氢听剧场：汤忠——《燃料电池DC-DC产品及技术发展趋势》

燃料电池DC-DC产品及技术发展趋势

Product and Technology Trend of

Fuel Cell DC-DC Converter

各位专家大家下午好，我在这里给大家分享一下DC-DC这一核心零部件目前的技术现状和我对未来发展趋势的一些判断。

燃料电池系统在目前，尤其车载的电气系统，基本是采用两种架构，一种类似于国内目前用得比较多的电-电混合系统，DC-DC是放在燃料电池输出和主动力系统之间。由于燃料电池负安特性比较软，随着负载加大，电压下降是非常大，所以需要用DC-DC来满足负载的动特性。另外一种架构是类似的现代NEXO的动力架构，DC-DC是放到直流母线跟电池包之间，它是一个双向的DC-DC。

燃料电池DC-DC的技术主要由三方面构成，首先是功率拓扑，其次是器件，最后是控制。

我们先来看拓扑。我们知道现在拓扑有两种架构，一种是隔离型，一种是非隔离性。我们看到隔离型一般采用全桥拓扑，包括LLC全桥或移相全桥架构。这种架构的升压比可以用隔离变压器来调节，所以可以做到很高的升压比。

早期的充电桩企业用充电桩做多个单元的并联，推出满足燃料电池DC-DC需求的产品。经过几年的发展，这类产品已经退出市场，因为存在很多问题。早期很多系统集成商，对这种产品应该有比较深的了解。

另外一种是拓扑就是非隔离型拓扑，这种个包括BOOST，ZVT BOOST，镜像BOOST等拓扑，这种拓扑效率比较高，因为它没有变压器，动特性容易做得比较好，可靠性也容易做得比较好。

为了满足低压堆的要求，像这种单级非隔离的拓扑也发展了一些高增益的技术来拓展升压比。

这是隔离型和非隔离型拓扑的主要特点，转换效率来讲，非隔离拓扑是比较高，峰值效率可以做到99%，一般是用碳化硅器件。非隔离的转换效率可以做得很高。升压比非隔离拓扑一般小于10，福瑞电气应用了一些特殊的拓扑，非隔离型拓扑升压比我们可以做到18。功率密度，非功率密度做得比较高，现在可以基本上接近7000瓦/升这样的功率密度。隔离的拓扑由于有变压器，它在功率密度上不如非隔离拓扑。非隔离拓扑的适应性比较广，它可以通过一个设计满足不同功率的要求。但是隔离拓扑有变压器，输入级和输出级受制约比较大，所以每个功率端的产品需要重新设计，灵活性差很多。隔离拓扑和非隔离拓扑在多电堆系统应用里面，由于隔离拓扑可以避免电堆绝缘电阻直接并联，所以多电堆应用的灵活性会大一点。

再来看器件，现在市面上一般用硅基MOSFET，IGBT，SiC，碳化硅器件也是种MOSFET，效率会高一些。IGBT因为它损耗大，开关频率比较低，往往在15kHz之内，所以用IGBT的产品，效率会比碳化硅要低2到3个百分点，工作的时候也有噪音，可以听到。但是MSFET及碳化硅没有这种噪音，因为它开关频率远远超过20千赫兹。

在器件这块，目前市场上有用单管的，也有用模块。其实这两种器件可靠性都可以满足使用的要求，单管的应用由于它是多管并列，对于工艺的要求，对于均流要求比较高。如果达到跟模块相同的可靠性，需要做的工作比较多一些。

这是目前DC-DC所用器件的一些比较，从未来趋势来讲，碳化硅是趋势，因为它的成本在下降。虽然目前为止，碳化硅成本比硅器件高3到4倍，但是未来由于它的效率比较高，整体来看它的效率要比IGBT高2到3个百分点。100千瓦的系统可以额外多出2000-3000瓦的功率，这对整个系统的造价来说是两到三万块，当然未来可能没有这么多，但是不管怎么样，一个DC-DC现在批量价格也就是三四万块钱，从整个系统来讲可以降低整个系统的造价。另外，由于效率的提高对散热系统降低，整个维护费用比较低，所以整个寿命周期应用成本TCO比较低，所以碳化硅是未来的发展趋势。

我们再看控制，控制现在基本上用多路交错并联，这样可以拓展功率，可以减少单支路电流的，器件的选型也是比较灵活。在电流控制方面，广泛采用前馈的技术，这样的话可以提高电流的响应速度，抑制电压的波动。控制方面还会有一些开关频率的调节，这样可以提升EMC性能，可以提高能效。

