DE102014016239A1 - Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspannungswandlers - Google Patents

Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspannungswandlers Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit (22, 24) mit einem ersten Anschluss (12, 14) zum Anschließen der Brennstoffzelleneinheit (22, 24), mit einem zweiten Anschluss (16, 18) zum Anschließen eines Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs sowie mit einem Transformator (26) mit einer ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) und einer zweiten Transformatorwicklung (L2) zur Übertragung von Energie zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18), wobei der Transformator (26) dazu ausgelegt ist, eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18) bereitzustellen. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler (10) einen ersten Transistor (T1) und einen zweiten Transistor (T2) zur elektrischen Kopplung der ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) mit dem ersten Anschluss (12, 14), sowie einer Treiberschaltung (28) zur Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) in einem ersten Betriebszustand des Gleichspannungswandlers (10), wobei eine Schutzbeschaltung (R1, R2, D1, D2) dazu ausgelegt ist, in einem zweiten Betriebszustand, in welchem die Treiberschaltung (28) keine Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) bereitstellt, einen vorgebbaren Schaltzustand des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) einzustellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Gleichspannungswandler sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Gleichspannungswandlers.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit, welcher einen ersten Anschluss zum Anschließen der Brennstoffzelleneinheit sowie einen zweiten Anschluss zum Anschließen eines Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs und einen Transformator mit einer ersten Transformatorwicklung und einer zweiten Transformatorwicklung zur Übertragung von Energie zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss umfasst. Dabei ist der Transformator dazu ausgelegt, eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss bereitzustellen. Des Weiteren umfasst der Gleichspannungswandler einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor zur elektrischen Kopplung der ersten Transformatorwicklung mit dem ersten Anschluss und eine Treiberschaltung zur Ansteuerung des ersten Transistors und des zweiten Transistors in einem ersten Betriebszustand des Gleichspannungswandlers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Gleichspannungswandler. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gleichspannungswandlers.
  • Neben wiederaufladbaren Akkumulatoren gewinnen Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung für die Versorgung elektrischer Antriebe in Kraftfahrzeugen. Im Unterschied zu einer Akkumulatorzelle ist bei einer Brennstoffzelle die elektrische Energie nicht innerhalb der Zelle vorrätig gespeichert, sondern wird im laufenden Betrieb kontinuierlich zugeführt. Beide Systeme benötigen jedoch eine Koppelvorrichtung zum Anschließen an ein Hochvolt-Netz des Kraftfahrzeugs, an welchem diverse Verbraucher und insbesondere die Antriebseinheit angeschlossen sind, wobei neben der Hauptfunktion der Kupplung der beiden unterschiedlichen Spannungsebenen auch eine sichere Trennung der beiden Netze in einem Fehlerfall gewährleistet sein muss. So besteht beispielsweise die Anforderung nach einem Schutz vor gefährlichen Spannungen, so dass im Falle einer Trennung der Batterie oder Brennstoffzelle von dem übrigen Hochvolt-Netz die Spannung an diesem innerhalb einer vorgegebenen Zeit kleiner als 60 V sein muss.
  • Zur Realisierung einer sicheren elektrischen Trennung werden häufig elektromechanische Leistungsschalter eingesetzt. Gegenüber einer rein elektronischen Lösung ist hier jedoch ein erhöhter Verschleiß und somit eine geringere Zuverlässigkeit zu verzeichnen. In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10102243 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie in einem Fahrzeug.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Koppelvorrichtung zwischen einer Brennstoffzelle und einem Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche ein sicheres Abschalten der Spannung an dem Hochvolt-Netz ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß der Erfindung wird ein gattungsgemäßer Gleichspannungswandler derart weitergebildet, dass dieser eine Schutzbeschaltung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, in einem zweiten Betriebszustand, in welchem die Treiberschaltung keine Ansteuerung des ersten Transistors und des zweiten Transistors bereitstellt, einen vorgebbaren Schaltzustand des ersten Transistors und des zweiten Transistors einzustellen.
  • Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass im Fehlerfall beispielsweise bei einem Defekt der Treiberschaltung oder bei einer mangelhaften Energieversorgung der Treiberschaltung ein an die Schaltungstopologie angepasster Schaltzustand des ersten Transistors und des zweiten Transistors derart eingestellt werden kann, dass die durch den Energiewandler übertragenen Leistung möglichst schnell reduziert wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Brennstoffzelle zu entladen beziehungsweise kurzzuschließen, wobei gleichzeitig die Brennstoffzufuhr an die Brennstoffzelle reduziert oder abgeschaltete werden kann. Durch geeignete Einstellung des Schaltzustands der beiden Transistoren kann somit in Verbindung mit der entsprechend gewählten Topologie des Gleichspannungswandlers eine bestimmte Impedanz als Last an die Brennstoffzelle angelegt werden, insbesondere kann die Brennstoffzelle kurzgeschlossen werden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Treiberschaltung dazu ausgelegt, in dem ersten Betriebzustand den ersten Transistor und den zweiten Transistor abwechselnd getaktet einzuschalten.
  • Damit kann beispielsweise eine Transformatorwicklung angesteuert werden, welcher eine Mittenanzapfung aufweist. Der Gleichspannungswandler kann jedoch auch eine anderen Schaltungstopologie aufweisen, insbesondere auch Schaltungstopologien mit mehr als zwei Transistoren beispielsweise eine Vollbrückenanordnung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu ausgelegt, in dem ersten Betriebszustand den ersten Transistor und den zweiten Transistor gleichzeitig einzuschalten und dadurch insbesondere einen Entladungspfad für die Brennstoffzelleneinheit an dem ersten Anschluss über den Transformator bereitzustellen. Dadurch kann im Rahmen eines betriebsmäßigen Ablaufschemas für die Inbetriebnahme beziehungsweise Außerbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit ein definiertes Belastungsprofil bereitgestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schutzbeschaltung dazu ausgelegt, in dem zweiten Betriebszustand den ersten Transistor und den zweiten Transistor gleichzeitig einzuschalten. Bei fehlender Ansteuerung der beiden Transistoren seitens der Treiberschaltung besteht daher die Möglichkeit, die Brennstoffzelleneinheit solange zu entladen, bis eine von der Brennstoffzelleneinheit selbst gelieferte Spannung nicht mehr ausreicht, die Schutzbeschaltung weiter zu betreiben. In diesem Fall ist dann allerdings die Spannung über der Brennstoffzelleneinheit weit unter den zulässigen Wert abgesunken.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist parallel zu dem ersten Anschluss ein Schaltelement angeordnet, wodurch ein Entladungspfad für die Brennstoffzelleneinheit an dem ersten Anschluss bereitgestellt ist, insbesondere ein Kurzschlusspfad. Dieses Schaltelement kann vorzugsweise durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere durch einen Thyristor gegeben sein. Es kann sich jedoch auch um ein elektromechanisches Bauelement handeln.
  • Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug einen derartigen Gleichspannungswandler aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt.
  • Verfahrensseitig wird vorgeschlagen, einen gattungsgemäßen Gleichspannungswandler derart zu betreiben, dass in einem zweiten Betriebszustand, in welchem die Treiberschaltung keine Ansteuerung des ersten Transistors und des zweiten Transistors bereitstellt, mittels einer Schutzbeschaltung ein vorgebbarer Schaltzustand des ersten Transistors und des zweiten Transistors eingestellt wird.
  • Die für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigt die einzige Fig. eine vereinfachte Darstellung einer Schaltungsanordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers.
