專利名稱：波紋消除的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)領(lǐng)域。更特定來說，本發(fā)明的實(shí)施例采用各種 架構(gòu)的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及各種方法來轉(zhuǎn)換電力。再更特定來說，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用 于由燃料電池所產(chǎn)生的電力的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
鶴"
燃料電池系統(tǒng)當(dāng)前正用于各種電力供應(yīng)應(yīng)用中。如果應(yīng)用需要特定電壓或電流， 那么將燃料電池組合成稱為"堆棧"的單元，其中所述燃料電池串聯(lián)電連接以滿足這 些要求。燃料電池堆棧泛指所謂的燃料電池段或列，其可含有一個(gè)或一個(gè)以上燃料電 池堆棧。在某些應(yīng)用中，許多燃料電池段可因所述燃料電池的載流能力的限制而需要 具有較高電力。對(duì)于可靠操作，可控制個(gè)別堆棧電流以改善燃料利用。
燃料電池產(chǎn)生在燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(也稱為電力調(diào)節(jié)系統(tǒng))中轉(zhuǎn)換的電力。 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是以某一方式變更由源所所產(chǎn)生的電力的特性的系統(tǒng)。對(duì)于產(chǎn)生DC (直 流)電的燃料電池的情況，此可意味著直流電力轉(zhuǎn)換為不同電壓及/或電流電平、轉(zhuǎn)換 為具有特定RMS (均方根)電壓的AC (交流)電、產(chǎn)生三相交流電或以上全部。通 常，直流源的電壓電平的改變可使用DC/DC (直流/直流)轉(zhuǎn)換器來完成，而直流到 交流的改變使用DC/AC (直流/交流)轉(zhuǎn)換器或反相器來完成。
在燃料電池的未來使用中，預(yù)期在應(yīng)用的容量及數(shù)目兩方面上將有所增加，這需 要盡可能高效地設(shè)計(jì)及構(gòu)造燃料電池電力系統(tǒng)。為促進(jìn)燃料電池電力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及制造，允許設(shè)計(jì)靈活性同時(shí)最小化產(chǎn)生此架構(gòu)所需的組件的數(shù)目是有利的。
特定來說，對(duì)使用燃料電池來減小穿過所述燃料電池的波紋電流的效應(yīng)的電力產(chǎn) 生系統(tǒng)感興趣。波紋電流為燃料電池的總電流函數(shù)的AC (交流)分量。波紋電流可 由燃料電池系統(tǒng)中的各種組件產(chǎn)生。波紋電流可導(dǎo)致燃料電池的無效電力產(chǎn)生且可損 壞燃料電池。因此，需要減小燃料電池系統(tǒng)中波紋電流的效應(yīng)
發(fā)明內(nèi)容
如下文中所討論，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采用借助兩個(gè)總線方法及中心抽頭中性線 構(gòu)造的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。此實(shí)施例用于促進(jìn)模塊化方法及對(duì)由電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從燃料電池 堆棧抽取的電力的控制。此外，在一些實(shí)施例中具有如下燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是有 利的，其中燃料電池?zé)嵯渲袀€(gè)別布線堆棧列的數(shù)目可被3及2整除(意味著可被6整 除)以實(shí)現(xiàn)最適宜電力電子架構(gòu)。
一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例涉及一種燃料電池電路，其包括第一燃料電池段，其具有正 端子及負(fù)端子；第二燃料電池段，其具有正端子及負(fù)端子；中性線；且其中所述第一 燃料電池段的所述負(fù)端子電連接到所述第二燃料電池段的所述正端子及所述中性線兩 者。
另一實(shí)施例涉及一種電力轉(zhuǎn)換模塊，其包括多個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器分支，每一分 支包括直流/直流轉(zhuǎn)換器；及多個(gè)串聯(lián)連接，其包括兩個(gè)燃料電池段；其中每一直流/ 直流轉(zhuǎn)換器分支連接到包括兩個(gè)燃料電池段的所述串聯(lián)連接中的至多一者；且其中直 流/直流轉(zhuǎn)換器分支的總數(shù)目為3的整數(shù)倍。
又一實(shí)施例涉及一種用于將直流轉(zhuǎn)換為交流的方法，其包括在第一直流/直流轉(zhuǎn) 換器的輸入處接受包括兩個(gè)燃料電池段的第一串聯(lián)連接的第一輸出；在第二直流/直流 轉(zhuǎn)換器的輸入處接受包括兩個(gè)燃料電池段的第一串聯(lián)連接的第二輸出；在第一反相器 的第一輸入處接受所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的第一輸出；在所述第一反相器的第二輸 入處接受所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的第一輸出；及相對(duì)于連接到參考電位的中性線， 從所述第一反相器的所述第一及第二輸入產(chǎn)生第一交流輸出。。
