TW202345501A - 非隔離式單輸入雙輸出雙向升降壓直流-直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
各種實施例可以提供非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器。各種實施例可以提供用於控制一非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一降壓占空比的一方法，使得跨在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一第一部分上測量到的一第一電壓保持在低於一第一負載的一電壓，並且跨在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一第二部分上測量到的一第二電壓保持在低於一第二負載的一電壓。
Description
本發明一般涉及發電系統，特別是涉及發電系統的直流-直流（DC-DC）轉換器。
諸如燃料電池之類的電化學裝置可以高效地將儲存在燃料中的能量轉換成電能。在諸如固體氧化物燃料電池（SOFC）系統的燃料電池系統中，氧化流通過燃料電池的陰極側，而燃料入口流通過燃料電池的陽極側。氧化流通常是空氣，而燃料流可以是碳氫化合物燃料，例如甲烷、天然氣、戊烷、乙醇或甲醇。燃料電池能夠將帶負電的氧離子從陰極流動流傳輸到陽極流動流，在陽極流動流中，離子與游離氫或碳氫化合物分子中的氫結合形成水蒸氣和/或一氧化碳形成二氧化碳。來自帶負電的離子的多餘電子通過在陽極和陰極之間完成的電路而回到燃料電池的陰極側，從而導致電流流過電路。
SOFC系統可在許多不同佈置下用於為許多不同設備供電。例如，SOFC 系統可用於為電池充電和/或為微電網供電。在 SOFC 系統應用中，直流-直流（DC-DC） 轉換器很受歡迎，以支援 SOFC 系統的高效運行。具體而言，雙向DC-DC轉換器廣泛用於電池充電和微電網應用。
因此，除了提供其他技術優勢之外，還需要能夠克服上述一個或多個限制的技術。
僅出於介紹以簡化形式呈現的概念的目的而提供該發明內容。這並不旨在以任何方式識別要求保護的發明的基本特徵或限制本發明的範圍。
各種實施例可以提供非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器。各種實施例可以提供一種用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比（buck duty cycle）的方法，使得在非隔離式SIDO雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第一部分上測量的第一電壓保持在小於第一負載的電壓，並且在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第二部分上測量的第二電壓保持在小於第二負載的電壓。
實施例包括一種用於控制連接到DC源、第一負載和第二負載的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的方法。該方法包括確定第一負載的第一電壓；確定第二負載的第二電壓。該方法包括控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比，使得在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的第一部分上測量的第一電壓被維持在小於第一負載的第一電壓，並且在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的第二部分上測量的第二電壓被維持在小於第二負載的第二電壓。
在另一個實施例中，公開了一種非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括配置為連接到DC源的正極端的第一輸入端。非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器還包括：第二輸入端，被配置為連接到 DC 源的負極端；第一可控開關，包括相應的第一側和第二側。第一可控開關的一側連接到第一輸入端。第二可控開關包括相應的第一側和第二側。第二可控開關的第一側連接到第一可控開關的第二側。第二可控開關的第二側連接到第二輸入端。此外，非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器包括具有相應第一側和第二側的第一電感器。第一電感器的第一側連接到第一可控開關的第二側以及第二可控開關的第一側。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括具有相應第一側和第二側的第三可控開關。第三可控開關的第一側連接到第一電感器的第二側。第四可控開關包括相應的第一側和第二側。第四可控開關的第一側連接到第三可控開關的第二側。此外，第二電感器包括相應的第一側和第二側。第二電感器的第一側連接到第四可控開關的第二側，並且第二電感器的第二側連接到第二可控開關的第二側和第二輸入端。第五可控開關包括相應的第一側和第二側。第五可控開關的第二側連接到第一電感器的第二側和第三可控開關的第一側。第六可控開關包括相應的第一側和第二側。第六可控開關的第一側連接到第四可控開關的第二側和第二電感器的第一側。第一電壓輸出電路部分包括相應的第一側和第二側。第一電壓輸出電路部分的第一側連接到第五可控開關的第二側。第一電壓輸出電路部分被配置為向第一負載輸出第一直流電壓。第二電壓輸出電路部分包括相應的第一側和第二側。第一電壓輸出電路部分的第二側、第二電壓輸出電路部分的第一側、第三可控開關的第二側和第四可控開關的第一側連接在一起。第二電壓輸出電路部分的第二側連接到第六可控開關的第二側。進一步地，第二電壓輸出電路部分被配置為向第二負載輸出第二直流電壓。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括控制器，其連接第一可控開關、第二可控開關、第三可控開關、第四可控開關、第五可控開關和第六可控開關。控制器被配置為根據主占空比（main duty cycle）至少控制第一可控開關和第二可控開關。控制器被配置為根據至少部分地基於主占空比的第一升壓控制占空比（boost control duty cycle）來控制第三可控開關和第五可控開關。此外，控制器被配置為根據至少部分地基於主占空比的第二升壓控制占空比來控制第四可控開關和第六可控開關。控制器被配置為控制主占空比，第一升壓控制占空比和第二升壓控制占空比，使得當第一負載大於第二負載時，第一升壓控制占空比大於第二升壓控制占空比，並且當第二負載大於第一負載時，第二升壓控制占空比大於第一升壓控制占空比。
在另一個實施例中，公開了一種非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括被配置為連接到DC源的正極端的第一輸入端和被配置為連接到DC源的負極端的第二輸入端。第一電容器包括相應的第一側和第二側。第一電容器的第一側連接到第一輸入端。第二電容器包括相應的第一側和第二側。第二電容器的第一側連接到第一電容器的第二側，第二電容器的第二側連接到第二輸入端。第一可控開關包括相應的第一側和第二側。第一可控開關的第一側連接到第一輸入端和第一電容器的第一側。第二可控開關包括相應的第一側和第二側。第二可控開關的第一側連接到第一可控開關的第二側，第二可控開關的第二側連接到第二輸入端。第一電感器包括相應的第一側和第二側。第一電感器的第一側連接到第一可控開關的第二側和第二可控開關的第一側。第三可控開關包括相應的第一側和第二側。第三可控開關的第一側連接到第一電感器的第二側。第四可控開關包括相應的第一側和第二側。第四可控開關的第一側連接到第三可控開關的第二側。第二電感器包括相應的第一側和第二側。第二電感器的第二側連接到第四可控開關的第二側，並且第二電感器的第二側連接到第二可控開關的第二側、第二輸入端和第二電容器的第二側。第五可控開關包括相應的第一側和第二側。第五可控開關的第二側連接到第一電感器的第二側和第三可控開關的第一側。第六可控開關包括相應的第一側和第二側。第六可控開關的第一側連接到第四可控開關的第二側和第二電感器的第一側。第一電壓輸出電路部分包括相應的第一側和第二側。第一電壓輸出電路部分的第一側連接到第五可控開關的第二側。第一電壓輸出電路部分被配置為向第一負載輸出第一直流電壓。第二電壓輸出電路部分包括相應的第一側和第二側。第一電壓輸出電路部分的第二側、第二電壓輸出電路部分的第一側、第三可控開關的第二側、第四可控開關的第一側、第一電容器的第二側與第二電容器的第一側連接在一起。第二電壓輸出電路部分的第二側連接到第六可控開關的第二側。第二電壓輸出電路部分被配置為向第二負載輸出第二直流電壓。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器還包括控制器，連接第一可控開關、第二可控開關、第三可控開關、第四可控開關、第五可控開關和第六可控開關。控制器被配置為根據主占空比至少控制第一可控開關和第二可控開關並且根據至少部分地基於主占空比的第一升壓控制占空比控制第三可控開關和第五可控開關。控制器被配置為根據至少部分地基於主占空比的第二升壓控制占空比來控制第四可控開關和第六可控開關。控制器被配置為控制主占空比、第一升壓控制占空比和第二升壓控制占空比，使得在第一電感器和第三可控開關上測量的第一控制電壓保持在小於第一直流電壓，以及在第二電容器上測量的第二控制電壓保持在小於第二直流電壓。
