低溫低氣壓環境用雙向大功率DC變換器研究

鐘靜宏，黃曉勤，肖振軍，張　亞

(北京航天動力研究所，北京 100076)

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低溫低氣壓環境用雙向大功率DC變換器研究

鐘靜宏，黃曉勤，肖振軍，張亞

(北京航天動力研究所，北京 100076)

摘要:針對空間再生燃料電池能源系統的用電和環境要求，對其關鍵部件大功率雙向DC變換器進行了研究。為保證苛刻環境下DC變換器可靠工作，對變換器結構、功率器件進行了熱分析、熱模擬，并在模擬空間環境中進行了驗證。根據系統工作特點，進行水電一體化功率結構設計，優化電路拓撲，以滿足空間對質量、體積和效率的高要求。最后對60 kW 雙向DC變換器樣機進行了測試，測試表明該變換器滿足設計要求。

關鍵詞:低溫低氣壓；DC變換器；雙向；大功率

1引言

空間能源系統有多種，再生氫氧燃料電池能源系統作為一顆新星閃耀其中。燃料電池是一種可將氫的化學能直接轉化為電能的裝置，與電解水結合構成再生燃料發電系統(Regenerative Fuel Cell System，簡稱RFCS)，亦可稱為再生燃料電池能源系統，它具有比能量高、充放電深度和次數受限少、零污染等特點。美歐等發達國家采用氫氧及再生燃料電池能源系統的航天飛機、長航時無人機及軍用特種車輛已投入使用。應用于空間飛行器的再生燃料電池能源系統工作原理如圖1所示。在光照期系統利用飛行器總體剩余電能，將水電解成氫氧氣并儲存；非光照期系統將氫氧氣通入燃料電池發電，并回收反應生成水，供下一循環使用；從而實現以水為媒介的電能“晝夜”不間斷供應。為滿足實際應用的需要，再生燃料電池能源系統必須配備雙向的電力變換器(DC)負責飛行器總體的電力供應。因此DC變換器對整個再生能源系統的效率、比能量等性能和可靠性具有重要影響，是再生能源系統中的關鍵部件。

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

針對再生燃料電池能源系統的使用要求而開展的集成化雙向DC變換器研制突破了集成式功率模塊設計、輕質化散熱結構設計以及空間熱設計等關鍵技術，形成數十千瓦級雙向DC樣件，并完成了地面性能和空間低溫低氣壓環境模擬試驗，為再生燃料電池能源系統的未來應用奠定了堅實基礎。

2再生燃料電池能源系統及其對DC變換器的要求

再生燃料電池能源系統在電解和發電二種工況下都必須依賴大功率DC進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、質量小、效率高；

3) DC變換器發電輸出電壓穩定性高，電解電流脈動小；

4) 可靠性高，保護功能完備。

3雙向DC變換器的研制

3.1電原理

雙向DC變換器設計主要包括三部分：控制與功率驅動電路、功率變換電路及其熱結構、實時控制軟件。根據整個系統的工作要求，設計的DC系統要求具有高可靠性、高比功率密度、高效率以及輸出紋波低等特點。其中DC變換器電解過程(BUCK電路)和硬件原理如圖2、3所示。它主要由三部分組成：測控軟件、控制及驅動電路、功率傳輸電路。測控軟件通過閉環反饋電路采用軟開關技術(Vsoft slider)計算出合適脈寬(Duty1)的PWM波，并由控制電路來驅動功率開關以實現能量的傳送，同時采用一定的控制算法為用電設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驅動電路作為DC變換器的關鍵電路，主要由隔離輸入單元、接口單元、DC正負電源分配單元、驅動輸出單元、過流檢測單元、延遲盲區判斷單元、軟關斷單元、復位重啟單元和短路故障報警單元組成，它主要包括正常工作、短路故障保護、短暫的故障干擾三種工作過程。

3.2熱設計

在大功率器件中，變換器運行過程中產生的高溫對系統可靠性會帶來很大影響。為了解決這個問題，主要從以下兩方面采取措施：一是設法提高變換器效率，減小發熱；二是設計良好的水散熱系統，提高散熱能力。

分析可知，影響變換器效率的幾個主要因素是功率開關的開關頻率、功率器件的參數設計及控制算法等。因此通過參數匹配和優化控制算法可以使功率開關的動態損耗大幅度降低[4-6]。

