Tomasz Dzik
Politechnika Warszawska, WydziaI Transportu
UK$ADY PRZEKSZTA$TNIKOWE
W APLIKACJACH TRANSPORTOWYCH
WYKORZYSTUJ-CYCH OGNIWA PALIWOWE
RKkopis dostarczono: paMdziernik 2013
Streszczenie: Referat zawiera przeglQd ogniw paliwowych z opisem ich dziaIania i wIasnoSci.
Przedstawione zostaIy ukIady przeksztaItnikowe wspóIpracujQce z ogniwami paliwowymi umoVliwiajQce zastosowanie ich w aplikacjach transportowych. Przeanalizowane zostaIy róVne rozwiQzania topologiczne ukIadów przetwarzajQcych energiK elektrycznQ wytworzonQ w ogniwach paliwowych od tych najprostszych bez izolacji galwanicznej po te zIoVone bazujQce na zjawisku rezonansu. W opisie tych rozwiQzaX zwrócono uwagK na czKSY elektroenergetycznQ, czKSY sterowania oraz nadzoru.
S0owa kluczowe: energoelektronika, ogniwa paliwowe, przetwornice DC/DC
1. WST3P
W ostatnich latach widoczny jest wzrost wymagaX dotyczQcych konstrukcji ukIadów zasilania w aplikacjach transportowych. Dotyczy to zarówno urzQdzeX energoelektronicznych jak i MródeI energii. Do tej pory najpowszechniej stosowane baterie chemiczne zastKpuje siK nowoczesnymi technologiami takimi jak ogniwa paliwowe. Wynika to z podnoszenia komfortu obsIugi i bezpieczeXstwa pracy urzQdzeX. Zastosowanie tego typu ukIadów w aplikacjach transportowych np.: w pojazdach elektrycznych determinuje ograniczenia, co do rozmiaru, sposobu odprowadzania ciepIa, doboru ochrony oraz odpornoSci na wstrzQsy. Ogniwa paliwowe w aplikacjach transportowych wymagajQ zastosowania przetwornic energoelektronicznych o wysokich sprawnoSciach elektrycznych, wysokiej odpornoSci mechanicznej i specyficznego sterowania. Niskie napiKcia w tych zastosowaniach przekIadajQ siK na wysokie prQdy, a co za tym idzie znaczQce straty na elementach toru gIównego zasilania elektrycznego. Wymusza to odpowiedni dobór topologii ukIadu przetwarzajQcego, jego elementów i metod sterowania, co ma kluczowe znaczenie dla wymaganego efektu koXcowego. W artykule zostaIy opisane ogniwa paliwowe ze szczególnym uwzglKdnieniem ogniw z membranQ wymiany protonów PEM oraz ich podstawowe zalety i ograniczenia.
ZostaIy równieV przedstawione zarówno te najprostsze ukIady przetwarzajQce jak i te wykorzystujQce zIoVone topologie i wyrafinowane sterowanie. TrafnoSY wyboru odpowiednich rozwiQzaX ukIadów energoelektronicznych zostanie potwierdzona wybranymi wynikami przeprowadzonych przez autora badaX symulacyjnych i laboratoryjnych.
2. OGNIWA PALIWOWE
UrzQdzeniem zamieniajQcym bezpoSrednio paliwo wodorowe na energiK elektrycznQ jest ogniwo paliwowe. Odkryte juV w XIX wieku przez brytyjskiego naukowca Williama Grove’a dopiero w latach 50 ubiegIego wieku znalazIy zastosowanie jako idealne MródIo zasilania w projektowanych przez agencjK kosmicznQ NASA pojazdach kosmicznych.
