CN101860198A - 一种电源装置及其使用方法 - Google Patents

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陈杰
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Abstract

本发明涉及一种电源装置，包括一具有一标称电压和一额定伏安特性的燃料电池装置(2)，该燃料电池装置与负载(1)连接，该电源装置还包括一可变的DC-DC变压器(3)、一分流该DC-DC变压器(3)的分流支路(11)、一将该燃料电池可选择地连接于该DC-DC变压器或分流支路的开关(13)，以及一个控制该开关的控制单元(12)，该控制单元(12)包括一耦合于该燃料电池装置(2)上的测量装置，用于侦测工作点；当该燃料电池装置的电压处于该燃料电池装置伏安特性的选定区域(5)以内时，该控制单元与该分流支路(11)连接；当处于上述特性的剩余范围(4、6、7)内时，则该控制单元不与该分流支路连接。

Description

一种电源装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种电源装置，其包括一个具有标称电压和额定伏安特性的燃料电池装置，用于连接负载；还包括一可变的DC-DC变压器；一用于分流DC-DC变压器的分流支路；一开关，用于将燃料电池可选择地连接于DC-DC变压器或者将其连接于分流支路。本发明还涉及该电源装置的使用方法。
背景技术
如上所述的一种电源装置，例如，美国专利6,255,008B1公开了一种能够减少电能损失的燃料电池系统。在该系统中，一个第二电池与电源装置并联。根据负载的电能需要以及电池的电量状态，决定该电池连接或不连接负载，而该燃料电池通过DC-DC变压器或通过分流支路连接到负载，或者通过DC-DC变压器同时连接到电池和负载。
该燃料电池的特性为，理想状态下的燃料电池具有相当高的输出电压，且该电压随电流流出而下降。在一个较大的电流强度范围内，输出电压基本保持恒定，只会以其百分比例减少，此后，当电流超过某一值时，电压极大地下降。DC-DC变压器用于维持电压的基本恒定，至少在该特性曲线急剧升降的部分。其效率达到例如70％-90％。只要电压足够接近标称电压，该分流支路则用于避免由变压器造成的电压损失。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种有效的对DC-DC变压器和分流支路间的开关切换的控制。
根据本发明，该电源装置的特点在于，该控制单元包括一耦合于该燃料电池装置上的测量装置，用于侦测工作点；当该燃料电池装置的电压处于该燃料电池装置伏安特性的选定区域以内时，该控制单元与该分流支路连接；当处于上述特性的剩余范围内时，则该控制单元不与该分流支路连接。
较佳地，该伏安特性中的选定区域位于标称电压的两侧，其中，根据负载的需求，该电压差对电流变化的依赖性不大于25％，更佳地，不大于15％，最好不超过5％。
根据较佳实施例，控制单元、开关、分流支路以及DC-DC变压器为一单一装置的组成部件；该开关为一电开关，较佳地，为一MOS管或一绝缘栅双极型晶体管；该DC-DC变压器为一稳定的闭环控制变压器。
根据本发明，还提供了一种该电源装置的使用方法，其中，如果燃料电池装置的电压在该燃料电池装置的伏安特性的选定区域之内，则该开关处于与分流支路连通的状态，如果在上述特性的剩余范围之内，则该开关处于与分流支路断开的状态。该选定区域被设定为标称电压两侧的范围，其中，该电压差对电流变化的依赖性不大于25％，较佳地，不大于15％，最好不超过5％。
根据本发明，一种该电源装置的使用方法，其中，特性中限定该选定区域的电压较低一侧的范围被划分为至少两个区域，即，一个恢复区域和一个关闭区域，该恢复区域被一个表征该燃料电池装置输出电压最小值的第一工作点和一个第二工作点限定，该输出电压最小值在持续工作条件下仍然是可转换的，在通过该第二工作点之后便进入该关闭区域，其中在该恢复区域里该DC-DC变压器输出一个低于标称电压的电压，较佳地，在该恢复区域中，根据时间和/或燃料电池的空载电压，燃料电池装置被间歇地关闭和重启。若使用能够升压的DC-DC变压器，在该选定区域和恢复区域之间设置一可适区域，在该可适区域中该变压器输出标称电压。
附图说明
本发明的上述内容及更多目的、特征以及有益效果将通过参考附图在下文描述的较佳实施例中进行说明。
图1为与负载连接的电源装置的电路图。
图2为燃料电池装置的典型的伏安特性示意图。
图3为本发明实施例的改进图。
1负载
2燃料电池
3DC-DC变压器
4可适区域
5选定区域
6可适区域
7恢复区域
8关闭区域
9工作点
10工作点
11分流支路
12控制单元
13开关
14开关
具体实施方式
图1为该电源装置与负载1连接的电路图。该电源装置包括一个燃料电池2，在本实施例中，每个单电池的标称电压为700mV，空载电压为950mV，持续电压最小值为600mV，电压绝对最小值为500mV；以及一个DC-DC变压器3。该变压器可以为降压变压器、升压变压器或者升降压结合的变压器，也可为根据过高的输入电压输出不同于标称电压的电压值的变压器。实际使用的该燃料电池2通常可以为串联的10-100个单电池。
