低溫低氣壓環(huán)境用雙向大功率DC變換器研究

鐘靜宏，黃曉勤，肖振軍，張　亞

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

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低溫低氣壓環(huán)境用雙向大功率DC變換器研究

鐘靜宏，黃曉勤，肖振軍，張亞

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

摘要:針對(duì)空間再生燃料電池能源系統(tǒng)的用電和環(huán)境要求，對(duì)其關(guān)鍵部件大功率雙向DC變換器進(jìn)行了研究。為保證苛刻環(huán)境下DC變換器可靠工作，對(duì)變換器結(jié)構(gòu)、功率器件進(jìn)行了熱分析、熱模擬，并在模擬空間環(huán)境中進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，進(jìn)行水電一體化功率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化電路拓?fù)洌詽M足空間對(duì)質(zhì)量、體積和效率的高要求。最后對(duì)60 kW 雙向DC變換器樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明該變換器滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:低溫低氣壓；DC變換器；雙向；大功率

1引言

空間能源系統(tǒng)有多種，再生氫氧燃料電池能源系統(tǒng)作為一顆新星閃耀其中。燃料電池是一種可將氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，與電解水結(jié)合構(gòu)成再生燃料發(fā)電系統(tǒng)(Regenerative Fuel Cell System，簡(jiǎn)稱RFCS)，亦可稱為再生燃料電池能源系統(tǒng)，它具有比能量高、充放電深度和次數(shù)受限少、零污染等特點(diǎn)。美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家采用氫氧及再生燃料電池能源系統(tǒng)的航天飛機(jī)、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)及軍用特種車輛已投入使用。應(yīng)用于空間飛行器的再生燃料電池能源系統(tǒng)工作原理如圖1所示。在光照期系統(tǒng)利用飛行器總體剩余電能，將水電解成氫氧氣并儲(chǔ)存；非光照期系統(tǒng)將氫氧氣通入燃料電池發(fā)電，并回收反應(yīng)生成水，供下一循環(huán)使用；從而實(shí)現(xiàn)以水為媒介的電能“晝夜”不間斷供應(yīng)。為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，再生燃料電池能源系統(tǒng)必須配備雙向的電力變換器(DC)負(fù)責(zé)飛行器總體的電力供應(yīng)。因此DC變換器對(duì)整個(gè)再生能源系統(tǒng)的效率、比能量等性能和可靠性具有重要影響，是再生能源系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

圖1　再生燃料電池能源系統(tǒng)工作原理Fig.1　Operation principle of RFCS

針對(duì)再生燃料電池能源系統(tǒng)的使用要求而開(kāi)展的集成化雙向DC變換器研制突破了集成式功率模塊設(shè)計(jì)、輕質(zhì)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及空間熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，形成數(shù)十千瓦級(jí)雙向DC樣件，并完成了地面性能和空間低溫低氣壓環(huán)境模擬試驗(yàn)，為再生燃料電池能源系統(tǒng)的未來(lái)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2再生燃料電池能源系統(tǒng)及其對(duì)DC變換器的要求

再生燃料電池能源系統(tǒng)在電解和發(fā)電二種工況下都必須依賴大功率DC進(jìn)行電力變換才可確保總體母線電壓、電解器供電電壓及燃料電池輸出電壓三者的相互匹配。其中，發(fā)電各工況為恒壓輸出，電解各工況為恒流輸出， DC變換器主要功能性要求如下[1-3]：

1) 適合寬輸入電壓范圍工作；

2) 體積輕、質(zhì)量小、效率高；

3) DC變換器發(fā)電輸出電壓穩(wěn)定性高，電解電流脈動(dòng)??；

4) 可靠性高，保護(hù)功能完備。

3雙向DC變換器的研制

3.1電原理

雙向DC變換器設(shè)計(jì)主要包括三部分：控制與功率驅(qū)動(dòng)電路、功率變換電路及其熱結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)控制軟件。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計(jì)的DC系統(tǒng)要求具有高可靠性、高比功率密度、高效率以及輸出紋波低等特點(diǎn)。其中DC變換器電解過(guò)程(BUCK電路)和硬件原理如圖2、3所示。它主要由三部分組成：測(cè)控軟件、控制及驅(qū)動(dòng)電路、功率傳輸電路。測(cè)控軟件通過(guò)閉環(huán)反饋電路采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(Vsoft slider)計(jì)算出合適脈寬(Duty1)的PWM波，并由控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)能量的傳送，同時(shí)采用一定的控制算法為用電設(shè)備提供滿足要求的電壓與電流值。