Ogniwo paliwowe typu PEM zasilane jest wodorem, a tlen potrzebny do reakcji chemicznej pobieranym jest z powietrza atmosferycznego. Wodór trafia na anodK gdzie nastKpuje jego katalityczne rozbicie. Katalizator “wyrywa” z gazu elektrony a dodatnio naIadowane jony przejmuje membrana polimerowa. ObojKtny elektrycznie tlen doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony powodujQc przepIyw prQdu staIego. Ujemnie naIadowane jony tlenu reagujQ w membranie z protonami i wytwarzana jest czQsteczka wody. Reakcje te sQ egzotermiczne, wiKc jedynymi produktami ubocznymi w procesie wytwarzania prQdu sQ czysta woda i ciepIo. ZasadK dziaIania ogniwa paliwowego przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Zasada dziaIania ogniwa paliwowego [6]
ZasadniczQ przewagQ ogniw paliwowych w stosunku do tradycyjnych sposobów wytwarzania energii elektrycznej jest caIkowity brak toksycznych odpadów i spalin. JeVeli
potraktujemy ogniwo paliwowe jak czarnQ skrzynkK do z jednej strony doprowadzamy paliwo wodorowe i powietrze, z drugiej otrzymujemy czystQ wodK nadajQcQ siK do uVytku i ciepIo (rysunek 1).
GIównym MródIem paliwa jest wodór, którego zastosowanie jest tanie i najbardziej ekologiczne. Wodór przechowywany jest obecnie w butlach lub zbiornikach pod wysokim ciSnieniem i poprzez reduktory dostarczany do ogniwa. Najnowsze technologie bezpiecznego przechowywania wodoru polegajQ na uwiKzieniu czQsteczek gazu w specjalnym pojemniku wypeInionym wodorkami metalu. StaIe wodorki metalu sQ w stanie zgromadziY nawet do 3300 Wh/l energii. Dla porównania klasyczny akumulator oIowiowo-kwasowy osiQga gKstoSY energii rzKdu 80 Wh/l.
Przez zastosowanie odpowiedniego przemiennika chemicznego zwanego reformerem ogniwo paliwowe moVe byY zasilane np.: gazem ziemnym lub metanolem.
Tabela 1 zawiera zestawienie róVnego rodzaju ogniw paliwowych.
Tabela 1
Porównanie ró6nych typów ogniw paliwowych [15]
Typ ogniwa
paliwowego „Zestalone tlenki” Stopione wKglany Kwasowy Zasadowy
Z membranQ wymiany protonów
Elektrolit Ceramika Stopiona sól H3PO4 KOH Polimer
Temperatura pracy 1000 !C 650 !C 190 !C 80 – 120 !C 80 – 140 !C Paliwo Wodór Tlenek wKgiel Produkty reformowania Wodór Produkty reformowania Wodór Produkty reformowania Wodór Wodór Produkty reformowania Reformowanie ZewnKtrzne, wewnKtrzne ZewnKtrzne,
wewnKtrzne ZewnKtrzne ZewnKtrzne
SprawnoSY > 60% > 60% 40 – 50 % 40 – 50 % 40 – 50 % Zakres mocy > 100MW > 100MW 200kW do 10MW 100W do 20kW 10W do 10MW Z zestawionych w tabeli 1 parametrów ogniw paliwowych moVna zauwaVyY, Ve ogniwa paliwowe moVna podzieliY na trzy grupy:
" ogniwo paliwowe niskotemperaturowe – maIe moce " ogniwo Sredniotemperaturowe – Srednie i duVe moce
" ogniwo wysokotemperaturowe – raczej wysokie moce np. znacznie wiKksze niV 1MW.
Dodatkowo moVna zauwaVyY, Ve wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe mogQ byY zasilane wodorem lub innego rodzaju gazami pochodzenia organicznego np.: metanolem, metanem, gazem ziemnym itp. Czyni to je szczególnie przydatnymi do zastosowaX przemysIowych. Dodatkowo wysoka temperatura pracy ogniw wysokotemperaturowych powoduje, Ve mogQ one pracowaY w ukIadach hybrydowych (ogniwo i dodatkowo turbina wraz z generatorem) uzyskujQc przy produkcji energii elektrycznej sprawnoSci przekraczajQce 70%. JeSli wysokotemperaturowe ogniwo uVyY w ukIadzie skojarzonym to sprawnoSY energetyczna przekracza 80%. Pozwala to na realizacjK ukIadów energetyki rozproszonej, w których odbiorniki mogQ byY zasilane energiQ cieplnQ i energiQ elektrycznQ. Dla zastosowaX transportowych najwiKksze zastosowanie bKdQ miaIy ogniwa
paliwowe niskotemperaturowe i Sredniotemperaturowe.
Zastosowania ogniw paliwowych dzieli siK z reguIy na transportowe (komunikacyjne), przenoSne i stacjonarne. Rysunek 2 przedstawia typowe zakresy mocy dla poszczególnych zastosowaX i poszczególnych typów ogniw paliwowych.
