DC/DC Wandler für maximale Effizienz mit Brennstoffzellen

Um von den Vorteilen, die ein Antriebssystem basierend auf Brennstoffzellen mit sich bringt, profitieren zu können, empfiehlt es sich unter anderem, einen genaueren Blick auf die Systemspannung zu werfen. In den meisten Fällen verfügen Brennstoffzellen für größere Systemleistungen über eine zu niedrige Ausgangsspannung sowie ein volatiles Spannungsniveau. Diese Differenzen können von einem DC/DC-Wandler ausgeglichen und so das Spannungsniveau für die Einspeisung in den Zwischenkreis geregelt werden. Mit der Unterstützung des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) hat die ARADEX AG den DC/DC Wandler VP5000-DCDC200-HL entwickelt, der die Integration von Brennstoffzellen in das Antriebssystem optimiert.

Praxisbeispiel: Integration von Brennstoffzellen in das Antriebssystem

Bei einer möglichst konstanten Leistungsentnahme kann die Lebensdauer von Brennstoffzellen erheblich verlängert werden. Wird neben der Brennstoffzelle auch eine Batterie im Antrieb eingesetzt, bietet es sich an, die mittleren Leistungen aus der Brennstoffzelle zu beziehen und die Leistungsspitzen über eine Pufferbatterie abzudecken. Dieses Prinzip ist auch unter der Bezeichnung "Range Extender mit Brennstoffzelle" bekannt. Für die Dimensionierung von Brennstoffzelle und Batterie spielt die gewünschte Batteriepufferzeit eine wichtige Rolle. Anhand eines 18 Tonnen schweren Omnibusses soll dies exemplarisch dargestellt werden: Für die Wahl der Batteriepufferzeit spielt auch das geplante Streckenprofil eine wichtige Rolle. In diesem Beispiel wurde das Leistungsprofil für Pufferzeiten von 5 (blau), 20 (rot) und 60 (schwarz) Minuten betrachtet (s. Abbildung). In dem verwendeten Beispiel zeigen sich bei Leistungsspitzen bis 250 kW, die mittlere Leistung zeigt eine starke Abhängigkeit zur gewählten Pufferzeit. Der schwarze Graph zeigt die benötigte mittlere Leistung bei 18kW. Anhand dieses Schaubildes wird deutlich: je größer der Batteriepuffer, desto konstanter die Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle.

Funktion des DC/DC Wandlers

Der DC/DC-Wandler regelt den Leistungsfluss von der Brennstoffzelle zum Zwischenkreis. Durch den Einsatz eines integrierten Transformators im DC/DC-Wandler von ARADEX wurde die Herausforderung des großen Unterschiedes im Spannungsniveau zwischen Batterie und Brennstoffzelle ausgeglichen. Die hohe Leistungsdichte konnte bei ARADEX durch eine clevere Schaltungstopologie sowie hochfrequent taktende Halbleiter realisiert werden.

Um den Effizienzgewinn mittels eines DC/DC Wandlers zu verdeutlichen, sollen die Auswirkungen ohne DC/DC Wandler in einem System mit Brennstoffzelle und Pufferbatterie beleuchtet werden: In diesem Fall müsste die Batteriespannung geringer sein als die der minimalsten Brennstoffzellen-Spannung. Um die gleiche Leistung erbringen zu können, sind dann jedoch entsprechend höhere Stromstärken erforderlich. Da die Verlustleistung durch den Widerstand exponentiell zur Stromstärke zunimmt, ist bei einer derartigen Konstellation (ohne DC/DC Wandler) mit deutlich höheren Energieverlusten zu rechnen. Ein weiterer Aspekt sind die höheren Kosten für einen Wechselrichter, der entsprechend für höhere Ströme ausgelegt sein muss. Deshalb macht es bei größeren Leistungen Sinn die Zwischenkreisspannung je nach Anwendung zwischen 300 und 800V DC anzusetzen und die Effizienz für das Gesamtsystem zu erhöhen.

Die abgestimmte Lösung von ARADEX

ARADEX hat eine optimal aufeinander abgestimmte Kombination aus DC/DC-Wandler und Brennstoffzelle im Portfolio: Der DC/DC-Wandler VP5000-DCDC200-HL und die Brennstoffzelle PM Modul S25 von Proton Motor Fuel Cell (25 kW) weisen mit einem Effektivstrom von 400-480 Aeff (DC/DC-Wandler) bzw. 450 Aeff (Brennstoffzelle) eine optimale Kompatibilität zueinander auf.

Der DC/DC Wandler von ARADEX hat in Tests Wirkungsgrade von bis zu 99% erreicht.