H2EASY - H2-Integration in elektrische Antriebssysteme; Teilvorhaben: Entwicklung von multiphasen DC/DC-Wandler mit neuartigen magnetischen Komponenten zur Minimierung von Rückwirkungen auf Batterie und Brennstoffzelle

Abstract

Das Projekt entwickelte einen kompakten 160 kW DC/DC-Hochsetzsteller für Brennstoffzellenfahrzeuge. Er arbeitet mit einer Eingangsspannung von 160–300 V, einer Ausgangsspannung von 500–850 V und erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent. Aufgrund des hohen Eingangsstroms wurde ein mehrphasiger, verschachtelter Boost-Konverter gewählt. Die Effizienzsteigerung und Reduktion des Stromrippels erfolgte durch paarweise magnetische Kopplung der Phasen. Nach einer Halbleiteranalyse wurde das SiC-Modul CAB425M12XM3 als optimal ausgewählt und in Tests bestätigt. Eine alternative Tapped-Inductor-Topologie reduzierte zwar Einschaltverluste, war aber wegen höherer Diodenverluste nur bedingt geeignet. Der finale Demonstrator mit Wasserkühlung erzielte eine hohe Leistungsdichte von ca. 8,4 kW/L. Die Projektziele wurden erreicht und ein wichtiger Beitrag zur Elektrifizierung des Automobilmarkts für zukünftige Brennstoffzellen-Fahrzeuge geleistet. The project developed a compact 160 kW DC/DC step-up converter for fuel cell vehicles. It operates with an input voltage of 160–300 V, an output voltage of 500–850 V, and achieves an efficiency of up to 99 percent. Due to the high input current, a multiphase, nested boost converter was selected. The efficiency increase and reduction in current ripple were achieved by pairing the phases with magnetic coupling. Following a semiconductor analysis, the SiC module CAB425M12XM3 was selected as the optimal choice and confirmed in tests. An alternative tapped inductor topology reduced switch-on losses, but was only suitable to a limited extent due to higher diode losses. The final demonstrator with water cooling achieved a high power density of approx. 8.4 kW/L. The project goals were achieved and an important contribution was made to the electrification of the automotive market for future fuel cell vehicles.