Convertitori CC/CC nei sistemi energetici a idrogeno: la chiave per un funzionamento efficiente

Convertitori DC/DC in sistemi energetici a idrogeno sono componenti essenziali per un funzionamento efficiente. I punti chiave sono i seguenti:

1. Funzione principale

Stabilizzazione e regolazione della tensione: la tensione di uscita di celle a combustibile a idrogeno fluttua in base alle condizioni operative. Il convertitore CC/CC converte questa tensione in una tensione CC stabile per soddisfare le esigenze di ricarica della batteria e di alimentazione del bus ad alta tensione.

Abbinamento di potenza: affrontare le caratteristiche di output morbide delle celle a combustibile, CC/CC convertitore adatta la tensione di uscita dello stack all'intervallo di tensione operativa dei componenti ad alta tensione, come il motore di azionamento e il compressore d'aria, tramite funzioni boost o buck.

Gestione dell'energia: il monitoraggio del punto di massima potenza (MPP) della cella a combustibile ottimizza l'utilizzo dell'energia monitorando al contempo la tensione e la corrente della batteria per evitare sovraccarichi o scariche eccessive.

Tecnologie chiave per un funzionamento efficiente

2. Selezione della topologia

Non isolato: come un circuito boost parallelo interlacciato trifase, questo convertitore offre vantaggi quali elevata efficienza di conversione, rapida risposta dinamica e dimensioni compatte, che lo rendono la soluzione più diffusa per le applicazioni automobilistiche.

Isolato: questo convertitore offre maggiore sicurezza, ma è ingombrante e costoso, il che lo rende adatto ad applicazioni con rigorosi requisiti di isolamento elettrico. Selezione del dispositivo di potenza:

Dispositivi al carburo di silicio (SiC): rispetto ai tradizionali IGBT basati sul silicio, i MOSFET SiC offrono elevate frequenze di commutazione (fino a centinaia di kHz), bassa resistenza di accensione e resistenza alle alte temperature, riducendo significativamente le perdite di commutazione e aumentando l'efficienza del sistema a oltre il 97%. L'efficienza di picco può raggiungere il 99% in determinate condizioni operative.

3. Ottimizzazione della strategia di controllo

Un sistema centralizzato basato sul controller di gestione dell'energia (ECU) del sistema di alimentazione a idrogeno implementa funzioni quali la limitazione della corrente di ingresso e il monitoraggio della tensione di uscita delle variazioni della tensione del bus.

La tecnologia di controllo digitale consente il monitoraggio in tempo reale della corrente e della tensione per garantire prestazioni ottimali in diverse condizioni operative.

4. Sfide e soluzioni di progettazione

Protezione dalla fragilità da idrogeno: per ridurre il rischio di frattura del nucleo causata dalla penetrazione di atomi di idrogeno, vengono utilizzati induttori resistenti alla fragilità da idrogeno (ad esempio un nucleo in lega amorfa a base di ferro con rivestimento in nitruro di titanio) e un riempimento in resina epossidica sotto vuoto.

Avvio a bassa temperatura: un sensore NTC integrato e un algoritmo di compensazione dinamica AI, combinati con la tecnologia di funzionamento a bassa temperatura, garantiscono il controllo delle fluttuazioni di tensione entro ±0,8% a -40 °C. Gestione termica: l'adattamento di substrati ad alta temperatura di transizione vetrosa (Tg), l'ottimizzazione del layout del modulo di potenza e l'impiego di un sistema di raffreddamento a liquido garantiscono un funzionamento stabile del dispositivo ad alte temperature.

5.Esempi di applicazioni industriali

Trasporto ferroviario: il convertitore CC/CC da 300 kW basato su SiC di CRRC Electric utilizza una topologia parallela interlacciata trifase, raggiungendo un'efficienza di picco del 97,8% e soddisfacendo i requisiti di elevata potenza e densità di potenza.

Veicoli passeggeri: il modulo CC/CC da 80 kW della Hyundai Nexo raggiunge un'efficienza misurata del 98,5% e supporta un avviamento a freddo a -40 °C.

Autocarri pesanti: il modulo SiC DC/DC da 250 kW di BrightLoop può essere collegato in parallelo per raggiungere una potenza di uscita nell'ordine dei megawatt ed è compatibile con piattaforme ad alta tensione da 1200 V/1500 V.

In sintesi, i convertitori CC/CC, attraverso l'innovazione della topologia, gli aggiornamenti dei dispositivi e il controllo intelligente, affrontano l'instabilità della tensione e le sfide dell'adattamento della potenza nei sistemi energetici a idrogeno, diventando una delle tecnologie chiave che guidano la commercializzazione della tecnologia energetica a idrogeno.