專利名稱：一種燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法及所用調(diào)整裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的輸出電壓調(diào)整技術(shù)，具體地說是一種燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法及所用調(diào)整裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，燃料電池組輸出伏安特性(參見如圖1)中a.b.c.d曲線描述了燃料電池組電壓隨輸出電流的變化情況；其特點(diǎn)是開路電壓很高，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻變化非常大。ab段和cd段動(dòng)態(tài)內(nèi)阻非常大并且變化也大，只有bc段動(dòng)態(tài)內(nèi)阻平穩(wěn)并且較小，cd段因效率低一般并不使用。但為了使用bc段，ab段是必經(jīng)之路，不能跨越。目前，國內(nèi)外為使燃料電池組輸出平穩(wěn)的電壓，想出許多辦法。這些方法可以歸納為兩類(1)利用燃料電池本身的特性使燃料電池組輸出比較穩(wěn)定的電壓。如改變?nèi)剂蠚饣蜓趸瘎┑臏囟取毫?、流量、純度以及采用重整裝置獲取燃料氣的燃料電池組中利用物料輸送控制重整燃料生成速度等方法。這類方法檢測(cè)和控制比較繁雜，還有一定的惰性，就原理上講并不可能消除空載的尖峰。(2)不改變?nèi)剂想姵亟M的工作條件，采用外部措施而輸出平穩(wěn)電壓。如采用輸出電壓十分平穩(wěn)的DC/DC變換器，它的能量損失在10％左右。再如使用燃料電池、蓄電池以及充電器或能量管理單元和用電器構(gòu)造系統(tǒng)，輕載時(shí)蓄電池充電，特重載時(shí)蓄電池放電，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池組輸出電壓波動(dòng)不大。這種方法投資大，設(shè)備增加多，重量和體積都要增加，僅適用于較大的發(fā)電機(jī)站和較大的系統(tǒng)；還有一種叫作加裝備用電池的方法，它是采用檢測(cè)輸出電壓改變?nèi)剂想姵貐⑴c工作節(jié)數(shù)多少，使其輸出電壓趨于一致；然而它是以犧牲備用電池為代價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種消除燃料電池組空載和輕載時(shí)輸出電壓尖峰的燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法及所用調(diào)整裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法采用線性穩(wěn)壓控制電路，以燃料電池組輸出電壓為取樣電壓；當(dāng)燃料電池輸出電壓高于要求時(shí)，穩(wěn)壓控制電路投入工作，輸出穩(wěn)定電壓Vw；當(dāng)燃料電池輸出電壓在允許范圍內(nèi)時(shí)，由繼電器將穩(wěn)壓控制電路中的電壓調(diào)整電路的輸入和輸出的正端短接，由燃料電池組直接輸出；所述電壓調(diào)整電路中推動(dòng)級(jí)、放大電路采用隔離電源的方式供電。
其方法所用調(diào)整裝置主要由穩(wěn)壓控制單元、比較器、第一晶體管及繼電器組成，其中比較器的負(fù)相端信號(hào)連燃料電池組的取樣電壓，比較器的正相端通過第一穩(wěn)壓管DW1接基準(zhǔn)電壓Vb(5.1V)，第一晶體管位于比較器輸出端，第一～二繼電器設(shè)在第一晶體管集電極以及集電極與發(fā)射極之間，燃料電池組的輸出經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出Vw電壓；其中所述第一可調(diào)電阻一端與燃料電池組輸出電壓相接，另一端至第一電阻，其滑動(dòng)端接比較器負(fù)相端；所述由第一繼電器控制的觸點(diǎn)開關(guān)串聯(lián)在第二繼電器回