專利名稱：燃料電池供電裝置和供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種燃料電池供電裝置和供電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種環(huán)境友好、高效、長(zhǎng)壽命的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,簡(jiǎn)稱PEMFC)為例,燃料氣體從陽(yáng)極側(cè)進(jìn)入,氫原子在陽(yáng)極失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子同時(shí)經(jīng)由外部回路也到達(dá)陰極，在陰極質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水。燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受卡諾循環(huán)的限制其直接發(fā)電效率可高達(dá)45%。以電池堆為核心發(fā)電裝置，燃料電池系統(tǒng)集成了電源管理，熱管理等模塊，具有熱、電、水、氣統(tǒng)籌管理的特征。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品從固定式電站，到移動(dòng)式電源；從電動(dòng)汽車，到航天飛船；從軍用裝備，到民用產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用空間。燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，此環(huán)節(jié)不受卡諾循環(huán)的限制，其直接發(fā)電效率可高達(dá)45%，而后通過(guò)合適的功率變換，向最終負(fù)載供電，其燃料的綜合發(fā)電效率與功率變換器的效率直接相關(guān)，決定了燃料電池的最終發(fā)電成本，因此追求高效率是燃料電池作為備用電源的目標(biāo)之一。另一方面由于燃料電池氣體供應(yīng)的方式，使得其瞬態(tài)特性差，表現(xiàn)為應(yīng)對(duì)負(fù)載功率突變的能力差，負(fù)載在一定范圍內(nèi)的功率脈動(dòng)耦合到燃料電池上，會(huì)導(dǎo)致燃料電池發(fā)電效率的下降，進(jìn)而影響燃料電池使用壽命。針對(duì)相關(guān)技術(shù)中燃料電池的發(fā)電效率容易受負(fù)載影響的問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種燃料電池供電裝置和供電系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的發(fā)電效率容易受負(fù)載影響的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了 一種燃料電池供電裝置，包括燃料電池；逆變器；第一變換單元，輸入端與燃料電池相連接，輸出端與逆變器的輸入端相連接；第二變換單元，第一電能傳輸端連接至第一節(jié)點(diǎn)，其中，第一節(jié)點(diǎn)為燃料電池與第一變換單元之間的節(jié)點(diǎn)；充放電儲(chǔ)能單元，與第二變換單元的第二電能傳輸端相連接；第一輸出端，設(shè)置在第二節(jié)點(diǎn)，用于連接直流負(fù)載，其中，第二節(jié)點(diǎn)為第二變換單元與充放電儲(chǔ)能單元之間的節(jié)點(diǎn)；第二輸出端，設(shè)置在逆變器的輸出端，用于連接交流負(fù)載；以及控制單元，與第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)交流負(fù)載或直流負(fù)載需求功率的變化，控制第二變換單元的變換方向。進(jìn)一步地，控制單元還用于根據(jù)直流負(fù)載需求功率的變化控制第二變換單元的功率變換幅度，控制單元包括功率監(jiān)控模塊，用于對(duì)交流負(fù)載、直流負(fù)載和充放電儲(chǔ)能單元的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，并按照實(shí)時(shí)獲取到的功率之和控制燃料電池的輸出功率；以及控制模塊，與功率監(jiān)控模塊和第二變換單元的控制端均相連接，用于根據(jù)燃料電池輸出功率的變化，控制第二變換單元的功率變換幅度和變換方向。進(jìn)一步地，控制模塊包括第一控制子模塊，與第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)燃料電池輸出電流的變化，控制第二變換單元的功率變換幅度和變換方向；以及第二控制子模塊，與第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)燃料電池輸出電壓的變化，控制第二變換單元的功率變換幅度和變換方向。