CN102340012A - 用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法。该用于燃料电池的多组转换器串联系统包括：燃料电池控制器；转换器系统；转换器串联开关；串联控制计算单元；负载功率计算单元；以及主控制器。借由将多组转换器系统经由转换器串联开关将其输出端串联，同时利用主控制器读取负载功率计算单元与串联控制计算单元的信号，进而控制欲开启的转换器系统，以输出负载所需的电能。本发明所述的控制方法包括评估负载步骤、决定转换器系统数量步骤、计算分配输出功率步骤、放电步骤及决定充电步骤，借此控制多组的转换器系统。

Description

用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法，特别是涉及一种将多组转换器系统串联结合的充放电装置及方法。

背景技术

自近代工业革命以来，电力已成为生活中不可或缺的一环。现今产生电力的方式是以火力与核能为主，而上述二种方式皆会对环境产生影响，更何况现在全球气候异常状况已层出不穷，因此，如何运用其他方法产生电力是目前的一项重大课题。

由于燃料电池是利用化学反应来产生电力，并不会产生影响环境的物质，因此如何运用燃料电池是现今研发的重点方向之一。以目前现有习知的燃料电池发电系统为例，其包含三大部分：燃料电池堆、转换器与蓄电池，其中，燃料电池堆是用于产生电力，转换器则将燃料电池堆所产生的不稳定电力转换成稳定的电源后再输出，而蓄电池是在负载增加时可与燃料电池堆同时提供电力以补足不足的电力，待燃料电池堆电力达到负载所需的电力时，蓄电池将停止提供电力。

上述现有习知的燃料电池发电系统的缺点在于当转换器损坏时，其燃料电池堆的电力即无法输出，造成莫大的不便；再者，当要使燃料电池堆的输出电量上升时，需要时间等待燃料电池堆内的化学反应完成作用，才能达到调升的目的，倘若负载突然增加，且超过蓄电池所能承担的电力时，则会造成电力不足，并导致负载因电力不足而受到影响。