因为燃料电池不能回灌，这一块需要有电流回灌抑制的算法。

以下是我个人对燃料电池DC-DC产品和技术未来发展的展望。总体来讲，燃料电池DC-DC未来发展方向是高能效、高的功率密度，更小的体积，以及集成化。

首先我们来看高能效，高能效主要是提升DC-DC的转化效率，通过采用软开关拓扑，降低产品的开关损耗，应用一些诸如碳化硅这样的宽禁带的功率器件。另外，在控制算法还是有一些高效率的控制算法。当然，可以通过FCU的配合，在电池包、电堆和整个系统之间做合理能量管理来提升整个系统能效水平。

这是一个ZVT BOOST，它用了一个辅开关，在主开关开通之前把电压降下来，这样开通的时候电压是0，如果乘以这个时候的电流，开关损耗就是接近于0，这就是软开关的一种技术。

同步整流普遍采用，就是在整流二级管上并联MOSFET。向往现在都是同步整流的技术，二级管开通之后，并列的MOSFET，因为MOSFET是一个双向的开关，它可以同时开通，可以降低二极管的损耗，同步整流技术在和将来DC-DC会广泛采用。

能效提升，尤其是轻载能效的提升，未来也应该是大家关注的重点，现在来看，其实用碳化硅器件，我们在30%的负载很容易做到峰值效率到99%。在轻载条件下怎么提升能效，一个是应用自动休眠技术。我们知道现在基本上DC-DC都是多路交错并列，在这个情况下把部分并列支路关掉，这样的话确保它的负载率能在比较高效的负载点，这样的话整个轻载效率就得到提升。另外可以在轻载时用一些变频技术，可以让器械工作在临界续流模式下，这样的状态下相当于是个软开关，零电流开关，这样就降低损耗。虽然燃料电池希望输入纹波尽量小，但在这个情况由于是多路交错并列，即使在单一路工作在临界电流条件下，总体上来看，它输入电流的纹波还是不大的。

可以看到绿色这条线，就是用了轻载优化技术以后，它的效率的提升。

我们看来，高功率密度和高能效是相辅相成的，高能效之后可以减少散热部件的体积，提升功率密度。另外，高功率密度一个手段就是提升开关频率，开关频率高之后我可以用更小的电感组成系统，用更少的电容来达到相同的输入输出的纹波。另外还有集成磁的技术，由于DC-DC目前不管是隔离还是非隔离，都广泛采用交错并列的技术，这种技术天然上比较适合作磁集成，当然磁集成对热设计及热仿真有挑战。

刚才讲多路交错表并列有很多优势，减少纹波、功率拓展容易，提升功率密度，改善控制的响应，提升动态性能，以及提升转化效率。

在高功率密度这一块，磁集成未来是一个重点。PPT右边是两路交错的磁集成，这相当于把磁芯缩小一半，这样功率密度得到大大的提升。左边这个图是四路交错，这相当于减少到原来的三分之一多一点，执行元件的体积肯定是大量减少。当然，这个磁集成以后，对磁性元件的散热设计是一个挑战

另外，DC-DC这个产品未来是一定是高适应性。我们知道膜的电流密度在增大，以前电堆电流的主流在四百、五百安左右，现在甚至到了1000安培。这样我们的DC-DC产品必须要适应这种趋势。

还有一些低压系统，电压很低，这要求升压比很高，这需要镜像拓扑、或者是多路交错来提升升压比。

这里列举了一个四路交错的拓展技术，它通过电容的电压叠加来提升增益。

DC-DC系统适应性方面，还需要具备像低温启动、余氢放电、单节电压保护、内阻监测等等这些功能。

另外，DC-DC未来发展趋势一定是集成化，大家可以从纯电动车的发展可以看到这个趋势。我们知道早期纯电动电气部件都是分离的，像乘用车，是OBC、DC-DC是集成在一起的。这样带来的好处减少很多线缆、散热外壳，体积可以做到更小，功率密度可以做到更高，同时成本也可以降下来。燃料电池电气部件未来的方向一定是集成化，像氢泵、水泵，包括风扇，一定是走高压的路线。因为电堆的功率越来越大，再用低压方案效率做不上去。