又一實(shí)施例涉及一種用于減小燃料電池系統(tǒng)中的波紋電流的方法，其包括將燃 料電池段的正輸出供應(yīng)到第一直流/直流轉(zhuǎn)換器；將所述燃料電池段的負(fù)輸出供應(yīng)到第 二直流/直流轉(zhuǎn)換器；其中所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換 器的輸出電連接；將所述燃料電池段的所述正輸出供應(yīng)到第三直流/直流轉(zhuǎn)換器；將所 述燃料電池段的所述負(fù)輸出供應(yīng)到第四直流/直流轉(zhuǎn)換器;且其中所述第三直流/直流轉(zhuǎn) 換器的輸出與所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。
再一實(shí)施例涉及一種用于燃料電池電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的架構(gòu)，其包括燃料電池段， 其經(jīng)布髯以具有正端子及負(fù)端子；第一直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池 段的所述正端子；第二直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述負(fù)端子； 其中所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接;且其 進(jìn)一步包括第三直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述正端子；第 四直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述負(fù)端子；其中所述第三直流 /直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接；其進(jìn)一步包括直流/交 流轉(zhuǎn)換器，所述直流/交流轉(zhuǎn)換器包括電連接到所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出的 第一輸入及電連接到所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出的第二輸入；其中所述直流 /交流轉(zhuǎn)換器從所述第一及第二輸入產(chǎn)生三相電流輸出。
本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括第一、第二及第三直流/交流轉(zhuǎn)換器；第一到第九直流/直流轉(zhuǎn)換器；及第一到第三燃料電池段；其中所述第一 直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出、所述第二直流/直 流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出；其中所述第一燃料電池段包括正 端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入連接到所述第一燃料電 池段的所述正端子；其中所述第二燃料電池段包括正端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所 述第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述中間節(jié)點(diǎn)；其中所 述第三燃料電池段包括正端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸 入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端子；其中所述第二直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入 電連接到所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出、所述第五直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第 六直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出；其中所述第三直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第七直 流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出、所述第八直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第九直流/直流轉(zhuǎn)換器 的輸出；所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一燃料電池段的所述中間節(jié) 點(diǎn)；其中到所述第五直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述正端 子；其中所述第六直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端
子；其中所述第七直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一燃料電池段的所述中間節(jié)
點(diǎn)；其中所述第八直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述中間節(jié) 點(diǎn)；且其中所述第九直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端 子。
本發(fā)明的又一實(shí)施例涉及一種系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器及至少一個(gè) 燃料電池，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得燃料電池波紋電流具有小于直流燃料電池 電流的5M的RMS振幅。
