WO2008145212A1 - Hochvolt-bordnetzarchitektur für ein brennstoffzellen-fahrzeug sowie integrierte leistungselektronik für eine hochvolt-bordnetzarchitektur - Google Patents

Hochvolt-bordnetzarchitektur für ein brennstoffzellen-fahrzeug sowie integrierte leistungselektronik für eine hochvolt-bordnetzarchitektur Download PDF

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fuel cell
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system architecture
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Thomas Brenner
Jürgen MITTNACHT
Yehia Tadros
Markus Walter
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Daimler Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage vehicle electrical system architecture with integrated power electronics for a fuel cell vehicle, in particular a fuel cell vehicle with an electric motor, which is combined with a Brennstoffzellenemheit and at least one additional energy storage unit, which m the episode is referred to only as BZ hybrid vehicle ,
  • the invention also relates to integrated power electronics for such a high-voltage vehicle electrical system architecture.
  • US Pat. No. 6,496,393 B1 describes an integrated power supply system for use with electric vehicles provided with a fuel cell and an electric motor, wherein a Inverter and a DC / DC converter are housed in a common housing.
  • U.S. Patent US 7,012,822 B2 describes an integrated power conversion system for use in an electrically powered vehicle having an electric motor and an auxiliary power source including an inverter for converting direct current generated by a high voltage power source into an alternating current that is suitable is to power the electric motor.
  • the system disclosed herein is based on the inverter and DC / DC converter sharing one or more common components, such as a high voltage DC bus capacitor.
  • the high-voltage vehicle electrical system architecture with integrated power electronics for a fuel cell vehicle which is equipped with an electric motor combined with a fuel cell unit as at least complementary drive means of the vehicle, has a battery or a battery unit and at least one DC / DC converter (hereinafter also referred to as DC / DC converter) within the vehicle electrical system architecture.
  • the erfmdungsgeclare high-voltage vehicle electrical system architecture is characterized in that a first DC / DC converter to the battery and at least one additional second DC / DC converter to the
  • Fuel cell unit or the fuel cell stack are provided.
  • the additional DC / DC converter on the fuel cell unit according to the invention avoids the disadvantages described above with regard to the prior art and solves the problem of the invention: a second manipulated variable is thereby inserted into the system to generate a controllable high DC link voltage, for example m of the order of constant 430 V, and at the same time the fuel cell unit or the stack can be maintained at a desired point on the Polkurve, for example during the freeze start to about 100 V.
  • a second manipulated variable is thereby inserted into the system to generate a controllable high DC link voltage, for example m of the order of constant 430 V, and at the same time the fuel cell unit or the stack can be maintained at a desired point on the Polkurve, for example during the freeze start to about 100 V.
  • the problem of a freeze-start, which exists in such types of vehicles is mitigated by the inventive vehicle electrical system architecture:
  • the warm-up time to issue a driving clearance during cold start can be significantly shortened, because on the one hand kept the voltage of the fuel cell stack or unit very long artificially low which allows the ratio of heat generation to electrical output Performance of the fuel cell unit is further increased.
  • a shortened wufwarmdauer erfmdungsge18 feasible, because a sufficient DC link voltage m of the electrical system architecture can be provided.
  • the solution according to the invention offers a high degree of freedom with subsequent changes to components, for example the number of fuel cells or fuel cell stacks and the respective possible operating strategy.
  • advantages in terms of electromagnetic compatibility (EMC) are provided by the invention: this is achieved by intelligently clocking the transistors, such as the insulated gate bipolar transistors (IGBTs), for example, via a central processor and common shields for the components integrated according to the invention achieved in a single housing.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • a definable and adjustable DC link voltage level is provided, which makes it possible at any time to respond to future trends or requirements for the vehicle system as a whole and in particular the system of the electrical system architecture.
  • the voltage level in the DC link makes the design of the connected loads more independent of the capacities of fuel cells or high-voltage batteries.
  • the first DC / DC converter is a Umdirelementaler converter, in particular a boost converter or a step down converter.
  • a boost converter or a step down converter it is sometimes known to use bidirectional converters in such high-voltage vehicle electrical system architectures for hybrid vehicles.
  • at least the first DC / DC converter provided on the fuel cell unit is implemented as a unidirectional converter.
  • the additional second DC / DC converter is provided at the output of the fuel cell unit of the vehicle.
  • the DC / DC converters that is to say the first and the additional second DC / DC converters m, are integrated in a common housing.
  • a compact, easily integrated component can be provided.
  • the wiring system architecture according to the invention is thus improved in terms of packing density and cost as well as in terms of implementation in practice.
  • the single ones Components can thus share certain functions and components with each other, such as, for example, cow units or the like.
  • the electromagnetic shield can be realized together for the so m a single housing integrated components and thus cost and manufacturing technology.
  • a controller or a control means (English: Controller) is provided with a control strategy, according to which the battery downstream DC / DC converter controls a DC link voltage of the network of the electrical system architecture and provided at the output of the Brennstoffzellemheit DC / DC - converter a fixed point on a pole of the
  • Fuel cell unit to a desired point on the Polkurve for example, held at about 100 V during the freeze start.
  • all the storage chokes of the DC / DC converters are accommodated next to one another in a housing.
  • the storage chokes are accommodated in this way in a compact form and space-saving in the common housing with the other power electronics, such as the transducers and changers.
  • the intermediate-circuit side filter capacitances of Electrical system architecture merged. This also leads to a further compaction and an improvement in the packaging or in the packing density of the erfmdungsge redesignen vehicle electrical system architecture and its spatial structural design.
