WO2016079603A1 - Dc/dc-wandlereinrichtung - Google Patents

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WO2016079603A1
WO2016079603A1 PCT/IB2015/054175 IB2015054175W WO2016079603A1 WO 2016079603 A1 WO2016079603 A1 WO 2016079603A1 IB 2015054175 W IB2015054175 W IB 2015054175W WO 2016079603 A1 WO2016079603 A1 WO 2016079603A1
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converter
voltage
switching
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output
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PCT/IB2015/054175
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Maximilian SCHIEDERMEIER
Kai Friewald
Enzo ILLIANO
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Brusa Elektronik AG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H02J2101/30—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a multi-phase DC / DC converter device with a
  • the invention also relates to a
  • DE102011051482A1 discloses a bridge circuit arrangement and a
  • Switching elements serve to switch between a first configuration in which the half-bridge arrangements are connected in parallel with the input terminals, and a second configuration in which the half-bridge arrangements are connected between the two
  • Input terminals are connected in series. At high input voltage, the series connection of the half bridges is used, so that the voltage on both
  • Voltage converter further includes a resonant network, a transformer and a rectifier.
  • This bridge circuit aims to increase the dielectric strength of the electronics.
  • a disadvantage of this topology are in particular the limitation to two half-bridges and the three switching elements, which require a high circuit complexity and constitute a not inconsiderable share of costs as a semiconductor.
  • DE102007017187B4 discloses an electrical system for a motor vehicle with a
  • Vehicle battery a supercapacitor, a voltage-sensitive consumer, a first and at least a second DC / DC converter and an electronic switch.
  • the DC / DC converters are each connected to the supercapacitor.
  • the second terminal of the first converter is connected to the consumer.
  • the second terminal of the second converter is connected to the vehicle battery.
  • the electronic switch is connected between the second terminals of the DC / DC converters. Opening the electronic switch ensures that the sensitive consumer is only supplied with energy from the supercapacitor during the starting process. A voltage dip on the portion of the electrical system on which the vehicle battery and the starter hang, therefore, does not affect the voltage-sensitive consumer. Outside a boot process, the switch is closed so both DC / DC converters are used to charge the supercapacitor. to Limiting the charging current, another switch can be provided in each DC / DC converter. All DC / DC converters have the same topology.
  • JP200631 1776A discloses a fuel cell vehicle having a converter composed of a plurality of parallel-connected subunits.
  • a control unit determines in
  • DE102010041625A1 discloses an electrical converter for a mobile application.
  • the DC-DC converter consists of parallel single transformers.
  • the controller performs an active current compensation during operation of the converter. For this purpose, the values for the current flow are detected by the individual transducers currently in operation. In addition, the failure of a single converter can be compensated.
  • US6954365B2 discloses a fuel cell vehicle with parallel-connected DC / DC converters, each of which may comprise a current measuring device.
  • DE112008003489T5 discloses a fuel cell system in which between
  • Fuel cell and battery is a DC / DC converter is provided. This consists of three full-bridge units whose coils are inductively coupled with each other.
  • US7518886B1 discloses a fuel cell assembly having a primary and secondary converter. The primary side is made up of three similar phases connected in parallel. The secondary side comprises a common rectifier.
  • DE102012109638A1 discloses a multi-string inverter with input E V filter.
  • DC-DC converters are known for overlapping voltage ranges, in particular an energy source (for example a fuel cell) applied to the converter input and an energy store (vehicle battery) connected to the converter output.
  • an energy source for example a fuel cell
  • an energy store vehicle battery
  • the common converter topology is the full bridge converter.
  • the full bridge converter In case the input voltage (fuel cell voltage) can be higher or lower than the output voltage (battery voltage), the common converter topology is the full bridge converter.
  • the full-bridge converters In order to distribute the power, several full-bridge converters are operated in parallel.
  • a disadvantage of this prior art is that a large number of semiconductor switches and corresponding drive logic are required. The calculation effort by
  • Microcontroller, FPGA, CPLD, ASIC or similar Is also enormous. This adversely affects space, weight, cost and efficiency ⁇ high power dissipation).
  • known systems are not or not optimal to the current-voltage characteristic of a
  • Energy source in particular adapted or adaptable to a fuel cell, resulting in either limited work areas or is expected to considerable losses.
  • the aim of the present invention is thus to eliminate these disadvantages and to provide a DC / DC converter device whose operation is optimally adaptable to the characteristic current-voltage characteristic of an energy source, preferably a fuel cell unit. Power losses should be minimized.
  • the invention is compared to the prior art by less space, lower weight, lower cost and / or higher efficiency distinguished. This object is achieved with a DC / DC converter device of the type mentioned in that of the parallel-connected DC-DC converters, at least a first DC-DC converter in the direction of the DC voltage input to
  • DC output is formed as Hochsetzsteiler, wherein the topology of the at least one first DC-DC converter from the topology of the at least one second DC-DC converter, and that the DC / DC converter means at least one, preferably separate switching device with a first switching state in which the at least one second DC-DC converter is decoupled, so that a voltage conversion between DC input and DC output by the at least one first DC-DC converter and without involvement of the at least one second DC-DC converter, and a second switching state in which the at least one second DC-DC converter is switched, so that at least one second DC-DC converter a voltage conversion between Gleichspann.ungseingang and DC output is involved, preferably with the simultaneous participation of at least one first Gleichspa converter.
  • the invention achieves an optimized solution, in particular for situations in which the difference between the voltage present at the input of the DC / DC converter device and that at the output of the DC / DC converter device changes sign.
  • a fuel cell unit is connected to the input of the DC / DC converter device and an energy store (eg
  • the current-voltage characteristic curve or pole curve of a fuel cell unit is initially characterized by a high-slope section starting from the no-load voltage.
  • the fuel cell voltage falls below the battery voltage in or after this sloping section, so that it must be changed from low to high boost operation (or the conversion ratio must be adjusted).
  • the DC voltage input of the DC / DC converter device thus serves for connection to an electrical energy source, in particular a fuel cell unit, and the
  • the DC-DC converter is switched between input and output so that it can be involved in the voltage conversion between input and output.
  • decoupling is thus to be understood as the opposite.
  • the at least one second DC-DC converter is not involved in the voltage conversion.
  • the first switching state of the switching device corresponds to a first operating mode, in which the voltage conversion by the at least one first DC-DC converter (Tiefsetzstellfeld) and without participation of the at least one second
  • the second switching state of the switching device corresponds to a second operating mode, in which the at least one second DC-DC converter is involved in the voltage conversion.
  • This second operating mode There are two variants for this second operating mode:
  • the voltage conversion takes place between the DC voltage input and the DC voltage output by the at least one first DC-DC converter (high-set-part operation) and the at least one second DC-DC converter. In a second variant, the voltage conversion takes place between
  • the first variant of the second operating mode can be driven, for example, after switching on the at least one second DC-DC converter.
  • the one or more DC-DC converters are shut down, so that the current flowing through the first DC-DC converter (s) is reduced until the at least one first DC-to-DC converter is completely disabled (ie, its switching elements are no longer timing).
  • the at least one second DC-DC converter takes over the released power load by adapting the timing of its switching elements accordingly.
  • the second variant of the second operating mode is driven (ie without participation of the at least one first DC-DC converter to the voltage conversion).
  • the change from the first variant to the second variant may be useful if the losses by a - during Hochsetzstell memories permanently closed -
  • Switching element of the first DC-DC converter are greater than the losses by the switching device.
  • the second variant of the second operating mode can also be called
  • DC converter is decoupled or wegschaltbar, i. it can be decoupled by the switching device of the at least one first DC-DC converter and is not involved in the DC voltage conversion in this (first) switching state. The conversion takes place in this first switching state exclusively by the at least one first DC-DC converter.
  • multi-phase is understood to mean that the DC / DC converter device has at least two phases, that is, at least two parallel-connected
  • Gieichschreibswandmin is formed.
  • the at least one first Gieichschreibswandler and the at least one second Gieichschreibswandler are connected in parallel between the input and output of the DC / DC converter device.
  • Control device be controlled.
  • Gieichwoodswandler has / have different topology (ie, is constructed differently) than the or the second (n) Gieichwoodswandler.
  • the first DC-DC converter is thus used - from the input to the output - in two different operating modes: in step-down and step-up mode.
  • the second DC-DC converter can be designed only for one operating mode, namely for the Hochsetzsteil Lust (viewed from the input to the output), whereby it can be much simpler, more compact and less expensive dimensioned.
  • the first DC-DC converter (s) now act as a boost converter, like the second DC-DC converter (s).
  • the first DC / DC converter (s) are at the same time step-down and step-up converters, i. They are designed in such a way that they can be driven both in deep-set and high-set mode.
  • An important advantage of the invention is that the second DC-DC converter (s) - in the direction from the input to the output - only as
  • Boost converter can be designed, making them much easier and
  • the second DC-DC converter (s) could then act as a step-down converter from the output towards the input.
  • the second DC / DC converter can thus be much simpler and cheaper dimensioned than the first DC-DC converter.
  • This embodiment does not preclude the second DC / DC converter (s) being bidirectional (i.e., acting in the opposite direction as a buck converter).
  • a preferred embodiment is characterized in that the at least one first DC-DC converter is a full-bridge converter and / or that the at least one second DC-DC converter is a half-bridge converter.
  • the full bridge converter is equally suitable for deep and Hochsetzstell plante and on the other hand, a half-bridge converter as
  • Boost converter has the same performance as a full bridge converter in
  • a preferred embodiment is characterized in that in the first switching state of the switching device, the at least one second DC-DC converter with at least one of its poles from the DC voltage input and / or the
  • Switching device is provided for disconnecting or connecting a second DC-DC converter. As a result, the circuit complexity is kept low.
  • each second DC-DC converter or groups of second DC-DC converters could be connected or disconnected by their own switching device.
  • the invention is a galvanically connecting (i.e., not galvanically isolated by a transformer) transducer, i. Input and output are galvanically connected.
  • a preferred embodiment is characterized in that regardless of the switching states of the switching elements of the DC-DC converter between a pole of the DC input and the pole of the same name of the DC output galvanic connection is formed, which is preferably free of inductive components, particularly preferably free of any active and passive electrical components.
  • Such a converter topology can be realized easily and inexpensively and is low-loss.
  • DC converter and / or the second DC-DC converter at least one semiconductor switching element, in particular an IGBT or MOSFET, and at least one choke.
  • semiconductor switching element in particular an IGBT or MOSFET
  • choke at least one choke
  • DC converter has transformer-coupled inductors, which can increase the efficiency.