图2为燃料电池2中单电池的伏安特性示意图，电流密度单位为mA/cm2，电压单位为mV。该特性曲线有一急陡的第一区域4，从燃料电池的空载电压一直到一比标称电压高出一定百分比例的电压为止；一个稍微平缓些的第二区域5，该区域包含该标称电压；一个急陡程度再次超过第二区域5的第三区域6，该区域一直延伸到持续电压最小值处；一个第四区域，即恢复区域7，其位于连续电压最小值和电压绝对最小值之间；以及一个在电压绝对最小值之后的非常急陡的最后一个区域，即关闭区域8。
该区域5向该标称电压的两侧延伸，直至两侧的电压值分别高于和低于标称电压一定百分比例，该两侧的百分比例可以不相等，由此便形成了上述的选定区域。该选定区域被设置为包含了负载1的容许电压波动。区域4，6和7形成了上述的剩余范围，其中只有区域4和6形成了持续工作条件下的可适范围。在区域6电压较低的一端限制了区域6的范围的持续电压最小值的工作点9被定义为：燃料电池能够在不引起例如冷却或效率等问题的情况下勉强保持运转的最低电压点。在区域7电压较低的一端将区域7与区域8分隔的电压绝对最小值的工作点10表征这样的一个工作点：一旦电压低于该工作点，燃料电池2的效率和性能便会过低，并且会由于该燃料电池的例如冷却系统等诸多问题导致其无法再持续工作。
随着负载1消耗的电流强度不同，燃料电池2输出的电压沿着特性曲线而变化。在区域4和6中，电压与标称电压差距太大，因而通过DC-DC变压器3将电压调整到标称电压，如图2中的箭头所示。DC-DC变压器3使得在可适范围4和6中可以实现持续工作。为了避免当工作点在区域5中时变压器3导致的能量损失，变压器3被一分流支路11分流。当工作点位于区域5中时，一个控制单元12测量燃料电池2的输出电压和/或输出电流，且该控制单元12控制电流绕过变压器3，通过分流支路11流出。为了达到此目的，控制单元12控制一个开关13用以打开或关闭变压器3和分流支路11的通路。一个开关14用以打开或关闭燃料电池2的输出。在本实施例中，标称电压为700mV，区域5的范围为750mV到650mV，相应的电流密度为200mA/cm2到830mA/cm2。
图3所示为一不同的开关设置。即，控制单元12分别控制一个位于分流支路11中的开关和一个位于变压器3的输出通路中的开关。开关14同样通过控制单元12控制，在本实施例中，开关14被设置在连接控制单元12的抽头之后、连接开关13的抽头之前。
在区域7，控制单元12检测到的电压远低于标称电压。由于低电压开始导致严重的冷却或效率问题，燃料电池2不再适合持续输出电量。因此，如果恢复成功则位于恢复区域7的工作点趋向于离开该区域移到区域6或5，如果恢复不成功则趋向于区域8。在工作点位于区域7的时候，该适配的DC-DC变压器3将不会输出标称电压，而将输出一个比标称电压小的电压，如图2中的箭头所示。根据所选择的负载1，恢复过程可以有如下两个不同的方案：
第一个方案，如果负载1适合一个较低电压，例如，负载1为一个欧姆电阻型负载，其电流会随着电压的降低而降低。例如，如果负载为一个白炽灯，其会在不适合的工作范围内以较低的光照强度的状态工作。希望得到的结果是，该燃料电池2可以通过催化剂的再生作用从低电流恢复，并再次达到其可持续工作的区域6。该DC-DC变压器3能够如上所述地再次输出标称电压。
第二个方案，如果所选择的负载1为一个有源负载，例如，一个要求稳定电源的负载，则燃料电池2不能在区域7内恢复，也不能达到区域6。由于事实上在区域7内不再可能实现持续工作，所以一个要求调整的信号会被发送给负载或者负载的操作者。根据一种特殊的方法，会启动一个恢复循环的最终尝试。燃料电池2仅被开关14关闭一定时间间隔。根据第一个实施例，该时间间隔为预设的，较佳的该短暂时间间隔为1-20秒，最佳为5秒，然后该燃料电池重新被接通。根据第二个实施例，该间隔受到控制单元12测得的空载电压的限制，如图3所示，该控制单元12控制开关14。在重新接通燃料电池后，控制单元12再次测量燃料电池2的输出电压和/或输出电流，并判断是否达到区域6。如果达到区域6，DC-DC变压器将按照上述方法被适用。如果没有达到区域6，则再次开始最终恢复循环。该关闭和重启循环将对燃料电池2进行至最大循环次数，较佳的为5到30个循环，最佳的为20个循环。如果不能达到区域6则燃料电池2将被彻底关闭。
在电压绝对最小值的工作点10之后的区域8中不可能再持续工作，燃料电池2的问题已经太严重以至于不能像在区域7内一样启动最终恢复循环。此时，将立刻关闭燃料电池。
部件3、11、12和13被表示为分离部件，在实践中将它们一体化为一单一部件也将是有益的。
在图1的电路设计中，DC-DC变压器3为一个升降压变压器，其运作在区域4、6和7中。如果变压器3仅为一个降压变压器，考虑到上述控制方法，在区域6和7中电流也将被控制通过分流支路11。在这种情况下，只有区域4够成了上述剩余范围。该变压器3最好为闭环控制变压器。
所示开关13为双极柱式开关，当然，单极柱式开关也可以达到同样的效果。该开关13可以为能够控制电流强度的电子开关，最好为一个MOS管(MOSFET)或一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

