專(zhuān)利名稱(chēng)：電力控制器、電力生成系統(tǒng)以及電力控制器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)使用DC電力生成裝置(例如，燃料電池或類(lèi)似的)進(jìn)行電力生成的電力控制器。
背景技術(shù)：
迄今為止，圖7所示的系統(tǒng)是大家所了解的燃料電池電力生成系統(tǒng)(例如，參見(jiàn)日本特許專(zhuān)利公開(kāi)第6-325774號(hào))。在圖7中，燃料電池41使得氫供給裝置42所提供的氫和空氣供給裝置43所提供的空氣中的氧在燃料電池的主體中發(fā)生反應(yīng)來(lái)生成DC電力，該電力再被電力轉(zhuǎn)換器44轉(zhuǎn)換成AC電力，并被輸出?？刂破?5可以通過(guò)控制充放電設(shè)備46和電力轉(zhuǎn)換器44來(lái)進(jìn)行控制，以通過(guò)從充放電設(shè)備46放電或是充電到充放電設(shè)備46來(lái)變化地輸出電力，即使燃料電池的主體41的生成電力是固定的。
然而，盡管在這樣的燃料電池電力生成系統(tǒng)中需要匹配燃料電池的主體41的輸出電壓和充放電設(shè)備46的充放電電壓，但是充放電設(shè)備46不需要具有控制充放電的裝置。因此，很難通過(guò)補(bǔ)償燃料電池的主體41的輸出和電力存儲(chǔ)裝置(如充放電設(shè)備49中的二次電池)的額定值來(lái)高精確度地控制充放電設(shè)備46的充放電。
正是為了解決這樣的缺陷，才構(gòu)思了以下的系統(tǒng)。圖8顯示了根據(jù)第二常規(guī)例子的一種燃料電池電力生成系統(tǒng)的配置。在圖8中，燃料電池51是燃料電池的主體，用來(lái)通過(guò)使氫和空氣中的氧反應(yīng)來(lái)生成DC電力。DC/DC轉(zhuǎn)換器52給燃料電池51的DC電力升壓。電力轉(zhuǎn)換器53(逆變器)把由DC/DC轉(zhuǎn)換器52升壓的DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力，以輸出該AC電力到電力負(fù)載55。控制器54是用于通過(guò)負(fù)載檢測(cè)器56來(lái)檢測(cè)電力負(fù)載55的負(fù)載電流，并控制雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57、DC/DC轉(zhuǎn)換器52和電力轉(zhuǎn)換器53的裝置。
當(dāng)根據(jù)電力負(fù)載55的負(fù)載電流所確定的從燃料電池的主體51輸出的電流值超過(guò)負(fù)載電流值時(shí)，控制器54通過(guò)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57把電力存儲(chǔ)在蓄電池58中。當(dāng)從燃料電池的主體51輸出的電流值不夠負(fù)載電流值時(shí)，控制器54通過(guò)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57把蓄電池58的電力提供給電力負(fù)載55。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述第二常規(guī)例子(圖8)的燃料電池電力生成系統(tǒng)具有如下配置電力轉(zhuǎn)換器53與雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57相連接用于蓄電池58的充放電控制，蓄電池58耦合到DC/DC轉(zhuǎn)換器52的輸出，使得DC電力能提升到把DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力所需的電壓。
實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)不僅僅是為了用DC/DC轉(zhuǎn)換器52控制燃料電池的主體52的輸出，還為了通過(guò)控制雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57來(lái)提高蓄電池58的充放電效率。因而，從燃料電池51充電到蓄電池58是通過(guò)兩個(gè)電壓控制裝置DC/DC轉(zhuǎn)換器52和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57來(lái)進(jìn)行的。
然而，由于在蓄電池58的充放電電壓和DC/DC轉(zhuǎn)換器52所提升的輸出電壓之間存在著很大的差異(通常DC/DC轉(zhuǎn)換器52所提升的輸出電壓較高)，因此需要根據(jù)上面的差異來(lái)提高來(lái)提高提升電壓和降低電壓之間的電位差。因此，就很難提高電力轉(zhuǎn)換效率。
此外，由于雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57的電力轉(zhuǎn)換效率和蓄電池58的充放電效率所引起的總電力轉(zhuǎn)換效率變低，所以工作的經(jīng)濟(jì)性很低也成了一個(gè)問(wèn)題，另外，由于雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器57本身的價(jià)格也很高，所以成本也變得相當(dāng)高。
出于上述問(wèn)題的考慮，本發(fā)明提供了一種燃料電池電力控制器，它迅速地響應(yīng)電力變化的需求，高效率地生成所需的電能，同時(shí)也具有高經(jīng)濟(jì)性的和高可靠性的，它也可以是用于電力生成系統(tǒng)或類(lèi)似的系統(tǒng)。