再者，当燃料电池堆在添加燃料时，由于其化学作用会造成输出电力短暂地不稳定，也容易导致负载发生故障等情况。

由此可见，上述现有的燃料电池发电系统在产品结构、控制方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的燃料电池发电系统存在的缺陷，而提供一种新的用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法，所要解决的技术问题是使其为了因应不同输出需求的负载电压或是有效提高功率输出，以借由将单组大功率燃料电池以并联方式与多组转换器系统的输入端串联，并将转换器系统的输出端串联，以符合各种负载输出需求，并且无须再额外设计不同转换电压的转换器模块，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，克服现有的燃料电池发电系统存在的缺陷，而提供一种新的用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法，所要解决的技术问题是使其可避免因单一转换器的毁损，而造成电力供应中断的情况，以及避免因添加燃料时所产生的不稳定等问题；再者，在配合单一大功率燃料电池的情况下，其可以将具有充放电功能的转换器系统模块化，并且串联转换器系统的输出端，以达到可应用于大功率的场合的功效，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统，其包括：一燃料电池控制器，电性连接于该燃料电池；多组转换器系统，电性连接于该燃料电池及该燃料电池控制器的输出端，并将该燃料电池所产生的电力转换之后输出；一转换器串联开关，与各该转换器系统电性连接，用以传递电能至一负载；一串联控制计算单元，电性连接于该转换器串联开关，用以读取该转换器串联开关的输出电量；一负载功率计算单元，电性连接于该负载，用以计算该负载所需的电量；以及一主控制器，电性连接该串联控制计算单元、该负载功率计算单元及各该转换器系统。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统，其中每一该转换器系统包含：一转换器，与该燃料电池的输出端电性连接；一双向转换器，电性连接于该转换器；一蓄电池，电性连接于该双向转换器；以及一子控制器，电性连接于该转换器、该蓄电池及该燃料电池控制器，并受该主控制器的控制用以控制该转换器及该双向转换器的动作。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统，其中所述的主控制器是依该串联控制计算单元与该负载功率计算单元所读取的信号决定需开启的该转换器系统，并将控制信号传递至该子控制器。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其包括下列步骤：评估负载步骤：计算一负载所需的一负载功率值与一负载输出电压值；决定转换器系统数量步骤：依照该负载功率值及该负载输出电压值决定所需转换器系统数量，并定义被选择的该些转换器系统为作用中转换器系统；计算分配输出功率步骤：计算每一该作用中转换器系统分配到所需输出的一应输出功率；放电步骤：当该燃料电池的可输出功率大于0且小于该应输出功率时，则由每一该作用中转换器系统中的一蓄电池结合该燃料电池输出该应输出功率；当该燃料电池的可输出功率等于0时，则由每一该作用中转换器系统的该蓄电池输出该应输出功率；以及决定充电步骤：当该蓄电池的电量小于一预设值，且该燃料电池的可输出功率大于该应输出功率时，则开始对该蓄电池进行充电。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的决定转换器系统数量步骤是将该负载功率值与该负载输出电压值除以每一该转换器系统所能输出的最大功率与最大输出电压，以计算被选择的该些转换器系统的数量。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的计算分配输出功率步骤是将该负载功率值除以该些作用中转换器系统的数量，以取得每一该作用中转换器系统需输出的该应输出功率。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中该些作用中转换器系统是借由一转换器串联开关彼此串联。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的评估负载步骤是利用一负载功率计算单元计算该负载所需的该负载功率值与该负载输出电压值。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的决定转换器系统数量步骤是由一主控制器依照该负载功率值及该负载输出电压值控制需要被启动的该作用中转换器系统。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的计算分配输出功率步骤是利用该主控制器计算每一该作用中转换器系统分配到需输出的该应输出功率。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的放电步骤是由一子控制器控制一双向转换器，以借此控制该蓄电池进行放电。

前述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其中所述的决定充电步骤是由该子控制器控制该双向转换器，以借此控制该蓄电池进行充电。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法至少具有下列优点及有益效果：

一、本发明可以避免因单一转换器系统的毁损，而造成电力供应中断的情况。

二、本发明可以降低在添加燃料时所产生的不稳定等问题。

三、本发明可以依负载需求开启需要的转换器系统，以因应不同需求的负载电压或提高功率输出，进而可节省再额外设计其他转换器系统的人力及成本。

四、本发明可以借由将燃料电池发电系统中的各元件模块化，并串联转换器系统的输出端以应用于大功率的场合。

综上所述，本发明是有关于一种用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法。该用于燃料电池的多组转换器串联系统包括：燃料电池控制器；转换器系统；转换器串联开关；串联控制计算单元；负载功率计算单元；以及主控制器。借由将多组转换器系统经由转换器串联开关将其输出端串联，同时利用主控制器读取负载功率计算单元与串联控制计算单元的信号，进而控制欲开启的转换器系统，以输出负载所需的电能。本发明所述的控制方法包括评估负载步骤、决定转换器系统数量步骤、计算分配输出功率步骤、放电步骤及决定充电步骤，借此控制多组的转换器系统。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统的装置示意图。

图2是本发明较佳实施例的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法的流程图。

10：燃料电池          20：燃料电池控制器

30：转换器系统        30’：作用中转换器系统

31：转换器            32：双向转换器

33：蓄电池            34：子控制器

40：转换器串联开关    60：负载功率计算单元

50：串联控制计算单元  70：主控制器

L：负载

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于燃料电池的多组转换器串联系统及其控制方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明较佳实施例的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统的装置示意图。图2是本发明较佳实施例的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法的流程图。

请配合参阅图1所示，本发明较佳实施例的一种用于燃料电池的多组转换器串联系统包括：一燃料电池控制器20、多组转换器系统30、一转换器串联开关40、一串联控制计算单元50、一负载功率计算单元60及一主控制器70。

