宣路——三电平离心空压机控制器技术

宣路

销售副总

深圳市福瑞电气有限公司

大家好，今天介绍本来是我们汤忠总工来做介绍，但是因为今天有一个临时重要接待，所以我就客串一下。

今天我们来讲这个产品，是一个三电平拓扑结构的燃料电池空压机控制器，大家都很清楚福瑞电气在大功率电器DC-DC做得还可以，其实我们在空压机控制器研发也做了大量的投入，这个产品已经量产两三年时间。

今天讲的内容主要是五部分，首先会把现在空压机控制器主功率的架构给大家简单介绍一下，后边我们会把两电平、三电平的拓扑给大家讲一下，最后讨论一下空压机驱动输出的电压变化率，也就是dV/dt对空压机的寿命的影响，这个影响很关键，最后面把我们的产品做一个简单的介绍。

首先我们来看一下空压机控制器的主要架构。今天我们看到这个空压机控制器DC-AC前面是直流电源输入，DC-AC输出直接驱动这个电机，这是一个单级变换结构。之前行业内很多还会用双级变换结构，也就是在DC-AC之前还有一个DC-DC。今天主流的单级变换和之前的双级变化有什么特点？实际上就是架构变简单了，少了一个DC-DC，导致它的直流输入范围比较窄，那就是面向商用车设计的空压机就只能用于商用车，乘用车空压机就只能用于乘用车。另外它的轻载的电流的谐波也会高一些，但它少了一个DC-DC，它刹车控制策略、控制相对来说简单，少一个DC-DC成本也低一点。

我们再来看空压机控制器的主功率电路拓扑。现在主流的产品拓扑都是两电平，大家看到电压是一个是低一个是高，是一个两电平的一个结构。它的特点是什么？结构比较简单。大家看这张图，两电平一共是6只管子，比较简单。控制和保护也比较简单，但是它的谐波会比较高，dV/dt比较大，电磁干扰也比较大，轴电流对空气轴承的影响比较大。这后边我会讲dV/dt轴电流为什么会对寿命有影响，但是它好处是什么？成本低，因为它只有6只管子，成本比较低，架构比较简单。这是国内大家常见控制器的一个主要拓扑。福瑞用的是一个三电平，这是一个两电平，除了福瑞，大家现在见到的空压机控制器大部分都是这个架构，两电平，它的特点就是成本低。

我们看三电平功率拓扑，三电平拓扑有两种，一个是I型一个是T型。和上一张两电平拓扑图比，大家就看到复杂多了，其实它一共是12个管子，电子器件的数量大大增加了一倍。它的特点是什么？大家看看电压的图，它是三电平，它在低跟高之间中间还有一个电压，中间电平的引入，使电压的上升和下降斜率就会相对的缓了很多。它的特点是什么？和两电平比，这个架构已经复杂了很多，它这个控制和保护也会复杂很多。但是它的优点是，它的谐波和两电平比低了很多，dV/dt也很小，电磁干扰也小，轴电流对空气轴承影响也小，但是成本高上去了。所以福瑞电气采用的是三电平的路线，成本会高。但这一点大家放心，虽然我们成本高，但是售价是跟两电平一样的，我们会通过系统设计来平衡功率器件成本的上升，使得整体成本保持跟两电平拓扑的竞争力。但是给大家带来的好处就是说，什么谐波低，dV/dt小，电子干扰，什么轴成寿命影响，这个我们后面再讲，这其实是给大家带来了一个直接的好处。

我们再来看dV/dt，我们讲了很多dV/dt，以做控制器的视角来看，对空压机寿命影响主要一个是空气轴承，一个是电机，高速电机。轴承这边有两个因素，一个是起停寿命，起停寿命的确保，使通过控制器加快0~起飞转速~0的时间，减少空气轴承的干磨的时间，来优化起停寿命，这和空压机控制器直接相关。

第二个就是运行寿命。运行寿命要考虑流过空气轴承气隙的轴电流大小，轴电流导致的电火花对这个空气轴承的镀层会有积累的腐蚀，这个是由空压机控制器来控制，一会后边讲我们会来控制它，所以为什么三电平有优势，我们是说在这个方面，我们在轴电流的控制会比两电平有优势。

在高速电机这边寿命相关的关键要素我们认为也是两点，一个是定子绕组绝缘寿命，如果控制器的dV/dt越大，局部电场它就会在的电压剧烈下局部升高，这时候就会有空气电离和辉光放电的作用，这就是我们常说的dV/dt对绝缘的电晕腐蚀。所以说dV/dt一定要控制住，要小，因为只有小才能会减少绝缘老化，这个是由控制器来解决。

另外一个就是高频机械振动，这是您电机设计的结构。所以说我们控制器我们会从两点来解决，一个是空气轴承的运行寿命，由我们控制器来减小电机轴电流；一个是由电机控制器来降低绝缘老化，这都是我三电平这种拓扑带来突出优势。所以这也是为什么福瑞电机控制器比两电平的产品大家用起来会发现会好，其实这就是三电平的原因，从拓扑方案上决定了它就是有优势的。

