Elektro-Automatik supporta i progressi nell’energia neutrale per il clima con soluzioni di test e simulazione di celle a combustibile per autoveicoli

Elektro-Automatik (EA) è un fornitore leader europeo di elettronica di potenza nell’industria automobilistica e in molti altri settori. EA sviluppa e produce alimentatori innovativi nei suoi laboratori tedeschi. EA offre ora la sua gamma ELR di alimentatori progettati specificamente per facilitare i test delle celle a combustibile automobilistiche.

Le celle a combustibile esistono da molti anni, ma con i recenti progressi tecnologici e le iniziative globali per la neutralità del clima, c’è stato un investimento significativo con aziende automobilistiche come Honda, Toyota, Hyundai e Mercedes.

Progettare e produrre celle a combustibile di qualità richiede la caratterizzazione del dispositivo e la verifica delle sue prestazioni. Per le centrali elettriche di riserva e i veicoli automobilistici, le celle a combustibile sono assemblate in pile per soddisfare i requisiti di potenza necessari per l’applicazione. Queste pile possono generare un’elevata potenza; pertanto, sono necessari alimentatori ad alto wattaggio e carichi elettronici per la caratterizzazione e il collaudo delle celle a combustibile.

Gli stack di celle a combustibile possono fornire ben oltre 10 kW di potenza. Elektro Automatik non solo produce alimentatori e carichi DC ad alta potenza, ma questi prodotti hanno diverse caratteristiche che semplificano il compito di simulare, caratterizzare e testare le celle a combustibile e rendono il test più efficiente.

Cos’è una cella a combustibile?

Prima di parlare dei test delle celle a combustibile, facciamo una rapida panoramica di cosa sono le celle a combustibile. Le celle a combustibile sono un combustibile chimico. Quando avviene una reazione chimica, di solito genera energia con un sottoprodotto come il calore. La maggior parte delle celle a combustibile sono spesso a base di idrogeno mescolato con un agente ossidante come l’ossigeno che poi crea elettroliti.

Il vantaggio di usare l’idrogeno è che il sottoprodotto della reazione chimica è solo calore e vapore acqueo, il che lo rende un’energia pulita da usare. L’idrogeno utilizzato nelle celle a combustibile può essere raccolto in diversi modi, il reforming del metano a vapore del gas fossile, la gassificazione della biomassa, l’elettrolisi dell’acqua o la termochimica solare.

Ci sono diversi tipi di design di celle a combustibile, ma tutti consistono degli stessi elementi: un anodo, un catodo e un elettrolita che permette agli ioni di muoversi tra due lati della cella a combustibile, come mostrato nella figura 1.

Come si testa la resistenza alla corrosione?

Il parametro più importante di una cella a combustibile è la sua componente resistiva. La resistenza dell’elettrolito è il principale contributore alla resistenza totale della cella a combustibile. La resistenza di polarizzazione modella la resistenza equivalente di reazione, e la capacità di doppio strato modella le interfacce anodo-elettrolita-catodo. Più bassa è la resistenza totale della cella a combustibile, minore è la sua perdita di potenza mentre la sua efficienza è più alta.

Con una generazione di potenza da kW a MW, una resistenza totale troppo alta può impedire a uno stack di celle a combustibile di produrre la sua massima potenza nominale.

La difficoltà di misurare la resistenza della cella a combustibile è dovuta al fatto che la fonte di tensione della cella non può essere isolata dai componenti resistivi come il modello di circuito potrebbe indicare. Piuttosto che impiegare una misura convenzionale della resistenza DC, la misura della resistenza della cella a combustibile richiede una misura AC.

La misura pseudo-AC è nota come metodo dell’interruzione di corrente. Questo metodo, infatti, come suggerisce il nome, crea una corrente commutando istantaneamente la corrente di carico da un valore stazionario a 0 A. La tensione della cella a combustibile sale fino alla sua tensione di circuito aperto partendo dalla tensione ridotta dal prodotto della corrente di carico e dalla resistenza della cella a combustibile.

Quindi, come si crea la corrente necessaria per caratterizzare la cella a combustibile? È necessario un carico elettronico e la capacità di variare la sua uscita di corrente costante con un segnale AC di frequenza variabile. Si potrebbe collegare il carico e un generatore di forme d’onda insieme. I generatori di forme d’onda sono dispositivi a bassa potenza, quindi sarebbe un problema testare uno stack di celle a combustibile contenente diverse celle a combustibile. Si potrebbe collegare il generatore di forme d’onda attraverso un bias-T al carico elettronico; ma i bias-T sono componenti a bassa potenza usati principalmente per applicazioni RF. Collegare un generatore di forme d’onda a bassa potenza a un carico elettronico ad alta potenza è una sfida.