進(jìn)一步地，燃料電池供電裝置還包括切換單元，其中，第一控制子模塊和第二控制子模塊均通過(guò)切換單元與第二變換單元的控制端相連接，切換單元用于選中第一控制模塊子對(duì)第二變換單元的功率變換幅度和變換方向進(jìn)行控制，或選中第二控制子模塊對(duì)第二變換單元的功率變換幅度和變換方向進(jìn)行控制。進(jìn)一步地,第一控制子模塊包括第一誤差放大器，第一誤差放大器的正向輸入端接收燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流，第一誤差放大器的反向輸入端接收燃料電池的實(shí)際輸出電流，第二控制子模塊包括第二誤差放大器，第二誤差放大器的正向輸入端接收燃料電池的輸出電壓，第二誤差放大器的反向輸入端接收預(yù)設(shè)輸出電壓。進(jìn)一步地，功率監(jiān)控模塊包括計(jì)算子模塊，用于根據(jù)獲取到的功率之和計(jì)算燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流和預(yù)設(shè)輸出電壓，其中，第一誤差放大器的正向輸入端用于接收來(lái)自計(jì)算子模塊的電流輸出信號(hào)，第二誤差放大器的負(fù)向輸入端用于接收來(lái)自計(jì)算子模塊的電壓輸出信號(hào)。進(jìn)一步地，燃料電池供電裝置還包括濾波單元，與逆變器的輸入端相連接。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種供電系統(tǒng)，包括本發(fā)明上述內(nèi)容所提供的任一種燃料電池供電裝置。通過(guò)本發(fā)明，采用包括以下結(jié)構(gòu)的燃料電池供電裝置燃料電池；逆變器；第一變換單元，輸入端與燃料電池相連接，輸出端與逆變器的輸入端相連接；第二變換單元，第一電能傳輸端連接至第一節(jié)點(diǎn)，其中，第一節(jié)點(diǎn)為燃料電池與第一變換單元之間的節(jié)點(diǎn)；充放電儲(chǔ)能單元，與第二變換單元的第二電能傳輸端相連接；第一輸出端，設(shè)置在第二節(jié)點(diǎn)，用于連接直流負(fù)載，其中，第二節(jié)點(diǎn)為第二變換單元與充放電儲(chǔ)能單元之間的節(jié)點(diǎn)；第二輸出端，設(shè)置在逆變器的輸出端，用于連接交流負(fù)載；以及控制單元，與第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)直流負(fù)載或交流負(fù)載需求功率的變化，控制第二變換單元的變換方向。通過(guò)在燃料電池的供電裝置中設(shè)置連接在第一節(jié)點(diǎn)和充放電儲(chǔ)能單元之間的第二變換單元，并根據(jù)負(fù)載的需求功率來(lái)控制第二變換單元的變換方向，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)交流負(fù)載的需求功率突增時(shí)，可以由充放電儲(chǔ)能單元通過(guò)第二變換單元向交流負(fù)載補(bǔ)充能量，當(dāng)交流負(fù)載的需求功率突減時(shí)，可以由燃料電池通過(guò)第二變換單元將富余能量存儲(chǔ)在充放電儲(chǔ)能單元中，當(dāng)直流負(fù)載的需求功率突增時(shí)，由充放電儲(chǔ)能單元直接對(duì)直流負(fù)載補(bǔ)充能量，當(dāng)直流負(fù)載的需求功率突減時(shí)，可以由燃料電池通過(guò)第二變換單元將富余能量存儲(chǔ)在充放電儲(chǔ)能單元中，避免燃料電池因瞬態(tài)特性差而出現(xiàn)發(fā)電功率容易受負(fù)載功率影響的弊端，進(jìn)而達(dá)到了提高燃料的發(fā)電效率。解決了現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的發(fā)電效率容易受負(fù)載影響的問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到了提高燃料電池的發(fā)電效率和使用壽命。


構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置中切換單元的一種電路圖；圖3a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置中燃料電池的輸出電流的波形；圖3b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置中第一變換單元的輸入電流的波形；圖3c是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置中第二變換單元的輸入電流的波形；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的供電系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種燃料電池供電裝置，以下對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的燃料電池供電裝置進(jìn)行具體介紹圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置的示意圖，如圖1所示，該實(shí)施例的燃料電池供電裝置包括燃料電池1、逆變器6、第一變換單元I (S卩，DC/DC2)、第二變換單元2 (即，DC/DC3)、充放電儲(chǔ)能單元3、第一輸出端01、第二輸出端02和控制單元。