TWI528682B - 具疊接架構之燃料電池混合供電系統 - Google Patents

Description

具疊接架構之燃料電池混合供電系統

本發明係有關於一種具疊接架構之燃料電池混合供電系統，尤其是指一種利用疊接特性之高效率雙向疊接式電力轉換器，可改善傳統燃料電池無法提供瞬間能量之缺點，並補償燃料電池之極化損失，有效提高供電系統之整體雙向電力潮流效率者。

按，自工業革命以來，人類在科技的發展史上立下許多的里程碑，而日益精進的科學技術不僅改變人類的生活方式，也帶來不同的生活體驗，從工業革命迄今，地球上所蘊藏的石化能源，例如煤礦、石油，以及天然氣等，一直都是全球能源消費的主要來源；然而，根據英國石油公司於2003年6月發表的統計資料顯示，若依現今石油的消耗速度估算，地球剩餘的石油蘊藏量約只能再使用半個世紀，因此，若人類對能源的使用不再加以節制，則全球將會提早面臨能源枯竭的危機；再者，大量使用化石能源所產生的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物，以及碳氫化合物等溫室氣體，更是直接對人類的生活環境造成莫大的衝擊，甚至引起溫室效應與增加聖嬰現象發生的頻率，直接危及人類世代生存的永續發展。

基於節省能源與環境保護之前提，各種潔淨能源的科技發展已顯得非常蓬勃而重要，譬如風能、太陽能、潮汐，以及地熱等發電技術均有明顯的進步，而另一具有發展潛力的潔淨能源技術即為 氫能(hydrogen energy)，特別是燃料電池(fuel cell)的技術發展已趨近可商業化的程度，燃料電池的技術在經過不斷的創新改良後，除了可以應用在太空計畫上，也可以應用在民生發電、交通載具、軍事、可攜式電源，以及電子產品等方面，由於燃料電池的用途非常廣泛且為趨近於無汙染之發電技術，因此已經深受美國、歐洲，以及日本等先進國家之重視，無論是政府支持之研究機構，或是民間經營之燃料電池公司，均投入相當大的經費與人力在燃料電池的相關研究發展上，由於燃料電池係直接由化學能轉換成電能，效率遠高於一般使用的內燃機，極有可能取代內燃機而將21世紀變成氫能源經濟的時代。

由於燃料電池係藉由化學反應而輸出電能，並且本身無法儲存能量，因此受限於化學反應速度的關係，其輸出電壓容易受負載變動及極化損失所影響，這也是燃料電池目前最為人所詬病的缺點；另外，本發明人曾以發明人之一於100年3月以『高壓運用之高效能疊接架構能燃料電池混合供電系統(Multicascoded sources for a high-efficiency fuel-cell hybrid power system)』之題目發表於IEEE之論文期刊申請；惟，原案之系統設計雖可利用疊接式之電力轉換器，改善傳統燃料電池無法提供瞬間能量之缺點，但尚有未臻妥善之處，如該論文之電路係使用變壓器以達到高升壓的方法，然而變壓器造成的功率損失卻大於系統之要求；本發明人有鑑於此，乃一本創作改良之初衷，務求精益求精、盡善盡美之精神，遂決心再予改良，在幾經苦思與實驗之後，終研創出本發明；因此，為了有效改善燃料電池之缺點以提供瞬間能量與補償燃料電池的極化損失，有效解決電壓穩定度低、效率不隨開關責任週期之輸出電壓影響，以及漏感與開關應力問題，仍是現今燃料電池供電系統開發之業者或研究人員需持續努力克服與解決之重要課題。

今，發明人有鑑於上述傳統使用變壓器的燃料電池混合供電系統因存在功率損失過大等諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種具疊接架構之燃料電池混合供電系統，尤其是指一種利用疊接特性之高效率雙向疊接式電力轉換器，可改善傳統燃料電池無法提供瞬間能量之缺點，並補償燃料電池之極化損失，有效提高供電系統之整體雙向電力潮流效率；本發明係利用新型疊接式混合供電，使得此轉換器只需要單級轉換器就可以達到需要的高升壓比，可減少多級間能量轉換的損失，並可解決一般升壓型電路之缺點如電壓穩度度較低、開關責任週期越大輸出電壓受限且效率越低，同時也可解決漏感問題與開關應力問題，以達到能量穩定、負載分配及暫態補償等功能。

