TWI388107B - 複數組燃料電池轉換器串聯系統及其控制方法 - Google Patents

Description

複數組燃料電池轉換器串聯系統及其控制方法

本發明係為一種複數組燃料電池轉換器串聯系統及其控制方法，尤指一種將複數組燃料電池轉換器系統串聯結合的充放電裝置及方法。

自近代工業革命以來，電力已成為生活中不可或缺的一環。現今產生電力的方式係以火力與核能為主，而上述二種方式皆會對環境產生影響，更何況現在全球氣候異狀已層出不窮，因此，如何運用其他方法產生電力係為目前一重大課題。

由於燃料電池係利用化學反應來產生電力，並不會產生影響環境的物質，因此如何運用燃料電池係為現今研發的重點方向之一。以目前習知的燃料電池發電系統為例，其係包含三大部份：燃料電池堆、轉換器與蓄電池，其中，燃料電池堆係用於產生電力，轉換器則將燃料電池堆所產生之不穩定電力轉換成穩定之電源後再輸出，而蓄電池係在負載增加時可與燃料電池堆同時提供電力以補足不足的電力，待燃料電池堆電力達到負載所需之電力時，蓄電池將停止提供電力。

上述習知之燃料電池發電系統的缺點在於當轉換器損壞時，其燃料電池堆的電力即無法輸出，造成莫大的不便；再者，當要使燃料電池堆的輸出電量上升時，需要時間等待燃料電池堆內的化學反應完成作用，才能達到調升的目的，倘若負載突然增加，且超過蓄電池所能承擔之電力時，則會造成電力不足，並導致負載因電力不足而受到影響。

再者，當燃料電池堆在添加燃料時，由於其化學作用會造成輸出電力短暫地不穩定，也容易導致負載發生故障等情事。

本發明係為一種複數組燃料電池轉換器串聯系統及其控制方法，藉由本發明可避免因單一轉換器的毀損，而造成電力供應中斷的情況，以及避免因添加燃料時所產生的不穩定等問題。再者，本發明係將燃料電池轉換器系統模組化，並且串聯燃料電池轉換器系統之輸出端，以達到可應用於大功率之場合之功效。

為達上述功效，本發明係提供一種複數組燃料電池轉換器串聯系統，其包括：複數組燃料電池轉換器系統，用以提供電力；一轉換器串聯開關，係與各燃料電池轉換器系統之輸出端電性連接，用以輸出各燃料電池轉換器系統所產生之電能；一負載功率計算單元，係用以電性連接於一負載，並計算負載所需之電量；一串聯控制計算單元，係電性連接於轉換器串聯開關，用以讀取轉換器串聯開關輸出之電能值；以及一主控制器，係與各燃料電池轉換器系統、負載功率計算單元及串聯控制計算單元電性連接，用以讀取負載功率計算單元及串聯控制計算單元，並控制燃料電池轉換器系統之放電量。

又，本發明再提供一種用於上述裝置之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，係包含下列步驟：評估負載步驟：計算一負載所需之一負載功率值與一負載輸出電壓值；決定燃料電池轉換器系統數量步驟：依照負載功率值及負載輸出電壓值決定所需的燃料電池轉換器系統數量，並定義被選擇的燃料電池轉換器系統為作用中燃料電池轉換器系統；計算分配輸出功率步驟：計算每一作用中燃料電池轉換器系統分配到所需輸出之一應輸出功率；放電步驟：當任一作用中燃料電池轉換器系統中之一燃料電池之可輸出功率小於應輸出功率時，則雙向轉換器即會導通蓄電池放電，使作用中燃料電池轉換器系統輸出之功率達到應輸出功率；以及決定充電步驟：當蓄電池的電量小於一預設值，且燃料電池之可輸出功率大於應輸出功率時，則開始對蓄電池進行充電。

藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：

一、避免因單一轉換器或是單一燃料電池的毀損，而造成電力供應中斷的情況。

二、避免因添加燃料時所產生的電力不穩定等問題。

三、依負載需求開啟需要之燃料電池轉換器系統，以因應不同需求之負載電壓或提高功率輸出。

四、藉由將燃料電池發電系統中的各元件模組化，並串聯燃料電池轉換器系統之輸出端以應用於大功率之場合。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

第1圖係為本發明實施例之一種複數組燃料電池轉換器串聯系統之裝置示意圖。第2圖係為本發明實施例之一種複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法之流程圖。

請配合第1圖所示，本實施例係為一種複數組燃料電池轉換器串聯系統，其係包括：複數組燃料電池轉換器系統10、一轉換器串聯開關20、一負載功率計算單元30、一串聯控制計算單元40及一主控制器50。

