Die Brennstoffzelle - Anforderungen und Herausforderungen

Auf eine galvanische Trennung kann im Allgemeinen verzichtet werden, da eine Brennstoffzellenanwendung oftmals eine „Insellösung“ ist und somit keinen negativen Einfluss auf weitere elektronische Komponenten haben wird. Allerdings muss man beachten, dass ab 60 V (Input oder auch Output) der SELV-Bereich verlassen wird und sich damit die Anforderungen bzgl. Berührschutz und der Anforderung an einer galvanischen Trennung ändert.

Nachdem wir wissen, dass ein Wasserstoffsystem eine „Insel-Lösung“ sein kann, muss mit dem Kunden die EMV abgestimmt werden, um negative Effekte auf das Gesamtsystem zu vermeiden. Es empfiehlt sich grundlegende Festigkeiten gegen Burst und Surge festzulegen, ebenso Grenzwerte für die Einstrahlung sowie Störspannungen (bis 30 MHz) und Abstrahlung (ab 30 MHz) festzulegen.

In einer Brennstoffzelle können sehr hohe Temperaturen entstehen, die immer abgeklärt und definiert werden müssen. Auch ist wichtig abzustimmen, wie die Kühlung der elektronischen Komponenten erfolgt. Wir reden hier von passiver und aktiver Kühlung. Bei Fortec Power, spezialisiert auf passive Kühlung, stellen Temperaturen von -55 °C bis 95 °C kein Problem bei einer Konvektionskühlung dar.

Booster:
Wichtig zu klären ist, ob die Versorgungsspannung der Brennstoffzelle immer unterhalb der Ladespannung bleiben wird, dann reden wir von einem Booster. Im konkreten Entwicklungsfall wurde für einen Kunden die Eingangsspannung zwischen 8 V und 40 V festgelegt, was für Kunden allerdings bei der Skalierung seiner Systeme zu Problemen führen kann. Wenn max. 40 V als Eingangsspannung definiert wird, dann heißt das im Umkehrschluss, dass 40 V geteilt durch die Zellenspannung die Anzahl der Zellen begrenzt (40 V / 1V = max. 40 Zellen).
 
Buck Boost:
Eine elegante Lösung ist, um auch künftige Projekte einfacher bedienen zu können (z. B. mehr Zellen, unterschiedliche Akkus), dem DC/DC-Wandler die Möglichkeit zu geben, mit Spannungen über und unter der Ausgangsspannung fehlerfrei zu arbeiten. In diesem Fall reden wir von einem Buck-/Boostwandler, der unabhängig der Eingangsspannung die Spannung hoch- oder runter regelt. Für größere Leistungen reicht ein Booster-Konzept nicht mehr aus, da mehr Zellen in Reihe geschalten werden, somit kann die Spannung des gesamten Stacks die Batteriespannung übersteigen. Für diese Anwendungen ist eine Buck-/Boost-Lösung am besten geeignet, da bei diesem Konzept die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung an der Batterie eingestellt und die Stackspannung über den kompletten Bereich ausgenutzt werden kann. Beim Buck-Boost Konzept sind sehr gute Wirkungsgrade bis zu 98 %, mit richtiger Auswahl von Hardwarekomponenten, erreichbar. Sollte die Eingangsspannung immer höher als die Ausgangsspannung sein, dann ist ein Buck- Converter völlig ausreichend. Dies macht dann Sinn, wenn eine hohe Zellenanzahl verwendet wird oder die zu ladende Batteriespannung niedrig ist, wie z. B. 12 V oder 24 V.

Bei hochkomplexen und modernen Systemen wird ein hoher Wirkungsgrad erwartet, der durchaus bei 96-98 % liegen kann. Bei Geräten ohne galvanische Trennung ist dies möglich. Wichtig ist zu bedenken, dass ein hoher Wirkungsgrad des Spannungswandler eine direkte Auswirkung auf den Preis des Brennstoffzellensystems hat, da für die gleiche Leistung weniger Zellen benötigt werden. Diese kann dann erreicht werden, wenn beim Design der PSU großen Wert auf Optimierung gelegt wird. Dies macht auch Sinn, da die Stromversorgung nicht noch zusätzlich als Heizung im Gesamtsystem funktionieren soll. Nichtsdestotrotz muss bei einem 2,3 kW-System mit einer Abwärme von 70-75 W gerechnet werden, die abgeführt werden muss.

Nachdem eingangsseitig alles geklärt wurde, ist die Auslegung der Ausgangsspannung wichtig. Da in unserem Beispiel unser Netzteil die Spannung für Akkus mit 48 V nom. zur Verfügung stellen muss, wurde ein Bereich von 40 V bis 64 V definiert. In diesem Bereich wird, nachdem die Informationen mit dem Lademanagement der Akkus ausgetauscht wurden, die optimale Spannung zur Verfügung gestellt, um die Akkus schonend zu laden. Eine Anbindung an das Lademanagement wurde während der Entwicklung eng mit dem Kunden abgestimmt und ideal vorbereitet, wie die digitale Kommunikationsschnittstelle über SPI umgesetzt werden soll. Hier kann der Eingangsstrom und die Ausgangsspannung eingestellt werden, zusätzlich gibt der Wandler die aktuelle Information über die Eingangsspannung und Ausgangsstrom an das Lademanagement weiter. Es ist auch denkbar das Lademanagement direkt auf dem Wandler zu integrieren, allerdings kann es dazu führen, dass bei geänderten Konfigurationen das Lademanagement nicht mehr optimal läuft. Generell gilt, eine Kommunikationsschnittstellen mit programmierbaren Chips erlaubt immer ein schnelles und einfaches anpassen von neuen Komponenten/Akkutypen mit definierten Parametern und erhöht enorm die Flexibilität.