  • a preferred embodiment is characterized in that the DC / DC converter device comprises at least one current and / or voltage measuring device, which is connected to the control device and designed such that the control of the switching device in dependence on the current and / or
  • the switching device is preferably also connected to the control device. This results in an automatic and reliable control of the entire DC / DC converter device.
  • the mentioned object is also achieved with an energy transmission system which comprises an electrical energy source, in particular a fuel cell unit, an electrical energy store, in particular a battery, and a DC / DC converter device according to the invention, wherein the electrical energy source and the electrical energy store via the DC / DC -Wandler boots are electrically connected to each other.
  • Fuel cell system has already been discussed further above.
  • the aforementioned object is also achieved with a vehicle, in particular a fuel cell vehicle, with a power transmission system according to the invention.
  • the mentioned object is also achieved with a method for operating a DC / DC converter device and / or a power transmission system and / or a
  • Vehicle solved taking the DC / DC converter device is operated in a first operating mode when the voltage applied to the DC voltage input is greater than that at
  • the at least one first DC voltage converter is driven in a step-down mode and the switching device occupies the first switching state in which the at least one second DC-DC converter is decoupled, and wherein the DC / DC converter device in a second operating mode is operated when the voltage applied to the DC input voltage is smaller than the am
  • DC converter is switched on, occupies and preferably the at least a first DC-DC converter is driven in a Hochsetzsteil rehearsal.
  • the method defined above also comprises the first and second variants already described above.
  • the at least one second DC-DC converter and the at least one first DC-DC converter are involved in operation (boost-setting operation) and in the voltage conversion.
  • the at least one first DC-DC converter In the second variant, the at least one first DC-DC converter
  • connection and / or decoupling of the at least one second DC-DC converter by means of the switching device takes place as soon as the
  • the switching of the switching device preferably takes place essentially free of load, in that preferably the current flowing through the switching device is regulated by the at least one second DC-DC converter. So can by the second
  • the DC-DC converter current flowing through the clock pattern of its switching elements can be reduced.
  • the at least one first DC-DC converter receives more current (likewise by changing the clock pattern of its switching elements).
  • a switching of the switching device in the first switching state thus preferably takes place only when the current through the switching device is substantially zero. It is also possible that the switching elements of the second DC-DC converter already before
  • Switching operation from the first to the second switching state are put into operation to make an adjustment of output to input voltage, so that the current flowing through the switching device current is kept to zero or at least low.
  • Support capacities between the switching device and the second DC-DC converter (s) can support or simplify the load-free switching. By these measures, the switching device can be dimensioned easily and inexpensively.
  • a particular embodiment is summarized below: Between a fuel cell (for example of a vehicle) and a battery is a DC / DC
  • the DC / DC converter device consists between the input and output of parallel-connected subunits, each of which represents a DC-DC converter.
  • a first DC-DC converter in particular a full-bridge converter, can be operated both in boost and in buck-boost mode, at least one further (second) converter, which can only be operated in boost mode, in particular a half-bridge converter, can be switched on a separate switching device to the "pull-down phase".
  • the invention represents a solution optimally adapted to the current-voltage characteristic curve (pole curve) of the fuel cell. Embodiments suitable for specific applications and encompassed by the invention are described below:
  • the DC / DC converter device can be in the form of a 'normal' DC / DC converter (with 4 poles: 2-pole input and 2-pole output).
  • the DC / DC converter device can be integrated in a triport converter (with 6 poles).
  • a triport converter is designed with three connection terminals.
  • the DC / DC converter device can also have other outlets on the input or output side, which is used to connect ancillary units
  • the invention may also relate to a component in which the DC / DC converter device according to the invention is used or integrated.
  • This component can cover additional functions and contain further subcomponents.
  • These may e.g. be: vehicle power converter (supply of 12V or 24V or 48V circuit from the HV circuit); On-board charger for charging the HV battery; Traction converter, which supplies the electric motor for the vehicle traction; PDU (Power Distribution Unit) with fuses, contactors, control functions for the fuel cell system and / or the battery circuit, as well as various accessory HV and LV outputs (as mentioned above).
  • FIG. 1 shows an embodiment of a DC / DC converter device according to the invention
  • FIG. 2 shows an energy supply system in a fuel cell vehicle
  • FIG. 3 shows the pole curve of a fuel cell unit
  • FIG. 4 shows an embodiment of a second DC-DC converter in the form of a
  • FIG. 5 shows an embodiment of a first DC-DC converter in the form of a
  • Fig. 6 shows a second DC-DC converter (half-bridge converter), via which the
  • Fig. 7 shows a first DC-DC converter (full bridge converter), via which the
  • Fig. 8 is a DC / DC converter means in a schematic representation
  • Control device and current measuring devices are Control device and current measuring devices.
  • controlled switching element 1 1, 12, 13, 14; 21, 22, 21 ', 22'.
  • DC-DC converter 1 in the direction from the DC input 3 to
  • DC output 4 out (simultaneously) designed as buck and boost converter.
  • two or more first DC-DC converter with the above-mentioned property and each other paraSiel connected can be provided.
  • Second DC-DC converter 2, 2 ' (which are each connected in parallel with the first DC-DC converter 1) are in the direction of the DC input 3 to
  • DC output 4 formed as a step-up converter, wherein the topology of the first DC-DC converter 1 of the topology of the second
  • the DC / DC converter device 10 comprises at least one, preferably separate switching device 5 with a first switching state, in which the second
  • DC converter 2, 2 ' are decoupled, so that a voltage conversion between DC input 3 and DC output 4 by the first DC-DC converter 1 and without involvement of the second DC-DC converter 2, 2' takes place, and a second switching state in which the second DC-DC converter 2, 2 'are switched on , so that the second DC-DC converter 2, 2 'at a
  • a separate switching device 5 could also be provided for each second DC-DC converter 2. 2 ', so that optionally only a second DC-DC converter 2 or both second DC-DC converters 2, 2' can be connected.
  • the second DC-DC converters 2, 2 each have a simpler topology than the first DC-DC converter 1 and the second DC-DC converters 2, 2 'have fewer (in this case: half) switching elements than the first DC-DC converter 1 ,
  • the second DC-DC converters 2, 2 ' can only be operated as boost converters due to their "simplified" topology in the direction from the DC input 3 to the DC output 4.
  • the first DC-DC converter 1 is a full-bridge converter and the second DC converters
  • the first DC-DC converter 1 here has at least four switching elements 11, 12, 13, 14, which together with at least one throttle 15 form a full-bridge connection, wherein the throttle 15 forms the bridge branch.
  • the full bridge converter allows the step-up operation (input voltage U e ⁇
  • the half-bridge converter allows only the Hochsetzstell compassion (input voltage U 8 ⁇ output voltage U a ). A step-down operation (U e > U a ) is not possible.
  • the switching elements 21, 21 and 21 ', 22' are usually designed as IGBTs or FETs and have an antiparallel diode.
  • the diode of the switching element which is connected between the bridge point and the positive pole of the output 4 would then be poled in the forward direction if the input voltage (fuel cell voltage) were greater than the output voltage (battery voltage). , In this case, an uncontrollable with the converter current would result.
  • a half-bridge converter with a common plus FIG. 6
  • the diode of the switching element, which is connected between the bridge point and the negative pole of the output 4 would be the cause of this behavior.
  • the switching elements may be embodied as IGBTs and / or FETs and / or diodes.
  • the half-bridge converter can be designed bidirectionally (current flow in both directions possible) or unidirectional (current flow only possible in one direction), depending on how the circuit elements are implemented.
  • the switching device 5 is separate, ie in addition to the DC-DC converters 1, 2, 2 'or their switching elements, provided. It is possible that all second DC-DC converter to hang on a common switching device 5 or switched by this or disconnected (as in the Fig. 1). Likewise, it would be conceivable that each second Gieichwoodswandler or each group of second DC-DC converter are each assigned to a separate switching device.
  • the second DC-DC converter 2, 2 In the first switching state of the switching device 5, the second DC-DC converter 2, 2 'with at least one of their poles from the DC voltage input 3 (also possible: from the DC voltage output 4) and decoupled from at least one of its poles of the first DC-DC converter 1.
  • a single switching device 5 for disconnecting or connecting one or all of the second DC-DC converter 2, 2 ' With at least one of their poles from the DC voltage input 3 (also possible: from the DC voltage output 4) and decoupled from at least one of its poles of the first DC-DC converter 1.
  • DC converter 2, 2 ' may be provided.
  • the first DC-DC converter 1 and / or the second DC-DC converter 2, 2 ' can have at least one half-conductor switching element, in particular an IGBT or MOSFET, and at least one choke 15, 25, 25'.
  • the DC-DC converter 1, 2, 2' each formed with transformer-coupled inductors.
  • FIG. 8 shows that the DC / DC converter device 10 comprises at least one current measuring device 17 (also possible: voltage measuring device) which is connected to the control device 16 and designed such that the control of the switching device 5 is dependent on the current measuring device 17 measured values.
  • a current measuring device 17 also possible: voltage measuring device
  • an inventive energy transmission system 18 (eg of a vehicle) with an electric energy source 6, in particular a fuel cell unit, an electrical energy store 7, in particular a (vehicle) battery, and a DC / DC converter device 10, the electric energy source 6 and the electrical
  • Energy storage 7 are electrically connected to each other via the DC / DC converter device 10. Also at the output 4 of the DC-DC converter 10, an inverter 8 is connected, which converts the DC voltage into a for a (driving) motor 9 corresponding AC voltage.
  • the method for operating a DC / DC converter device (or a power transmission system and / or a vehicle) will now be explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 3. Although this example relates to a fuel cell application, it will be understood that the invention is also applicable to other sources of electrical energy, particularly those having a comparable or similar current-voltage waveform.
  • FIG. 3 shows the pole curve of a fuel cell unit as electrical energy source 6.
  • U B z max is maximum fuel cell voltage
  • U BZ min is the minimum
  • Fuel cell voltage, U B att max is the maximum battery voltage and U Ba tt. min is minimum battery voltage
  • the fuel cell voltage U BZ can be lower or higher than the battery voltage U Ba tt ⁇ Depending on the operating point, the boosting or
  • Step-down operation may be required to control the system.