本發(fā)明的第1項(xiàng)發(fā)明是一種電力控制器包括電力存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)從產(chǎn)生DC電力的DC電力生成裝置輸出的DC電力；電力轉(zhuǎn)換裝置，至少包括在接收DC輸入時(shí)轉(zhuǎn)換電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器；充放電裝置，用于把電力存儲(chǔ)裝置中的電力釋放到電力轉(zhuǎn)換裝置，以及把DC電力生成裝置中的DC電力充入電力存儲(chǔ)裝置，充放電裝置設(shè)置在DC電力生成裝置、電力存儲(chǔ)裝置和電力轉(zhuǎn)換裝置之間；檢測(cè)裝置，用子檢測(cè)外部電力負(fù)載的電力能量，將至少來(lái)自電力轉(zhuǎn)換裝置來(lái)的電力提供給外部電力負(fù)載；控制裝置，用子根據(jù)檢測(cè)到的電力能量來(lái)控制充放電裝置的工作，其中充放電裝置具有DC/DC轉(zhuǎn)換功能，把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓，以及把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓。
本發(fā)明的第2項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，控制裝置進(jìn)行控制，使得充放電裝置在外部電力負(fù)載較低時(shí)進(jìn)行充電操作，使得充放電裝置在外部電力負(fù)載較高時(shí)進(jìn)行放電操作。
本發(fā)明的第3項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，DC電力生成裝置的輸出和電力存儲(chǔ)裝置的輸入之間的轉(zhuǎn)換電壓量要小于DC電力生成裝置的輸出和電力轉(zhuǎn)換裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入之間的轉(zhuǎn)換電壓量。
本發(fā)明的第4項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，充放電裝置包括充電端轉(zhuǎn)換裝置，用于把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓；以及放電端轉(zhuǎn)換裝置，用于把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓。
本發(fā)明的第5項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，充放電裝置包括公共轉(zhuǎn)換裝置，用于進(jìn)行充電端轉(zhuǎn)換操作或放電端轉(zhuǎn)換操作，在充電端轉(zhuǎn)換操作中，把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓，在放電端轉(zhuǎn)換操作中，把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓；第一控制開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行控制，使得公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端被連接到DC電力生成裝置的輸出端或者電力存儲(chǔ)裝置的輸出端；第二控制開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行控制，使得公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端被連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端或者電力存儲(chǔ)裝置的輸入端；當(dāng)進(jìn)行充電端轉(zhuǎn)換操作時(shí)，第一控制開(kāi)關(guān)把DC電力生成裝置的輸出端連接到公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，而第二控制開(kāi)關(guān)把公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接到電力存儲(chǔ)裝置的輸入端，當(dāng)進(jìn)行放電端轉(zhuǎn)換操作時(shí)，第一控制開(kāi)關(guān)把電力存儲(chǔ)裝置的輸出端連接到公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，而第二控制開(kāi)關(guān)把公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端。
本發(fā)明的第6項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，進(jìn)一步包括輸出電壓檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)DC電力生成裝置的輸出電壓，其中根據(jù)檢測(cè)到的輸出電壓和檢測(cè)到的負(fù)載電力，控制裝置在檢測(cè)到的輸出電壓較高且檢測(cè)到的負(fù)載電力較低時(shí)讓充放電裝置進(jìn)行充電操作，在檢測(cè)到的輸出電壓較低且檢測(cè)到的負(fù)載電力較高時(shí)讓充放電裝置進(jìn)行放電操作。
本發(fā)明的第7項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，進(jìn)一步包括電力存儲(chǔ)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)電力存儲(chǔ)裝置的電力存儲(chǔ)，其中控制裝置根據(jù)檢測(cè)到的電力存儲(chǔ)來(lái)控制充放電裝置的操作。
本發(fā)明的第8項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第6項(xiàng)發(fā)明的電力控制器，其特點(diǎn)是，進(jìn)一步包括負(fù)載電力測(cè)量裝置，用于以時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量檢測(cè)到的電力能量，其中DC電力生成裝置的電力生產(chǎn)計(jì)劃是根據(jù)預(yù)先測(cè)量的電力能量由負(fù)載電力測(cè)量裝置確定的。