路中，由第二繼電器控制的觸點(diǎn)開關(guān)跨接在穩(wěn)壓控制單元輸入輸出端；所述穩(wěn)壓控制單元電路由電壓調(diào)整、推動(dòng)級(jí)、放大三部分電路組成，電壓調(diào)整電路以第三晶體管IGBT為核心，其E端為電壓調(diào)整電路提供穩(wěn)定輸出電壓Vw，C端為輸入端，接燃料電池組的取樣電壓，G端接推動(dòng)級(jí)的第二晶體管，所述第二晶體管的基極信號(hào)來至放大電路所述放大電路包括隔離放大器及一級(jí)放大器，其中，一級(jí)放大器負(fù)相端接與第四電阻串聯(lián)的第二可調(diào)電阻的滑動(dòng)臂，正相端接由第二穩(wěn)壓管D W2提供基準(zhǔn)電壓Vb(5.1V)，并經(jīng)第五電阻至電源，其輸出端經(jīng)隔離放大器至推動(dòng)級(jí)；所述推動(dòng)級(jí)、放大電路采用隔離電源。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用本發(fā)明突出的特點(diǎn)是能使燃料電池組的輸出特性有很大的改善，可以消除燃料電池組空載和輕載時(shí)輸出電壓的尖峰。
2.具有很強(qiáng)的靈活性。本發(fā)明提供的消除燃料電池空載與輕載時(shí)輸出尖峰的方法，其思路清晰設(shè)計(jì)簡便、靈活。采用本發(fā)明可以根據(jù)用戶對(duì)燃料電池組輸出電壓波動(dòng)范圍的不同要求，方便變更Vb(基準(zhǔn)電壓)和Vw(穩(wěn)定輸出電壓)值，以適應(yīng)用戶要求。其功耗與要求的穩(wěn)壓程度有關(guān)，并可以很靈活的改變，對(duì)很明顯壓縮燃料電池組輸出電壓范圍可選用功耗更大的電壓調(diào)整器件；總之，有明顯的易實(shí)現(xiàn)性。
3.成本低。表現(xiàn)在元器件較少并且市場(chǎng)隨處可購，特別是功耗很小，一般情況下，采用本發(fā)明穩(wěn)壓單元工作時(shí)的最大功耗僅占容量的0.2％～5％，而穩(wěn)壓控制單元不工作時(shí)耗電僅十幾瓦，在數(shù)千伏安至數(shù)十千伏安容量的燃料電池組上均可應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)。
4.結(jié)構(gòu)簡單。一般燃料電池組的工作程序必須是先啟動(dòng)燃料電池后加載，加載又必須設(shè)開關(guān)或控制器，而本發(fā)明所用繼電器和電壓調(diào)整器是燃料電池組應(yīng)用所必備的，并非是新增器件，使其結(jié)構(gòu)趨于簡單化。由于采用的元器件較少，所以又容易制作和調(diào)試。
5.使用安全、可靠。本發(fā)明僅僅是增加了一個(gè)穩(wěn)壓控制單元，將現(xiàn)有技術(shù)中作為無觸點(diǎn)開關(guān)的電壓調(diào)整器變成為無觸點(diǎn)的軟開關(guān)。使繼電器在接通和切斷時(shí)接點(diǎn)之間所承受的電壓(Vb-Vw)僅僅只有幾伏，軟開關(guān)有力地保護(hù)了繼電器，使它避免了拉弧和損壞。


圖1為燃料電池組輸出伏安特性曲線。
圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整的裝置的電路原理圖。
圖3為圖2中穩(wěn)壓控制單元電路原理圖。
圖4為50千瓦燃料電池組輸出特性與本發(fā)明輸出電壓調(diào)整后特性對(duì)比曲線。
圖5為5千瓦燃料電池組輸出特性與本發(fā)明輸出電壓調(diào)整后特性對(duì)比曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的一種燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法采用1個(gè)線性穩(wěn)壓控制電路，以燃料電池組輸出電壓為取樣電壓；當(dāng)燃料電池輸出電壓高于要求時(shí)，穩(wěn)壓控制電路投入工作，輸出穩(wěn)定電壓Vw；當(dāng)燃料電池輸出電壓在允許范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓控制電路中的繼電器將電壓調(diào)整電路的輸入和輸出的正端短接，由燃料電池組直接輸出。
