Convertisseurs CC/CC dans les systèmes énergétiques à hydrogène : la clé d'un fonctionnement efficace

Convertisseurs DC/DC dans systèmes énergétiques à hydrogène sont des éléments essentiels à un fonctionnement efficace. Les points clés sont les suivants :

1.Fonction principale

Stabilisation et régulation de la tension : La tension de sortie de piles à combustible à hydrogène La tension varie selon les conditions de fonctionnement. Le convertisseur CC/CC convertit cette tension en une tension continue stable pour répondre aux besoins de charge de la batterie et d'alimentation du bus haute tension.

Adaptation de puissance : en tenant compte des caractéristiques de sortie souples des piles à combustible, CC/CC convertisseur ajuste la tension de sortie de la pile à la plage de tension de fonctionnement des composants haute tension tels que le moteur d'entraînement et le compresseur d'air via des fonctions boost ou buck.

Gestion de l'énergie : le suivi du point de puissance maximale (MPP) de la pile à combustible optimise l'utilisation de l'énergie tout en surveillant la tension et le courant de la batterie pour éviter toute surcharge ou décharge excessive.

Technologies clés pour un fonctionnement efficace

2. Sélection de la topologie

Non isolé : tel qu'un circuit élévateur parallèle entrelacé triphasé, ce convertisseur offre des avantages tels qu'une efficacité de conversion élevée, une réponse dynamique rapide et une taille compacte, ce qui en fait la solution courante pour les applications automobiles.

Isolé : Ce convertisseur offre une sécurité renforcée, mais est encombrant et coûteux, ce qui le rend adapté aux applications exigeant une isolation électrique rigoureuse. Sélection des dispositifs de puissance :

Dispositifs en carbure de silicium (SiC) : Comparés aux IGBT traditionnels à base de silicium, les MOSFET SiC offrent des fréquences de commutation élevées (jusqu'à plusieurs centaines de kHz), une faible résistance à l'état passant et une résistance aux températures élevées, réduisant considérablement les pertes de commutation et augmentant le rendement du système à plus de 97 %. Le rendement maximal peut atteindre 99 % dans certaines conditions de fonctionnement.

3. Optimisation de la stratégie de contrôle

Un système centralisé basé sur le contrôleur de gestion de l'énergie (ECU) du système d'alimentation à hydrogène met en œuvre des fonctions telles que la limitation du courant d'entrée et le suivi de la tension de sortie des variations de tension du bus.

La technologie de contrôle numérique permet une surveillance en temps réel du courant et de la tension pour garantir des performances optimales dans des conditions de fonctionnement variables.

4. Défis de conception et solutions

Protection contre la fragilisation par l'hydrogène : des inducteurs résistants à la fragilisation par l'hydrogène (tels qu'un noyau en alliage amorphe à base de fer avec revêtement en nitrure de titane) et un enrobage en résine époxy sous vide sont utilisés pour réduire le risque de fracture du noyau causée par la pénétration d'atomes d'hydrogène.

Démarrage à basse température : un capteur CTN intégré et un algorithme de compensation dynamique par IA, combinés à une technologie de fonctionnement à faible élévation de température, garantissent un contrôle des fluctuations de tension à ± 0,8 % à -40 °C. Gestion thermique : l'adaptation aux substrats à température de transition vitreuse (Tg) élevée, l'optimisation de la disposition des modules de puissance et l'utilisation d'un système de refroidissement liquide garantissent un fonctionnement stable de l'appareil à haute température.

5. Exemples d'applications industrielles

Transport ferroviaire : le convertisseur CC/CC à base de SiC de 300 kW de CRRC Electric utilise une topologie parallèle entrelacée triphasée, atteignant une efficacité maximale de 97,8 %, répondant aux exigences élevées de puissance et de densité de puissance.

Véhicules de tourisme : le module DC/DC de 80 kW du Hyundai Nexo atteint une efficacité mesurée de 98,5 % et prend en charge un démarrage à froid à -40 °C.

Camions lourds : le module CC/CC SiC 250 kW de BrightLoop peut être mis en parallèle pour obtenir une sortie de niveau mégawatt et est compatible avec les plates-formes haute tension 1200 V/1500 V.

En résumé, les convertisseurs CC/CC, grâce à l’innovation topologique, aux mises à niveau des appareils et au contrôle intelligent, répondent aux problèmes d’instabilité de tension et d’adaptation de puissance dans les systèmes énergétiques à l’hydrogène, ce qui en fait l’une des technologies de base à l’origine de la commercialisation de la technologie de l’énergie à l’hydrogène.