TWI270998B - A voltage supplying apparatus using a fuel cell - Google Patents

Description

1270998 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電壓供應裝置，特別是有關於一 種利用燃料電池做為電壓來源之電壓供應裝置。 【先前技術】 隨著全球能源的消耗以及環保意識的抬頭，如石油及 火力之類的傳統能量來源已經越來越不敷使用，使得關於 新式能量來源的研究也越來越多，而燃料電池的研究便是 其中一環。 燃料電池之所以會被受到重視，是由於其具有幾項符 合時代趨勢的特色，使得它在未來發電世界中備受矚目。 第一是效率，它的能量轉換效率非常高，可達百分之四十 以上，如果再利用汽電共生（cogeneration)的技術，將反應 時釋放的廢熱回收，總熱效率及可能超過百分之八十。其 次是乾淨。燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污染。 第二疋安靜。燃料電池發電廠附近，所測得的噪音量也相 當低。而目前燃料電池的應用範圍十分廣泛，包括電力、 工業、運輸、太空、軍事等各領域，已製作多項產品。例 如發電廠、備用電池'可攜式電力、堆高機、機器人、電 動車、小型潛水艇、乃至太空船和太空梭的電源。 但是燃料電池本身仍然有著一些缺點，其中一項便是 極化損失的問題。由於在燃料電池所具有的内部化學特 性，使燃料電池在與一負載連接之後，其端電壓容易跟隨 5 1270998 負載電流的變化而產生明顯的變動，且變動的比率約可達 50%，其中，當負載電流越大時，燃料電池的變化量也就會 越大。因此，一般並不會直接使用燃料電池所輸出的電壓， . 而是會先利用電力電子的技術穩定燃料電池所輸出的電 壓，再把經穩定之後的電壓輸出使用。例如可利用高頻切 換的技術，使用一直流-直流電壓轉換器（DC/DC converter) ' 來穩定燃料電池所輸出的電壓。 φ 第1圖繪示了習知利用燃料電池做為電源之一電壓供 應電路架構，其中包含了 一直流電壓供應裝置100、一直流 -交流電壓轉換器（DC/AC converter)以及一辅助電池1〇8。 直流交流電壓轉換器206可接受由直流電壓供應裝置1 〇〇 或輔助電池108所提供的直流電壓，然後將所接收的直流 電壓轉換為交流輸出電壓11 〇。此交流輸出電壓11 〇便可應 用於許多的用途上，如電動車或家用電力供應等等。 需要特別注意的是直流電壓供應裝置1〇〇所輸出的電 _ 壓來源疋由一燃料電池102所產生，但由燃料電池1 所 輸出的電壓並非直接做為直流電壓供應裝置的輸出電壓， - 而是需要先經過一直流-直流電壓轉換器104的穩定之後才 能做為直流電壓供應裝置100的輸出電壓。燃料電池102 與直流·直流電壓轉換器104之間是互相串聯的，也就是 說，由燃料電池所輸出的電壓必須先完全地為直流_直流電 壓轉換器所處理之後才能輸出。然而，一般來說直流直流 電壓轉換裝置1〇4在作業當中會浪費部分的能量，所以直 流-直流電壓轉換裝置在穩㈣料電池1()2之輸出電壓的過 1270998 程當中，會浪費部分的電壓能量，造成使用效率的下降。 因此，在以利用燃料電池做為電壓來源的電壓供應裝 置當中，實需一種能夠降低能量耗損的電路架構，以提高 電能的使用效率。 【發明内容】 因此本备明的主要目的就是在提供一種電壓供應裝置 之電路架構，#中該種電壓供應裝置係以燃料電池做為電 壓來源。 本發明的另一目的就是在提供一種用以提高輸出效率 之電壓供應電路架構，其中該種電路架構係以燃料電池做 為電壓來源。 本發明的再一目的就是在提供一種用以穩定輸出電壓 之電壓供應電路架構，其中該種電路架構係以燃料電池做 為電壓來源。 •本I明的更一目的就是在提供一種用以提供暫時性大 力率輸出《電壓供應電路架構，丨中該種電路架構係以燃 料電池做為電壓來源。 為達到本發明之上述目的，在符合本發明之一實施例 的電壓供應裝置當中包含了 一燃料電池、一直流·直流電壓 轉換器以及-控制電路。