燃料电池控制器20电性连接于一燃料电池10，其中燃料电池10是利用化学反应来产生电力。燃料电池控制器20电性连接于燃料电池10的输出端，并利用燃料电池10输出端所并联的转换器系统30的数量与输出功率，计算出所需分配至各转换器系统30的能量。

多组转换器系统30，其中每一转换器系统30电性连接于燃料电池10及燃料电池控制器20的输出端，并将燃料电池10所产生的电力转换后再输出。

转换器串联开关40与各转换器系统30电性连接，并串联各转换器系统30的输出端，进而将所接收到的电能输出至负载L，用以供给负载L电能。

串联控制计算单元50电性连接于转换器串联开关40，用以读取转换器串联开关40所输出的电量。

负载功率计算单元60电性连接于负载L，用以计算负载L所需的电量。

主控制器70电性连接串联控制计算单元50、负载功率计算单元60及各转换器系统30。主控制器70用以读取串联控制计算单元50与负载功率计算单元60的信号，再进行计算判断后，将控制信号传送至各转换器系统30。

其中，每一转换器系统30包含：一转换器31、一双向转换器32、一蓄电池33及一子控制器34。

转换器31与燃料电池10的输出端电性连接，用以转换燃料电池10所输出的电能，并输出至转换器串联开关40。

双向转换器32电性连接于转换器31的输出端，并用以将蓄电池33的电力输出至转换器串联开关40。蓄电池33则电性连接于双向转换器32，当燃料电池10输出电压不足时，双向转换器32将会让蓄电池33的电能通过，并将电能传递至转换器串联开关40，形成放电状态，用以补足不够的电能。

子控制器34电性连接于转换器31、蓄电池33及燃料电池控制器20，以监控转换器31输出电能及蓄电池33的蓄电量，并受主控制器70的控制，借此控制转换器31及双向转换器32的动作。

其中，主控制器70依串联控制计算单元50与负载功率计算单元60所读取的信号决定需开启的转换器系统30，并将控制信号传递至子控制器34，以达到控制的目的。

如图2所示，本实施例也提供了一种用于前述装置的用于燃料电池的多组转换器串联控制方法，其包含下列步骤：评估负载步骤(S10)、决定转换器系统数量步骤(S20)、计算分配输出功率步骤(S30)、放电步骤(S40)及决定充电步骤(S50)。

评估负载步骤(S10)：利用负载功率计算单元60计算或读取一负载L所需的一负载功率值与一负载输出电压值。

决定转换器系统数量步骤(S20)：利用主控制器70依照负载功率值及负载输出电压值决定需要被启动的转换器系统30的数量，并定义被选择的转换器系统30为作用中转换器系统30’。

其中，作用中转换器系统30’数量的决定方式是将负载L所需的负载功率值与负载输出电压值除以每一转换器系统30所能输出的最大功率与最大输出电压，以计算出所需作用中转换器系统30的数量，并由主控制器70控制需开启的转换器系统30，而此些被开启的燃料电池转换器系统30即为被定义的作用中转换器系统30’。其中，作用中转换器系统30’是借由转换器串联开关40将其输出端彼此串联，并将电能输出。

计算分配输出功率步骤(S30)：利用主控制器70计算每一作用中转换器系统30’分配到所需输出的一应输出功率，其计算方式是将负载功率值除以作用中转换器系统30’的数量，以取得每一作用中转换器系统30’所需输出的应输出功率。

放电步骤(S40)：当燃料电池10的可输出功率大于0且小于应输出功率时，则使每一作用中转换器系统30’中的双向转换器32导通，使蓄电池33电能通过，再结合燃料电池10的输出而达到应输出功率。当燃料电池10的可输出功率等于0时，则由每一作用中转换器系统30’的蓄电池33输出应输出功率。其中，双向转换器32是由子控制器34控制，以决定蓄电池33是否进行放电。

