DC/DC-converters in waterstofenergiesystemen: de sleutel tot efficiënte werking

DC/DC-omvormers in waterstofenergiesystemen zijn cruciale componenten voor een efficiënte werking. De belangrijkste punten zijn de volgende:

1.Kernfunctie

Spanningsstabilisatie en -regeling: De uitgangsspanning van waterstofbrandstofcellen fluctueert met de bedrijfsomstandigheden. De DC/DC-omvormer zet deze spanning om in een stabiele gelijkspanning om te voldoen aan de behoeften van het opladen van de accu en het leveren van stroom aan de hoogspanningsbus.

Power Matching: Door de zachte outputkarakteristieken van brandstofcellen aan te pakken, Gelijkstroom/gelijkstroom omvormer past de uitgangsspanning van de stapel aan op het bedrijfsspanningsbereik van hoogspanningscomponenten, zoals de aandrijfmotor en de luchtcompressor, via boost- of buck-functies.

Energiebeheer: Door het maximale vermogenspunt (MPP) van de brandstofcel te volgen, wordt het energieverbruik geoptimaliseerd en worden de accuspanning en -stroom bewaakt om overladen of te diep ontladen te voorkomen.

Sleuteltechnologieën voor een efficiënte werking

2. Topologieselectie

Niet-geïsoleerd: Deze converter biedt voordelen zoals een driefasig parallel interleaved boost-circuit, hoge conversie-efficiëntie, snelle dynamische respons en compacte afmetingen. Hierdoor is het de meest gangbare oplossing voor toepassingen in de automobielindustrie.

Geïsoleerd: Deze omvormer biedt verbeterde veiligheid, maar is omvangrijk en duur, waardoor hij geschikt is voor toepassingen met strenge elektrische isolatievereisten.

Siliciumcarbide (SiC)-componenten: Vergeleken met traditionele silicium-gebaseerde IGBT's bieden SiC-MOSFET's hoge schakelfrequenties (tot honderden kHz), een lage inschakelweerstand en een hoge temperatuurbestendigheid, waardoor schakelverliezen aanzienlijk worden verminderd en de systeemefficiëntie wordt verhoogd tot meer dan 97%. De piekefficiëntie kan onder bepaalde bedrijfsomstandigheden 99% bereiken.

3. Optimalisatie van de controlestrategie

Een gecentraliseerd systeem gebaseerd op de energiebeheercontroller (ECU) van het waterstofenergiesysteem implementeert functies zoals het beperken van de ingangsstroom en het volgen van de uitgangsspanning bij busspanningsvariaties.

Dankzij digitale regeltechniek is realtime bewaking van stroom en spanning mogelijk, zodat optimale prestaties onder wisselende bedrijfsomstandigheden worden gegarandeerd.

4. Ontwerpuitdagingen en oplossingen

Bescherming tegen waterstofbrosheid: Inductoren die bestand zijn tegen waterstofbrosheid (bijvoorbeeld een amorfe legeringskern op ijzerbasis met een titanium nitride coating) en vacuüm epoxyharsinkapseling worden gebruikt om het risico op kernbreuk door binnendringing van waterstofatomen te verkleinen.

Opstarten bij lage temperaturen: Een geïntegreerde NTC-sensor en een dynamisch AI-compensatiealgoritme, gecombineerd met technologie voor lage temperatuurstijging, zorgen ervoor dat spanningsschommelingen binnen ±0,8% bij -40 °C worden beperkt. Thermisch beheer: De afstemming van substraten met een hoge glasovergangstemperatuur (Tg), de optimalisatie van de lay-out van de vermogensmodule en het gebruik van een vloeistofkoelsysteem zorgen voor een stabiele werking van het apparaat bij hoge temperaturen.

5. Voorbeelden van industriële toepassingen

Spoorwegvervoer: De 300 kW SiC-gebaseerde DC/DC-omvormer van CRRC Electric maakt gebruik van een driefasige parallelle topologie met een hoge vermogensdichtheid. Hierdoor wordt een piekrendement van 97,8% behaald.

Personenauto's: De 80kW DC/DC-module van de Hyundai Nexo behaalt een gemeten efficiëntie van 98,5% en ondersteunt een koude start tot -40°C.

Zware vrachtwagens: de 250 kW SiC DC/DC-module van BrightLoop kan parallel worden geschakeld om een output van megawattniveau te bereiken en is compatibel met 1200 V/1500 V hoogspanningsplatforms.

Kortom, DC/DC-converters pakken, door middel van topologische innovatie, apparaatupgrades en intelligente besturing, de uitdagingen op het gebied van spanningsinstabiliteit en vermogensaanpassing in waterstofenergiesystemen aan. Daarmee zijn ze een van de belangrijkste technologieën die de commercialisering van waterstofenergietechnologie aanjagen.