  • the DC / DC converter device 10 is thus operated in a first operating mode when the voltage applied to the DC voltage input 3 is greater than the voltage applied to the DC voltage output 4, wherein in the first operating mode the at least one first
  • Switching device 5 the first switching state in which the at least one second DC-DC converter 2, 2 'is decoupled. occupies, and in a second operating mode when the DC input 3
  • the applied voltage is less than the voltage applied to the DC output 4 Voltage, wherein in the second operating mode, the switching device 5, the second switching state in which the at least one second DC-DC converter 2, 2 'is switched on, occupies, and preferably at least a first DC-DC converter 1 is driven in a Hochsetzsteil harness.
  • the voltage conversion between DC input 3 and DC output 4 takes place with the participation of the at least one first
  • DC-DC converter 1 Hochsetzstell nicely
  • DC-DC converter 2, 2 ' the at least one second DC-DC converter 2, 2 '.
  • the voltage conversion takes place between
  • the first variant of the second mode of operation may e.g. (Immediately) after connection of the at least one second DC-DC converter 2, 2 'driven. After a predetermined period of time or after reaching a predetermined point of the current-voltage characteristic of the power source, the one or more first or the first
  • DC-DC converter 1 is reduced until the at least one first Gieichchanswandler 1 is completely disabled (i.e., its switching elements no longer clock). At the same time, the at least one second takes over
  • the change from the first variant to the second variant may be useful if the losses by a - during Hochsetzsteil technicallyes permanently closed - switching element (here switching element 11) of the first DC-DC converter 1 are greater than the losses by the switching device 5.
  • Operating mode can also be referred to as 'high efficiency mode'. It is particularly suitable if a plurality of second DC-DC converters 2, 2 'are available or to which the current can be divided
  • the switching of the switching device 5 is substantially free of load by the current flowing through the switching device 5 by the at least one second DC-DC converter 2, 2 'is regulated.
  • the invention thus permits in particular the DC / DC conversion for overlapping
  • DC-DC converter 1 (also called pull-down phase) is initially in
  • the switching device 5 can be switched without an uncontrollable current flows from the fuel cell to the battery.
  • a hysteresis can be generated and the
  • Switching device are switched only when the fuel cell voltage is smaller by a predetermined difference ⁇ 1 than the battery voltage.
  • the second DC-DC converter 2, 2 '(half-bridge phases) can act in Hochsetzsteil vulgar and the first
  • the switching device 5 must switch off the second Gieichwoodswandler 2. 2 'at the latest when the voltage of the power source 6 equal to the voltage of
  • the regulation of the current through the switching device 5 by appropriate setpoint input of the two second DC-DC converter 2, 2 ' is recommended.
  • the switching device 5 can be designed such that it separates either the positive pole or the positive and negative pole be executed that it either the negative pole or the negative and positive pole separates.
  • the number of pull-down phases and half-bridge phases depends on the fuel cell, the battery and the performance of the phases.
  • the described invention includes at least one pull-down phase (first DC-DC converter 1) and at least one second DC-DC converter 2, 2 * of different topology (preferably a half-bridge phase).
  • the described invention can also be implemented by phases whose main reactors are transformer-coupled (FIGS. 4, 5).
  • Control logic which for regulating the switching times of the switching elements of
  • DC converter 1, 2, 2 ' is necessary, is shown purely schematically in FIG. 8 in the form of a control unit 16. All transducer topologies (half-bridge converter:
  • Full bridge converter are executable both with common minus (as shown in Fig. 1), as well as with common plus (Fig. 6, 7).
  • Combination are both bidirectional (current flow from left to right or from right to the left) but also unidiretationai (current flow only from right to left or current flow only from left to right) can be displayed. This depends on the implementation variant of the layout elements and their possible control. All circuit elements can be in the form of one of the following components: diode, IGBT, (MOS) FET s other semiconductors, or as a combination thereof.
  • the switching device 5 of the invention can also be realized as one of the following components: bipolar transistor, thyristor, triacs, IGBT, antiparallel diode IGBT, FET, antiparallel diode FET, MOSFET, contactor, relay, and / or combination thereof.
  • the switching device 5 may be formed by a semiconductor, a semiconductor relay or an electromechanical switch.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrphasige DC/DC-VVandlereinrichtung (10) mit einem Gieichspannungseingang (3), einem Gleschspannungsausgang (4) und paraliel geschalteten Gleichspannungswandlern (1, 2, 2'), die jeweils zumindest ein von einer Steuereinrichtung (18) gesteuertes Schaltelement (11, 12, 13, 14; 21, 22, 21 ', 22') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass von den parallel geschalteten Gleichspannungswandlern (1, 2, 2') zumindest ein erster Gieichspannungswandler (1) in Richtung vom Gieichspannungseingang (3) zum Gleichspannungsausgang (4) hin als Tief- und Hochsetzsteller und zumindest ein zweiter Gleichspannungswandler (2, 2') in Richtung vom Gieichspannungseingang (3) zum Gleichspannungsausgang (4) hin als Hochsetzsteller ausgebildet ist, wobei sich die Topoiogie des zumindest einen ersten Gieichspannungswandiers (1) von der Topoiogie des zumindest einen zweiten Gieichspannungswandiers (2, 2') unterscheidet, und dass die DC/DC-Wandlereinrichtung (10) zumindest eine Schalteinrichtung (5) umfasst.

Description

DC/DC-Wandlereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine mehrphasige DC/DC-Wandlereinrichtung mit einem
Gleichspannungseingang, einem Gleichspannungsausgang und parallel geschalteten Gleichspannungswandlern, die jeweils zumindest ein von einer Steuereinrichtung gesteuertes Schaltelement aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein
Energieübertragungssystem und ein Fahrzeug, jeweils mit einer DC/DC-Wandlereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Gegenstände.
Die DE102011051482A1 offenbart eine Brückenschaltungsanordnung und ein
Betriebsverfahren für einen Spannungswandler, der aus zwei Halbbrückenanordnungen gebildet wird. Drei, außerhalb der Halbbrückenanordnungen vorgesehene
Umschaltelemente dienen zur Umschaltung zwischen einer ersten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen parallel geschaltet mit den Eingangsanschlüssen verbunden sind, und einer zweiten Konfiguration, in der die Halbbrückenanordnungen zwischen den
Eingangsanschlüssen in Serie geschaltet sind. Bei hoher Eingangsspannung wird die Serienschaltung der Halbbrücken verwendet, damit sich die Spannung auf beide
Halbbrücken aufteilt. Bei geringerer Eingangsspannung wird die
Brückenschaltungsanordnung mit parallel geschalteten Halbbrücken betrieben. Der
Spannungswandler umfasst weiters ein Resonanznetzwerk einen Übertrager und einen Gleichrichter. Diese Brückenschaltung zielt darauf ab, die Spannungsfestigkeit der Elektronik zu erhöhen. Nachteilig an dieser Topologie sind insbesondere die Beschränkung auf zwei Halbbrücken sowie die drei Umschaltelemente, die einen hohen Schaltungsaufwand bedingen und als Halbleiter einen nicht unbeträchtlichen Kostenanteil darstellen.
Die DE102007017187B4 offenbart ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer
Fahrzeugbatterie, einem Superkondensator, einem spannungssensiblen Verbraucher, einem ersten und mindestens einem zweiten DC/DC-Wandler sowie einem elektronischen Schalter. Mit ihren ersten Anschlüssen sind die DC/DC-Wandler jeweils mit dem Superkondensator verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Wandlers ist mit dem Verbraucher verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Wandlers ist mit der Fahrzeugbatterie verbunden. Der elektronische Schalter ist zwischen den zweiten Anschlüssen der DC/DC-Wandler geschaltet. Durch das Öffnen des elektronischen Schalters wird sichergestellt, dass der sensible Verbraucher während des Startvorganges nur aus dem Superkondensator mit Energie versorgt wird. Ein Spannungseinbruch auf dem Abschnitt des Bordnetzes, an dem die Fahrzeugbatterie und der Starter hängen, berührt daher den spannungssensiblen Verbraucher nicht. Außerhalb eines Startvorganges wird der Schalter geschlossen, sodass beide DC/DC-Wandler zum Aufladen des Superkondensators genutzt werden. Zur Begrenzung des Ladestromes kann in jedem DC/DC-Wandler ein weiterer Schalter vorgesehen sein. Alle DC/DC-Wandler weisen dieselbe Topologie auf.
Die JP200631 1776A offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem aus mehreren parallel geschalteten Untereinheiten bestehenden Wandler. Eine Steuereinheit bestimmt in
Abhängigkeit des Zustandes (z.B. Temperatur) der jeweiligen Untereinheiten, welche Untereinheit(en) betrieben werden.
Die DE102010041625A1 offenbart einen elektrischen Wandler für eine mobile Anwendung. Der Gleichspannungswandler besteht aus parallel geschalteten Einzelwandlern. Die Steuerungseinrichtung führt im Betrieb des Wandlers einen aktiven Stromausgleich durch. Dafür werden die Werte für den Stromfluss durch die momentan im Betrieb befindlichen Einzelwandler erfasst. Außerdem kann der Ausfall eines Einzelwandlers kompensiert werden.
Die US6954365B2 offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug mit parallel geschalteten DC/DC- Konvertern, die jeweils eine Strommesseinrichtung, umfassen können. Die Ansteuerung bzw. zeitversetzte Ansteuerung der einzelnen DC/DC-Konverter erfolgt mittels einer Steuereinheit.
Die DE112008003489T5 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem zwischen
Brennstoffzelle und Batterie ein DC/DC-Wandler vorgesehen ist. Dieser besteht aus drei Vollbrücken-Einheiten, deren Spulen untereinander induktiv gekoppelt sind. Die US7518886B1 offenbart eine Brennstoffzellenanordnung mit einem aus Primär- und Sekundärseite bestehenden Wandler. Die Primärseite wird aus drei gleichartigen, parallel geschalteten Phasen gebildet. Die Sekundärseite umfasst einen gemeinsamen Gleichrichter.
Die DE102012109638A1 offenbart einen Multistring-Wechselrichter mit eingangsseitigem E V-Filter. Im Stand der Technik sind Gleichspannungswandler für überlappende Spannungsbereiche, insbesondere einer am Wandlereingang anliegenden Energiequelle (z.B. Brennstoffzelle) und einem am Wandlerausgang anliegenden Energiespeicher (Fahrzeugbatterie) bekannt.
