CN1979937A - 用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备包括：功率变换器系统(PCS)控制功率供应，其从线路功率生成PCS控制功率；外围设备(BOP)功率供应，其从线路功率生成BOP功率；调节器，其从BOP功率生成PCS控制功率；第一切换单元，其通过控制信号切换，将线路功率引导到PCS控制功率供应和BOP功率供应中的一个；第二切换单元，其通过控制信号切换，选择PCS控制功率供应和调节器中之一的输出以提供PCS控制功率；以及控制器，其响应启动命令控制第一和第二切换单元的切换。

Description

用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，并且更加具体地，涉及用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法，其通过在初始启动燃料电池系统时稳定地向功率变换器系统(PCS)控制板供应功率而改善了燃料电池系统的运行效率。
背景技术
通常，燃料电池是从燃料生成电能的设备。
在燃料电池的例子中，在聚合物电解质膜的两侧安装阳极和阴极。在阳极(也被称为氧化电极)处发生作为燃料的氢的电化氧化，并且在阴极(也被称为还原电极)处发生作为氧化剂的氧的电化还原。
燃料电池通过电化氧化和还原生成电子，并且通过电子的移动生成电能。
示范性的燃料电池包括磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。
燃料电池的示范性应用包括商用燃料电池、家用燃料电池、用于电动车的车用燃料电池、以及用于便携式终端或笔记本式计算机的小型燃料电池。
家用燃料电池已被改进以有效运行家庭中的家用电器或照明设备。商用燃料电池已被改进以有效运行购物中心或工厂中的照明设备、电动机或机器。
燃料电池系统可以连接到诸如电气功率设施那样的线路功率供应系统。如果通过燃料电池系统向负载供应的功率不足，则从线路功率供应系统向燃料电池系统供应不足量的功率。如果通过燃料电池系统向负载供应的功率过多，则燃料电池系统将额外的功率供应给线路功率供应系统。
图1是显示用于线路连接类型的燃料电池系统的传统功率供应设备的方框图。
参考图1，传统的功率供应设备包括燃料电池1、DC/DC转换单元2、变换器3、线路功率供应单元4、外围设备(balance of plant，BOP)功率供应单元5和功率变换器系统(PCS)控制功率供应单元6。
变换器3中的整流器(未显示)将从线路功率供应单元4输出的AC线路功率转换成DC线路功率。当初始启动燃料电池系统时，BOP功率供应单元5接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定电压电平的BOP功率，并且将BOP功率供应给燃料电池系统的BOP部件。
示范性的BOP部件包括：空气供应装置(像但不限于例如压缩机、泵等之类)，其向燃料电池1供应氧；以及燃料供应装置，其向燃料电池1供应燃料。
燃料电池1通过使来自空气供应装置(未显示)的氧和来自燃料供应装置(未显示)的燃料起反应来生成DC功率。
DC/DC转换单元2提高燃料电池1所生成的DC功率的电压，并且输出提高的DC功率。
变换器3将从DC/DC转换单元2输出的DC功率转换成AC功率，并且将AC功率供应给至少一个负载。
三端双向可控硅开关Tr，其在燃料电池系统初始启动时断开并在燃料电池系统启动之后接通，以及充电电阻器CR，其并联连接到三端双向可控硅开关Tr以控制DC链电压的充电，连接在变换器3的输出端和线路功率线之间。
在初始启动期间，PCS控制功率供应单元6接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板(未显示)作为运行功率。
现在来解释用于线路连接类型的燃料电池系统的传统功率供应设备的运行。
控制器(未显示)根据燃料电池系统的启动命令断开三端双向可控硅开关Tr。然后，通过线路功率供应单元4输出的线路功率穿过充电电阻器CR，并且被供应到变换器3中的整流器。整流器将AC线路功率转换成DC线路功率，并且将DC线路功率供应给DC链电容器C，以充电DC链电容器C。
在DC链电容器C被充电到某种程度之后，BOP功率供应单元5接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定电压电平的BOP功率，并且将BOP功率供应给燃料电池系统的BOP部件。
PCS控制功率供应单元6同样接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板。
因此，BOP部件和PCS控制板被提供以功率，以在燃料电池1中发电。
亦即，燃料电池1从BOP部件(未显示)接收燃料和空气，并且所述燃料和空气一起起反应以生成DC功率。
其后，DC/DC转换单元2提高燃料电池1所生成的DC功率的电压，并且将提高的DC功率输出到变换器3。变换器3将通过DC/DC转换单元2输出的DC功率转换成AC功率，并且将AC功率供应给负载。
