用于燃料电池车辆的直流电压转换装置和用于运行直流电压转换装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于使燃料电池单元与包括高压电池组的牵引电网电流分开地、至少间接地进行电耦合的直流电压转换装置。该直流电压转换装置包括燃料电池侧的第一电连接对，在该第一电连接对上附有或能施加输入直流电压，其中该输入直流电压能借助于包括第一开关的第一开关全桥并且借助于与第一开关全桥并联的、包括第二开关的第二开关全桥被变换到交变电压。由第一开关全桥提供的交变电压能从第一变压器的第一一次侧以预先给定的或可预先给定的比例被变换到第一变压器的第一二次侧上。由第二开关全桥提供的交变电压能从第二变压器的第二一次侧以预先给定的或可预先给定的比例被变换到第二变压器的第二二次侧上。经变换的交变电压能借助于与第一变压器的第一二次侧电连接的、包括第三开关的第三开关全桥并且借助于与第三开关全桥串联的、与第二变压器的第二二次侧电连接的、包括第四开关的第四开关全桥被变换到输出直流电压，该输出直流电压在电池组侧的第二电连接对上被提供或能被提供。本发明还涉及一种用于运行这种直流电压切换装置的方法以及一种燃料电池车辆。

背景技术

为了在电驱动车辆中使用燃料电池堆，必须满足根据ISO 6496-3（在本申请的优先权时适用的版本下）提出的对绝缘电阻的要求。绝缘电阻取决于电压并且因此对于较高电压来说必须具有较高的值，以便防止绝缘故障。燃料电池堆本身具有比较小的绝缘电阻，使得该燃料电池堆满足在350伏特（V）至450 V的范围内、尤其是为400 V的牵引电网的要求。在车辆性能更强劲的情况下，存在如下架构，该架构的电压值明显高于上述值，其中尤其是具有800伏特架构的燃料电池车辆冒着不满足ISO 6496-3的要求的危险。

出于该原因，利用开头提及的直流电压转换装置来提供如下可能性：可以提供总共三个不同的电压等级，用于燃料电池单元与辅助耗电器并且与高压电池组的电压适配。从DE 10 2014 018 744 A1公知按照权利要求1的前序部分所述的这种直流电压转换装置。

在从现有技术公知的直流电压转换装置的情况下，已经表明如下缺点：在开关的切换期间这些开关承载满负载电流，其中在断开期间存在高切换损耗。在断开过程中，半导体的电阻逐渐增加，由此在开关上的电压持续升高并且经过开关的通过电流越来越小。如果该开关闭合，则电压值处在输入电压的水平并且该通过电流完全停止。在此发生的高损耗功率导致构造为半导体开关的开关的严重发热，这导致电压转换效率降低。该效率的降低还导致燃料电池车辆的续航里程减少。

发明内容

因而，本发明的任务是提供一种直流电压转换装置、一种燃料电池车辆和一种用于运行直流电压转换装置的方法，它们考虑到了上述缺点。

该任务通过具有权利要求1的特征的直流电压转换装置、通过具有权利要求9的特征的燃料电池车辆并且通过具有权利要求10的特征的方法来被解决。本发明的具有适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中说明。

按照本发明的直流电压转换装置的特点尤其在于：开关全桥中的至少一个开关全桥被纳入到包括电感和电容的谐振电路中。

振荡电路具有如下优点：负载电流以正弦形式流经开关，其中该负载电流沿正方向被偏移输出电流的数值。因此，只有当负载电流的幅值最大时才发生开关的切换过程的情况只还存在微小的概率，使得在至少大量切换过程的情况下开关不承载满负载电流并且因此减轻热负荷。

一种同时带来该直流电压转换装置的紧凑结构类型的特别简单的构造，其特点在于：给第一变压器和/或第二变压器在二次侧分配谐振电路；而且该谐振电路借助于第一变压器和/或第二变压器的存在于二次侧的漏电感来被驱动。

