DC/DC-Wandler in Wasserstoff-Energiesystemen: Schlüssel zum effizienten Betrieb

DC/DC-Wandler in Wasserstoff-Energiesysteme sind kritische Komponenten für einen effizienten Betrieb. Die wichtigsten Punkte sind:

1.Kernfunktion

Spannungsstabilisierung und -regelung: Die Ausgangsspannung des Wasserstoff-Brennstoffzellen schwankt je nach Betriebsbedingungen. Der DC/DC-Wandler wandelt diese Spannung in eine stabile Gleichspannung um, um den Anforderungen zum Laden der Leistungsbatterie und zur Stromversorgung des Hochspannungsbusses gerecht zu werden.

Power Matching: Die sanfte Leistungscharakteristik von Brennstoffzellen wird durch die DC/DC Konverter passt die Stack-Ausgangsspannung durch Boost- oder Buck-Funktionen an den Betriebsspannungsbereich von Hochspannungskomponenten wie Antriebsmotor und Luftkompressor an.

Energiemanagement: Durch die Verfolgung des maximalen Leistungspunkts (MPP) der Brennstoffzelle wird die Energienutzung optimiert, während gleichzeitig die Batteriespannung und der Batteriestrom überwacht werden, um ein Überladen oder Überentladen zu verhindern.

Schlüsseltechnologien für einen effizienten Betrieb

2.Topologieauswahl

Nicht isoliert: Wie eine dreiphasige verschachtelte parallele Boost-Schaltung bietet dieser Konverter Vorteile wie hohe Umwandlungseffizienz, schnelle dynamische Reaktion und kompakte Größe, was ihn zur Mainstream-Lösung für Automobilanwendungen macht.

Isoliert: Dieser Konverter bietet erhöhte Sicherheit, ist jedoch sperrig und teuer und eignet sich daher für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die elektrische Isolierung. Auswahl des Stromversorgungsgeräts:

Siliziumkarbid-Bauelemente (SiC): Im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten IGBTs bieten SiC-MOSFETs hohe Schaltfrequenzen (bis zu mehreren hundert kHz), einen niedrigen Einschaltwiderstand und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Dadurch werden Schaltverluste deutlich reduziert und der Systemwirkungsgrad auf über 97 % gesteigert. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann der Spitzenwirkungsgrad 99 % erreichen.

3. Optimierung der Steuerungsstrategie

Ein zentralisiertes System, das auf dem Energiemanagement-Controller (ECU) des Wasserstoff-Stromversorgungssystems basiert, implementiert Funktionen wie Eingangsstrombegrenzung und Ausgangsspannungsverfolgung von Busspannungsschwankungen.

Die digitale Steuerungstechnologie ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Strom und Spannung, um Spitzenleistung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen sicherzustellen.

4.Design-Herausforderungen und -Lösungen

Schutz vor Wasserstoffversprödung: Wasserstoffversprödungsbeständige Induktoren (wie etwa ein Kern aus einer amorphen Legierung auf Eisenbasis mit einer Beschichtung aus Titannitrid) und eine Vakuumvergussmasse aus Epoxidharz werden verwendet, um das Risiko eines Kernbruchs durch das Eindringen von Wasserstoffatomen zu verringern.

Start bei niedrigen Temperaturen: Ein integrierter NTC-Sensor und ein dynamischer KI-Kompensationsalgorithmus sorgen in Kombination mit einer Betriebstechnologie für niedrige Temperaturanstiege dafür, dass Spannungsschwankungen bei -40 °C auf ±0,8 % begrenzt bleiben. Wärmemanagement: Die Anpassung von Substraten mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg), die Optimierung des Leistungsmodul-Layouts und der Einsatz eines Flüssigkeitskühlsystems gewährleisten einen stabilen Gerätebetrieb bei hohen Temperaturen.

5. Anwendungsbeispiele aus der Industrie

Schienenverkehr: Der 300-kW-SiC-basierte DC/DC-Wandler von CRRC Electric nutzt eine dreiphasige verschachtelte Paralleltopologie und erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von 97,8 %. Damit wird er den Anforderungen an hohe Leistung und Leistungsdichte gerecht.

Personenkraftwagen: Das 80-kW-DC/DC-Modul des Hyundai Nexo erreicht einen gemessenen Wirkungsgrad von 98,5 % und unterstützt einen Kaltstart bei -40 °C.

Schwere Lkw: Das 250-kW-SiC-DC/DC-Modul von BrightLoop kann parallel geschaltet werden, um eine Leistung im Megawattbereich zu erreichen, und ist mit 1200-V-/1500-V-Hochspannungsplattformen kompatibel.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DC/DC-Wandler durch Topologieinnovation, Geräteupgrades und intelligente Steuerung die Herausforderungen der Spannungsinstabilität und Leistungsanpassung in Wasserstoffenergiesystemen bewältigen und sie somit zu einer der Kerntechnologien machen, die die Kommerzialisierung der Wasserstoffenergietechnologie vorantreiben.