Antriebsstrangsysteme für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV)

Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb sind eine wirtschaftlich interessante Alternative zu rein batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, wenn es um größere Reichweite und kürzere „Tankzeiten“ geht. Ein weiterer Vorteil: Dies gilt nicht nur für die großen Lkws im Fernverkehr, sondern auch für kleinere Lieferfahrzeuge, leichte Transporter und andere Fahrzeuge.

Zentrale Komponente des Antriebsstrangs für Brennstoffzellenfahrzeuge ist der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Stack mit Polymer-Elektrolytmembran (PEM), in dem eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung der zum Antrieb des Fahrmotors erforderlichen Energie stattfindet. Zusätzlich dient eine Lithiumbatterie als Zwischenspeicher, um Spitzenlasten bei der Beschleunigung abzudecken und die Energierückgewinnung beim Bremsen zu unterstützen. Sie ist auch erforderlich, um längere Strecken zurücklegen zu können, wobei der Brennstoffzellen-Stack als Range-Extender verwendet wird. Halbleiter, wie die von Infineon, sind ebenfalls wichtige Komponenten bei der Konzeption von Brennstoffzellenfahrzeugen und spielen in allen Phasen der Energiewandlung eine ausschlaggebende Rolle.

Im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen enthalten Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge die folgenden Zusatz-Subsysteme:

• Superisolierte, doppelwandige Wasserstofftanks für Drücke von 350bis 700 bar
• Wasserstoffdosierventil(e) oder Wasserstoffpumpe(n)
• Elektrische(r) Luftverdichter für Brennstoffzellenantriebe
• DC-DC-Aufwärtswandler für Brennstoffzellenantriebe
• Brennstoffzellenpumpe(n) und -lüfter zum Wärme- und Wassermanagement
• Druckminderer, Ventil(e) und Dosierventil(e)
• Brennstoffzellenüberwachung (Spannungs-, Druck-, Temperatur-, Leckage- und Konzentrationsüberwachung)
• Brennstoffzellen-Steuergerät (FCCU) für die übergeordnete Prozessteuerung

Der hocheffiziente elektrische Luftverdichter für Brennstoffzellenantriebe leitet Luft in die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Stacks. Ihr wird dann Sauerstoff entzogen, der für eine chemische Reaktion an der Brennstoffzellenkathode benötigt wird. Zu den maßgeblichen Anforderungen an einen Luftverdichter gehören ein hoher Wirkungsgrad und eine gute Dynamik über einen großen Drehzahlbereich, ein kompakter, modularer Aufbau, Wirtschaftlichkeit, geringe Geräuschentwicklung, Sicherheits- und Diagnosefunktionen sowie Schutz vor Verunreinigung des Brennstoffzellen-Stacks.  Die Lösungen aus der Produktreihe CoolSiC™ MOSFET von Infineon eignen sich besonders gut für diese Anwendung, da selbst bei sehr hohen Schaltfrequenzen nur äußerst geringe Übertragungsverluste auftreten.

Brennstoffzellenpumpen und -lüfter sorgen für das Wärme- und Wassermanagement im Antriebsstrang des Fahrzeugs und dienen zur Versorgung der Anode des Brennstoffzellen-Stacks mit Wasserstoff. Je nach Systemkonfiguration sind Hochspannungs-, 24-Volt- oder 12-Volt-Lösungen wirtschaftlich am sinnvollsten. Infineon unterstützt dies mit einer breiten Palette von geeigneten Chipsatz-Lösungen für Umrichter für Nebenaggregate des Antriebsstrangs.

Ein  DC-DC-Aufwärtswandler für Brennstoffzellenantriebe koppelt den Brennstoffzellen-Stack mit der Zwischenkreisspannung des Haupt-Traktionswechselrichters und der Hochspannungs-Traktionsbatterie. Er sorgt für den Energiefluss zwischen den verschiedenen elektrischen Teilnetzen über einen großen Spannungsbereich. Eine der primären Herausforderungen beim Design von DC-DC-Aufwärtswandlern für den Brennstoffzellenantrieb besteht darin, einen höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen und gleichzeitig die Gesamtsystemkosten überschaubar zu halten. Auch der Platzbedarf für den Gleichspannungswandler sollte möglichst gering gehalten werden. Mit den Produkten aus dem Portfolio von Infineon lassen sich diese Designhindernisse problemlos überwinden.

