TWI429121B - 無電源轉換器之燃料電池混合電力系統 - Google Patents

無電源轉換器之燃料電池混合電力系統 Download PDF

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Description

無電源轉換器之燃料電池混合電力系統
本發明係一種關於燃料電池混合電力系統，其特別係藉由燃料電池模組、二次電池模組與負載間之電壓與功率匹配，達到無須電源轉換器之混合電力輸出之設計。
燃料電池是一種將氫氣與氧氣經由氧化還原的方式反應而產生電力的裝置，由於其反應過程只產生熱和水，是一種具有高效率、低污染的發電裝置。只要不斷地提供燃料電池所需要的燃料(氫氣)及輔助性氣體(空氣)，燃料電池理論上就可以持續地提供電力。
由於燃料電池輸出的反應速度無法滿足動力系統負載的快速變化，因此藉由外加超高電容或二次電池來提高混合電力之動力系統的響應速度，以滿足動力系統負載之需求。在中華民國專利號第200945724號中揭示了一種燃料電池混合電力輸出之管理辦法。藉由二個切換器、感測單元及控制單元，並根據燃料電池之電力狀態，控制切換器以選擇燃料電池模組單獨供電或者燃料電池模組與二次電池模組混合供電。此外，在中華民國專利號第200929656號及第200935641號的混合電力裝置中燃料電池與二次電池供給迴路分別具有電壓轉換單元，用以控制各迴路所輸出的電壓，以達成單一供電、混合供電或燃料電池對二次電池充電之功能。中華民國新型專利號第M330929號的混合技術使用一直流電壓轉換器，可限制燃料電 池之電流維持在一最大值並選擇與二次電池並聯輸出電力。在美國專利US6975091中的燃料電池混合電力系統中採用了二個切換開關及在二次電池輸出端以一直流電壓轉換器來達成混合之功用。
在已發表之期刊論文中，Jiang等人的論文[Journal of Power Sources 130(2004)163-171]與Gao等人的論文[Journal of Power Sources 130(2004)202-207]中均設計了一主動式控制器來控制燃料電池輸出端之直流電源轉換器，而達成與二次電池混合輸出之目的。Jossen等人發表的論文中[Journal of Power Sources 144(2005)395-401]提出了燃料電池與二次電池混合輸出之數學模型，在其模型中，燃料電池仍需經由一直流電源轉換器來達成與二次電池混合輸出之目的。
先前發表之專利技術或論文為採用電力控制器來切換控制燃料電池單獨供電或與二次電池混合供電之方式；或者控制直流電源轉換器，燃料電池可與二次電池混合輸出之方式。在這些發表的專利技術或論文中仍需使用電源轉換器，而電源轉換器的效率會降低整個混合電力系統的效率，無法使電力有效地使用；再者，複雜的切換技術需要搭配準確的量測元件及可迅速反應的切換開發，控制程式的開發也會增加混合電力系統的成本。因此，本發明鑑於上述所提及之混合電力系統之缺失，乃發明一種無需電源轉換器之燃料電池混合電力系統，亦無需複雜的控制技術。
本發明提供一無電源轉換器之燃料電池混合電力系統。其可利用燃料電池模組與二次電池模組並聯以提供負載所需之電力。在本無電源轉換器之燃料電池混合電力系統中，藉由燃料電池模組、二次電池模組與負載間之電壓與功率匹配，可無須電源轉換器而達成混合電力輸出之目的。
本發明之無電源轉換器之燃料電池混合電力系統如應用在飛行載具或車輛載具上，則其燃料電池模組之輸出功率足以滿足飛行載具或車輛載具之定速巡航；而啟動瞬間或加速所需之功率則由二次電池提供。由於無須電源轉換器，可減輕系統重量，節省電源轉換器之電力損失及簡化系統設計，可大幅提昇能源效率。
為達成無電源轉換器之燃料電池混合電力系統之設計，需利用燃料電池模組與二次電池之特性來配合所需之負載功率。燃料電池模組之特性為在安全工作範圍內，輸出功率由負載端需求而決定，輸出功率高時，輸出電壓低；輸出電功率低時，輸出電壓高。而二次電池之特性為可瞬間大電流放電，輸出電壓不易受負載功率而有大幅變動。
燃料電池模組之輸出電壓及功率需依據負載之可接受電壓及工作時之功率來匹配。燃料電池模組之輸出電壓需介於負載之最大與最小可接受電壓範圍內。燃料電池模組之輸出功率需滿足負載在低功率運作，在此低功率下，若欲使燃料電池模組 在此低功率單獨供電，則需設計二次電池模組的輸出電壓小於此燃料電池工作點之輸出電壓。由於燃料電池模組之輸出電壓高於二次電池模組之電壓，故二次電池模組無法放電。當負載需要高功率運作時，由於燃料電池模組之輸出電壓會隨輸出功率增加而下降，當降到二次電池之放電電壓範圍內時，二者輸出電壓會相同而同時供電。
圖1係顯示本發明之無電源轉換器之燃料電池混合電力系統。燃料電池模組與二次電池模組之輸出端並未經由電源轉換器，而是直接並聯後即與負載相連接，其中二極體是用以防止燃料電池直接對二次電池充電。圖2係本發明之燃料電池模組、二次電池模組及負載之電壓匹配示意圖。燃料電池模組之輸出電壓有一最小工作電壓Vfc1、與二次電池共同輸出之初始混合電壓Vfc2及一未供電給負載時之最大電壓Vfc3；二次電池模組之輸出電壓有一最小工作電壓Vb1及一未供電給負載時之最大電壓Vb2；負載有一最低輸入電壓Vm1及一最高輸入電壓Vm2。燃料電池模組之最小工作電壓Vfc1大於或等於負載之最低輸入電壓Vm1；燃料電池模組之最大輸出電壓Vfc3小於或等於負載之最大輸入電壓Vm2；二次電池模組未供電給負載時之最大電壓Vb2小於或等於燃料電池模組之初始混合電壓Vfc2。