其中的直流直流電壓轉換器係用 以接收由燃料電池所輸出之電壓，並再加以轉換為直流_直 々’L電壓轉換器之輸出電壓。最後，合併燃料電池以及直流· 直流電壓轉換器的輸出電壓即為電壓供應裝置之一總輸出 7 1270998 電壓。控制電路係用以根據該總輸出電壓的大小來控制直 流-直流電壓轉換器的作業，使直流-直流電壓轉換器之輸出 電壓能夠隨著燃料電池之輸出電壓的變動而作調整。其 中’本電路架構中的直流-直流電壓轉換器可視實際應用需 求來選用一般之返馳式（flyback)、順向式（forwar(j)、半橋式 (half bridge)、全橋式（full bridge)或推挽式（push_pull)隔離 轉換器實現之。 在符合本發明之一實施例的電壓供應裝置當中，可更 包含一備援電池，其中，此備援電池可為一般之可充電式 電池，如鉛酸電池，並與直流-直流電壓轉換器之輸出端並 聯。如此，該備援電池可儲存由直流_直流電壓轉換器所輸 出之電能，待電壓供應裝置有大功率輸出的需求時，備援 電池中的電能便會被釋放出來，使電壓供應裝置能夠提供 暫時性的大功率輸出。 【實施方式】 由以上的討論可知，在習知的電壓供應裝置當中，利 用一直流_直流電壓轉換器與一燃料電池直接串聯的方式 來處理燃料電池所輸出的電壓會造成較大的電能損耗，進 而降低了電壓供應裝置的作業效率。因此，本發明的基本 概念便是將燃料電池及直流_直流電壓轉換器的輸出電壓 一同合併輸出，使電壓供應裝置所輸出的總輸出電壓並非 皆為直流-直流電壓轉換器所提供，而是由燃料電池及直流 直机電壓轉換器所共同提供，如此可避免直流-直流電壓轉 1270998 換器消耗太多的電能。 第2圖繪不了符合本發明之一實施例之電壓供應裝置 200之電路架構圖，其中電壓供應裝置2〇〇包含有一燃料電 池202、一直流-直流電壓轉換器2〇4以及一控制電路川“ 電壓供應裝置200的電壓來源是由燃料電池2〇2所產生， 燃料電池202並且會將其所提供之輸出電壓傳送給直流_直 流電壓轉換器206。也就是說，燃料電池2〇2之正輸出端以 及負輸出端分別會與直流_直流電壓轉換器2〇4的正輸入端 以及負輸入端連接。 因為燃料電池的化學特性，會使得燃料電池2〇2所輸 出的電壓較不穩定，也就是變化起伏會較大。而直流_直流 電壓轉換器204係能夠利用高頻切換的技術，將較不穩定 的直流電壓轉換為較為穩定的直流電壓。最後，將燃料電 池202以及直流-直流電壓轉換器2〇4所輸出的電壓合併相 加起來即成為電壓供應裝置200的總輸出電壓21〇。在本實 施例中，係將直流-直流電壓轉換器204的正輸出端連接至 燃料電池202之負輸出端，則燃料電池2〇2之正輸出端與 直流-直流電壓轉換器204之負輸出端之間的電位差即為總 輸出電壓210。然而實際的電路連接方法可不為本例所限， 只要能夠將燃料電池202及直流-直流電壓轉換器2〇4的輸 出電壓合併輸出即可。 由於燃料電池202所輸出的電壓為一不穩定電壓，因 此總輸出電壓210應也為一不穩定電壓，但在第2圖所示 之電路架構下’可利用直流_直流電壓轉換器204將總輸出 9 1270998 電壓21G補償為_穩定電壓。㈣供應裝置中的控制 電路2〇6係用以與直流-直流電壓轉換器204搭配，其能夠 控制直流·直流電壓轉換器的轉換作業，以調整直流_直流電 壓轉換器204之輸出電壓的大小。因此，在本實施例中， 控制電路206會監控著總輸出電壓21()的大小，當總輸出 =i： 210出j見了不穩定的現象時，可藉由控制直流-直流電 鬣轉換器204之輸出電壓的大小來使總輸出電壓回 穩也就疋4^燃料電池202的輸出電壓降低時，可經 由抆制將直流·直流電壓轉換器2〇4的輸出電壓提高，而當 燃料電池202的輸出電壓升高時，亦可經由將直流_直流電 藍轉換器204的輸出電壓降低，如此，便可使總輸出電壓 21 〇維持在一定值。 另外，在總輸出電壓210的兩端更可再並聯一穩壓電 谷208 ’以進一步地加強總輸出電壓2丨〇的穩定度。 