在又一個實施例中，公開了一種發電系統。發電系統包括直流電源、第一負載、第二負載以及連接到直流電源、第一負載和第二負載的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器。 非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括控制器，該控制器被配置為根據上述任何方法控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的操作和/或其中SIDO升降壓DC-DC轉換器是上述任一實施例的SIDO升降壓DC-DC轉換器。在多個實施例中，DC源是固體氧化物燃料電池（SOFC）系統。
在以下描述中，出於解釋的目的，闡述了許多具體細節以提供對本公開內容的廣泛理解。然而，對於本領域的技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐本公開。在其他情況下，系統和方法僅以框圖形式示出以避免混淆本公開。
在本說明書中對“一個實施例”或“實施例”的引用意味著結合該實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本公開的至少一個實施例中。在說明書中的各個地方出現的短語“在一個實施例中”不一定都指同一實施例，也不是與其他實施例相互排斥的單獨的或替代的實施例。此外，描述了可以由一些實施例而不是由其他實施例呈現的各種特徵。類似地，描述了各種要求，這些要求可能是一些實施例的要求，而不是其他實施例的要求。
此外，儘管出於說明的目的，以下描述包含許多細節，但是本領域技術人員將理解，對所述細節的許多變化和/或改變在本公開的範圍內。類似地，儘管本公開的許多特徵是根據彼此或彼此結合來描述的，但是本領域技術人員將理解，這些特徵中的許多可以獨立於其他特徵來提供。因此，本公開的該描述在不損失對本公開的一般性並且不對本公開施加限制的情況下被闡述。
概述
本公開的各種實施例提供了一種電力系統。電力系統包括直流 （DC） 電源，該電源通過非隔離式單輸入雙輸出 （SIDO） 雙向升降壓直流-直流 （DC-DC） 轉換器與兩個下游負載和/或設備連通。在各種實施例中，非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器可以是可控的，以相等或不相等的方式將DC電壓從DC源輸出到兩個下游負載。在各種實施例中，當兩個下游負載和/或設備的功率需求不相等時，非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的占空比可以作為負載功率的函數來控制。各種實施例可以提供一種用於控制非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的方法，使得在非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的第一部分上測量的第一電壓保持在低於第一負載的電壓，並且在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第二部分上測量的第二電壓保持在低於第二個負載的電壓。在一個實施例中，直流源可以是直流電源，例如燃料電池系統、光伏系統、熱電系統等。
在下文中參考圖1到圖7A-7D描述了本公開的各種示例實施例。
圖1示出了美國專利號8,440,362中描述的示例性模組化燃料電池系統，該專利通過引用整體併入本文。模組化系統可以包含上述以及在 2015 年 11 月 17 日發佈的題為“模組化燃料電池系統”的美國專利號 9,190,693 中描述的模組和部件，該專利的全部內容通過引用併入本文。燃料電池系統封裝10的模組化設計提供靈活的系統安裝和操作。
模組化燃料電池系統封裝 10 包括多個功率模組外殼 12 （包含燃料電池功率模組元件）、一個或多個燃料輸入 （即燃料處理） 模組外殼 16、以及一個或多個功率調節 （即電輸出）模組外殼18。例如，系統封裝10可以包括任何期望數量的模組，例如2-30個功率模組，例如6-12個功率模組。圖1示出了系統封裝10，其在公共基座20上包含六個功率模組（一排六個模組並排堆疊）、一個燃料處理模組和一個功率調節模組。每個模組可以包括其本身的櫃或外殼。可選地，功率調節和燃料處理模組可以組合成位於一個櫃或外殼14中的單個輸入/輸出模組。為簡潔起見，每個外殼12、14、16、18將在下文中稱為“模組”。
雖然示出了一排功率模組12，但是系統可以包括多於一排的功率模組12。例如，系統可以包括背靠背堆疊的兩排功率模組。
每個功率模組12被配置為容納一個或多個熱箱13。每個熱箱包含一個或多個燃料電池堆或柱（為簡明起見未示出），例如一個或多個固體氧化物燃料堆或柱，具有由導電互連板隔開的陶瓷氧化物電解質的電池。也可以使用其他燃料電池類型，例如PEM、熔融碳酸鹽、磷酸等。
模組化燃料電池系統封裝10還包含一個或多個輸入或燃料處理模組16。燃料處理模組16包括櫃，該櫃包含用於燃料預處理的部件，例如脫硫劑床。燃料處理模組16可設計成處理不同類型的燃料。例如，柴油燃料處理模組、天然氣燃料處理模組和乙醇燃料處理模組可以設置在相同或分開的櫃中。可以在每個燃料處理模組16中提供為特定燃料定制的不同床組成。燃料處理模組16可以處理選自管道提供的天然氣、壓縮天然氣、甲烷、丙烷、液化石油氣、汽油、柴油、家用取暖油、煤油、JP-5、JP-8、航空燃料、氫、氨、乙醇、甲醇、合成氣、沼氣、生物柴油和其他合適的碳氫化合物或含氫燃料。如果需要，重整器17可以位於燃料處理模組16中。或者，如果需要，將重整器17與燃料電池堆熱集成，則單獨的重整器17可以位於每個熱箱13中。此外，如果使用內部重整燃料電池，則可以完全省略外部重整器（例如重整器17）。
模組化燃料電池系統封裝 10 還包含一個或多個功率調節模組 18。功率調節模組 18 包括櫃，該櫃包含用於將燃料電池堆產生的直流電轉換為交流電的元件、用於交流電輸出到電網的電連接器，用於管理電氣瞬變的電路，系統控制器（例如，電腦或專用控制邏輯裝置或電路）。功率調節模組18可以設計成將來自燃料電池模組的DC電轉換成不同的AC電壓和頻率。可以通過針對 208V、60Hz ；480V，60Hz； 415V、50Hz 和其他常見電壓和頻率的設計。
燃料處理模組 16 和功率調節模組 18 可容納在一個輸入/輸出櫃 14 中。如果提供單個輸入/輸出櫃 14，則模組 16 和 18 可垂直放置（例如，功率調節模組 18元件 位於燃料處理模組 16 脫硫罐/床之上）或並排在櫃14 中。
如圖1中的一個示例性實施例所示，為一排六個功率模組12提供一個輸入/輸出櫃14，這些功率模組12並排線性佈置在輸入/輸出模組14的一側。該排功率模組例如可以定位在與系統為其供電的建築物相鄰的位置（例如，模組櫃的背面朝向建築物牆壁）。雖然示出了一排功率模組12，但系統可以包括多於一排的功率模組12。例如，如上所述，系統可以包括背靠背堆疊的兩排功率模組。
功率模組 12 和輸入/輸出模組 14 中的每一個都包括門 30 （例如，艙口、檢修面板等），以允許檢修模組的內部部件 （例如，用於維護、修理、更換等）。根據一個實施例，功率模組12和14佈置成線性陣列，其僅在每個櫃的一個面上具有門30，從而允許連續的一排系統被安裝成彼此端部鄰接。以這種方式，燃料電池封裝10的尺寸和容量可以通過額外的功率模組12或14和基座20進行調整，而對現有功率模組12和14以及基座20所需的重新佈置最少。如果需要，功率模組14的門30可以在櫃的側面而不是在前面。
圖2圖示了包括燃料電池堆或柱40的燃料電池系統熱箱13的平面圖。熱箱13顯示為包括燃料電池堆或柱40。然而，熱箱13可以包括兩個或更多個堆或柱40。堆或柱40可包括彼此堆疊的電連接的燃料電池45，互連50設置在燃料電池45之間。堆或柱中的第一個和最後一個燃料電池45設置在相應的端板60 和互連50之間。端板60電連接到燃料電池堆或柱40的電輸出。熱箱13可包括其他部件，例如燃料導管、空氣導管、密封件、電觸點等，以及可以結合到包括電廠輔機設備（balance of plant components）的燃料電池系統中。燃料電池45可以是固體氧化物燃料電池，其包含陶瓷電解質（例如氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）或氧化鈧穩定氧化鋯（SSZ） ）、陽極電極（例如鎳-YSZ、Ni-SSZ或鎳-氧化釤摻雜的二氧化鈰 （SDC） 金屬陶瓷）和陰極電極（例如錳酸鑭鍶 （LSM） ）。互連50和/或端板60可包括任何合適的不透氣且導電的材料，例如鉻-鐵合金，例如包含4至6重量％鐵和餘量鉻的合金。互連50電連接相鄰的燃料電池45並為燃料和空氣提供到達燃料電池45的通道。