决定充电步骤(S50)：当蓄电池33的电量小于一预设值，且燃料电池10的可输出功率大于应输出功率时，即代表燃料电池10除了可提供负载L所需的电力外，还有额外的电力可储放于蓄电池33中，因此可利用子控制器34导通双向转换器32，以对蓄电池33进行充电，以备日后之需。其中，双向转换器32是由子控制器34控制，以决定蓄电池33是否进行充电。

借由本发明可避免因单一转换器系统30的毁损，而造成电力供应中断的情况，以及避免因添加燃料时所产生的不稳定等问题，并且具有可扩充性及模块化的特性。此外，当负载L瞬间增加，而作用中转换器系统30’输出的功率不足以因应负载L所需时，即可使蓄电池33放电，以维持整体电力供应的稳定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池的多组转换器串联系统，其特征在于其包括：

一燃料电池控制器，电性连接于该燃料电池；

多组转换器系统，电性连接于该燃料电池及该燃料电池控制器的输出端，并将该燃料电池所产生的电力转换之后输出；

一转换器串联开关，与各该转换器系统电性连接，用以传递电能至一负载；

一串联控制计算单元，电性连接于该转换器串联开关，用以读取该转换器串联开关的输出电量；

一负载功率计算单元，电性连接于该负载，用以计算该负载所需的电量；以及

一主控制器，电性连接该串联控制计算单元、该负载功率计算单元及各该转换器系统。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统，其特征在于其中每一该转换器系统包含：

一转换器，与该燃料电池的输出端电性连接；

一双向转换器，电性连接于该转换器；

一蓄电池，电性连接于该双向转换器；以及

一子控制器，电性连接于该转换器、该蓄电池及该燃料电池控制器，并受该主控制器的控制用以控制该转换器及该双向转换器的动作。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统，其特征在于其中所述的主控制器是依该串联控制计算单元与该负载功率计算单元所读取的信号决定需开启的该转换器系统，并将控制信号传递至该子控制器。

4.一种用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其包括下列步骤：

评估负载步骤：计算一负载所需的一负载功率值与一负载输出电压值；

决定转换器系统数量步骤：依照该负载功率值及该负载输出电压值决定所需转换器系统数量，并定义被选择的该些转换器系统为作用中转换器系统；

计算分配输出功率步骤：计算每一该作用中转换器系统分配到所需输出的一应输出功率；

放电步骤：当该燃料电池的可输出功率大于0且小于该应输出功率时，则由每一该作用中转换器系统中的一蓄电池结合该燃料电池输出该应输出功率；当该燃料电池的可输出功率等于0时，则由每一该作用中转换器系统的该蓄电池输出该应输出功率；以及

决定充电步骤：当该蓄电池的电量小于一预设值，且该燃料电池的可输出功率大于该应输出功率时，则开始对该蓄电池进行充电。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的决定转换器系统数量步骤是将该负载功率值与该负载输出电压值除以每一该转换器系统所能输出的最大功率与最大输出电压，以计算被选择的该些转换器系统的数量。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的计算分配输出功率步骤是将该负载功率值除以该些作用中转换器系统的数量，以取得每一该作用中转换器系统需输出的该应输出功率。

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中该些作用中转换器系统是借由一转换器串联开关彼此串联。

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的评估负载步骤是利用一负载功率计算单元计算该负载所需的该负载功率值与该负载输出电压值。

9.根据权利要求8所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的决定转换器系统数量步骤是由一主控制器依照该负载功率值及该负载输出电压值控制需要被启动的该作用中转换器系统。

10.根据权利要求9所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的计算分配输出功率步骤是利用该主控制器计算每一该作用中转换器系统分配到需输出的该应输出功率。

11.根据权利要求10所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的放电步骤是由一子控制器控制一双向转换器，以借此控制该蓄电池进行放电。

12.根据权利要求11所述的用于燃料电池的多组转换器串联系统控制方法，其特征在于其中所述的决定充电步骤是由该子控制器控制该双向转换器，以借此控制该蓄电池进行充电。

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