Claims (13)

1.一种电源装置，包括一具有一标称电压和一额定伏安特性的燃料电池装置(2)，该燃料电池装置与负载(1)连接，该电源装置还包括一可变的DC-DC变压器(3)、一分流该DC-DC变压器(3)的分流支路(11)、一将该燃料电池可选择地连接于该DC-DC变压器或分流支路的开关(13)，以及一个控制该开关的控制单元(12)，其特征在于，该控制单元(12)包括一耦合于该燃料电池装置(2)上的测量装置，用于侦测工作点；当该燃料电池装置的电压处于该燃料电池装置伏安特性的选定区域(5)以内时，该控制单元与该分流支路(11)连接；当处于上述特性的剩余范围(4、6、7)内时，则该控制单元不与该分流支路连接。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，该伏安特性中的选定区域(5)位于该标称电压的两侧，其中，该电压差对电流变化的依赖性不大于25％。
3.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于，该电压差不大于15％，最好不超过5％。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的电源装置，其特征在于，该控制单元(12)、开关(13)、分流支路(11)以及DC-DC变压器(3)为一单一装置的组成部件。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的电源装置，其特征在于，该开关(13)为一电子开关，较佳地，为一MOS管或一绝缘栅双极型晶体管。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的电源装置，其特征在于，该DC-DC变压器(3)为一稳定的闭环控制变压器。
7.一种如权利要求1至6中任一权利要求所述的电源装置的使用方法，其特征在于，若该燃料电池装置(2)的电压在该燃料电池装置的伏安特性的选定区域(5)之内，则该开关(13)处于与该分流支路(11)连通的状态，若在上述特性的剩余范围(4、6、7)之内，则该开关处于与该分流支路断开的状态。
8.如权利要求7所述的电源装置的使用方法，其特征在于，该伏安特性中的选定区域(5)被设定为该标称电压两侧的范围，其中，该电压差对电流变化的依赖性不大于25％。
9.如权利要求8所述的电源装置的使用方法，其特征在于，该范围被设定为不超过15％，较佳地，不超过5％。
10.一种如权利要求1至6中任一权利要求所述的电源装置的使用方法，较佳地，如权利要求7至9任一权利所述的电源装置的使用方法，其特征在于，特性中限定该选定区域(5)的电压较低一侧的范围被划分为至少两个区域，即，一个恢复区域(7)和一个关闭区域(8)，该恢复区域(7)被一个表征该燃料电池输出电压最小值的第一工作点(9)和一个第二工作点(10)限定，该输出电压最小值在持续工作条件下仍然是可转换的，在通过该第二工作点之后便进入该关闭区域(8)，其中在该恢复区域(7)里该DC-DC变压器输出一个低于标称电压的电压。
11.如权利要求10所述的电源装置的使用方法，其特征在于，在该恢复区域(7)中，该燃料电池(2)被间歇地关闭和重启。
12.如权利要求11所述的电源装置的使用方法，其特征在于，该燃料电池(2)的关闭和重启是由该控制单元(12)根据时间和/或该燃料电池的空载电压控制的。
13.如权利要求10至12中任一权利要求所述的电源装置的使用方法，其特征在于，若使用能够升压的DC-DC变压器(3)，在该选定区域(5)和恢复区域(7)之间设置可适区域(6)，在该可适区域中该变压器输出标称电压。
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