圖3示出了根據實施例的燃料電池發電系統300的簡化圖。如圖3所示，系統300可以包括輸入/輸出模組（IOM）310、燃料電池系統（例如SOFC系統）320、直流-直流轉換器330a（例如非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器）以及兩個負載350和360。負載350和360可以包括旨在從SOFC系統320汲取電力的任何設備或設備組，例如不斷電供應系統系統（UPS）、“微電網”、各種電腦或和/或伺服器（例如，佈置在伺服器場中的伺服器）、機電設備、照明設備、氣候控制系統等。負載 350 和 360 也可以可選地單獨連接到其他元件（包括電網 301、替代電源、電池等），以便當 SOFC 系統 320 提供的電力少於負載 350 和 360 所需的電力時，負載 350 和 360 可以可選地汲取電力。如果負載 350 和 360為直流負載，則可直接電連接至直流-直流轉換器330a。如果負載350和360是交流（AC）負載，則DC-AC逆變器可以位於直流-直流轉換器330a的輸出和負載350和360的輸入之間。
IOM 310可以將SOFC系統320連接到電網301。IOM 310可以包括逆變器310a，如圖3A所示。用於將來自SOFC系統320的DC輸出轉換為AC以供電網301使用。IOM 310還可以包括其他合適的元件（未示出），包括但不限於控制器、電阻負載組、斷路器,和繼電器。應當理解，IOM 310 是可選的，將燃料電池系統 320 連接到電網 301 也是如此。還應當理解，IOM 310 的特徵或元件可以結合到其他元件中，例如燃料電池系統320。
為方便起見，燃料電池系統320在圖3A中示出為包括通用電源320a。燃料電池系統320和/或電源320a可以包括例如圖1所示的SOFC系統，其包含圖1和圖2所示的熱箱13。為簡潔起見，燃料電池系統320在下文中被稱為“SOFC系統320”。然而，應當理解，燃料電池系統320可以包括其他類型的燃料電池，例如PEM燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。SOFC系統320還可以包括許多其他合適的部件（未示出），如儲能裝置（如電池或超級電容器）、燃料閥、燃料和空氣鼓風機、斷路器、溫度計等。
SOFC系統320可以包括控制器320b （如圖3A所示）。控制器320b可以包括可控制SOFC系統320和/或電源320a的某些方面的任何合適的邏輯。例如，控制器320b可以控制進入SOFC系統的燃料流量、來自SOFC系統的輸出電壓、進入SOFC系統的空氣流量以及SOFC系統中的燃料再迴圈率等。例如，控制器320b可以控制SOFC系統320對系統300的其他元件的輸出電壓和/或功率，例如對IOM 310和/或直流-直流轉換器330a的輸出電壓和/或功率。此外，控制器320b可以直接或間接地與系統300中的其他元件和/或遠端控制終端進行通信。
直流-直流轉換器330a可以以與負載350和360相容的更高和/或更低電壓從SOFC系統320提供直流電壓輸出。如圖3A所示，直流-直流轉換器330a還可以包括控制器330b。控制器330b可以類似於控制器320b，如上文關於SOFC系統320中所描述的，並且可以執行與控制器320b類似的一些功能，適用於直流-直流轉換器330a。或者，單個控制器可以控制SOFC系統320和直流-直流轉換器330a兩者。控制器330b可以連接到直流-直流轉換器330a的各種元件。控制器330b可以通過諸如SOFC系統320的輸出電壓、負載350和360的電阻、負載350和360的電壓消耗之類的參數與諸如控制器320b、負載350和360等的其他元件間接通信。在各種實施例中，控制器330b可以控制直流-直流轉換器330a的一個或多個可控開關（例如，晶閘管、場效應電晶體，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）） 、結型場效應電晶體 （JFET） 或金屬半導體場效應電晶體 （MESFET）、雙極電晶體、絕緣柵雙極電晶體、串聯 MOSFET（例如 CMOS）、繼電器、晶閘管模擬器和/或與絕緣柵極雙極電晶體串聯的二極體）以調節輸出到負載350和360的電壓。例如，控制器330b可以控制可控開關的占空比以控制直流轉換器330a 的DC-DC的降壓占空比。
在各種實施例中，直流-直流控制器330a可以是非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器，例如圖4所示的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400。在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400可以包括各種可控開關402、404、407、410、412、414。雖然在圖4中圖示為MOSFET 419和二極體403對，但可控開關402、404、407、410、412和414可以是任何類型的可控開關，並且不限於MOSFET 419和二極體403對。可控開關402、404、407、410、412和414可以包括任何可控開關架構，例如晶閘管、場效應電晶體（例如金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET））、結型場效應電晶體（ JFET）或金屬半導體場效應電晶體（MESFET）、雙極電晶體、絕緣柵雙極電晶體、串聯MOSFET（例如CMOS）、繼電器、晶閘管模擬器和/或與絕緣柵雙極電晶體串聯的二極體等。另外，雖然圖示為相同類型，但可控開關402、404、407、410、412和414可以是不同類型開關的各種組合。每個可控開關402、404、407、410、412和414可以具有各自的第一側和第二側。每個可控開關402、404、407、410、412和414可以打開，以防止電流從可控開關402、404、407、410、412和414的一側流過可控開關402、404、407、410、412和414 以到達可控開關402、404、407、410、412和414的另一側。打開可控開關402、404、407、410、412和414可以稱為將可控開關402、404、407、410、412和414切換到電流不流動的“OFF”狀態（或去啟動狀態）。每個可控開關402、404、407、410、412和414可以閉合，以允許電流從可控開關402、404、407、410、412和414的一側流過該可控開關402、404、407、410、412和414到可控開關402、404、407、410、412和414的另一側。閉合可控開關402、404、407、410、412和414可稱為將可控開關402、404、407、410、412和414切換到電流流動的“ON”狀態（或啟動狀態）。可控開關402、404、407、410、412和414處於“ON”狀態（或啟動狀態）一段時間的時間百分比可以稱為可控開關402、 404、407、410、412 和 414的占空比。
可控開關402、404、407、410、412和414可以連接到控制器450 （例如上述控制器330b）。控制器450可以被配置為根據諸如主占空比“D”、第一升壓控制占空比“D1”和第二升壓控制占空比“D2”的各種占空比來控制可控開關402、404、407、410、412和414。在各種實施例中，可以由控制器450確定和/或調整不同的占空比，例如主占空比“D”、第一升壓控制占空比“D1”和第二升壓控制占空比“D2”，用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400的降壓占空比。雖然被示為單個控制單元，但控制器450可以是一個或多個單獨的控制單元，它們在通信中一起操作以通過確定和/或調整不同的占空比，例如主占空比“D”、第一升壓控制占空比“D1”和第二升壓控制占空比“D2”，從而控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400的降壓占空比。