為了達到上述實施目的，本發明人提出一種具疊接架構之燃料電池混合供電系統，主要係提供負載一高效率雙向疊接式電力轉換器，其至少包括有一燃料電池(fuel cell，簡稱FC)、一第一電源供應單元，以及一第二電源供應單元；燃料電池係為一獨立之低電壓源；第一電源供應單元係電性串聯燃料電池，第一電源供應單元係至少包括有一單向直流/直流轉換器，以及一與單向直流/直流轉換器並聯之第一電源供應器，其中單向直流/直流轉換器係為一升降壓型轉換器(buck-boost converter)，包括有一第一主開關、一第一電感，以及一第一二極體，燃料電池係藉由控制第一主開關將能量傳遞至第一電源供應器，以建立一串聯混合動力電源(hybrid source，簡稱HS)；第二電源供應單元係電性串聯第一電源供應單元與燃料電池，第二電源供應單元係至少包括有一雙向直流/直流 轉換器，以及一與雙向直流/直流轉換器並聯之第二電源供應器，其中雙向直流/直流轉換器係為一升壓型轉換器(boost converter)或一降壓型轉換器(buck converter)等其中之一種，包括有一第二主開關、一第三主開關、一第二電感，以及一第二二極體；藉此，由於燃料電池為一獨立之低電壓源，其應用電壓之範圍大約在31伏特(V)~47伏特，需藉由本發明之高升壓轉換器將輸出電壓提升至變流器(inverter)可運作之電壓約200V，由於燃料電池無法提供瞬間大電流，所以利用雙向直流/直流轉換器的架構將電池串接放電以改善燃料電池之動態特性，然而必須注意的是，上述燃料電池之應用電壓範圍31V~47V是為說明方便起見之較佳實施例，而非以本發明所舉為限，且熟此技藝者當知道本發明燃料電池之應用電壓範圍可以因燃料電池之種類與特性不同而有不同的電壓範圍，並不會影響本發明的實際實施。

於本發明的一個實施例中，其中第一電源供應器係為一鉛酸電池(battery)。

於本發明的一個實施例中，其中第二電源供應器係為一超級電容(ultra-capacitor，簡稱UCM)。

於本發明的一個實施例中，其中當雙向直流/直流轉換器為升壓型轉換器時，串聯混合動力電源係藉由控制第二主開關與第三主開關將燃料電池及第一電源供應器之能量傳遞至第二電源供應器，以建立負載之輸出電壓。

於本發明的一個實施例中，其中當雙向直流/直流轉換器為降壓型轉換器時，負載之輸出電壓係藉由控制第二主開關與第三主開關將輸出能量傳遞至串聯混合動力電源，以達成輸出回收能量之模式。

藉此，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統係提出一 個新型的疊接架構應用於燃料電池混合供電系統使用，在提供能量的過程中，主要僅有部分的能量會經由轉換器而有些許的損失，大部分的能量都能直接提供至負載，故可以提高系統整體雙向電力潮流的效率至96%，有效改善燃料電池無法提供瞬間能量之缺點，補償燃料電池之極化損失，同時也解決漏感與開關應力等問題；此外，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統之燃料電池轉換器係被設計用來做為燃料電池之電能分配與補償，由於燃料電池輸出易受負載變動的影響，所以需應用本發明之電力電子技術來達到能量穩定、負載分配及暫態補償等功能；再者，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統係藉由電感的運作以達到高升壓的目的，相較於傳統使用變壓器以達到高升壓的方法，本發明具有減少功率損失以達到高效率轉換之優勢；最後，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統之控制策略係採用數位訊號處理器為控制核心，並以C語言撰寫，相較於傳統使用組合語言撰寫之控制策略，本發明所採用之控制策略係以簡單之方式管理疊接混合電源轉換器之間的電力潮流，以達到全數位控制之目標。