具體地，第一變換單元I和第二變換單元2均為直流功率變換單元，并且第二變換單元2為雙向直流功率變換單元，`直流功率變換單元DC/DC2的輸入端與燃料電池I的輸出相連接，直流功率變換單元DC/DC2的輸出端與逆變器6的輸入端相連接；雙向直流功率變換單元DC/DC3的一個(gè)電能傳輸端與第一節(jié)點(diǎn)相連接，另一個(gè)電能傳輸端與充放電儲(chǔ)能單元3相連接，第一節(jié)點(diǎn)為燃料電池I與直流功率變換單元DC/DC2之間的節(jié)點(diǎn)；第一輸出端01設(shè)置在第二節(jié)點(diǎn)，第二節(jié)點(diǎn)為雙向直流功率變換單元DC/DC3與充放電儲(chǔ)能單元3之間的節(jié)點(diǎn)，用于連接直流負(fù)載；第二輸出端02設(shè)置在逆變器的輸出端，用于連接交流負(fù)載；控制單元與雙向直流功率變換單元DC/DC4的控制端相連接，用于根據(jù)直流負(fù)載或交流負(fù)載需求功率的變化，控制雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向。其中，雙向直流功率變換單元DC/DC3的一種功率轉(zhuǎn)換方向是燃料電池的能量到直流負(fù)載和充放電儲(chǔ)能模塊，另一種功率轉(zhuǎn)換方向是釋放儲(chǔ)能模塊的能量為直流功率變換單元DC/DC2供電；直流功率變換單元DC/DC2用于將燃料電池的輸出電壓、或?qū)⑷剂想姵氐妮敵鲭妷汉蛠?lái)自雙向直流功率變換單元DC/DC3的輸出電壓轉(zhuǎn)換為逆變器的前級(jí)電壓，其中，直流功率變換單元DC/DC2包括但不限于推挽電路、半橋電路和全橋電路等功率拓?fù)?。本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)在燃料電池的供電裝置中設(shè)置連接在第一節(jié)點(diǎn)和充放電儲(chǔ)能單元之間的第二變換單元，并根據(jù)負(fù)載的需求功率來(lái)控制第二變換單元的變換方向，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)交流負(fù)載的需求功率突增時(shí)，可以由充放電儲(chǔ)能單元通過(guò)第二變換單元向交流負(fù)載補(bǔ)充能量，當(dāng)交流負(fù)載的需求功率突減時(shí)，可以由燃料電池通過(guò)第二變換單元將富余能量存儲(chǔ)在充放電儲(chǔ)能單元中，當(dāng)直流負(fù)載的需求功率突增時(shí)，由充放電儲(chǔ)能單元直接對(duì)直流負(fù)載補(bǔ)充能量，當(dāng)直流負(fù)載的需求功率突減時(shí)，可以由燃料電池通過(guò)第二變換單元將富余能量存儲(chǔ)在充放電儲(chǔ)能單元中，避免燃料電池因瞬態(tài)特性差而出現(xiàn)發(fā)電功率容易受負(fù)載功率影響的弊端，進(jìn)而達(dá)到了提高燃料的發(fā)電效率。解決了現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的發(fā)電效率容易受負(fù)載影響的問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到了提高燃料電池的發(fā)電效率和使用壽命。進(jìn)一步,控制單元還用于對(duì)雙向直流功率變換單元進(jìn)行能量傳遞時(shí)的功率變換幅度進(jìn)行控制，所謂功率變換幅度也即是能量傳遞大小，具體地，控制單元可以包括功率監(jiān)控模塊7和控制模塊，其中，功率監(jiān)控模塊7用于對(duì)連接在第二輸出端02的交流負(fù)載的功率Pa。、連接在第一輸出端01的直流負(fù)載的功率PD。和充放電儲(chǔ)能單元3的功率Pbat進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，并按照實(shí)時(shí)獲取到的功率之和控制燃料電池的輸出功率，即，產(chǎn)生與獲取的功率之和相對(duì)應(yīng)的功率需求指令，并按照功率需求指令供應(yīng)燃料最終產(chǎn)生電能，其中，功率監(jiān)控模塊控制燃料電池的輸出功率Pi義Pac+Pdc+Pbat^精確地，可以控制Prc=PAe+PDe+PBAT ;控制模塊則用于根據(jù)功率監(jiān)控模塊確定出的燃料電池的輸出功率的變化，來(lái)控制雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向和功率變換幅度，其中，充放電儲(chǔ)能單元的功率Pbat包括但不限于通過(guò)監(jiān)測(cè)充放電儲(chǔ)能單元的電壓、充放電儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)(State Of Charge,簡(jiǎn)稱S0C)獲取。