TW201507320A - 燃料電池並聯式輸出功率控制系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池並聯式輸出功率控制系統及方法，其包括至少二組並聯的供電裝置。每一供電裝置包含燃料電池、燃料供應單元、電源檢知模組及調節控制單元。電源檢知模組用以感測負載的耗電狀態。調節控制單元依據負載的耗電狀態而調節電能輸出大小，並調節燃料供應單元對燃料電池的燃料供應量，俾能依據負載的用電狀態而調節電能的輸出，進而達到穩定均勻的供電功效。

Description

燃料電池並聯式輸出功率控制系統及方法

本發明係有關一種燃料電池並聯式輸出功率控制系統及方法，尤指一種可以依據負載用電狀態而自動調節電能輸出以達到穩定均勻供電的燃料電池電能調節技術。

按，燃料電池是一種高效率、低污染、多元化的新興能源發電技術。簡言之，燃料電池是一種直接將燃料之化學能轉換為電能的裝置。近年來，隨著燃料電池應用與技術的快速發展，不僅是供電效能已見提升，而且應用方面亦已逐漸深入日常生活的領域之中。依據目前所知，全世界已超過2500個燃料電池發電系統開始運作，藉此以供應醫院、療養院、旅館、辦公大樓、學校、機場及發電廠等之主要或備用的電力來源。此外，小型化燃料電池一旦成功進入市場，即可改變電子通訊技術的發展，例如筆記型電腦、平板電腦、個人數位助理器、智慧型手機以及可攜式影音多媒體播放器等，藉此以提供較二次充電電池更長的供電時間，因此，燃料電池技術儼然已成為相關產官學界最受矚目的研發重點項目之一。

再者，習知燃料電池之電力轉換器(即功率轉換器)於並聯運作時會產生內電流環流，該內電流環流會影響與破壞燃料電池本體的結構與運作效能。此外，習知燃料電池之電能調節方式，是透過控制器所輸出之脈波訊號來調節電力轉換器的電能輸出，進一步而言，係藉由脈波訊號 的寬度調變，以驅使電力轉換器上各功率開關(電晶體)進行啟、閉的切換動作，進而達到調節電能輸出之目的；惟，習知燃料電池之電力轉換器過度依賴各功率開關的啟、閉控制，不僅會因切換功率損失而增加整體系統之總諧波失真率，而且還會使各功率開關所產生的高溫而毀損，因而造成維修本的增加與使用上的不便。

緣是，上述該習用結構確實未臻完善，仍有改善的必要性。有鑑於此，本發明人等乃積極投入研發，經不斷的研究、設計、實作與試驗，終而有本發明的研發成果。

本發明主要目的，在於提供一種可以解決習知燃料電池之電力轉換器於並聯運作時會產生內電流環流所致缺失的燃料電池並聯式輸出功率控制系統及方法，主要是藉由燃料流量的調節控制，除了使系統於負載變動時可以調節燃料流量以降低各臂開關開切換時之功率損失之外，並可降低整體系統之總諧波失真率，使開關調節功率輸出時不會負荷過多的功率損失，同時降低開關切換時所產生的高溫，以調節出較佳化的電源輸出，進而使負載獲得更為穩定均勻的供電效果。達成本發明主要目的之技術手段，係包括二組並聯的供電裝置，每一供電裝置包含一燃料電池、燃料供應單元、電源檢知模組及調節控制單元。電源檢知模組用以感測負載的耗電狀態。調節控制單元其包含一與燃料電池電性連接的電能輸入端、一與負載電性連接的電能輸出端及一與燃料供應單元電性連接的訊號輸出端。調節控制單元依據負載的耗電狀態而調節電能輸出端的電能 輸出大小，並調節燃料供應單元對燃料電池的燃料供應量，俾能依據負載的用電狀態而調節電能的輸出，進而達到穩定均勻的供電功效。