(1)‧‧‧燃料電池

(2)‧‧‧第一電源供應單元

(21)‧‧‧單向直流/直流轉換器

(22)‧‧‧第一電源供應器

(3)‧‧‧第二電源供應單元

(31)‧‧‧雙向直流/直流轉換器

(32)‧‧‧第二電源供應器

(4)‧‧‧負載

(S1)‧‧‧第一主開關

(L1)‧‧‧第一電感

(DC1)‧‧‧第一二極體

(S2)‧‧‧第二主開關

(S3)‧‧‧第三主開關

(L2)‧‧‧第二電感

(DUC)‧‧‧第二二極體

第一圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之系統配置方塊圖

第二圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之實際電路架構圖

第三圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之控制流程圖

第四圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車動作模式示意圖

第五圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車啟動暫態模式分析圖

第六圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車額定工作模式分析圖

第七圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車滿載工作模式分析圖

第八圖：本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車回收能量模式分析圖

本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，為了更瞭解本發明，將簡要地說明燃料電池之基本概念，燃料電池係為一個由電池本體與燃料箱組合而成的動力機制，是一種能直接將燃料中的化學能轉變成電能的發電裝置，由於它不像一般內燃機易受到卡諾循環(Carnot cycle)的限制，所以其能源轉換效率會高於一般的內燃機；燃料電池主要的燃料為氫氣，其來源之選擇性非常高，可分為直接、間接，以及再生等三種來源模式，包括煤礦、石油、天然氣、液化瓦斯、甲醇、水的電解，以及沼氣等碳氫化合物，經由重組反應後取出大量氫氣做為燃料，只要有源源不絕的氫氣供應，燃料電池就能持續產生所需之電力；燃料電池的發電原理係利用水電解的逆反應以產生電能，燃料電池含有陰、陽兩極，並且兩極之間係由具有滲透性的薄膜所構成，氫氣與氧氣則分別由陽極與陰極注入；由陽極注入的氫原子藉由特殊催化劑的作用而解離成兩個氫離子與兩個電子，此稱為陽極過程，其中氫離子會被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經由外部迴路形成電流，並且提供能量給負載後到達陰極；位於陰極的氫離子、氧，以及電子則在特殊催化劑的作用下發生還原反應並且形成水分子，此稱為陰極過程，由以上燃料電池發電的運作原理可知，燃料電池唯一的排 放物僅有不汙染環境的純水，因此是一種相當環保的綠色能源；再者，請參閱第一、二圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之系統配置方塊圖與實際電路架構圖，其中本發明之具疊接架構之燃料電池混合供電系統係提供負載(4)(LOAD)一高效率雙向疊接式之電力轉換器，至少包括有：一燃料電池(1)，係為一獨立之低電壓源；一第一電源供應單元(2)，係電性串聯燃料電池(1)，第一電源供應單元(2)係至少包括有一單向直流/直流轉換器(21)，以及一與單向直流/直流轉換器(21)並聯之第一電源供應器(22)，其中單向直流/直流轉換器(21)係為一升降壓型轉換器，包括有一第一主開關(S₁)、一第一電感(L₁)，以及一第一二極體(D_C1)，燃料電池(1)係藉由控制第一主開關(S₁)將能量傳遞至第一電源供應器(22)，以建立一串聯混合動力電源，而第一電源供應器(22)係為一鉛酸電池；以及一第二電源供應單元(3)，係電性串聯第一電源供應單元(2)與燃料電池(1)，第二電源供應單元(3)係至少包括有一雙向直流/直流轉換器(31)，以及一與雙向直流/直流轉換器(31)並聯之第二電源供應器(32)，其中雙向直流/直流轉換器(31)係為一升壓型轉換器或一降壓型轉換器等其中之一種，包括有一第二主開關(S₂)、一第三主開關(S₃)、一第二電感(L₂)，以及一第二二極體(D_UC)，其中第二電源供應器(32)係為一超級電容(UCM)，超級電容除了能夠儲存能量，亦具有功率密度高、工作週期長、充電時間短、儲電時間長、可靠性高，以及單位面積能量低等優點，因此在本發明之具疊接架構之燃料電池混合供電系統中的作用係為提供優越的動力性能、提高能量回收率、優化儲能設備之性能，以及具備良好的低溫工作性能與輔助性能等。