本發(fā)明的第9項(xiàng)發(fā)明是一種電力生成系統(tǒng)，包括根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器；DC電力生成裝置，用于產(chǎn)生DC電力；DC電力生成裝置的控制裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的電力能量來(lái)控制DC電力生成裝置的輸入能量。
本發(fā)明的第10項(xiàng)發(fā)明是根據(jù)第1項(xiàng)發(fā)明的電力控制器的控制方法，其特點(diǎn)是，作為時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量電力能量，根據(jù)通過(guò)測(cè)量所獲得的電力能量來(lái)確定DC電力生成裝置的電力生產(chǎn)計(jì)劃。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
圖2是本發(fā)明的第五實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的燃料電池輸出的特性圖。
圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
圖4是本發(fā)明的第三實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
圖5是本發(fā)明的第四實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
圖6是本發(fā)明的第五實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
圖7是一種常見(jiàn)燃料電池電力生成系統(tǒng)的框圖。
圖8是一種常見(jiàn)燃料電池電力生成系統(tǒng)的框圖。
圖9是顯示了本發(fā)明的第一實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的另一種配置的示意圖。
圖10是顯示了本發(fā)明的第二實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的另一種配置的示意圖。
圖11是顯示了本發(fā)明的另一種配置的示意圖。
符號(hào)描述1燃料電池2燃?xì)夤┙o裝置3氧化劑燃?xì)夤┙o裝置4電力轉(zhuǎn)換裝置5轉(zhuǎn)換器部分6逆變器部分9負(fù)載電力檢測(cè)裝置10電力負(fù)載11二次電池12充電控制裝置13放電控制裝置14放逆流二極管15燃料電池控制裝置具體實(shí)施方式
下面，將參考附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行解釋。
(實(shí)施例1)圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備框圖。
諸如精煉機(jī)、氫吸收合金和氫氣缸等含有氫的燃?xì)夤┙o裝置2，和諸如送風(fēng)機(jī)與通風(fēng)泵等含有氧的氧化劑燃?xì)夤┙o裝置3被連接到對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的DC電力生成裝置的燃料電池1上。
電力轉(zhuǎn)換4是用于把DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力的裝置，且具有以下配置首先轉(zhuǎn)換器部分5對(duì)從燃料電池1來(lái)的DC電力進(jìn)行DC電壓提升，然后，逆變器部分6把具有提升后的電壓的DC電力轉(zhuǎn)換成將要輸出的AC電力。
輸出線7是與電力轉(zhuǎn)換裝置4和電力負(fù)載10電性能連接的裝置。另外，負(fù)載電力檢測(cè)裝置9是根據(jù)電力負(fù)載10的工作來(lái)檢測(cè)通過(guò)輸出線7輸出的電力的裝置。二次電池11對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的電力存儲(chǔ)裝置，它是充電和存儲(chǔ)電力以及釋放存儲(chǔ)電力的裝置。充電控制裝置12是把燃料電池1的DC電力轉(zhuǎn)換成和二次電池11的充電電壓相適應(yīng)的電壓，并充電二次電池11的裝置，它是用例如提升電壓和降低電壓電壓斬波電路實(shí)現(xiàn)的。另外，放電控制裝置13是用于把二次電池11所釋放的存儲(chǔ)電力轉(zhuǎn)換成和燃料電池的DC輸出電壓完全一樣的電壓，并把電力輸出到電力轉(zhuǎn)換裝置4的裝置，它是用例如提升電壓和降低電壓斬波電路實(shí)現(xiàn)的。防逆流二極管14是用于防止DC電力從放電控制裝置13回流到燃料電池1的裝置。燃料電池控制裝置15是控制從燃料燃?xì)夤┙o裝置2提供給燃料電池1的供給量和/或從氧化劑燃?xì)夤┙o裝置3提供到燃料電池1的供給量的裝置，并通過(guò)根據(jù)電力負(fù)載10控制充電控制裝置12和放電控制裝置13來(lái)控制二次電池11的存儲(chǔ)電力的輸入和輸出。
安裝二次電池11的一個(gè)目的是為了通過(guò)使用二次電池11的充放電來(lái)防止由于在系統(tǒng)互連中提供給負(fù)載電力的輸出電力過(guò)量或不足所造成的經(jīng)濟(jì)性的損失。
接下來(lái)，將不僅會(huì)解釋第一實(shí)施例中的運(yùn)作，還將解釋根據(jù)本發(fā)明的電力控制方法的實(shí)施例。
燃料燃?xì)夤┙o裝置2提供的燃料和氧化劑燃?xì)夤┙o裝置3提供的氧化劑燃?xì)庠谌剂想姵?中反應(yīng)，以產(chǎn)生直流電。產(chǎn)生的直流電被送往電力轉(zhuǎn)換裝置4。在電力轉(zhuǎn)換裝置4中，經(jīng)轉(zhuǎn)換器部分5提升后，該直流電被逆變器部分6轉(zhuǎn)換成和電力負(fù)載的電壓相同的交流電，并通過(guò)輸出線7被提供給電力負(fù)載10。
這里，當(dāng)根據(jù)負(fù)載電力檢測(cè)裝置9所檢測(cè)的電能發(fā)現(xiàn)燃料電池不足以提供電力負(fù)載10的負(fù)載電力時(shí)，燃料電池控制裝置15將用二次電池11通過(guò)放電控制裝置13來(lái)補(bǔ)充電力負(fù)載10所生成的輸出的不足。
