专利名称：一种燃料电池的输出电压调整方法及所用调整装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的输出电压调整技术，具体地说是一种燃料电池的输出电压调整方法及所用调整装置。
背景技术：
在现有技术中，燃料电池组输出伏安特性(参见如图1)中a.b.c.d曲线描述了燃料电池组电压随输出电流的变化情况；其特点是开路电压很高，动态内阻变化非常大。ab段和cd段动态内阻非常大并且变化也大，只有bc段动态内阻平稳并且较小，cd段因效率低一般并不使用。但为了使用bc段，ab段是必经之路，不能跨越。目前，国内外为使燃料电池组输出平稳的电压，想出许多办法。这些方法可以归纳为两类(1)利用燃料电池本身的特性使燃料电池组输出比较稳定的电压。如改变燃料气或氧化剂的温度、压力、流量、纯度以及采用重整装置获取燃料气的燃料电池组中利用物料输送控制重整燃料生成速度等方法。这类方法检测和控制比较繁杂，还有一定的惰性，就原理上讲并不可能消除空载的尖峰。(2)不改变燃料电池组的工作条件，采用外部措施而输出平稳电压。如采用输出电压十分平稳的DC/DC变换器，它的能量损失在10％左右。再如使用燃料电池、蓄电池以及充电器或能量管理单元和用电器构造系统，轻载时蓄电池充电，特重载时蓄电池放电，从而实现燃料电池组输出电压波动不大。这种方法投资大，设备增加多，重量和体积都要增加，仅适用于较大的发电机站和较大的系统；还有一种叫作加装备用电池的方法，它是采用检测输出电压改变燃料电池参与工作节数多少，使其输出电压趋于一致；然而它是以牺牲备用电池为代价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除燃料电池组空载和轻载时输出电压尖峰的燃料电池的输出电压调整方法及所用调整装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种燃料电池的输出电压调整方法采用线性稳压控制电路，以燃料电池组输出电压为取样电压；当燃料电池输出电压高于要求时，稳压控制电路投入工作，输出稳定电压Vw；当燃料电池输出电压在允许范围内时，由继电器将稳压控制电路中的电压调整电路的输入和输出的正端短接，由燃料电池组直接输出；所述电压调整电路中推动级、放大电路采用隔离电源的方式供电。
其方法所用调整装置主要由稳压控制单元、比较器、第一晶体管及继电器组成，其中比较器的负相端信号连燃料电池组的取样电压，比较器的正相端通过第一稳压管DW1接基准电压Vb(5.1V)，第一晶体管位于比较器输出端，第一～二继电器设在第一晶体管集电极以及集电极与发射极之间，燃料电池组的输出经稳压器稳压后输出Vw电压；其中所述第一可调电阻一端与燃料电池组输出电压相接，另一端至第一电阻，其滑动端接比较器负相端；所述由第一继电器控制的触点开关串联在第二继电器回路中，由第二继电器控制的触点开关跨接在稳压控制单元输入输出端；所述稳压控制单元电路由电压调整、推动级、放大三部分电路组成，电压调整电路以第三晶体管IGBT为核心，其E端为电压调整电路提供稳定输出电压Vw，C端为输入端，接燃料电池组的取样电压，G端接推动级的第二晶体管，所述第二晶体管的基极信号来至放大电路所述放大电路包括隔离放大器及一级放大器，其中，一级放大器负相端接与第四电阻串联的第二可调电阻的滑动臂，正相端接由第二稳压管D W2提供基准电压Vb(5.1V)，并经第五电阻至电源，其输出端经隔离放大器至推动级；所述推动级、放大电路采用隔离电源。
本发明具有如下优点1.采用本发明突出的特点是能使燃料电池组的输出特性有很大的改善，可以消除燃料电池组空载和轻载时输出电压的尖峰。
2.具有很强的灵活性。本发明提供的消除燃料电池空载与轻载时输出尖峰的方法，其思路清晰设计简便、灵活。采用本发明可以根据用户对燃料电池组输出电压波动范围的不同要求，方便变更Vb(基准电压)和Vw(稳定输出电压)值，以适应用户要求。其功耗与要求的稳压程度有关，并可以很灵活的改变，对很明显压缩燃料电池组输出电压范围可选用功耗更大的电压调整器件；总之，有明显的易实现性。
3.成本低。表现在元器件较少并且市场随处可购，特别是功耗很小，一般情况下，采用本发明稳压单元工作时的最大功耗仅占容量的0.2％～5％，而稳压控制单元不工作时耗电仅十几瓦，在数千伏安至数十千伏安容量的燃料电池组上均可应用本发明技术。
4.结构简单。一般燃料电池组的工作程序必须是先启动燃料电池后加载，加载又必须设开关或控制器，而本发明所用继电器和电压调整器是燃料电池组应用所必备的，并非是新增器件，使其结构趋于简单化。由于采用的元器件较少，所以又容易制作和调试。
5.使用安全、可靠。本发明仅仅是增加了一个稳压控制单元，将现有技术中作为无触点开关的电压调整器变成为无触点的软开关。使继电器在接通和切断时接点之间所承受的电压(Vb-Vw)仅仅只有几伏，软开关有力地保护了继电器，使它避免了拉弧和损坏。