Rys. 2. Zestawienie zakresów mocy ogniw paliwowych dla poszczególnych typów i zastosowaX [15]
DuVe zainteresowanie ogniwami paliwowymi przejawia przemysI motoryzacyjny, a jest to spowodowane gIównie dwoma czynnikami:
" dQVeniem do zwiKkszania sprawnoSci napKdu pojazdu, a silniki elektryczne wykazujQ najwyVsze sprawnoSci;
" wymuszanym przez ekologiK ograniczaniem emisji zanieczyszczeX do Srodowiska naturalnego, w którym Vyjemy.
Powszechnie znane jest stanowisko specjalistów renomowanego amerykaXskiego Instytutu Energetyki EPRI (Electric Power Research Institute), którzy twierdzQ, Ve nie ma drugiej, równie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest to "czarna skrzynka", do której z jednej strony doprowadza siK paliwo, a z drugiej uzyskuje prQd elektryczny - przy wysokim wspóIczynniku sprawnoSci wykorzystania paliwa i pomijalnej emisji zanieczyszczeX. Jako paliwo najproSciej jest wykorzystywaY wodór, ale ze wzglKdów charakter tego gazu i powszechnego lKku przed jego wybuchem moVna uVywaY gazu ziemnego, którego gIównym skIadnikiem (okoIo 90%) jest metan CH4, zaS najbezpieczniej - metanolu CH3OH.
Rysunek 3 przedstawia przykIadowe porównania sprawnoSci energetycznej róVnych przetworników energii. Porównanie to wypada na korzySY ogniwa paliwowego. Ma ono najwyVszQ sprawnoSY i najwiKkszy zakres uzyskiwanych mocy.
Rys. 3. Porównanie sprawnoSci róVnych przetworników energii [11]
Wysoka sprawnoSY ogniw paliwowych wynika z bezpoSredniej przemiany energii chemicznej paliwa na energiK elektrycznQ bez udziaIu dodatkowych przemian poSrednich i ograniczeX wynikajQcych z cyklu Carnota.
3. PRZETWORNICE DC/DC W UK$ADACH Z OGNIWAMI
PALIWOWYMI
Wykorzystanie ogniw paliwowych w zastosowaniach transportowych wymaga zastosowania ukIadów przetwarzajQcych. NapiKciem wyjSciowym z ogniwa paliwowego jest napiKcie staIe zmieniajQce swQ wartoSY w funkcji obciQVenia. Ponadto ogniwo paliwowe jest MródIem nie przeciQValnym i z dodatkowo zabronionymi obszarami pracy. Poprzez zastosowanie szeregu energoelektronicznych urzQdzeX przetwarzajQcych, moVliwa jest budowa ukIadu zasilania z ogniwem paliwowym realizujQcego nastKpujQce cele:
" pracK ze stabilizowanym staIym napiKciem wyjSciowym, " pracK ze stabilizowanym zmiennym napiKciem wyjSciowym,
Poprzez poIQczenie ogniwa paliwowego z magazynem energii elektrycznej uzyskuje siK moVliwoSY chwilowego przeciQVenia ogniwa lub magazynowania nadwyVek energii.
Rysunek 4 przedstawia charakterystykK prQdowo-napiKciowQ dowolnego ogniwa paliwowego. [1, 6, 7, 10]
! Rys. 4. Charakterystyka prQdowo-napiKciowa ogniwa paliwowego [1]
Na charakterystyce tej naniesiono obszary pracy dozwolonej i obszary pracy zabronionej ze wzglKdu na moVliwoSY uszkodzenia ogniwa. Z przedstawionej na rysunku 4 charakterystyki wynika, Ve samo ogniwo nie jest w stanie zasilaY odbiorniki prQdu staIego stabilizowanym napiKciem. Nie moVe takVe ono bezpoSrednio zasilaY odbiorników prQdu zmiennego pracujQc w ukIadzie autonomicznym. Ponadto do sterowania caIego systemu zasilania z ogniwem paliwowym potrzeba jest wiele galwanicznie izolowanych napiKY, których nie moVna bez przetwarzania bezpoSrednio uzyskaY z wyjScia ogniwa paliwowego. RozwiQzanie tych problemów jest moVliwe przez zastosowanie odpowiednich ukIadów energoelektronicznych.
