Convertidores CC/CC en sistemas de energía de hidrógeno: clave para un funcionamiento eficiente

Convertidores CC/CC en sistemas de energía de hidrógeno Son componentes críticos para un funcionamiento eficiente. Los puntos clave son los siguientes:

1. Función principal

Estabilización y regulación de voltaje: El voltaje de salida de pilas de combustible de hidrógeno Fluctúa según las condiciones de funcionamiento. El convertidor CC/CC convierte esta tensión en una tensión CC estable para satisfacer las necesidades de carga de la batería y el suministro de energía al bus de alta tensión.

Adaptación de la potencia: abordar las características de salida suaves de las pilas de combustible, CC/CC convertidor ajusta el voltaje de salida de la pila al rango de voltaje operativo de los componentes de alto voltaje, como el motor de accionamiento y el compresor de aire, a través de funciones de refuerzo o reducción.

Gestión de energía: el seguimiento del punto de máxima potencia (MPP) de la celda de combustible optimiza la utilización de la energía mientras se monitorea el voltaje y la corriente de la batería para evitar la sobrecarga o la descarga excesiva.

Tecnologías clave para una operación eficiente

2. Selección de topología

No aislado: como un circuito elevador paralelo intercalado trifásico, este convertidor ofrece ventajas como alta eficiencia de conversión, respuesta dinámica rápida y tamaño compacto, lo que lo convierte en la solución principal para aplicaciones automotrices.

Aislado: Este convertidor ofrece mayor seguridad, pero es voluminoso y costoso, lo que lo hace ideal para aplicaciones con estrictos requisitos de aislamiento eléctrico. Selección del dispositivo de potencia:

Dispositivos de carburo de silicio (SiC): En comparación con los IGBT tradicionales basados en silicio, los MOSFET de SiC ofrecen altas frecuencias de conmutación (hasta cientos de kHz), baja resistencia de encendido y resistencia a altas temperaturas, lo que reduce significativamente las pérdidas de conmutación y aumenta la eficiencia del sistema a más del 97 %. La eficiencia máxima puede alcanzar el 99 % en determinadas condiciones de funcionamiento.

3. Optimización de la estrategia de control

Un sistema centralizado basado en el controlador de gestión de energía (ECU) del sistema de energía de hidrógeno implementa funciones como la limitación de la corriente de entrada y el seguimiento del voltaje de salida de las variaciones de voltaje del bus.

La tecnología de control digital permite el monitoreo en tiempo real de la corriente y el voltaje para garantizar el máximo rendimiento en diferentes condiciones de operación.

4. Desafíos y soluciones del diseño

Protección contra la fragilización por hidrógeno: se utilizan inductores resistentes a la fragilización por hidrógeno (como un núcleo de aleación amorfa a base de hierro con revestimiento de nitruro de titanio) y encapsulado en resina epoxi al vacío para reducir el riesgo de fractura del núcleo causada por la penetración de átomos de hidrógeno.

Arranque a baja temperatura: Un sensor NTC integrado y un algoritmo de compensación dinámica de IA, combinados con tecnología de operación de baja elevación de temperatura, garantizan que las fluctuaciones de voltaje se controlen con un margen de error de ±0,8 % a -40 °C. Gestión térmica: La adaptación a sustratos con alta temperatura de transición vítrea (Tg), la optimización de la disposición del módulo de potencia y el uso de un sistema de refrigeración líquida garantizan un funcionamiento estable del dispositivo a altas temperaturas.

5. Ejemplos de aplicaciones industriales

Tránsito ferroviario: El convertidor CC/CC basado en SiC de 300 kW de CRRC Electric utiliza una topología paralela intercalada trifásica, logrando una eficiencia máxima del 97,8 %, cumpliendo con los requisitos de alta potencia y densidad de potencia.

Vehículos de pasajeros: El módulo CC/CC de 80 kW del Hyundai Nexo alcanza una eficiencia medida del 98,5 % y admite un arranque en frío a -40 °C.

Camiones pesados: el módulo CC/CC de SiC de 250 kW de BrightLoop se puede conectar en paralelo para lograr una salida de nivel de megavatios y es compatible con plataformas de alto voltaje de 1200 V/1500 V.

En resumen, los convertidores CC/CC, a través de la innovación topológica, las actualizaciones de dispositivos y el control inteligente, abordan la inestabilidad del voltaje y los desafíos de adaptación de potencia en los sistemas de energía de hidrógeno, lo que los convierte en una de las tecnologías centrales que impulsan la comercialización de la tecnología de energía de hidrógeno.