Convertoare DC/DC în sistemele de energie pe bază de hidrogen: cheia funcționării eficiente

Convertoare DC/DC în sisteme energetice cu hidrogen sunt componente esențiale pentru o funcționare eficientă. Punctele cheie sunt următoarele:

1. Funcția principală

Stabilizarea și reglarea tensiunii: Tensiunea de ieșire a pile de combustie cu hidrogen fluctuează în funcție de condițiile de funcționare. Convertorul CC/CC transformă această tensiune într-o tensiune CC stabilă pentru a satisface nevoile de încărcare a bateriei și de alimentare cu energie a magistralei de înaltă tensiune.

Potrivirea puterii: Abordând caracteristicile de ieșire ușoară ale pilelor de combustie, CC/CC convertor ajustează tensiunea de ieșire a stivei la intervalul de tensiune de funcționare al componentelor de înaltă tensiune, cum ar fi motorul de acționare și compresorul de aer, prin funcții boost sau buck.

Gestionarea energiei: Urmărirea punctului de putere maximă (MPP) al celulei de combustie optimizează utilizarea energiei, monitorizând în același timp tensiunea și curentul bateriei pentru a preveni supraîncărcarea sau descărcarea excesivă.

Tehnologii cheie pentru o funcționare eficientă

2. Selecția topologiei

Neizolat: Cum ar fi un circuit trifazat paralel amplificat, acest convertor oferă avantaje precum eficiență ridicată a conversiei, răspuns dinamic rapid și dimensiuni compacte, ceea ce îl face soluția principală pentru aplicațiile auto.

Izolat: Acest convertor oferă siguranță sporită, dar este voluminos și costisitor, fiind potrivit pentru aplicații cu cerințe stricte de izolare electrică. Selecția dispozitivului de alimentare:

Dispozitive din carbură de siliciu (SiC): Comparativ cu IGBT-urile tradiționale pe bază de siliciu, tranzistoarele MOSFET SiC oferă frecvențe de comutație ridicate (până la sute de kHz), rezistență la activare scăzută și rezistență la temperatură ridicată, reducând semnificativ pierderile de comutație și crescând eficiența sistemului la peste 97%. Eficiența maximă poate ajunge la 99% în anumite condiții de funcționare.

3. Optimizarea strategiei de control

Un sistem centralizat bazat pe controlerul de gestionare a energiei (ECU) al sistemului de alimentare cu hidrogen implementează funcții precum limitarea curentului de intrare și urmărirea tensiunii de ieșire a variațiilor tensiunii magistralei.

Tehnologia de control digital permite monitorizarea în timp real a curentului și tensiunii pentru a asigura performanțe maxime în diferite condiții de funcționare.

4. Provocări și soluții de proiectare

Protecție împotriva fragilizării hidrogenului: Inductoarele rezistente la fragilizarea hidrogenului (cum ar fi un miez din aliaj amorf pe bază de fier cu acoperire cu nitrură de titan) și încapsularea în vid a rășinii epoxidice sunt utilizate pentru a reduce riscul de fracturare a miezului cauzat de penetrarea atomilor de hidrogen.

Pornire la temperatură joasă: Un senzor NTC integrat și un algoritm de compensare dinamică prin inteligență artificială, combinate cu tehnologia de funcționare la creșterea temperaturii joase, asigură controlul fluctuațiilor de tensiune în limita a ±0,8% la -40°C. Management termic: Potrivirea substraturilor cu temperatură de tranziție vitroasă (Tg) ridicată, optimizarea aspectului modulului de alimentare și utilizarea unui sistem de răcire cu lichid asigură funcționarea stabilă a dispozitivului la temperaturi ridicate.

5. Exemple de aplicații industriale

Transport feroviar: Convertorul DC/DC pe bază de SiC de 300 kW de la CRRC Electric utilizează o topologie paralelă intercalată trifazată, atingând o eficiență maximă de 97,8%, îndeplinind cerințele de putere și densitate ridicată a puterii.

Vehicule de pasageri: Modulul DC/DC de 80 kW al modelului Hyundai Nexo atinge o eficiență măsurată de 98,5% și permite o pornire la rece la -40°C.

Camioane grele: Modulul CC/CC SiC de 250 kW de la BrightLoop poate fi conectat în paralel pentru a obține o putere de ieșire de nivel megawatic și este compatibil cu platforme de înaltă tensiune de 1200V/1500V.

În concluzie, convertoarele DC/DC, prin inovarea topologică, modernizarea dispozitivelor și controlul inteligent, abordează provocările legate de instabilitatea tensiunii și de adaptarea puterii în sistemele energetice pe bază de hidrogen, ceea ce le face una dintre tehnologiile de bază care impulsionează comercializarea tehnologiei energetice pe bază de hidrogen.