本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例涉及一種系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器及至少一 個(gè)燃料電池，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得燃料電池波紋電流具有小于直流燃料電 池電流的1%的RMS振幅。
本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器及至少一個(gè) 燃料電池，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得不可觀察已由所述直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 燃料電池波紋電流。


圖1是圖解說明燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)施例的電池電路框圖。
圖2是圖解說明第二燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)施例的電池電路框圖。
圖3是圖解說明第三燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)施例的電池電路框圖
圖4顯示瞬時(shí)燃料電池電流隨時(shí)間的改變。
圖5顯示+ve總線及-ve總線上的瞬時(shí)電力的模擬圖表。
圖6圖解說明針對(duì)燃料電池電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一部分的所提出系統(tǒng)架構(gòu)。圖7顯示瞬時(shí)燃料電池電流隨時(shí)間改變的模擬圖表。
圖8圖解說明針對(duì)燃料電池電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一部分的所提出系統(tǒng)架構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，顯示具有兩個(gè)并聯(lián)總線的燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)施例100。從 燃料電池到三相電力輸出圖解說明架構(gòu)100，且所述架構(gòu)可稱為一種類型的電力轉(zhuǎn)換 模塊，其中"模塊"是指代一群組系統(tǒng)組件的一般術(shù)語。系統(tǒng)100包括兩個(gè)燃料電池 段102及104，這兩個(gè)燃料電池段含有一個(gè)或一個(gè)以上燃料電池且具有到直流/直流轉(zhuǎn) 換器110及112的相應(yīng)連接106及108。直流/直流轉(zhuǎn)換器110及112為類似轉(zhuǎn)換器。 其通常為升壓轉(zhuǎn)換器。直流/直流轉(zhuǎn)換器110及112具有相應(yīng)輸出總線114及116，所 述輸出總線在下文中分別稱為+ve總線及-ve總線。具有直流/直流轉(zhuǎn)換器且(例如)從 連接106延伸穿過直流/直流轉(zhuǎn)換器110且以總線114結(jié)束的每一電路分支可稱為直流 /直流轉(zhuǎn)換器分支。如果包含所述燃料電池段，那么可使用術(shù)語"堆棧列"或"段列"。
燃料電池段102及104在節(jié)點(diǎn)132處串聯(lián)連接，所述節(jié)點(diǎn)還連接到中性線122。 節(jié)點(diǎn)132突出可個(gè)別地布線本文中所述實(shí)施例的燃料電池、堆棧及段的可能性，此允 許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將中間電池、中間堆棧及中間段電位有利地連接到系統(tǒng)總線。這里，"個(gè) 別地布線"意味著通常包括燃料電池或堆棧的端子的燃料電池或堆棧端板不通過與其 它端板面對(duì)面地接觸電連接，而是借助導(dǎo)體(例如導(dǎo)線)電連接。
直流/直流轉(zhuǎn)換器110的輸出連接至l」+ve總線114，所述+ve總線由電容器118經(jīng) 由+ve的電壓降連接到節(jié)點(diǎn)134，所述節(jié)點(diǎn)134連接到中性線122且處于與中性線122 相同的電位。直流/直流轉(zhuǎn)換器112的輸出類似地連接到-ve總線116，所述-ve總線由 電容器120經(jīng)由-ve的電壓降連接到節(jié)點(diǎn)134。電容器118及120還用于使由+ve總線 114及-ve總線116所攜載的信號(hào)的交流分量(稱為"波紋電流")平滑。
+ve總線114及-ve總線116充當(dāng)直流/交流轉(zhuǎn)換器或反相器124的輸入，所述直 流/交流轉(zhuǎn)換器或反相器124產(chǎn)生三相輸出126、 128及130。所述三相輸出在中性線 122上具有所要RMS (均方根)電位且相對(duì)于彼此120度相位偏移。在實(shí)施例100中， 所有三個(gè)相由直流/交流轉(zhuǎn)換器或反相器124產(chǎn)生，雖然無需嚴(yán)格這樣。中性122已由 所述雙總線架構(gòu)有效地提供。
如圖所示具有燃料電池段102及104的分裂燃料電池連接借助其雙總線架構(gòu)為電 力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供高效率。所述分裂總線提供中性且促進(jìn)轉(zhuǎn)換器的容易并聯(lián)。所述架構(gòu) 的效率得自使用兩個(gè)燃料電池段102及104的事實(shí)，此分別促進(jìn)均衡+ve及-ve總線114 及116的構(gòu)造以及中性線122在這兩個(gè)總線之間的容易產(chǎn)生。將明了，可針對(duì)涉及根 據(jù)圖1的配置布置的燃料電池堆棧系統(tǒng)的整數(shù)倍的系統(tǒng)，擴(kuò)大及擴(kuò)展雙總線架構(gòu)。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，顯示呈燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)200形式的第二實(shí)施例。架構(gòu)200 還可稱為電力轉(zhuǎn)換模塊。圖2的實(shí)施例包括三對(duì)燃料電池段。燃料電池段202及204