Im Falle, dass die Eingangsspannung (Brennstoffzellenspannung) höher oder tiefer als die Ausgangsspannung (Batteriespannung) sein kann, ist die gebräuchliche Wandler-Topologie der Vollbrückenwandler. Unter anderem um die Leistung zu verteilen, werden dabei mehrere Vollbrückenwandler parallel betrieben. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass eine Vielzahl an Halbleiterschaltern und entsprechende Ansteuerlogik erforderlich sind. Der Berechnungsaufwand durch
Mikrokontroller, FPGA, CPLD, ASIC od. ähnl. Ist ebenfalls enorm. Dies wirkt sich nachteilig auf Bauraum, Gewicht, Kosten und Wirkungsgrad {hohe Verlustleistung) aus. Zudem sind bekannte Systeme nicht bzw. nicht optimal an die Strom-Spannungs-Kennlinie einer
Energiequelle, insbesondere einer Brennstoffzelle angepasst bzw. anpassbar, wodurch sich entweder nur beschränkte Arbeitsbereiche ergeben oder mit erheblichen Verlusten zu rechnen ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, diese Nachteile zu beseitigen und eine DC/DC- Wandlereinrichtung bereitzustellen, deren Betrieb optimal an die charakteristische Strom- Spannungskennlinie einer Energiequelle, vorzugsweise einer Brennstoffzelleneinheit, anpassbar ist. Leistungsverluste sollen minimiert werden. Zudem soll sich die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik durch geringeren Bauraum, geringeres Gewicht, geringere Kosten und/oder höheren Wirkungsgrad auszeichnen. Dieses Ziel wird mit einer DC/DC-Wandlereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass von den parallel geschalteten Gleichspannungswandlern zumindest ein erster Gleichspannungswandler in Richtung vom Gleichspannungseingang zum
Gleichspannungsausgang hin als Tief- und Hochsetzsteller und zumindest ein zweiter Gleichspannungswandler in Richtung vom Gleichspannungseingang zum
Gleichspannungsausgang hin als Hochsetzsteiler ausgebildet ist, wobei sich die Topologie des zumindest einen ersten Gleichspannungswandlers von der Topologie des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers unterscheidet, und dass die DC/DC-Wandlereinrichtung zumindest eine, vorzugsweise gesonderte Schalteinrichtung mit einem ersten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler abgekoppelt ist, sodass eine Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang und Gleichspannungsausgang durch den zumindest einen ersten Gleichspannungswandler und ohne Beteiligung des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers erfolgt, und einem zweiten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler zugeschaltet ist, sodass der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler an einer Spannungswandlung zwischen Gleichspann.ungseingang und Gleichspannungsausgang beteiligt ist, vorzugsweise unter gleichzeitiger Beteiligung des zumindest einen ersten Gleichspannungswandlers, umfasst. Mit der Erfindung wird eine optimierte Lösung insbesondere für Situationen erreicht, bei denen die Differenz zwischen der am Eingang der DC/DC-Wandereinrichtung anliegenden Spannung und der am Ausgang der DC/DC-Wandereinrichtung das Vorzeichen wechselt. Eine solche Situation ergibt sich insbesondere, wenn eine Brennstoffzelleneinheit mit dem Eingang der DC/DC-Wandereinrichtung verbunden ist und ein Energiespeicher (z.B.
Batterie) mit dem Ausgang der DC/DC-Wandereinrichtung verbunden ist. Die Strom- Spannungskennlinie bzw. Polkurve einer Brennstoffzelleneinheit ist ausgehend von der Leerlaufspannung zunächst durch einen stark abfallenden Abschnitt gekennzeichnet.
Üblicherweise unterschreitet die Brennstoffzellenspannung die Batteriespannung in bzw. nach diesem abfallenden Abschnitt, sodass vom Tief- in den Hochsetzstellbetrieb gewechselt (bzw. das Wandlungsverhältnis angepasst) werden muss.
Der Gleichspannungseingang der DC/DC-Wandlereinrichtung dient somit zur Anbindung an eine elektrische Energiequelle, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, und der
Gleichspannungsausgang zur Anbindung an einen elektrischen Energiespeicher. Unter Zuschalten' ist zu verstehen, dass der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler derart zwischen Eingang und Ausgang geschaltet wird, dass er an der Spannungswandlung zwischen Eingang und Ausgang beteiligt sein kann. Unter .Abkoppeln' ist somit das Gegenteil zu verstehen. Im abgekoppelten Zustand ist der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler nicht an der Spannungswandlung beteiligt. Der erste Schaltzustand der Schalteinrichtung entspricht einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Spannungswandlung durch den zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (Tiefsetzstellbetrieb) und ohne Beteiligung des zumindest einen zweiten
Gleichspannungswandlers erfolgt.
Der zweite Schaltzustand der Schalteinrichtung entspricht einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler an der Spannungswandlung beteiligt ist. Für diesen zweiten Betriebsmodus gibt es nun zwei Varianten:
In einer ersten Variante erfolgt die Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang und Gleichspannungsausgang durch den zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (Hochsetzsteilbetrieb) und den zumindest einen zweiten Gleichspannungswandler. In einer zweiten Variante erfolgt die Spannungswandlung zwischen
Gleichspannungseingang und Gleichspannungsausgang nur durch den oder die zweiten Gleichspannungswandler und ohne Beteiligung des ersten Gleichspannungswandlers.
Die erste Variante des zweiten Betriebsmodus kann z.B. nach dem Zuschalten des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers gefahren werden. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne wird/werden der oder die ersten Gleichspannungswandler heruntergefahren, sodass der durch den/die ersten Gleichspannungswandler fließende Strom verringert wird, bis der zumindest eine erste Gieichspannungswandler gänzlich außer Betrieb gesetzt ist (d.h. seine Schaltelemente takten nicht mehr). Gleichzeitig übernimmt der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler die freiwerdende Stromlast, indem die Taktung seiner Schaltelemente entsprechend angepasst wird. Nun wird die zweite Variante des zweiten Betriebsmodus gefahren (d.h. ohne Beteiligung des zumindest einen ersten Gleichspannungswandlers an der Spannungswandlung).
Der Wechsel von der ersten Variante zur zweiten Variante kann dann sinnvoll sein, wenn die Verluste durch ein - während des Hochsetzstellbetriebes dauerhaft geschlossenes -
Schaltelement des ersten Gleichspannungswandlers größer sind als die Verluste durch die Schalteinrichtung. Die zweite Variante des zweiten Betriebsmodus kann auch als
.Hocheffizienzmodus' bezeichnet werden. Er eignet sich insbesondere, wenn mehrere zweite Gleichspannungswandler zur Verfügung stehen. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler abkoppelbar bzw. wegschaltbar ist, d.h. er kann durch die Schalteinrichtung von dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler abgekoppelt werden und ist in diesem (ersten) Schaltzustand nicht an der Gleichspannungswandlung beteiligt. Die Wandlung erfolgt in diesem ersten Schaltzustand ausschließlich durch den zumindest einen ersten Gleichspannungswandler. Durch das gezielte Zuschalten des/der zweite(n) Gieichspannungswandler kann der Strom-Spannungs-Kennlinie einer
Energiequelle bestmöglich entsprochen werden.
Unter dem Ausdruck„mehrphasig" wird verstanden, dass die DC/DC-Wandlereinrichtung zumindest zwei Phasen aufweist, d.h. aus zumindest zwei parallel geschalteten
Gieichspannungswandlern gebildet wird. Der zumindest eine erste Gieichspannungswandler und der zumindest eine zweite Gieichspannungswandler sind dabei zwischen Eingang und Ausgang der DC/DC-Wandlereinrichtung parallel geschaltet.
Unter„gesonderter Schalteinrichtung" ist zu verstehen, dass diese nicht Bestandteil der einzelnen ersten und zweiten Gieichspannungswandler ist, sondern eben zusätzlich zu diesen vorgesehen ist. Die gesonderte Schalteinrichtung kann ebenso von der
Steuereinrichtung ansteuerbar sein.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der bzw. die erste(n)
Gieichspannungswandler eine unterschiedliche Topologie aufweist/-en (d.h. unterschiedlich aufgebaut ist/sind) als der bzw. die zweite(n) Gieichspannungswandler. Der erste Gleichspannungswandler wird - vom Eingang zum Ausgang hin - somit in zwei verschiedenen Betriebsmodi eingesetzt: im Tiefsetzsteil- und im Hochsetzstellbetrieb. Der zweite Gleichspannungswandler kann hingegen nur für einen Betriebsmodus ausgelegt sein, nämlich für den Hochsetzsteilbetrieb (vom Eingang zum Ausgang hin betrachtet), wodurch er wesentlich einfacher, kompakter und kostengünstiger dimensioniert werden kann.
Im Zusammenhang mit der Polkurve einer Brennstoffzelle fungiert der erste
Gleichspannungswandler ausgehend von der Leerlaufspannung zunächst als Tiefsetzsteller (sog. Pull-Down-Phase). Der Strom ist in diesem Bereich noch gering, sodass die Last durch den/die erste(n) Gleichspannungswandler noch verlustarm getragen werden kann. Sobald die Brennstoffzellenspannung gleich groß bzw. kleiner wird als die Spannung des
Energiespeichers, kann auch der bzw. die zweite(n) Gleichspannungswandler dazu geschaltet werden (d.h. an der Spannungswandlung beteiligt werden). Der Strom wird auf diese Weise auf mehrere Wandler verteilt. Der/die erste(n) Gleichspannungswandler wirken nun - wie der/die zweite(n) Gleichspannungswandler - als Hochsetzsteller. Der/die ersten Gleichspannungswandler sind gleichzeitig Tief- und Hochsetzsteller, d.h. sie sind derart konzipiert, dass sie sowohl im Tiefsetz- als auch im Hochsetzbetrieb gefahren werden können. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der/die zweite(n) Gleichspannungswandler - in Richtung vom Eingang zum Ausgang hin - nur als
Hochsetzsteller konzipiert sein können, wodurch sie wesentlich einfacher und
kostengünstiger dimensioniert werden können.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Begriffe„Gleichspannungseingang" und
„Gleichspannungsausgang" dazu verwendet wurden, um die Richtung des Tief- bzw.