其中，控制模塊包括第一控制子模塊和第二控制子模塊，第一控制子模塊用于根據(jù)燃料電池輸出電流的變化來(lái)控制雙向直流功率變換單元的變換方向和功率變換幅度；第二控制子模塊用于根據(jù)所述燃料電池輸出電壓的變化來(lái)控制雙向直流功率變換單元的變換方向和功率變換幅度。本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置還包括切換單元24，其中，第一控制子模塊和第二控制子模塊均通過(guò)切換單元24與雙向直流功率變換單元DC/DC3的控制端相連接，切換單元24用于選中第一控制子模塊對(duì)雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向和功率變換幅度進(jìn)行控制，或選中第二控制子模塊對(duì)雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向和功率變換幅度進(jìn)行控制。本發(fā)明實(shí)施例中第一控制子模塊和第二控制子模塊的功能可以通過(guò)電壓型運(yùn)算放大器、電流型跨導(dǎo)放大器和數(shù)字PID控制等來(lái)實(shí)現(xiàn)，切換單元24可以模擬通道電路實(shí)現(xiàn)選擇切換、也可以在數(shù)字PID控制下實(shí)現(xiàn)選擇切換，以下以各個(gè)控制子模塊均采用誤差放大器(電壓型運(yùn)算放大器或電流型跨 導(dǎo)放大器)，切換單元24采用圖2中示出的二極管與電壓源、限流電阻相配合的方式，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置具體地,第一控制子模塊可以包括第一誤差放大器21,第一誤差放大器21的正向輸入端接收燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref，第一誤差放大器21的反向輸入端接收燃料電池的實(shí)際輸出電流Ifc，第一誤差放大器21的輸出端連接二極管27的陰極，5V直流電壓源經(jīng)電阻R1、光耦隔離芯片U9連接至二極管27的陽(yáng)極；第二控制子模塊可以包括第二誤差放大器23,第二誤差放大器23的正向輸入端接收燃料電池的輸出電壓Vdc,第二誤差放大器23的反向輸入端接收預(yù)設(shè)輸出電壓Vref，第二誤差放大器23的輸出端連接二極管26的陰極，5V直流電壓源經(jīng)電阻R1、光耦隔離芯片U9連接至二極管26的陽(yáng)極；光耦隔離芯片U9、電阻Rl和Re、電容Ce、電壓源V5C以及二極管26和27組成切換單元，輸出端連接至雙向直流功率變換單元的控制端，輸入端為二極管26和27的陰極，圖2中示出的誤差放大器21，23上的電阻和電容起到閉環(huán)補(bǔ)償?shù)淖饔?B卩，閉環(huán)控制中的PI調(diào)節(jié)器)。其中，燃料電池的實(shí)際輸出電流Ifc可以通過(guò)設(shè)置在燃料電池輸出線路上的電流采樣部件20來(lái)獲取，燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref和預(yù)設(shè)輸出電壓Vref包括但不限于根據(jù)燃料電池的工作狀態(tài)的給定或者根據(jù)燃料電池的回饋信號(hào)的給定，在本發(fā)明實(shí)施例中，所謂根據(jù)燃料電池的工作狀態(tài)或者根據(jù)燃料電池的回饋信號(hào)給定燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref和預(yù)設(shè)輸出電壓Vref,即是指由功率監(jiān)控模塊7中的計(jì)算子模塊根據(jù)輸出功率Pfc計(jì)算出燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref和預(yù)設(shè)輸出電壓Vref，簡(jiǎn)單來(lái)講，在燃料電池未啟動(dòng)完成或未投入運(yùn)行的情況下，Ifc為O，只要lref>0，第一誤差放大器輸出高電平，二極管26截止，第二誤差放大器閉環(huán)工作，使得DC/DC3工作于放電狀態(tài)，第一節(jié)點(diǎn)的電壓Vdc等于Vref，通過(guò)設(shè)定Vref接近燃料電池的接入電壓，可以避免燃料電池在投入運(yùn)行時(shí)由于電壓差而引起的電流過(guò)沖；在燃料電池投入運(yùn)行后，根據(jù)功率輸出設(shè)定Iref，同時(shí)降低Vref，直到Vref〈Vdc，第二誤差放大器輸出高電平，二極管27截止，第一誤差放大器閉環(huán)工作；此時(shí)Vref可以起到燃料電池最低放電電壓限制的作用，在燃料電池發(fā)生電壓突變的情況下，保護(hù)燃料電池。當(dāng)控制燃料電池的輸出功率Pr大時(shí)，所計(jì)算出的預(yù)設(shè)輸出電流變大，反之，則小。