在上述的電壓供應裝置200當中，可利用各種一般的 隔離式轉換器來實現直流_直流電壓轉換器2〇6，例如返馳 式（flyback)、順向式（f〇rwar〇j)、半橋式（haif bridge)、全橋 式（full bridge)或推挽式（push-pu⑴隔離轉換器。 在第3圖中例示了 一返馳式隔離轉換器電路來實現第 2圖所示之直流-直流電壓轉換器2〇4，其中包含了 一變壓 器302、一開關元件304，一二極體306以及一穩壓電容 308 °在本例中，是以金氧半場效電晶體（MOSFET)之等效 電路來實現開關元件304,而開關元件304之觸發端便是由 第2圖所示之控制電路2〇6所控制。當控制電路2〇6快速 1270998 302之 切換開關兀仟304 便會有電流不斷地瞬間流經變壓器 第一次侧’並於變麼器302之第二次側產生感應電 壓。但由於《器3G2之第—次側及第二次側的極性互相 相反’因此二極體3G6會阻隔感應電|的傳遞，使第一欠 側所傳遞的能量會先儲存於變壓3 3〇2内，直到開關元件 304截止時才會將所儲存的能量輸出。穩㈣容则的係同 樣用以穩定由第二次側所輸出的電壓。

以上係以返跳式隔離轉換器的電路做為例子，而其他 種類的隔離轉換器電路的運作原理皆為類似且皆可應用於 本發明中。但不同種類的隔離轉換器電路會具有不同的特 性，例如返馳式及順向式隔離轉換器的製作成本低，適合 小功率應用的％合，而半橋式、全橋式以及推挽式隔離轉 換器則具有較佳的變壓器利料，適合較大功率的應用場 合0 燃料電被用做先進載具（如電動車）的動力來源，而 載具本身是-種會變動的負冑，也就是說，除了一般的功 率輸出狀況之外，有時也會遭遇到需要較大功率的輸出狀 況（例如爬坡）。此時，可如第4圖所示之電壓供應裝置4〇〇 ^電路架構所示一般，利用一備援電池4〇2並聯於直流_直 :電壓轉換态2〇4的輸出端，如此將有助於大功率輸出電 ^ 4〇4的供應’其中’㊉了外加的備援電池4G2以及控制 f路206改為監控備援電池4〇2之端電壓之外，電壓供應 凌置其他各部分皆與第2圖所示之電壓供應裝置200相 同。備援電池402可以為任何一般的可充電式電池，如鉛 1270998 酸電池。如此，由直流-直流電壓轉換器204所輸出的電能 可被預先儲存於備援電池4〇2當中，直到電壓供應裝置4〇〇 需要輸出大功率時，備援電池402便可協助提供部分的輸 出功率。因此，在本實施例中，控制電路2〇6係監控著備 援電池402之端電壓，以便在察覺備援電池4〇2所儲存之 電忐不足時，能夠立即啟動直流_直流電壓轉換器2〇4對備 援電池402進行充電，使備援電池402能夠隨時保持在可 用狀態。由此可見，在符合本發明實施例的電路架構之下， 大功率輸出的目的可被輕易地實現。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和fe圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 濩範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 成更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖為習知以燃料電池做為電壓來源之電壓供應電 路之電路架構圖。 第2圖為符合本發明之一實施例之電壓供應裝置之電 路架構圖。 第3圖為一返馳式隔離轉換器之電路圖。 第4圖為符合本發明另一實施例之電壓供應裝置之電 12 1270998 路架構圖。 【主要元件符號說明】 100 :電壓供應裝置 102 :燃料電池 104 :直流-直流電壓轉換器 106 :直流-交流電壓轉換器 10 8 :辅助電池 110 :輸出電壓 200 :電壓供應裝置 202 :燃料電池 204 :直流-直流電壓轉換器 206 :控制電路 208 :穩壓電容 210 :總輸出電壓 302 :變壓器 304 :開關元件 306 :二極體 308 :穩壓電容 400 :電壓供應裝置 404 :大功率輸出電壓 402 :備援電池 13

Claims (1)