Hochsetzsteilbetriebes zu definieren. Es wäre jedoch auch möglich, die
Gleichspannungswandler bidirektional auszubilden, sodass eine am
Gleichspannungsausgang anliegende Spannung in Richtung Gleichspannungseingang gewandelt wird. Der/die zweite(n) Gleichspannungswandler könnten dann - vom Ausgang in Richtung Eingang hin - als Tiefsetzsteller fungieren.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass der/die zweite(n) Gleichspannungswandler als Ganze weg- bzw. zugeschaltet werden, d.h. es erfolgt im weggeschalteten Zustand keine
Kombination bzw. Vereinigung mit der Topoiogie des ersten Gleichspannungswandlers.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite
Gleichspannungswandler eine einfachere Topoiogie aufweist als der erste
Gleichspannungswandler und/oder dass der zweite Gleichspannungswandler weniger, vorzugsweise halb so viele, Schaltelemente aufweist als bzw. wie der erste
Gleichspannungswandler. Dadurch kann insbesondere die Zahl der verwendeten Halbleiterbauteile reduziert werden, wodurch Bauraum, Gewicht und Kosten reduziert werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler aufgrund seiner Topologie in Richtung vom
Gleichspannungseingang zum Gleichspannungsausgang hin nur einen Hochsetzstellbetrieb aufweist. Der/die zweiten Gleichspannungswandler können damit wesentlich einfacher und kostengünstiger dimensioniert werden als der erste Gleichspannungswandler. Diese Ausführungsform schließt nicht aus, dass der/die zweiten Gleichspannungswandler bidirektional ausgebildet ist/sind (d.h. in entgegengesetzter Richtung als Tiefsetzsteller wirken können).
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der zumindest eine erste Gleichspannungswandler ein Vollbrücken-Wandler ist und/oder dass der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler ein Halbbrücken-Wandler ist. Dies stellt eine besonders bevorzugte Variante dar, da einerseits der Vollbrückenwandler gleichermaßen für Tief- und Hochsetzstellbetrieb geeignet ist und andererseits ein Halbbrückenwandler als
Hochsetzsteller dieselbe Performance aufweist wie ein Vollbrückenwandler im
Hochsetzstellbetrieb, aber nur halb so viele Halbleiterschaltelemente benötigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass im ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler mit zumindest einem seiner Pole von dem Gleichspannungseingang und/oder dem
Gleichspannungsausgang und von dem zumindest einen ersten Gleichspannungswandler abgekoppelt ist. Es reicht somit auch, wenn das Abkoppeln nur durch Auftrennung eines Poles erfolgt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine einzige
Schalteinrichtung zum Abkoppeln bzw. Zuschalten eines zweiten Gleichspannungswandlers vorgesehen ist. Dadurch wird der Schaltungsaufwand gering gehalten.
Möglich wäre auch, dass jeder zweiter Gleichspannungswandler oder Gruppen von zweiten Gleichspannungswandlern jeweils durch eine eigene Schalteinrichtung an- bzw. abkoppelbar sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Erfindung um galvanisch verbindende (d.h. nicht um durch einen Transformator galvanisch getrennte) Wandler, d.h. Eingang und Ausgang sind galvanisch miteinander verbunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass unabhängig von den Schaltzuständen der Schaltelemente der Gleichspannungswandler zwischen einem Pol des Gleichspannungseingangs und dem gleichnamigen Pol des Gleichspannungsausgangs eine galvanische Verbindung ausgebildet ist, die vorzugsweise frei von induktiven Bauelementen, besonders bevorzugt frei von jeglichen aktiven und passiven elektrischen Bauelementen, ist. Eine derartige Wandlertopologie kann einfach und kostengünstig realisiert werden und ist verlustarm.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der erste
Gleichspannungswandler und/oder der zweite Gleichspannungswandler zumindest ein Halbleiter-Schaltelement, insbesondere einen IGBT oder MOSFET, und zumindest eine Drossel aufweist. Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der
Gleichspannungswandler transformatorisch gekoppelte Drosseln aufweist, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöhen lässt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die DC/DC- Wandlereinrichtung zumindest eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung umfasst, die mit der Steuereinrichtung verbunden und derart ausgebildet ist, dass die Ansteuerung der Schalteinrichtung in Abhängigkeit der mit der Strom- und/oder
Spannungsmesseinrichtung ermittelten Messwerte erfolgt. Die Schalteinrichtung ist bevorzugt ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden. Es ergibt sich eine automatische und zuverlässige Steuerung der gesamten DC/DC-Wandlereinrichtung. Das erwähnte Ziel wird auch mit einem Energieübertragungssystem gelöst, das eine elektrische Energiequelle, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, und eine erfindungsgemäße DC/DC- Wandlereinrichtung umfasst, wobei die elektrische Energiequelle und der elektrische Energiespeicher über die DC/DC-Wandlereinrichtung miteinander elektrisch verbunden sind. Dabei ist die elektrische Energiequelle mit dem Gleichspannungseingang und der
Energiespeicher mit dem Gleichspannungsausgang der DC/DC-Wandlereinrichtung verbunden. An die Vorzüge insbesondere im Zusammenhang mit einem
Brennstoffzellensystem wurde bereits weiter oben näher eingegangen.
Das erwähnte Ziel wird auch mit einem Fahrzeug, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Energieübertragungssystem gelöst.
Das erwähnte Ziel wird auch mit einem Verfahren zum Betrieb einer DC/DC- Wandlereinrichtung und/oder eines Energieübertragungssystems und/oder eines
Fahrzeuges gelöst, wobei die DC/DC-Wandlereinrichtung in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die am Gleichspannungseingang anliegende Spannung größer ist als die am
Gleichspannungsausgang anliegende Spannung, wobei in dem ersten Betriebsmodus der zumindest eine erste Gleichspannungswandier in einem Tiefsetzsteilbetrieb gefahren wird und die Schalteinrichtung den ersten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler abgekoppelt ist, einnimmt, und wobei die DC/DC-Wandlereinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die am Gleichspannungseingang anliegende Spannung kleiner ist als die am
Gleichspannungsausgang anliegende Spannung, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Schalteinrichtung den zweiten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler zugeschaltet ist, einnimmt und vorzugsweise der zumindest eine erste Gleichspannungswandler in einem Hochsetzsteilbetrieb gefahren wird.
Auch das oben definierte Verfahren umfasst im zweiten Betriebsmodus die - bereits oben beschriebene - erste und zweite Variante. In der ersten Variante sind der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler und der zumindest eine erste Gleichspannungswandler in Betrieb (Hochsetzstellbetrieb) und an der Spannungswandlung beteiligt. In der zweiten Variante ist der zumindest eine erste
Gleichspannungswandler außer Betrieb gesetzt (d.h. er trägt nicht zur Spannungswandlung bei. Bevorzugt erfolgt das Zuschalten und/oder Abkoppeln des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers mittels der Schalteinrichtung, sobald die am
Gleichspannungseingang anliegende Spannung gleich groß oder um einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als die am Gleichspannungsausgang anliegende Spannung.
Bevorzugt erfolgt das Schalten der Schalteinrichtung im Wesentlichen lastfrei, indem vorzugsweise der durch die Schalteinrichtung fließende Strom durch den zumindest einen zweiten Gleichspannungswandler reguliert wird. So kann der durch den zweiten
Gleichspannungswandler fließende Strom durch das Taktmuster seiner Schaltelemente verringert werden. Gleichzeit nimmt der zumindest eine erste Gleichspannungswandler mehr Strom auf (ebenfalls durch Änderung des Taktmusters seiner Schaltelemente). Ein Schalten der Schalteinrichtung in den ersten Schaltzustand erfolgt somit vorzugsweise erst dann, wenn der Strom durch die Schalteinrichtung im Wesentlichen Null beträgt. Möglich ist auch, dass die Schaltelemente des zweiten Gleichspannungswandler bereits vor dem
Schaltvorgang (vom ersten in den zweiten Schaltzustand) in Betrieb genommen werden, um eine Anpassung von Ausgangs- zu Eingangsspannung vorzunehmen, sodass der durch die Schalteinrichtung fließende Strom zu null oder zumindest gering gehalten wird. Stützkapazitäten zwischen Schalteinrichtung und zweiten Gleichspannungswandler(n) können das lastfreie Schalten unterstützen bzw. vereinfachen. Durch diese Maßnahmen kann auch die Schalteinrichtung einfach und kostengünstig dimensioniert werden.
Eine besondere Ausführungsform wird im Folgenden nochmals zusammengefasst: Zwischen einer Brennstoffzelle (z.B. eines Fahrzeuges) und einer Batterie ist eine DC/DC-
Wandlereinrichtung der folgenden Art geschaltet: Die DC/DC-Wandlereinrichtung besteht zwischen Eingang und Ausgang aus parallel geschalteten Untereinheiten, die jeweils für sich einen Gleichspannungswandler darstellen. Ein (als„Pull-Down-Phase" zu bezeichnender) erster Gleichspannungswandler, insbesondere ein Vollbrückenwandler, ist sowohl im Hochsetz- als auch im Tiefsetzmodus betreibbar. Zumindest ein weiterer (zweiter) Wandler, der ausschließlich im Hochsetzmodus betreibbar ist, insbesondere ein Halbbrückenwandler, kann über eine gesonderte Schalteinrichtung zur„Pull-Down-Phase" zuschaltbar sein. Die Erfindung stellt eine auf die Strom-Spannungs-Kennlinie (Polkurve) der Brennstoffzelle optimal angepasste Lösung dar. Im folgenden werden Ausführungsformen beschrieben, die für spezielle Anwendungen geeignet sind und von der Erfindung mitumfasst sind:
- Die DC/DC-Wandlereinrichtung kann in Form eines .normalen' DC/DC-Wandlers (mit 4- Polen: 2- poliger Eingang und 2-poliger Ausgang) ausgebildet sein.
- Die DC/DC-Wandlereinrichtung kann in einem Triportwandler (mit 6 Polen) integriert sein. Ein Triportwandler ist mit drei Anschluss-Terminals ausgebildet.
- Die DC/DC-Wandlereinrichtung kann zusätzlich noch weitere Abgänge auf der Eingangsoder Ausgangsseite haben, welche zum Anschluss von Nebenaggregaten
(Turbokompressor-Umrichter, Klimakompressor, etc.) dienen bzw. mit solchen verbunden sind. - Die Erfindung kann auch eine Komponente betreffen, in der die erfindungsgemäße DC/DC- Wandlereinrichtung eingesetzt wird bzw. integriert ist. Diese Komponente kann noch weitere Funktionen abdecken und weitere Subkomponenten beinhalten. Diese können z.B. sein: Bordnetzwandler (Versorgung von 12V- bzw. 24V- bzw. 48V-Kreis aus dem HV-Kreis); On- Board-Ladegerät zum Laden der HV-Batterie; Traktionsumrichter, welcher den E-Motor für die Fahrzeugtraktion versorgt; PDU (Power Distribution Unit) mit Sicherungen, Schützen, Steuerfunktionen für das Brennstoffzellen-System und/oder den Batteriekreis, sowie diversen HV- und LV-Ausgängen für Nebenaggregate (wie oben erwähnt).