  • Der Gleichspannungswandler weist einen ersten zweipoligen Anschluss bestehend aus den beiden Anschlusspunkten 12 und 14 auf, welcher zum Anschließen einer Brennstoffzelleneinheit bestimmt ist. Dabei ist der Anschlusspunkt 12 einem positiven Anschluss der Brennstoffzelleneinheit und der Anschlusspunkt 14 einem negativen Anschluss der Brennstoffzelleneinheit zugeordnet. Eine erste Transformatorwicklung, welche aus zwei in Serie geschalteten Teilwicklungen L1a und L1b besteht, sowie eine zweite Transformatorwicklung L2 sind Teil eines Transformators 26. Der als Mittelanzapfung der ersten Transformatorwicklung ausgebildete Verbindungspunkt der Teilwicklungen L1a und L1b ist elektrisch verbunden mit dem Anschlusspunkt 12. Der Anschluss der ersten Transformatorwicklung auf der Seite der Teilwicklung L1a ist elektrisch verbunden mit der Arbeitselektrode eines Transistors T1. In ebensolcher Weise ist der gegenüberliegende Anschluss der ersten Transformatorwicklung, welcher auf der Seite der Transformatorteilwicklung L1b liegt, elektrisch mit der Arbeitselektrode eines Transistors T2 verbunden. Die Bezugselektroden der Transistoren T1 und T2 sind elektrisch miteinander verbunden sowie außerdem elektrisch verbunden mit dem Anschlusspunkt 14. Eine Treiberschaltung 28 ist auf einer Seite elektrisch verbunden mit der Steuerelektrode des Transistors T1 sowie auf der anderen Seite mit der Steuerelektrode des Transistors T2. Des Weiteren ist zwischen der Steuerelektrode des Transistors T1 und dem ersten Anschlusspunkt 12 ein Widerstand R1 angeordnet, desgleichen ein Widerstand R2 zwischen der Steuerelektrode des zweiten Transistors T2 und dem Anschlusspunkt 12. Zwischen der Steuerelektrode des Transistors T1 und einem durch den Anschlusspunkt 14 definierten Bezugspotenzial ist einer Zener-Diode D1 in Sperrrichtung angeordnet, das heißt die Kathode der Zener-Diode D1 ist an der Steuerelektrode des Transistors T1 angeschlossen und die Anode der Diode D1 ist elektrisch mit dem Anschlusspunkt 14 verbunden. Des Weiteren ist eine zweite Zener-Diode D2 zwischen der Steuerelektrode des Transistors T2 und dem Bezugspotenzial, welches durch den Anschlusspunkt 14 gegeben ist, angeordnet, wobei die Kathode der zweiten Zener-Diode D2 mit der Steuerelektrode des Transistors T2 elektrisch verbunden ist und der Anodenanschluss der zweiten Zener-Diode D2 mit dem Bezugspotenzial elektrisch verbunden ist.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Transistoren T1 und T2 durch IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) realisiert, dementsprechend kann die Bezugselektrode auch als Emitter, die Arbeitselektrode als Kollektor und die Steuerelektrode als Gate bezeichnet werden. Selbstverständlich können die Transistoren auch durch andere Halbleiterbauelemente realisiert sein, insbesondere MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Bei einem MOSFET kann die Bezugselektrode auch als Source, die Arbeitselektrode als Drain und die Steuerelektrode als Gate bezeichnet werden.
  • Auf der rechten Seite der Darstellung weist die Schaltungsanordnung einen zweipoligen zweiten Anschluss auf, welcher durch die Anschlusspunkte 16 und 18 gegeben ist, welcher zum Anschließen eines Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs dient. Dabei ist der Anschlusspunkt 16 dem positiven Anschluss des Hochvolt-Netzes zugeordnet und der Anschlusspunkt 18 dem negativen Anschluss des Hochvolt-Netzes zugeordnet. Zwischen den beiden Anschlusspunkten 16 und 18 ist ein Kondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator, C1 angeordnet. Des Weiteren ist zwischen den beiden Anschlusspunkte 16 und 18 ein Brückengleichrichter gebildet aus vier Dioden D3, D4, D5 und D6 angeordnet, wobei die Kathoden der Dioden D3 und D5 gemeinsam elektrisch mit dem positiven Anschlusspunkt 16 verbunden sind sowie die die Anoden der Dioden D4 und D6 gemeinsam mit dem negativen Anschlusspunkt 18 verbunden sind. Der elektrische Verbindungspunkt der Kathode der Diode D3 und der Anode der Diode D4 ist verbunden mit einem ersten Anschluss der zweiten Transformatorwicklung L2, der elektrische Verbindungspunkt der Anode der Diode D5 und der Kathode der Diode D6 ist verbunden mit einem zweiten Anschlusspunkt der zweiten Transformatorwicklung L2.
  • Durch den Anschlusspunkt 18 auf der rechten Seite der Schaltungsanordnung ist ein weiteres Bezugspotenzial gegeben, welches von dem durch den Anschlusspunkt 14 definierten Bezugspotenzial galvanisch getrennt ist. Ein optional eingesetzter Schalter S1 zwischen dem Anschlusspunkt 14 und dem Anschlusspunkt 18 kann zur Herstellung eines definierten Potenzialbezugs vorgesehen sein.