圖2　DC變換器的電解控制過(guò)程Fig.2　Controlling process of electrolysis in DC converter

圖3　雙向DC變換器硬件原理Fig.3　Principle of bi-directional DC converter

IGBT驅(qū)動(dòng)電路作為DC變換器的關(guān)鍵電路，主要由隔離輸入單元、接口單元、DC正負(fù)電源分配單元、驅(qū)動(dòng)輸出單元、過(guò)流檢測(cè)單元、延遲盲區(qū)判斷單元、軟關(guān)斷單元、復(fù)位重啟單元和短路故障報(bào)警單元組成，它主要包括正常工作、短路故障保護(hù)、短暫的故障干擾三種工作過(guò)程。

3.2熱設(shè)計(jì)

在大功率器件中，變換器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高溫對(duì)系統(tǒng)可靠性會(huì)帶來(lái)很大影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，主要從以下兩方面采取措施：一是設(shè)法提高變換器效率，減小發(fā)熱；二是設(shè)計(jì)良好的水散熱系統(tǒng)，提高散熱能力。

分析可知，影響變換器效率的幾個(gè)主要因素是功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率、功率器件的參數(shù)設(shè)計(jì)及控制算法等。因此通過(guò)參數(shù)匹配和優(yōu)化控制算法可以使功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)損耗大幅度降低[4-6]。

3.2.1熱設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)DC變換器在臨近空間環(huán)境條件下采用Fluent軟件對(duì)關(guān)鍵電子元器件和功率器件進(jìn)行熱計(jì)算與分析[7]，確定了散熱重點(diǎn)器件和熱設(shè)計(jì)措施。其中熱設(shè)計(jì)方案主要考慮以下三點(diǎn)：

1) 改進(jìn)功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化關(guān)鍵功率器件工作參數(shù)，采用新材料，減少大功率發(fā)熱器件的發(fā)熱量，提高工作效率；

2) 對(duì)元器件進(jìn)行熱分析并分類，對(duì)關(guān)鍵器件和散熱量大的器件進(jìn)行重點(diǎn)散熱處理，最終在性能和可靠性之間達(dá)到一個(gè)較好平衡；

3) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用的水電一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DC變化器整機(jī)的輕質(zhì)小型化，以期在可靠性、散熱效果和加工工藝性上取得突破。

3.2.2一體化電感熱設(shè)計(jì)與測(cè)試

大功率水冷電感作為雙向DC變換器關(guān)鍵部件，起著能量存儲(chǔ)、平滑電流和濾波等作用。傳統(tǒng)水冷電感不僅損耗大、發(fā)熱大，影響系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性，且密封性差、外型笨重，這些都直接影響了再生燃料電池能源系統(tǒng)的性能和可靠性，限制了在航天器等其它新興領(lǐng)域的應(yīng)用。為了滿足未來(lái)高空運(yùn)行要求，對(duì)電感的有效散熱，密封絕緣和小型輕質(zhì)化等提出了很高的要求。

因此，專門(mén)針對(duì)電感的結(jié)構(gòu)密封與內(nèi)部散熱，采用Fluent軟件在設(shè)定電感發(fā)熱量條件下計(jì)算了流道流阻和溫度分布，計(jì)算分析結(jié)果參見(jiàn)圖4～6，其中流道流阻為37.6 kPa，最高溫度點(diǎn)在磁芯處，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖4　冷卻通道壓力分布，流阻37.6 kPaFig.4　Pressure distribution of at cooling channel in the flow resistance 37.6 kPa

圖5　溫度分布 Fig.5　Temperature distribution

圖6　切面溫度分布Fig.6　Slice temperature distribution

大功率雙向DC-DC變換器所采用的新型水冷一體化電感，與傳統(tǒng)的水冷電感相比，其主要優(yōu)勢(shì)為：

1) 采用了低損耗的磁性材料，有效減小溫升，提高了DC變換器的系統(tǒng)效率和運(yùn)行可靠性；同時(shí)，其電感量受溫度和電流影響小，從而能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；

2) 水電一體化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電感加水冷結(jié)構(gòu)相比，其體積和質(zhì)量大大降低，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的輕質(zhì)小型化；

3) 磁芯模具成型保證與銅管緊密貼合，銅管與磁芯間包覆一層絕緣高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱效果好；