空压机控制器会和DC-DC集成在一起，DC-DC还会集成BOP的高压配电，整个系统集成构成我们的PCU，即功率控制单元。

这里是福瑞电气的PCU，我们看它集成了空压机的控制器，集成了升压的DC-DC，还有降压的DC-DC，还有BOP PDU，还有低压的配电，以及绝缘监测和阻抗检测的单元。

下面是福瑞电气主要产品的一些介绍。福瑞电气专注于燃料电池的电力电子部件业务，我们产品涵盖了三大类，第一类就是DC-DC，以及DC-DC与各个部件的集成，另外一块是空压机的电机控制器。我们也有为电堆，或者是发动机做测试用的回馈式的电子负载。

我们DC-DC现在已经经过了4代技术，现在来看，我们最大功率已经做到300千瓦，工作电流我们可以涵盖到最大800安培，今年国家以奖代补这个政策发布之后，其实很多，尤其是做石墨堆，电流已经已经到了七八百安培，这是非常明显的一个趋势。工作效率，转换效率基本超过98.5%，峰值会到99%。

我们产品配置比较丰富，会集成BOP PDU，以及电堆内阻的监测，还有预充电、主动放电等等这些部件。

电机控制器方面我们主要做离心式空压机控制器，效率到98%，转速精度是千分之三。电流谐波小是我们产品很明显的一个特点，我们在额度转速的情况下，在适配国内空压机电机的时候，我们可以到小于2%的电流谐波。谐波电流其实是很小的，谐波电流小有什么好处？因为我们知道现在空压机的高速电机都是钕铁硼的永磁同步电机。如果谐波电流大会造成永磁体的涡流损耗大，长期工作下去会造成永磁体高温失磁。钕铁硼的居里温度点在200度左右，所以谐波电流小对这个高速电机工作的可靠性是有好处的。

我们输出到3000赫兹，在一对极电机的情况下是18万转/分钟，转速瓶颈主要是在后面机械三大部件，也就是电机、轴承、泵头。

另外，我们产品没有电解电容，产品寿命比较长。福瑞电气控制器对空气轴承的起停寿命做了很多工作，目前离心空压机基本上都是用空气轴承。空气轴承它最大的问题是启停寿命，现在国家要求是12万次。实际上现在市场主流的寿命是5到8万次。所以说，空气轴承的寿命是空压机寿命的瓶颈。

福瑞电气不仅仅是针对空气轴承起停时间做了最大程度的缩减，缩减的好处是降低空气轴承干磨的时间。启动和停止的时候，扭矩这一块我们也做了很大工作，这一个对空气轴承启停寿命也是有相当大的影响。

福瑞的电气的空压机控制器的在电磁兼容性能我们也做了很多努力，我们知道电堆系统的电力电子产品里面，空压机控制器的干扰是很大的，我们知道现在市面上很多空压机控制器EMC是有问题的。福瑞电气采用了一些技术，在各个环节EMC做了很多处理。另外，我们dV/dt是很小。我们这个产品盖瑞特开发的时候给了我们SOR，他们对dv/dt的要求是6000伏/微秒，最后我们产品出来之后我们dv/dt只是160伏/微秒。这个dV/dt小有什么好处？一方面电池兼容会比较好，dv/dt是轴电流的主要原因，所以dv/dt小了之后可以减少轴电流，这样对整个机械系统是有好处的。另外dV/dt，它对于电机的绝缘寿命是有影响的。

福瑞电气还有另外一大产品就是PCU，主要集成了空压机控制器和DC-DC，以及高压部件的配电，还会有像电堆的阻抗检测等等这些部件在里面。

福瑞电气另外一块产品是直流电源和电子负载，我们电子负载和市面上的电子负载相比有一些技术特点，我们用碳化硅来做。用碳化硅来做效率比较高，可能比市面上一般产品用IGBT的产品高4到5个点。这有什么好处？我可以用轴流风机，可以不用离心风机。离心风机噪音非常大，所以我们的噪音应该比一般产品要低5到6个dB，还有一块是电池兼容性能，我们输入输出加了2级的EMI滤波器，这样整个系统的电磁干扰是非常小的。

最后介绍一下福瑞电气，福瑞电气位于深圳，是氢燃料电池DC-DC空压机控制器以及电子负载的专业厂商。我们有十余年的电力电子产品的研发和制造经验，我们质量体系比较完毕，有IATF16949，ISO14001，ISO9001的体系认证等等。

感谢大家的聆听，谢谢。