CC BY
128Компоненты и технологии, № 4'2005
Автомобили, топливные элементы
и многоуровневые конверторы
Топливный кризис и экологические проблемы заставляют искать новые источники энергии. Среди альтернативных источников, представляющих интерес для автопроизводителей, самыми перспективными являются топливные элементы, вырабатывающие ток в процессе электрохимической реакции.
Одной из наиболее сложных схемотехнических задач в области силовой преобразовательной техники является проблема последовательного соединения силовых модулей. Многоуровневая топология позволяет использовать модули со стандартным рабочим напряжением в высоковольтных конверторах, например для транспортных применений. Другой интересной реализацией многоуровневого преобразователя является объединение ячеек топливных элементов. Об особенностях новых источников энергии и схемотехнике преобразователей для топливных элементов рассказывает эта статья.
Евгений Карташев, к. т. н.
Автомобили и топливные элементы
Темпы мировой добычи нефти постоянно растут и, по оценкам аналитиков, лет через десять достигнут своего пика. Но потом нефтедобывающую промышленность неизбежно ждет спад, потому что ресурсы «жидкого золота» на планете не бесконечны. Кроме того, ни усовершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС), ни создание гибридных силовых установок не решает еще одной глобальной проблемы. Речь идет о парниковом эффекте. Концентрация углекислого газа СО2 в земной атмосфере за прошлое столетие увеличилась в полтора раза и продолжает интенсивно расти. Если человечество в обозримом будущем не изменит структуру энергетики и не перестанет сжигать в огромных количествах нефть и газ, то через 50 лет в верхних слоях атмосферы скопится в два раза больше углекислоты, чем было в 1900 году, а средняя температура на Земле будет неуклонно увеличиваться.
Технология топливных элементов отнюдь не нова. Подобные устройства известны с 60-х годов прошлого века, а теоретические разработки в этой области относятся вообще к концу XIX века. Около 20 лет назад данной технологией всерьез заинтересовались автомобильные концерны. Число концептуальных проектов автомобилей на топливных элементах растет с каждым годом.
В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с заглушенным мотором. Но самое удивительное то, что для производства одинакового объема электроэнергии система на топливных элементах затрачивает в два раза меньше топлива, чем необходимо при использовании классического генератора.
Практически все крупнейшие мировые автопроизводители пытаются создать коммерчески прием-
Рис. 1. Экспериментальный электромобиль на топливных элементах FCHV-4 на базе внедорожника Toyota Highlander
лемые автомобили на топливных элементах. DaimlerChrysler и General Motors разрабатывают топливные элементы и для стационарного применения. General Motors планирует выпускать в ближайшее время водородные топливные элементы для стационарного применения в автономных распределенных источниках энергии. Представители GM считают, что стационарные топливные элементы появятся на рынке в ближайшие пять лет.
На завершившемся недавно в Токио одиннадцатом симпозиуме по топливным элементам компания Toyota представила топливный элемент нового поколения, предназначенный для использования в автомобилях. Основной отличительной особенностью прототипа является возможность работы при очень высоких температурах, достигающих 500 °С. Напомним, что в автомобильных топливных элементах энергия вырабатывается в результате электрохимической реакции, в которой участвуют кислород и топливо. Причем в качестве топлива может использоваться либо непосредственно водород, либо, например, бензин. В последнем случае для выделения водорода приходится применять специальный преобразователь, однако температура конечных продуктов реакции оказывается слишком высокой (от 250 до 800 °С), чтобы их можно было использовать в элементе напрямую. Соответственно, инженерам приходится оснащать установки громоздким
Компоненты и технологии, № 4'2005
охлаждающим оборудованием, понижающим температуру водорода примерно до 80 °С.
Новая разработка Toyota, как уже отмечалось, способна функционировать при температурах до 500 °С. В элементе используются мембрана из палладия толщиной 100 мкм, а также электролит на основе соединения BaCe03. Из состава прототипа полностью исключена платина, что позволило существенно снизить его стоимость. Вырабатываемая элементом мощность при 430 °С сравнима с мощностью, генерируемой топливными элементами на основе полимерного электролита (PEFC).
Новый электромобиль на топливных элементах FCHV-4 построен на базе внедорожника Toyota Highlander (см. рис. 1). Мощность его топливных элементов составляет 90 кВт, источником энергии служит водород, который хранится под высоким давлением. Электромобиль зарегистрирован на общих основаниях и уже проходит испытания на дорогах Японии.
Компания BMW также работает над такими устройствами. Но со свойственной немцам практичностью инженеры не спешат коренным образом менять всю идеологию автомобиля. Они оставляют двигатель внутреннего сгорания основным тяговым механизмом, а топливным элементам отводится роль вспомогательного силового устройства, или APU (Auxiliary Power Unit).