  • a power electronics for a high-voltage vehicle electrical system architecture for a fuel cell vehicle is proposed, which is particularly, but not exclusively suitable for a fuel cell vehicle, wherein it is characterized in that a first DC / DC converter to a battery and at least one additional second DC / DC converter on one
  • Fuel cell unit of the vehicle are provided.
  • the two transducers are each connected to the corresponding component components either at the output or input, or at both.
  • the additional DC / DC converter on the fuel cell unit provides a further degree of freedom in the regulation and control of the power electronics.
  • This additional degree of freedom erfmdungsgeutz the conflicting requirements of on the one hand a high voltage and on the other hand the highest possible weight-saving and space-saving implementation even in critical operating situations, such as the freeze start of fuel cell hybrid vehicles are brought into harmony.
  • the DC / DC converters are integrated in a common housing and optionally with further power electronics of the network and / or of the vehicle.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a
  • Figure 2 is a circuit diagram of an exemplary embodiment of a erfmdungsgedorfen unidirectional DC / DC converter here in the form of a boost converter;
  • Figure 3 is a perspective plan view of a erfmdungsgedorfen exemplary embodiment of a high-voltage vehicle electrical system architecture with the arrangement and integration of the power electronic components m one and the same housing.
  • FIG. 1 shows schematically a block diagram of an exemplary embodiment of a high-voltage vehicle electrical system architecture according to the invention and the integrated power electronics according to the invention.
  • the electrical system architecture 20 (gray background in Figure 1) is used for example for controlling and operating a fuel cell hybrid vehicle, which includes an electric motor 8 as a drive motor, a Brennstoffzellenemheit 1 m form a stack of fuel cells and an electrical energy storage 2 for storing energy and for discharging the power to the motor 8 for driving the vehicle.
  • the integrated according to the invention power electronics 10 of the high-voltage vehicle electrical system architecture 20 has in particular, but not exclusively a first DC / DC converter 3 and DC / DC converter to the electrical energy storage 2 on.
  • a second DC / DC converter 4 is provided at the output of the fuel cell unit 1, which is realized in this embodiment as a unidirectional DC / DC converter, as shown by the symbol in the block diagram .
  • the electrical system architecture 20 consists of an inverter 6, which is connected in front of the drive unit serving as an electric motor 8 to convert the DC voltage into an AC voltage required for the motor.
  • the entire power electronics in a common housing 5 is integrated, that is, the first converter 3 and the second converter 4 together with the inverter and the controller 7 are in one and the same housing 5.
  • the controller 7 or controller serve the implementation of the operation and the control of the individual components with each other.
  • the regulator 7 can be equipped with a control strategy and programmed, according to which the DC / DC converter 3 connected downstream of the electrical energy store 2 controls an intermediate circuit voltage of the network and the DC / DC converter 4 provided at the output of the fuel cell unit 1 has a fixed point a pole curve of the fuel cell unit 1 approach or controls.
  • the DC / DC converter 3 connected downstream of the electrical energy store 2 controls an intermediate circuit voltage of the network
  • the DC / DC converter 4 provided at the output of the fuel cell unit 1 has a fixed point a pole curve of the fuel cell unit 1 approach or controls.
  • a point on the pole curve of m about 100 V can be approached, whereby a relatively high DC link voltage can still be generated via the regulator, for example at a voltage level of 430 V constant.
  • the additional manipulated variable through the additional second DC / DC converter offers greater freedom in the design, selection and construction of the individual components and of the overall system.
  • Fuel cell vehicles according to the invention by adding an additional DC / DC converter 4, preferably at the output of the Brennstoffzellemheit 1 created the opportunity to regulate the DC link voltage to a certain value and at the same time to keep the Brennstoffzellemheit 1 at a certain point of its pole.
  • the timing of the integrated transducers 3, 4 is coordinated so that so-called “ripple” currents and “ripple” voltages in the high-voltage intermediate circuit are minimized as far as possible by the choice of a clever switching offset.
  • the bidirectional DC / DC converter 3, for example, on the electrical energy store 2 serves to regulate the intermediate circuit voltage during the DC / DC converter 4 connected downstream of the fuel cell unit 1, the fuel cell unit 1 or the fuel cell stack to a certain point of their corresponding pole curve.
  • the coupling of both parts of the controller 7 and the controller within the integrated power electronics 10 also allows according to the invention much shorter Signalverzogerept than it is the case with conventional vehicles of this type.
  • the conventional vehicles use, for example, CAN bus systems (Controller Area Network).
  • CAN bus systems Controller Area Network
  • the erfmdungsge enthusiasm lead to an increase in the dynamics of the entire Vehicle electrical system architecture and the integrated power electronics in the interaction of the two DC / DC converters 3, 4 and the inverter 6, which is switched on the part of the motor 8.
  • On-board network architectures for fuel cell hybrid vehicles As a result, for example, a more timely release of the ride during freeze start can be offered. Even with older vehicle models and accordingly aged fuel cell unit, which typically have to be taken out of circulation after a certain voltage loss, a sufficient intermediate circuit voltage for operation can be achieved for a longer period of time.
  • the additional manipulated variable according to the invention allows increased freedom of development and adaptation, since certain changes to a component of the on-board network architecture 20 in the present high-voltage vehicle electrical system architecture 20 due to the intermediate circuit have less impact on other components than is the case with conventional such architectures ,
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a DC / DC converter according to the invention in the form of a unidirectional boost converter.
  • the DC / DC converter 4 according to this exemplary embodiment has in particular a storage inductor L FC .
  • L FC storage inductor
  • an additional switch 11 could be provided by which the losses of the freewheeling diode and the storage inductor described above can be avoided.
  • FIG. 3 shows, in a perspective plan view, a constructional realization variant of the solution according to the invention and of the inventive integration concept with the cover open.