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung. Die Figuren werden
zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen DC/DC-Wandlereinrichtung, Fig. 2 ein Energieversorgungssystem in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, Fig. 3 die Polkurve einer Brennstoffzelleneinheit
Fig. 4 eine Ausführungsform eines zweiten Gleichspannungswandlers in Form eines
Halbbrücken-Wandlers,
Fig. 5 eine Ausführungsform eines ersten Gleichspannungswandlers in Form eines
Vollbrückenwandlers,
Fig. 6 einen zweiten Gleichspannungswandler (Halbbrücken-Wandler), über den die
Pluspole des Ein- und Ausganges permanent, d.h. unabhängig vom Schaltzustand der Schaltelemente, galvanisch verbunden sind,
Fig. 7 einen ersten Gleichspannungswandler (Vollbrücken-Wandler), über den die
Pluspole des Ein- und Ausganges permanent, d.h. unabhängig vom Schaltzustand der Schaltelemente, galvanisch verbunden sind,
Fig. 8 eine DC/DC-Wandlereinrichtung in schematischer Darstellung mit
Steuereinrichtung und Strommesseinrichtungen.
Fig. 1 zeigt eine Mehrphasige (hier: dreiphasige) DC/DC-Wandlereinrichtung 10 mit einem Gleichspannungseingang 3, einem Gleichspannungsausgang 4 und parallel geschalteten Gleichspannungswandlern 1 , 2, 2', die jeweils zumindest ein von einer Steuereinrichtung 16 (siehe Fig. 8) gesteuertes Schaltelement 1 1 , 12, 13, 14; 21 , 22, 21 ', 22' aufweisen.
Von den parallel geschalteten Gleichspannungswandlern 1 , 2, 2' ist ein erster
Gleichspannungswandler 1 in Richtung vom Gleichspannungseingang 3 zum
Gleichspannungsausgang 4 hin (gleichzeitig) als Tief- und Hochsetzsteller ausgebildet. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch zwei oder mehrere erste Gleichspannungswandler mit der oben genannten Eigenschaft und zueinander paraSiel geschaltet vorgesehen sein können.
Zweite Gleichspannungswandler 2, 2' (die jeweils mit dem ersten Gleichspannungswandler 1 parallel geschaltet sind) sind in Richtung vom Gleichspannungseingang 3 zum
Gleichspannungsausgang 4 hin als Hochsetzsteller ausgebildet, wobei sich die Topologie des ersten Gleichspannungswandlers 1 von der Topologie der zweiten
Gleichspannungswandler 2, 2' unterscheidet. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch nur ein zweiter oder aber auch drei oder mehrere zweite Gleichspannungswandler mit der oben genannten Eigenschaft vorgesehen sein könnte(n).
Die DC/DC-Wandlereinrichtung 10 umfasst zumindest eine, vorzugsweise gesonderte Schalteinrichtung 5 mit einem ersten Schaltzustand, in dem die zweiten
Gleichspannungswandler 2, 2' abgekoppelt sind, sodass eine Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang 3 und Gleichspannungsausgang 4 durch den ersten Gleichspannungswandler 1 und ohne Beteiligung der zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' erfolgt, und einem zweiten Schaltzustand, in dem die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' zugeschaltet sind, sodass die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' an einer
Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang 3 und Gleichspannungsausgang 4 beteiligt sind, vorzugsweise durch gleichzeitige Beteiligung des ersten
Gleichspannungswandlers 1 .
Anders als in Fig. 1 dargestellt könnte auch für jeden zweiten Gleichspannungswandler 2. 2' eine eigene Schalteinrichtung 5 vorgesehen sein, sodass wahlweise nur ein zweiter Gleichspannungswandler 2 oder beide zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' zugeschaltet werden können. Wie aus Fig. 1 zu sehen weisen die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2" jeweils eine einfachere Topologie auf als der erste Gleichspannungswandler 1 und haben die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' jeweils weniger (hier: halb so viele) Schaltelemente auf als der erste Gleichspannungswandler 1.
Die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' können aufgrund ihrer„vereinfachten" Topologie in Richtung vom Gleichspannungseingang 3 zum Gleichspannungsausgang 4 hin jeweils nur als Hochsetzsteller betrieben werden. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der erste Gleichspannungswandler 1 als Vollbrücken-Wandler und sind die zweiten
Gleichspannungswandler 2, 2' jeweils als Halbbrücken-Wandler ausgebildet. Der erste Gleichspannungswandler 1 weist hier zumindest vier Schaltelemente 11 , 12, 13, 14 auf, die zusammen mit zumindest einer Drossel 15 eine Vollbrückenschaitung bilden, wobei die Drossel 15 den Brückenzweig bildet. Ein zweiter Gleichspannungswandler 2, 2' umfasst zumindest zwei Schaltelemente 21 22 bzw. 21 ', 22', die zusammen mit zumindest einer Drossel 25 bzw. 25' eine Halbbrückenschaltung bilden.
Im Folgenden werden die Eigenschaften des Vollbrückenwandlers näher erläutert (Der Vollbrückenwandler in Fig. 1 ist mit gemeinsamen Minus dargestellt, kann aber auch mit gemeinsamen Plus ausgeführt werden; siehe Fig. 7):
Der Vollbrückenwandler erlaubt den Hochsetzstellbetrieb (Eingangsspannung Ue <
Ausgangsspannung Ua) und den Tiefsetzstellbetrieb (Ue > Ua). Er ist aus zwei Halbbrücken aufgebaut. Die Schaltelemente 11 , 12, 13, 14 können als IGBTs und/oder FETs und/oder Dioden ausgeführt sein. Der Vollbrückenwandler kann, abhängig davon, wie die
Schaiteiemente ausgeführt sind, bidirektional (Stromfluss in beide Richtungen möglich) oder unidirektional (Stromfluss nur in eine Richtung möglich) ausgeführt sein. Im Folgenden werden die Eigenschaften des Halbbrückenwandlers näher erläutert (Der Halbbrückenwandler in Fig. 1 ist mit gemeinsamen Minus dargestellt, kann aber auch mit gemeinsamen Plus ausgeführt werden; siehe Fig. 6):
Der Halbbrückenwandler erlaubt nur den Hochsetzstellbetrieb (Eingangsspannung U8 < Ausgangsspannung Ua). Ein Tiefsetzstellbetrieb (Ue > Ua) ist nicht möglich. Der Grund dafür ist, dass die Schaltelemente 21 , 21 bzw. 21 ', 22' sind i.d.R. als IGBTs oder FETs ausgeführt sind und eine antiparallele Diode besitzen. Bei einem Halbbrückenwandler mit gemeinsamen Minus (Fig. 1 ) wäre die Diode des Schaltelementes, die zwischen den Brückenpunkt und dem Pluspol des Ausganges 4 geschaltet ist, dann in Durchlassrichtung gepolt, wenn die Eingangsspannung (Brennstoffzellenspannung) grösser wäre, als die Ausgangsspannung (Batteriespannung). In diesem Fall ergäbe sich ein mit dem Wandler nicht kontrollierbarer Strom. Bei einem Halbbrückenwandler mit gemeinsamen Plus (Fig. 6) wäre die Diode des Schaltelementes, die zwischen den Brückenpunkt und dem Minuspol des Ausganges 4 geschaltet ist, ursächlich für dieses Verhalten.
Wie beim Vollbrückenwandler können die Schaltelemente als IGBTs und/oder FETs und/oder Dioden ausgeführt sein. Der Halbbrückenwandler kann, abhängig davon wie die Schaiteiemente ausgeführt sind, bidirektional (Stromfluss in beide Richtungen möglich) oder unidirektional (Stromfluss nur in eine Richtung möglich) ausgeführt sein.
Die Schalteinrichtung 5 ist gesondert, d.h. zusätzlich zu den Gleichspannungswandlern 1 , 2, 2' bzw. deren Schaltelementen, vorgesehen. Es ist möglich, dass alle zweiten Gleichspannungswandler an einer gemeinsamen Schalteinrichtung 5 hängen bzw. durch diese zugeschaltet bzw. abgekoppelt werden (wie z.B. in der Fig. 1 ). Ebenso wäre es aber denkbar, dass jeder zweite Gieichspannungswandler oder jede Gruppe von zweiten Gleichspannungswandler jeweils an einer eigenen Schalteinrichtung zugeordnet sind.
Letztere Variante eröffnet die Möglichkeit des Zuschaltens ausgewählter zweiter
Gleichspannungswandler.
Im ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung 5 sind die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' mit zumindest einem ihrer Pole von dem Gleichspannungseingang 3 (möglich wäre auch: von dem Gleichspannungsausgang 4) und mit zumindest einem ihrer Pole von dem ersten Gleichspannungswandler 1 abgekoppelt. Wie in Fig. 1 zu sehen kann eine einzige Schalteinrichtung 5 zum Abkoppeln bzw. Zuschalten eines bzw. aller zweiten
Gleichspannungswandlers 2, 2' vorgesehen sein.
Unabhängig von den Schaltzuständen der Schaltelemente 1 1 , 12, 13, 14; 21 , 22, 21 ', 22' der Gleichspannungswandler 1 , 2, 2' ist zwischen einem Pol des Gleichspannungseingangs 3 und dem gleichnamigen Pol des Gleichspannungsausgangs 4 eine galvanische Verbindung ausgebildet. Diese ist frei von induktiven Bauelementen (hier auch: frei von jeglichen aktiven und passiven elektrischen Bauelementen).
Wie bereits erwähnt können der erste Gleichspannungswandler 1 und/oder der zweite Gleichspannungswandler 2, 2' zumindest ein Halbieiter-Schaltelement, insbesondere einen IGBT oder MOSFET, und zumindest eine Drossel 15, 25, 25' aufweisen. Eine zu Fig. 1 alternative Ausführungsform der Gleichspannungswandler 1 , 2, 2' zeigen die Fig. 4 und 5. Hier sind die Gleichspannungswandler 1 , 2, 2' jeweils mit transformatorisch gekoppelten Drosseln ausgebildet.
