Conversores DC/DC em sistemas de energia de hidrogênio: a chave para uma operação eficiente

Conversores DC/DC em sistemas de energia de hidrogênio são componentes essenciais para uma operação eficiente. Os pontos principais são os seguintes:

1. Função principal

Estabilização e Regulação de Tensão: A tensão de saída de células de combustível de hidrogênio flutua com as condições de operação. O conversor CC/CC converte essa tensão em uma tensão CC estável para atender às necessidades de carregamento da bateria e fornecimento de energia ao barramento de alta tensão.

Correspondência de potência: abordando as características de saída suave das células de combustível, CC/CC conversor ajusta a tensão de saída da pilha à faixa de tensão operacional de componentes de alta tensão, como o motor de acionamento e o compressor de ar, por meio de funções de reforço ou redução.

Gerenciamento de energia: o monitoramento do ponto de potência máxima (MPP) da célula de combustível otimiza a utilização de energia enquanto monitora a voltagem e a corrente da bateria para evitar sobrecarga ou descarga excessiva.

Tecnologias-chave para operação eficiente

2. Seleção de Topologia

Não isolado: como um circuito de reforço paralelo intercalado trifásico, este conversor oferece vantagens como alta eficiência de conversão, resposta dinâmica rápida e tamanho compacto, tornando-o a solução principal para aplicações automotivas.

Isolado: Este conversor oferece maior segurança, mas é volumoso e caro, tornando-o adequado para aplicações com requisitos rigorosos de isolamento elétrico. Seleção do Dispositivo de Energia:

Dispositivos de Carboneto de Silício (SiC): Comparados aos IGBTs tradicionais à base de silício, os MOSFETs de SiC oferecem altas frequências de comutação (até centenas de kHz), baixa resistência de ativação e alta resistência à temperatura, reduzindo significativamente as perdas de comutação e aumentando a eficiência do sistema para mais de 97%. A eficiência máxima pode chegar a 99% sob certas condições operacionais.

3. Otimização da Estratégia de Controle

Um sistema centralizado baseado no controlador de gerenciamento de energia (ECU) do sistema de energia de hidrogênio implementa funções como limitação de corrente de entrada e rastreamento de tensão de saída de variações de tensão do barramento.

A tecnologia de controle digital permite o monitoramento em tempo real da corrente e da tensão para garantir o desempenho máximo sob condições operacionais variáveis.

4. Desafios e Soluções de Design

Proteção contra fragilização por hidrogênio: indutores resistentes à fragilização por hidrogênio (como um núcleo de liga amorfa à base de ferro com revestimento de nitreto de titânio) e encapsulamento de resina epóxi a vácuo são usados para reduzir o risco de fratura do núcleo causada pela penetração de átomos de hidrogênio.

Inicialização em Baixa Temperatura: Um sensor NTC integrado e um algoritmo de compensação dinâmica de IA, combinados com a tecnologia de operação com baixa elevação de temperatura, garantem o controle das flutuações de tensão em ±0,8% a -40 °C. Gerenciamento Térmico: A combinação de substratos com alta temperatura de transição vítrea (Tg), a otimização do layout do módulo de potência e o uso de um sistema de resfriamento líquido garantem a operação estável do dispositivo em altas temperaturas.

5. Exemplos de aplicação industrial

Transporte ferroviário: O conversor CC/CC de 300 kW baseado em SiC da CRRC Electric utiliza uma topologia paralela intercalada trifásica, atingindo uma eficiência máxima de 97,8%, atendendo a requisitos de alta potência e densidade de potência.

Veículos de passageiros: O módulo CC/CC de 80 kW do Hyundai Nexo atinge uma eficiência medida de 98,5% e suporta uma partida a frio de -40 °C.

Caminhões pesados: o módulo CC/CC de SiC de 250 kW da BrightLoop pode ser conectado em paralelo para atingir uma saída de nível de megawatt e é compatível com plataformas de alta tensão de 1200 V/1500 V.

Em resumo, os conversores CC/CC, por meio de inovação de topologia, atualizações de dispositivos e controle inteligente, abordam os desafios de instabilidade de tensão e correspondência de potência em sistemas de energia de hidrogênio, tornando-os uma das principais tecnologias que impulsionam a comercialização da tecnologia de energia de hidrogênio.