  • the common housing 5 on the one hand the Smoothing capacitors 12 for the intermediate circuit and on the other hand, the inductors 14 (or throttling) provided. Between the inductors 14 and the capacitors 12 common coolers 13 are installed for the power modules.
  • the housing 5 At the rear end (in FIG. 3 at the front) of the housing 5 there are two connections or outlets 15, 16 for the connection to the electrical energy store 2 (reference numeral 15) on the one hand and the connection to the fuel cell unit 1 (reference numeral 16) on the other hand.
  • the intermediate circuit smoothing capacitor 12, which has been folded together for the transducers 3, 4, can be seen in the form of a foil capacitor. Further synergy effects are achieved by a common cooling via the radiator 13 and a common shielding with regard to the electromagnetic compatibility requirements in the form of an inner wall coating in the housing 5 or the like.
  • Fuel cell unit (or stack or stack) Electrical energy storage First DC / DC converter Second (additional) DC / DC converter Housing Inverter (or inverter) Controller or controller Drive motor (here electric motor) Additional power electronics for auxiliary drives Integrated power electronics Optional switch Capacitor Power electronics components with coolant inductor (or choke) output battery output fuel cell unit high voltage wiring system architecture

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Abstract

Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) mit integrierter Leistungselektronik (10) für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, mit einem Elektromotor (8) kombiniert mit einer Brennstoff Zelleneinheit (1) als zumindest komplementäres Antriebsmittel des Fahrzeugs, mit einem elektrischen Energiespeicher (2) sowie mindestens einem DC/DC-Wandler (3) als Hochsetzsteller und/oder Tief setzsteiler innerhalb der Bordnetzarchitektur (20), wobei ein erster DC/DC-Wandler (3) an dem elektrischen Energiespeicher (2) und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler (4) an der Brennstoff Zeileneinheit (1) vorgesehen ist.

Description

Hochvolt-Bordnetzarchitektur für ein Brennstoffzellen- Fahrzeug sowie integrierte Leistungselektronik für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvolt- Bordnetzarchitektur mit integrierter Leistungselektronik für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einem Elektromotor, der mit einer Brennstoffzellenemheit und zumindest einer zusätzlichen Energiespeichereinheit kombiniert ist, welches m der Folge nur noch als BZ-Hybridfahrzeug bezeichnet wird. Die Erfindung betrifft ebenso eine integrierte Leistungselektronik für eine derartige Hochvolt- Bordnetzarchitektur .
Bei heutigen Bordnetzarchitekturen von Kraftfahrzeugen, die über einen Brennstoffzellen-/Elektromotor-Antrieb verfugen, besteht ein Problem dahingehend, dass die Elektro-/elektro- nischen Anforderungen an das Bordnetz erhöht sind. Auf Grund der hier zeitweise verstärkt erforderlichen hohen Spannungen in der Steuerung und Regelung der verschiedenen Komponenten von Hybridfahrzeugen beispielsweise mit Brennstoffzellen- technologie bestehen bei aktuellen Losungen massive Nachteile hinsichtlich bestimmter Betriebssituationen und/oder der Variabilität in der konstruktiven Ausgestaltung der Elemente der Netzarchitektur. Beispielsweise bestehen bei derzeitigen Systemen von Bordnetzarchitekturen für Brennstoffzellenantriebe massive Probleme hinsichtlich der Erreichung eines schnellen Gefrierstarts. Unter Gefrierstart versteht man Probleme hinsichtlich der Startfahigkeit der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt in Folge von gefrierendem Wasser, wobei die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle bei diesen niedrigen Temperaturen nicht durch Eisbildung behindert werden darf. Für die Praxis ist es äußerst wichtig, dass auch bei Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen ein sicherer Start des Fahrzeugs bei niedrigen Temperaturen gewährleistet ist. Bei derzeitigen heutigen Losungen ist es mit erheblichen technischem Aufwand unter anderem möglich, einen so genannten Gefrierstart bei Temperaturen von bis zu -200C beziehungsweise -250C zu ermöglichen.
Ein weiteres Problem von heutigen Bordnetzarchitekturen derartiger Fahrzeuge ist es, dass es sehr starke Abhängigkeiten und mögliche Beeinflussungen zwischen den einzelnen Komponenten des Fahrzeugs und insbesondere der Antriebskomponenten und Steuerungskomponenten untereinander gibt. Auf Grund dieser Abhängigkeiten und möglichen Beeinflussungen der Komponenten untereinander ist es nicht ohne weiteres und nicht ohne unvorhersehbare Probleme möglich, spatere Änderungen an dem Aufbau der Architektur und in der Form der Komponenten vorzusehen (zum Beispiel Veränderung der Anzahl von Brennstoffzellen des Stacks beziehungsweise Stapels) . Daher müssen die restlichen elektrisch/elektronischen Komponenten jeweils entsprechend mit erheblichem Aufwand m der konstruktiven Planung und Realisierung von derartigen Fahrzeugen angepasst werden. Dies bedeutet, dass erhebliche Einschränkungen in der Entwicklungsmoglichkeit und nicht zu vernachlässigende zusatzliche Kosten bei Veränderungen bestehender Konstruktionen entstehen.
Des Weiteren sind die momentan zur Verfugung stehenden Bordnetzarchitekturen für brennstoffzeilenbasierte Fahrzeugantriebe extrem lastabhangig . Dies bedeutet, dass alle Leistungselektroniken der Antriebe und gegebenenfalls auch weitere Hochspannungskomponenten, wie zum Beispiel Heizer, auf einen sehr großen Eingangsspannungshub, beispielsweise in der Größenordnung von 100 V bis 500 V und sehr schnelle transiente Lastsprunge im Bordnetz ausgelegt werden müssen. Dies bedingt eine sehr aufwandige Technik, mit entsprechend hohen Kosten, einer vergleichsweise geringen Performance beziehungsweise Leistungsfähigkeit und fuhrt nicht zuletzt auch meistens zu erhöhten Ausfallraten der Bordnetzelektronik derartiger Fahrzeuge.