8類似于參照?qǐng)D1所述在布置中成對(duì)。燃料電池段206及208以及燃料電池段210及212 也類似地成對(duì)。作為實(shí)例，燃料電池段202使其負(fù)端子連接到節(jié)點(diǎn)226，而燃料電池 段204使其正端子連接到節(jié)點(diǎn)226。燃料電池段206及210還分別使其負(fù)端子連接到 節(jié)點(diǎn)228及230。節(jié)點(diǎn)228及230連接到節(jié)點(diǎn)226及254以及中性線232，且處于相同 的電位。燃料電池段208及212分別使其正端子連接到節(jié)點(diǎn)228及230。
每一燃料電池段202、 206及210分別具有輸出總線214、 216或218。這些輸出 總線分別將燃料電池段輸出饋送到直流/直流轉(zhuǎn)換器234、 236或238。直流/直流轉(zhuǎn)換 器234、 236或238通常為升壓轉(zhuǎn)換器且用于使+ve輸出總線264相對(duì)于中性線232達(dá) 到適于電力系統(tǒng)應(yīng)用的電壓電平。燃料電池段204、 208及212的負(fù)端子還分別連接到 輸出總線220、 222及224，輸出總線220、 222及224分別通到直流/直流轉(zhuǎn)換器244、 242及240。這些直流/直流轉(zhuǎn)換器提供與直流/直流轉(zhuǎn)換器234、236及238相同的功能， 雖然具有相反極性，此使-ve總線266上的電壓相對(duì)于中性線232達(dá)到適宜負(fù)電平。
+ve總線264接合于節(jié)點(diǎn)246處，從而將直流/直流轉(zhuǎn)換器置于并聯(lián)電路架構(gòu)中。 發(fā)生在電容器250處到節(jié)點(diǎn)254處的中性線232的電壓降。電容器252可用于使由直 流/直流轉(zhuǎn)換器234、 236及238所產(chǎn)生的波紋電流平滑。類似地，^6總線266接合于 節(jié)點(diǎn)248，從而將直流/直流轉(zhuǎn)換器240、 242及244置于并聯(lián)電路架構(gòu)中。發(fā)生從節(jié)點(diǎn) 248經(jīng)由電容器252到節(jié)點(diǎn)254處的中性線232的電壓增加。電容器252可用于使來 自直流/直流轉(zhuǎn)換器240、 242及244的波紋電流平滑。
+ve總線264及-ve總線266連接為到交流/直流轉(zhuǎn)換器或反相器256的輸入。交 流/直流轉(zhuǎn)換器或反相器256采用具有+2ve的直流電壓差的兩個(gè)輸入且形成由相A 258、相B 260及相C 262組成的三相輸出。這三個(gè)相中的每一者為具有彼此120度相 位偏移及相對(duì)于中性線232適于電力系統(tǒng)應(yīng)用的RMS電壓的交流信號(hào)。
燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)200在燃料系統(tǒng)架構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)方面呈現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)。所 述架構(gòu)已采用圖1的系統(tǒng)的雙總線架構(gòu)，其中中性線得自兩個(gè)燃料電池段組件的中間 節(jié)點(diǎn)。對(duì)于圖2的實(shí)施例，此架構(gòu)擴(kuò)大了 3個(gè)并聯(lián)的分支。即，存在六個(gè)用于直流/ 直流轉(zhuǎn)換的并聯(lián)分支，每一分支含有與中性串聯(lián)的燃料電池段對(duì)，所述中性得自所述 對(duì)的中間點(diǎn)。因此，使用每一交流/直流轉(zhuǎn)換器或反相器6的整數(shù)倍的燃料電池段來設(shè) 計(jì)圖2的實(shí)施例的燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。3的整數(shù)倍的燃料電池段對(duì)將使得沿每一 相的電力分布較容易且具有最小數(shù)目的直流/直流轉(zhuǎn)換器。圖3顯示針對(duì)四線(具有中 性)系統(tǒng)具有輸出變壓器的燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)架構(gòu)300。所述架構(gòu)顯示借助單個(gè) 直流總線方法的燃料電池電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)施方案。
系統(tǒng)300包括三個(gè)并聯(lián)電路分支302、 304及306，每一分支分別具有燃料電池段 對(duì)308及310、 312及314或316及318。每一燃料電池段對(duì)串聯(lián)連接以便總計(jì)其相應(yīng) 電壓增加。
燃料電池段308、 312及316的輸出分別連接到總線320、 322及324，總線320、 322及324分別通到直流/直流轉(zhuǎn)換器326、 328及330的輸入。串聯(lián)連接的燃料電池段308、 312及316的負(fù)端子分別連接到參考總線332、 334及336，參考總線332、 334 及336各自連接到參考電位，例如接地。顯而易見，相對(duì)于非參考線，參考電位可為 任一相對(duì)穩(wěn)定或方便電位。