控制器(未显示)监视DC功率是否已通过燃料电池1生成。如果控制器感应到DC功率，则控制器使三端双向可控硅开关Tr导通，从而将AC功率从变换器3通过导通的三端双向可控硅开关Tr传输到负载。
然而，传统的功率供应设备在初始启动燃料电池系统时，必须充电具有大电容的DC链电容器C。因此，大的电流在初始启动中不久就流动，从而使充电电阻器短路。
另外，当DC链电容器C在充电时，功率被供应给PCS控制板，这造成了PCS控制板的误操作。
发明内容
因此，本发明的特征是用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法，其能够向燃料电池系统供应运行功率和控制功率而没有充电电阻器。
本发明的另一个特征是用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法，其能够通过在初始启动燃料电池系统时，在向BOP部件供应功率之前向PCS控制板供应稳定的功率，来防止PCS控制板在初始启动中被错误地操作。
为了实现至少这些特征，提供了用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备，其包括：功率变换器系统(PCS)控制功率供应，其从线路功率生成PCS控制功率；外围设备(BOP)功率供应，其从线路功率生成BOP功率；调节器，其从BOP功率生成PCS控制功率；第一切换单元，其通过控制信号切换，将线路功率引导到PCS控制功率供应和BOP功率供应中的一个；第二切换单元，其通过控制信号切换，选择PCS控制功率供应和调节器中之一的输出以提供PCS控制功率；以及控制器，其响应启动命令控制第一和第二切换单元的切换。
当生成启动命令时，控制器可以断开第一切换单元。当生成启动命令时，控制器可以输出控制信号，其控制第二切换单元，以将PCS控制功率供应的输出端连接到PCS控制板。
当在燃料电池中生成DC功率时，控制器可以使第一切换单元导通。当在燃料电池中生成DC功率时，控制器可以输出控制信号，其控制第二切换单元，以将调节器的输出端连接到PCS控制板。
PCS控制功率供应可以将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。BOP功率供应可以将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
还提供了用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备，其包括：充电单元，其将AC线路功率转换成DC线路功率；PCS控制功率供应，其从DC线路功率生成PCS控制功率；BOP功率供应，其从线路功率生成BOP功率；切换单元，其通过控制信号切换，将AC线路功率朝向PCS控制功率供应和BOP功率供应中之一引导；以及控制器，其基于PCS控制功率的生成输出控制信号以控制切换单元的切换。
当生成启动命令时，控制器可以断开切换单元，将AC线路功率引导到充电单元。当通过PCS控制功率供应生成PCS控制功率时，控制器可以使切换单元导通，朝向BOP功率供应单元引导AC线路功率。
PCS控制功率供应单元可以将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。BOP功率供应可以将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
还提供了用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应方法，其包括：当生成启动命令时，从线路功率生成PCS控制功率；从线路功率生成BOP功率；向燃料电池供应BOP功率以生成DC功率；以及从燃料电池所生成的DC功率生成BOP功率和PCS控制功率。
功率供应方法还可以包括将燃料电池所生成的DC功率的电压电平变为预定电压电平，其中基于所述预定电压电平生成BOP功率和PCS控制功率。功率供应方法还可以包括调节生成的BOP功率，其中从所述调节的BOP功率生成PCS控制功率。
从线路功率生成PCS控制功率可以包括将线路功率转换成具有预定电压电平的DC功率。从线路功率生成BOP功率可以包括将线路功率转换成具有预定电压电平的DC功率。
还提供了用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应方法，其包括：从线路功率生成PCS控制功率；从线路功率生成BOP功率；向燃料电池供应BOP功率以生成DC功率；以及从燃料电池所生成的DC功率生成BOP功率和PCS控制功率。
功率供应方法可以包括将燃料电池所生成的DC功率的电压电平变为预定电压电平，其中基于所述预定电压电平生成BOP功率和PCS控制功率。功率供应方法还可以包括调节生成的BOP功率，其中从所述调节的BOP功率生成PCS控制功率。
功率供应方法还可以包括将线路功率转换成DC线路功率，其中从线路功率生成PCS控制功率包括将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。从线路功率生成BOP功率可以包括将线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