Rysunek 5 przedstawia schemat najprostszego ukIadu energoelektronicznego, który umoVliwia bezpoSrednio (bez galwanicznej izolacji) zasilanie odbiorników prQdu staIego stabilizowanym napiKciem. [7, 8] Uwy S T E R O W A N I E D1 Isp IL C2 L1 . . V1 Usp Uwe ! Rys. 5. Schemat przetwornicy podwyVszajQcej Zaproponowany ukIad zapewnia:
" stabilizowanie napiKcia zasilajQcego odbiorniki prQdu staIego, " ochronK ogniwa paliwowego przed pracQ w obszarze zabronionym.
Charakterystyki prQdowo - napiKciowe ukIadu ogniwo paliwowe – przetwornica podnoszQca napiKcie przedstawia rysunek 6.
Rys. 6. Charakterystyki prQdowo - napiKciowe ukIadu ogniwo paliwowe – przetwornica podnoszQca napiKcie
PrzetwornicK podnoszQcQ napiKcie, której schemat przedstawia rysunek 5 moVna Iatwo przeksztaIciY w ukIad, którego schemat przedstawia rysunek 7.
Odbiory 2 I0 Odbiory n I0n Odbiory 1 Baterie chemiczne lub Superkondensatory B02 B0n I02 W 1 I01 DC DC B01 Ogniwa paliwowe B0
Rys. 7. UkIad wspóIpracy ogniwa paliwowego i przetwornicy DC/DC z dodatkowym magazynem energii elektrycznej [4, 5]
W ukIadzie, którego schemat przedstawiono na rysunku 7 poIQczono ogniwo paliwowe z dodatkowym MródIem energii [7, 8]. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki badaX dla ukIadu – schemat z rysunku 6 w czasie przeciQVenia o wartoSci kilku IN, a nawet zwarcia odbiornika ukIadu.
Rys. 8. DziaIanie ukIadu ogniwa paliwowego i przetwornicy DC/DC z dodatkowym magazynem energii elektrycznej w przypadku przeciQVenia [5, 11]
Z przedstawionych przebiegów czasowych prQdu wynika, Ve uzyskanie „duVej” wartoSci prQdu przeciQVeniowego byIo moVliwe czKSciowo z ogniwa, czKSciowo z dodatkowo doIQczonego akumulatora. JednoczeSnie wystKpujQcy w tym przypadku prQd z ogniwa nie przekraczaI wartoSci dopuszczalnej [7, 8].
Prezentowane w artykule wyniki badaX eksperymentalnych dotyczQ ukIadu zasilania z ogniwami paliowymi typu PEM o mocy 2,4 kW, napiKciu w przedziale 26 ÷ 50V i prQdzie 92 A, dopasowanej przetwornicy stabilizujQcej napiKcie na poziomie 48V i mocy znamionowej 5kW oraz baterii chemicznej 120 Ah.
Rysunek 9 przedstawia dalszQ przeksztaIconQ wersjK ukIadu przetwornicy DC/DC bez galwanicznej izolacji – schemat 5.
Rys. 9. UkIad równolegIej pracy ogniw paliwowych z przetwornicQ DC/DC bez galwanicznej izolacji [7]
PrzyjKte rozwiQzanie umoVliwia:
" poIQczenia równolegIe dowolnej liczby ogniw z moVliwoSciQ sterowania iloSciQ energii pobieranej z kaVdego ogniwa,
" zwiKkszenie niezawodnoSci pracy caIego systemu zasilania ze wzglKdu na poIQczenie równolegIe kilku takich samych bloków podstawowych ,
" ochrona kaVdego z równolegle poIQczonych ogniw paliwowych przed przepIywem prQdów zwrotnych.
W róVnych ukIadach zasilania prQdem staIym zachodzi czKsto potrzeba zasilania obwodów o róVnym napiKciu i galwanicznej izolacji miKdzy nimi. Dla zrealizowania tego typu wymagaX przeanalizowano trzy moVliwoSci rozwiQzaX. Rysunek 10 przedstawia schemat najprostszego rozwiQzania, w którym do realizacji celu uVyto póImostkowej transformatorowej przetwornicy DC/DC.