每一直流/直流轉(zhuǎn)換器326、 328及330的輸出分別各自連接到+ve總線338、 340 及342。十ve總線338、 340或342分別連接到電容器344、 346及348，電容器344、 346及348又分別連接到參考總線332、 334及336以經(jīng)由每一電容器產(chǎn)生+ve的電壓 降。電容器344、 346及348還分別用于使由直流/直流轉(zhuǎn)換器326、 328及330所產(chǎn)生 的波紋電流平滑。
+ve總線338、 340及342以及參考總線332、 334及336分別充當(dāng)?shù)街绷?交流轉(zhuǎn) 換器或反相器350、 352及354的輸入。與圖1及2的實(shí)施例相反，三相電流輸出的每 一相具有其自己的直流/交流轉(zhuǎn)換器或反相器。每一直流/交流轉(zhuǎn)換器350、 352及354 的輸出分別產(chǎn)生相應(yīng)相位信號(hào)356、 358或360且分別產(chǎn)生中性線362、 364或366。 針對(duì)直流/交流反相器使用三個(gè)單獨(dú)輸入分支對(duì)形成三相AC電流特別有利，因?yàn)槊恳?相具有其自己的中性總線、正總線及負(fù)總線，gp，三個(gè)相中的每一者從其自己的直流 總線運(yùn)行。
三相輸出356、 358或360分別由變壓器368、 370及372變壓到應(yīng)用RMS電壓。 來自所述變壓器的中性線輸出連接于節(jié)點(diǎn)382處以產(chǎn)生單個(gè)中性線。
圖中還顯示可用于電力產(chǎn)生及調(diào)節(jié)的實(shí)例性流行方法。例如，圖l展示可通常用 于將直流源的輸出轉(zhuǎn)換為交流的方法。作為第一步驟，在第一直流/直流轉(zhuǎn)換器110的 輸入處接受兩個(gè)燃料電池段(段102及104)的第一串聯(lián)連接的第一輸出106。在第二 直流/直流轉(zhuǎn)換器112的輸入處接受兩個(gè)燃料電池段(段102及104)的第一串聯(lián)連接 的第二輸出108。在第一反相器(即，直流/交流轉(zhuǎn)換器)124的第一輸入114處接受 第一直流/直流轉(zhuǎn)換器110的第一輸出114。在第一反相器124的第二輸入116處接受 第二直流/直流轉(zhuǎn)換器112的第一輸出116。相對(duì)于連接到參考電位的中性線122，從 第一反相器124的第一及第二輸入114及116產(chǎn)生第一交流輸出126。
此方法可如圖2中所示加以擴(kuò)展，其中顯示三個(gè)燃料電池段對(duì)(分別包含段202 及204; 206及208以及210及212)，在每一燃料電池段對(duì)兩個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器(分 別為234及244; 236及242以及238及240)的輸入處接受其中的每一者的輸出。將 所述直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。在反相器256的第一輸入處接受上部直流/直流轉(zhuǎn) 換器234、 236及238的輸出，而在反相器256的第二輸入處接受下部直流/直流轉(zhuǎn)換 器240、 242及244的輸出。相對(duì)于中性線232，反相器256從這些輸入產(chǎn)生三相輸出 258、 260及262。
此方法還可如圖3中所示加以擴(kuò)展以囊括使用單個(gè)反相器具有對(duì)應(yīng)直流/直流轉(zhuǎn) 換器的多個(gè)燃料電池堆棧段對(duì)。另外，這些方法可用于圖3的系統(tǒng)中，其中分別在直 流/直流轉(zhuǎn)換器326、 328及330的輸入處接受多個(gè)燃料電池堆棧段(分別為燃料電池 308及310; 312及314以及316及318)的相應(yīng)第一輸出320、 322及324。又在相應(yīng)反相器(直流/交流轉(zhuǎn)換器)350、 352及354處接受直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及燃料電 池堆棧段的第二輸出。反相器350、 352及354產(chǎn)生三個(gè)相356、 358及360。
參照?qǐng)D4解釋本發(fā)明的另一實(shí)施例。直流/直流轉(zhuǎn)換器(雖然其目的是相對(duì)于直流 電源的接地改變電壓)可向直流源添加非直流分量。另外，反相器(例如圖1中所示 的反相器124)可向交流輸出添加其自己的較高頻分量。這些非直流分量在此技術(shù)中 稱為"波紋電流"。波紋電流對(duì)其中其增加燃料電池堆棧的RMS電流抽取及較低燃 料電池效率燃的料電池堆棧以及對(duì)其中存在波紋電流可減少電力使用效率的最終應(yīng)用 兩者有害。應(yīng)盡可能地減小穿過燃料電池堆棧的波紋電流，因?yàn)槠錅p少燃料利用且可 使燃料電池因缺乏燃料而停止運(yùn)行。
圖4顯示波紋電流在其將借助如圖1中所示的實(shí)例性系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)的模擬實(shí)例。圖 4是顯示燃料電池電流隨時(shí)間改變的圖表400。圖表400具有以無量綱單位表示燃料電 池電流的Y軸402及以秒表示時(shí)間推移的X軸404以及電流對(duì)時(shí)間函數(shù)406。電流對(duì) 時(shí)間函數(shù)406具有振蕩分量及如由408所指示的恒定(DC)分量，所述振蕩分量在所述 恒定(DC)分量周圍振蕩。所述振蕩分量可稱為波紋電流。如從圖4可見，振幅波紋電 流振蕩約為恒定分量的值的30%。
再次參照?qǐng)D1中所示的架構(gòu)，圖5顯示由圖1的正及負(fù)直流總線114及116所攜 載的模擬瞬時(shí)電力。圖5為圖表500，其又具有以無量綱單位表示瞬時(shí)電力的Y軸502 及以秒表示時(shí)間推移的X軸504。圖5中的圖表500還具有負(fù)直流總線電力函數(shù)506、 正直流總線電力函數(shù)508及平均電力函數(shù)510，所述平均電力函數(shù)表示瞬時(shí)電力函數(shù) 506及508的平均。可見，電力函數(shù)506及508為針對(duì)3相平衡電力180度異相的近 似調(diào)和函數(shù)，從而產(chǎn)生近似為0的平均函數(shù)510。