当结合附图时，从本发明的以下详细描述中，本发明的前述以及其他目标、特征、方面和优点将会变得更加明显。
附图说明
附图，其被包括以提供本发明的进一步理解并且被并入并构成本说明书的部分，显示了本发明的实施例，并且和描述一起用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1是显示用于线路连接类型的燃料电池系统的传统功率供应设备的方框图；
图2是显示根据本发明的第一实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的方框图；
图3是显示根据本发明的实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应方法的流程图；以及
图4是显示根据本发明的第二实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的方框图。
具体实施方式
现在将要对本发明的优选实施例详细地进行参考，其例子显示在附图中。
现在参考附图来详细地描述能够改善燃料电池系统可靠性的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备和方法。
图2是显示根据本发明的第一实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的方框图。
如图2所示，功率供应设备包括燃料电池10、DC/DC转换单元20、变换器30、线路功率供应单元40、三端双向可控硅开关Tr、切换单元90、控制器80、BOP功率供应单元50和调节器60。
燃料电池10包括由阳极和阴极组成的堆叠(未显示)，其通过氢和氧的电化学反应发电，并且从所述堆叠(未显示)中生成DC功率。
DC/DC转换单元20改变燃料电池10所输出的DC功率的电压(亦即提高或降低电压)。
变换器30将DC/DC转换单元20所输出的DC功率转换成AC功率，并且将AC功率供应给至少一个负载。
变换器30包括整流器，其当初始启动燃料电池系统时，将来自线路功率供应单元40的AC线路功率转换成DC线路功率，并且通过DC链电容器C向BOP功率供应单元50供应DC线路功率。
线路功率供应单元40生成AC线路功率，并且将AC线路功率供应给燃料电池系统和每个负载。
BOP功率供应单元50在初始启动燃料电池系统时通过三端双向可控硅开关Tr接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定DC电压的BOP功率，并且将BOP功率供应给燃料电池系统的至少一个BOP部件。当燃料电池10输出DC功率时，BOP功率供应单元50将燃料电池所输出的DC功率转换成BOP功率，并且将BOP功率供应给BOP部件。
调节器60将BOP功率供应单元50所输出的BOP功率的电压改变(亦即提高或降低)到预定电平以生成PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板。
PCS控制功率供应单元70将AC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板。
切换单元90通过控制信号切换，以将调节器60的输出端或PCS控制功率供应单元70的输出端连接到PCS控制板。
亦即，切换单元90通过控制信号切换，以或者选择从调节器60输出的PCS控制功率，或者选择从PCS控制功率供应单元70输出的PCS控制功率。
控制器80由PCS控制功率供电，并且控制三端双向可控硅开关Tr和切换单元90的切换。
当生成启动命令时，控制器80断开三端双向可控硅开关Tr，并且输出控制信号以控制切换单元90，以将PCS控制功率供应单元70的输出端连接到PCS控制板。
另外，当感应到燃料电池10生成DC功率时，控制器80使三端双向可控硅开关Tr导通，并且输出控制信号以控制切换单元90，以将调节器60的输出端连接到PCS控制板。
现在参考图3来描述根据本发明的第一实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的运行。
当生成启动命令时(SP1)，控制器80断开三端双向可控硅开关Tr，从而防止线路功率从AC线路功率供应单元40传输到变换器30。
PCS控制功率供应单元70将来自线路功率供应单元40的AC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率，并且输出PCS控制功率。
这里，控制器80切换所述切换单元90，以将PCS控制功率供应单元70连接到PCS控制板。因此，来自PCS控制功率供应单元70的PCS功率被作为PCS控制板的运行功率供应(SP2)。
其后，控制器80使三端双向可控硅开关Tr导通，并且切换所述切换单元90，以将调节器60的输出端连接到PCS控制板。