V2 0 C2 + -Uwe O D B I O R N I K I 0 I
U
0 S T E R O W A N I E + V1 C1 T1 PROSTOWNIKRys. 10. Schemat przetwornicy póImostkowej z izolacjQ galwanicznQ [7]
Rysunek 11 przedstawia przykIadowe przebiegi prQdów i napiKY w ukIadzie.
Przebiegi:
1 – napiKcie wyjSciowe transformatora T1
2 – prQd wyjSciowy uzwojenia Z4 transformatora T1
Rys. 11. PrzykIadowe przebiegi prQdów i napiKY w ukIadzie przetwornicy póImostkowej z izolacjQ galwanicznQ [7, 14]
Zaproponowane rozwiQzanie posiada nastKpujQce zalety:
" prosta budowa - moVna wykorzystaY specjalizowany scalony ukIad sterujQcy np.: SG 3525 lub inny podobny,
" dobre parametry statyczne i regulacyjne np.: Uwy = Uwyn +1%. oraz wady:
" niska czKstotliwoSY pracy ze wzglKdu na twarde wyIQczenie IQczników tranzystorowych. CzKstotliwoSY ta w zaleVnoSci od uVytych tranzystorów i mocy przetwarzanej nie przekracza pasma w przedziale 20÷50kHz
" twardo wyIQczane IQczniki przetwornicy DC/DC – powodujQ zwiKkszonQ generacjK zakIóceX EMI [5] np.: w stosunku do przetwornic rezonansowych
" niska czKstotliwoSY pracy przetwornicy powoduje, Ve wymiary elementów magnetycznych sQ znacznie wiKksze niV w ukIadach przetwornic rezonansowych.
Rysunki 12 przedstawia przykIadowy schemat przetwornicy rezonansowej DC/DC zbudowanej i zbadanej przez autora.
0 +
-Uwe
C2 O D B I O R N I K I 0 T1I
L1 D3 C4 0U
C1 C3 V1 Lr1 + D1 S T E R O W A N I E V2 D2Rys. 12. PrzykIadowy schemat przetwornicy rezonansowej DC/DC [7]
Przetwornica, której schemat przedstawia rysunek 12 umoVliwia samodzielnQ regulacjK i stabilizacjK napiKcia wyjSciowego. ZasadK dziaIania przetwornicy wyjaSnia rysunek 13, na którym przedstawiono przebiegi prQdów i napiKY w rzeczywistym ukIadzie.
Rys. 13. PrzykIadowe przebiegi prQdów i napiKY w ukIadzie przy peInym wysterowaniu [7]
Rysunek 14 przedstawia schemat ukIadu przetwarzajQcego napiKcie, w którym do ukIadu przetwornicy beztransformatorowej doIQczono ukIad przetwornicy rezonansowej ze staIym wysterowaniem [7, 9]. 1 - napiKcie na dolnym tranzystorze przetwornicy 2 - napiKcie wyjSciowe przetwornicy 3 - napiKcie uzwojenia pierwotnego 4 - prQd strony pierwotnej transformatora (5A / dziaIkK) 1!
2!
3! 4!
0 Obwód rezonansowy PROSTOWNIK C3 0 R1 V3 0 L2 T1 Cr5 0 U C1 I U 0 C4 V2 + D2 V1 S T E R O W A N I E D1 C2 + -Uwe 0 S T E R O W A N I E O D B I O R N I K I C5 L1
Rys. 14. PrzykIadowy schemat przetwornicy podwyVszajQcej poIQczonej z przetwornicQ rezonansowQ o staIym wypeInieniu [7]
ZasadK dziaIania tej przetwornicy wyjaSnia rysunek 15, na którym przedstawiono przebiegi prQdu i napiKcia w ukIadzie.