圖6圖解說明減小波紋電流的局部電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)架構(gòu)600。圖6具有經(jīng)由節(jié)點(diǎn)606 及607串聯(lián)連接的燃料電池或燃料電池堆棧602及604。如上所述，燃料電池與燃料 電池堆棧各種組合可概稱為燃料電池段。燃料電池或燃料電池堆棧602的正端子輸出 連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器608以及直流/直流轉(zhuǎn)換器612的輸入。燃料電池或燃料電池堆 棧604的負(fù)端子輸出連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器610以及直流/直流轉(zhuǎn)換器614。節(jié)點(diǎn)606 連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器608及612的輸入，且節(jié)點(diǎn)607連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器614 及610的輸入。直流/直流轉(zhuǎn)換器608及614的輸出在節(jié)點(diǎn)616處電連接到+ve總線620。 直流/直流轉(zhuǎn)換器612及610的輸出在節(jié)點(diǎn)618處電連接到-ve總線622。直流/直流轉(zhuǎn) 換器608、 612、 614及610的第二輸出在節(jié)點(diǎn)623處連接到中性線624?？偩€620經(jīng) 由電容器624連接到中性線632，中性線632自身經(jīng)由電容器626連接到總線622。
直流/直流轉(zhuǎn)換器608及614的輸出的電連接可通過(例如)在兩個(gè)直流/直流轉(zhuǎn) 換器將其相應(yīng)輸入電壓轉(zhuǎn)換為相同輸出電壓(+ve)的情況下來完成。類似地，直流/直流
轉(zhuǎn)換器610及612的輸出的連接可通過(例如)在兩個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器將其相應(yīng)輸入 電壓轉(zhuǎn)換為相同輸出電壓(-ve)的情況下來完成。換句話說，這些直流/直流轉(zhuǎn)換器具有 不同的轉(zhuǎn)換比。此優(yōu)選地使用隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器來完成。因?yàn)槿鐖D5中所示由直流/直流轉(zhuǎn)換器608及614所產(chǎn)生的電力波紋電流約180 度異相，因此可通過使用圖6的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些波紋電流的實(shí)質(zhì)性消除?？赏ㄟ^連接直 流/直流轉(zhuǎn)換器610及612的輸出實(shí)現(xiàn)類似消除。
圖7針對(duì)用于圖6中所示的架構(gòu)中的燃料電池顯示對(duì)燃料電池電流的模擬效應(yīng)。 圖7為圖表700，其具有以無量綱單位表示燃料電池電流的Y軸702、以秒表示時(shí)間 推移的X軸704及燃料電池電流函數(shù)704?？梢姡诤艽蟪潭壬舷讼惹霸趫D4中 顯示為電流函數(shù)的恒定分量的幾乎30%的波紋電流的效應(yīng)。如由圖4中的模擬結(jié)果所 示，如本文中所示的波紋電流消除技術(shù)可產(chǎn)生小于恒定平均(DC)燃料電池電流的5% 的波紋電流RMS (均方根)振幅。如圖7中所示，如本文中所示的波紋電流消除技術(shù) 可產(chǎn)生小于恒定平均(DC)燃料電池電流的1%的波紋電流RMS振幅。
圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的局部電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)架構(gòu)。圖8顯示三個(gè)燃料 電池或燃料電池堆棧對(duì)802及804、 806及808以及810及812。這些對(duì)中的每一對(duì)經(jīng) 由相應(yīng)中間節(jié)點(diǎn)814、 816或818串聯(lián)連接。燃料電池或燃料電池堆棧802的正輸出連 接到直流/直流轉(zhuǎn)換器820的輸入。中間節(jié)點(diǎn)814連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器828及830 的輸入。燃料電池或燃料電池堆棧806的正輸出連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器826的輸出， 而中間節(jié)點(diǎn)816連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器828及830的輸入。燃料電池或燃料電池堆棧 810的正輸出連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器832、 834及836的輸入。
+ve總線838在節(jié)點(diǎn)839處連接到直流/直流轉(zhuǎn)換器820、 830及834的輸出。類 似地，直流/直流轉(zhuǎn)換器822、 826及836的輸出在節(jié)點(diǎn)844處連接到+ve總線842，且 直流/直流轉(zhuǎn)換器824、 828及832的輸出在節(jié)點(diǎn)848處連接到+ve總線846。這些連接 允許由這些轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的波紋電流的實(shí)質(zhì)性消除。