其中，燃料電池包括燃料電池堆、燃料電池發(fā)電控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備(Balance of Plant，簡(jiǎn)稱B0P，也叫輔機(jī)，可能包括電磁閥、質(zhì)量流量計(jì)、空氣泵等)單元等，其發(fā)電控制系統(tǒng)可根據(jù)功率監(jiān)控模塊的Prc指令，控制燃料供應(yīng)、BOP的運(yùn)行，發(fā)電控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)時(shí)的監(jiān)控燃料電池堆并與功率監(jiān)控模塊信息交互，將燃料電池堆的工作狀態(tài)反饋至功率監(jiān)控模塊，并由功率監(jiān)控模塊中的計(jì)算子模塊根據(jù)回饋信號(hào)和輸出功率Pr計(jì)算預(yù)設(shè)輸出電流Iref和預(yù)設(shè)輸出電壓Vref?；谌剂想姵毓╇娧b置的以上構(gòu)造說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置的工作原理雙向直流功率變換單元DC/DC3采用電流控制或電壓控制，在網(wǎng)側(cè)電壓異常、但燃料電池尚未啟動(dòng)的情況下，由電壓控制環(huán)路來(lái)決定雙向直流功率變換單元DC/DC3的功率變換幅度和變換方向，DC/DC3從充放電儲(chǔ)能單元3中獲取的能量由預(yù)設(shè)輸出電壓Vref和燃料電池實(shí)際應(yīng)輸出的電壓Vdc給定，即，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓異常時(shí)，功率監(jiān)控單元給定預(yù)設(shè)輸出電壓Vref，以第一節(jié)點(diǎn)的電壓大小為Vdc，該Vdc的大小應(yīng)該滿足負(fù)載需求，但是由于燃料電池尚未投入運(yùn)行，誤差放大器23閉環(huán)工作，二極管27導(dǎo)通，在二極管27導(dǎo)通的情況下，雙向直流功率變換單元DC/DC3的控制端接收到控制信號(hào)，在該控制信號(hào)下，雙向直流功率變換單元DC/DC3實(shí)現(xiàn)將充放電儲(chǔ)能單元3中的能量傳遞給直流功率變換單元DC/DC2，傳遞幅度的大小通過(guò)誤差放大器23上的電容和電阻的閉環(huán)補(bǔ)償，跟蹤誤差放大器23的輸出降低程度，以此實(shí)現(xiàn)通過(guò)電壓環(huán)控制環(huán)路來(lái)控制雙向直流功率變換單元DC/DC3 ;在網(wǎng)側(cè)電壓異常、燃料電池啟動(dòng)后，燃料電池有電流輸出，此種情況下，由電流控制環(huán)路來(lái)決定雙向直流功率變換單元DC/DC3的功率變換幅度和變換方向。燃料電池供電裝置開(kāi)始投入運(yùn)行后，燃料電池I產(chǎn)生的一部分電能通過(guò)直流功率變換單元DC/DC2、逆變器6后給交流負(fù)載供電，另一部分電能通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3后給直流負(fù)載和充放電儲(chǔ)能單元3供電。交流負(fù)載功率PA。突增時(shí)，需要從燃料電池獲取到較大的輸出電流Ifc，功率監(jiān)控模塊將會(huì)給出信號(hào)到燃料電池堆，使其發(fā)出更多的Pfc，此時(shí)，在燃料電池需要輸出的功率變大的情況下，給定燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref逐漸變大，在燃料電池輸出功率和實(shí)際輸出電流增加到相應(yīng)的目標(biāo)值之前，直流功率變換單兀DC/DC2需要的輸入電流大于Iref,第一誤差放大器的輸出控制信號(hào)變低,二極管26導(dǎo)通，在二極管26導(dǎo)通的情況下，雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向滿足充放電儲(chǔ)能單元3通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3放電，來(lái)補(bǔ)充交流負(fù)載所需能量；雙向直流功率變換單元DC/DC3的傳遞幅度的大小通過(guò)誤差放大器21上的電容和電阻的閉環(huán)補(bǔ)償，跟蹤誤差放大器21的輸出降低程度，即，在誤差放大器21輸出控制信號(hào)越低，說(shuō)明需要補(bǔ)償越多；交流負(fù)載P&突減時(shí)，功率監(jiān)控模塊將會(huì)給出信號(hào)到燃料電池堆，使其發(fā)出更少的PF。