图1为燃料电池组输出伏安特性曲线。
图2为本发明实现电压调整的装置的电路原理图。
图3为图2中稳压控制单元电路原理图。
图4为50千瓦燃料电池组输出特性与本发明输出电压调整后特性对比曲线。
图5为5千瓦燃料电池组输出特性与本发明输出电压调整后特性对比曲线。
具体实施例方式
本发明提供的一种燃料电池组输出电压调整方法采用1个线性稳压控制电路，以燃料电池组输出电压为取样电压；当燃料电池输出电压高于要求时，稳压控制电路投入工作，输出稳定电压Vw；当燃料电池输出电压在允许范围内时，稳压控制电路中的继电器将电压调整电路的输入和输出的正端短接，由燃料电池组直接输出。
其中所述线性稳压电路所采用的形式为采样—＞放大—＞推动—＞调整。所述电压调整电路中推动级、放大电路采用隔离电源的方式供电。
当燃料电池组的输出电压大于基准电压Vb(见图1)时，电池组经稳压控制单元稳压后输出，命其为Vw；稳定输出电压Vw比基准电压Vb小2伏以上；当燃料电池组的输出电压低于基准电压Vb时，稳压控制单元输入和输出的正端被第二继电器J2控制的触点开关K2短路，由直接输出。其结果是，燃料电池组虽然是a.b.c曲线形式，经调整后其输出为a’.b.c曲线消除了燃料电池组空载和轻载时输出电压的尖峰。从图1中可以看出采用本发明，对燃料电池输出特性的改善是十分明显的。
燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，主要由稳压控制单元、比较器IC、第一晶体管Q1及继电器组成，其中比较器IC3的负相端信号连燃料电池组的取样电压，比较器的正相端通过第一稳压管DW1接基准电压Vb(5.1V)，第一电阻R1与第一可调电阻W1串联在比较器IC3负相端与稳压控制单元之间，第一晶体管Q1位于比较器IC3输出端，第一～二继电器J1和J2设在第一晶体管Q1集电极以及集电极与发射极之间，燃料电池组的输出经稳压器稳压后输出Vw电压。
第一可调电阻W1一端与燃料电池组输出电压相接，另一端至第一电阻R1，其滑动端接比较器IC3负相端。
由第一继电器J1控制的触点开关K1串联在第二继电器J2回路中，由第二继电器J2控制的触点开关K2跨接在稳压控制单元输入输出端(具体为稳压控制电路中的电压调整电路的输入和输出的1、2端)。
本发明电压调整原理参见图2，燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置由稳压控制单元、比较器IC3、第一晶体管Q1及继电器，其中比较器IC3的负相端信号连燃料电池组的取样电压，比较器IC3的正相端通过第一稳压管DW1接一个基准电压Vb(5.1V)，第一电阻R1与第一可调电阻W1串联在比较器IC3负相端与稳压控制单元之间，调节第一可调电阻W1，使比较器IC3在燃料电池组输出电压大于基准电压Vb时输出为低电平，该状态下位于其输出端的第一晶体管Q1截止，设在第一晶体管Q1集电极以及集电极与发射极之间的第一～二继电器J1和J2都不动作，燃料电池组的输出经稳压器稳压后输出Vw电压。当燃料电池组输出电压V1＜基准电压Vb时比较器IC3输出为高电平，该状态第一晶体管Q1导通，第一继电器J1动作(动合)，导致第二继电器J2动作(动合)，稳压器的入端与出端被短路，燃料电池组直接输出，由此实现以a’b段替代a b段的输出特性。
如图3所示，所述稳压控制单元电路由电压调整、推动级、放大三部分电路组成，电压调整电路以第三晶体管IGBT为核心，其E端(发射极)为电压调整电路提供稳定输出电压Vw，C端(集电极)为输入端，接燃料电池组的取样电压，G端(控制端)接作为推动级的第二晶体管Q2，所述第二晶体管Q2的基极信号来至放大电路。
所述放大电路包括隔离放大器IC2及一级放大器IC1，其中，一级放大器IC1负相端接与第四电阻R4串联的第二可调电阻W2的滑动臂，正相端接由第二稳压管DW2提供基准电压Vb(5.1V)，并经第五电阻R5至电源+Vcc1，其输出端经隔离放大器IC2至推动级。
所述推动级、放大电路分别供电。
稳压控制单元电路的设计原则确定调整后的最高电压输出值Vb作为基准电压。由公式Vw＝Vb-C得出，其中C值可在2～5伏内选定，在稳压器3端加电压Vw，调节第二可调电阻W2使放大器的负输入端等于第二稳压二极管Dw2的稳压值。放大电路采用两级放大，第二级是隔离放大器，其放大倍数从几十倍到一百多倍都可以。
推动级为第二晶体管Q2选NPN管做跟随器，它的电源与隔离放大器出端电源都采用隔离电源。
本发明所述放大器采用隔离措施(本实施例为隔离放大器IC2，也可采取其它隔离措施)。本实施例图3中电压调整器件第三晶体管IGBT为绝缘栅双极型三极管，也可以选功率场效应管或功率三极管，其工作压降仅在数伏与数拾伏之间。
