Leistungselektronik für dezentrale Brennstoffzellen/-Batterieanlagen

Abstract

Die Brennstoffzelle stellt mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrem modularen Aufbau eine attraktive Option für die Verwendung in einem dezentralen Energieversorgungssystem dar. Eine wichtige Komponente des dezentralen Energieversorgungssystems sind die leistungselektronischen Stellglieder für die Einspeisung der elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle in das dreiphasige Netz. Die leistungselektronischen Stellglieder können aus einem undirektionalen DC/DC-Wandler und einem nachgeschalteten Wechselrichter realisiert werden. Die Entwicklung des DC/DC-Wandlers mit einem möglichst geringeren Bauelemente- und Steuerungsaufwand für diese leistungselektronischen Stellglieder und die Anpassung des DC/DC-Wandlers an die Eigenschaften der Brennstoffzelle war das Ziel dieser Arbeit. Im Abschnitt 4 werden die ausgewählten DC/DC-Wandlerschalungstopologien hinsichtlich des Aufwandes für die Realisierung, elektrischen Beanspruchungen der Bauelemente und des Wirkungsgrades verglichen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die günstigste Schaltungstopologie der stromgespeiste Vollbrückenwandler ist. Die Nachteile dieser Schaltung sind ein relativ hoher Bauelemente- und Ansteueraufwand. Deshalb besteht ein Bedarf an einer neuen Schaltung, die durch einen geringen Bauelementeaufwand gekennzeichnet ist. In dieser Arbeit wird eine neue DC/DC-Wandlerschaltung vorgeschlagen. Der erweiterte Durchflusswandler konnte aus der Schaltung des Durchflusswandlers mit einem Transistor abgeleitet werden. Der Vorteil dieser Schaltung gegenüber dem stromgespeisten Vollbrückenwandler ist, dass keine zusätzliche Clamping-Schaltung für die Begrenzung der Überspannung, die am Transistor wegen den Streuinduktivitäten des Transformators entsteht, erforderlich ist. Allerdings gewährleistet der erweiterte Durchflusswandler keine galvanische Trennung, obwohl er einen isolierten Transformator enthält. Die variable Spannung von zwei seriell geschalteten Brennstoffzellen mit einem geerdeten Mittelpunkt wird mit Hilfe von zwei erweiterten Durchflusswandlern in eine stabile Zwischenkreisspannung für den Wechselrichter umgewandelt. Um die Entwicklung der Schaltung theoretisch zu begleiten, wurde eine mathematische Analyse des stationären Verhaltens der Schaltung durchgeführt. Diese Analyse hat gezeigt, dass die Streuinduktivität des Transformators minimiert werden muss, um Bauelemente einer möglichst niedrigen Spannungsklasse für den Haupttransistor einsetzen zu können. Deshalb ist eine der wichtigsten Aufgaben beim Aufbau die Minimierung der Streuinduktivitäten des Transformators. Die mathematische Analyse hat auch gezeigt, dass die Schaltung im Nennarbeitspunkt (Pa=1kW) bei einem diskontinuierlichen Magnetisierungsstrom und einem kontinuierlichen Strom durch die Ausgangsinduktivität arbeitet. Für diesen Betriebsfall ist das Kleinsignalmodell des erweiterten Durchflusswandlers im Abschnitt 6 entwickelt worden. Dieses Modell ermöglichte die Reglerdimensionierung für möglichst schnelle Ausregelung der Ausgangsspannung bei Laständerungen. Die messtechnischen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad der Schaltung im Nennarbeitsbereich unter 80% liegt. Dieser Wert ist deutlich niedriger im Vergleich zu den Werten von bereits auf dem Markt befindlichen DC/DC-Wandlern für die Brennstoffzelle. Der Aufwand an die Leistungshalbleiter ist beim erweiterten Durchflusswandler etwas höher als beim stromgespeisten Vollbrückenwandler. Für den Transformator wird doppelt so viel Kernmaterial im Vergleich zum stromgespeisten Vollbrückenwandler benötigt. Der stabile geregelte Betrieb und Unempfindlichkeit der Schaltung gegenüber Eingangsspannungs- und Laständerungen konnte mit einem relativ einfachen PI-Regler erreicht werden. Insgesamt ist die Untersuchung einer neuen DC/DC-Wandlerschaltung und Vergleich dieser Schaltung mit bekannten DC/DC-Wandlerschaltungen für die Brennstoffzelle dargestellt worden. Ein Problem stellt die Verbesserung des Wirkungsgrades der Schaltung dar, dessen Lösung in zukünftigen Arbeiten verfolgt werden könnte. Die Verbesserung des Wirkungsgrades könnte durch die Minimierung der Streuinduktivitäten des Transformators und die Optimierung des gesamten Aufbaudesigns erreicht werden.