十ve總線838、 842及846分別各自分別經(jīng)由電容器850、 854及858耦合到中性 總線852、 856或860。每一+ve總線838、 842及846以及中性線852、 856及860充 當(dāng)?shù)竭_(dá)直流/交流轉(zhuǎn)換器或反相器862、 864或866的輸入。相對(duì)于中性線870、 878及 886，這些反相器分別在線868、 876及884上產(chǎn)生三個(gè)相。變壓器872、 880及888 針對(duì)所談及的應(yīng)用將交流相轉(zhuǎn)換為適當(dāng)電壓電平。所述系統(tǒng)因此相對(duì)于中性線882在 線872、 882及888上產(chǎn)生三相電壓，同時(shí)顯著減小有害波紋電流。
本發(fā)明的前述實(shí)施例打算具有圖解說明性質(zhì)而非限制。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯 而易見，可做出各種修改而不背離本發(fā)明的精神及范圍，其將僅受限于所附權(quán)力要求 書。
1權(quán)利要求
1、一種用于減小燃料電池系統(tǒng)中的波紋電流的方法，其包括將燃料電池段的正輸出供應(yīng)到第一直流/直流轉(zhuǎn)換器；將所述燃料電池段的負(fù)輸出供應(yīng)到第二直流/直流轉(zhuǎn)換器；且其中所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括如下步驟 將所述燃料電池段的所述正輸出供應(yīng)到第三直流/直流轉(zhuǎn)換器； 將所述燃料電池段的所述負(fù)輸出供應(yīng)到第四直流/直流轉(zhuǎn)換器；且 其中所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一及第二直流/直流轉(zhuǎn)換器包括隔離式 直流/直流轉(zhuǎn)換器。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一及第二直流/直流轉(zhuǎn)換器具有不同的 轉(zhuǎn)換比。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中將架構(gòu)配置為以具有小于燃料電池直流電流 的5°/。的波紋電流RMS振幅的燃料電池電流操作。
6、 如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述架構(gòu)配置為以具有小于所述燃料電池 直流電流的"/c的波紋電流RMS振幅的燃料電池電流操作。
7、 如權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包括如下步驟將所述第一及第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出作為第一輸入供應(yīng)到直流/交流轉(zhuǎn) 換器；及將所述第三及第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出作為第二輸入供應(yīng)到所述直流/交 流轉(zhuǎn)換器。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括從所述直流/交流轉(zhuǎn)換器的所述第一 及第二輸入產(chǎn)生三相電流輸出的步驟。
9、 一種用于燃料電池電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的架構(gòu)，其包括 燃料電池段，其經(jīng)布置以具有正端子及負(fù)端子；第一直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述正端子；及 第二直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述負(fù)端子； 其中所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。
10、 如權(quán)利要求9所述的架構(gòu)，其進(jìn)一步包括第三直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述正端子；第四直流/直流轉(zhuǎn)換器，其輸入連接到所述燃料電池段的所述負(fù)端子； 其中所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出與所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電連接。
11、 如權(quán)利要求10所述的架構(gòu)，其進(jìn)一步包括直流/交流轉(zhuǎn)換器，所述直流/交流轉(zhuǎn)換器包括電連接到所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出的第一輸入及電連接到所 述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的所述輸出的第二輸入。
12、 如權(quán)利要求11所述的架構(gòu)，其中所述直流/交流轉(zhuǎn)換器從所述第一及第二輸 入產(chǎn)生三相電流輸出。
13、 如權(quán)利要求10所述的架構(gòu)，其中所述第一及第二直流/直流轉(zhuǎn)換器具有不同的轉(zhuǎn)換比；且其中 所述第三及第四直流/直流轉(zhuǎn)換器具有不同的轉(zhuǎn)換比。
14、 一種電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括 第一、第二及第三直流/交流轉(zhuǎn)換器； 第一到第九直流/直流轉(zhuǎn)換器；及 第一到第三燃料電池段；其中所述第一直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸 出、所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出；且其中所述第一燃料電池段包括正端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所述第一直流/直流 轉(zhuǎn)換器的輸入連接到所述第一燃料電池段的所述正端子。