4) 為滿足運(yùn)行環(huán)境的嚴(yán)格要求，銅管內(nèi)部使用鍍膜工藝以耐腐蝕，外部結(jié)合處采用絕緣耐腐蝕處理方法，可滿足總體系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的苛刻要求；

5) 水冷電感的一體化結(jié)構(gòu)較好地解決了密封結(jié)構(gòu)密封難、水道加工工藝復(fù)雜、散熱效果差等難題，提高了整機(jī)可靠性。

4DC變換器樣件試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1地面性能試驗(yàn)

在軟硬件調(diào)試基礎(chǔ)上進(jìn)行了整機(jī)性能測(cè)試和累計(jì)一百多小時(shí)的帶載運(yùn)行考核試驗(yàn)，DC變換器性能參數(shù)見(jiàn)表1。DC變換器發(fā)電和電解時(shí)的工作效率曲線參見(jiàn)圖7所示。

表1　DC變換器性能參數(shù)

圖7　發(fā)電和電解效率曲線(電流A-效率%)Fig.7　Efficiency curves of electricity generation and electrolysis (current/A-efficiency/%)

由表1和圖7可知，雙向DC變換器在額定工作點(diǎn)的發(fā)電效率大于95%，電解效率大于98%，發(fā)電恒壓輸出電壓紋波峰峰值小于3 V，電解恒流輸出電流紋波小于5 A，質(zhì)量功率比小于0.35 kg/kW。經(jīng)過(guò)連續(xù)12小時(shí)的帶載加壓的水冷運(yùn)行以及上百小時(shí)的累計(jì)運(yùn)行試驗(yàn)，雙向DC變換器工作正常，運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了研制任務(wù)所要求的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)及指標(biāo)要求，顯示出良好的散熱能力。

4.2空間環(huán)境模擬試驗(yàn)

根據(jù)任務(wù)要求的環(huán)境條件，按照GJB150.6-86標(biāo)準(zhǔn)方法的規(guī)定[8]，進(jìn)行低溫低氣壓模擬環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)照片如圖8所示。環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)壓力和溫度控制曲線如圖9所示，電路板主要測(cè)溫點(diǎn)溫度變化曲線如圖10所示。

圖8　DC變換器環(huán)境試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8　Photo of for DC’s environment testing

圖9　環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)壓力溫度控制曲線Fig.9　The controlled pressure and temperature curves in environment test chamber

圖10　模擬環(huán)境下關(guān)鍵點(diǎn)溫度曲線Fig.10　Temperature curves of the key-points in simulated

DC變換器在所要求的空間環(huán)境下工作了3.5小時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)壓力和溫度控制曲線如圖10所示。在啟動(dòng)試驗(yàn)箱降溫降壓進(jìn)行到約90分鐘的時(shí)候DC變換器基本達(dá)到了熱平衡，平衡后溫度變化小于0.2℃。熱平衡后觀察到所選取的DC變換器上10個(gè)關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)(其中主要包括

機(jī)箱側(cè)壁、電路模塊上功率器件及關(guān)鍵芯片等處)溫度變化曲線如圖11所示。其中最高溫度為31.15℃，最低溫度為18.64℃，滿足任務(wù)規(guī)定的空間低溫低氣壓的環(huán)境要求。

5結(jié)論

1)所研制的大功率雙向DC變換器樣件運(yùn)行狀態(tài)良好，工作正常。

2)樣件經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具備了空間低溫低氣壓環(huán)境適應(yīng)性。

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Study on High Power Bi-directional DC Convertor Used in Low-temperature and Low-pressure Environment

ZHONG Jinghong, HUANG Xiaoqin, XIAO Zhenjun, ZHANG Ya

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:The researches on high power bi-directional DC convertor were introduced in this paper. It is a key part in the space regenerative fuel cell system which has special requirements on power and environment. To ensure the reliable operation of DC under the harsh conditions, thermal analysis and thermal simulation were conducted on the structure and power component of the convertor, then verification test was made in the simulated space environment. According to the features of the system, integrated water and electron power structure was designed and power topology was optimized so as to meet the requirements on the mass, size and efficiency. The test on the developed 60kW bi-directional DC convertor showed that it could satisfy the design requirements.

Key words:low-temperature and low-pressure; DC convertor; bi-directional; high power

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2016-02-29

作者簡(jiǎn)介：鐘靜宏(1974-)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教焱七M(jìn)系統(tǒng)新能源電測(cè)控技術(shù)、電源變換技術(shù)等。E-mail：zhongjinghong96@163.com

中圖分類號(hào)：TM89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0343-04