此外，本發明係藉由第二電感(L₂)的設計與運作以達到高升壓的目的，相較於傳統使用變壓器以達到高升壓的方法，本發明之具疊接架構之燃料電池混合供電系統具有減少功率損失已達到高效率轉換之優勢。

再者，本發明之具疊接架構之燃料電池混合供電系統之工作原理係可分為三大類型，其中第一類型為「單向直流/直流轉換器之燃料電池供電模式」，為了簡易分析升降壓型轉換器，假設第一電感(L₁)足夠大讓電感電流操作在連續導通模式(continuous-conduction mode)之前提下，燃料電池(1)係藉由控制第一主開關(S₁)將能量傳遞第一電源供應器(22)之鉛酸電池，以建立一串聯混合動力電源。

第二類型為「雙向直流/直流轉換器之輸出供電模式」，其中雙向直流/直流轉換器(31)係為一升壓型轉換器，為了簡易分析雙向疊接升壓型轉換器(bidirectional cascoded boost converter)，假設第二電感(L₂)足夠大讓電感電流操作在連續導通模式之前提下，該串聯混合動力電源係藉由控制第二主開關(S₂)與第三主開關(S₃)將燃料電池(1)及第一電源供應器(22)之能量傳遞至第二電源供應器(32)，建立負載(4)之輸出電壓(output voltage)。

最後一類型係為「雙向直流/直流轉換器之輸出回收能量模式」，其中雙向直流/直流轉換器(31)係為一降壓型轉換器，負載(4)之輸出電壓係藉由控制第二主開關(S₂)與第三主開關(S₃)將輸出能量傳遞至串聯混合動力電源，以達成輸出回收能量之模式。

此外，本發明之具疊接架構之燃料電池混合供電系統之控制策略係採用數位訊號處理器(DSP TMS320F28035A)為控制核心，並以C語言撰寫，相較於傳統使用組合語言撰寫之控制策略，本發明可藉以管理疊接混合電源轉換器之間的電力潮流，以達到全數 位控制之目標；然而必須注意的是，上述以數位訊號處理器(DSP TMS320F28035A)為控制之核心是為說明方便起見之較佳實施例，而非以本例所舉為限，且熟此技藝者當知道本發明之控制核心可以是其他型號或種類之數位控制器或類比控制器，而並不會影響本發明的實際實施。

再者，由於燃料電池(1)之輸出功率係可以藉由燃料電池(1)的電壓來判斷，其判斷模式亦可區分為四大類型以探討其工作原理，請一併參閱第三圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之控制流程圖，其中第一類型為「燃料電池供電模式」，系統會自動偵測燃料電池(1)之電壓V _FC ，以自動判斷是否低於燃料電池(1)電壓之最小值V _{FC_min}，當燃料電池(1)之電壓低於最小值時，則系統會進入燃料電池供電模式，利用補償器調降第一主開關(S₁)之責任週期並將燃料電池(1)輸出電壓穩定在燃料電池(1)電壓之最小值，以及限制燃料電池(1)輸出之最大功率P _{FC_max}，此時係由第二主開關(S₂)控制輸出電壓V _out ，則比例-積分控制器輸出之命令值△V _col 之原理式子定義為下列公式：△V _col,#1=k _p,1(V _FC -V _{FC_min})₊ k _i,1ʃ(V _FC -V _{FC_min})dt；(A)其中，k _p,1及k _i,1分別為比例常數以及積分常數，藉由決定k _p,1及k _i,1參數值再將回授誤差量代入上述(A)公式，即可求得輸出擾動命令值△V _col,#1，然而輸出之命令值V _col#1之原理式子定義為下列公式：V _col.#1=V _col,#1-△V _col,#1；(B)如上述(B)公式所示，輸出之命令值V _col,#1將會與計時器產生之三角波做比較，以產生責任週期PWM訊號給第一主開關(S₁)，此開關觸發訊號決定燃料電池(1)電壓值之升降，藉由閉迴路系統與轉換器之控制策略，可將實際燃料電池(1)電壓控制在燃料電池(1)電壓之最小值V _{FC_min}。