1 - napiKcie na tranzystorze przetwornicy póImostkowej 2 - prQd tranzystora
3 – napiKcie uzwojenia wtórnego transformatora dla obciQVenia rezystancyjnego
4 - prQd uzwojenia pierwotnego (5A / dziaIkK)
Rys. 15. PrzykIadowe przebiegi prQdów i napiKY w ukIadzie z rysunku 13 [7]
UkIad sterowania przetwornicy utrzymuje jej prace caIy czas w „rezonansie” niezaleVnie od obciQVenia. NapiKcie wyjSciowe caIego urzQdzenia jest stabilizowane przez pierwszy czIon caIego ukIadu, czyli przez przetwornicK beztransformatorowQ. Do zalet przetwornic rezonansowych wspóIpracujQcych z ogniwami paliwowymi naleVQ:
" mniejsze wymiary w stosunku do ukIadów przetwornic z twardym wyIQczeniem, " mniejszy poziom zakIóceX EMI [6],
" wiKkszQ sprawnoSY energetycznQ w stosunku do ukIadów z twardym wyIQczeniem. Jest ona wiKksza okoIo 3÷7% w zaleVnoSci od wartoSci napiKcia zasilania i mocy przetwornicy [3, 12],
" porównywalne parametry regulacyjne do ukIadów z twardym przeIQczeniem [3]. 1!
2! 3!
Do wad naleVQ bez wQtpienia znacznie bardziej skomplikowane ukIady sterowania. Wada ta jednak w dobie powszechnego stosowania ukIadów mikroprocesorowych jest Iatwiejsza do zniwelowania.
4. ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA UK$ADÓW
POMOCNICZYCH W SYSTEMIE ZASILANIA
Z OGNIWEM PALIWOWYM
PodzespoIy zasilania w paliwo ogniwa paliwowego, energoelektroniczne ukIady przetwarzania energii, caIy system sterowania i nadzoru oraz wszystkie pokIadowe systemy wspomagajQce w pojeMdzie wymagajQ zasilania pomocniczego. Przez analogie do duVych systemów wytwórczych ukIad zasilania wszystkich podzespoIów nazwano systemem zasilania potrzeb wIasnych. Rysunek 16 przedstawia schemat blokowy caIego systemu zasilania potrzeb wIasnych systemu z ogniwem paliwowym.
Rys. 16. Schemat blokowy systemu zasilania potrzeb wIasnych systemu z ogniwem paliwowym [7]
AnalizujQc schemat ukIadu przedstawiony na rysunku 16 moVna zauwaVyY jak wiele pomocniczych napiKY wzajemnie izolowanych moVna uzyskaY, aby zasiliY wszystkie podzespoIy w pojeMdzie. Rysunek 17 wyjaSnia ideK dziaIania zasilacza ukIadu potrzeb wIasnych.
Idea dziaIania zasilacza potrzeb wIasnych polega na skokowym podwyVszaniu napiKcia wyjSciowego w przypadku osiQgniKcia minimalnej jej wartoSci. Spadek napiKcia wyjSciowego spowodowany jest wzrostem obciQVenia ukIadu w wyniku zaIQczania do pracy kolejnych odbiorów potrzeb wIasnych.
Do sterowania caIego systemu zasilania z ogniwem paliwowym najczKSciej uVywany jest mikroprocesorowy system starowania. Do kluczowych aspektów naleVy zapewnienie moVliwoSci zdalnego zadawania, pomiaru i kontroli parametrów pracy przetwornicy DC/DC. Do tego celu sIuVy ukIad regulatora nadrzKdnego dla przetwornicy wspóIpracujQcej z ogniwem paliwowym. Schemat blokowy takiego regulatora przedstawia rysunek 18.
Rys. 18. UkIad regulatora nadrzKdnego dla przetwornicy wspóIpracujQcej z ogniwem paliwowym [7]
Do sterowania i nadzoru sIuVy mikroprocesor wraz z dodatkowymi ukIadami sprzKgajQcymi i separujQcymi od przetwornicy. PoniewaV ukIad bazuje na rozwiQzaniach juV zaimplementowanych w przetwornicy, takich jak ograniczenie prQdowe, moVliwe staIo siK uVycie procesora ogólnego przeznaczenia, gdyV czas jego reakcji nie jest kluczowy dla dziaIania ukIadu. Zarówno aktualnie zmierzona wartoSY napiKcia, jak i parametry ukIadu sQ dostKpne dla zewnKtrznego systemu poprzez IQcze RS232/485 i protokóI Modbus. UkIad taki zapewnia:
" Zadawanie wymaganego napiKcia wyjSciowego przetwornicy oraz poziomu ograniczenia prQdowego;
" MoVliwoSY zdalnego wIQczenia/wyIQczenia przetwornicy;
" Utrzymanie zadanych wartoSci przy zmianach obciQVenia ukIadu;
" MoVliwoSY sprzKgniKcia przetwornicy z wiKkszym systemem poprzez zapewnienie monitorowania jej pracy;
Sam sterownik zasilany jest poprzez zasilacz o szerokim zakresie napiKY wejSciowych dobranych tak by wspóIgraIy z charakterystykQ ogniwa paliwowego (rys. 3) oraz zapewniajQcy separacjK galwanicznQ ukIadu.