非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 可以包括第一輸入端 401a，第一輸入端 401a 被配置為連接到諸如 SOFC 系統 320 的DC 源的正極端。非隔離式 SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400可以包括第二輸入端401b，第二輸入端401b被配置為連接到DC源的負極端，例如SOFC系統320。可控開關402可以在一側連接到第一輸入端401a，另一側連接到可控開關404和電感器406。可控開關404可以在一側連接到可控開關402和電感器406，另一側連接到第二輸入端401b和電感器409。電感器406可以在一側連接到可控開關402和可控開關404，並且在另一側連接到可控開關407和可控開關412。電感器409可以在一側連接到可控開關404和第二輸入端401b，另一側連接到可控開關410和可控開關414。
非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400可以包括與負載350相關聯的第一電壓輸出電路部分417和與負載360相關聯的第二電壓輸出電路部分429。負載350和 360 分別由在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 的圖示中電阻器/電阻“R1”和“R2”表示。第一電壓輸出電路部分 417 和第二電壓輸出電路部分429可以包括與負載350和360並聯連接的各自的電容器416和418。第一電壓輸出電路部分417和第二電壓輸出電路部分429可以彼此連接。第一電壓輸出電路部分417的一側可以連接到可控開關412，第一電壓輸出電路部分417的另一側可以連接到可控開關407、可控開關410和第二電壓輸出電路部分429。第二電壓輸出電路部分429的一側可以連接到可控開關414，第二電壓輸出電路部分429的另一側可以連接到可控開關407、可控開關410和第一電壓輸出電路部分417。第一電壓輸出電路部分 417 可以向負載 350 輸出 DC 電壓，並且第二電壓輸出電路部分 429 可以向負載 360 輸出 DC 電壓。控制器 450 可以接收來自非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 和/或系統 300 中各點的各種參數（例如，測量值、指示等），例如負載 350 和 360 電壓，電阻SOFC系統320的電壓、電阻、電流和/或功率輸出，在一個或多個可控開關402、404、407、410、412和414、和/或電感器406和409處或兩端的電壓和/或電流測量值或任何其他參數。這樣的參數可以從安裝在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400和/或系統300中的傳感或測量裝置接收。控制器450可以通過有線或無線連接（在圖4中用字母A到F標記）將指令（即施加電壓）傳送到可控開關402、404、407、410、412和414的電晶體419柵電極，來調節可控開關402、404、407、410 , 412 和/或 414的 ON或OFF。
可控開關402和可控開關404可以根據主占空比“D”來控制。例如，可控開關402可以由控制器450控制以具有對應於主占空比“D”的占空比，並且可控開關404可以由控制器450控制以具有1減去主占空比“D”的占空比（即1-D）。
可控開關407和可控開關412可以根據與負載350相關聯的第一升壓控制占空比“D1”來控制。例如，可控開關407可以由控制器450控制以具有對應於第一升壓控制占空比“D1”的占空比，可控開關412可以由控制器450控制以具有1減去第一升壓控制占空比“D1”的占空比（即1-D1）。
可控開關410和可控開關414可以根據與負載360相關聯的第二升壓控制占空比“D2”來控制。例如，可控開關410可以由控制器450控制以具有對應於第二升壓控制占空比“D2”的占空比，可控開關414可以由控制器450控制以具有1減去第二升壓控制占空比“D2”的占空比（即1-D2）。
在各種實施例中，控制器450可以控制主占空比“D”、第一升壓控制占空比“D1”和第二升壓控制占空比“D2”，使得當負載350大於負載360（即當負載350汲取的電壓V1大於負載360汲取的電壓V2時），第一升壓控制占空比“D1”大於第二升壓控制占空比“D2”，並且當負載360大於負載350（即當負載350汲取的電壓V1小於負載360汲取的電壓V2時），第二升壓控制占空比“D2”大於第一升壓控制占空比“D1”。
在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 中，到負載 350 的電壓輸出“V1”可以由控制器450根據以下等式確定和控制：
其中“k”是與到負載350的電壓輸出“V1”以及到負載360的電壓輸出“V2”相關的電壓常數，V1＝V2/k，並且“V”是例如 SOFC 系統 320的源的電壓輸出“V”。隨著負載 360 的電阻“R2”接近無窮大（即負載 360 進入空載狀態或趨向於停止從 SOFC 系統 320 汲取電力，以另一種方式表示 R2 → ∞），到負載350的電壓輸出“V1”可以由控制器450根據以下等式確定和控制：
當第一升壓控制占空比“D1”為零時，可以施加到分離升壓（split boost）而不失去可控性（降壓輸出）的最大輸入電壓“maxV”可以是由控制器450根據以下方程確定和控制：
為了有效地利用升壓，降壓占空比（或主占空比“D”）可以由控制器450控制，使得直到升壓的輸入電壓達到該最大輸入電壓“maxV”，降壓占空比（或主占空比“D”）保持在 1。
以類似的方式，在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 中，到負載 360 的電壓輸出“V2”可以由控制器450根據以下等式確定和控制：
其中“k”是與到負載360的電壓輸出“V2”和到負載350的電壓輸出“V1”相關的電壓常數， V2= V1 * k，並且“V”是如 SOFC 系統 320的源的電壓輸出“V”。當負載 350 的電阻“R1”接近無窮大時（即負載 350 進入空載狀態或趨向於停止從 SOFC 系統 320 汲取電力，以另一種方式表示
）， 到負載360的電壓輸出“V2”可以由控制器450根據以下等式確定和控制：
作為第一升壓控制占空比“D1”和第二升壓控制占空比“D2”的控制參數占空比可由控制器450通過各自的等式確定和控制：
以及
在各種實施例中，控制器450可以被配置為使得對於到負載350的標準化電壓輸出“V1”和到負載360的電壓輸出“V2”，如果“R2”大於“R1”，則“D2”可以大於“D1”，類似地，如果“R1”大於“R2”，則“D1”可以大於“D2”。控制器450可以被配置為使得當負載350和360不相等時控制占空比可以是負載功率的函數。此外，控制改變的方向可以取決於負載350和360如何分佈，例如均勻分佈或不均勻分佈。隨著負載360的電阻“R2”接近無窮大（即，負載360進入空載狀態或趨向於停止從SOFC系統320汲取電力，以另一種方式表示
），控制器450可以配置為使得第二升壓控制占空比“D2”趨向於1（或換一種說法
）。當負載 350 的電阻“R1”接近無窮大時（即負載 350 進入空載狀態或趨向於停止從SOFC系統320汲取電力，以另一種方式表示
），控制器 450 可以被配置為使得第一升壓控制占空比“D1”趨向於 1（或者換一種說法
）。
非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器 400 可以被配置為測量電感器 406 和可控開關 407 上的電壓作為電壓“Va”、電感器 409和可控開關410上的電壓作為電壓“Vb”。電壓“Va”和/或電壓“Vb”可以提供給控制器450並用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400的操作。
圖5示出了根據實施例的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500的替代配置，可用作直流-直流控制器330a。非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500可以類似於圖4的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400。與圖4不同，電容器502和503可以相互連接，並與可控開關407、可控開關410、第一電壓輸出電路部分417和第二電壓輸出電路部分429相連。電容器502也可以是連接到第一輸入端 401a 和可控開關 402。電容器 503 還可以連接到第二輸入端 401b、可控開關 404 和電感器 409。除了上文關於隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400所討論的測量和感測之外，非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500可以被配置為測量電感器406和可控開關407上的電壓作為電壓“ Va”，電容器503上的電壓作為電壓“Vb”，電容器502上的電壓作為電壓“Vc”。電壓“Va”、電壓“Vb”和/或電壓“Vc”可以提供給控制器450並用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500的操作。