另外，在該實(shí)施例中，當(dāng)二次電池11充電時(shí)，燃料電池1來(lái)的輸出電壓被充電控制裝置1 2轉(zhuǎn)換成和二次電池的充電電壓完全相等的電壓。另外，為了使電力能輸出到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器部分5，當(dāng)進(jìn)行從二次電池11放電到電力轉(zhuǎn)換裝置4進(jìn)行時(shí)，從二次電池11來(lái)的輸出電壓被放電控制裝置13轉(zhuǎn)換成和燃料電池的輸出電壓完全相等的電壓。因此，有可能將二次電池11的充放電效率保持在較高的水平。此時(shí)，在燃料電池1的輸出電壓和二次電池11的充電電壓之間的上下關(guān)系中，當(dāng)燃料電池1的電壓較高時(shí)，充電控制裝置12逐步降低電壓，放電控制裝置13逐步提高電壓。
另外，當(dāng)燃料電池1的電壓較低時(shí)，充電控制裝置12逐步提高電壓，放電控制裝置13逐步降低電壓。此時(shí)，提升電壓和降低電壓可以引用燃料電池1的輸出電壓或者二次電池11的充電和放電電壓。此外，燃料電池1的輸出電壓可以是通過(guò)測(cè)量燃料電池所獲得的值，或者是根據(jù)額定值等預(yù)先設(shè)置的值(固定值)。
另外，在該實(shí)施例中，對(duì)二次電池11充電是通過(guò)直接將燃料電池1的輸出電力提供給充電控制裝置12來(lái)進(jìn)行的。另外，從二次電池11到電力轉(zhuǎn)換裝置4的輸出要恰好在轉(zhuǎn)換器部分5之前和燃料電池1的輸出電壓匹配。
在該實(shí)施例中，充電控制裝置12轉(zhuǎn)換到二次電池11的電壓量和圖8中所示的第二常規(guī)例子相比是相當(dāng)小的，亦即，幾伏特和幾十伏特相比。類(lèi)似地，放電控制裝置13轉(zhuǎn)換到電力轉(zhuǎn)換裝置4的電壓量也是很小的，亦即，幾伏特和幾十伏特相比。
因此，由于充電控制裝置12和放電控制裝置13的電力轉(zhuǎn)換單元的電力損耗等(切換損耗、反應(yīng)體的芯核損耗、歐姆損耗等)原因，在充放電的電力功率約為1到2千瓦的情況下，電力轉(zhuǎn)換效率將高達(dá)90％或更高。
另外，由于二次電池11的充放電效率為92％到93％，所以可能在使用二次電池11的時(shí)候提高總的充放電效率。因此，有可能提供一種具有較高經(jīng)濟(jì)性的燃料電池電力生成設(shè)備，因?yàn)榭赡苓M(jìn)行經(jīng)濟(jì)地運(yùn)作來(lái)作為補(bǔ)充燃料電池1的輸出過(guò)量和不足的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，并且還有可能低成本地實(shí)現(xiàn)充電控制裝置12和放電控制裝置13的控制電路配置。
另外，該實(shí)施例還能夠按照?qǐng)D9所示的來(lái)構(gòu)成。和圖1中的配置不同的地方如下。省略了防逆流二極管，并提供了兩個(gè)燃料電池的輸出系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)被用作連接通路100a，直接連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器部分5，另一個(gè)系統(tǒng)被用作連接通路100b，連接到充電控制裝置12。另外，還提供了直接把放電控制裝置13連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器部分5的連接通路100c。在這種情況下，有可能以一種比圖1更簡(jiǎn)單和更便宜的配置來(lái)完全地防止放電控制裝置13的輸出回流到燃料電池1或者充電控制裝置12。
(實(shí)施例2)圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的框圖。
在圖3中，相同的數(shù)字表示的是具有和圖1中所示的第一實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備的相應(yīng)部分相同功能的部分，且省略和圖1中的相對(duì)應(yīng)的部分的功能的詳細(xì)描述。
充電和放電控制裝置18是把燃料電池1中生成的DC電力存儲(chǔ)在作為電力存儲(chǔ)裝置的二次電池11中的裝置，并控制充電和放電，以從二次電池11把存儲(chǔ)的電力輸出到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器5，并且是由例如提升電壓和降低電壓斬波電路等實(shí)現(xiàn)的。電流切換裝置16和17是切換從燃料電池所補(bǔ)充的以及從電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器5所釋放的電流方向的裝置，電流切換裝置16進(jìn)行切換，將充電和放電控制裝置18連接到燃料電池1的輸出端或者二次電池11的輸出端。另外，電流切換裝置17進(jìn)行切換，將充電和放電控制裝置18連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器5的輸入端或者二次電池11的輸入端。另外，電流切換裝置16和17是由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、機(jī)械開(kāi)關(guān)或者類(lèi)似的開(kāi)關(guān)構(gòu)成的。
接下來(lái)，將會(huì)解釋第二實(shí)施例的運(yùn)作。不過(guò)，將省略和第一實(shí)施例中相同的部分，并且主要對(duì)差異進(jìn)行描述。
在燃料電池電力生成設(shè)備的工作過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載檢測(cè)裝置9檢測(cè)到相對(duì)于電力負(fù)載10的設(shè)備中的電力不足時(shí)，燃料電池控制裝置15控制電流切換裝置16，使其把二次電池11的輸出端連接到充放電控制裝置18的輸入端，控制電流轉(zhuǎn)換裝置17使其把充放電控制裝置18的輸出端連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器5的輸入端，以從二次電池11來(lái)補(bǔ)充電力負(fù)載生成電力的不足。
因此，將按照電流切換裝置16、充放電控制裝置18、電流切換裝置17和電力轉(zhuǎn)換裝置4的順序來(lái)提供從二次電池11輸出的電力。