5. PRZYK$AD ZASTOSOWANIA UK$ADU ZASILANIA
Z OGNIWAMI PALIWOWYMI W APLIKACJI
TRANSPORTOWEJ
Zastosowanie ukIadu zasilania z ogniwami paliwowymi na przykIadzie samochodu elektrycznego FCX firmy Honda zostaIo przedstawione na rysunku 19.
Rys. 19. Budowa samochodu elektrycznego FCX firmy Honda [18]
W samochodzie tym zastosowano dwa zbiorniki wysokociSnieniowe (34,4 MPa) wykonane z aluminium oblanego materiaIem kompozytowym. yQczna pojemnoSY zbiorników wynosi 156 litrów, co pozwala na zmagazynowanie 42 Nm3 (3,75kg) wodoru. Po zatankowaniu do peIna zasiKg samochodu wynosi 430 km. Samochód wyposaVony jest w sprKVarkK i osuszacz powietrza. Ogniwo paliwowe typu PEM zawiera elektrolityczna membranK o mocy 89 kW. Do magazynowania nadmiaru energii z ogniwa oraz energii z hamowania odzyskowego uVyto superkondensatory o pojemnoSci 9,2 F. Samochód posiada silnik indukcyjny o maksymalnej mocy 80 kW i momencie obrotowym 272 Nm. Maksymalna prKdkoSY samochodu wynosi 150 km/h.
Konstrukcja ukIadu zasilania opartego na ogniwach paliwowych i napKdu samochodu zostaIa przedstawiona na rysunku 20.
Rys. 20. Konstrukcja ukIadu zasilania i napKdu samochodu elektrycznego FCX firmy Honda [18]
W pracy samochodu napKdzanego ogniwem paliwowym wyróVniamy trzy etapy pracy. W etapie pierwszym nastKpuje doprowadzenie wodoru ze zbiornika oraz powietrza z turbosprKVarki do ogniwa paliwowego. W etapie drugim nastKpuje przetworzenie energii elektrycznej (prQdu staIego) z ogniwa paliwowego do silnika indukcyjnego zasilanego prQdem przemiennym. W etapie trzecim nastKpuje przekazanie momentu obrotowego z silnika elektrycznego na koIa samochodu.
Moment obrotowy dla samochodu elektrycznego FCX w trakcie ruszania jest staIy i wynosi 272 Nm. Dla porównania moment obrotowy dla samochodu z silnikiem spalinowym o podobnej masie wynosi ok. 140 Nm i roSnie w trakcie zwiKkszania obrotów. Wynika z tego, Ve duVa masa nie wpIywa na dynamikK jazdy samochodu o napKdzie elektrycznym. BezpoSrednie przeIoVenie momentu obrotowego na koIa i staIy moment obrotowy regulowany elektronicznie umoVliwia unikniKcia poSlizgu w trakcie ruszania na oblodzonej powierzchni.
Porównanie charakterystyk obciQVeniowych samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym Hondy FCX zostaIo przedstawione na rysunku 21.
Rys. 21. Porównanie charakterystyk obciQVeniowych samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym [18]
CaIkowita sprawnoSY pojazdu elektrycznego napKdzanego ogniwem paliwowym zawiera siK w przedziale od 31 % do 39%. MoVna ja zwiKkszyY poprzez realizacjK w samochodach z silnikiem indukcyjnym hamowania odzyskowego, w którym silnik indukcyjny moVe peIniY role prQdnicy. Energia hamowania moVe byY przeksztaIcona na energiK elektrycznQ i zmagazynowana w baterii superkondensatorów, a nastKpnie wykorzystana przy ruszaniu samochodu. ZwiKksza to caIkowitQ sprawnoSY ukIadu zwIaszcza w trakcie dynamicznej jazdy po mieScie.