Устройство ячейки SOFC (solid oxide fuel cell)
В настоящее время известны различные типы топливных элементов, но наибольшую известность получила технология так называемой протонной обменной мембраны РЕМ (Proton Exchange Membrane). Главное преимущество этих устройств состоит в том, что процесс производства электроэнергии происходит в них в результате электрохимической реакции. То есть в отличие от существующих классических методик, в том числе от чрезвычайно невыгодного с позиций КПД, но столь популярного ныне двигателя внутреннего сгорания, отсутствует расточительный во всех отношениях этап сгорания — РЕМ-элемент фактически превращает топливо сразу в электричество.
Устройство топливной ячейки достаточно просто (см. рис. 2). Между анодом и катодом находятся особая мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод — кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода [Н+] проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны идут другим маршрутом, через особый токо-провод, — так возникает электрический ток. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля.
Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток — для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой. Для обычных городских машин ВМW предлагает иной тип топливных элементов —
Постоянный ток
Кислород q воздуха
Водяной
пар
Рис. 2. Конструкция топливной ячейки
Анод
Мембрана с электролитом
твердооксидные ячейки SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Кроме того что такие ячейки значительно менее требовательны к чистоте топлива, они имеют другое, куда более существенное преимущество, делающее их применение в современных автомобилях абсолютно естественным. Благодаря использованию РОХ-рефор-мера (Partial Oxidation — частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин.
Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве — реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы. При этом выделяется водород и привычный нам углекислый газ (С02). Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFC (небольшой куб, состоящий из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде и метаноле, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента. Но главным является то, что эффективность такого способа производства энергии значительно выше, чем у стандартных бензиновых ДВС.
Высокая рабочая температура SOFC (650-800 °С) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе. Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек.
И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств — в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов была одним из основных препятствий в развитии и распространении технологии
топливных ячеек. Сейчас специалисты говорят уже не о десятках лет, а всего о нескольких годах до момента начала их внедрения.
В феврале 2001 года компанией ВМW был впервые представлен автомобиль 750^ с дополнительным источником энергии 80БС АРи, питаемым тем же горючим, что и ДВС. Первый прототип позволил разработчикам продемонстрировать лишь основные принципы вОБС АРИ, работающей на бензине. Уже через 18 месяцев группа инженеров представила второй, усовершенствованный прототип. Разработчики, используя последние достижения, сумели на 75% уменьшить вес и объем этого устройства. Была оптимизирована вся конструкция 80БС АРИ. Новое устройство лучше сопротивляется температурным колебаниям и способно начинать работу уже через 20 минут с момента пуска.
Стоит сказать, что эта АРИ изначально разрабатывалась для 42-вольтовых автомобильных сетей, переход на которые уже не за горами. К современным 12-вольтовым сетям данное устройство может подключаться через повышающий преобразователь напряжения. Дальнейшие работы будут направлены на создание конструкций, способных начинать работу всего за 10 минут и имеющих цикл жизни более чем 5000 «холодных» пусков.
Рис. 3. Источник питания APU:
1 — теплоизоляция;
2 — выхлоп «отработанного» пара;
3 — бензиновый реформер;
4 — регулятор подачи воздуха для SOFC;
5 — регулятор подачи воздуха для реформера;
6 — твердотельный топливный элемент;
7 — вентилятор;
8 — контакты;
9 — регулятор подачи бензина
Компоненты и технологии, № 4'2005
Соединение топливных элементов
В новинке, относящейся к разряду SOFC (Solid Oxide Fuel Cell — топливный элемент на твердых оксидах), как следует из названия, нет жидкого электролита. Батарея может работать не только на водороде, но и на метане, правда, в этом режиме мощность не превышает нескольких кВт. Этого уже достаточно для энергоснабжения домашнего хозяйства, а в ближайшем будущем и автомобиля. Главное — для метана или природного газа уже есть коммерческая распределительная сеть, и заправить баллон не составит труда.
Однако сам топливный элемент не будет нагревать помещение или «крутить» двигатель автомобиля, для этого нужна электронная схема, объединяющая ячейки и преобразующая вырабатываемое ими напряжение. Для соединения топливных элементов (модулей SOFC) используется пять схем: последовательное соединение, многоуровневая схема, каскадная многоуровневая схема, DC-распределение и высокочастотное АС (HFAC) распределение.
Последовательное соединение, показанное на рис. 4а, является простейшим способом, требующим использования только одного мощного конвертора. Конвертор в такой схеме состоит из высокочастотного DC/DC-регулятора напряжения и инвертора в 1/3-фазной конфигурации. Регулятор постоянного напряжения необходим для стабилизации напряжения питания инвертора, поскольку выходное напряжение топливных элементов зависит от потребляемого тока. В зависимости от количества последовательных топливных элементов DC/DC-конвертор может быть понижающим или повышающим.