  • Zwischen den Anschlusspunkten 12 und 14 ist eine erste Brennstoffzelle 22 und eine zweite Brennstoffzelle 24 in Serienschaltung angeordnet, welche eine beispielhafte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit darstellen. Diese Anordnung steht stellvertretend für eine beliebige Anordnung von Brennstoffzellen in Parallel- und/oder Serienschaltung in beliebiger Konfiguration aufgeteilt in einzelne Brennstoffzellenstapel.
  • Parallel zu den in Serie geschalteten Brennstoffzellen 22 und 24, das heißt zwischen den Anschlusspunkten 12 und 14, kann optional ein Schaltelement angeordnet sein, welches bevorzugt als Thyristor Th1 ausgebildet ist. Die Kathode als Bezugselektrode des Thyristors Th1 ist elektrisch mit dem durch den Anschlusspunkt 14 definierten Bezugspotenzial gekoppelt und die Anode als Arbeitselektrode des Thyristors Th1 ist elektrisch mit dem Anschlusspunkt 12 gekoppelt. Das Gate als Steuerelektrode des Thyristors Th1 ist elektrisch mit der Treiberschaltung 28 gekoppelt.
  • Die Transistoren werden über den Treiber 28 abwechselnd angesteuert, typischerweise liegt dabei die Schaltfrequenz im oberen kHz-Bereich, vorzugsweise ist diese größer als 20 kHz, insbesondere größer als 40 kHz. Die Spannung der Brennstoffzelleneinheit zwischen den Anschlusspunkten 12 und 14 ist typischerweise niedriger als die Spannung an dem Hochvolt-Netz zwischen den Anschlusspunkten 16 und 18. Da ein Brennstoffzellenstapel eine hohe Eigenkapazität aufweist, kann eine Glättungskapazität zwischen den Anschlusspunkten 12 und 14 klein dimensioniert werden oder sogar ganz entfallen.
  • Wenn keine Ansteuerung über die Treiberschaltung 28 erfolgt, so wird die Steuerelektrode des Transistors T1 über den Widerstand R1 und die Steuerelektrode des Transistors T2 über den Widerstand R2 mit Spannung versorgt und damit der jeweilige Transistor in den leitenden Zustand versetzt. Eine zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des Transistors T1 geschaltete Zener-Diode D1 und eine zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des Transistors T2 geschaltete Zener-Diode D2 dienen hier jeweils der Spannungsbegrenzung. Durch die Widerstände R1 und R2 sowie die Zener-Dioden D1 und D2 ist beispielhaft eine Schutzbeschaltung dargestellt. Selbstverständlich ist die Schutzbeschaltung auch durch andere Bauelemente und/oder Schaltungsanordnungen realisierbar. Insbesondere kann eine Energieversorgung der Schutzbeschaltung zur Einstellung eines vorgebbaren Schaltzustands des Transistors T1 und eines vorgebbaren Schaltzustands des Transistors T2 aus der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen sein.
  • Mittels der durch die Schutzbeschaltung bereitgestellten Funktion kann die Brennstoffzelleneinheit entladen werden, beispielsweise bei einem Unfall oder bei der Demontage. Die sichere Entladung der Brennstoffzelleneinheit ist somit auch gewährleistet, wenn die Treiberschaltung 28 nicht mehr versorgt wird, zum Beispiel bei der Demontage oder beim Transport der Brennstoffzelleneinheit.
  • Somit können die Transistoren T1 und T2 mehrere Funktionen übernehmen:
    Bei einem abwechselnd getakteten Betrieb der Transistoren T1 und T2 als Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) kann ein Sollwert für das Tastverhältnis des Gleichspannungswandlers so von einer Steuerelektronik eingeregelt werden, dass ein vorgegebener Sollstrom der Brennstoffzelleneinheit erreicht wird. Die Steuerelektronik des Gleichspannungswandlers kann dabei auch die Spannung des der Brennstoffzelleneinheit überwachen, die von einem übergeordneten Steuergerät zum Beispiel über CAN-Bus vorgegeben werden kann. Bei Überschreitung einer maximalen Spannung der der Brennstoffzelleneinheit kann automatisch der Strom durch die Brennstoffzelleneinheit erhöht werden, entsprechend kann bei Unterschreiten einer minimalen Spannung des Brennstoffzellenstapels automatisch der Strom durch die Brennstoffzelleneinheit reduziert werden.