3.2.1熱設計方案

通過對DC變換器在臨近空間環境條件下采用Fluent軟件對關鍵電子元器件和功率器件進行熱計算與分析[7]，確定了散熱重點器件和熱設計措施。其中熱設計方案主要考慮以下三點：

1) 改進功率拓撲結構，優化關鍵功率器件工作參數，采用新材料，減少大功率發熱器件的發熱量，提高工作效率；

2) 對元器件進行熱分析并分類，對關鍵器件和散熱量大的器件進行重點散熱處理，最終在性能和可靠性之間達到一個較好平衡；

3) 優化結構設計，采用的水電一體化設計實現DC變化器整機的輕質小型化，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計與測試

大功率水冷電感作為雙向DC變換器關鍵部件，起著能量存儲、平滑電流和濾波等作用。傳統水冷電感不僅損耗大、發熱大，影響系統效率和運行可靠性，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的性能和可靠性，限制了在航天器等其它新興領域的應用。為了滿足未來高空運行要求，對電感的有效散熱，密封絕緣和小型輕質化等提出了很高的要求。

因此，專門針對電感的結構密封與內部散熱，采用Fluent軟件在設定電感發熱量條件下計算了流道流阻和溫度分布，計算分析結果參見圖4～6，其中流道流阻為37.6 kPa，最高溫度點在磁芯處，滿足了設計要求。

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，與傳統的水冷電感相比，其主要優勢為：

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

2) 水電一體化結構與傳統電感加水冷結構相比，其體積和質量大大降低，實現了整機的輕質小型化；

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熱材料，導熱效果好；

4) 為滿足運行環境的嚴格要求，銅管內部使用鍍膜工藝以耐腐蝕，外部結合處采用絕緣耐腐蝕處理方法，可滿足總體系統運行環境的苛刻要求；

5) 水冷電感的一體化結構較好地解決了密封結構密封難、水道加工工藝復雜、散熱效果差等難題，提高了整機可靠性。

4DC變換器樣件試驗及結果分析

4.1地面性能試驗

在軟硬件調試基礎上進行了整機性能測試和累計一百多小時的帶載運行考核試驗，DC變換器性能參數見表1。DC變換器發電和電解時的工作效率曲線參見圖7所示。

表1　DC變換器性能參數

圖7　發電和電解效率曲線(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的發電效率大于95%，電解效率大于98%，發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，質量功率比小于0.35 kg/kW。經過連續12小時的帶載加壓的水冷運行以及上百小時的累計運行試驗，雙向DC變換器工作正常，運行狀態良好，達到了研制任務所要求的各項運行參數及指標要求，顯示出良好的散熱能力。

4.2空間環境模擬試驗

根據任務要求的環境條件，按照GJB150.6-86標準方法的規定[8]，進行低溫低氣壓模擬環境試驗，試驗照片如圖8所示。環境試驗艙內壓力和溫度控制曲線如圖9所示，電路板主要測溫點溫度變化曲線如圖10所示。

圖8　DC變換器環境試驗照片Fig.8　Photo of for DC’s environment testing

圖9　環境試驗艙內壓力溫度控制曲線Fig.9　The controlled pressure and temperature curves in environment test chamber

圖10　模擬環境下關鍵點溫度曲線Fig.10　Temperature curves of the key-points in simulated

DC變換器在所要求的空間環境下工作了3.5小時，環境試驗艙內壓力和溫度控制曲線如圖10所示。在啟動試驗箱降溫降壓進行到約90分鐘的時候DC變換器基本達到了熱平衡，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個關鍵測溫點(其中主要包括

機箱側壁、電路模塊上功率器件及關鍵芯片等處)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℃，滿足任務規定的空間低溫低氣壓的環境要求。

5結論

1)所研制的大功率雙向DC變換器樣件運行狀態良好，工作正常。

2)樣件經試驗驗證具備了空間低溫低氣壓環境適應性。

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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

作者簡介：鐘靜宏(1974-)，男，博士，高級工程師，研究方向為航天推進系統新能源電測控技術、電源變換技術等。E-mail：zhongjinghong96@163.com

中圖分類號：TM89

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0343-04