Каскадная многоуровневая топология, приведенная на рис. 4b, подразумевает использование отдельного конвертора для каждой ячейки. В такой схеме выходы конверторов соединяются последовательно, как показано на рис. 4 и 5. Каждый из преобразователей состоит из регулятора напряжения и мостового однофазного инвертора.
Каждый топливный элемент и его преобразователь вырабатывает однофазный трехуровневый сигнал (см. рис. 5). Поскольку выходы конверторов соединены последовательно, эти напряжения складываются, образуя однофазное высоковольтное напряжение. Подключив однофазные схемы соответствующим образом (рис. 4b), можно сформировать выходное трехфазное напряжение. Регулятор напряжения в такой конфигурации может и не понадобиться, если схема имеет обратную связь и соответствующее устройство управления.
Подобно тому, как это сделано в каскадной многоуровневой схеме, ячейки SOFC могут быть объединены на одной 1/3-фазной многоуровневой схеме, показанной на рис. 6а. Здесь, как и в предыдущем случае, не требуется применение регулятора, если контроль напряжения ячеек топливных элементов производится постоянно. Существует множество аппаратных реализаций такой схемы, и одна из них показана на рис.6Ь. Данная схема многоуровневого инвертора с ди-
v,+v2+v3-V,
V,
l+v2+v3 I I I
i+v2-|—I ! \
; rH !
о. о.1 o_! Ш
"!>, |-Fii
! I---1- ! !iVi
(V.+VJ
(V,+V2+V3)
Рис. 5. Блок-схема и эпюры напряжения для каскадной многоуровневой топологии
О
1/3-фазный конвертор
Рис. 6. а — блок-схема многоуровневого преобразователя,
Ь — одна фаза многоуровневого инвертора с диодным ограничением
одной фиксацией уровня напряжения объединяет четыре ячейки 80БС.
В схеме с БС-распределением, приведенной на рис. 7а, как и в каскадной многоуровневой
схеме, каждая ячейка работает со своим собственным преобразователем. В данном случае их роль выполняют повышающие БСЮС-конверторы, выходы которых соединены па-
а
b
Компоненты и технологии, № 4'2005
DC распределение
HFAC распределение
DC/DC-кон вертор
DC/DC-кон вертор
DC/DC-кон вертор
DC/DC-кон вертор
DC/DC-кон вертор
1/3-фазный инвертор
=1 DC-H FAC-и h вертор
DC-H FAC-и h вертор И
DC-H FAC-и h вертор
и—1 1 DC-H FAC-и h вертор
■
1/3-фазный инвертор : - - -•/
■
в—I
---1
DC-H FAC-инвертор
■ ■ 1/З-фазный силовой
■ ■
Ж 1/3-фазный силовой
■ ■
Высокочастотный многообмоточ н ы й трансформатор
Рис. 7. а — DC-распределение, b — HFAC-распределение
b
a
раллельно на одну шину. Преимуществом данной схемы является то, что все прочие источники питания и различные нагрузки могут быть подсоединены к той же общей шине через отдельный преобразователь, что не повлияет на функционирование системы. С другой стороны, параллельное соединение выходов конверторов может вызвать проблемы, связанные с разбалансом токов.
В схеме, приведенной на рис. 7Ь, топливные элементы подключается к мостовому инвертору, преобразующему напряжение постоянного тока в высокочастотное переменное напряжение. Частота выходного сигнала, как правило, превышает 20 кГц, поэтому габаритные размеры трансформатора оказы-
ваются гораздо ниже, чем при работе на стандартной сетевой частоте. Выходы модулей инверторов БС-НРАС соединяются с первичными обмотками высокочастотного повышающего трансформатора, на выходах которого устанавливаются преобразователи, осуществляющие выпрямление и последующее формирование одно- или трехфазного переменного напряжения с требуемыми характеристиками.
С помощью трансформатора в последней схеме осуществляется гальваническая изоляция сигнала, преобразование его уровня. Как и в предыдущем случае, с помощью конверторов к трансформатору могут быть подключены нагрузки различного типа.
Литература
1. Голованов Л. Солнце, воздух и вода // Авторевю. 2000. № 13-14.
2. Дополнительный рацион // Иномарка. 2004. Июль-август.
3. Rufer A., Schibli N., Briguet Ch. A direct coupled 4-Quadrant multilevel converter for 16 2/3 Hz traction systems. IEEE. Sept. 1996. No 429.
4. Ozpineci B., Tolbert L.M., Adams D.J. Trade study for integrating numerous SECA SOFT modules. Oak Ridge National Laboratory. 2002.
5. Schibli N., Nguyen T., Rufer A. A three-phase multilevel converter for high power induction motors // IEEE on Power Electronic. 1998. Vol. 13. No 5.