变换器30中的整流器将来自线路功率供应单元40的AC线路功率转换成DC线路功率，并且BOP功率供应单元50通过DC链电容器C接收DC线路功率，将DC线路功率的电压电平改变到预定DC电压电平，并且将具有改变的DC电压电平的DC功率作为BOP功率供应给BOP部件(SP3)。
燃料电池系统通过BOP功率驱动，以在燃料电池10中生成DC电压(SP4)。
DC/DC转换单元20改变燃料电池10所生成的DC功率的电压，并且将改变的DC电压供应给变换器30。变换器30将来自DC/DC转换单元20的DC功率转换成AC功率，并且将AC功率供应给每个负载。
当感应到来自变换器30的AC功率时，控制器90将当前状态看作正常状态，并且切换所述切换单元90，以将调节器60连接到PCS控制板。
BOP功率供应单元50将DC/DC转换单元20所输出的DC功率的电压改变到预定电压电平，将改变的DC功率作为BOP功率供应给BOP部件，并且将BOP功率供应给调节器60(SP5)。
调节器60将BOP功率转换成具有预定DC电压电平的PCS功率，并且通过切换单元90向PCS控制板供应PCS功率。这持续直到接收到停止命令为止(SP6)。
图4是显示根据本发明的第二实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的方框图。
如图4所示，功率供应设备包括：线路功率供应单元40，其供应AC线路功率；充电单元100，其以有限的电流将AC线路功率转换成DC线路功率；PCS控制功率供应单元70，其将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板；BOP功率供应单元50，其将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率，并且将BOP功率供应给BOP部件；三端双向可控硅开关Tr，其通过控制信号切换，将来自线路功率供应单元40的AC线路功率引导到PCS控制功率供应单元70或BOP功率供应单元50；以及控制器200，其根据PCS控制功率的生成来控制三端双向可控硅开关Tr的切换。
充电单元100包括充电电阻器PCR，其限制通向PCS控制功率供应单元70中的充电电容器(未显示)的电流。充电电阻器PCR具有比传统普通充电电阻器小得多的电阻。
现在来描述根据本发明的第二实施例的用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备的运行。
当生成启动命令时，控制器200断开三端双向可控硅开关Tr(使它不导通)，从而将线路功率从线路功率供应单元40通过充电单元100引导到PCS控制功率供应单元70。充电单元100的二极管D2将AC线路功率转换成DC线路功率。
PCS控制功率供应单元70将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板。
在PCS控制功率供应单元70生成PCS控制功率之后，控制器200接通三端双向可控硅开关Tr(使它导通)。
线路功率然后通向变换器30，在那里被变换器30中的整流器转换成DC线路功率。BOP功率供应单元50通过DC链电容器C接收DC线路功率，将DC线路功率转换成具有预定电压电平的BOP功率，并且将BOP功率供应给BOP部件(未显示)。
燃料电池系统通过BOP功率驱动，以通过燃料电池10生成DC功率。DC/DC转换单元20改变燃料电池10所生成的DC功率的电压，并且将改变的DC功率输出到变换器30。
变换器30将DC/DC转换单元20所输出的DC功率转换成AC功率，并且将AC功率供应给每个负载。
进一步，PCS控制功率供应单元70将DC/DC转换单元20所输出的DC功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率，并且将PCS控制功率供应给PCS控制板(未显示)。
这样一来，上面描述的功率供应设备和方法就能够向燃料电池系统供应运行功率和控制功率而没有充电电阻器。
所述功率供应设备和方法还能够在初始启动燃料电池系统时，通过在向BOP部件供应功率之前向PCS控制板供应稳定的功率，来防止PCS控制板在初始启动中被错误地操作。
因为可以用若干形式具体表达本发明而不脱离其精神或本质特征，所以同样应当理解，上述实施例并不由任何的前述描述的细节所限制，除非另有说明，而是应当在如附加的权利要求中所限定的其精神和范围之内广泛地解释，因此落在权利要求的边界和界限或这样的边界和界限的等价物之内的所有变化和修改，都打算为附加的权利要求所包括。

Claims (22)

1.一种用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备，包括：
功率变换器系统(PCS)控制功率供应，其从线路功率生成PCS控制功率；
外围设备(BOP)功率供应，其从线路功率生成BOP功率；
调节器，其从所述BOP功率生成PCS控制功率；
第一切换单元，其通过控制信号切换，将所述线路功率引导到所述PCS控制功率供应和所述BOP功率供应中的一个；
第二切换单元，其通过控制信号切换，选择所述PCS控制功率供应和所述调节器中之一的输出以提供PCS控制功率；以及
控制器，其响应启动命令控制所述第一和第二切换单元的切换。
