鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2020年06月29日
電動汽車燃料動力電池對DC-DC變換器的設計要求簡析
隨著電動汽車的逐漸普及,與電動汽車燃料動力電池相配到的電子元件研發速度也正在悄然加快,DC-DC變換器作為一種電動汽車驅動系統的重要組成元件,最近兩年中針對電動汽車驅動系統所推出的新產品也層出不窮。那么,在基于電動汽車燃料動力電池的運行特點基礎上所研發的DC-DC變換器產品,都要符合什么設計要求呢?
提升電壓
在目前的電動汽車燃料動力電池系統中,中小型燃料動力電池分布式并網發電系統更為多見,這也就對DC-DC變換器的設計提出了一個要求,那就是必須具備能夠快速提升電壓的用途。在這種分布式并網發電系統中,燃料動力電池整機輸出一般電壓不高,以10kW質子交換膜燃料動力電池為例,它的輸出電壓范圍是85~120V。大大低于220V單相或是380V三相電網峰值電壓。而現在應用比較廣泛的不隔離逆變器大都為電壓型逆交器,有降壓的特性。所以在燃料動力電池輸出和到電網之間必須有一級是具有升壓功能的DC-DC變換器。
在寬輸入范圍內穩定電壓
由于中小型燃料動力電池的分布式并網發電系統特性要求,適用于該系統的前級DC-DC變換器還必須能夠在寬輸入范圍內穩定電壓。由于燃料動力電池本身是一個熱電聯合系統,系統根據負載功率來調節氣體的流量和壓力來調節輸出電壓。因此,當負載發生變化時,如負載電流突然加大,燃料動力電池系統需對燃料流量、壓力做調節才能得到新的穩定輸出電壓,而這一調節過程往往要有機械裝置來參與,所以具有較大的時間常數。并且,由于化學反應受各種客觀因素的影響,如反應堆的濕度、溫度等,使得本來不穩定的輸出電壓更加不穩定。圖1為小型電動汽車應用的燃料動力電池在不同氫壓下的輸出特性,圖2為其在不同溫度下的輸出特性。
圖1
圖2
結合圖1和圖2給出的數據曲線比較,我們可以得出結論,那就是想要讓所設計的前級DC-DC變換器適應電動汽車的驅動工作要,那么這一變換器產品不僅需具有提升電壓的功能,還應能在燃料動力電池輸出電壓寬范圍變化時,供應給后級逆變器穩定的輸入電壓,并保證負載突變時,系統也能穩定工作。
高效率的電能轉換
在目前的電動汽車應用領域中,不管是何種型號的燃料動力電池,它們都存在一個顯著的缺點,那就是價格昂貴。由于目前電動汽車的燃料動力電池大多使用氫作為燃料,而氫氣的出現和存儲的成本占了電池成本的很大一部分,這也是燃料動力電池成本降不下來的直接原因。所以,DC-DC變換器的工作效率關系著整個系統成本,它必須具備高效的電能轉換能力。
下圖中,圖3所示的是當電動汽車的驅動機內部溫度為40℃時,燃料動力電池輸出功率密度變化和輸出電壓關系的曲線中。從圖3所展示的曲線可以明顯的得出結論,即當電流密度下降時,輸出電壓高,電壓損失小,電池發電效率高,燃料消耗少,也即運行成本較低。
但有一個問題要工程師特別注意,那就是功率密度將會隨著電流密度下降而下降,并進一步造成燃料動力電池利用率下降,負載功率不變時要更大的燃料動力電池,這會讓設備成本增大。反之,選擇工作電流密皮大,則燃料動力電池利用率高,減少設備投資成本,但是電流密度大將使得電壓降增大,發電效率減小,運行成本新增。因此,工作點的選擇是設備成本和運行成本的折中。
圖3
低頻紋波的抑制
假如想要讓自己所設計的前級DC-DC變換器產品滿足電動汽車的使用要求,還必須具備優秀的低頻紋波抑制能力。在電動汽車的行駛過程中,燃料動力電池的動態響應重要通過調節燃料的流量來完成,所以受其機械裝置的慣性的限制,響應速度很慢,不能適應負載的要求。
小型電動汽車的燃料動力電池在正常運行的前提下,其本身從空載到5kW滿載切換和滿載到空載切換時輸出電壓波形如下圖圖4所示,圖4中所圈出的是負載變化時,電池的輸出電壓的變化。由圖4可知,當電池負載從0加到滿載時,輸出電壓會有個下降過程,經過大概0.5s后回到新的穩態,而當負載從滿載減到0時,輸出電壓會上升,然后經過一個很長的時間(3s左右)達到另一個穩態。
圖4
所以,當電動汽車的燃料動力電池能效輸出存在低頻電流紋波時,根據燃料動力電池的輸出特性,燃料動力電池的輸出電壓和輸出功率也相應地有波動。而由于調節速度慢,燃料流量必須設置到峰值功率所對應的流量值,在峰值功率之外的工作點上,燃料的利用率就會下降。與此同時,這些電流紋波還將在內阻上出現紋波電壓以及附加損耗。
除了上面所提到的幾個不利因素之外,還有一個問題也是低頻紋波所造成的,那就是對逆變系統的不利影響。在燃料動力電池并網發電系統中,由于是逆變系統,本身將在逆變器的輸入側引入一個與電網頻率有關的低頻電流諧波。這個電流諧波實際上可以等效為周期性突變的負載,假如諧波幅值很大,那么給電池帶來不利的影響,所以在前級DC-DC變換器的設計過程中,工程師必須采取一定的方法對其進行抑制。