在非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500中，DC電壓“Va”和“Vb”可以由控制器450根據以下等式確定：
以及
其中“k”是與到負載360的電壓輸出“V2”與到負載350的電壓輸出“V1”相關的電壓常數，V2= V1 * k，“V”是如SOFC系統320的源的電壓輸出“V”，“R1”是負載350的電阻，“R2”是負載360的電阻。
控制器450可以被配置成使得：控制主占空比“D”以使得“Va”總是小於或等於“V1”。類似地，控制器450可以被配置為使得：控制主占空比“D”以使得“Vb”總是小於或等於“V2”。因此，控制器450可以被配置為使得主占空比“D”保持在確保“Va”小於“V1”並且“Vb”小於“V2”的值。將主占空比“D”保持在確保“Va”小於“V1”且“Vb”小於“V2”的值可以為非隔離式 SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器500提供最高效率和一級功率轉換。參考跟蹤和最小/最大控制器可用於實現這些條件（例如，主占空比“D”保持在確保“Va”小於“ V1”和“Vb”小於“V2”的值），因為“V1”和“V2”的值可能互斥。對於任何給定的“V1”和“V2”，主占空比“D”可能有一個獨特的解決方案，可以實現最大效率和最小功率轉換。
根據各種實施例，圖6A-6D共同表示說明用於控制非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器（例如非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400和500）的降壓占空比的方法600、610、620和630的過程流程圖。在各種實施例中，方法600、610、620和630的操作可以由控制器（例如，控制器330b和450）執行。
參考圖6 A的方法600，在框602中，控制器可以執行包括確定第一負載的第一電壓的操作。例如，控制器可以確定負載350的電壓“V1”。
在框604中，控制器可以執行包括確定第二負載的第二電壓的操作。例如，控制器可以確定負載360的電壓“V2”。
在框606中，控制器可以執行包括控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的操作，使得在非隔離式SIDO雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第一部分上測量的第一電壓保持低於第一負載的第一電壓，並且在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第二部分上測量的第二電壓保持低於第二負載的第二電壓。例如，控制器可以控制非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的主占空比“D”，使得在可控開關 407 和電感器 406 上測量的電壓“Va”保持在小於負載350的電壓“V1”並且電容器503上的電壓“Vb”保持在小於負載360的電壓“V2”。
圖6B示出了方法610，該方法可以由控制器（例如，控制器330b、450）執行以在方法600的框606中控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比。
參考圖6B的方法610，在框612中，控制器可以執行包括至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）和第二負載的第二電壓（例如，“V2”） 來確定主占空比值“D1的操作，其中占空比值實現非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的最大效率和最小功率轉換。至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）和第二負載的第二電壓（例如，“V2”）來確定主占空比值“D1”可以包括至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）、第二負載的第二電壓（例如，“V2”）、在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器（例如“Va”）的第一部分上測量的第一電壓以及在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第二部分上測量的第二電壓（例如， “Vb”）來確定主占空比迴圈值“D1”。至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）和第二負載的第二電壓（例如，“V2”）來確定主占空比值“D1”可以包括至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）、第二負載的第二電壓（例如，“V2”）、在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器的第二部分上測量的第二電壓（例如，“Vb”），以及在非隔離式 SIDO 雙向升降壓 DC-DC 轉換器（例如，“Vb”）的第三部分測量的第三電壓（例如，“VC”）來確定主占空比迴圈值“D1”。
在框614中，控制器可以執行包括將非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比設置為確定的主占空比值“D1”的操作。
圖6C示出了方法620，該方法可以由控制器（例如，控制器330b、450）執行以在方法600的框606中控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比。
參考圖6 C的方法620 ，在框622中，控制器可以執行包括至少部分地基於第一負載的第一電壓（例如，“V1”）以及第一負載的第一電壓（例如，負載350的“V1”）和第二負載的第二電壓（例如，負載360的“V2”）之間的差來確定與第一負載（例如，負載350）相關的第一升壓控制占空比“D1”的操作。
在框624中，控制器可以執行操作，包括至少部分地基於第二負載（例如，負載360）的第二電壓以及第一負載的第一電壓（“負載350的V1”）和第二負載的第二電壓（“負載360的V2”）之間的差來確定與第二負載（例如，負載360）相關的第二升壓控制占空比“D2”的操作。
在框626中，控制器可以執行包括根據確定的第一升壓控制占空比“Dl”和確定的第二升壓控制占空比“D2”來控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的分離升壓部分（ split boost portions）的操作。
圖6D示出了方法630，該可以由控制器（例如，控制器330b、450）執行以在方法600的框606中控制非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比。
參考圖6 D的方法630，在框632中，控制器可以執行操作，該操作包括確定正控制值，作為第一負載的第一電壓（例如，負載350的“V1”）加到第二負載的第二電壓（例如，負載360的“V2”）的結果。
在框634中，控制器可以執行操作，該操作包括確定負控制值，作為從第一負載的第一電壓（例如，負載 350 的“V1”）減去第二負載的第二電壓（例如，負載360的“V2”）的結果。
在框636中，控制器可以執行操作，該操作包括至少部分基於從正控制中減去負控制值來確定與第一負載（例如負載350）相關聯的第一升壓控制占空比“D1”。
在框638中，控制器可以執行操作，該操作包括至少部分地基於正控制值和負控制相加來確定與第二負載（例如負載360）相關聯的第二升壓控制占空比“D2”。
在框640中，控制器可以執行操作，該操作包括根據確定的第一升壓控制占空比“Dl”和確定的第二升壓控制占空比“D2”來控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的分離升壓部分的操作。