已经证明特别优选的是：电容和/或漏电感被确定参数或构造为使得流经第三开关全桥的第三开关和/或流经第四开关全桥的第四开关的负载电流减小、尤其是减小到最低限度。因此，即可以通过对谐振电路的适当的确定参数来将正弦的负载电流的过零置于开关全桥的切换时间点，借此开关在切换过程期间至少几乎不承载电流并且借此附加地减轻热负荷。

因而，在相同情况下已经被证明为有利的是：这些开关的切换时间点被选择为使得这些切换时间点大致对应于经过这些开关的大致正弦的负载电流的过零。

对这些开关的进一步减轻热负荷并且借此对效率的提高可以通过如下方式来被实现：给第一变压器分配借助于二次侧的漏电感来驱动的、包括第一电容的第一谐振电路；而且给第二变压器分配借助于二次侧的漏电感来驱动的、包括第二电容的第二谐振电路。

为了实现多个电压等级并且为了遵守按照ISO 6496-3的要求，已经被证明为有利的是：在第一电连接对上连接有与燃料电池单元电连接的升压转换器的输出连接对。借此，即可以借助于升压转换器以1.2至1.5倍的比例来提高由燃料电池单元所提供的电压，其中在升压转换器的输出端上提供输入直流电压U

在该上下文中，有利的是：在高压转换器上，在输入侧存在第一直流电压等级并且在输出侧存在相对于第一直流电压等级而言被提高的第二直流电压等级，其中第二直流电压等级对应于输入直流电压，而且其中输出直流电压相对于输入直流电压而言再次被提高了。

可以通过如下方式来形成更紧凑且集成度更高的燃料电池系统：该直流电压转换装置在升压转换器的输出连接对上设置分配单元，该分配单元电连接在那里。优选地，该分配单元在输出侧与包括燃料电池单元的燃料电池系统的至少一个辅助耗电器电连接。该燃料电池系统的辅助耗电器例如可以是冷却剂泵、再循环风扇、压缩机等等。

结合该直流电压转换装置所描述的优点和优选的实施方式也适用于按照本发明的燃料电池车辆，该燃料电池车辆例如可配备有800 V架构并且借此性能非常强劲地被实施。

针对该直流电压转换装置所描述的优点也结合用于运行这种直流电压转换装置的方法而出现，该方法优选地包括如下步骤：

- 在包括第一开关的第一开关全桥上并且在与该第一开关全桥并联的、包括第二开关的第二开关全桥上提供输入直流电压；

- 借助于第一开关全桥并且借助于第二开关全桥将输入直流电压变换成交变电压；

- 在第一变压器的第一一次侧提供该交变电压并且将该交变电压以预先给定的或可预先给定的比例变换到第一变压器的第一二次侧上，以及在第二变压器的第二一次侧提供该交变电压并且将该交变电压以预先给定的或可预先给定的比例变换到第二变压器的第二二次侧上；

- 借助于包括第三开关的第三开关全桥并且借助于与该第三开关全桥串联的、包括第四开关的第四开关全桥来对二次侧的交变电压进行变换；而且

- 借助于第一变压器和/或第二变压器的存在于二次侧的漏电感来运行包括电容的谐振电路，使得流经开关全桥中的至少一个开关全桥的开关的大致正弦的负载电流在切换时间点大致处在过零。

即，实现了一种集成的谐振电路，该谐振电路使用第一变压器和/或第二变压器的漏电感，以便降低在切换过程中经过这些开关的负载电流并且因此使这些开关半桥的开关减轻热负荷。

在该上下文中，有利的是：该燃料电池单元提供第一直流电压等级，该第一直流电压等级在升压转换器的输入侧被分接，该升压转换器在输出侧提供相对于第一直流电压等级而言被提高的第二直流电压等级；而且第二直流电压等级对应于输入直流电压。