Das Brennstoffzellen-Steuergerät (FCCU) ist für die übergeordnete Prozesssteuerung des gesamten Brennstoffzellensystems zuständig. Zu den FCCU-Systemanforderungen gehört  eine möglichst breite Palette an Hochleistungs-Mikrocontrollern, mit denen eine problemlose individuelle Systemanpassung und eine schnelle Marktreife möglich sind, sowie Unterstützung von AUTOSAR und funktionaler Sicherheit. Weiterhin gehören eine umfangreiche Reihe von modernen Kommunikationsschnittstellen, Schutz vor Cyberangriffen und Manipulationen sowie problemlose Erweiterbarkeit dazu. Das umfassende Portfolio an 32-Bit-Mikrocontrollern der Produktreihe AURIX™ bieten den Designern eine große Auswahl an Speicher-, Peripherie-, Frequenz-, Temperatur-und Gehäuseoptionen – und all dies mit einem hohen Grad an Kompatibilität über mehrere Steuergerätegenerationen hinweg.

Das Angebot von Infineon umfassen eine Reihe von Safety Supplies , die für den Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen unentbehrlich sind. Die Infineon OPTIREG™ Safety Supplies Druck und Gaskonzentrationssensoren sowie Brennstoffzellenüberwachungs-ICs können in Kombination mit der AURIX™ Mikrocontroller-Produktfamilie für Anwendungen verwendet werden, die funktionale Sicherheit bis hin zum Standard ASIL-D/SIL3 erfordern. Die neueste Generation der AURIX™-Produkte verfügt über eine EVITA-HSM-Vollversion (ECC256 und SHA2) für sicherheitskritische Anwendungsfälle. Das Schutzniveau  lässt sich über die OPTIGA™ TPM- und F-RAM-Lösungen flexibel erweitern.

Ähnlich wie bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen dient der Traktionswechselrichter bei Brennstoffzellenfahrzeugen zur Regelung des Elektromotors und bestimmt so das Fahrverhalten. In diesem Haupt-Wechselrichter wandeln IGBTs oder CoolSiC™-MOSFETs von Infineon den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom zum Antrieb des Motors um. Der Haupt-Wechselrichter wird über eine integrierte Platine gesteuert, die den Energieverlust minimiert und den Wärmewirkungsgrad maximiert. So wird die Reichweite des Fahrzeugs vergrößert.

Eine Hochspannungs-Traktionsbatterie dient dazu, Spitzenlasten abzufangen und zusätzliche Antriebsenergie zu liefern. Dieser Prozess muss überwacht werden, um ein vorzeitiges Altern der Batterie zu verhindern und um sicherzustellen, dass die Batteriekapazität optimal ausgenutzt wird. Mit Lösungen von Infineon kann das Batteriemanagementsystem den Alterungszustand (SoH), den Ladezustand (SoC) sowie die Entladungstiefe der Batterie überwachen. Ferner trägt es dazu bei, Manipulationen am System und auch an den Batterien zu verhindern.

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• Einblicke in den Markttrend „Elektrifizierung“ von Nutzfahrzeugen, Bau- und Landmaschinen (CAV)
• Warum ist es wichtig, den Kunden in diesem Bereich zu unterstützen, und wie bedient Infineon den eCAV-Sektor?

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• Einführung in die SiC-MOSFET-Strukturen und ihre Eigenschaften
• Präsentation des CoolSiC™-MOSFET von Infineon, seiner Eigenschaften und seiner Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Trench-MOS-Komponenten einschließlich eines Vergleichs mit Konkurrenzprodukten

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• Lernen Sie die Funktionen und Vorteile der CoolSiC™-Lösungen von Infineon bei Zielanwendungen kennen, und erkennen Sie, wie das umfassend skalierbare CoolSiC™-Portfolio von Infineon diesen Wandel im Automobilmarkt unterstützt.
• Erfahren Sie, welche Gründe es für die zunehmende Einführung der Siliziumcarbid-Technologie bei Automotive-Anwendungen gibt.

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• Präsentation des IPOSIM-Tools, insbesondere für Umrichter in Elektrofahrzeugen
• Schritte zum Simulieren verschiedener Parameter und Vergleich der Ergebnisse für unterschiedliche Produkte von Infineon: So ermitteln Sie das optimale Produkt für Ihre Anwendung

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• Erfahren Sie, welche Antworten die Produktfamilie AURIX™ auf die Anforderungen des Elektromobilitätsmarktes hat.
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Um das Potential der Wasserstofftechnologie voll nutzen zu können, müssen Lösungen für die Herausforderungen gefunden werden, die durch Produktion, Lagerung, Transport und Nutzung von Wasserstoff entstehen. Erfahren Sie, wie die unterschiedlichen Systeme aufgebaut sind und interagieren. Informieren Sie sich über die unterschiedlichen Anwendungen für Produktion und Verbrauch, und lernen Sie die führenden Halbleiterlösungen von Infineon kennen.s.