根據各實施例方案，圖7A-7D共同地表示控制邏輯圖，說明用於控制非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的示例操作，例如非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400和500。圖7A-7D說明了控制模組702-754的具體佈置，例如差值控制器、參考跟蹤和飽和控制器、最小/最大（min/max）控制器、分部控制器等。圖7A-7D中控制模組702-754的具體佈置可以表示方法600、610、620和630的示例實施方式，用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比，例如圖6A-6D的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400和500。在各種實施例中，控制模組702-754可以以硬體、軟體和/或硬體和軟體的組合來實現。
圖7A圖示了用於輸出主占空比“D”的降壓控制的控制配置。差值控制器702輸出“Va”與小於或等於“V1”的參考電壓“Vref1”之間的差值。該值輸出到飽和參考跟蹤控制器706，其將結果值輸出到最小/最大控制器710。差值控制器704輸出“Vb”和小於或等於參考電壓“Vref2”之間的差值到“V2”。該值被輸出到飽和參考跟蹤控制器708，其將結果值輸出到最小/最大控制器710。最小/最大控制器710然後從飽和參考跟蹤控制器706和708的輸出值，來輸出實現最大效率和最小功率轉換的主占空比“D”。圖7A中所示的控制方法可以使非隔離式SIDO雙向升降壓型DC-DC轉換器的效率最大化，例如非隔離式SIDO雙向升降壓型DC-DC轉換器400和500，同時使非隔離式SIDO雙向升降壓 DC-DC 轉換器的損耗最小化。
圖7B圖示了用於輸出主占空比“D”的降壓控制的另一控制配置。控制器720可以將“V1”除以“Vc”並且控制器722可以將“V2”除以“Vb”。來自控制器720和722的所得商可以輸出到最小/最大控制器710。最小/最大控制器710然後從控制器720和722輸出的值，來輸出實現最大效率和最小功率轉換的主占空比“D”。
圖7C示出了用於升壓分離輸出控制的控制配置，該控制配置可以與圖 7A 和 7B的配置中的任一個一起操作。在圖7C的配置中，差值控制器730和飽和參考跟蹤控制器736的一個控制鏈控制“V1”，差值控制734和飽和參考跟蹤控制器740的另一控制鏈控制“V2”，以及差值控制器732和飽和參考跟蹤控制器738的第三控制鏈控制“V1”和“V2”之間的差異，並確保通過增加或減少其他控制鏈的輸出來實現對不平衡負載的控制。具體地，參考電壓“Vref1”和回饋電壓“V1”被提供給差值控制器730，並且結果被饋送到飽和參考跟蹤控制器736。參考電壓“Vref2”和回饋電壓“ V2”被提供給差值控制器734並且結果被饋送到具飽和參考跟蹤控制器740。提供參考電壓“(V1-V2)_ref”和回饋電壓“(V1-V2)_fb”到差值控制器732並且結果被饋送到飽和參考跟蹤控制器738。通過差值控制器742從飽和參考跟蹤控制器736的輸出中減去飽和參考跟蹤控制器738的輸出，以產生第一升壓控制占空比“D1”的輸出。飽和參考跟蹤控制器738的輸出被控制器744添加到飽和參考跟蹤控制器740的輸出，以生成第二升壓控制占空比“D2”的輸出。
圖7D示出了用於升壓分離輸出控制的另一種控制配置，該控制配置可以與圖 7A 和 7B的配置中的任一個一起操作。在圖7C的配置中，可以通過將“V1”添加到“V2”並且從“V1”中減去“V2”來控制升壓。參考電壓“(V1+V2)_ref”和回饋電壓“(V1+V2)_fb”被提供給差值控制器750，並且結果被饋送到飽和參考跟蹤控制器754。參考電壓“ (V1-V2)_ref”和回饋電壓“(V1-V2)_fb”被提供給差值控制器732，並且結果被饋送到飽和參考跟蹤控制器738。通過差值控制器742從飽和參考跟蹤控制器738的輸出中減去飽和參考跟蹤控制器754的輸出，以生成第一升壓控制占空比“D1”的輸出。飽和參考跟蹤控制器754的輸出被控制器744添加到飽和參考跟蹤控制器738的輸出，以產生第二升壓控制占空比“D2”的輸出。
根據各實施例，作為控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的示例，例如非隔離SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器400以及500所示，由諸如SOFC系統320的源輸出的“V”可以是320-480 VDC。當“V1”可以是 390 VDC 而“V2”可以是 390 VDC 時，負載可以是平衡的並且主占空比“D1”可以是 1，因為可以不需要降壓。當負載不平衡時，例如負載 350 的功率“P1”處於空載狀態，負載 360 的功率“P2”處於 100%，並且“V”達到 400 VDC，升壓變得不受控制，因為“Va”等於 0 VDC，“Vb”等於 400 VDC。為了控制升壓，可以操作降壓，以使“Vb”不超過 390 VDC。升壓控制可以設置為“D1”等於1，“D2”等於0，“D”等於0.975。因此，升壓停止切換，降壓開始控制“V2”。降壓控制還確保除非“Vb”達到 390 VDC，否則降壓將在“D”等於 1 的情況下操作，以確保在負載不平衡時實現最大效率。同樣，對於另一側負載不平衡（例如，“Vb”等於 0 VDC 和“Va”等於 400 VDC）降壓將開始控制“V1”。
在一個實施例中，儲能系統、儲能系統技術和儲能系統技術管理系統的功能可以在軟體、硬體、固件以及上述的任意組合上實現。在一個實施例中，硬體可以包括設計用於實現能量存儲系統、能量存儲系統技術和/或能量存儲系統技術管理系統的特定功能的電路。在一個實施例中，硬體可以包括配置有指令的可程式設計處理設備，以實現儲能系統、儲能系統技術和/或儲能系統技術管理系統的功能。
前述方法描述和過程流程圖僅作為說明性示例提供，並不旨在要求或暗示各種實施例的步驟必須以呈現的循序執行。如本領域技術人員將理解的，前述實施例中的步驟順序可以以任何循序執行。此外，諸如“此後”、“然後”、“下一步”等詞語並非旨在限制步驟的順序；這些詞只是用來引導讀者瞭解方法的描述。
一個或多個框圖/流程圖已用於描述示例性實施例。框圖/流程圖的使用並不意味著限制所執行的操作的順序。已經出於說明和描述的目的而呈現了示例性實施例的前述描述。對於所公開的精確形式，其不旨在窮舉或限制，並且根據以上教導修改和變化是可能的，或者可以從所公開的實施例的實踐中獲得。本發明的範圍旨在由所附權利要求及其等同物來定義。
控制元件可以使用包括處理器、記憶體和其他元件的計算設備（例如電腦）來實現，這些元件已經用指令程式設計以執行特定功能，或者可以在被設計為執行指定功能的處理器中實現。處理器可以是任何可程式設計微處理器、微型電腦或多處理器晶片或多個處理器晶片，其可以由軟體指令（應用程式）配置以執行各種功能，包括本文描述的各種實施例的功能。在一些計算設備中，可以提供多個處理器。通常，軟體應用程式可以在它們被訪問和載入到處理器之前存儲在內部記憶體中。在一些計算設備中，處理器可以包括足以存儲應用軟體指令的內部記憶體。
結合本文公開的實施例描述的各種說明性邏輯塊、模組、電路和演算法步驟可以實現作為電子硬體、電腦軟體或兩者的組合。為了清楚地說明硬體和軟體的這種可互換性，各種說明性元件、塊、模組、電路和步驟已經在上文一般性地根據它們的功能進行了描述。這種功能是作為硬體還是軟體實現取決於特定應用程式和施加在整個系統上的設計約束。熟練的技術人員可以針對每個特定應用以不同的方式實現所描述的功能，但是這種實現決策不應被解釋為導致背離本發明的範圍。
用於實現結合本文公開的方面描述的各種說明性邏輯、邏輯塊、模組和電路的硬體可以用設計用於執行本文所述功能的通用處理器、數位訊號處理器（DSP）、專用應用積體電路 （ASIC）、現場可程式設計閘陣列 （FPGA） 或其他可程式設計邏輯器件、分立門或電晶體邏輯、分立硬體元件或他們的任何組合來實現或執行。通用處理器可以是微處理器，但在備選方案中，處理器可以是任何常規處理器、控制器、微控制器或狀態機。處理器還可以實現，作為計算設備的組合，例如，DSP和微處理器的組合、多個微處理器、一個或多個微處理器與DSP核結合，或任何其他這樣的配置。或者，一些塊或方法可以由特定給定功能的電路來執行。
提供所公開實施例的前述描述以使本領域的任何技術人員能夠製造或使用所描述的實施例。對這些實施例的各種修改對於本領域技術人員來說將是顯而易見的，並且本文定義的一般原理可以應用於其他實施例而不背離本公開的範圍。因此，本發明不旨在限於本文所示的實施例，而是要符合與以下權利要求以及本文公開的原理和新穎特徵一致的最寬範圍。
10:模組化燃料電池系統封裝
12:功率模組/外殼
13:熱箱
14:輸入/輸出功率模組/櫃/外殼
16:燃料處理模組/外殼
17:重整器
18:功率調節模組/外殼
20:基座
30:門
40:燃料電池堆/柱
45:燃料電池
50:互連
60:端板
300:燃料電池發電系統
