محولات التيار المستمر/التيار المستمر في أنظمة طاقة الهيدروجين: مفتاح التشغيل الفعال

محولات DC/DC في أنظمة طاقة الهيدروجين تُعد مكونات أساسية للتشغيل الفعال. النقاط الرئيسية هي كما يلي:

1. الوظيفة الأساسية

تثبيت وتنظيم الجهد: جهد الخرج لـ خلايا وقود الهيدروجين يتقلب الجهد باختلاف ظروف التشغيل. يُحوّل مُحوّل التيار المستمر/المستمر هذا الجهد إلى جهد مستمر مستقر لتلبية احتياجات شحن بطارية الطاقة وتزويد ناقل الجهد العالي بالطاقة.

مطابقة الطاقة: معالجة خصائص المخرجات الناعمة لخلايا الوقود، تيار مستمر/تيار مستمر محول يضبط جهد خرج المكدس إلى نطاق جهد التشغيل للمكونات ذات الجهد العالي مثل محرك القيادة وضاغط الهواء من خلال وظائف التعزيز أو التخفيض.

إدارة الطاقة: تتبع نقطة الطاقة القصوى لخلية الوقود (MPP) يحسن استخدام الطاقة أثناء مراقبة جهد البطارية والتيار لمنع الشحن الزائد أو التفريغ الزائد.

التقنيات الرئيسية للتشغيل الفعال

2. اختيار الطوبولوجيا

غير معزول: مثل دائرة التعزيز المتوازية المتداخلة ثلاثية الطور، يوفر هذا المحول مزايا مثل كفاءة التحويل العالية والاستجابة الديناميكية السريعة والحجم الصغير، مما يجعله الحل السائد لتطبيقات السيارات.

معزول: يوفر هذا المحول أمانًا معززًا، ولكنه ضخم الحجم ومكلف، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات متطلبات عزل كهربائي صارمة. اختيار جهاز الطاقة:

أجهزة كربيد السيليكون (SiC): مقارنةً بترانزستورات IGBT التقليدية القائمة على السيليكون، توفر ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون ترددات تحويل عالية (تصل إلى مئات الكيلوهرتز)، ومقاومة تشغيل منخفضة، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، مما يقلل بشكل كبير من خسائر التحويل ويعزز كفاءة النظام إلى أكثر من 97%. ويمكن أن تصل الكفاءة القصوى إلى 99% في ظروف تشغيل معينة.

3. تحسين استراتيجية التحكم

ينفذ نظام مركزي يعتمد على وحدة التحكم في إدارة الطاقة (ECU) لنظام طاقة الهيدروجين وظائف مثل تحديد تيار الإدخال وتتبع جهد الإخراج لتغيرات جهد الحافلة.

تتيح تقنية التحكم الرقمي مراقبة التيار والجهد في الوقت الفعلي لضمان الأداء الأقصى في ظل ظروف التشغيل المختلفة.

4. تحديات التصميم والحلول

حماية من هشاشة الهيدروجين: يتم استخدام المحاثات المقاومة لهشاشة الهيدروجين (مثل قلب سبيكة غير متبلورة على أساس الحديد مع طلاء نتريد التيتانيوم) وتغليف راتنج الإيبوكسي المفرغ لتقليل خطر كسر القلب الناجم عن اختراق ذرة الهيدروجين.

بدء التشغيل في درجات حرارة منخفضة: يضمن مستشعر NTC مدمج وخوارزمية تعويض ديناميكي بالذكاء الاصطناعي، بالإضافة إلى تقنية تشغيل ارتفاع درجات الحرارة المنخفضة، التحكم في تقلبات الجهد ضمن ±0.8% عند -40 درجة مئوية. الإدارة الحرارية: تضمن مطابقة ركائز درجة حرارة انتقال الزجاج العالية (Tg)، وتحسين تصميم وحدة الطاقة، واستخدام نظام تبريد سائل، استقرار تشغيل الجهاز في درجات الحرارة العالية.

5. أمثلة لتطبيقات الصناعة

النقل بالسكك الحديدية: يستخدم محول التيار المستمر/التيار المستمر القائم على SiC بقوة 300 كيلو وات من شركة CRRC Electric طوبولوجيا متوازية متداخلة ثلاثية الطور، مما يحقق كفاءة قصوى تبلغ 97.8%، ويلبي متطلبات الطاقة العالية وكثافة الطاقة.

سيارات الركاب: تحقق وحدة DC/DC بقدرة 80 كيلو وات في سيارة Hyundai Nexo كفاءة مقاسة تبلغ 98.5% وتدعم بدء التشغيل البارد عند درجة حرارة -40 درجة مئوية.

الشاحنات الثقيلة: يمكن توصيل وحدة 250 كيلو وات SiC DC/DC من BrightLoop بالتوازي لتحقيق خرج بمستوى ميغاواط وهي متوافقة مع منصات الجهد العالي 1200 فولت/1500 فولت.

باختصار، تعمل محولات التيار المستمر/التيار المستمر، من خلال الابتكار في الطوبولوجيا وترقيات الأجهزة والتحكم الذكي، على معالجة عدم استقرار الجهد وتحديات مطابقة الطاقة في أنظمة طاقة الهيدروجين، مما يجعلها واحدة من التقنيات الأساسية التي تدفع تسويق تكنولوجيا طاقة الهيدروجين.