Leistungselektronik für elektrisch unterstützten Turbolader im Brennstoffzellenfahrzeug

Für die Energieversorgung von Elektrofahrzeugen ist die Brennstoffzelle eine interessante Alternative zur Batterie. Die hohe Energiedichte bietet eine deutlich höhere Reichweite, der Tankvorgang ist schneller und der Rohstoffeinsatz geringer. 

Aufgabenstellung 

Entwicklung der Leistungselektronik eines elektrisch unterstützten Turboladers unter Betrachtung des mechatronischen Gesamtsystems. Aufgrund des beengten Bauraums  und der mechanischen Begrenzung durch die Drehzahl musste ein sehr kompakter und leichter Turbolader aufgebaut werden. Außerdem ist für den Einsatz im Automotive-Bereich ein robustes und kostenoptimiertes System notwendig.

Entscheidend für schnellere Ansprechzeiten des Brennstoffzellenfahrzeugs beim Beschleunigen ist eine Reduktion der Ansprechzeit des Turboladers. Erst, wenn der Turbolader die Luftversorgung der Brennstoffzelle aufgebaut hat, kann die Energieproduktion beginnen. Bisher liefert eine Batterie die Energie zum Überbrücken der Hochfahrzeit. 

Umsetzung 

Zunächst bauten die ARADEX Ingenieure einen Technologieträger bestehend aus Schaltschrank, Steuerung und Industrieumrichter auf. Auf diesem wurden für jede Anforderung Lösungen erarbeitet. 

Als die Rahmenbedingungen feststanden, begann die Entwicklung einer angepassten (Leistungs-)Endstufe. Hierbei griffen die ARADEX Entwickler auf die Logikplatine des Industrieumrichters zurück, um den Entwicklungsfortschritt in der Firmware nahtlos vom Technologieträger auf das erste Muster zu übertragen.

Mit den Erkenntnissen aus dem ersten Muster wurde im zweiten Schritt eine angepasste Logikplatine entwickelt. Dieses zweite Muster erfüllte bereits die automobilen Anforderungen an Bauteilauswahl und Temperaturbeständigkeit. Von diesem zweiten Muster wurde eine Kleinserie aufgebaut und in diversen Prüfständen und Fahrzeugen auf Stabilität und Lebensdauer geprüft.

Ergebnisse

Das System erreichte in seiner letzten Ausbaustufe Drehzahlen von 90 000 bis 120 000 U/min und Spitzenleistungen von 20 kW (Nennleistung 16 kW). Um Kosten zu sparen, erfolgt die Regelung des Systems sensorlos. Durch den Entfall des Sensors sinkt auch die Fehleranfälligkeit.

Aufgrund der hohen Drehzahlen (ca. 2 000 Hz elektrisch) und ihrer kleinen Bauform sind die Motoren sehr empfindlich bei Oberwellen. Deshalb integrierten die ARADEX Entwickler einen LC-Filter in den Umrichter. Die durch den LC-Filter auftretenden Effekte, wie zum Beispiel Phasenverschiebungen, kompensiert die intelligente Firmware des Umrichters. 

Die Reaktionszeiten des Systems: von Leerlaufdrehzahl (25 000 U/min) auf Enddrehzahl (90 000 U/min) in 1,1 s. Durch die schnelle Hochlaufzeit kann die zur Überbrückung notwendige Batterie deutlich kleiner dimensioniert werden.

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