2.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，当生成所述启动命令时，所述控制器断开所述第一切换单元。
3.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，当生成所述启动命令时，所述控制器输出控制信号，其控制所述第二切换单元，以将所述PCS控制功率供应的输出端连接到PCS控制板。
4.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，当在燃料电池中生成DC功率时，所述控制器使所述第一切换单元导通。
5.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，当在所述燃料电池中生成DC功率时，所述控制器输出控制信号，其控制所述第二切换单元，以将所述调节器的输出端连接到PCS控制板。
6.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，所述PCS控制功率供应将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。
7.如权利要求1所述的功率供应设备，其中，所述BOP功率供应将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
8.一种用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应设备，其包括：
充电单元，其将AC线路功率转换成DC线路功率；
功率变换器系统(PCS)控制功率供应，其从所述DC线路功率生成PCS控制功率；
外围设备(BOP)功率供应，其从线路功率生成BOP功率；
切换单元，其通过控制信号切换，将所述AC线路功率朝向所述PCS控制功率供应和所述BOP功率供应中之一引导；以及
控制器，其基于所述PCS控制功率的生成输出控制信号以控制所述切换单元的切换。
9.如权利要求8所述的功率供应设备，其中，当生成启动命令时，所述控制器断开所述切换单元，将所述AC线路功率引导到所述充电单元。
10.如权利要求8所述的功率供应设备，其中，当PCS控制功率通过所述PCS控制功率供应生成时，所述控制器使所述切换单元导通，朝向所述BOP功率供应单元引导所述AC线路功率。
11.如权利要求8所述的功率供应设备，其中，所述PCS控制功率供应单元将所述DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。
12.如权利要求8所述的功率供应设备，其中，所述BOP功率供应将DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
13.一种用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应方法，其包括：
当生成启动命令时，从线路功率生成功率变换器系统(PCS)控制功率；
从所述线路功率生成外围设备(BOP)功率；
向燃料电池供应所述BOP功率以生成DC功率；以及
从所述燃料电池所产生的所述DC功率生成BOP功率和PCS控制功率。
14.如权利要求13所述的功率供应方法，进一步包括将所述燃料电池所生成的所述DC功率的电压电平变为预定电压电平，其中基于所述预定电压电平生成所述BOP功率和PCS控制功率。
15.如权利要求13所述的功率供应方法，进一步包括调节所述生成的BOP功率，其中从所述调节的BOP功率生成所述PCS控制功率。
16.如权利要求13所述的功率供应方法，其中，从所述线路功率生成所述PCS控制功率包括将所述线路功率转换成具有预定电压电平的DC功率。
17.如权利要求13所述的功率供应方法，其中，从所述线路功率生成所述BOP功率包括将所述线路功率转换成具有预定电压电平的DC功率。
18.一种用于线路连接类型的燃料电池系统的功率供应方法，其包括：
从线路功率生成功率变换器系统(PCS)控制功率；
从所述线路功率生成外围设备(BOP)功率；
向燃料电池供应所述BOP功率以生成DC功率；以及
从所述燃料电池所生成的所述DC功率生成BOP功率和PCS控制功率。
19.如权利要求18所述的功率供应方法，进一步包括将所述燃料电池所生成的所述DC功率的电压电平变为预定电压电平，其中基于所述预定电压电平生成所述BOP功率和PCS控制功率。
20.如权利要求18所述的功率供应方法，进一步包括调节所述生成的BOP功率，其中从所述调节的BOP功率生成所述PCS控制功率。
21.如权利要求18所述的功率供应方法，进一步包括将所述线路功率转换成DC线路功率，其中从所述线路功率生成所述PCS控制功率包括将所述DC线路功率转换成具有预定DC电压电平的PCS控制功率。
22.如权利要求18所述的功率供应方法，其中从所述线路功率生成所述BOP功率包括将线路功率转换成具有预定DC电压电平的BOP功率。
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