsseitig mit mindestens einem Neben- verbraucher (138) eines die Brennstoffzelleneinheit (102) umfassenden Brennstoffzellensystems elektrisch verbunden ist.
9. Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelleneinheit (102) umfasst, an welchem eine Gleichspan- nungswandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 elektrisch angeschlossen ist, um ein Traktionsnetz (106) mit einer Hochvoltbatterie (104) und/oder mit einem Traktionsmotor elektrisch zu versorgen.
10. Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen einer Eingangsgleichspannung (UE) an einer erste Schalter (Sn, S12, S13, Si4) umfassenden ersten Schaltervollbrücke (110) und an einer zur ersten Schaltervollbrücke (110) parallel ge- schalteten, zweite Schalter (S21 , S22, S23, S24) umfassenden zweiten Schaltervollbrücke (112),
- Transformieren der Eingangsgleichspannung (UE) ZU einer Wechsel- spannung mittels der ersten Schaltervollbrücke (110) und mittels der zweiten Schaltervollbrücke (112),
- Bereitstellen der Wechselspannung an einer ersten Primärseite (114) eines ersten Transformators (Ti) und Transformieren der Wechsel- spannung auf eine erste Sekundärseite (116) des ersten Transfor- mators (Ti) in einem vorgegebenen oder einem vorgebbaren Ver- hältnis, sowie Bereitstellen der Wechselspannung an einer zweiten
Primärseite (118) eines zweiten Transformators (T2) und Transfor- mieren der Wechselspannung auf eine zweite Sekundärseite (120) des zweiten Transformators (T2) in einem vorgegebenen oder einem vorgebbaren Verhältnis,
- Transformieren der sekundärseitigen Wechselspannung mittels einer dritte Schalter (S31 , S32, S33, S34) umfassenden dritten Schaltervoll- brücke (122) und mittels einer seriell zur dritten Schalterbrücke (122) geschalteten, vierte Schalter (S41 , S42, S43, S44) umfassenden vierten Schaltervollbrücke (124), und
- Betreiben eines einen Kondensator (Cm , CR2) umfassenden elektri- schen Resonanzschwingkreis (128, 130) mittels einer sekundärseitig vorhandenen Streuinduktivität (Lsi, Ls2) des ersten Transformators (Ti) und/oder des zweiten Transformators (T2), derart, dass ein durch die Schalter (S31 S32 S33 S34; S41 S42 S43 S44) zumindest einer der Schaltervollbrücken (122, 124) fließender im Wesentlichen sinusför- miger Laststrom im Schaltzeitpunkt sich im Wesentlichen im Null durchgang befindet.
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