其中所述線性穩(wěn)壓電路所采用的形式為采樣—＞放大—＞推動(dòng)—＞調(diào)整。所述電壓調(diào)整電路中推動(dòng)級(jí)、放大電路采用隔離電源的方式供電。
當(dāng)燃料電池組的輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓Vb(見圖1)時(shí)，電池組經(jīng)穩(wěn)壓控制單元穩(wěn)壓后輸出，命其為Vw；穩(wěn)定輸出電壓Vw比基準(zhǔn)電壓Vb小2伏以上；當(dāng)燃料電池組的輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓Vb時(shí)，穩(wěn)壓控制單元輸入和輸出的正端被第二繼電器J2控制的觸點(diǎn)開關(guān)K2短路，由直接輸出。其結(jié)果是，燃料電池組雖然是a.b.c曲線形式，經(jīng)調(diào)整后其輸出為a’.b.c曲線消除了燃料電池組空載和輕載時(shí)輸出電壓的尖峰。從圖1中可以看出采用本發(fā)明，對(duì)燃料電池輸出特性的改善是十分明顯的。
燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，主要由穩(wěn)壓控制單元、比較器IC、第一晶體管Q1及繼電器組成，其中比較器IC3的負(fù)相端信號(hào)連燃料電池組的取樣電壓，比較器的正相端通過第一穩(wěn)壓管DW1接基準(zhǔn)電壓Vb(5.1V)，第一電阻R1與第一可調(diào)電阻W1串聯(lián)在比較器IC3負(fù)相端與穩(wěn)壓控制單元之間，第一晶體管Q1位于比較器IC3輸出端，第一～二繼電器J1和J2設(shè)在第一晶體管Q1集電極以及集電極與發(fā)射極之間，燃料電池組的輸出經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出Vw電壓。
第一可調(diào)電阻W1一端與燃料電池組輸出電壓相接，另一端至第一電阻R1，其滑動(dòng)端接比較器IC3負(fù)相端。
由第一繼電器J1控制的觸點(diǎn)開關(guān)K1串聯(lián)在第二繼電器J2回路中，由第二繼電器J2控制的觸點(diǎn)開關(guān)K2跨接在穩(wěn)壓控制單元輸入輸出端(具體為穩(wěn)壓控制電路中的電壓調(diào)整電路的輸入和輸出的1、2端)。
本發(fā)明電壓調(diào)整原理參見圖2，燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置由穩(wěn)壓控制單元、比較器IC3、第一晶體管Q1及繼電器，其中比較器IC3的負(fù)相端信號(hào)連燃料電池組的取樣電壓，比較器IC3的正相端通過第一穩(wěn)壓管DW1接一個(gè)基準(zhǔn)電壓Vb(5.1V)，第一電阻R1與第一可調(diào)電阻W1串聯(lián)在比較器IC3負(fù)相端與穩(wěn)壓控制單元之間，調(diào)節(jié)第一可調(diào)電阻W1，使比較器IC3在燃料電池組輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓Vb時(shí)輸出為低電平，該狀態(tài)下位于其輸出端的第一晶體管Q1截止，設(shè)在第一晶體管Q1集電極以及集電極與發(fā)射極之間的第一～二繼電器J1和J2都不動(dòng)作，燃料電池組的輸出經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出Vw電壓。當(dāng)燃料電池組輸出電壓V1＜基準(zhǔn)電壓Vb時(shí)比較器IC3輸出為高電平，該狀態(tài)第一晶體管Q1導(dǎo)通，第一繼電器J1動(dòng)作(動(dòng)合)，導(dǎo)致第二繼電器J2動(dòng)作(動(dòng)合)，穩(wěn)壓器的入端與出端被短路，燃料電池組直接輸出，由此實(shí)現(xiàn)以a’b段替代a b段的輸出特性。