EA risolve questa sfida con i suoi carichi elettronici ELR integrando il generatore di forme d’onda nel carico. Non dovete preoccuparvi delle connessioni esterne e della protezione di un generatore di forme d’onda da un’alta potenza dannosa. Il generatore di forme d’onda emette onde sinusoidali, onde triangolari, onde quadre, onde trapezoidali, rampe e forme d’onda arbitrarie. Con il carico ELR, è possibile creare qualsiasi tipo di carico dinamico, compresa una perturbazione sinusoidale su un dissipatore di corrente DC per la caratterizzazione della resistenza delle celle a combustibile.

Inoltre, il carico ELR, con il suo generatore di forme d’onda interno, può sottoporre la cella a combustibile in prova a una vasta gamma di variazioni di carico dinamico sia per le prestazioni che per i test di durata. Il carico può stressare una cella a combustibile con grandi cambiamenti di carico a vari cicli di lavoro.

Simulazione di una cella a combustibile per test realistici dell’inverter o del convertitore DC-DC

Ora che la cella a combustibile è caratterizzata, gli alimentatori della serie PSB, che hanno anche un generatore di forme d’onda incorporato, possono simulare l’uscita di una cella a combustibile. Utilizzando la cella a combustibile simulata, un inverter per un dispositivo come una fonte di alimentazione standby o un convertitore DC-DC per un veicolo automobilistico può essere testato nelle condizioni più realistiche. Basta usare l’applicazione Function Generator nel software Elektro Automatik Power Control. Inserite i parametri chiave di tensione e corrente, e la Function Generator App permette all’alimentatore PSB di emulare l’uscita del vostro stack di celle a combustibile.

La figura 3 mostra la finestra della tabella Fuel Cell che mostra la curva V-I caratteristica della cella a combustibile e definisce l’uscita della cella a combustibile. Alla tensione massima, la produzione della cella a combustibile è dominata dagli effetti elettrocinetici. Nella parte centrale della curva, la resistenza lineare ohmica della cella a combustibile determina le caratteristiche di uscita. Nella parte di curva ad alta corrente e bassa tensione, la caratteristica esponenziale è definita dall’energia consumata ad un ritmo più veloce di quanto l’idrogeno e l’ossigeno possano diffondere all’anodo e al catodo per fornire energia.

L’uscita simulata della cella a combustibile può testare le prestazioni dell’inverter o del DC-DC, dato che questi carichi assorbono sia bassa che alta corrente. I risultati indicano quanto bene i carichi possono mantenere la loro uscita sotto la tensione variabile della cella a combustibile. Fortunatamente, non c’è bisogno di un complesso setup di test con una resistenza variabile esterna per testare inverter e convertitori DC-DC. Tutto ciò di cui avete bisogno è un alimentatore della serie PSB.

Risparmia energia e raffredda il motore

Sia i carichi elettronici della serie ELR che gli alimentatori bidirezionali (source e sink) della serie PSB possono assorbire energia e restituirla alla rete elettrica con un’eccezionale efficienza del 96%. Quando si utilizzano i carichi ELR o la funzione di affondamento degli alimentatori PSB, gli efficienti inverter nei due strumenti forniscono il recupero dell’energia rigenerativa per ridurre i costi delle utenze elettriche. Restituendo l’energia assorbita alla rete si risparmia sui requisiti di raffreddamento per questi strumenti che possono produrre e assorbire fino a 30 kW. Gli strumenti hanno bisogno di ventilatori di capacità inferiore che funzionano in modo più silenzioso e meno infrastrutture di raffreddamento per mantenerli a una temperatura operativa sicura. Conviene trarre vantaggio da costi di utilità inferiori e dalla consapevolezza che si contribuisce al rispetto dell’ambiente.

Si lavora in qualsiasi ambiente di test automatizzato

Gli alimentatori PSB e i carichi ELR di Elektro Automatik offrono diverse interfacce per consentire una facile comunicazione e controllo in alcuni ambienti di prova. Gli alimentatori della serie PSB e i carichi ELR hanno USB ed ethernet come interfacce standard per una connessione semplificata a un PC. Con le interfacce opzionali ModBus e Profibus, gli strumenti permettono comodamente il controllo da parte di un controllore logico programmabile (PLC). Con l’interfaccia CAN, gli strumenti possono interfacciarsi con un sistema di controllo automobilistico. Si tratta di una flessibilità maggiore di quella che si ottiene da altri produttori di alimentatori e carichi elettronici.

Il test del carburante è un processo complesso che può essere reso facile con gli strumenti giusti. Elektro Automatik è leader nel settore dell’elettronica di potenza e offre diverse soluzioni per il test delle celle a combustibile nel mercato automobilistico. In particolare, le celle a combustibile a idrogeno sono considerate come uno dei combustibili più puliti che si possono usare con poche o nessuna emissione di carbonio. È essenziale garantire la loro longevità ed efficienza durante il funzionamento e l’immagazzinamento attraverso test regolari delle celle a combustibile in un certo numero di industrie, tra cui quella automobilistica.

Carichi elettronici EL 9000 B

Carico elettronico serie EL 3000 e EL 9000

Carico elettronico ELR9000

Alimentatori DC bidirezionali, EA-PSB 9000

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