Darüber hinaus stellt die langfristige Betriebssicherheit Schwierigkeiten bei derartigen Systemen dar: Bei einer fortschreitenden Degradation beziehungsweise Verschlechterung des Zustands der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellen-Stacks (beziehungsweise -Stapels) wird irgendwann ein Punkt erreicht, bei welchem im Volllastbetrieb des Fahrzeugs die Hochvolt-Bordnetzspannung einen kritischen Wert unterschreitet. Bei derzeit bekannten Systemen sind die Systemkomponenten aber auch auf eine bestimmte Mindestspannung ausgelegt und somit wäre m einer solchen Situation kein zufrieden stellender Betrieb des Fahrzeugs mehr gewährleistet. Dies ist daher zurzeit eine kritische und hauptsächliche Konstruktionsbeschrankung bei der Ausgestaltung von Netzwerkarchitekturen für derartige Fahrzeuge. Auf Grund dieser „End-of-Life"-Defmitionen, das heißt kritischer Gestaltungsbeschrankungen, müssen sich die Konstrukteure und Entwickler derartiger Systeme mit weniger effizienten Architekturen zufrieden geben.
Schließlich besteht auch ein Problem bei den bekannten Hochvolt-Bordnetzarchitekturen bisher dahingehend, dass so genannte „Ripple"-Spannungen auf dem Bordnetz auftreten können. Der Grund hierfür liegt in einer verstärkten Ruckwirkung auf das Bordnetz durch ungunstige Überlagerung der Schaltvorgange ungekoppelter DC/DC-Wandler bzw. der Schaltvorgange von bipolaren Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT-Schalten) bei mehreren einzeln angeordneten und geschalteten DC/DC-Wandlern (= Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) .
Um etwaige Nachteile und Fehler im Betrieb sicher zu vermeiden, waren bei den im Stand der Technik bekannten Systemen und Bordnetzarchitekturen so genannte EMV- Abschirmungen (elektromagnetische Vertraglichkeits- Abschirmungen) für jeden nicht zu einer Baugruppe zugehörigen Wandler separat jeweils vorzunehmen, was bei vereinzelten Einzel-Wandlern (so genannten „ Stand-Alone"-HV-Wandlern) sehr aufwandig, kostentrachtig und nachteilig hinsichtlich des Gewichts, des Volumens und der Herstellungs- und Realisierungskosten wäre.
Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme für Bordnetzarchitekturen von Brennstoffzellen-Fahrzeuge beschrieben :
In dem US-Patent US 6,496,393 Bl ist ein integriertes Stromversorgungssystem zur Verwendung m elektrischen Fahrzeugen beschrieben, die mit einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Motor versehen sind, wobei ein Wechselrichter und ein DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Das US-Patent US 7,012,822 B2 beschreibt ein integriertes Stromumwandlungssystem zur Verwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, welches einen elektrischen Motor aufweist und eine Hilfsenergiequelle einschließlich eines Wechselrichters zum Umwandeln von Gleichstrom, der durch eine Hochspannungs-Energiequelle erzeugt wird, in einen Wechselstrom, der geeignet ist zum Antreiben des elektrischen Motors. Das hier offenbarte System basiert im Wesentlichen darauf, dass der Wechselrichter und der DC/DC-Wandler eine oder mehrere gemeinsame Komponenten teilen können, wie zum Beispiel einen Hochspannungs-DC-Bus-Kondensator .
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur sowie eine hierfür geeignete integrierte Leistungselektronik insbesondere für die Verwendung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug bereitzustellen, welche in der konstruktiven Ausgestaltung und Änderung einzelner Komponenten weniger Einschränkungen auferlegt und welche hinsichtlich der Integrierfahigkeit und Kompaktheit zum Einbau in derartigen Fahrzeugen optimiert ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Hochvolt- Bordnetzarchitektur nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie nach einer integrierten Leistungselektronik nach den Merkmalen des Anspruchs 10 gelost. Vorteilhafte Aspekte und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhangigen Ansprüche.
Die Hochvolt-Bordnetzarchitektur mit integrierter Leistungselektronik für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, welches mit einem Elektromotor kombiniert mit einer Brennstoffzelleneinheit als zumindest komplementäres Antriebsmittel des Fahrzeuges ausgestattet ist, weist eine Batterie oder eine Batterieeinheit sowie mindestens einen DC/DC-Wandler (im Folgenden auch bezeichnet als Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) innerhalb der Bordnetzarchitektur auf. Die erfmdungsgemaße Hochvolt- Bordnetzarchitektur ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster DC/DC-Wandler an der Batterie und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler an der
Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise dem Brennstoffzellen- Stack vorgesehen sind. Durch den zusätzlichen DC/DC-Wandler an der Brennstoffzelleneinheit gemäß der Erfindung werden die oben zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden und die erfindungsgemaße Aufgabe gelost: Dadurch wird eine zweite Stellgroße in das System eingefugt, um eine regelbare hohe Zwischenkreisspannung zu generieren, zum Beispiel m der Größenordnung von konstant 430 V, und gleichzeitig kann die Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise der Stack auf einen gewünschten Punkt auf der Polkurve, zum Beispiel wahrend des Gefrierstarts auf circa 100 V gehalten werden. Durch die gezielte Entkopplung der Komponenten und ihrer oben beschriebenen Abhängigkeiten, das heißt insbesondere der Brennstoffzelleneinheit , der Hochvolt-Batterie und der Elektromotoren, ist eine optimale und kostengünstigere Auslegung der Komponenten und Bauteile nach der Erfindung möglich. Auch das Problem eines Gefrierstarts, das bei derartigen Fahrzeugtypen besteht, wird durch die erfindungsgemaße Bordnetzarchitektur entschärft: Die Aufwarmdauer bis zur Erteilung einer Fahrfreigabe beim Kaltstart kann deutlich verkürzt werden, weil zum einen die Spannung des Brennstoffzellen-Stacks oder -Einheit sehr lange kunstlich niedrig gehalten werden kann, wodurch das Verhältnis von Warmeerzeugung zu abgegebener elektrischer Leistung der BrennstoffZelleneinheit weiter erhöht wird. Zum anderen ist eine verkürzte Λufwarmdauer erfmdungsgemaß realisierbar, weil eine hinreichende Zwischenkreisspannung m der Bordnetzarchitektur zur Verfugung gestellt werden kann.