如圖3所示，所述穩(wěn)壓控制單元電路由電壓調(diào)整、推動(dòng)級(jí)、放大三部分電路組成，電壓調(diào)整電路以第三晶體管IGBT為核心，其E端(發(fā)射極)為電壓調(diào)整電路提供穩(wěn)定輸出電壓Vw，C端(集電極)為輸入端，接燃料電池組的取樣電壓，G端(控制端)接作為推動(dòng)級(jí)的第二晶體管Q2，所述第二晶體管Q2的基極信號(hào)來至放大電路。
所述放大電路包括隔離放大器IC2及一級(jí)放大器IC1，其中，一級(jí)放大器IC1負(fù)相端接與第四電阻R4串聯(lián)的第二可調(diào)電阻W2的滑動(dòng)臂，正相端接由第二穩(wěn)壓管DW2提供基準(zhǔn)電壓Vb(5.1V)，并經(jīng)第五電阻R5至電源+Vcc1，其輸出端經(jīng)隔離放大器IC2至推動(dòng)級(jí)。
所述推動(dòng)級(jí)、放大電路分別供電。
穩(wěn)壓控制單元電路的設(shè)計(jì)原則確定調(diào)整后的最高電壓輸出值Vb作為基準(zhǔn)電壓。由公式Vw＝Vb-C得出，其中C值可在2～5伏內(nèi)選定，在穩(wěn)壓器3端加電壓Vw，調(diào)節(jié)第二可調(diào)電阻W2使放大器的負(fù)輸入端等于第二穩(wěn)壓二極管Dw2的穩(wěn)壓值。放大電路采用兩級(jí)放大，第二級(jí)是隔離放大器，其放大倍數(shù)從幾十倍到一百多倍都可以。
推動(dòng)級(jí)為第二晶體管Q2選NPN管做跟隨器，它的電源與隔離放大器出端電源都采用隔離電源。
本發(fā)明所述放大器采用隔離措施(本實(shí)施例為隔離放大器IC2，也可采取其它隔離措施)。本實(shí)施例圖3中電壓調(diào)整器件第三晶體管IGBT為絕緣柵雙極型三極管，也可以選功率場(chǎng)效應(yīng)管或功率三極管，其工作壓降僅在數(shù)伏與數(shù)拾伏之間。
另外，所述第二繼電器J2在所控制的觸點(diǎn)開關(guān)K2接通和斷開時(shí)，其觸點(diǎn)的電壓不高，電流也不大，本發(fā)明改善了第二繼電器J2的使用條件。
實(shí)施例1一臺(tái)容量為50KVA的燃料電池發(fā)電機(jī)組，其輸出特性如圖4中實(shí)線所示。而用戶要求其輸出電壓范圍在200～312伏之間。經(jīng)本發(fā)明所述的方法調(diào)整后，其輸出特性如圖4粗虛線。
由點(diǎn)所組成的曲線表示采取本發(fā)明措施所引起的功耗，最大功耗點(diǎn)出現(xiàn)在6A處，其值190W，根據(jù)用戶要求的電壓范圍，設(shè)基準(zhǔn)電壓Vb＝310VVw＝305V，技術(shù)參數(shù)如下第三晶體管IGBT采用SKM400 GA1280，電源DC/DC中+Vcc2、-Vcc2分別為+12V、-12V，+Vcc1、-Vcc1分別為+12V、-12V，一級(jí)放大器IC1采用AD620，隔離放大器IC2采用ISO124，第一～二晶體管Q1～Q2采用8050。
實(shí)施例2一臺(tái)5KVA的燃料電池組其輸出特性如圖5，Vo＝75V、Vmin＝45V；本實(shí)施例全功率范圍內(nèi)輸出電壓在45-53V之間，最大功耗為250W，本實(shí)施例元器件改動(dòng)第三晶體管IGBT也采用CM200HA-12H。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法，其特征在于采用線性穩(wěn)壓控制電路，以燃料電池組輸出電壓為取樣電壓；當(dāng)燃料電池輸出電壓高于要求時(shí)，穩(wěn)壓控制電路投入工作，輸出穩(wěn)定電壓Vw；當(dāng)燃料電池輸出電壓在允許范圍內(nèi)時(shí)，由繼電器將穩(wěn)壓控制電路中的電壓調(diào)整電路的輸入和輸出的正端短接，由燃料電池組直接輸出。
2.按權(quán)利要求1所述燃料電池組輸出電壓的調(diào)整方法，其特征在于所述電壓調(diào)整電路中推動(dòng)級(jí)、放大電路采用隔離電源的方式供電。
