SkalTABs - Skalierbares Thermomanagement und Antriebsstrang für Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge; Teilvorhaben: Erforschung eines skalierbaren Multiport-DC-DC-Wandlers

Abstract

Das Projekt SkalTABs adressiert skalierbare Antriebsstrang- und Thermomanagement-Architekturen sowie die zugehörigen Hardware-Komponenten für zukünftige Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge. Im Rahmen des Projekts wurde ein Multiport-DC-DC-Wandler entwickelt, der einen Traktionsumrichter, Brennstoffzellen und eine Batterie miteinander verbindet. Die gewählte Topologie, ein „current-fed three-phase Triple Active Bridge“ (CF-TAB3), reduziert die Stromwelligkeit auf der Brennstoffzellen-Seite und trägt so zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle bei. Durch die Spannungsflexibilität der Topologie kann die Zwischenkreisspannung des Umrichters reduziert werden, was den Einsatz der Blocktaktung (Six-Step-Modulation) auch bei niedrigen Drehzahlen ermöglicht. Dies führt zu erheblichen Verlustreduktionen im Umrichter und moderaten Einsparungen an der elektrischen Maschine, was durch Simulationen und Messungen validiert wurde. Zwar führt die „Single-Phase-Shift-Modulation“ bei großen Spannungsunterschieden zwischen den Ports zu erhöhten Verlusten im CF-TAB3, jedoch könnten alternative Modulationsstrategien eine hohe Effizienz des Wandlers beibehalten und gleichzeitig die genannten Einsparungen an Umrichter und Maschine ermöglichen. Datei-Upload durch TIB The project SkalTABs addresses scalable powertrain and thermal management architectures, along with the associated hardware components for future drivetrains of fuel cell utility vehicles. As part of the project, a multiport DC-DC converter was developed to interface a traction inverter, fuel cells, and a battery. The selected topology, a current-fed three-phase Triple Active Bridge (CF-TAB3), reduces current ripple on the fuel cell side, contributing to extended fuel cell lifetime. Its voltage flexibility enables operation at a reduced inverter DC-link voltage, allowing the use of six-step modulation even at low speeds. This leads to substantial loss reductions at the inverter and moderate savings at the machine, which were validated through simulations and measurements. Although single-phase-shift modulation results in increased CF-TAB3 losses when port voltage differences are high, alternative strategies could maintain high converter efficiency while still achieving the noted inverter and machine loss reductions.