Nicht zuletzt bietet die erfindungsgemaße Losung einen hohen Freiheitsgrad bei nachträglichen Änderungen an Komponenten, beispielsweise der Anzahl an Brennstoffzellen oder Brennstoffzellen-Stapel und der jeweils möglichen Betriebsstrategie. Auch sind Vorteile hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch die Erfindung gegeben: dies wird durch ein intelligentes Takten der Transistoren, wie den bipolaren Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode ( IGBT-Transistoren) beispielsweise über einen Zentralprozessor und gemeinsame Abschirmungen für die erfmdungsgemaß integrierten Komponenten in einem einzigen Gehäuse erreicht.
Des Weiteren wird ein definierbares und einstellbares Zwischenkreis-Spannungsniveau bereitgestellt, was es jederzeit ermöglicht, auf zukunftige Trends oder Vorgaben für das Fahrzeugsystem insgesamt und insbesondere das System der Bordnetzarchitektur zu reagieren. Das Spannungsniveau im Zwischenkreis macht die Auslegung der angeschlossenen Verbraucher unabhängiger von den Kapazitäten von Brennstoffzellen oder Hochvoltbatteπe .
Da die notwendigen Maßnahmen zur Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und zur Erreichung einer elektromagnetischen Verträglichkeit für die erfmdungsgemaß integrierten Komponenten und Bauteile in einem Gehäuse gemeinsam sind, sind sie einfacher zu realisieren und sind insbesondere hinsichtlich des Gewichts, des Volumens und der Kosten weiter optimiert, als wenn sie für mehrere einzelne so genannte „Stand-Alone"-Gerate oder Bauteile durchzufuhren waren. Insgesamt werden durch die erfmdungsgemaße Hochvolt- Bordnetzarchitektur nach Anspruch 1 für eine derartige Bordnetzarchitektur Vorteile im Hinblick auf die Kosten, die Packungsdichte und die Wirkungsgrade gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Losungen geboten.
Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der erste DC/DC-Wandler ein umdirektionaler Wandler, insbesondere ein Hochsetzsteller beziehungsweise ein Tiefsetzsteiler . Im Stand der Technik ist es teilweise bekannt, bidirektionale Wandler in derartigen Hochvolt-Bordnetzarchitekturen für Hybridfahrzeuge einzusetzen. Nach der Erfindung wird zumindest der erste DC/DC-Wandler, welcher an der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, als ein unidirektionaler Wandler ausgeführt.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der zusatzliche zweite DC/DC-Wandler am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit des Fahrzeugs vorgesehen.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die DC/DC-Wandler, das heißt der erste und der zusatzliche zweite DC/DC-Wandler m einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Durch das Zusammenbringen der beiden Wandler in ein und demselben Gehäuse kann eine kompakte, leicht zu integrierende Komponente bereitgestellt werden. Die Bordnetzarchitektur nach der Erfindung ist damit hinsichtlich der Packungsdichte und der Kosten sowie hinsichtlich der Realisierung m der Praxis verbessert. Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt in dieser Hinsicht ist/sind erfindungsgemaß neben den Wandlern auch ein Wechselrichter des Antriebsmotors des Fahrzeugs und gegebenenfalls weitere Leistungselektromken in ein und demselben Gehäuse integriert. Die einzelnen Komponenten können auf diese Art und Weise bestimmte Funktionen und Bauteile miteinander teilen, wie zum Beispiel Kuhleinheiten oder dergleichen. Auch die elektromagnetische Abschirmung kann für die so m einem einzigen Gehäuse integrierten Komponenten gemeinsam und damit kostengünstig und herstellungstechnisch einfach realisiert werden.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist ein Regler oder ein Steuerungsmittel (englisch: Controller) vorgesehen mit einer Regelstrategie, wonach der der Batterie nachgeschaltete DC/DC-Wandler eine Zwischenkreisspannung des Netzes der Bordnetzarchitektur regelt und der am Ausgang der Brennstoffzellenemheit vorgesehene DC/DC-Wandler einen festgelegten Punkt auf einer Polkurve der
Brennstoffzellenemheit anfahrt beziehungsweise ansteuert. Dies erlaubt es erfmdungsgemaß, die Probleme beim Gefrierstart von Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen zu vermeiden. Erfmdungsgemaß wird einerseits eine zweite oder zusätzliche Stellgroße in das System eingebracht, über welche eine hohe und regelbare Zwischenkreisspannung generierbar ist. Gleichzeitig wird zum anderen die
Brennstoffzellenemheit auf einen gewünschten Punkt auf der Polkurve, zum Beispiel auf circa 100 V wahrend des Gefrierstarts, gehalten.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind sämtliche Speicherdrosseln der DC/DC-Wandler nebeneinander m einem Gehäuse untergebracht. Die Speicherdrosseln sind auf diese Art und Weise in kompakter Form und raumsparend in dem gemeinsamen Gehäuse mit den anderen Leistungselektroniken, wie den Wandlern und Wechslern unterbringbar.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die zwischenkreisseitigen Filterkapazitaten der Bordnetzarchitektur zusammengelegt. Auch dies fuhrt zu einer weiteren Kompaktierung und einer Verbesserung im Packaging oder in der Packungsdichte der erfmdungsgemaßen Bordnetzarchitektur und ihrer räumlichen konstruktiven Ausgestaltung.