10‧‧‧供電裝置

11‧‧‧燃料供應單元

110‧‧‧燃料源

111‧‧‧燃料管路

112‧‧‧流量控制組件

12‧‧‧空氣供應單元

13‧‧‧燃料電池

14‧‧‧電源檢知模組

140‧‧‧電壓檢測電路

141‧‧‧電流檢測電路

15‧‧‧調節控制單元

150‧‧‧電力轉換器

150a‧‧‧電能輸入端

150b‧‧‧電能輸出端

151‧‧‧控制模組

151a‧‧‧訊號輸出端

20‧‧‧負載

30‧‧‧通訊介面

L _B ‧‧‧電感

及‧‧‧二極體

‧‧‧功率電晶體

圖1係本發明系統架構的功能方塊示意圖。

圖2係本發明燃料電池供電系統之電力電路示意圖。

圖3係本發明三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器於昇壓模式之電力電路示意圖。

圖4係本發明三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器於昇壓模式之等效電路示意圖。

圖5係本發明三臂型直流-直流昇降壓功率轉換器於昇壓模式之直流鏈電壓v _dc 閉迴路控制方塊示意圖。

圖6係本發明三臂型直流-直流昇降壓功率轉換器於昇壓模式三臂電流、、之閉迴路控制方塊示意圖。

圖7係本發明昇壓模式電壓及電流回授方塊示意圖。

圖8係本發明三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器於降壓模式之電力電路示意圖。

圖9係本發明三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器於降壓模式之等效電路示意圖。

圖10係本發明三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器於降壓模式之三臂電流、、的閉迴路控制方塊示意圖。

圖11係本發明降壓模式之電壓及電流回授方塊示意圖。

圖12係本發明管路連結架構的實施示意圖。

壹.本發明具體實施例

請配合參看圖1、12所示，為達成本發明主要目之實施例，係包括至少二組供電裝置10。每一供電裝置10包含燃料供應單元11、空氣供應單元12、燃料電池13、電源檢知模組14及調節控制單元15。調節控制單元15包含一與燃料電池13電性連接的電能輸入端150a、一與負載20電性連接的電能輸出端150b，及一與燃料供應單元11電性連接的訊號輸出端151a。上述至少二組供電裝置10係以並聯方式電性連接，以共同對至少一負載20進行供電。燃料供應單元11用以供應燃料電池13燃料。空氣供應單元12用以供應燃料電池13空氣，使空氣與燃料得以進入燃料電池13內進行電化學反應而產生電能。電源檢知模組14則是感測負載20的耗電狀態(即耗電功率值)。調節控制單元15則依據負載20之耗電狀態而調節電能輸出端的電能輸出大小，並調節燃料供應單元11對燃料電池13的燃料供應量。

於一種具體的實施例中，該調節控制單元15內建有一電源預設值(如預設功率值)，當負載20的耗電狀態值大於電源預設值時，調節控制單元15則增加電能輸出端150b的電能輸出，並增加燃料供應單元11的燃料供應量。當負載20的耗電狀態值低於電源預設值時，調節控制單元15則降低電能輸出端150b的電能輸出，並降低燃料供應單元11的燃料供應量。此外，電源檢知模組14包含一電壓檢測電路140及一電流檢測電路141。該電壓檢測電路140用以感測電能輸出端150b與負載20之間電路的 電壓狀態而產生電壓感測訊號。電流檢測電路141用以感測電能輸出端150b與負載20之間電路的電流狀態而產生電流感測訊號。調節控制單元15再將電壓感測訊號與電流感測訊號轉換為電壓值及電流值，並將電壓值與電流值相乘以取得負載20之耗電功率值，並與電源預設值進行比對，以作為調節電能輸出的依據。

請參看圖12所示之燃料供應單元11，係包含一燃料源110、燃料管路111及一流量控制組件112。該燃料管路111一端與燃料源110連通，另端與燃料電池13連通，使燃料可經燃料管路111而輸送至燃料電池13內。至於燃料源110可以是一種可以儲存及釋放氫氣的儲氫槽。該流量控制組件112係組設在燃料管路111上，可受調節控制單元15的觸發而調節燃料管路111內的燃料流量。流量控制組件111的具體實施可以是一種電磁閥，其可受調節控制單元15之可調變寬度之脈波訊號的觸發而啟閉燃料管路111；此外，流量控制組件111亦可以是一種撥轉式節流閥，其撥桿可供與一步進馬達(圖未示)的輸出軸連動，該步進馬達調可受節控制單元15所輸出之代表正轉、反轉及閥門開度的控制訊號所控制，進而達到調節燃料流量之目的。再請參看圖1所示之調節控制單元15，係包含一用以將電力轉換為負載20所需電源形式的電力轉換器150，及一控制模組151，控制模組151用以輸出可調變脈波寬度之控制訊號來調節電力轉換器150的電能輸出。控制模組151的具體實施可以是一般單晶微處理器、訊號轉換電路(A/D)及驅動電路的組合；或是一種類比式比例積分微分控制器。該電力轉換器150設有與燃料電池13電性連接的電能輸入端150a；及與負載20電性連接的電能輸出端150b。該控制模組151設有與燃料供應單元11電 性連接的訊號輸出端151a。此外，為使各供電裝置10之間具備通訊功能，以協同調節電能輸出，如圖所示之供電裝置10更包含一與調節控制單元15電性連接的通訊介面30，用以傳送調節控制單元15之控制指令訊號至另一該供電裝置10中，並接收另一供電裝置10所傳送之控制指令訊號。上述通訊介面30可以是一種eCAN BUS通訊介面30。