接下來(lái)，在燃料電池1的電力負(fù)載很低，且適合于對(duì)二次電池11充電的燃料電池1的輸出電壓很高的時(shí)間段或類(lèi)似時(shí)，燃料電池控制裝置15控制電流切換裝置16使其把燃料電池1的輸出端連接到充放電控制裝置18的輸入端，并控制電流切換裝置17使其把充放電控制裝置18的輸出端連接到二次電池11的輸入端，以對(duì)二次電池11進(jìn)行充電。
因此，將按照電流切換裝置16、充放電控制裝置18、電流切換裝置17和二次電池11的順序來(lái)提供從燃料電池1輸出的電力。
在燃料電池電力生成設(shè)備中，由于對(duì)二次電池11的充放電操作不是同時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)充電控制或者放電控制工作時(shí)，另外剩下的一個(gè)就顯得多余了。因此，有可能在每次操作中通過(guò)用一個(gè)充放電控制裝置和兩個(gè)電流切換裝置來(lái)把充放電控制切換到二次電池11，而統(tǒng)一在第一實(shí)施例中用于電壓控制的兩類(lèi)裝置。從而，就變得有可能簡(jiǎn)化、減小和降低充放電控制配置的成本。
另外，該實(shí)施例還可以如圖10所示的類(lèi)似于第一實(shí)施例進(jìn)行構(gòu)造。和圖3中所示的配置不同的地方如下。亦即，省略了防逆流二極管14，并提供了兩個(gè)燃料電池1的輸出系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)被用作連接通路100a，直接連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器部分5，另一個(gè)系統(tǒng)被用作連接通路100b，連接到電流切換裝置16。另外，還提供了直接把電流切換裝置17連接到電力轉(zhuǎn)換裝置4的轉(zhuǎn)換器部分5的連接通路100c。
在這種情況下，有可能以一種比圖1更簡(jiǎn)單和更便宜的配置來(lái)完全地防止充放電控制裝置18的輸出回流到燃料電池1。
(實(shí)施例3)圖4是本發(fā)明的第三實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的框圖。在圖4中，相同的數(shù)字表示的是具有和圖1中所示的第一實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備以及圖3中所示的第二實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備的相應(yīng)部分相同功能的部分，且省略和圖1與圖3中的相對(duì)應(yīng)的部分的功能的詳細(xì)描述。
電流傳感器19是在從燃料電池1來(lái)的由電力生成反應(yīng)產(chǎn)生的電力通過(guò)充電控制裝置12被補(bǔ)充到二次電池11時(shí)檢測(cè)充電電流的裝置。另外，電流傳感器20是在從二次電池11來(lái)的存儲(chǔ)電力通過(guò)放電控制裝置13被釋放到電力轉(zhuǎn)換裝置4時(shí)檢測(cè)放電電流的裝置。
接下來(lái)，將會(huì)解釋第三實(shí)施例的運(yùn)作。不過(guò)，將省略和第一實(shí)施例中相同的部分，并且主要對(duì)差異進(jìn)行描述。
燃料電池控制裝置15一直監(jiān)視從電流傳感器19來(lái)的充電電流，以及從電流傳感器20來(lái)的放電電流，并分別通過(guò)進(jìn)行時(shí)間積分和累加一直掌握二次電池11的存儲(chǔ)電能。
然后，當(dāng)二次電池11放電時(shí)，燃料電池控制裝置15在電力存儲(chǔ)變得等于或小于第一電力存儲(chǔ)時(shí)，通過(guò)控制放電控制裝置13停止放電。這里，第一電力存儲(chǔ)是適合于所剩的電池容量的充放電特性的較低限制區(qū)域，它是二次電池11的充電狀態(tài)(SOC)或放電深度(DOD)，并被設(shè)置成例如電池容量的大約50％。
接下來(lái)，在燃料電池1的電力負(fù)載很低，且適于二次電池11充電的燃料電池1的輸出電壓很高的時(shí)間段，燃料電池控制裝置15對(duì)二次電池11進(jìn)行充電。此時(shí)，燃料電池控制裝置15在電力存儲(chǔ)變得等于或大于第二電力存儲(chǔ)時(shí)通過(guò)控制充電控制裝置12停止充電。這里，第二電力存儲(chǔ)是適于所剩的電池容量的充放電特性的最高限制區(qū)域，它是二次電池11的充電狀態(tài)(SOC)或放電深度(DOD)，并被設(shè)置成例如電池容量的大約80％到90％。
因此，通過(guò)經(jīng)常地在第一電力存儲(chǔ)和第二電力存儲(chǔ)之間管理二次電池11的充放電量，可顯著地提高了二次電池11的耐久性。另外，由于燃料電池1用于電力供給的輔助裝置配置變成了極為經(jīng)濟(jì)的配置，所以就降低了電力生成設(shè)備的設(shè)備成本。
此外，盡管在上述實(shí)施例中描述了二次電池11的電力存儲(chǔ)是在用于檢測(cè)充電電流的電流傳感器19和用于檢測(cè)放電電流的電流傳感器20所檢測(cè)到的數(shù)值基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的，但是也可能在直接測(cè)量二次電池11中的電力存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制操作。
(實(shí)施例4)圖5是本發(fā)明的第四實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的框圖。在圖5中，相同的數(shù)字表示的是具有和圖1中所示的第一實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備、圖3中所示的第二實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備以及圖4中所示的第三實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備的相應(yīng)部分相同功能的部分，且省略和圖1、圖3和圖4中的相對(duì)應(yīng)的部分的功能的詳細(xì)描述。