Nach Anspruch 5 wird eine Leistungselektronik für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur für ein Brennstoffzellen- Fahrzeug vorgeschlagen, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug geeignet ist, wobei sie dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erster DC/DC-Wandler an einer Batterie und zumindest ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler an einer
Brennstoffzellenemheit des Fahrzeugs vorgesehen sind. Die beiden Wandler sind jeweils mit den entsprechenden Bauteilkomponenten entweder am Ausgang oder Eingang, oder an beiden geschaltet. Durch den zusätzlichen DC/DC-Wandler an der Brennstoffzellenemheit wird ein weiterer Freiheitsgrad in der Regelung und Steuerung der Leistungselektronik bereitgestellt. Über diesen zusatzlichen Freiheitsgrad können erfmdungsgemaß die gegensätzlichen Anforderungen von einerseits einer hohen Spannung und andererseits einer möglichst hohen gewichtssparenden und raumsparenden Umsetzung auch bei kritischen Betriebssituationen, wie dem Gefrierstart von Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen miteinander in Einklang gebracht werden.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der integrierten Leistungselektronik nach der Erfindung sind die DC/DC-Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse und gegebenenfalls mit weiteren Leistungselektroniken des Netzes und/oder des Fahrzeuges integriert . Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen entnehmbar. In den Zeichnung zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm eines
Ausfuhrungsbeispiels einer erfmdungsgemaßen Hochvolt-Bordnetzarchitektur sowie das erfindungsgemäße Ansteuerungskonzept ;
Figur 2 ein Schaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels eines erfmdungsgemaßen unidirektionalen DC/DC-Wandlers hier in Form eines Hochsetzstellers; und
Figur 3 eine perspektivische Draufsicht eines erfmdungsgemaßen Ausfuhrungsbeispiels einer Hochvolt-Bordnetzarchitektur mit der Anordnung und Integration der Leistungselektronikkomponenten m ein und demselben Gehäuse.
In der Figur 1 ist schematisch ein Blockschaltdiagramm eines Ausfuhrungsbeispiels für eine Hochvolt-Bordnetzarchitektur gemäß der Erfindung und der integrierten Leistungselektronik gemäß der Erfindung dargestellt. Die Bordnetzarchitektur 20 (grau unterlegt m Figur 1) dient beispielsweise zur Steuerung und zum Betrieb eines Brennstoffzellen- Hybridfahrzeugs, welches unter anderem einen Elektromotor 8 als Antriebsmotor, eine Brennstoffzellenemheit 1 m Form eines Stapels an Brennstoffzellen sowie einen elektrischen Energiespeicher 2 zum Speichern von Energie und zum Abgeben der Energie an den Motor 8 zum Antreiben des Fahrzeugs besteht. Die nach der Erfindung integrierte Leistungselektronik 10 der Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 weist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich einen ersten DC/DC-Wandler 3 beziehungsweise Gleichstrom/Gleichstrom- Wandler an dem elektrischen Energiespeicher 2 auf. Zusätzlich und im Unterschied gegenüber dem Stand der Technik ist erfindungsgemaß ein zweiter DC/DC-Wandler 4 am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 vorgesehen, der bei diesem Ausfuhrungsbeispiel als ein unidirektionaler DC/DC-Wandler, wie es mit dem Symbol im Blockschaltdiagramm dargestellt ist, realisiert ist. Daneben besteht die Bordnetzarchitektur 20 gemäß der Erfindung aus einem Wechselrichter 6, der vor dem als Antriebsaggregat dienenden Elektromotor 8 geschaltet ist, um die Gleichstromspannung in eine für den Motor erforderliche Wechselstromspannung umzuwandeln. Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist die gesamte Leistungselektronik in einem gemeinsamen Gehäuse 5 integriert, das heißt der erste Wandler 3 sowie der zweite Wandler 4 mitsamt dem Wechselrichter und dem Regler 7 befinden sich in ein und demselben Gehäuse 5. Die Regler 7 beziehungsweise Controller dienen der Durchfuhrung des Betriebs und der Steuerung der einzelnen Komponenten untereinander .
Der Regler 7 kann erfindungsgemaß mit einer Regelstrategie ausgestattet sein und programmiert sein, wonach der der elektrische Energiespeicher 2 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 3 eine Zwischenkreisspannung des Netzes regelt und der am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 vorgesehene DC/DC- Wandler 4 einen festgelegten Punkt auf einer Polkurve der Brennstoffzelleneinheit 1 anfahrt beziehungsweise ansteuert. Auf diese Weise kann beispielsweise wahrend eines Gefrierstarts ein Punkt auf der Polkurve von m etwa 100 V angefahren werden, wobei über den Regler dennoch eine relativ hohe Zwischenkreisspannung generierbar ist, beispielsweise auf einer Spannungshohe von 430 V konstant. Dadurch wird eine zusätzliche Stellgroße in das System und die Steuerung der Bordnetzarchitektur 20 nach der Erfindung eingeführt, welche es erlaubt, unabhängig von den Komponenten und ihren Abhängigkeiten zueinander den Anforderungen bei extremen Betriebssituationen, insbesondere wahrend eines Kaltstarts oder bei Brennstoffzellen auch als Gefrierstart, besser gerecht zu werden. Die zusätzliche Stellgroße durch den zusätzlichen zweiten DC/DC-Wandler bietet eine größere Freiheit m der Auslegung, Auswahl und Konstruktion der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems.