301:電網
310:輸入/輸出模組
310a:逆變器
320:燃料電池系統
320a:通用電源
320b, 330b, 450:控制器
330a:直流-直流轉換器
350, 360:負載
400:非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器
401a:第一輸入端
401b:第二輸入端
402, 404, 407, 410, 412, 414:可控開關
403:二極體
406, 409, L1, L2:電感器
416, 418, 502, 503:電容器
417:第一電壓輸出電路部分
419:MOSFET電晶體
429:第二電壓輸出電路部分
500:非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器
600, 610, 620, 630:方法
602, 604, 606, 612, 614, 622, 624, 626, 632, 634, 636, 638, 640:框
702, 704, 730, 732, 734, 742, 750:差值控制器
706, 708, 736, 738, 740, 754:飽和參考跟蹤控制器
710:最小/最大控制器
720, 722, 744:控制器
C1, C2, Ca, Cb:電容器
D:主占空比
D1:第一升壓控制占空比
D2:第二升壓控制占空比
k1, k2:電壓常數
P1, P2:功率
R1, R2:負載
S1, S2, S3, S4, S5, S6:可控開關
V:源的電壓輸出
V1, V2:到負載的電壓輸出
Va, Vb, Vc:電壓
V1_fb, V2_fb, (V1+V2)_fb, (V1-V2)_fb:回饋電壓
Vref1, Vref2, V1_ref, V2_ref, (V1+V2)_ref, (V1-V2)_ref:參考電壓
為了理解本公開的示例性實施例，現在參考以下結合附圖進行的描述，其中：
［圖1］是根據各實施例的燃料電池系統的透視圖；
［圖2］是根據各實施例的熱箱的示意性側剖視圖；
［圖3］是根據各實施例的系統的示意圖；
［圖4］是根據各實施例的非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器的電路圖；
［圖5］是根據各實施例的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的電路圖；
［圖6A、6B、6C和6D］共同表示說明根據各實施例的用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的方法的工藝流程圖；和
［圖7A、7B、7C和7D］共同表示控制邏輯圖，其示出了根據各實施例的用於控制非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的降壓占空比的示例操作。
本說明書中提及的附圖僅出於說明的目的而描繪了本公開的實施例。本領域技術人員將從以下描述中容易地認識到，在不脫離本文所描述的公開的原理的情況下，可以採用本文所說明的系統和方法的替代實施例。
300:燃料電池發電系統
301:電網
310:輸入/輸出模組
310a:逆變器
320:燃料電池系統
320a:通用電源
320b,330b:控制器
330a:直流-直流轉換器
350,360:負載
Claims (17)
- 一種用於控制一非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器之方法，該轉換器連接到一直流源、一第一負載和一第二負載，該方法包括： 確定該第一負載的一第一電壓； 確定該第二負載的一第二電壓；及 控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一降壓占空比，使得跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一第一部分上測量到的一第一電壓保持為小於該第一負載的該第一電壓，並且跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一第二部分上測量到的一第二電壓保持為小於該第二負載的該第二電壓。
- 如請求項1所述的方法，其中控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該降壓占空比包括： 至少部分地基於該第一負載的該第一電壓和該第二負載的該第二電壓來確定一主占空比值，其中該主占空比值實現該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一最大效率和一最小功率轉換；及 將該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該降壓占空比設置為確定的該主占空比值。
- 如請求項2所述的方法，其中至少部分地基於該第一負載的該第一電壓和該第二負載的該第二電壓來確定該主占空比值包括至少部分地基於該第一負載的該第一電壓、該第二負載的該第二電壓、跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該第一部分上測量到的該第一電壓以及跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該第二部分上測量到的該第二電壓來確定該主占空比值。
- 如請求項2所述的方法，其中至少部分地基於該第一負載的該第一電壓和該第二負載的該第二電壓來確定該主占空比值包括至少部分地基於該第一負載的該第一電壓、該第二負載的該第二電壓、跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該第二部分上測量到的該第二電壓以及跨在該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的一第三部分上測得到的一第三電壓來確定該主占空比值。
- 如請求項1所述的方法，其中控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該降壓占空比包括： 至少部分地基於該第一負載的該第一電壓以及該第一負載的該第一電壓與該第二負載的該第二電壓之間的一差來確定與該第一負載相關聯的一第一升壓控制占空比； 至少部分地基於該第二負載的該第二電壓以及該第一負載的該第一電壓與該第二負載的該第二電壓之間的該差來確定與該第二負載相關聯的一第二升壓控制占空比；及 根據確定的該第一升壓控制占空比和確定的該第二升壓控制占空比來控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的分離升壓部分。
- 如請求項1所述的方法，其中控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的該降壓占空比包括： 確定作為該第一負載的該第一電壓與該第二負載的該第二電壓相加的結果的一正控制值； 確定作為從該第一負載的該第一電壓減去該第二負載的該第二電壓的結果的一負控制值； 至少部分地基於從該正控制值減去該負控制值來確定與該第一負載相關聯的一第一升壓控制占空比； 至少部分地基於將該正控制值與該負控制值相加來確定與該第二負載相關聯的一第二升壓控制占空比；及 根據確定的該第一升壓控制占空比和確定的該第二升壓控制占空比來控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的分離升壓部分。
- 如請求項1-6中任一項所述的方法，其中該直流源是一固體氧化物燃料電池（SOFC）系統。