，需要從燃料電池獲取到較小的輸出電流Ifc，此時(shí)，在燃料電池需要輸出的功率變小的情況下，給定燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流Iref逐漸變小，在燃料電池輸出功率和實(shí)際輸出電流減小到相應(yīng)的目標(biāo)值之前，直流功率變換單元DC/DC2需要的輸入電流小于Iref，第一誤差放大器的輸出控制信號(hào)變高，二極管26截止，在二極管26截止的情況下，雙向直流功率變換單元DC/DC3的變換方向滿足燃料電池發(fā)出的富余能量通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3為充放電儲(chǔ)能單元3供電，同時(shí)，雙向直流功率變換單元DC/DC3的傳遞幅度的大小通過(guò)誤差放大器21上的電容和電阻的閉環(huán)補(bǔ)償，跟蹤誤差放大器21的輸出升高程度，即，在誤差放大器21輸出控制信號(hào)越高，說(shuō)明需要存儲(chǔ)越多。直流負(fù)載功率PD。發(fā)生變化時(shí)，燃料電池備用電源及其控制系統(tǒng)的工作情況與交流負(fù)載功率PA。發(fā)生變換時(shí)類似。直流負(fù)載Pd。突增時(shí)，儲(chǔ)能模塊通過(guò)放電補(bǔ)充直流負(fù)載所需能量。直流負(fù)載Pdc突減時(shí)，燃料電池發(fā)出的富余能量將通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3為儲(chǔ)能模塊充電。從以上工作原理的描述中可以看出，在系統(tǒng)的總功率需求對(duì)應(yīng)的電流值變大(即，負(fù)載的需要功率變大)，給定的預(yù)設(shè)電流Iref尚未達(dá)到需求電流的情況下，燃料電池供電裝置通過(guò)充放電儲(chǔ)能單元放電，來(lái)補(bǔ)充能量；在系統(tǒng)的總功率需求對(duì)應(yīng)的電流值變小(即，負(fù)載的需要功率變小)，給定的預(yù)設(shè)電流Iref尚未減小到需求電流的情況下，燃料電池產(chǎn)生的富余能量可以用來(lái)對(duì)充放電儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)能量緩存。其中，本發(fā)明實(shí)施例中的交流輸出不限于交流電壓等級(jí)，不限于單相輸出或者三相輸出；逆變器不限于逆變拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)及其逆變控制方式及其輸出波形；充放電儲(chǔ)能單元包含且不僅限于鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容等，在采用燃料電池供電裝置的供電系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)電壓異常的情況下，充放電儲(chǔ)能單元釋放能量為直流負(fù)載供能；充放電儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3和直流功率變換單元DC/DC2升壓后再通過(guò)逆變器單元為交流負(fù)載供能；同時(shí)充放電儲(chǔ)能單元為燃料電池單元供能，準(zhǔn)備燃料電池的啟動(dòng)。當(dāng)燃料電池投入運(yùn)行后，充放電儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電儲(chǔ)能。燃料電池正常工作時(shí)，燃料電池輸出的一部分電能通過(guò)直流功率變換單元DC/DC2、逆變器單元后給交流負(fù)載供電，另一部分電能通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3后給直流負(fù)載和儲(chǔ)能模塊供電，對(duì)于直流功率變換單元DC/DC2因交流負(fù)載的存在而造成的工頻紋波電流，通過(guò)雙向直流功率變換單元DC/DC3的電流跟蹤控制可以很好的抑制，使得燃料電池實(shí)現(xiàn)恒流控制。在本發(fā)明實(shí)施例中，各個(gè)直流功率變換單元的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括但不限于隔離型、非隔離型開(kāi)關(guān)變換結(jié)構(gòu)，以直流負(fù)載功率保持1. 2kW不變，交流負(fù)載功率Pac由800W突增到2. 4kff為例，在本發(fā)明實(shí)施例的附圖中，圖3a示出了燃料電池的輸出電流的波形，圖3b示出了直流功率變換單元DC/DC2的輸入電流的波形，圖3c示出了雙向直流功率變換單元DC/DC3的輸入電流的波形，正表示流入，負(fù)表示流出，結(jié)合圖3a至圖3c，可見(jiàn)燃料電池的輸出電流很好地跟蹤了燃料電池的輸出電流設(shè)置值40-80A，無(wú)低頻和工頻紋波。