當負載需求功率低時，燃料電池模組輸出電壓高於初始混 合電壓Vfc2，即高於二次電池模組之最大電壓Vb2，故二次電池模組無法輸出電力，此時由燃料電池模組單獨供電。當負載需求功率高於燃料電池模組在初始混合電壓Vfc2下可提供之功率時，燃料電池模組之輸出電壓會低於Vfc2而進入二次電池模組之輸出電壓範圍區間，故燃料電池模組與二次電池模組會共同供電。
實施例一：
將一燃料電池模組(例如質子交換膜型燃料電池模組)、一二次電池模組(例如磷酸鐵鋰電池模組)與一負載(例如直流無刷馬達)按圖1所示之方式連接，其中二極體為防止燃料電池模組對二次電池模組(例如磷酸鐵鋰電池直接充電)。燃料電池模組之最小工作電壓Vfc1=20V，未供電給負載時之最大電壓Vfc3=33V，最大輸出功率為150W；二次電池模組之最小工作電壓Vb1=21V，未供電給負載時之最大電壓Vb2=23V；負載之最低輸入電壓Vm1=18V，最高輸入電壓Vm2=33V，最大消耗功率為450W。
將負載瞬間啟動至高功率運轉，同時記錄燃料電池模組、磷酸鐵鋰電池模組與負載之電流變化及燃料電池模組、磷酸鐵鋰電池模組輸出之電壓變化。圖3顯示燃料電池模組之輸出電流無法滿足負載瞬間啟動所需之大電流，因此不足的電流由磷酸鐵鋰電池提供；啟動後馬達即穩定地維持在一電流值運轉。 此時燃料電池模組輸出6A，磷酸鐵鋰電池輸出9A，兩者共同供電。由電壓變化圖可看出在高功率下，燃料電池模組之輸出電壓在磷酸鐵鋰電池之輸出電壓範圍內且二者相同，均為22至23V之間。
實施例二：
同實施例一之燃料電池模組(例如質子交換膜型燃料電池模組)、二次電池模組(例如磷酸鐵鋰電池模組)及一負載(例如直流無刷馬達)之連接方式。
將馬達瞬間啟動至低功率運轉一段時間再瞬間增加至大功率運轉，同時記錄燃料電池模組、二次電池模組(例如磷酸鐵鋰電池模組)與負載(例如直流無刷馬達)之電流變化及燃料電池模組與二次電池模組輸出之電壓變化。圖4顯示馬達啟動瞬間所需的大電流無法由燃料電池模組提供，而是由磷酸鐵鋰電池提供；啟動完成後，燃料電池模組本身可滿足馬達所需之低功率。在此低功率下，燃料電池輸出電壓約為27V，大於鋰電池之放電電壓，因此鋰電池無法輸出電力。
當馬達需求功率瞬間增大時，可看出磷酸鐵鋰電池之放電電流瞬間增加，以滿足大電流之需求。其放電電流隨後又降回一穩定值，與燃料電池模組共同供電，如實施例一之狀態。
10‧‧‧燃料電池模組
11‧‧‧燃料電池模組之性能曲線
20‧‧‧二次電池模組
21‧‧‧二次電池模組之輸出電壓範圍
30‧‧‧負載
31‧‧‧負載可接受之輸入電壓範圍
圖1本發明之無電源轉換器之燃料電池混合電力系統架構圖。
圖2本發明之燃料電池模組、二次電池模組及負載之電壓匹配示意圖。
圖3實施例一之燃料電池模組、二次電池模組及負載之電流與電壓變化圖。
圖4實施例二之燃料電池模組、二次電池模組及負載之電流與電壓變化圖。
10‧‧‧燃料電池模組
20‧‧‧二次電池模組
30‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，包括：一燃料電池模組，具輸出電壓端及輸出電流端；一二次電池模組，具輸出電壓端及輸出電流端，且與該燃料電池模組並聯；以及一負載，具輸入電壓端，且與該燃料電池模組及該二次電池模組並聯。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該燃料電池模組包含一燃料電池堆及一供應燃料電池堆正常運作的元件及裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該負載係與該燃料電池模組及該二次電池模組並聯後之線路直接相連接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該燃料電池模組之該輸出電壓包含一最小工作電壓、一初始混合電壓及一最大電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該二次電池模組之該輸出電壓包含一最小工作電壓及一最大電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該負載包含一最低輸入電壓及一最高輸入電壓，且該負載可在一低功率及一高功率運行。
  7. 如申請專利範圍第4項或第6項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該燃料電池模組之該最小工作電壓大於或等於該負載之該最低輸入電壓；該燃料電池模組之該最大輸出電壓小於或等於該負載之該最大輸入電壓。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該二次電池模組之該最大電壓小於或等於該燃料電池模組之該初始混合電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該負載在該低功率運行時，所需的電力由該燃料電池模組提供，且該燃料電池模組之該輸出電壓高於該初始混合電壓。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的無電源轉換器之燃料電池混合電力系統，其中該負載在該高功率運行時，所需的電力由該燃料電池模組及該二次電池共同提供，且該燃料電池模組之該輸出電壓低於或等於該初始混合電壓。
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