6. PODSUMOWANIE
Na podstawie przedstawionych analiz literaturowych i wyników badaX wIasnych moVna z caIQ pewnoSciQ stwierdziY, Ve ukIady zasilania dla aplikacji transportowych poprawiajQ efektywnoSY wykorzystania energii elektrycznej wytworzonej przez ogniwa paliwowe.
Przedstawione w referacie wyniki badaX ukIadów energoelektronicznych i elektronicznych wchodzQcych w skIad systemów zasilania z ogniwami paliwowymi pozwalajQ na stwierdzenie, Ve sQ one przygotowane do zastosowania w aplikacjach transportowych.
Bibliografia
1. Barbir, Frano.: PEM fuel cells: theory and practice (0-12-387710-5, 978-0-12-387710-9), 2nd ed., Elsevier, Academic Press, 2013.
2. Chmielniak T.: Technologie energetyczne, WNT 2008.
3. Citko T. Tunia H., Winiarski B.: UkIady rezonansowe w energoelektronice, Wydawnictwa Politechniki BiaIostockiej, 2001 r.
4. Dmowski A.: Energoelektroniczne ukIady zasilania prQdem staIym w telekomunikacji i energetyce WNT, Warszawa 1998.
5. Dmowski A., Kras B.: Fuel Cell Control System And Power Converters Elektrische Energiewandlugssysteme, Magdeburg, maj 2002, Niemcy.
6. Drulis H.: Ogniwa paliwowe Nowe kierunki rozwoju, Wydawnictwo Uniwersytetu WrocIawskiego 2005.
7. Dzik T.: UkIady sterowania i nadzoru systemów zasilania potrzeb wIasnych elektroenergetyki z ogniwami paliwowymi zasilanymi metanolem praca doktorska PW, Warszawa 2008r.
8. Dzik T., Dmowski A.: „UkIady elektroniczne i energoelektroniczne w systemach potrzeb wIasnych z ogniwami paliwowymi”, X MiKdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowoczesne urzQdzenia zasilajQce w energetyce”, ISBN 83-918709-7-9, Zakopane, 14-16.03.2007, str. 23.1-23.12. 9. IEC 62196-1: .Plugs socket-outlets, vehicle couplers and vehicle intels - Conductive charging of electric
vehicles", First Ed.2003.
10. Moradewicz J, KaMmierkowski Marian P.: "High Efficiency Contactless Energy Transfer System with Power Electronic Resonant Converter", Bulletin ofthe Polish Academy of Sciences, vol. 57, No. 4, 2009, pp. 375-381.
11. Kras B.: UkIad hybrydowy ogniwa paliwowego z ogniwem chemicznym do zasilania rozproszonych odbiorników o duVej dynamice zmian obciQVenia praca doktorska PW, Warszawa 2004r.
12. MuYko J.: Konwertery rezonansowe o miKkkiej komutacji, PrzeglQd Elektrotechniczny, nr 4/95, str. 97-102.
13. Musznicki P.: Conducted EMI identification in power electronic converters using the Wierne filtering metod praca doktorska PG, GdaXsk 2007r.
14. Ozimek P.: Nowa koncepcja systemu zasilania ukIadów potrzeb wIasnych w elektroenergetyce praca doktorska PW, Warszawa 2006r.
15. Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i ciepIa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2010.
16. Steigerwald R.: High-Frequency Resonant Transistor DC-DC Converters, IEEE Trans, on Industrial Electronics, Vol.IE-31, No.2, 1984, pp 181-191.
17. Tuladhar A.: Advanced control techniques for parallel inverter operation without control interconnections The University of British Columbia, April 2000.
18. http://autokult.pl/2011/11/11/samochody-napedzane-wodorem-jak-to-dziala
CONVERTER SYSTEMS IN TRANSPORT APPLICATIONS USING FUEL CELLS
Summary: The paper comprises a review of fuel cells with a description of their operations and features.
Converter systems have been presented which cooperate with fuel cells enabling their implementation in transport applications. Various topological solutions have been analysed of systems converting electrical energy created in fuel cells starting from the simple ones without galvanic isolation, to the complex ones based on resonance phenomenon. In the description of these solutions, attention has been paid to electrical power part, control and supervision part.