貳.本發明電路運作

本發明二組電力轉換器150皆是採用三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器。每一三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器各自包含有六個功率電晶體。當進入昇壓模式時，控制模組151則控制及三個電晶體的作動；於降壓模式時，控制模組則控制及三個電晶體的作動。當燃料電池13達額定電壓時，三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器則會進入昇壓模式，以將燃料電池13之電能供給負載20。當三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器操作於昇壓模式(及截止，及切換)，此時燃料電池13所提供之電壓過低，於是進行升壓的操作，如圖2所示。當及導通時，燃料電池組13則對電感L _B 儲能；當及截止時，則儲存於電感L _B 上之能量將經由二極體及釋放至直流鏈。因此，可以藉由控制及之開關責任週期來控制直流鏈電壓v _dc 追隨其直流鏈電壓命令值。當燃料電池13所提供的能量超過負載20所需之能量，為了維持燃料電池13運轉時不浪費能源及維護整個供電系統之平衡。因此，三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器將處於降壓模式(及切換，及截止)。當燃料電池組13電壓v _B 大於直流鏈電壓v _dc 且及功率電晶體導通 時，因為電壓差的關係導致於電感L _B 吸收直流鏈上之能量；當及功率電晶體截止時，電感上之能量會經由飛輪二極體及對直流鏈進行供電。因此，可以藉由控制及之開關責任週期讓燃料電池電壓降低對直流鏈電壓進行供電。

假設開關元件為理想特性，其根據開關狀態可得到三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器之昇壓模式等效電路圖，如圖3所示。其中x=1,2,3，開關狀態s _Bx 定義為：

圖3中，、、與、、之關係式為：

直流鏈上之電流與之關係式為：

最後依據圖4可以推導出電感L _B 及電容C _dc 之一階微分方程：

其中i _Load =v _dc /R _load 。由(1-4)、(1-5)可得知控制下臂開關的導通週期即可調變三臂型直流-直流功率轉換器之直流鏈電壓v _dc ，使其追隨直流鏈電壓命令值。

首先定義燃料電池供電時之開關責任週期命令值 ，即

其中x=1,2,3，t _onx 為s _Bx 為開關導通時之時間，T _s 為開關之切換週期。依據圖3，我們可以推導出。

從(1-5)中可知

將(1-8)代入(1-7)得

依據(1-9)式可推導出

假設為

其中其中，"。"為比例-積分控制器運算符號，G _vB 為比例-積分之電壓調節器。比例-積分之電壓調節器可表示為：

其中k _pvB 為比例控制器之增益，k _ivB 為積分控制器之增益。為了穩定直流鏈v _dc 收斂至直流鏈命令值，可以控制蓄電池之放電電流i _B 來達成，且i _B 是由各臂電流所組成的，故電流命令值及可表 示為：

若電感器之電流為連續，則改寫(1-4)平均值模式為：

假設及為：

為了讓實際電流值追隨電流命令值，可令及為各 臂之電流控制信號，即

其中，"。"為比例-積分控制器運算符號，為第一臂之比 例-積分電流調節器，為第二臂之比例-積分電流調節器，為第三臂之比例-積分電流調節器。

其中、及為比例控制器之增益，、及為積分控制器之增益。整理(1-17)代入(1-16)為：

最後依據(1-19)可推導出三臂型昇降壓直流-直流功率轉換 器在昇壓模式下之開關責任週期命令值為：

因昇壓模式是控制下臂開關週期，故 其中，必須介於0~1之間。

最後根據公式(1-11)、(1-13)、(1-14)、(1-17)、(1-21)可得三臂型直流-直流昇降壓功率轉換器之昇壓模式控制方塊，如圖5~7所示。當燃料電池13所提供的能量超過負載所需之能量，為了維持燃料電池13運轉時不浪費能源及維護整個供電系統之平衡。因此三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器將處於降壓模式(及切換，及截止)，對燃料電池13的輸出作降低調節，如圖8所示。當直流鏈電壓v _dc 大於燃料電池電壓v _B 且及功率電晶體導通時，因為電壓差的關係導致於電感L _B 吸收直流鏈上之能量；當及功率電晶體截止時，電感上之能量會經由飛輪二極體及調節輸出。因此我們可以藉由控制及之開關責任週期讓燃料電池降低功率輸出。

