DCDC wandler und Brennstoffzelle

DC/DC Wandler für maximale Effizienz mit Brennstoffzellen

Bei der Wahl der alternativen Antriebstechnologie stehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Das grundlegende Bestreben, maximale Effizienzwerte zu erzielen, erfordert innovative Produkte sowie eine optimale Abstimmung des Gesamtsystems. Aus diesem Grund hat die ARADEX AG mit der Unterstützung des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) den DC/DC Wandler VP5000-DCDC200-HL entwickelt, der die Integration von Brennstoffzellen in das Antriebssystem optimiert.

Chancen und Herausforderungen von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen haben das Potenzial, für die Mobilität der Zukunft eine entscheidende Rolle zu spielen. Ein Vorteil besteht vor allem in dem hohen Wirkungsgrad, der mittels Brennstoffzellen-Technologie erreicht werden kann. Darüber hinaus wird durch die Energiewandlung in der Zelle kein CO2 produziert, was sie bei ökologischer Energiegewinnung schadstoffarm und umweltschonend macht. Eine Brennstoffzelle enthält keine bewegten Teile, ist vibrationsfrei, unterstützt eine kontinuierliche Leistungsabgabe und der Wasserstoff-Tank lässt sich vergleichsweise schnell wieder auffüllen.

Dem gegenüber stehen die Herausforderungen: Brennstoffzellen verfügen über ein volatiles Spannungsniveau, was am effizientesten mit einer präzisen Regelungstechnologie ausgeglichen wird. Zudem liegen die Anschaffungskosten pro kWh über denen eines Akkumulators. Weiterhin muss insbesondere wegen des erforderlichen Wasserstoff-Tanks mit einem – im Vergleich zur Batterietechnologie – erhöhten Platzbedarf bei gleicher Nennleistung gerechnet werden. Aus infrastruktureller Sicht gibt es derzeit zwar mehr Wasserstoff-Tankstellen als Strom-Ladestellen, im Vergleich zur Betankungsmöglichkeit von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren besteht jedoch auch bei den Wasserstoff-Tankstellen noch Aufholbedarf.

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.

Leistungsprofil E-bus

Abb.: Gemittelte Leistungen eines Elektrobusses über einen Zeitraum von 178 Minuten

Funktion des DC/DC Wandlers

Grundsätzlich verfügen Brennstoffzellen über eine niedrigere Ausgangsspannung als aus Batterieblöcken sowie ein volatiles Spannungsniveau. Aus diesem Grund empfielt sich ein DC/DC-Wandler, der diese Differenzen ausgleicht. So kann das Spannungsniveau für die Einspeisung in den Zwischenkreis kontrolliert werden. Der DC/DC-Wandler regelt also den Leistungsfluss von der Brennstoffzelle zum Zwischenkreis. Durch den Einsatz eines integrierten Transformators im DC/DC-Wandler von ARADEX wurde die Herausforderung des großen Spannungsverhältnisses zwischen Batterie und Brennstoffzelle ausgeglichen. Ebenfalls bestand die Notwendigkeit einer hohen Leistungsdichte, welche durch eine clevere Schaltungstopologie sowie hochfrequent taktende Halbleiter realisiert werden konnte.

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 Brennstoffzelle – um die gleiche Leistung erbringen zu können, sind dann jedoch 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 auf höhere Ströme ausgerichtet ist.

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 der Proton Motor (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.

Vertrieb ARADEX AG

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DCDC Wandler VP5000-DCDC200-HL

Die optimale Lösung für einen effizienten Brennstoffzellen-Betrieb Spannungsbereich: 48V - 770V Dauerleistung: 200 kW
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