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燃料电池DC/DC“战国策”

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢燃料电池 发布时间:2020-01-20 浏览:
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在目前燃料电池系统应用中,DC/DC是唯一一款基本实现国产化的关键部件。换言之,目前国内在路上跑的及正在测试的燃料电池汽车基本都采用国产DC/DC。

这主要得益于:国内企业在传统电力电子领域有一定的积累,研发出的产品效果可能比国外进口产品差些,但可以用于燃料电池系统,且兼具明显的成本优势。同时,国外一些厂家考虑进入中国燃料电池市场,但鉴于目前整个市场容量小,还没真正开始下功夫进军中国市场。

能够率先实现国产化,DC/DC对于整个燃料电池系统成本的降低起到一定的帮助。不过,在燃料电池快速迈向大功率的过程中,需要体积更小、效率更高、输出性能更稳定的DC/DC相匹配,而目前国内实际用于60kW以上的DC/DC产品较少,缺乏充分的验证。

国内燃料电池DC/DC技术发展究竟到了什么程度?哪些企业在角逐这块市场?下游燃料电池企业对DC/DC提出了哪些应用需求?未来DC/DC技术发展趋势及市场前景又如何?

燃料电池DC/DC技术难点

与传统汽车一样,燃料电池汽车也必须具有很强的机动性,以便对不同的路况及时做出相应的反应。为满足机动性的要求,燃料电池汽车驱动所需功率会有较大的波动,这与燃料电池的输出特性偏软是相矛盾的。

若以燃料电池作为电源直接驱动,会表现为输出特性偏软、输出电压较低,在燃料电池与汽车驱动之间加入DC/DC,两者共同组成电源对外供电,从而转换成稳定、可控的直流电源,所以一个高性能的DC/DC对燃料电池汽车显得尤为重要。

如果用更为专业的术语来描述DC/DC在燃料电池动力系统中的功用,就是将燃料电池产生的能量传递给MCU(电机控制器)等,同时通过支撑电池将燃料电池的输出同电机控制器的输入解耦,改变FC输出特性,满足动力系统恒压源、动态响应等方面的要求,并有机分配燃料电池与锂电池之间的能量,达至最佳能效,同时对燃料电池电堆的状态进行监测及保护。

燃料电池DC/DC研发难点主要体现在三个方面:一是主电路拓扑的选择,针对不同的电堆就会有不同的选择,这方面存在一定的技术难度;二是控制,针对不同的拓扑,对应的控制也不一样;三是结构设计和热设计方面,在满足客户水阻和压损的条件下,需要最大限度地提高DC/DC散热功率,这要求在有限的体积下,提高功率密度。

从燃料电池DC-DC功率电路来看,分为隔离型与非隔离型两种。其中隔离型可以做到电气绝缘、安全性高,但体积大、成本高;非隔离型在转换效率、动态响应特性及大功率拓展较隔离型优,但抗干扰能力弱,整车绝缘水平差。

一名燃料电池企业高层透露:“公司一开始采用非隔离型,但在应用过程中,会出现燃料电池系统乃至整车绝缘问题,而且这个绝缘问题并不好检测,也不好解决。从稳定性和可靠性来考虑,我们目前用隔离型的多。不过,只要能解决绝缘性问题,我们肯定倾向采用拓扑结构简单、额定效率高、体积小、成本低的非隔离型DC/DC。”

不过,高工氢电了解到,目前市场上也有燃料电池企业采用非隔离型DC/DC,并且已经装车展开示范运营。整体而言,非隔离型是业界认为更好的DC/DC解决方案,只是技术还有待完善,一些DC/DC厂家也正从隔离型产品转向开发非隔离型产品,以适应下游应用需求。

10多家企业展开角逐

燃料电池DC/DC毕竟不同于传统电源及电动汽车上用的DC/DC,技术门槛偏高,加之目前市场需求较小,国内能够做好DC/DC尤其是大功率DC/DC的厂家其实并不多,相关企业从2016年、2017年才开始涉足该行业。

高工氢电调研了解到,目前已经实现装车及送样测试的DC/DC企业有上海磐动、英威腾、北京动力源、欣锐科技、武汉力行远方、福瑞电气、深圳创耀、深圳核达、武汉合康等多家企业,其中多家来自深圳,与深圳在电力电子领域实力较强有关系。

上海磐动的大股东是上海重塑,上海重塑占股62.5%,是上海重塑的主力供应商,该公司也是唯一一家仅围绕燃料电池展开产品研发的企业;英威腾、欣锐科技、动力源都是上市公司,原本在电力电子设备行业及新能源汽车电机电控领域表现出色,也实现给国内多家燃料电池企业供货。

值得一提的是,为掌握燃料电池DC/DC这一关键部件技术,在拥有人才优势的条件下,少数燃料电池企业选择自主研发DC/DC,比如武汉泰歌自主研发了40kW DC/DC,委外加工;其实上海重塑也掌握了车载燃料电池DC/DC技术,通过控股子公司表现出来。

虽然相比于其他燃料电池关键部件而言,DC/DC已经表现很出色了,但资深业内人士提醒道,近两年国内30kW燃料电池产品应用较多,相匹配的DC/DC经过充分的磨合与验证,也相对成熟。未来无论从政策导向还是市场应用来看,大功率DC/DC一定是大势所趋。

目前国内40kW/50 kW产品有样机,部分在示范运行中,但60 kW及以上经过验证的产品较少,主要原因在于目前市场上真正实现运行的大功率燃料电池汽车几乎不可见。可以说,没有磨合与验证,与整车匹配或多或少都会出现问题。

唯有真正拥有技术实力及获得大客户资源的企业才能制胜未来。

一名燃料电池DC/DC企业高层建议着重把握四个方面:第一,高能效。高效转换率方面软开关功率拓扑,高效率软件可以控制算法。通过与FCU的配合和调配能量分配,提升整个FCEV系统的能效;第二,高功率密度。可以提升变换器转换效率,可以进行高频化,也可以进行精细化的热设计及热仿真技术;第三,集成化。FCU与PDU、信号转接板、DCL、空压机MCU、氢气循环泵MCU等集成;第四,高性价比。通过批量商业化应用,降低成本。通过提升系统能效,确保产品可靠性,来降低产品全生命周期的低成本。

因此,领先燃料电池DC/DC厂家选择朝着碳化硅高频化、高功率密度的技术方向发展。

关键字:燃料电池

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