- 一種非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器，包括： 一第一輸入端，其配置為連接一直流源的一正極端； 一第二輸入端，其配置為連接該直流源的一負極端； 一第一可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一可控開關的該第一側連接到該第一輸入端； 一第二可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第二可控開關的該第一側連接到該第一可控開關的該第二側，並且該第二可控開關的該第二側連接到該第二輸入端； 一第一電感器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一電感器的該第一側連接到該第一可控開關的該第二側和該第二可控開關的該第一側； 一第三可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第三可控開關的該第一側連接到該第一電感器的該第二側； 一第四可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第四可控開關的該第一側連接到該第三可控開關的該第二側； 一第二電感器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第二電感器的該第一側連接到該第四可控開關的該第二側，且該第二電感器的該第二側連接到該第二可控開關的該第二側以及該第二輸入端； 一第五可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第五可控開關的該第二側連接到該第一電感器的該第二側和該第三可控開關的該第一側； 一第六可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第六可控開關的該第一側連接到該第四可控開關的該第二側和該第二電感器的該第一側； 一第一電壓輸出電路部分，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一電壓輸出電路部分的該第一側連接到該第五可控開關的該第二側，其中該第一電壓輸出電路部分配置為輸出一第一直流電壓至一第一負載； 一第二電壓輸出電路部分，其具有相應的一第一側和一第二側，其中： 該第一電壓輸出電路部分的該第二側、該第二電壓輸出電路部分的該第一側、該第三可控開關的該第二側及該第四可控開關的該第一側連接在一起， 該第二電壓輸出電路部分的該第二側連接到該第六可控開關的該第二側，且 該第二電壓輸出電路部分配置為輸出一第二直流電壓至一第二負載；及 一控制器，其係與該第一可控開關、該第二可控開關、該第三可控開關、該第四可控開關、該第五可控開關及該第六可控開關連接，其中該控制器配置為： 根據一主占空比控制該第一可控開關和該第二可控開關， 根據至少部分地基於該主占空比的一第一升壓控制占空比來控制該第三可控開關和該第五可控開關， 根據至少部分地基於該主占空比的一第二升壓控制占空比來控制該第四可控開關和該第六可控開關，以及 控制該主占空比、該第一升壓控制占空比和該第二升壓控制占空比，使得當該第一負載大於該第二負載時，該第一升壓控制占空比大於該第二升壓控制占空比，且當該第二負載大於該第一負載時，該第二升壓控制占空比大於該第一升壓控制占空比。
- 如請求項8所述的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器，其中該第一可控開關、該第二可控開關、該第三可控開關、該第四可控開關、該第五可控開關及該第六可控開關是金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFETs）。
- 一種發電系統，包括： 一直流（DC）源； 一第一負載； 一第二負載；及 連接到該直流源、該第一負載及該第二負載之一非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器。
- 如請求項10所述的發電系統，其中，該直流源是一固體氧化物燃料電池（SOFC）系統。
- 一種非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器，包括： 一第一輸入端，其配置為連接一直流源的一正極端； 一第二輸入端，其配置為連接該直流源的一負極端； 一第一電容器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一電容器的該第一側連接到該第一輸入端； 一第二電容器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第二電容器的該第一側連接到該第一電容器的該第二側，且該第二電容器的該第二側連接到該第二輸入端； 一第一可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一可控開關的該第一側連接到該第一輸入端及該第一電容器的該第一側； 一第二可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第二可控開關的該第一側連接到該第一可控開關的該第二側，且該第二可控開關的該第二側連接到該第二輸入端； 一第一電感器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一電感器的該第一側連接到該第一可控開關的該第二側及該第二可控開關的該第一側； 一第三可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第三可控開關的該第一側連接到該第一電感器的該第二側； 一第四可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第四可控開關的該第一側連接到該第三可控開關的該第二側； 一第二電感器，其具有相應的一第一側和一第二側，該第二電感器的該第一側連接到該第四可控開關的該第二側，且該第二電感器的該第二側連接到該第二可控開關的該第二側、該第二輸入端以及該第二電容器的該第二側； 一第五可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第五可控開關的該第二側連接到該第一電感器的該第二側及該第三可控開關的該第一側； 一第六可控開關，其具有相應的一第一側和一第二側，該第六可控開關的該第一側連接到該第四可控開關的該第二側及該第二電感器的該第一側； 一第一電壓輸出電路部分，其具有相應的一第一側和一第二側，該第一電壓輸出電路部分的該第一側連接到該第五可控開關的該第二側，其中該第一電壓輸出電路部分配置為輸出一第一直流電壓至一第一負載； 一第二電壓輸出電路部分，其具有相應的一第一側和一第二側，其中： 該第一電壓輸出電路部分的該第二側、該第二電壓輸出電路部分的該第一側、該第三可控開關的該第二側、該第四可控開關的該第一側、該第一電容器的該第二側以及該第二電容器的該第一側連接在一起， 該第二電壓輸出電路部分的該第二側連接到該第六可控開關的該第二側，並且 該第二電壓輸出電路部分配置為輸出一第二直流電壓至一第二負載；及 一控制器，其係與該第一可控開關、該第二可控開關、該第三可控開關、該第四可控開關、該第五可控開關及該第六可控開關連接，其中該控制器配置為： 根據一主占空比控制該第一可控開關和該第二可控開關， 根據至少部分地基於該主占空比的一第一升壓控制占空比來控制該第三可控開關和該第五可控開關， 根據至少部分地基於該主占空比的一第二升壓控制占空比來控制該第四可控開關和該第六可控開關，以及 控制該主占空比、該第一升壓控制占空比和該第二升壓控制占空比，使得跨在該第一電感器及該第三可控開關上測量到的一第一控制電壓保持為小於該第一直流電壓，且跨在該第二電容器上測量到的一第二控制電壓保持為小於該第二直流電壓。
- 如請求項12所述的非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器，其中該第一可控開關、該第二可控開關、該第三可控開關、該第四可控開關、該第五可控開關及該第六可控開關是金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFETs）。
- 一種發電系統，包括： 一直流（DC）源； 一第一負載； 一第二負載；及 如請求項12所述的非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器，該轉換器連接至該直流源、該第一負載和該第二負載。
- 如請求項14所述的發電系統，其中該直流源是一固體氧化物燃料電池（SOFC）系統。
- 一種發電系統，包括： 一直流（DC）源； 一第一負載； 一第二負載；及 連接至該直流源、該第一負載及該第二負載之一非隔離式單輸入雙輸出（SIDO）雙向升降壓直流-直流（DC-DC）轉換器，其中該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器包括一控制器，該控制器配置為控制該非隔離式SIDO雙向升降壓DC-DC轉換器的操作以執行如請求項1所述的方法的操作。
- 如請求項16所述的發電系統，其中該直流源是一固體氧化物燃料電池（SOFC）系統。
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| TW111116936A TW202345501A (zh) | 2022-05-05 | 2022-05-05 | 非隔離式單輸入雙輸出雙向升降壓直流-直流轉換器 |
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| TW111116936A TW202345501A (zh) | 2022-05-05 | 2022-05-05 | 非隔離式單輸入雙輸出雙向升降壓直流-直流轉換器 |
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