第二類型為「第一電源供應器充電模式」，當燃料電池(1)操作在此模式時，系統會偵測燃料電池(1)之電壓V _FC 、第一電源供應器(22)之電壓V _bat ，以及第一電源供應器(22)之電流I _bat ，第一電源供應器(22)充電模式係可區分為定電壓模式、定電流模式，以及電池保護模式等三種模式，其中，定電壓模式係當第一電源供應器(22)之電壓大於電池命令電壓V _{bat_ref} 時，則將第一電源供應器(22)之電壓穩定在電池命令電壓；定電流模式係當第一電源供應器(22)之電壓小於電池命令電壓時，則將第一電源供應器(22)之電流穩定在電池命令電流I _{bat_ref} ；電池保護模式係當第一電源供應器(22)之電壓小於電池最小電壓V _{bat_min}，以及第一電源供應器(22)之電流大於電池最大電流I _{bat_max}，則會進入電池保護模式；藉由回授電池電壓V _bat 及電池電流I _bat 計算出誤差量再代入比例積分(PI)控制器即可求得輸出擾動命令值△V _col#1，原理式子定義為： 將上述(C)公式計算出之數值帶入(B)公式可得輸出之命令值V _col#1，將會與計時器產生之三角波做比較，以產生責任週期PWM訊號給第一主開關(S₁)，此開關觸發訊號決定燃料電池電壓值之升降，藉由閉迴路系統與轉換器之控制策略，可將第一電源供應器(22)操作在定電壓模式V _bat >V _{bat_ref} 或定電流模式V _bat V _{bat_ref} 。

第三類型為「燃料電池箝位模式」，在此執行模式下，系統會自動偵測燃料電池(1)之電壓值，以判斷是否高於燃料電池(1)電壓之最大值V _{FC_max}，當高於燃料電池(1)電壓最大值時，則系統會進入燃料電池箝位模式，利用PI補償增加第二主開關(S₂)之責任週期，並將燃料電池(1)輸出電壓穩定在燃料電池(1)電壓之最大值；藉由回授燃料電池電壓V _FC 計算出誤差量再帶入比例積分(PI)控制 器即可求得輸出擾動命令值△V _col#2，原理式子定義為：△V _col,#2=k _p,2(V _FC -V _{FC_max})+k _i,2ʃ(V _FC -V _{FC_max})dt；(D)其中，k _p,2及k _i,2分別為比例常數以及積分常數，藉由決定k _p,2及k _i,2參數值再將回授誤差量代入上述(D)公式，即可求得輸出擾動命令值△V _col,#2，然而輸出之命令值V _col#2之原理式子定義為下列公式：V _col,#2=V _col,#2-△V _col,#2；(E)如上述(E)公式所示，輸出之命令值V _col,#2將會與計時器產生之三角波做比較，以產生責任週期PWM訊號給第二主開關(S₂)與第三主開關(S₃)，此開關觸發訊號決定燃料電池(1)電壓值之升降，藉由閉迴路系統與轉換器之策略控制，可將實際之燃料電池(1)的電壓控制在燃料電池(1)電壓之最大值，其第三主開關(S₃)導通週期D ₃與第二主開關(S₂)導通週期D ₂關係是如下列公式所示：D ₃=1-D ₂；(F)第四類型為「輸出電壓供電模式」，當燃料電池(1)操作在此模式時，系統會偵測燃料電池(1)之電壓加第一電源供應器(22)之電壓V _HS 、輸出電壓V _out ，以及流入第二電源供應器(32)之電流I _C ，輸出電壓之供電模式可分為定電壓模式、限電流模式，以及超級電容保護模式等三類型，其中定電壓模式係當輸出電壓大於輸出命令電壓V _{out_ref} 時，則將負載(4)之輸出電壓穩定在輸出命令電壓；限電流模式係當流進第二電源供應器(32)之電流大於第二電源供應器(32)命令電流I _{C_max}時，則將第二電源供應器(32)之電流穩定在第二電源供應器(32)之命令電流；第二電源供應器(32)保護模式係當第二電源供應器(32)之電壓V _UCM 大於第二電源供應器(32)之最大電壓V _{UCM_max}，以及第二電源供應器(32)之電流大於第二電源供應器(32)之最大電流，則系統會進入超級電容保護模式；藉由回授負載輸出 電壓V _out 及超電容電流I _C 計算出誤差量再帶入比例積分(PI)控制器，即可求得輸出擾動命令值△V _col#2，原理式子定義為下列公式： 將上述(G)公式計算出之數值帶入(E)公式可得輸出之命令值V _col,#2，將會與計時器產生之三角波做比較，以產生責任週期PWM訊號給第二主開關(S₂)，此開關觸發訊號決定燃料電池電壓值之升降，藉由閉迴路系統與轉換器之控制策略，可將負載(4)輸出電壓控制在定電壓模式V _out >V _{out_ref} 或限電流模式V _out V _{out_ref} 。