  • Die gleichzeitige Ansteuerung der beiden Transistoren T1 und T2 durch die Treiberschaltung 28 kann zum Kurzschließen der Brennstoffzelleneinheit und damit zum Aufwärmen der der Brennstoffzelleneinheit beispielsweise bei kalten Umgebungstemperaturen benutzt werden („Gefrierstart”).
  • Ohne Ansteuerung seitens der Treiberschaltung 28 kann die Brennstoffzelleneinheit selbsttätig mittels der Schutzbeschaltung entladen werden. Neben einer sicheren elektrischen Trennung des Hochvolt-Netzes durch die galvanisch getrennte Auslegung des Transformators 26 kann eine schnelle Entladung des Hochvolt-Netzes erreicht werden. Die selbsttätige Aktivierung eines Entladungspfads über die Teilwicklung L1a und/oder L1b mit Hilfe der Schutzbeschaltung ermöglicht den Verzicht auf ein separates Kurzschlusselement an der Brennstoffzelleneinheit.
  • Wenn beide Transistoren T1 und T2 gleichzeitig angesteuert werden, können sie auf Grund ihrer Parallelschaltung den doppelten Strom führen, wie im Betrieb als Gleichspannungswandler. Für die Entladung der Brennstoffzelleneinheit erhöht die Parallelschaltung der Transistoren T1 und T2 damit auch die Zuverlässigkeit.
  • Im Taktbetriebe können die Transistoren einen Gleichstrom mit einem überlagerten Wechselanteil an der Brennstoffzelleneinheit erzeugen, welcher von einer Impedanzmessenrichtung ausgewertet werden kann.
  • Des Weiteren kann durch eine Strom- und/oder Spannungsmessung eine Diagnose der Transistoren durchgeführt werden.
  • Der Transformator 26 sorgt für eine galvanische Trennung zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Hochvolt-Netz. Damit können elektromechanische Schalter entfallen, was insbesondere eine damit verbundene komplexe Überwachungs- und Zuschaltstrategie entbehrlich macht.
  • Das Hochvolt-Netz kann über den Gleichspannungswandler vorgeladen werden. eine Vorladeschaltung ist nicht erforderlich. Auch hierbei wird die damit verbundene komplexe Überwachungs- und Zuschaltstrategie überflüssig.
  • Mit dem optionalen Schalter S1 kann das Hochvolt-Netz mit dem Stromkreis der die Brennstoffzelleneinheit verbunden werden und somit mittels einer gemeinsamen Isolationsüberwachungseinrichtung überwacht werden.
  • Beim Abschalten der Brennstoffzelleneinheit zum Beispiel bei einem Unfall, kann auch ein Ventil, über das die Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoff versorgt wird, abgeschaltet werden (in der Fig. nicht dargestellt).
  • Der optional einsetzbare Thyristor Th1 kann als zusätzliches Sicherheitselement eingesetzt werden, um zum Beispiel bei einem Unfall, bei Wartungs-, Reparatur- oder Transportarbeiten oder bei unberechtigter Benutzung die Brennstoffzelleneinheit kurzzuschließen.
  • Weiterhin kann die Treiberschaltung 28 dazu ausgelegt sein, Teilfunktionen einer Wegfahrsperre zu übernehmen.
  • Der Transformator 26 kann auch zweiteilig ausgeführt sein und so eine induktive Energieübertragung aus einer „Stack-Box” in eine „Energieverteilerbox” realisieren.
  • Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Funktionen, insbesondere elektronische Bauteile und der Gleichspannungswandler, beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
  • Somit wurde abschließend gezeigt, wie ein DC/DC-Wandler mit Schutzfunktion ein Brennstoffzellensystem für Automotive-Anwendungen ohne Einsatz elektromechanischer Leistungsschalter zwischen Brennstoffzellen-Stack und HV-Bus den HV-Bus sicher abschalten beziehungsweise innerhalb weniger Sekunden auf eine Spannung kleiner 60 V bringen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gleichspannungswandler
    12
    Anschlusspunkt
    14
    Anschlusspunkt
    16
    Anschlusspunkt
    18
    Anschlusspunkt
    22
    Brennstoffzelle
    24
    Brennstoffzelle
    26
    Transformator
    28
    Treiberschaltung
    D1
    Zener-Diode
    D2
    Zener-Diode
    D3
    Diode
    D4
    Diode
    D5
    Diode
    D6
    Diode
    L1a
    Teilwicklung
    L1b
    Teilwicklung
    L2
    Transformatorwicklung
    T1
    Transistor
    T2
    Transistor
    Th1
    Thyristor
    R1
    Widerstand
    R2
    Widerstand
    S1
    Schalter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10102243 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Gleichspannungswandler (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit (22, 24) mit: – einem ersten Anschluss (12, 14) zum Anschließen der Brennstoffzelleneinheit (22, 24), – einem zweiten Anschluss (16, 18) zum Anschließen eines Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs, – einem Transformator (26) mit einer ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) und einer zweiten Transformatorwicklung (L2) zur Übertragung von Energie zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18), wobei der Transformator (26) dazu ausgelegt ist, eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18) bereitzustellen, – einem ersten Transistor (T1) und einem zweiten Transistor (T2) zur elektrischen Kopplung der ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) mit dem ersten Anschluss (12, 14), und – einer Treiberschaltung (28) zur Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) in einem ersten Betriebszustand des Gleichspannungswandlers (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (10) eine Schutzbeschaltung (R1, R2, D1, D2) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, in einem zweiten Betriebszustand, in welchem die Treiberschaltung (28) keine Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) bereitstellt, einen vorgebbaren Schaltzustand des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) einzustellen.
  2. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (28) dazu ausgelegt ist, in dem ersten Betriebszustand den ersten Transistor (T1) und den zweiten Transistor (T2) abwechselnd getaktet einzuschalten.
  3. Gleichspannungswandler (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (28) dazu ausgelegt ist, in dem ersten Betriebszustand den ersten Transistor (T1) und den zweiten Transistor (T2) gleichzeitig einzuschalten und dadurch insbesondere einen Entladungspfad für die Brennstoffzelleneinheit (22, 24) an dem ersten Anschluss (12, 14) über den Transformator (26) bereitzustellen.
  4. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschaltung (R1, R2, D1, D2) dazu ausgelegt ist, in dem zweiten Betriebszustand den ersten Transistor (T1) und den zweiten Transistor (T2) gleichzeitig einzuschalten.
  5. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (10) dazu ausgelegt ist, die Spannung der Brennstoffzelleneinheit (22, 24) an dem ersten Anschluss (12, 14) innerhalb 10 Sekunden, vorzugsweise innerhalb 5 Sekunden, insbesondere innerhalb zwei Sekunden nach dem Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand auf einen Wert von höchstens 60 V zu begrenzen.
  6. Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem ersten Anschluss (12, 14) ein Schaltelement (Th1) angeordnet ist, wodurch ein Entladungspfad für die Brennstoffzelleneinheit (22, 24) an dem ersten Anschluss (12, 14) bereitgestellt ist, insbesondere ein Kurzschlusspfad.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Gleichspannungswandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit (22, 24), welcher einen ersten Anschluss (12, 14) zum Anschließen der Brennstoffzelleneinheit (22, 24), einen zweiten Anschluss (16, 18) zum Anschließen eines Hochvolt-Netzes des Kraftfahrzeugs, einen Transformator (26) mit einer ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) und einer zweiten Transformatorwicklung (L2) zur Übertragung von Energie zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18), wobei der Transformator (26) dazu ausgelegt ist, eine galvanische Trennung zwischen dem ersten Anschluss (12, 14) und dem zweiten Anschluss (16, 18) bereitzustellen, sowie einen ersten Transistor (T1) und einen zweiten Transistor (T2) zur elektrischen Kopplung der ersten Transformatorwicklung (L1a, L1b) mit dem ersten Anschluss (12, 14), und des Weiteren eine Treiberschaltung (28) zur Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) in einem ersten Betriebszustand des Gleichspannungswandlers (10) umfasst, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Einstellen eines vorgebbaren Schaltzustands des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) mittels einer Schutzbeschaltung (R1, R2, D1, D2) in einem zweiten Betriebszustand, in welchem die Treiberschaltung (28) keine Ansteuerung des ersten Transistors (T1) und des zweiten Transistors (T2) bereitstellt.
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