另外，所述第二继电器J2在所控制的触点开关K2接通和断开时，其触点的电压不高，电流也不大，本发明改善了第二继电器J2的使用条件。
实施例1一台容量为50KVA的燃料电池发电机组，其输出特性如图4中实线所示。而用户要求其输出电压范围在200～312伏之间。经本发明所述的方法调整后，其输出特性如图4粗虚线。
由点所组成的曲线表示采取本发明措施所引起的功耗，最大功耗点出现在6A处，其值190W，根据用户要求的电压范围，设基准电压Vb＝310VVw＝305V，技术参数如下第三晶体管IGBT采用SKM400 GA1280，电源DC/DC中+Vcc2、-Vcc2分别为+12V、-12V，+Vcc1、-Vcc1分别为+12V、-12V，一级放大器IC1采用AD620，隔离放大器IC2采用ISO124，第一～二晶体管Q1～Q2采用8050。
实施例2一台5KVA的燃料电池组其输出特性如图5，Vo＝75V、Vmin＝45V；本实施例全功率范围内输出电压在45-53V之间，最大功耗为250W，本实施例元器件改动第三晶体管IGBT也采用CM200HA-12H。
权利要求
1.一种燃料电池的输出电压调整方法，其特征在于采用线性稳压控制电路，以燃料电池组输出电压为取样电压；当燃料电池输出电压高于要求时，稳压控制电路投入工作，输出稳定电压Vw；当燃料电池输出电压在允许范围内时，由继电器将稳压控制电路中的电压调整电路的输入和输出的正端短接，由燃料电池组直接输出。
2.按权利要求1所述燃料电池组输出电压的调整方法，其特征在于所述电压调整电路中推动级、放大电路采用隔离电源的方式供电。
3.一种燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于主要由稳压控制单元、比较器(IC3)、第一晶体管(Q1)及继电器组成，其中比较器(IC3)的负相端信号连燃料电池组的取样电压，比较器的正相端通过第一稳压管DW1接基准电压Vb，第一晶体管(Q1)位于比较器(IC3)输出端，第一～二继电器(J1～J2)设在第一晶体管(Q1)集电极以及集电极与发射极之间，燃料电池组的输出经稳压器稳压后输出Vw电压。
4.按权利要求3所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述第一可调电阻(W1)一端与燃料电池组输出电压相接，另一端至第一电阻(R1)，其滑动端接比较器(IC3)负相端。
5.按权利要求3所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述由第一继电器(J1)控制的触点开关(K1)串联在第二继电器(J2)回路中，由第二继电器(J2)控制的触点开关(K2)跨接在稳压控制单元输入输出端。
6.按权利要求3所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述稳压控制单元电路由电压调整、推动级、放大三部分电路组成，电压调整电路以第三晶体管IGBT为核心，其E端为电压调整电路提供稳定输出电压Vw，C端为输入端，接燃料电池组的取样电压，G端接推动级的第二晶体管(Q2)，所述第二晶体管(Q2)的基极信号来至放大电路。
7.按权利要求3所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述放大电路包括隔离放大器(IC2)及一级放大器(IC1)，其中，一级放大器(IC1)负相端接第二可调电阻(W2)的滑动臂，正相端接由第二稳压管DW2提供基准电压Vb，其输出端经隔离放大器(IC2)至推动级。
8.按权利要求7所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述第二可调电阻(W2)与第四电阻(R4)串联，所述一级放大器(IC1)正相端接同时经第五电阻(R5)至电源。
9.按权利要求3所述燃料电池组输出电压调整方法所用调整装置，其特征在于所述推动级、放大电路采用隔离电源。
全文摘要
本发明涉及燃料电池的输出电压调整技术，具体地说是一种燃料电池的输出电压调整方法及所用调整装置。采用线性稳压控制电路，以燃料电池组输出电压为取样电压；当燃料电池输出电压高于要求时，稳压控制电路投入工作，输出稳定电压Vw；当燃料电池输出电压在允许范围内时，稳压控制电路中的继电器将电压调整电路的输入和输出的正端短接，由燃料电池组直接输出。采用本发明突出的特点是能使燃料电池组的输出特性有很大的改善，可以消除燃料电池组空载和轻载时输出电压的尖峰。
文档编号G05F1/46GK1627221SQ20031011906
公开日2005年6月15日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者王俊清, 刘常福, 由勇, 刘超, 孙德尧 申请人:大连新源动力股份有限公司