15、 如權(quán)利要求14所述的電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述第二燃料電池段包括正端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所述第二直流/直流轉(zhuǎn)換 器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述中間節(jié)點(diǎn)；且所述第三燃料電池段包括正端子、負(fù)端子及中間節(jié)點(diǎn)，且所述第三直流/直流轉(zhuǎn)換 器的輸入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端子。
16、 如權(quán)利要求15所述的電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其中其中所述第二直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸 出、所述第五直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第六直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出；所述第三直流/交流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第七直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出、所 述第八直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出及所述第九直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出。
17、 如權(quán)利要求16所述的電力產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述第四直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一燃料電池段的所述中間節(jié)點(diǎn)；所述第五直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述正端子；所述第六直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端子；所述第七直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第一燃料電池段的所述中間節(jié)點(diǎn)；所述第八直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第二燃料電池段的所述中間節(jié)點(diǎn)；所述第九直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入電連接到所述第三燃料電池段的所述正端子。
18、 一種系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器及至少一個(gè)燃料電池，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得燃料電池波紋電流具有小于直流燃料電池電流的5%的RMS振幅。
19、 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得所述燃料電池 波紋電流具有小于所述直流燃料電池電流的1%的RMS振幅。
20、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)經(jīng)配置以操作使得觀察不到已由 所述直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的所述燃料電池波紋電流。
21、 一種燃料電池系統(tǒng)，其包括 多個(gè)燃料電池列，其位于熱箱中；及多個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器，其電連接到位于所述熱箱中的所述多個(gè)燃料電池列。
22、 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中位于所述熱箱中的所述多個(gè)燃料電池列包 括燃料電池堆棧的多個(gè)個(gè)別布線列。
23、 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)個(gè)別布線列中的每一者連接到不 同的直流/直流轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明描述用于電力產(chǎn)生系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法及裝置。特定來說，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于與燃料電池及本文中所使用的方法一起使用的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的架構(gòu)。更特定來說，本發(fā)明的實(shí)施例涉及可用于減小燃料電池中的波紋電流的方法及系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02M3/28GK101682262SQ200880019306
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月7日
發(fā)明者蘭加納坦·古魯納坦, 帕瓦納·庫馬爾, 拉梅什·斯里尼瓦桑 申請(qǐng)人:博隆能源股份有限公司