我们来看轴电流，刚才讲的轴电流是对空气轴承的寿命是有影响的，大家右边这图就是它在冲刷空气轴承涂层。轴电流一共又分了两种电流，一种是循环电流，一种是共模电流。循环电流后面还有一张图。轴电流它主要是产生了火花，火花之后，通过对空气轴承镀层会有一个腐蚀，影响了寿命，所以说轴电流一定要控制住。我们下一张图我们会看到轴电流。大家看着轴电流下边，它轴电流绕过空气轴承的瞬间它会产生电火花腐蚀，所以说电子绕阻会感生流过定子-空气轴承气隙-转子的电流，这个电流就是循环电流，那么dV/dt越大，它的循环电流就越大，然后耦合路径的分布电容越大它也越大，所以说电流一大，它产生电火花，一定是对你空气轴承的镀层有腐蚀，一定是影响你的寿命，所以说循环电流我们要控制dV/dt。

共模电流这边，实际上大家看到就是说里边有些电容，实际上在定子、转子、外壳之间它都会分布一些电容，你这个空压机结构定了之后，你的分布电容也是定的，那么这时候跟你的dV/dt有关系了，你的电流是你的分布电容乘以dV/dt，所以dV/dt越小你的共模电流就越小，共模电流产生的电火花就越小，这时候你的寿命就越长，所以说这就是说为什么说我们一直说dV/dt是很关键的一个因素，三电平比两电平有明显的优势。

我们来看到业内大家用的控制器一般dV/dt在6000伏每微秒，福瑞的产品实测在95000转的时候是162伏每微秒，也就是6000伏和162伏的一个差距。福瑞的三电平的控制器在dV/dt这个领域是明显的领先于行业的一个常规的水平。所以说这一点就是为对你的空气轴承的寿命，对电机的寿命是有一个巨大的帮助的。这就是我们前面铺垫了这么多循环电流、轴电流就是这么一个关键要素，是因为三电平拓扑的dV/dt控制得好，是由它的拓扑特性决定的。

另外，我把福瑞电气的产品讲一下。目前我们空压机控制器这个产品已经从15千瓦到45千瓦都覆盖了，业内可能现在能提供45千瓦，电流在100安培以上，可能只有福瑞一家。效率我们已经超过了98%，这一点业内应该所有的空压机厂商用过福瑞的空压机控制器的，我们的效率是有优势的。另外控制精度超过了3%。另外我们现在是3000赫兹，1对极电机做到最高转速18万转每分钟。

总体的结论就是说福瑞的三电平拓扑决定了它的dV/dt很小，决定了它和两电平对比，对电机和空气轴承的寿命有很好的确保。

我后面再讲一下我们的一些产品。福瑞是做这种直流源和电子负载，是用于实验中的。我们一些特点主要是碳化硅器件，可以多个产品来并联，满足了20伏-800伏，我们可以用在什么呢？电堆的测试和活化使用，也可以用到燃电动力系统，系统上测试我们用恒压模式，可以将先开始给BOP供电然后再启动。

用福瑞DC-DC和空压机控制器产品的用户，对我们产生信任之后发现福瑞的生产线全是自己的产品，实验室全是自己的产品，后来也都开始用福瑞的直流源跟负载，这个做得非常好。包括我们现在跟清华大学合作，在北京的环宇金辉建立了一个测试室服务中心，那边有专门的台架，提供电堆的测试服务和系统测试服务，因为它是在制氢厂里用氢气源。我们刚刚完成了给一个国内一线品牌的500小时的耐久试验，效果非常好，做了500小时，24小时不停机的。用的全是福瑞的直流源跟负载。

将来大家有机会想做这种长时间的耐久，还是在这种制氢厂里，因为它的安全法规各方面都很好，氢气源是管道直通非常好。

负载的架构其实我就不多讲了，这个也是业内常用的，只是我们跟业内比，我们是碳化硅器件，效率高。电磁干扰控制的好，这是我们一些优点，我这个不多讲。

后边我把我们的产品稍微讲一下。福瑞电气目前虽然是以DC-DC在业内知名，但是我们的产品其实三大类。燃料电池DC-DC、空压机控制器和直流电子负载。2017年我们推出了V1.0平台DC-DC，是150毫米厚的，大家可以在我们展台上看到。我们当时推出的是550安培的产品，这个平台现在我们已经升级到600安培。 对于V2.0的平台DC-DC，我们当时考虑到未来的大电流需求增加，我们做了一个850安培的，但是后来电堆没有增加到这么大，所以到2020年6月我们出了一个750安培的V3.0平台DC-DC，但是现在我们对V2.0又增加到了1000安培。

DC-DC我们大概就是V1.0、V2.0、V3.0可以满足550安培及600安培、750安培、和1000安培的 DC-DC的需求，然后我们后边V3.2、V3.3、V3.4、V3.5，全是走的集成化路线。福瑞电气从前年开始做DC-DC产品介绍都主要讲的是集成，就是高压系统集成，我们用我们的大功率DC-DC集成空压机控制器，集成降压的DC-DC等等，今年已经有大几百套的出货，一些主流的系统现在都在用福瑞电气的高压系统集成。

之所以福瑞电气能做高压系统集成，主要是说DC-DC也在做，空压机控制器也在做，每个领域都做得非常好，所以说有这个基础来做大功率的这种集成。

空压机控制器刚才讲了很多，其实我们也是两代产品。一代是15千瓦-35千瓦的，我们新推出的就是25-45千瓦，满足后边的200千瓦以电堆的需求。

负载这边我们800伏500万的，然后升级到800伏800万，然后现在做到1000-1000。

最后简单的再做一下介绍，福瑞电气就在深圳，也欢迎大家有机会到福瑞电气去参观指导，多多合作，我就不耽误大家时间了，谢谢大家。

氢听剧场现场