3.一種燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于主要由穩(wěn)壓控制單元、比較器(IC3)、第一晶體管(Q1)及繼電器組成，其中比較器(IC3)的負(fù)相端信號(hào)連燃料電池組的取樣電壓，比較器的正相端通過第一穩(wěn)壓管DW1接基準(zhǔn)電壓Vb，第一晶體管(Q1)位于比較器(IC3)輸出端，第一～二繼電器(J1～J2)設(shè)在第一晶體管(Q1)集電極以及集電極與發(fā)射極之間，燃料電池組的輸出經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出Vw電壓。
4.按權(quán)利要求3所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述第一可調(diào)電阻(W1)一端與燃料電池組輸出電壓相接，另一端至第一電阻(R1)，其滑動(dòng)端接比較器(IC3)負(fù)相端。
5.按權(quán)利要求3所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述由第一繼電器(J1)控制的觸點(diǎn)開關(guān)(K1)串聯(lián)在第二繼電器(J2)回路中，由第二繼電器(J2)控制的觸點(diǎn)開關(guān)(K2)跨接在穩(wěn)壓控制單元輸入輸出端。
6.按權(quán)利要求3所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述穩(wěn)壓控制單元電路由電壓調(diào)整、推動(dòng)級(jí)、放大三部分電路組成，電壓調(diào)整電路以第三晶體管IGBT為核心，其E端為電壓調(diào)整電路提供穩(wěn)定輸出電壓Vw，C端為輸入端，接燃料電池組的取樣電壓，G端接推動(dòng)級(jí)的第二晶體管(Q2)，所述第二晶體管(Q2)的基極信號(hào)來至放大電路。
7.按權(quán)利要求3所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述放大電路包括隔離放大器(IC2)及一級(jí)放大器(IC1)，其中，一級(jí)放大器(IC1)負(fù)相端接第二可調(diào)電阻(W2)的滑動(dòng)臂，正相端接由第二穩(wěn)壓管DW2提供基準(zhǔn)電壓Vb，其輸出端經(jīng)隔離放大器(IC2)至推動(dòng)級(jí)。
8.按權(quán)利要求7所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述第二可調(diào)電阻(W2)與第四電阻(R4)串聯(lián)，所述一級(jí)放大器(IC1)正相端接同時(shí)經(jīng)第五電阻(R5)至電源。
9.按權(quán)利要求3所述燃料電池組輸出電壓調(diào)整方法所用調(diào)整裝置，其特征在于所述推動(dòng)級(jí)、放大電路采用隔離電源。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池的輸出電壓調(diào)整技術(shù)，具體地說是一種燃料電池的輸出電壓調(diào)整方法及所用調(diào)整裝置。采用線性穩(wěn)壓控制電路，以燃料電池組輸出電壓為取樣電壓；當(dāng)燃料電池輸出電壓高于要求時(shí)，穩(wěn)壓控制電路投入工作，輸出穩(wěn)定電壓Vw；當(dāng)燃料電池輸出電壓在允許范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓控制電路中的繼電器將電壓調(diào)整電路的輸入和輸出的正端短接，由燃料電池組直接輸出。采用本發(fā)明突出的特點(diǎn)是能使燃料電池組的輸出特性有很大的改善，可以消除燃料電池組空載和輕載時(shí)輸出電壓的尖峰。
文檔編號(hào)G05F1/46GK1627221SQ20031011906
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者王俊清, 劉常福, 由勇, 劉超, 孫德堯 申請(qǐng)人:大連新源動(dòng)力股份有限公司