該實(shí)施例的配置特點(diǎn)在于從諸如計(jì)算時(shí)間的定時(shí)器等定時(shí)裝置21得到的定時(shí)信號(hào)，以及從諸如存儲(chǔ)每次的能耗的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等電能記憶裝置22得到的能耗模式信息輸入到燃料電池控制裝置15。
接下來(lái)，將會(huì)解釋第四實(shí)施例的運(yùn)作。不過(guò)，將省略和上述實(shí)施例中相同的部分，并且主要對(duì)差異進(jìn)行描述。
燃料電池控制裝置15讓電能記憶裝置22把負(fù)載電力檢測(cè)裝置9檢測(cè)到的電力能量存儲(chǔ)為電力能量監(jiān)視信息(一天中時(shí)間和能耗的關(guān)系)，它是對(duì)應(yīng)于根據(jù)定時(shí)裝置21的時(shí)間的電力信息。然后，在這個(gè)電力能量監(jiān)視信息的基礎(chǔ)上，燃料電池控制裝置15輸出信號(hào)到燃料燃?xì)夤┙o裝置2和氧化劑燃?xì)夤┙o裝置3，使得存儲(chǔ)后的電力輸出可能變成在相應(yīng)的電力能量監(jiān)視信息的每個(gè)時(shí)刻都相同的輸出。另外，在燃料電池1的電力負(fù)載很低，且適于二次電池11充電的燃料電池1的輸出電壓很高的時(shí)間段，燃料電池控制裝置15通過(guò)充電控制裝置12對(duì)二次電池11進(jìn)行充電，并保護(hù)充電時(shí)間。另外，在從燃料電池1來(lái)的電力生成輸出等于或小于預(yù)定輸出的時(shí)間段，燃料電池控制裝置15在每個(gè)預(yù)定的工作時(shí)間根據(jù)存儲(chǔ)在電能記憶裝置22中的電能模式通過(guò)充電控制裝置12對(duì)二次電池11充電，直到電力存儲(chǔ)達(dá)到滿(mǎn)電力存儲(chǔ)，且在電力存儲(chǔ)達(dá)到滿(mǎn)電力存儲(chǔ)時(shí)充電時(shí)間超過(guò)了預(yù)定時(shí)間。
此時(shí)，“每個(gè)預(yù)定的工作時(shí)間”指的是為了最好地維持作為電力存儲(chǔ)裝置的二次電池11的充放電特性所必須進(jìn)行的刷新充電操作的時(shí)間間隔，該間隔是每周一次或每十天一次。另外，“直到在電力存儲(chǔ)達(dá)到滿(mǎn)電力存儲(chǔ)時(shí)充電時(shí)間超過(guò)了預(yù)定時(shí)間”指的是“直到在二次電池11達(dá)到滿(mǎn)充電后結(jié)束了用于完成充電操作的常壓充電(強(qiáng)制充電)”，“預(yù)定時(shí)間”是指充電電流變成幾乎為零的狀態(tài)過(guò)后2至3小時(shí)的時(shí)間。
由于實(shí)際負(fù)載電力的可變部分相對(duì)于根據(jù)電力能量監(jiān)視信息的平均輸出電力是很大的，所以電力輸出控制并不是一直變成總是補(bǔ)償二次電池11的電力存儲(chǔ)的控制，且充電和放電量變得幾乎相等。因此，在可以根據(jù)電能記憶裝置22的電負(fù)載能量監(jiān)視信息保護(hù)充電的時(shí)間段，要進(jìn)行一系列這些操作來(lái)保護(hù)二次電池11的電力存儲(chǔ)，以及最好地維持二次電池11的充放電特性。
因此，在從燃料電池來(lái)的電力生成輸出等于或小于預(yù)定的輸出的時(shí)間段，燃料電池控制裝置15通過(guò)充電控制裝置12根據(jù)存儲(chǔ)在電能記憶裝置22中的電能模式來(lái)充電二次電池11，直到電力存儲(chǔ)達(dá)到滿(mǎn)電力存儲(chǔ)，且在達(dá)到滿(mǎn)電力存儲(chǔ)的充電時(shí)間超過(guò)了預(yù)定時(shí)間。因此，由于可以確保定期地對(duì)二次電池11進(jìn)行刷新操作，所以可以大大地提高二次電池11的壽命特性。
(實(shí)施例5)圖6是本發(fā)明的第五實(shí)施例中的燃料電池電力生成設(shè)備的框圖。在圖6中，相同的數(shù)字表示的是具有和圖1中所示的第一實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備以及圖3中所示的第二實(shí)施例的燃料電池電力生成設(shè)備的相應(yīng)部分相同功能的部分，且省略和圖1和圖3中的相對(duì)應(yīng)的部分的功能的詳細(xì)描述。
該實(shí)施例的配置特點(diǎn)在于安裝了檢測(cè)燃料電池1的輸出電壓的燃料電池輸出電壓檢測(cè)裝置23，用來(lái)修正對(duì)二次電池11進(jìn)行充放電控制的過(guò)程中的提升電壓或降低電壓量，可能是由于和燃料電池1的老化或類(lèi)似原因有關(guān)的對(duì)應(yīng)于電力負(fù)載的輸出電壓相對(duì)于輸出電流的降低。
接下來(lái)，將會(huì)解釋第五實(shí)施例的運(yùn)作。不過(guò)，將省略和上述實(shí)施例中相同的部分，并且主要對(duì)差異進(jìn)行描述。
如圖2所示，盡管由于老化等原因燃料電池1的輸出電壓通常具有隨著燃料電池1的電流輸出的提高而降低的特性，但是該輸出特性本身將移向電壓整體降低的方向。燃料電池控制裝置15通過(guò)燃料電池輸出電壓檢測(cè)裝置23和負(fù)載電力檢測(cè)裝置9一直監(jiān)視燃料電池1輸出到電力負(fù)載10的負(fù)載電力的電壓。當(dāng)相對(duì)于燃料電池1的負(fù)載電力的輸出電壓特性偏移(輸出電壓降低)時(shí)，燃料電池控制裝置15對(duì)充電控制裝置12的充放電控制和作為電力存儲(chǔ)裝置的二次電池11的放電控制裝置13中的提高電壓電平和降低電壓電平的修正量的電壓差異進(jìn)行調(diào)整。
因此，燃料電池控制裝置15一直監(jiān)視燃料電池1的輸出電壓，來(lái)為和輸出特性的老化或類(lèi)似原因有關(guān)的對(duì)應(yīng)于電力負(fù)載的輸出電壓相對(duì)于輸出電流的降低適當(dāng)?shù)卮_保對(duì)電力存儲(chǔ)裝置進(jìn)行充放電控制過(guò)程中提高電壓或降低電壓的修正量。因此，有可能提供具有較高可靠性和可維護(hù)性的電力生成設(shè)備。