利用上述之轉換器控制流程，可藉由疊接架構有效的控制燃料電池(1)，以達到混合供電系統的電力潮流控制，其優勢係包括可有效保護每一個電源、具有良好的混合動力系統管理，以及有效調節輸出電壓等。

此外，由上述的控制策略分析，當本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統於實際實施使用時，可應用在電動車之四種動作模式中，請參閱第四圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車動作模式示意圖，其動作模式分析可分為四大類型，分別為啟動暫態模式、額定工作模式、過載工作模式，以及回收能量模式，分別敘述如下：

1.啟動暫態模式：當電動車瞬間起動以將能量傳遞至馬達時，此時燃料電池(1)、第一電源供應器(22)，以及第二電源供應器(32)串接並直接提供能量至負載(4)，由於本發明係直接提供能量至負載(4)，因而沒有功率之損耗；然而，串聯混合動力電源(HS)經由雙向直流/直流轉換器(31)提供燃料電池(1)最大功率P _{FC_max}，請參閱第五圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車啟動暫態模式分析圖，其中由於V _HS到V _UCM 電壓 轉換比G _{HS_UCM} 關係式如下列公式所示： 則可推導出電力潮流原理式子如下列公式所示： 其中，△D為負載擾動量。

2.額定工作模式：當電動車行駛在直線道路時，此時燃料電池(1)之能量足以提供負載(4)所需之功率，並經由疊接轉換器將部分能量儲存在第一電源供應器(22)之鉛酸電池及第二電源供應器(32)之超級電容上，請參閱第六圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車額定工作模式分析圖，藉由控制策略將輸出電壓及鉛酸電池電壓穩定在定電壓模式，其中由於V _FC到V _bat之電壓轉換比G _{FC_bat} 關係式如下(J)公式，以及V _HS到V _out電壓轉換比G _{HS_out} 關係式如下(K)公式所示： 其中，D ₁為第一主開關(S₁)的導通週期，則可推導出電力潮流原理式子如下列公式所示：

3.過載工作模式：當電動車加速時，輸出負載(4)瞬間從額定負載轉換為滿載，此時燃料電池(1)提供最大功率及第一電源供應器(22)提供長時間功率給負載(4)，然而，雙向直流/直流轉換器(31)會將流入第二電源供應器(32)電流I _c 限制在最大電流I _{c_max}，請參閱第七圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其 一較佳實施例之電動車滿載工作模式分析圖，其電力潮流係與上述之額定工作模式相同，因此原理式子亦如上述(L)與(M)之公式所示。

4.回收能量模式：當電動車煞車時，輸出負載(4)經由雙向直流/直流轉換器(31)將輸出能量回送至燃料電池(1)電容、第一電源供應器(22)之超級電容，以及第第二電源供應器(32)之鉛酸電池，請參閱第八圖所示，為本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統其一較佳實施例之電動車回收能量模式分析圖，其中由於V _FC到V _bat電壓轉換比G _{FC_bat} 關係式如上述(J)公式，以及V _UCM到V _HＳ電壓轉換比G _{UCM_HS} 關係式如下列公式所示： 則可推導出電力潮流原理式子如下列公式所示： 由上述之實施說明可知，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統係提出一個新型的疊接架構應用於燃料電池混合供電系統使用，在提供能量的過程中，主要僅有部分的能量會經由轉換器而有些許的損失，大部分的能量都能直接提供至負載，故可以提高系統整體雙向電力潮流的效率至96%，有效改善燃料電池無法提供瞬間能量之缺點，補償燃料電池之極化損失，同時也解決漏感與開關應力等問題。