其中x=1,2,3，假設開關元件為理想特性，其根據開關狀態可得到三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器之降壓模式等效電路，如圖9所示。依據圖9，我們可以推導出電壓、、與、、之間的關係為：

電流i _dc 與之間的關係為：

最後推導出電感L _B 的微分方程式為：

由(1-25)可得知控制上臂開關的導通週期即可調變三臂型直流-直流功率轉換器之各臂充電電流追隨充電電流命令值 。首先定義蓄電池放電時之開關責任週期命令值為：

其中x=1,2,3，t _onx 為s _bx 為開關導通時之時間，T _s 為開關之切換週期。為了使各臂之充電電流收斂至各臂之電流命令值 ，可以控制燃料電池13之放電電流來達成，且電感器之電流為連續，則改寫(1-25)的平均值模式為：

假設及為

為了讓實際電流值追隨電流命令值，故可令及為各臂之電流控制信號，即

其中"。"為比例-積分控制器運算符號，為第一臂之比例-積分電流調節器，為第二臂之比例-積分電流調節器，為第三臂之比例-積分電流調節器。

其中，及為比例控制器之增益，及為積分控制器之增益。整理(1-29)代入(1-28)為：

最後依據(1-31)可推導出三臂型昇降壓直流-直流功率轉換器在降壓模式下之開關責任週期命令值為：

其中，必須介於0~1之間。

最後根據公式(1-30)(1-32)可得三臂型直流-直流昇降壓功率轉換器之降壓模式控制方塊圖，如圖10~11所示。總觀上述各組燃料電池13於輸出時所進行之功率調節控制，於並聯時必需結合其控制策略來完成整合系統，其電力調節器以eCAN BUS做為通訊介面30，當負載20變化時將以指令相互調節輸出，如圖12所示。

參.結論

因此，藉由上述之具體實施例說明，本發明確實可以解決習知燃料電池之電力轉換器於並聯運作時會產生內電流環流所致缺失，且確實可藉由燃料流量的調節控制，除了使系統於負載變動時可以調節燃料流量以降低各臂開關開切換時之功率損失之外，並可降低整體系統之總諧波失真率，使開關調節功率輸出時不會負荷過多的功率損失同時降低開關切換時所產生之高溫，進而調節出較佳化的電源輸出，使負載獲得更為穩定均勻的供電效果。

以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10‧‧‧供電裝置

112‧‧‧流量控制組件

13‧‧‧燃料電池

14‧‧‧電源檢知模組

140‧‧‧電壓檢測電路

141‧‧‧電流檢測電路

15‧‧‧調節控制單元

150‧‧‧電力轉換器

150a‧‧‧電能輸入端

150b‧‧‧電能輸出端

151‧‧‧控制模組

151a‧‧‧訊號輸出端

20‧‧‧負載

30‧‧‧通訊介面

Claims (10)