本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池供電裝置通過(guò)對(duì)各輸出功率和儲(chǔ)能功率進(jìn)行監(jiān)控獲取，并按獲取到的功率之和來(lái)控制燃料電池的功率輸出，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)供電裝置的功率需求來(lái)控制燃料電池提高能量，以使燃料電池穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，提高燃料電池的壽命；并且，本發(fā)明實(shí)施例所提供的燃料電池供電裝置中，燃料電池的發(fā)電能量通過(guò)直流功率變換單元DC/DC2進(jìn)行一級(jí)變換后傳遞至逆變器，實(shí)現(xiàn)了減小燃料電池輸出能量的功率變換環(huán)節(jié)，提高交直流輸出的功率變換效率。此外，本發(fā)明實(shí)施例所提供的燃料電池供電裝置還包括濾波單元，該濾波單元可以為連接在逆變器的輸入端的儲(chǔ)能電容器5，用于儲(chǔ)能濾波，提供逆變器所能的能量的存儲(chǔ)，在本發(fā)明實(shí)施例中，儲(chǔ)能電容器5包括但不限于電解電容、薄膜電容和超級(jí)電容等。本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)包括本發(fā)明實(shí)施例上述內(nèi)容所提供的任一種燃料電池供電裝置，圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的供電系統(tǒng)的示意圖，如圖4所示，該實(shí)施例的供電系統(tǒng)還包括市電交流電源10、有源功率因數(shù)校正(Active PowerFactor Correction,簡(jiǎn)稱APFC)單元11、第三變換單元12 (直流功率變換單元DC/DC1)和旁路開(kāi)關(guān)13，本發(fā)明實(shí)施例上述內(nèi)容所提供的燃料電池供電裝置的第二輸出通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)13接入供電系統(tǒng)的交流輸出，第一輸出接入供電系統(tǒng)的直流輸出，該供電系統(tǒng)的工作原理為在網(wǎng)側(cè)市電正常的情況下，有源功率因數(shù)校正APFC單元、直流功率變換單元DC/DCl為直流負(fù)載供能的同時(shí)為充放電儲(chǔ)能單元充電或者補(bǔ)足充電；交流負(fù)載通過(guò)交流旁路開(kāi)關(guān)單元采用市電直接供能；亦可由市電通過(guò)有源功率因數(shù)校正APFC單元，而后由逆變器單元逆變成交流輸出的方式供能。在網(wǎng)側(cè)電壓異常的情況下，有源功率因數(shù)校正APFC單元和直流功率變換單元DC/DC1停止運(yùn)行，充放電儲(chǔ)能單元釋放能量為直流負(fù)載供能；充放電儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向功率變換單元DC/DC3和直流功率變換單元DC/DC2升壓后再通過(guò)逆變器單元為交流負(fù)載供能；同時(shí)充放電儲(chǔ)能單元為燃料電池單元供能，準(zhǔn)備燃料電池的啟動(dòng)。當(dāng)燃料電池投入運(yùn)行后，工作原理與本發(fā)明實(shí)施例上述內(nèi)容所提供的燃料電池供電裝置的原理相同，此處不再贅述。從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明通過(guò)雙向直流功率變換單元來(lái)對(duì)燃料電池的輸出能量進(jìn)行補(bǔ)充或者存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)載功率發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，避免燃料電池的發(fā)電功率受負(fù)載功率的影響，進(jìn)而達(dá)到了提高發(fā)電效率。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的計(jì)算裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中由計(jì)算裝置來(lái)執(zhí)行，或者將它們分別制作成各個(gè)集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池供電裝置，其特征在于，包括 燃料電池； 逆變器； 第一變換單元，輸入端與所述燃料電池相連接，輸出端與所述逆變器的輸入端相連接； 第二變換單元，第一電能傳輸端連接至第一節(jié)點(diǎn)，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)為所述燃料電池與所述第一變換單元之間的節(jié)點(diǎn)； 充放電儲(chǔ)能單元，與所述第二變換單元的第二電能傳輸端相連接； 第一輸出端，設(shè)置在第二節(jié)點(diǎn)，用于連接直流負(fù)載，其中，所述第二節(jié)點(diǎn)為所述第二變換單元與所述充放電儲(chǔ)能單元之間的節(jié)點(diǎn)； 