1. !27〇998 十、申請專利範圍： 1 · 一種電壓供應裝置，用以輸出一總輸出電壓，包含· 一燃料電池，用以輸出一第一輸出電壓； ' 一直流-直流電壓轉換器，用以接收該第一輸出電壓， 、 並執行一轉換作業將該第一輸出電壓轉換為一第二輪出電 麗’其中該總輸出電壓為該第一輸出電壓加上該第二輪出 •電壓；以及 一控制電路，用以控制該直流-直流電壓轉換器所執行 之該轉換作業。 — 2.如申請專利範圍第1項所述之電壓供應裝置，其中 邊控制電路係依據該總輸出電壓之大小來控制該直流·直 流電壓轉換器所執行之該轉換作業，以控制該第二輪出電 壓的大小。 3 _如申請專利範圍第1項所述之電壓供應裝置，其中 “ 該直流-直流電壓轉換器係為一返馳式（flyback)隔離轉換 • 器、一順向式（forward)隔離轉換器、一半橋式（half bridge) 隔離轉換器、一全橋式（full bridge)隔離轉換器或一推挽式 (push-pull)隔離轉換器。 4·如申請專利範圍第1項所述之電壓供應裝置，更包 含一備援電池與該第二輸出電壓並聯，用以儲存由該第二 14 1270998 輸出電壓所提供之電能。 一 5·如申晴專利範圍第4項所述之電壓供應裝置，其中 該控制電路係依據該備援電池之端電壓大小來決定是否啟 動該直流-直流電壓轉換器所執行之該轉換作業。 6·如申請專利範圍第丨項所述之電壓供應裝置，更包 含一穩壓電容與該總輸出電壓並聯。 7. —種電壓供應裝置，用以輸出一總輸出電壓，包含： 一燃料電池； 一直流-直流電壓轉換器，其中該直流_直流電壓轉換器 之一正輸入端以及該直流·直流電壓轉換器之一負輸入端 係分別與該燃料電池之一正輸出端以及該燃料電池之一負 輸出端電性連接，該直流-直流電壓轉換器之一正輸出端係 與該燃料電池之一負輸出端電性連接，以及該燃料電池之 一正輸出端以及該直流-直流電壓轉換器之一負輸出端係 用以提供該總輸出電壓；以及 一控制電路，用以控制該直流-直流電壓轉換器之一電 壓轉換作業。 8·如申請專利範圍第7項所述之電壓供應裝置，其中 該控制電路係依據該總輸出電壓之大小來控制該直流-直 流電壓轉換器所執行之該轉換作業，以穩定該總輸出電壓 15 1270998 的大小。 9·如申請專利範圍第7項所述之電壓供應裝置，其中 該直流直流電壓轉換器係為一返馳式（flyback)隔離轉換 器、一順向式（forward)隔離轉換器、一半橋式（haif bridge) 隔離轉換器、一全橋式（full bridge)隔離轉換器或一推挽式 (push-pull)隔離轉換器。 10·如申請專利範圍第7項所述之電壓供應裝置，更 包含一備援電池並聯於該直流-直流電壓轉換器之正輸出 端及該直流-直流電壓轉換器之負輸出端之間，用以儲存由 該直流-直流電壓轉換器所提供之電能。 11·如申請專利範圍第1〇項所述之電壓供應裝置，其 中该控制電路係依據該備援電池之端電壓大小來決定是否 啟動該直流-直流電壓轉換器所執行之該轉換作業。 12·如申請專利範圍第7項所述之電壓供應裝置，更 包含一穩壓電容與該總輸出電壓並聯。 13· —種電壓供應裝置，用以輸出一總輸出電壓，包 含： 一燃料電池，用以輸出一第一輸出電壓； 一直流-直流電壓轉換器，用以接收該第一輸出電壓， 16 !27〇998 並執行-轉換作業將該第一輸出電壓轉換為一第二輸 壓’其中該總輸出電壓為該第一輸出電壓加上 電壓； 一踊出 -控制電路’用以控制該直流·直流電壓轉換器所執 之該轉換作業；以及 一備援電池，用以接收並儲存由該第二輸出電壓所 供之電能。 14.如申凊專利範圍第13項所述之電壓供應裝置，其 中该控制電路係依據該備援電池之端電壓大小來決定是否 啟動該直流-直流電壓轉換器所執行之該轉換作業。 15·如申請專利範圍第13項所述之電壓供應裝置，其 中名直W直机電壓轉換器係為一返驰式⑺外⑽让）隔離轉換 器、一順向式（f〇rward)隔離轉換器、一半橋式（half匕记#) 隔離轉換g、-全橋式（full bddge)隔離轉換器或—推挽式 (push-pull)隔離轉換器。 16.<如申請專利範圍第13項所述之電壓供應裝置，更 包含一穩壓電容與該總輸出電壓並聯。 17