In der Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 für
Brennstoffzellenfahrzeuge nach der Erfindung wird durch das Hinzufugen eines zusätzlichen DC/DC-Wandlers 4, vorzugsweise am Ausgang der Brennstoffzellenemheit 1 die Möglichkeit geschaffen, die Zwischenkreisspannung auf einen bestimmten Wert zu regeln und gleichzeitig die Brennstoffzellenemheit 1 auf einen bestimmten Punkt ihrer Polkurve zu halten. Die Taktung der integrierten Wandler 3, 4 wird erfindungsgemaß so aufeinander abgestimmt, dass durch die Wahl eines geschickten Schaltversatzes so genannte „Ripple"-Strome und „Ripple"- Spannungen im Hochvolt-Zwischenkreis weitestgehend minimiert werden. Der beispielsweise bidirektionale DC/DC-Wandler 3 an dem elektrischen Energiespeicher 2 dient zur Regelung der Zwischenkreisspannung wahrend der der Brennstoffzellenemheit 1 nachgeschaltete DC/DC-Wandler 4 die Brennstoffzellenemheit 1 beziehungsweise den Brennstoffzellenstapel auf einen bestimmten Punkt ihrer entsprechenden Polkurve halt. Die Kopplung beider Teile der Regler 7 beziehungsweise der Controller innerhalb der integrierten Leistungselektronik 10 ermöglicht zudem nach der Erfindung viel kürzere Signalverzogerungen, als es bei konventionellen Fahrzeugen dieses Typs der Fall ist. Die konventionellen Fahrzeuge verwenden beispielsweise CAN-Bus-Systeme (Controller Area Network, zu deutsch: Steuerungsbereichsnetzwerk) . Die erfmdungsgemaßen verkürzten Signalubertragungszeiten fuhren zu einer Erhöhung der Dynamik der gesamten Bordnetzarchitektur und der integrierten Leistungselektronik im Zusammenspiel der beiden DC/DC-Wandler 3, 4 und dem Wechselrichter 6, der seitens des Motors 8 zugeschaltet ist.
Mit dieser erfindungsgemaß bereitgestellten zweiten Stellgroße erhalt man einen zusätzlichen Freiheitsgrad m der Entwicklung, Ausgestaltung und Umsetzung von
Bordnetzarchitekturen für Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge. Dadurch kann beispielsweise eine zeitigere Fahrtfreigabe beim Gefrierstart geboten werden. Auch bei alteren Fahrzeugmodellen und dementsprechend gealterter Brennstoffzellenemheit, welche ab einem bestimmten Spannungsverlust typischerweise aus dem Verkehr gezogen werden müssen, kann noch längere Zeit eine hinreichende Zwischenkreisspannung für den Betrieb erreicht werden. Zudem ermöglicht die zusätzliche Stellgroße nach der Erfindung eine erhöhte Entwicklungs- und Anpassungsfreiheit, da bestimmte Änderungen an einer Komponente der Bordnetzarchitektur 20 bei der vorliegenden Hochvolt-Bordnetzarchitektur 20 aufgrund des Zwischenkreises weniger Auswirkungen auf andere Komponenten haben, als es bei herkömmlichen derartigen Architekturen der Fall ist.
In der Figur 2 ist ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfmdungsgemaßen DC/DC-Wandlers in der Form eines unidirektionalen Hochsetzstellers dargestellt. Der DC/DC- Wandler 4 nach diesem Ausfuhrungsbeispiel weist insbesondere eine Speicherdrossel LFC auf. Bei kleinen Leistungen und insbesondere kleineren Drehzahlen des Antriebsmotors 8 (vergleiche Figur 1) ist die Motorspannung deutlich kleiner, als die Brennstoffzelleneinheits-Ausgangsspannung . In diesen Fallen gibt es erfindungsgemaß zudem die Möglichkeit, den als Hochsetzsteller ausgebildeten Wandler 4 auf einfache Weise durchzuschalten. Dabei bleibt der zum Aufladen der Speicherdrossel LFC vorgesehene elektronische Schalter permanent geöffnet (wie in Figur 2 dargestellt) , sodass eine Spannungsubertragung von 1:1 in diesem Betriebsmodus vorgenommen wird.
Auf diese Weise können in Arbeitsbereichen, in denen die hohe Zwischenkreisspannung für den Antrieb des Fahrzeugs und demnach dem Elektromotor 8 nicht vonnoten ist, folgende Verluste eingespart und damit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusätzlich erhöht werden:
• Ein- und Abschaltverluste der IGBT' s
• Abschaltverluste der Freilaufdioden
• Hystereseverluste der Eisenkerne in den Speicherdrosseln
• Ohm' sehe Verluste bedingt durch Lade- und Entladestrome der Glattungskondensatoren (CFC und CHc)
Damit sind die schwerwiegenden Verluste des Wandlers 4 in diesem Betriebsmodus weitestgehend eliminiert. Folgende Verluste treten im Durchschaltbetrieb dennoch auf:
• Durchlassverluste der Freilaufdioden
• Ohm' sehe Verluste der Speicherdrossel LFC
In einer weiteren Ausfuhrungsmoglichkeit konnte auch ein zusatzlicher Schalter 11 vorgesehen werden, durch den die oben beschriebenen Verluste der Freilaufdiode und der Speicherdrossel vermieden werden können.