Fig. 8 zeigt, dass die DC/DC-Wandlereinrichtung 10 zumindest eine Strommesseinrichtung 17 (möglich wäre auch: Spannungsmesseinrichtung) umfasst, die mit der Steuereinrichtung 16 verbunden und derart ausgebildet ist, dass die Ansteuerung der Schalteinrichtung 5 in Abhängigkeit der mit der Strommesseinrichtung 17 ermittelten Messwerte erfolgt.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem 18 (z.B. eines Fahrzeuges) mit einer elektrischen Energiequelle 6, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, einem elektrischen Energiespeicher 7, insbesondere eine (Fahrzeug)Batterie, und einer DC/DC- Wandlereinrichtung 10, wobei die elektrische Energiequelle 6 und der elektrische
Energiespeicher 7 über die DC/DC-Wandlereinrichtung 10 miteinander elektrisch verbunden sind. Ebenfalls am Ausgang 4 des Gleichspannungswandlers 10 ist ein Wechselrichter 8 angeschlossen, der die Gleichspannung in eine für einen (Fahr)Motor 9 entsprechende Wechselspannung umwandelt. Anhand Fig. 1 und Fig. 3 wird nun das Verfahren zum Betrieb einer DC/DC- Wandlereinrichtung (bzw. eines Energieübertragungssystems und/oder eines Fahrzeuges) näher erläutert. Auch wenn dieses Beispiel eine Brennstoffzellenanwendung betrifft wird festgehalten, dass die Erfindung auch für andere elektrische Energiequellen geeignet ist, insbesondere für solche, die einen vergleichbaren oder ähnlichen Strom-Spannungsverlauf aufweisen.
Fig. 3 zeigt die Polkurve einer Brennstoffzelleneinheit als elektrischer Energiequelle 6. Die Leerlaufspannung (lBZ=0) liegt im Vergleich zur Spannung der Brennstoffzelleneinheit bei maximaler Leistung sehr hoch (nur als Richtwert gilt hier ein Verhältnis von zumindest 2:1 ). UBz max ist maximale Brennstoffzellenspannung, UBZ min ist die minimale
Brennstoffzellenspannung, UBatt max ist die maximale Batteriespannung und UBatt. min ist minimale Batteriespannung
In Fig. 3 sind unterschiedliche Arbeitsbereiche A, B und C zu sehen:
Arbeitsbereich A: Da die Brennstoffzelienspannung UBZ größer ist als die Batteriespannung UBatt. ist ein Tiefsetzstellbetrieb notwendig. Die Spannung der Brennstoffzelleneinheit muss auf das Niveau der Batterie heruntergewandelt werden. Dies erfolgt mit dem ersten
Gleichspannungswandler 1 , während die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' abgekoppelt und somit nicht an der Wandlung beteiligt sind.
Arbeitsbereich B: Hier kann die Brennstoffzellenspannung UBZ kleiner oder größer sein als die Batteriespannung UBatt■ Abhängig vom Arbeitspunkt kann der Hochsetz- oder
Tiefsetzstellbetrieb erforderlich sein, um das System zu regeln.
Arbeitsbereich C: Da die Brennstoffzellenspannung UBZ kleiner ist als die Batteriespannung Ueast . ist ein Hochsetzsteilbetrieb notwendig. Die Spannung der Brennstoffzelleneinheit muss auf das Niveau der Batterie hochgewandelt werden. Dies erfolgt bei zugeschalteten zweiten Gleichspannungswandlern 2, 2', die somit an der Wandlung beteiligt sind.
Die DC/DC-Wandlereinrichtung 10 wird somit in einem ersten Betriebsmodus betrieben, wenn die am Gleichspannungseingang 3 anliegende Spannung größer ist als die am Gleichspannungsausgang 4 anliegende Spannung, wobei in dem ersten Betriebsmodus der zumindest eine erste
Gleichspannungswandler 1 in einem Tiefsetzstellbetrieb gefahren wird und die
Schalteinrichtung 5 den ersten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler 2, 2' abgekoppelt ist. einnimmt, und in einem zweiten Betriebsmodus, wenn die am Gleichspannungseingang 3
anliegende Spannung kleiner ist als die am Gleichspannungsausgang 4 anliegende Spannung, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Schalteinrichtung 5 den zweiten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler 2, 2' zugeschaltet ist, einnimmt und vorzugsweise der zumindest eine erste Gleichspannungswandler 1 in einem Hochsetzsteilbetrieb gefahren wird. Für den zweiten Betriebsmodus gibt es nun zwei Varianten:
In einer ersten Variante erfolgt die Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang 3 und Gleichspannungsausgang 4 unter Beteiligung des zumindest einen ersten
Gleichspannungswandlers 1 (Hochsetzstellbetrieb) und des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandler 2, 2'. In einer zweiten Variante erfolgt die Spannungswandlung zwischen
Gleichspannungseingang 3 und Gleichspannungsausgang 4 nur durch den oder die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' und ohne Beteiligung des ersten Gleichspannungswandlers 1 .
Die erste Variante des zweiten Betriebsmodus kann z.B. (unmittelbar) nach dem Zuschalten des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers 2, 2' gefahren werden. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne oder nach Erreichen eines vorgegebenen Punktes der Strom- Spannungskennlinie der Energiequelle wird/werden der oder die ersten
Gleichspannungswandler 1 heruntergefahren, sodass der durch den/die ersten
Gleichspannungswandler 1 fließende Strom verringert wird, bis der zumindest eine erste Gieichspannungswandler 1 gänzlich außer Betrieb gesetzt ist (d.h. seine Schaltelemente takten nicht mehr). Gleichzeitig übernimmt der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler 2, 2' die freiwerdende Stromlast, indem die Taktung seiner Schaltelemente entsprechend angepasst wird. Nun ist die zweite Variante des zweiten Betriebsmodus realisiert (d.h. ohne Beteiligung des zumindest einen ersten
Gleichspannungswandlers 1 an der Spannungswandlung).
Der Wechsel von der ersten Variante zur zweiten Variante kann dann sinnvoll sein, wenn die Verluste durch ein - während des Hochsetzsteilbetriebes dauerhaft geschlossenes - Schaltelement (hier Schaltelement 11 ) des ersten Gleichspannungswandlers 1 größer sind als die Verluste durch die Schalteinrichtung 5. Die zweite Variante des zweiten
Betriebsmodus kann auch als .Hocheffizienzmodus' bezeichnet werden. Er eignet sich insbesondere, wenn mehrere zweite Gleichspannungswandler 2, 2' zur Verfügung stehen bzw. auf die der Strom aufgeteilt werden kann
Das Zuschalten und/oder Abkoppeln des zumindest einen zweiten
Gleichspannungswandlers 2, 2' erfolgt mittels der Schalteinrichtung 5, sobald die am Gleichspannungseingang 3 anliegende Spannung gleich groß oder um einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als die am Gleichspannungsausgang 4 anliegende Spannung.
Besonders bevorzugt ist, wenn das Schalten der Schalteinrichtung 5 im Wesentlichen lastfrei erfolgt, indem der durch die Schalteinrichtung 5 fließende Strom durch den zumindest einen zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' reguliert wird.
Die Erfindung erlaubt somit insbesondere die DC/DC-Wandlung für überlappende
Spannungsbereiche von Energiequelle 6 und Energiespeicher 7. Der erste
Gleichspannungswandler 1 (auch Pull-Down-Phase genannt) wird anfangs im
Tiefsetzsteilbetrieb verwendet. Die Pull-Down-Phase zieht dabei Strom aus der
Brennstoffzelle und zieht die Brennstoffzellenspannung nach unten (Pull-Down-Prinzip). Sobald die Spannung der Brennstoffzelle gleich groß oder kleiner ist als die
Batteriespannung kann die Schalteinrichtung 5 geschaltet werden, ohne dass ein unkontrollierbarer Strom von der Brennstoffzelle zur Batterie fließt.
Abhängig von der Betriebsstrategie kann eine Hysterese erzeugt werden und die
Schalteinrichtung erst geschalten werden, sobald die Brennstoffzellenspannung um eine vorgegeben Differenz ΔΙΙ1 kleiner ist als die Batteriespannung.
Sobald die Schalteinrichtung 5 geschaltet ist, können die zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' (Halbbrücken-Phasen) im Hochsetzsteilbetrieb fungieren und den ersten
Gleichspannungswandler 5 (Pull-Down-Phase) unterstützen. Die Schalteinrichtung 5 muss die zweiten Gieichspannungswandler 2. 2' spätestens dann wegschalten, wenn die Spannung der Energiequelle 6 gleich der Spannung des
Energiespeichers 7 ist. Um hier eine Reserve zu berücksichtigen, kann die Schalteinrichtung 5 bereits geöffnet werden, sobald ein minimaler Unterschied AU2=UB3tt - UBz erreicht bzw. unterschritten wird. Um die Schalteinrichtung 5 lastfrei schalten zu können, ist das Regulieren des Stromes durch die Schalteinrichtung 5 durch entsprechende Sollwertvorgabe der beiden zweiten Gleichspannungswandler 2, 2' empfehlenswert.
Bei Ausfuhrung der Phasen (Gleichspannungswandler 1 , 2, 2") mit gemeinsamem Minus kann die Schalteinrichtung 5 so ausgeführt sein, dass sie entweder den Pluspol oder auch den Plus- und Minuspol auftrennt. Bei Ausführung der Phasen mit gemeinsamem Plus kann die Schalteinrichtung 5 so ausgeführt sein, dass sie entweder den Minuspol oder den Minus- und Pluspol auftrennt. Bei gemeinsamem Minus besteht auch die Möglichkeit eines beidseitigen Auftrennens von Minusanschlüssen (ein- und ausgangsseitig). Bei gemeinsamem Pius besteht auch die Möglichkeit eines beidseitigen Auftrennens von Plusanschlüssen (ein- und ausgangsseitig).
Die Anzahl an Pull-Down-Phasen und Halbbrücken-Phasen hängen von der Brennstoffzelle, der Batterie und der Leistungsfähigkeit der Phasen ab. Die beschriebene Erfindung beinhaltet aber mindestens eine Pull-Down-Phase (erster Gleichspannungswandler 1 ) und mindestens einen zweiten Gleichspannungswandler 2, 2* unterschiedlicher Topologie (vorzugsweise eine Halbbrücken-Phase). Die beschriebene Erfindung kann auch durch Phasen erfolgen, deren Hauptdrosseln transformatorisch gekoppelt sind (Fig. 4, 5).
