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DC/DC转换器如何实现燃料电池高效能源转换

RECOM 来源:RECOM 2025-01-16 14:13 526次阅读

燃料电池是一种电化学装置,可将气态燃料(通常是氢)的化学能直接转化为电能。这一过程发生在反应室或 “电池 ”中(图 1)。当氢作为燃料时,过程类似于反向电解。在电解过程中,电能将水分成氢气和氧气,在阴极产生氢气,在阳极产生氧气,氢氧比例为 2:1(H₂O)。相反,在氢燃料电池中,氢与氧气(来自空气或纯氧)结合产生电流,唯一的副产品是水和热量。

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图 1:电解池与燃料电池示意图

虽然燃料电池技术通常被视为现代技术,但它的历史可以追溯到 19 世纪初科学家汉弗莱-戴维爵士和威廉-格罗夫爵士制造的第一批原型机。20 世纪 60 年代,人们开发出实用的氢燃料电池技术,为焊接设备、农用拖拉机甚至太空任务提供动力。进一步发展的一个重要障碍是设计出耐用的界面技术,以分离电池中的气体和液体电解质。这种界面需要具有气体渗透性、导电性和耐电解质腐蚀和发热性。如今,使用质子交换膜(PEM)的结构已在很大程度上解决了这些问题,使叠层燃料电池成为交通运输和住宅能源等多个领域清洁、高效电力的可行选择。

燃料电池作为化石燃料的替代品,有助于减少温室气体排放,在交通运输领域的吸引力与日俱增。目前,宝马、丰田、本田和现代等许多主要汽车制造商都在生产以氢为动力的燃料电池电动汽车(FCEV)。与电池电动汽车(BEV)相比,燃料电池电动汽车具有一定的优势,特别是在长途旅行中,因为燃料电池电动汽车可以快速补充燃料,而且续航能力更强。

高压加氢站的操作与传统燃油泵类似,而电动汽车通常需要长时间充电或使用更大、更重的电池。这使得燃料电池成为长途卡车、公共汽车和其他重型运输应用的理想选择,在这些应用中,快速加氢、重量更轻和续航里程更长是关键因素。因此,FCEV 越来越多地侧重于卡车和铁路应用,而清洁燃料电池驱动的公共汽车和有轨电车已经出现在许多城市地区。此外,小规模的燃料电池装置可以很容易地改装到冷藏集装箱和拖车上,从而无需持续运行的柴油发动机来保持易腐货物的低温。

氢燃料电池还被应用于固定电力系统,为建筑物、工业场所甚至整个社区提供电力。燃料电池本身具有可扩展性:增加电池数量可提高电压,扩大电池表面积可增加电流,多个电池组并联可提高功率。不过,由于单个电池产生的电压相对较低(0.5-0.8V),燃料电池通常堆叠在一起,以提供 200V-300V 的有用输出电压和大电流(数百安培),从而简化结构(图 2)。

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图 2:燃料电池堆结构便携式电源应用是燃料电池的另一个前景广阔的用途,尤其是在军事、医疗和消费电子领域。与传统电池相比,燃料电池的工作时间更长,这在偏远、离网或紧急情况下是一个优势。例如,美国军方正在探索用小型燃料电池为野战设备供电,以减少士兵对沉重电池组的依赖。

尽管燃料电池能源最近取得了一些进展,但它仍然面临着固有的技术挑战,这些挑战阻碍了燃料电池的广泛应用。要使氢燃料电池在我们的能源转型中发挥重要作用,解决这些挑战至关重要。

反应时间问题

由于燃料电池是通过涉及两种气体的化学反应来产生能量的,因此当燃料渗入堆栈时,气体供应和能量输出之间会有延迟(图 3)。对于固定的固定应用,这种延迟是可以控制的。但是,对于氢燃料电池汽车来说,即使是短暂的反应延迟也是不可接受的,因此燃料电池动力汽车也使用高压(HV)电池提供即时动力和加速。不过,这些高压电池的体积可以相对较小,因为燃料电池堆会不断为它们充电。

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图 3:燃料电池堆反应时间另一个挑战是紧急停车。与可以快速关闭的燃料燃烧发动机不同,燃料电池需要冲洗以清除反应气体,从而停止发电。这使得关闭过程相对缓慢。

DC/DC 转换器在燃料电池系统中的作用

直流/直流转换器可解决反应延迟和关机问题,同时管理燃料电池和电池组之间的接口。它们

充当升压转换器,将燃料电池的低电压、高电流输出转换为高电压、低电流的电池充电输出。

稳定启动和关闭斜坡,缓解任何负载瞬变,提供电池组所需的稳定充电电压。

跟踪燃料电池的最大功率点 (MPP),根据负载、时间和温度进行调整,以保持最佳效率。

在紧急情况下突然断开燃料电池堆。

监控电池电压和电流,防止过度充电或深度放电,并安全处理任何电池故障。

与车辆的 CAN 总线通信系统集成,实现集中监控。

RECOM 的模块化 15kW DC/DC 解决方案可通过并联五个模块提供高达 75kW 的功率,适用于卡车、船舶、铁路车辆和大功率离网电动汽车充电站等重型应用。该转换器的标称输入电压为 150VDC,但工作电压范围为 46 至 275VDC,峰值效率约为 94%。输出电压可设置为 200V 至 800V,以匹配牵引电池,最大输入电流为 500A,最大输出电流为 85A 至220A。板载微控制器可对输入和输出电压进行监控,监控范围为设定电压的 ±2% 和设定电流的 ±5%。该解决方案还符合冲击和振动 ECER100 标准,同时集成了 ECER10 EMC 滤波器,可直接安装在汽车应用中。

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图 4:RECOM 的模块化 5x15kW (75kW) 燃料电池 DC-DC 转换器

液冷系统设计紧凑,工作温度范围宽,75 千瓦设备的尺寸仅为 750 x 400 x 200 毫米。DC/DC 转换器可在 -40°C 至 +50°C 的环境温度下以全功率运行,内置短路、输出过流和输出过压保护功能,并可在冷却系统发生故障时自动关机。

每 15 kW模块均采用两级四相交错升压转换器,可在各种输入和输出电压范围内高效运行。数字控制可确保准确监控所有电流和电压,在所有负载条件下保持峰值性能,并确保对任何故障做出快速反应。

该结构具有模块化和多功能性的特点,可针对不同的输出电压或功率要求(从 15 千瓦到 75 千瓦)进行优化。各单元之间的并行连接也允许扩展,使配置最高可达 225 千瓦,是大功率

离网电动汽车充电器的理想选择。

J1939CAN 总线接口连接器提供有线紧急停机和警报信号以及数字接口。

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图 5:模块化 75 千瓦 DC/DC 转换器

结 论

燃料电池为实现更清洁、更可持续的能源格局提供了一条多功能且前景广阔的途径,是实现应对气候变化所需的去碳化目标的关键一步。与可编程千瓦 DC/DC 转换器搭配使用时,燃料电池可为难以电气化的行业提供切实可行的解决方案,而氢燃料电池汽车则有助于减少我们对 BEV 的过度依赖和对电网的过度压力。

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原文标题:应用解析 | DC/DC 转换器如何实现燃料电池高效能源转换?

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