Die Figur 3 schließlich zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine konstruktive Realisierungsvariante der erfmdungsgemaßen Losung und des erfindungsgemaßen Integrationskonzepts mit geöffnetem Deckel. In dem gemeinsamen Gehäuse 5 sind einerseits die Glattungskondensatoren 12 für den Zwischenkreis und andererseits die Induktoren 14 (bzw. Drosseln) vorgesehen. Zwischen den Induktoren 14 und den Kondensatoren 12 sind gemeinsame Kuhler 13 für die Leistungsmodule eingebaut. Am rückwärtigen (in Figur 3 vorderen) Ende des Gehäuses 5 sind jeweils zwei Anschlüsse oder Ausgange 15, 16 für einerseits den Anschluss an den elektrischen Energiespeicher 2 (Bezugszeichen 15) und andererseits den Anschluss an die Brennstoffzelleneinheit 1 (Bezugszeichen 16) ausgeführt. Bei dem erfindungsgemaßen Integrationskonzept der wesentlichen Bauteile und Leistungselektroniken innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 5 sind die Drosseln (bzw. Induktor 14) beider DC/DC-Wandler 3, 4 auf einer Seite in dem Gehäuse 5 untergebracht. Ebenfalls ist der für die Wandler 3,4 zusammengelegte zwischenkreisseitige Glattungskondensator 12 in Form eines Folienkondensators zu erkennen. Weitere Synergieeffekte werden durch eine gemeinsame Kühlung über die Kuhler 13 sowie eine gemeinsame Abschirmung hinsichtlich der elektromagnetischen Vertraglichkeits-Anforderungen in Form einer inneren Wandbeschichtung im Gehäuse 5 oder dergleichen erzielt .
Neben den dargestellten Komponenten können unter Umstanden auch noch weitere Leistungselektroniken zusatzlicher Hilfsantriebe 9 (vergleiche Figur 1) wie beispielsweise diejenigen des Luftmoduls, des Wasserstoff- Rezirkulationsgeblases oder ahnlichem in dem Gehäuse 5 erfindungsgemaß integriert werden. Bei derartigen weiteren Integrierungen von weiteren Leistungselektronikkomponenten im Bereich von Kraftfahrzeugen bestehen ein und dieselben Vorteile und können weitere Synergien und Vorteile hinsichtlich des Gewichts, der Kosten und des Raumbedarfs wie oben beschrieben erreicht werden. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses lediglich zu Zwecken eines Beispiels dargestellte Ausfuhrungsbeispiel beschrankt und umfasst alle Äquivalente und in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallenden veränderten Ausfuhrungsformen.
Bezugszeichenliste
Brennstoffzellenemheit (beziehungsweise -Stapel oder Stack) Elektrischer Energiespeicher erster DC/DC-Wandler zweiter (zusatzlicher) DC/DC-Wandler Gehäuse Wechselrichter (bzw. Inverter) Regler beziehungsweise Controller Antriebsmotor (hier Elektromotor) zusätzliche Leistungselektroniken für Hilfsantriebe integrierte Leistungselektronik optionaler Schalter Kondensator Leistungselektronikkomponenten mit Kuhlemheit Induktor (bzw. Drossel ) Ausgang Batterie Ausgang Brennstoffzellenemheit Hochvolt-Bordnetzarchitektur

Claims

Patentansprüche
1. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) mit integrierter Leistungselektronik (10) für ein Brennstoffzellen- Fahrzeug mit einem Elektromotor (8), mit einer BrennstoffZeileneinheit (1) und mit einem elektrischen Energiespeicher (2) sowie mindestens zwei DC/DC- Wandler (3,4) innerhalb der Bordnetzarchitektur (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster DC/DC-Wandler (3) an den elektrischen Energiespeicher (2) und mindestens ein zusätzlicher zweiter DC/DC-Wandler (4) an der
BrennstoffZeileneinheit (1) vorgesehen ist und beide Wandler einen Zwischenkreis speisen.
2. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC/DC-Wandler
(4) ein unidirektionaler Wandler, insbesondere ein Hoch-/Tiefsetzsteller ist.
3. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC/DC-Wandler (4) in der
BrennstoffZeileneinheit (1) integriert ist.
4. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (3, 4) in einem gemeinsamen Gehäuse (5) integriert sind.
5. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Wandlern (3, 4) ein Wechselrichter (6) des Antriebsmotors (8) des Fahrzeugs und gegebenenfalls weitere Leistungselektroniken (9) in ein und dem selben Gehäuse (5) integriert ist/sind.
6. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Einheit (7) vorgesehen ist, die mit dem dem elektrischen Energiespeicher (2) nachgeschalteten DC/DC-Wandler (3) die Zwischenkreisspannung und mit dem am Ausgang der Brennstoffzellenemheit (1) vorgesehenen DC/DC-Wandler
(4) den Arbeitspunkt der Brennstoffzellenemheit (1) einstellt .
7. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass samtliche Speicherdrosseln der DC/DC-Wandler (3, 4) elektronisch parallel liegen und auf den selben Kern gewickelt sind.
8. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenkreisseitigen Filterkapazitaten der Bordnetzarchitektur (20) zusammengelegt sind.
9. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den der Brennstoffzelle nachgeschalteten unidirektionalen DC/DC-Wandler ein weiterer Schalter (11) zur Überbruckung vorgesehen ist.
10. Hochvolt-Bordnetzarchitektur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorgange aller beteiligten Leistungselektronikkomponenten zur Reduzierung von Spannungs-/Stromrippeln im Zwischenkreis aufeinander abgestimmt sind.
11. Hochvolt-Bordnetzarchitektur (20) nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandler (3,
4) in einem gemeinsamen Gehäuse (5) gegebenenfalls mit weiteren Leistungselektromken der Hilfsantriebe integriert sind.
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