2.本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統之燃料電池轉換器係被設計用來做為燃料電池之電能分配與補償，由於燃料電池輸出易受負載變動的影響，所以需應用本發明之電力電子技術來 達到能量穩定、負載分配及暫態補償等功能。

3.本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統係藉由電感的運作以達到高升壓的目的，相較於傳統使用變壓器以達到高升壓的方法，本發明具有減少功率損失以達到高效率轉換之優勢。

4.本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統之控制策略係採用數位訊號處理器為控制核心，並以C語言撰寫，相較於傳統使用組合語言撰寫之控制策略，本發明所採用之控制策略係以簡單之方式管理疊接混合電源轉換器之間的電力潮流，以達到全數位控制之目標。

綜上所述，本發明具疊接架構之燃料電池混合供電系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧燃料電池

(2)‧‧‧第一電源供應單元

(21)‧‧‧單向直流/直流轉換器

(22)‧‧‧第一電源供應器

(3)‧‧‧第二電源供應單元

(31)‧‧‧雙向直流/直流轉換器

(32)‧‧‧第二電源供應器

(4)‧‧‧負載

(S₁)‧‧‧第一主開關

(L₁)‧‧‧第一電感

(D_C1)‧‧‧第一二極體

(S₂)‧‧‧第二主開關

(S₃)‧‧‧第三主開關

(L₂)‧‧‧第二電感

(DUC)‧‧‧第二二極體

Claims (6)

1. 一種具疊接架構之燃料電池混合供電系統，係提供負載一高效率雙向疊接式電力轉換器，至少包括有：一燃料電池，係一獨立之低電壓源；一第一電源供應單元，係電性串聯該燃料電池，該第一電源供應單元係至少包括有一單向直流/直流轉換器，以及一與該單向直流/直流轉換器並聯之第一電源供應器；其中該單向直流/直流轉換器係為一升降壓型轉換器，包括有一第一主開關、一第一電感，以及一第一二極體，該燃料電池係藉由控制該第一主開關將能量傳遞至該第一電源供應器，以建立一串聯混合動力電源；以及一第二電源供應單元，係電性串聯該第一電源供應單元與該燃料電池，該第二電源供應單元係至少包括有一雙向直流/直流轉換器，以及一與該雙向直流/直流轉換器並聯之第二電源供應器；其中該雙向直流/直流轉換器係為一升壓型轉換器，包括有一第二主開關、一第三主開關、一第二電感，以及一第二二極體，該串聯混合動力電源藉由控制該第二主開關與該第三主開關將該燃料電池及該第一電源供應器能量傳遞至該第二電源供應器，建立負載之輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具疊接架構之燃料電池混合供電系統，其中該第一電源供應器係為一鉛酸電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具疊接架構之燃料電池混合供電系統，其中該第二電源供應器係為一超級電容。
4. 一種具疊接架構之燃料電池混合供電系統，係提供負載一高效率雙向疊接式電力轉換器，至少包括有：一燃料電池，係一獨立之低電壓源；一第一電源供應單元，係電性串聯該燃料電池，該第一電源供應單元係至少包括有一單向直流/直流轉換器，以及一與該單向直流/直流轉換器並聯之第一電源供應器；其中該單向直流/直流轉換器係為一升降壓型轉換器，包括有一第一主開關、一第一電感，以及一第一二極體，該燃料電池係藉由控制該第一主開關將能量傳遞至該第一電源供應器，以建立一串聯混合動力電源；以及一第二電源供應單元，係電性串聯該第一電源供應單元與該燃料電池，該第二電源供應單元係至少包括有一雙向直流/直流轉換器，以及一與該雙向直流/直流轉換器並聯之第二電源供應器；其中該雙向直流/直流轉換器係為一降壓型轉換器，包括有一第二主開關、一第三主開關、一第二電感，以及一第二二極體，該負載輸出電壓藉由控制該第二主開關與該第三主開 關將輸出能量傳遞至該串聯混合動力電源，達成輸出回收能量模式。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具疊接架構之燃料電池混合供電系統，其中該第一電源供應器係為一鉛酸電池。
6. 如申請專利範圍第4項所述之具疊接架構之燃料電池混合供電系統，其中該第二電源供應器係為一超級電容。