另外，在上述實(shí)施例中，燃料電池1是本發(fā)明的DC電力生成裝置的例子，二次電池是本發(fā)明的電力存儲(chǔ)裝置的例子，轉(zhuǎn)換器部分5是本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換器的例子，電力轉(zhuǎn)換裝置4是本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換裝置的例子，負(fù)載電力檢測(cè)裝置9是本發(fā)明的檢測(cè)裝置的例子，燃料電池控制裝置15是本發(fā)明的控制裝置的例子。
另外，充電控制裝置12是本發(fā)明的充放電裝置的充電端轉(zhuǎn)換裝置的例子，放電控制裝置13是本發(fā)明的充放電裝置的放電端轉(zhuǎn)換裝置的例子。另外，充放電控制裝置18是本發(fā)明的充放電裝置的公共轉(zhuǎn)換裝置的例子，電流切換裝置16是本發(fā)明的第一控制開(kāi)關(guān)的例子，電流切換裝置17是本發(fā)明的第二控制開(kāi)關(guān)的例子。另外，防逆流二極管14和連接通路100a、100b、100c、101a、101b、101c都包括在本發(fā)明的充放電裝置中。
另外，燃料電池輸出電壓檢測(cè)裝置23是本發(fā)明的輸出電壓檢測(cè)裝置的例子，一組傳感器19和20以及燃料電池控制裝置15是本發(fā)明的電力存儲(chǔ)檢測(cè)裝置的例子。另外，定時(shí)裝置21和燃料電池控制裝置15是本發(fā)明的負(fù)載電力測(cè)量的例子，電能記憶裝置22被包括在本發(fā)明的控制裝置中。另外，存儲(chǔ)在電能記憶裝置22中的電負(fù)載能量檢測(cè)信息是本發(fā)明的預(yù)先測(cè)量電負(fù)載能量的例子。
另外，盡管燃料電池電力生成設(shè)備在上述的每個(gè)實(shí)施例中被描述成本發(fā)明的電力生成系統(tǒng)，本發(fā)明還可以作為電力控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其配置中省略了每個(gè)實(shí)施例中的燃料電池1、燃料燃?xì)夤┙o裝置2、氧化劑燃?xì)夤┙o裝置3以及電力負(fù)載10。
此外，在本發(fā)明的電力生成系統(tǒng)中，DC電力生成裝置不需要被限制在燃料電池，并且不限制它的類(lèi)型，只要它是能夠產(chǎn)生DC電力的設(shè)備(如電池)，燃?xì)鉁u輪功率產(chǎn)生器，以及利用Seebeck效應(yīng)的熱電產(chǎn)生器。作為例子，圖11中展示了利用燃?xì)鉁u輪功率發(fā)生器的配置。如圖所示，燃?xì)鉁u輪功率發(fā)生器包括燃?xì)鉁u輪112，它使用控制裝置150控制的城市燃?xì)夤┙o部分110所提供的城市燃?xì)?，和控制裝置150控制的空氣供給部分111所提供的空氣來(lái)工作；連接到燃?xì)鉁u輪112的AC發(fā)生器113；以及AC-DC轉(zhuǎn)換器114，它把AC發(fā)生器113輸出的高頻AC輸出轉(zhuǎn)換成DC電力。總之，這和燃料電池的情況是類(lèi)似的。即使在燃?xì)鉁u輪112的工作使得AC發(fā)生器113的電力供應(yīng)變成固定的，仍然有可能通過(guò)充電控制裝置12和放電控制裝置13來(lái)控制電力，以便于根據(jù)電力負(fù)載10來(lái)對(duì)二次電池11進(jìn)行充電和放電。
從上面的描述可以清楚，本發(fā)明的可以為電力控制器提供較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，并因此提高了電力存儲(chǔ)裝置或類(lèi)似裝置的能量效率。
權(quán)利要求
1.一種電力控制器，其特征在于，包括電力存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)從產(chǎn)生DC電力的DC電力生成裝置輸出的DC電力；電力轉(zhuǎn)換裝置，至少包括在接收DC輸入時(shí)轉(zhuǎn)換電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器；充放電裝置，用于把電力存儲(chǔ)裝置中的電力釋放到電力轉(zhuǎn)換裝置，以及把DC電力生成裝置中的DC電力充入電力存儲(chǔ)裝置，充放電裝置設(shè)置在DC電力生成裝置、電力存儲(chǔ)裝置和電力轉(zhuǎn)換裝置之間；檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)外部電力負(fù)載的電力能量，將至少來(lái)自電力轉(zhuǎn)換裝置來(lái)的電力提供給外部電力負(fù)載；控制裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的電力能量來(lái)控制充放電裝置的工作，其中充放電裝置具有DC/DC轉(zhuǎn)換功能，把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓，以及把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，控制裝置進(jìn)行控制，使得充放電裝置在外部電力負(fù)載較低時(shí)進(jìn)行充電操作，使得充放電裝置在外部電力負(fù)載較高時(shí)進(jìn)行放電操作。
3.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，DC電力生成裝置的輸出和電力存儲(chǔ)裝置的輸入之間的轉(zhuǎn)換電壓量要小于DC電力生成裝置的輸出和電力轉(zhuǎn)換裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入之間的轉(zhuǎn)換電壓量。