上文在描述中提到的特征和特征组合以及随后在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应所说明的组合来应用而且能以其它组合或单独地被应用，而并不脱离本发明的保护范围。因此，在附图中未明确示出或阐述、然而通过从所阐述的实施方案中分选的特征组合得知并能产生的实施方案应被视为由本发明所包括并且公开。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节根据权利要求书、随后对优选的实施方式的描述以及依据附图来得到。在此：

图1示出了用于使燃料电池单元与牵引电网（车载电网）电流分开地进行电耦合的直流电压转换装置的示意性方框电路图，该直流电压转换装置提供了总共三个不同的直流电压等级；

图2示出了用于使燃料电池单元与包括高压电池组的牵引电网电流分开地、至少间接地进行电耦合的直流电压转换装置的等效电路图；

图3示出了在图2中的直流电压转换装置的开关全桥的开关断开期间的电流变化过程、电压变化过程和切换损耗；

图4示出了现有技术中的直流电压转换装置的等效电路图；以及

图5示出了在图4中的直流电压转换装置的开关全桥的开关断开期间的电流变化过程、电压变化过程和切换损耗。

具体实施方式

在图4中示出了按照权利要求1的前序部分所述的直流电压转换装置100。与按照本发明的直流电压转换装置100（图2）类似，该直流电压转换装置也被构造为使燃料电池单元102与包括高压电池组104的牵引电网106电流分开地、至少间接地进行电耦合。

该直流电压转换装置100具有燃料电池侧的第一电连接对108a、108b，在该第一电连接对上附有或能施加输入直流电压U

由第一开关全桥110提供的交变电压能从第一变压器T

经变换的交变电压能借助于与第一变压器T

输出直流电压U

图5示出了在现有技术的直流电压转换装置100的情况下对第三开关全桥122和/或第四开关全桥124的断开过程的以测量技术方式的检查。能看出：在断开过程中，半导体的电阻逐渐增加，这能依据电压变化过程204来被看出。即，电压在开关上持续升高，其中依据电流变化过程202能查明经过相关开关的通过电流越来越小。如果相关开关闭合，则电压值处在输入电压的水平并且该通过电流完全停止。依据损耗功率206的变化过程，可以看出：该损耗功率在切换时长的一半处具有其最大值，其中出现的高损耗功率导致半导体开关严重发热。

这一点正是本发明发挥作用之处，其中从图2中能看到：开关全桥110、112、122、124中的至少一个开关全桥被纳入到包括电感L

在当前情况下，给第一变压器T

电容C

这一点能从图3中对断开过程的以测量技术方式的检查中得知，其中在该断开过程中的电流变化过程202对应于近似零安培并且因此功率损耗206也明显减少。这导致开关全桥110、112、122、124减轻热负荷。

依据图1能看出：借助于直流电压转换装置100，在使用升压转换器134的情况下能提供总共三个不同的电压等级。通过燃料电池单元102来产生第一电压等级，该第一电压等级在200V至300V的范围内。

该第一直流电压等级在升压变压器134的输入侧被提供，该升压变压器将电压提高到第二直流电压等级，该第二直流电压等级对应于输入直流电压U

输入直流电压U

附图标记清单：

100 直流电压转换装置

102 燃料电池单元

104 高压电池组

106 牵引电网

108a 连接端（第一连接对）

108b 连接端（第一连接对）

110 第一开关全桥

S

S

S

S

112 第二开关全桥

S

S

S

S

114 第一一次侧（T

116 第一二次侧（T

T

118 第二一次侧（T

120 第二二次侧（T

T

122 第三开关全桥

S

S

S

S

124 第四开关全桥

S

S

S

S

126a 连接端（第二连接对）

126b 连接端（第二连接对）

128 第一谐振电路

130 第二谐振电路

C

C

132a 连接端（升压转换器的输出端）

132b 连接端（升压转换器的输出端）

134 升压转换器

136 分配单元

138 辅助耗电器

140 保险装置

C

C

202 电流变化过程

204 电压变化过程

206 损耗功率的变化过程