Im Folgenden werden nochmals Vorteile der bevorzugten Ausführungsform genannt: Durch Aufbau der DC/DC-Wandlereinrichtung 10 in Form der beschriebenen Topologie werden lediglich für die Pull-Down-Phase(n) Vollbrücke(n) benötigt, welche parallel zum
Gleichspannungseingang 3 (bzw. zur Brennstoffzelleneinheit) geschaltet sind. Die nur im Hochsetzstellbetrieb fahrbaren Gleichspannungswandler 2, 2' können als Halbbrücken- Phasen ausgeführt werden. Dadurch können Halbleiter und deren Ansteuerlogik eingespart werden. Ferner wird der Berechnungsaufwand durch μθ, FPGA, CPLD und/oder ASIC verringert. Da die Schalteinrichtung 5 lastfrei geschalten werden kann, kann auch die Verlustleistung herabgesetzt werden. Da die Schalteinrichtung 5 daher nicht wie die Schaltelemente 21 , 22 bzw. 21 ', 22' der Halbbrücken permanent takten muss, sondern permanent leitend oder nicht leitend ist, kann dieser auch anders ausgelegt werden (günstiger, verlustärmer). Durch die eingesparten Bauteile ergeben sich Vorteile folgender Art: Bauraum, Gewicht, Kosten, Wirkungsgrad.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die gezeigten Schaltbilder als stark vereinfachte
Darstellung zu verstehen sind. Kapazitäten auf der Ein- und Ausgangsseite, welche stützende und filternde Aufgaben haben können, sind ebenfalls nicht eingezeichnet. Dabei kann eine Eingangskapazität zwischen den Polen des Gleichspannungseingangs 3 noch vor der Abzweigung zur Schalteinrichtung 5 geschaltet sein. Es wäre jedoch alternativ oder zusätzlich denkbar für jeden Gleichspannungswandler eine eigene Eingangskapazität vorzusehen. Selbiges gilt für die Ausgangskapazität
Ansteuerlogik, welche zur Regulierung der Schaltzeiten der Schaltelemente der
Gleichspannungswandler 1 , 2, 2' nötig ist, ist in Fig. 8 rein schematisch in Form einer Steuereinheit 16 dargestellt. Alle Wandler-Topologien (Halbbrückenwandler:
Vollbrückenwandler; sowie deren Kombination) sind sowohl mit gemeinsamem Minus (wie in Fig. 1 dargestellt), als auch mit gemeinsamem Plus (Fig . 6, 7) ausführbar.
Alle Wandler-Topologien (Halbbrückenwandler: Vollbrückenwandler; sowie deren
Kombination) sind sowohl bidirektional (Stromfluss von links nach rechts oder von rechts nach links) aber auch unidirektionai (Stromfluss nur von rechts nach links oder aber Stromfluss nur von links nach rechts) darstellbar. Dies kommt auf die Realisierungsvariante der Schaiteiemente und deren etwaige Ansteuerung an. Alle Schaiteiemente können in Form einer der folgenden Bauelemente auftreten: Diode, IGBT, (MOS)FETs sonstige Halbleiter, oder als Kombination daraus.
Die Schaiteinrichtung 5 der Erfindung kann außerdem als einer der folgenden Bauelemente realisiert werden: Bipolartransistor, Tyristor, Triacs, IGBT, IGBT mit antiparalleier Diode, FET, FET mit antiparalleler Diode, MOSFET, Schütz, Relais, und/oder als Kombination daraus. Die Schaiteinrichtung 5 kann durch einen Halbleiter, ein Halbleiterrelais oder einen elektromeehanischen Schalter gebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsformen und die darin
hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhaib des Erfindungsgedankens eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. Ebenso ist es möglich, durch Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeicheniiste
I erster Gieichspannungswandler
2, 2' zweiter Gieichspannungswandler
3 Gieächspannungseingang
4 Gleichspannungsausgang
5 Schaitesnrichtung
6 elektrische Energiequelle
7 elektrischer Energiespeicher
8 Wechselrichter
9 Motor
10 DC/DC-WandSereinrichtung
I I Schalielement
12 Seh laitelement
13 Schaltelement
14 Schaltelement
15 Drossel
16 Ste uereinrichtursg
17 Strommesseinrichtung
18 Ene srgieübertragungssystem
21 , 21 ' Schalte!ement
22, 22' Schalteiement
25, 25' Drossel
IBZ Brennstoffzelienstrom
UBZ Brennstoffzelierispannung
UBZ max maximale Brennstoffzellenspannung
UBZ min minimale Brennstoffzelienspannung
Ußatt..max maximale Batteriespannung
Usatt. min minimale Batteriespannung ue Eingangsspannung
ua Ausgangsspannung
A, B, C Arbeitsbereiche

Claims

Patentansprüche
Mehrphasige DC/DC-Wandlereinrichtung (10) mit einem Gleichspannungseingang (3), einem Gieichspannungsausgang (4) und parallel geschalteten
Gleichspannungswandlern (1 , 2, 2'), die jeweils zumindest ein von einer
Steuereinrichtung (16) gesteuertes Schaltelement (1 1 , 12, 13, 14; 21 , 22, 21 ', 22') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass von den parallel geschalteten
Gleichspannungswandlern (1 , 2, 2') zumindest ein erster Gleichspannungswandler (1 ) in Richtung vom Gleichspannungseingang (3) zum Gieichspannungsausgang (4) hin als Tief- und Hochsetzsteller und zumindest ein zweiter Gleichspannungswandler (2, 2') in Richtung vom Gleichspannungseingang (3) zum Gieichspannungsausgang (4) hin als Hochsetzsteller ausgebildet ist, wobei sich die Topologie des zumindest einen ersten Gleichspannungswandlers (1 ) von der Topologie des zumindest einen zweiten
Gleichspannungswandlers (2, 2') unterscheidet, und dass die DC/DC- Wandlereinrichtung (10) zumindest eine, vorzugsweise gesonderte Schalteinrichtung (5) mit einem ersten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler (2, 2') abgekoppelt ist, sodass eine Spannungswandlung zwischen Gleichspannungseingang (3) und Gieichspannungsausgang (4) durch den zumindest einen ersten Gleichspannungswandler (1 ) und ohne Beteiligung des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandiers (2, 2') erfolgt, und einem zweiten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite
Gleichspannungswandler (2, 2') zugeschaltet ist, sodass der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler (2, 2') an einer Spannungswandlung zwischen
Gleichspannungseingang (3) und Gieichspannungsausgang (4) beteiligt ist, umfasst.
DC/DC-Wandlereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gleichspannungswandler (2, 2 ) eine einfachere Topologie aufweist als der erste Gleichspannungswandler (1 ) und/oder dass der zweite Gleichspannungswandler (2, 2') weniger, vorzugsweise halb so viele, Schaltelemente aufweist als der erste
Gleichspannungswandler (1 ).
DC/DC-Wandlereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler (2,
2') aufgrund seiner Topologie in Richtung vom Gleichspannungseingang
(3) zum Gieichspannungsausgang (4) hin nur einen Hochsetzsteilbetrieb aufweist.
4. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Gieichspannungswandier (1 ) ein Volibrücken-Wandler ist und/oder dass der zumindest eine zweite
Gieichspannungswandier (2, 2') ein Halbbrücken-Wandler ist.
5. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler (2, 2') mit zumindest einem seiner Pole von dem Gleichspannungseingang (3) und/oder dem Gieichspannungsausgang (4) und von dem zumindest einen ersten Gieichspannungswandier (1 ) abgekoppelt ist.
6. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Schalteinrichtung (5) zum Abkoppeln bzw.
Zuschalten eines zweiten Gleichspannungswandlers (2, 2') vorgesehen ist.
7. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von den Schaftzuständen der Schaltelemente (11 , 12, 13, 14; 21 , 22, 21 ', 22') der Gleichspannungswandler (1 , 2, 2') zwischen einem Pol des Gleichspannungseingangs (3) und dem gleichnamigen Pol des
Gleichspannungsausgangs (4) eine galvanische Verbindung ausgebildet ist, die vorzugsweise frei von induktiven Bauelementen, besonders bevorzugt frei von jeglichen aktiven und passiven elektrischen Bauelementen, ist.
8. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gleichspannungswandler (1 ) und/oder der zweite Gleichspannungswandler (2, 2') zumindest ein Halbleiter-Schaltelement, insbesondere einen IGBT oder MOSFET, und zumindest eine Drossel (15, 25, 25') aufweist.
9. DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Gleichspannungswandler (1 , 2, 2') transformatorisch gekoppelte Drosseln aufweist.
10. DC/DC-Wandlereinrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlereinrichtung (10) zumindest eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung (17) umfasst, die mit der Steuereinrichtung (16) verbunden und derart ausgebildet ist, dass die Ansteuerung der Schalteinrichtung (5) in
Abhängigkeit der mit der Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung (17) ermittelten Messwerte erfolgt.
11 Energieübertragungssystem umfassend eine elektrische Energiequelle (6),
insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, einen elektrischen Energiespeicher (7), insbesondere eine Batterie, und eine DC/DC-Wandlereinrichtung (10), wobei die elektrische Energiequelle (6) und der elektrische Energiespeicher (7) über die DC/DC- Wandlereinrichtung (10) miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch
gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
12. Fahrzeug, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeug, mit einem
Energieübertragungssystem nach Anspruch 1 1.
13. Verfahren zum Betrieb einer DC/DC-Wandlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Energieübertragungssystems nach Anspruch 1 1 und/oder eines Fahrzeuges nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlereinrichtung (10) in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die am Gieichspannungseingang (3) anliegende Spannung größer ist als die am Gleichspannungsausgang (4) anliegende Spannung, wobei in dem ersten
Betriebsmodus der zumindest eine erste Gleichspannungswandler (1 ) in einem
Tiefsetzsteilbetrieb gefahren wird und die Schalteinrichtung (5) den ersten
Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler (2, 2') abgekoppelt ist, einnimmt, und dass die DC/DC-Wandlereinrichtung (10) in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn die am Gieichspannungseingang (3) anliegende Spannung kleiner ist als die am Gleichspannungsausgang (4) anliegende Spannung, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die Schalteinrichtung (5) den zweiten Schaltzustand, in dem der zumindest eine zweite Gleichspannungswandler (2, 2') zugeschaltet ist, einnimmt und vorzugsweise der zumindest eine erste Gleichspannungswandler (1 ) in einem
Hochsetzstellbetrieb gefahren wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschalten
und/oder Abkoppeln des zumindest einen zweiten Gleichspannungswandlers (2, 2') mittels der Schalteinrichtung (5) erfolgt, sobald die am Gieichspannungseingang (3) anliegende Spannung gleich gross oder um einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als die am Gleichspannungsausgang (4) anliegende Spannung.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten der Schalteinrichtung (5) im Wesentlichen lastfrei erfolgt, indem vorzugsweise der durch die Schalteinrichtung (5) fließende Strom durch den zumindest einen zweiten
Gleichspannungswandler (2, 2') reguliert wird.
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