燃料電池轉換器系統10係將所產生之電力由燃料電池轉換器系統10之輸出端進行輸出。

轉換器串聯開關20係與各燃料電池轉換器系統10之輸出端電性連接，以將各燃料電池轉換器系統10所產生之電能輸出至一負載L。

負載功率計算單元30係用以電性連接於負載L，並計算負載L所需之電量。

串聯控制計算單元40係電性連接於轉換器串聯開關20，用以讀取轉換器串聯開關20輸出之電能值。

主控制器50係與各燃料電池轉換器系統10、負載功率計算單元30及串聯控制計算單元40電性連接，並用於讀取負載功率計算單元30及串聯控制計算單元40之訊號，並在參考此些訊號後，決定需開啟的燃料電池轉換器系統10或是控制每一燃料電池轉換器系統10之放電量。

再者，每一燃料電池轉換器系統10係分別包括一燃料電池11、一轉換器12、一雙向轉換器13、一蓄電池14及一子控制器15。

其中，燃料電池11係依化學反應來產生電能。

轉換器12係電性連接於燃料電池11及轉換器串聯開關20，用以轉換燃料電池11所產之電能，再將轉換後的電能傳遞至轉換器串聯開關20，由轉換器串聯開關20匯集所有燃料電池轉換器系統10的輸出後，再傳輸至負載L。

其中，雙向轉換器13係電性連接於轉換器串聯開關20，而蓄電池14則電性連接於雙向轉換器13，以藉由雙向轉換器13來控制蓄電池14進行放電或是充電的狀態，並透過雙向轉換器13將電力輸出至轉換器串聯開關20。

子控制器15係電性連接於主控制器50、轉換器12及燃料電池11。其中，子控制器15在接收主控制器50所發出之控制訊號後，再控制轉換器12的輸出電量，子控制器15又用以讀取蓄電池14之蓄電量，以依此蓄電量控制雙向轉換器13使蓄電池14進行放電或充電。

其中，主控制器50係依串聯控制計算單元40與負載功率計算單元30所讀取之訊號進行判定後，決定需要被開啟之燃料電池轉換器系統10，並將控制訊號傳遞至各子控制器15。

如第2圖所示，本實施例亦提供一種用於前述裝置之複數組燃料電池轉換器串聯控制方法，其係包含下列步驟：評估負載步驟(S10)、決定燃料電池轉換器系統數量步驟(S20)、計算分配輸出功率步驟(S30)、放電步驟(S40)及決定充電步驟(S50)。

評估負載步驟(S10)：利用負載功率計算單元30計算或讀取負載L所需之負載功率值與負載輸出電壓值。

決定燃料電池轉換器系統數量步驟(S20)：依照負載功率值及負載輸出電壓值決定需要被啟動的燃料電池轉換器系統10的數量，並定義被選擇的燃料電池轉換器系統10為作用中燃料電池轉換器系統10’。

其中，選擇作用中燃料電池轉換器系統10’所需數量的方式係由主控制器50將負載功率值與負載輸出電壓值除以每一燃料電池轉換器系統10所能輸出之最大功率與最大輸出電壓，即可得到應有之作用中燃料電池轉換器系統10’的數量，並由主控制器50控制需開啟之燃料電池轉換器系統10，而此些被開啟的燃料電池轉換器系統10即為被定義之作用中燃料電池轉換器系統10’。其中，作用中燃料電池轉換器系統10’係藉由轉換器串聯開關20將其輸出端彼此串聯，並將電能輸出。

計算分配輸出功率步驟(S30)：利用主控制器50計算每一作用中燃料電池轉換器系統10’分配到所需輸出之一應輸出功率。其中，主控制器50係將負載功率值除以作用中燃料電池轉換器系統10’的數量，以取得每一作用中燃料電池轉換器系統10’所需輸出之應輸出功率。

放電步驟(S40)：當任一作用中燃料電池轉換器系統10’中之燃料電池11之可輸出功率小於應輸出功率時，則雙向轉換器13即會導通蓄電池14，並使蓄電池14放電，以利用蓄電池14之電力補足不夠之電力，而使作用中燃料電池轉換器系統10’輸出之功率達到應輸出功率。其中，雙向轉換器13係由子控制器15控制，以決定蓄電池14是否進行放電。

決定充電步驟(S50)：當蓄電池14的電量小於一預設值，且燃料電池11之可輸出功率大於應輸出功率時，即代表燃料電池11除了可提供負載L所需之電力外，還有額外的電力可儲放於蓄電池14中，因此可對蓄電池14進行充電，以備日後之需。其中，雙向轉換器13係由子控制器15控制，以決定蓄電池14是否進行充電。

藉由本發明係可避免因單一轉換器的毀損，而造成電力供應中斷的情況，以及避免因添加燃料時所產生的不穩定等問題，並且具有可擴充性，當負載L大幅增加時，僅需增添數組燃料電池轉換器系統10。此外，當負載L瞬間增加，而作用中燃料電池轉換器系統10’輸出之功率不足以因應負載L所需時，即可使蓄電池14放電，以維持整體電力供應的穩定性。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