4.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，充放電裝置包括充電端轉(zhuǎn)換裝置，用于把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓；以及放電端轉(zhuǎn)換裝置，用于把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，充放電裝置包括公共轉(zhuǎn)換裝置，用于進(jìn)行充電端轉(zhuǎn)換操作或放電端轉(zhuǎn)換操作，在充電端轉(zhuǎn)換操作中，把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓，在放電端轉(zhuǎn)換操作中，把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓；第一控制開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行控制，使得公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端被連接到DC電力生成裝置的輸出端或者電力存儲(chǔ)裝置的輸出端；第二控制開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行控制，使得公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端被連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端或者電力存儲(chǔ)裝置的輸入端；當(dāng)進(jìn)行充電端轉(zhuǎn)換操作時(shí)，第一控制開(kāi)關(guān)把DC電力生成裝置的輸出端連接到公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，而第二控制開(kāi)關(guān)把公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接到電力存儲(chǔ)裝置的輸入端，當(dāng)進(jìn)行放電端轉(zhuǎn)換操作時(shí)，第一控制開(kāi)關(guān)把電力存儲(chǔ)裝置的輸出端連接到公共轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，而第二控制開(kāi)關(guān)把公共轉(zhuǎn)換裝置的輸出端連接到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端。
6.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，進(jìn)一步包括輸出電壓檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)DC電力生成裝置的輸出電壓，其中根據(jù)檢測(cè)到的輸出電壓和檢測(cè)到的負(fù)載電力，控制裝置在檢測(cè)到的輸出電壓較高且檢測(cè)到的負(fù)載電力較低時(shí)讓充放電裝置進(jìn)行充電操作，在檢測(cè)到的輸出電壓較低且檢測(cè)到的負(fù)載電力較高時(shí)讓充放電裝置進(jìn)行放電操作。
7.如權(quán)利要求1所述的電力控制器，其特征在于，進(jìn)一步包括電力存儲(chǔ)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)電力存儲(chǔ)裝置的電力存儲(chǔ)，其中控制裝置根據(jù)檢測(cè)到的電力存儲(chǔ)來(lái)控制充放電裝置的操作。
8.如權(quán)利要求6所述的電力控制器，其特征在于，進(jìn)一步包括負(fù)載電力測(cè)量裝置，用于以時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量檢測(cè)到的電力能量，其中DC電力生成裝置的電力生產(chǎn)計(jì)劃是根據(jù)預(yù)先測(cè)量的電力能量由負(fù)載電力測(cè)量裝置確定的。
9.一種電力生成系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的電力控制器；DC電力生成裝置，用于產(chǎn)生DC電力；DC電力生成裝置的控制裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的電力能量來(lái)控制DC電力生成裝置的輸入能量。
10.一種如權(quán)利要求1所述的電力控制器的控制方法，其特征在于，作為時(shí)間的函數(shù)來(lái)測(cè)量電力能量，根據(jù)通過(guò)測(cè)量所獲得的電力能量來(lái)確定DC電力生成裝置的電力生產(chǎn)計(jì)劃。
全文摘要
一種電力控制器，包括電力存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)從產(chǎn)生DC電力的DC電力生成裝置輸出的DC電力；電力轉(zhuǎn)換裝置，至少包括在接收DC輸入時(shí)轉(zhuǎn)換電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器；充放電裝置，用于把電力存儲(chǔ)裝置中的電力釋放到電力轉(zhuǎn)換裝置，以及把DC電力生成裝置中的DC電力補(bǔ)充到電力存儲(chǔ)裝置，充放電裝置設(shè)置在DC電力生成裝置、電力存儲(chǔ)裝置和電力轉(zhuǎn)換裝置之間；檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)外部電力負(fù)載的電力能量，至少將來(lái)自電力轉(zhuǎn)換裝置的電力提供給外部電力負(fù)載；控制裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的電力能量控制充放電裝置的工作，其中充放電裝置具有DC/DC轉(zhuǎn)換功能，把DC電力生成裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電力存儲(chǔ)裝置的充電電壓，以及把電力存儲(chǔ)裝置的放電電壓轉(zhuǎn)換成DC電力生成裝置的輸出電壓。
文檔編號(hào)H02J9/06GK1417917SQ0214995
公開(kāi)日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月9日
發(fā)明者宮內(nèi)伸二, 上田哲也, 尾関正高, 神保裕行, 小池喜一 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社