用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備以及用于控制該電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 以下描述涉及用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器和控制該電力轉(zhuǎn)換器的方法，該電力轉(zhuǎn) 換器可以執(zhí)行燃料電池的診斷和負(fù)載均衡。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池技術(shù)是從地球上大量存在的物質(zhì)（諸如氧和氫）生成電能的新型環(huán)保未 來能源技術(shù)，并且燃料電池技術(shù)是近來受關(guān)注的技術(shù)之一。燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將氧 和氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，由于氧被提供給陰極并且氫被提供給陽極，并且以水電解 的逆反應(yīng)的形式進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，所以在不產(chǎn)生污染的情況下獲得高效的電能。由于燃料 電池不受在傳統(tǒng)熱力發(fā)動機(jī)中起限制作用的卡諾循環(huán)的限制，所以燃料電池可以具有等于 或大于40%的效率，并且由于以上放出的物質(zhì)僅是水，所以不存在污染問題，并且由于不像 傳統(tǒng)熱力發(fā)動機(jī)那樣，不需要機(jī)械地移動部件，所以具有無噪聲等多種優(yōu)點。因此，正在積 極地進(jìn)行關(guān)于燃料電池的多種技術(shù)和研究。然而，為了將燃料電池實現(xiàn)為實際供電系統(tǒng)，必 須補(bǔ)償燃料電池的多種問題。首先，由于燃料電池的過載承受力很小，所以燃料電池主要用 作連接另一個能量存儲裝置的混合系統(tǒng)。需要該混合系統(tǒng)以通過劃分急劇負(fù)載改變或者負(fù) 載超過燃料電池的額定容量來管理，并且該混合系統(tǒng)是使用除了燃料電池之外的用于短時 間內(nèi)高輸出的輔助能量存儲裝置的系統(tǒng)，電池（battery)或者超級電容器等被用作所述輔 助能量存儲裝置，并且由于輔助能量存儲裝置具有比燃料電池少約1/100的成本，所以具 有成本降低效果。此外，在通過連接燃料電池和輔助能量存儲裝置來配置混合系統(tǒng)之后，從 燃料電池連續(xù)地輸出恒定電力，當(dāng)電力剩余時，使用剩余電力給能量存儲裝置充電，當(dāng)電力 不足時，應(yīng)用能量存儲裝置輔助輸出該不足電力的負(fù)載均衡方法。此外，由于燃料電池具有 一起配置的系統(tǒng)的可靠性取決于燃料電池的狀態(tài)的問題，所以需要經(jīng)由燃料電池的周期測 試的估算。為了估算燃料電池的壽命，可以應(yīng)用使燃料電池與系統(tǒng)分離或者將獨(dú)立測量設(shè) 備附著到外部的脫機(jī)方法，但是該方法效率差并且不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題
[0004] 本發(fā)明在于提供一種用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器以及控制該電力轉(zhuǎn)換器的方法， 該電力轉(zhuǎn)換器可以執(zhí)行燃料電池的負(fù)載均衡，并且診斷燃料電池的壽命。
[0005] 技術(shù)方案
[0006] 本發(fā)明的一方面提供一種用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器，該電力轉(zhuǎn)換器根據(jù)提供依 據(jù)負(fù)載的改變所需要的電壓的正常操作模式和預(yù)測燃料電池的壽命的診斷模式中的至少 一種進(jìn)行操作，用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器包括：升壓轉(zhuǎn)換器，該升壓轉(zhuǎn)換器連接至燃料電 池，并且被配置為控制負(fù)載電壓以在正常操作模式下具有預(yù)定幅值，并且通過在診斷模式 下將預(yù)定擾動電流施加至燃料電池來誘導(dǎo)輸出響應(yīng)；以及數(shù)字信號處理器，該數(shù)字信號處 理器被配置為通過在診斷模式下檢測燃料電池的輸出響應(yīng)來提取阻抗參數(shù)，并且根據(jù)阻抗 參數(shù)預(yù)測燃料電池的壽命。
[0007] 用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器還可以包括：輔助能量存儲裝置，該輔助能量存儲裝 置連接于升壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)載之間，并且被配置為充入從燃料電池輸出的電力或者釋放電 力，以通過增加從燃料電池輸出的電力給負(fù)載供電。
[0008] 用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器還可以包括：雙向轉(zhuǎn)換器，該雙向轉(zhuǎn)換器連接至輔助 能量存儲裝置，并且被配置為被切換，以處理負(fù)載的急劇改變或瞬時過載。
[0009] 雙向轉(zhuǎn)換器可以控制負(fù)載的輸出電壓，以生成用于在診斷模式下通過升壓轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行診斷的擾動電流信號。