1. 一種燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其包括至少二組以並聯方式電性連接的供電裝置，以共同對至少一負載進行供電，每一該供電裝置包含：一燃料電池，其用以使空氣與燃料進行電化學反應而產生電能；一燃料供應單元，其用以對該燃料電池供應該燃料；一電源檢知模組，其用以感測該負載的耗電狀態；及一調節控制單元，其包含一與該燃料電池電性連接的電能輸入端、一與該負載電性連接的電能輸出端及一與該燃料供應單元電性連接的訊號輸出端，該調節控制單元依據該負載的耗電狀態而調節該電能輸出端的電能輸出大小，並調節該燃料供應單元對該燃料電池的燃料供應量。
2. 如請求項1所述之燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其中，該調節控制單元內建有一電源預設值，當該負載的耗電狀態值大於該電源預設值時，該調節控制單元則增加該電能輸出端的電能輸出，並增加該燃料供應單元的燃料供應量，當該負載的耗電狀態值低於該電源預設值時，該調節控制單元則降低該電能輸出端的電能輸出，並降低該燃料供應單元的燃料供應量。
3. 如請求項1或2所述之燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其中，該電源檢知模組包含一電壓檢測電路及一電流檢測電路，該電壓檢測電路用以感測該電能輸出端與該負載之間電路的電壓狀態而產生電壓感測訊號，該電流檢測電路用以感測該電能輸出端與該負載之間電路的電流狀態 而產生電流感測訊號。
4. 如請求項1所述之燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其中，該燃料供應單元包含一燃料源、燃料管路及一流量控制組件，該燃料管路一端與該燃料源連通，另端與該燃料電池連通，使該燃料源經該燃料管路將該燃料輸送至該燃料電池內，該流量控制組件組設在該燃料管路上，可受該調節控制單元的觸發而調節該燃料管路內的燃料流量。
5. 如請求項1所述之燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其中，該調節控制單元包含一用以將該電力轉換為該負載所需電源形式的電力轉換器及一以一可調變脈波寬度之控制訊號調節該電力轉換器之電能輸出的控制模組，該電力轉換器設有與該燃料電池電性連接的該電能輸入端及與該負載電性連接的該電能輸出端，該控制模組設有與該燃料供應單元電性連接的該訊號輸出端。
6. 如請求項1所述之燃料電池並聯式輸出功率控制系統，其中，該供電裝置更包含一與該調節控制單元電性連接的通訊介面，用以傳送該調節控制單元之控制指令訊號至另一該供電裝置中，並接收另一該供電裝置所傳送之控制指令訊號。
7. 一種燃料電池並聯式輸出功率控制方法，其包括：提供至少二組供電裝置，每一該供電裝置包含燃料供應單元、空氣供應單元、燃料電池、電源檢知模組及調節控制單元，該調節控制單元包含一與該燃料電池電性連接的電能輸入端、一與該負載電性連接的電能輸出端及一與該燃料供應單元電性連接的訊號輸出端； 將至少二組該供電裝置以並聯方式電性連接，以共同對至少一負載進行供電：以該燃料供應單元供應該燃料電池燃料，並以該空氣供應單元供應該燃料電池空氣，使該空氣與該燃料進行電化學反應而產生電能；以該電源檢知模組感測該負載的耗電狀態；及該調節控制單元依據該負載之耗電狀態而調節該電能輸出端的電能輸出大小，並調節該燃料供應單元對該燃料電池的燃料供應量。
8. 如請求項7所述之燃料電池並聯式輸出功率控制方法，其中，該調節控制單元預設有一電源預設值，當該負載的耗電狀態值大於該電源預設值時，該調節控制單元則增加該電能輸出端的電能輸出，並增加該燃料供應單元的燃料供應量，當該負載的耗電狀態值低於該電源預設值時，該調節控制單元則降低該電能輸出端的電能輸出，並降低該燃料供應單元的燃料供應量，該電源檢知模組包含一電壓檢測電路及一電流檢測電路，該電壓檢測電路用以感測該電能輸出端與該負載之間電路的電壓狀態而產生電壓感測訊號，該電流檢測電路用以感測該電能輸出端與該負載之間電路的電流狀態而產生電流感測訊號。
9. 如請求項7所述之燃料電池並聯式輸出功率控制方法，其中，該燃料供應單元包含一燃料源、燃料管路及一流量控制組件，該燃料管路一端與該燃料源連通，另端與該燃料電池連通，使該燃料源經該燃料管路將該燃料輸送至該燃料電池內，該流量控制組件組設在該燃料管路上，可受該調節控制單元的觸發而調節該燃料管路之該燃料的流量，該調節控制單元 包含一用以將該電力轉換為該負載所需電源形式的電力轉換器及一以可調變脈波寬度之控制訊號調節該電力轉換器之電能輸出的控制模組，該電力轉換器設有與該燃料電池電性連接的該電能輸入端及與該負載電性連接的該電能輸出端，該控制模組設有與該燃料供應單元電性連接的該訊號輸出端。
10. 如請求項7所述之燃料電池並聯式輸出功率控制方法，其中，該供電裝置更包含一與該調節控制單元電性連接的通訊介面，用以傳送該調節控制單元之控制指令訊號至另一該供電裝置中，並接收另一該供電裝置所傳送之控制指令訊號。