第二輸出端，設(shè)置在所述逆變器的輸出端，用于連接交流負(fù)載；以及控制單元，與所述第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)所述交流負(fù)載或所述直流負(fù)載需求功率的變化，控制所述第二變換單元的變換方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池供電裝置，其特征在于，所述控制單元還用于根據(jù)所述直流負(fù)載需求功率的變化控制所述第二變換單元的功率變換幅度，所述控制單元包括 功率監(jiān)控模塊，用于對(duì)所述交流負(fù)載、所述直流負(fù)載和所述充放電儲(chǔ)能單元的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，并按照實(shí)時(shí)獲取到的功率之和控制所述燃料電池的輸出功率；以及 控制模塊，與所述功率監(jiān)控模塊和所述第二變換單元的控制端均相連接，用于根據(jù)所述燃料電池輸出功率的變化，控制所述第二變換單元的功率變換幅度和變換方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池供電裝置，其特征在于，所述控制模塊包括 第一控制子模塊，與所述第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)所述燃料電池輸出電流的變化，控制所述第二變換單元的功率變換幅度和變換方向；以及 第二控制子模塊，與所述第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)所述燃料電池輸出電壓的變化，控制所述第二變換單元的功率變換幅度和變換方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池供電裝置，其特征在于，所述燃料電池供電裝置還包括 切換單元，其中，所述第一控制子模塊和所述第二控制子模塊均通過(guò)所述切換單元與所述第二變換單元的控制端相連接，所述切換單元用于選中所述第一控制模塊子對(duì)所述第二變換單元的功率變換幅度和變換方向進(jìn)行控制，或選中所述第二控制子模塊對(duì)所述第二變換單元的功率變換幅度和變換方向進(jìn)行控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池供電裝置，其特征在于， 所述第一控制子模塊包括第一誤差放大器，所述第一誤差放大器的正向輸入端接收所述燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流，所述第一誤差放大器的反向輸入端接收所述燃料電池的實(shí)際輸出電流， 所述第二控制子模塊包括第二誤差放大器，所述第二誤差放大器的正向輸入端接收所述燃料電池的輸出電壓，所述第二誤差放大器的反向輸入端接收預(yù)設(shè)輸出電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池供電裝置，其特征在于，所述功率監(jiān)控模塊包括 計(jì)算子模塊，用于根據(jù)獲取到的功率之和計(jì)算所述燃料電池的預(yù)設(shè)輸出電流和預(yù)設(shè)輸出電壓，其中，所述第一誤差放大器的正向輸入端用于接收來(lái)自所述計(jì)算子模塊的電流輸出信號(hào)，所述第二誤差放大器的負(fù)向輸入端用于接收來(lái)自所述計(jì)算子模塊的電壓輸出信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池供電裝置，其特征在于，所述燃料電池供電裝置還包括 濾波單元，與所述逆變器的輸入端相連接。
8.一種供電系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的燃料電池供電裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池供電裝置和供電系統(tǒng)。其中，燃料電池供電裝置包括燃料電池；逆變器；第一變換單元，輸入端與燃料電池相連接，輸出端與逆變器的輸入端相連接；第二變換單元，第一電能傳輸端連接至第一節(jié)點(diǎn)；充放電儲(chǔ)能單元，與第二變換單元的第二電能傳輸端相連接；第一輸出端，設(shè)置在第二節(jié)點(diǎn)，用于連接直流負(fù)載；第二輸出端，設(shè)置在逆變器的輸出端，用于連接交流負(fù)載；以及控制單元，與第二變換單元的控制端相連接，用于根據(jù)直流負(fù)載或交流負(fù)載需求功率的變化，控制第二變換單元的變換方向。通過(guò)本發(fā)明，解決了現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的發(fā)電效率容易受負(fù)載影響的問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到了提高燃料電池的發(fā)電效率和使用壽命。
文檔編號(hào)H02J7/34GK103066676SQ20131003928
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
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