[0010] 升壓轉(zhuǎn)換器可以在診斷模式下誘導(dǎo)具有恒定直流（DC)電平的擾動電流，并且雙 向轉(zhuǎn)換器可以被切換，并且通過對輔助能量存儲裝置充電或放電來控制負(fù)載電壓。
[0011] 數(shù)字信號處理器可以包括：電壓檢測器，該電壓檢測器被配置為測量燃料電池的 輸出響應(yīng)；數(shù)字鎖相放大器，該數(shù)字鎖相放大器被配置為計算由電壓檢測器檢測的電壓的 阻抗譜；以及參數(shù)提取器，該參數(shù)提取器被配置為根據(jù)由數(shù)字鎖相放大器提取的阻抗譜計 算參數(shù)；參數(shù)分析器，該參數(shù)分析器被配置為比較并分析由參數(shù)提取器計算的參數(shù)和參考 參數(shù)；以及壽命預(yù)測器，該壽命預(yù)測器被配置為根據(jù)由參數(shù)分析器比較并分析的阻抗參數(shù) 與先前存儲的參考參數(shù)的比較結(jié)果，預(yù)測燃料電池的壽命。
[0012] 本發(fā)明的另一方面提供一種控制用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器的方法，所述電力轉(zhuǎn) 換器包括：負(fù)載；燃料電池，該燃料電池被配置為給負(fù)載供電；升壓轉(zhuǎn)換器，該升壓轉(zhuǎn)換器 連接至燃料電池，并且被配置為被切換；輔助能量存儲裝置，該輔助能量存儲裝置連接于升 壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)載之間，并且被配置為充電或放電；雙向轉(zhuǎn)換器，該雙向轉(zhuǎn)換器被配置為切 換，使得輔助能量存儲裝置被充電或放電；以及數(shù)字信號處理器，該數(shù)字信號處理器被配置 為通過檢測燃料電池的輸出來執(zhí)行信號處理，所述方法包括以下步驟：根據(jù)提供依據(jù)負(fù)載 的改變所需的電壓的正常操作模式和預(yù)測燃料電池的壽命的診斷模式中的至少一種進(jìn)行 操作；以及當(dāng)在診斷模式下操作時，切換升壓轉(zhuǎn)換器，以將具有恒定幅值的擾動電流施加至 燃料電池，并且切換雙向轉(zhuǎn)換器，以通過對輔助能量存儲裝置充電或放電，使從燃料電池輸 出的電壓保持在恒定DC電平，從而控制負(fù)載的電壓。
[0013] 當(dāng)在正常操作模式下操作時，升壓轉(zhuǎn)換器可以控制從燃料電池輸出的電壓，以具 有預(yù)定幅值，并且雙向轉(zhuǎn)換器可以對輔助能量存儲裝置充電或放電，以實現(xiàn)負(fù)載均衡操作。
[0014] 在診斷模式下，數(shù)字信號處理器可以測量燃料電池的輸出響應(yīng)，從輸出響應(yīng)計算 阻抗譜，根據(jù)阻抗譜計算參數(shù)，并且通過比較該參數(shù)與先前存儲的參考參數(shù)來預(yù)測壽命。
[0015] 當(dāng)確認(rèn)燃料電池的壽命等于或小于參考值時，數(shù)字信號處理器可以生成警報信 號。
[0016] 有益效果
[0017] 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以在能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡的電路中診斷燃料電 池的壽命。
【附圖說明】
[0018] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器的電路 圖；
[0019] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的包括在用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器 中的數(shù)字信號處理器的控制框圖；
[0020] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的當(dāng)在包括在用于燃料電池的電力轉(zhuǎn) 換器中的數(shù)字信號處理器中計算燃料電池的壽命時使用的等效電路的示例的圖；以及
[0021] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器的控制流程 圖。
【具體實施方式】
[0022] 在下文中，將參照附圖在下面更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于燃料電 池的電力轉(zhuǎn)換器以及控制該電力轉(zhuǎn)換器的方法。當(dāng)在每個附圖的元件中添加附圖標(biāo)記時， 如果可以，即使同樣的元件在另一附圖中示出，同樣的附圖標(biāo)記也將被用于該同樣的元件。
[0023] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器的電路 圖。
[0024] 用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器可以包括燃料電池100、升壓轉(zhuǎn)換器Q、Qi、雙向轉(zhuǎn)換 器Q 2、Q3、L2、輔助能量存儲裝置200、輸出電容器(；ut、負(fù)載R Wd、數(shù)字信號處理器300、以及 控制器400。
[0025] 用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)提供依據(jù)負(fù)載RWd的改變所需的電壓的正 常操作模式和預(yù)測燃料電池1〇〇的壽命的診斷模式中的一種執(zhí)行操作。
[0026] 用于燃料電池的電力轉(zhuǎn)換器可以控制在正常操作模式下