10．．．燃料電池轉換器系統

10’．．．作用中燃料電池轉換器系統

11．．．燃料電池

12．．．轉換器

13．．．雙向轉換器

14．．．蓄電池

15．．．子控制器

20．．．轉換器串聯開關

30．．．負載功率計算單元

40．．．串聯控制計算單元

50．．．主控制器

L．．．負載

第1圖係為本發明實施例一種複數組燃料電池轉換器串聯系統之裝置示意圖。

第2圖係為本發明實施例一種複數組燃料電池轉換器串聯系統之方法流程圖。

S10．．．評估負載步驟

S20．．．決定燃料電池轉換器系統數量步驟

S30．．．計算分配輸出功率步驟

S40．．．放電步驟

S50．．．決定充電步驟

Claims (12)

1. 一種複數組燃料電池轉換器串聯系統，其包括：複數組燃料電池轉換器系統，用以提供電力；一轉換器串聯開關，係與各該燃料電池轉換器系統之輸出端電性連接，用以輸出各該燃料電池轉換器系統所產生之電能；一負載功率計算單元，係用以電性連接於一負載，並計算該負載所需之電量；一串聯控制計算單元，係電性連接於該轉換器串聯開關，用以讀取該轉換器串聯開關輸出之電能值；以及一主控制器，係與各該燃料電池轉換器系統、該負載功率計算單元及該串聯控制計算單元電性連接，用以讀取該負載功率計算單元及該串聯控制計算單元，並控制該些燃料電池轉換器系統之放電量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統，其中每一該燃料電池轉換器系統係包括：一燃料電池，用以產生電能；一轉換器，係電性連接於該燃料電池及該轉換器串聯開關，用以轉換該燃料電池所輸出之電能，再傳遞至該轉換器串聯開關；一雙向轉換器，係電性連接於該轉換器串聯開關；一蓄電池，係電性連接於該雙向轉換器；以及一子控制器，係電性連接於該主控制器、該轉換器及該燃料電池，用以接收該主控制器所發出之一控制訊號並依此控制該轉換器，該子控制器又用以讀取該蓄電池之蓄電量，以依此控制該雙向轉換器使該蓄電池進行放電或充電。
3. 如申請專利範圍第2項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統，其中該主控制器係依該串聯控制計算單元與該負載功率計算單元所讀取之訊號決定需開啟之該燃料電池轉換器系統，並將該控制訊號傳遞至該子控制器。
4. 一種用於申請專利範圍第1項所述裝置之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，係包含下列步驟：評估負載步驟：計算一負載所需之一負載功率值與一負載輸出電壓值；決定燃料電池轉換器系統數量步驟：依照該負載功率值及該負載輸出電壓值決定所需的燃料電池轉換器系統數量，並定義被選擇的該些燃料電池轉換器系統為作用中燃料電池轉換器系統；計算分配輸出功率步驟：計算每一該作用中燃料電池轉換器系統分配到所需輸出之一應輸出功率；放電步驟：當任一該作用中燃料電池轉換器系統中之一燃料電池之可輸出功率小於該應輸出功率時，則該雙向轉換器即會導通該蓄電池放電，使該作用中燃料電池轉換器系統輸出之功率達到該應輸出功率；以及決定充電步驟：當該蓄電池的電量小於一預設值，且該燃料電池之可輸出功率大於該應輸出功率時，則開始對該蓄電池進行充電。
5. 如申請專利範圍第4項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該決定轉換器系統數量步驟係將該負載功率值與該負載輸出電壓值除以每一該燃料電池轉換器系統所能輸出之最大功率與最大輸出電壓，以計算該些作用中燃料電池轉換器系統的數量。
6. 如申請專利範圍第5項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該計算分配輸出功率步驟係將該負載功率值除以該些作用中燃料電池轉換器系統的數量，以取得每一該作用中轉換器系統需輸出之該應輸出功率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該些作用中燃料電池轉換器系統係藉由一轉換器串聯開關彼此串聯。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該評估負載步驟係利用一負載功率計算單元計算該負載所需之該負載功率值與該負載輸出電壓值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該決定燃料電池轉換器系統數量步驟係由一主控制器依照該負載功率值及該負載輸出電壓值控制需要被啟動的該些作用中燃料電池轉換器系統。
10. 如申請專利範圍第9項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該計算分配輸出功率步驟係利用該主控制器計算每一該作用中燃料電池轉換器系統需輸出之該應輸出功率。
11. 如申請專利範圍第10項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該放電步驟係由一子控制器控制該雙向轉換器，以藉此控制該蓄電池進行放電。
12. 如申請專利範圍第11項所述之複數組燃料電池轉換器串聯系統控制方法，其中該決定充電步驟係由該子控制器控制該雙向轉換器，以藉此控制該蓄電池進行充電。