再生能源發電系統之研製---子計畫二---燃料電池與太陽能混合發電系統研製(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫二：燃料電池與太陽能混合發電系統研製(1/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC94-2213-E-011-083-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系

計畫主持人： 葉勝年

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 5 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告 先進能源發電系統之研製-子計畫二：

燃料電池與太陽能混合發電系統研製(1/3)

Development of fuel cell and solar hybrid power conversion system 計劃編號 : NSC 94-2213-E-011-083

執行期限：94年08月01至95年07月31日 主持人： 葉勝年 教授

執行機構 : 國立台灣科技大學電機工程系

研究助理 : 吳鴻鑫、張旭鋒、張佑榮、余景州、林文彬

一、中文摘要

本計畫第一年旨在設計及製作以數位信號控制為 基礎之燃料電池功率轉換器，將燃料電池之功率輸出 至負載端，並提高整體能源使用效率。在功率轉換器 方面，有全橋式直流-直流功率轉換器，能將燃料電池 輸出電壓提昇為直流鏈電壓 200 V，並採用高頻及零 電壓切換，有效地將燃料電池的功率傳至負載；另 外，運用昇/降壓型直流截波器調節來自燃料電池與蓄 電池的能量，使直流鏈電壓保持穩定。

本 文 之 系 統 採 用 數 位 信 號 處 理 器 (DSP, TMS320LF2407A)為控制核心，配合電壓、電流回授 信號完成整體系統控制，其中全橋式直流-直流功率轉 換器採用功率控制，配合直流截波器之充、放電，不 僅能提高整個發電系統效率，亦可減少硬體電路。本 文已完成 500 W 的發電系統，並由實驗結果驗證理論 分析之可行性。

Abstract

This report presents the design and implementation of DSP-based power converters for fuel-cells. The power converters can not only transfer the power from fuel-cells to the load, but also improve the energy efficiency. In the proposed system, a full-bridge dc-dc converter is designed to boost dc bus to 200V. Moreover, the high-frequency zero-voltage switching technigue is adopted for the power transmission of the full bridge dc-dc power converter. In addition, a boost/buck chopper is introduced to charge or discharge batteries in order to regulate the power between fuel-cells and batteries.

For implementation, the digital signal processor, DSP TMS320LF2407A, is used to control the system with the voltage and current feedbacks. The full-bridge power converter with the power control, together with the dc chopper for charge or discharge operation will not only improve the converter efficiency, but also reduce the com- ponent counts. A prototype of 500W fuel-cells generation system is developed. The feasibility of the generation sys- tem is verified experimentally.

二、緣由

基於能源與環境保護之考慮，各種潔淨能源之科 技發展在近幾年已顯得非常蓬勃。譬如，風能、太陽 能、潮汐、地熱等發電技術均有顯著進步，不過最具

發展潛力之潔淨能源科技應為氫能與太陽能科技。特 別是太陽能技術已商業化。實際上，燃料電池技術經 過不斷地創新改良後，除了可應用在太空計畫上，也 可以應用在民生發電、交通載具、軍事方面、可攜式 電源及電子產品等多項用途上。由於燃料電池之用途 非常廣泛且趨近於無污染之發電技術，因此，深受美 國、歐洲及日本等先進國家之重視，無論是政府支持 之研究機構，還是民間之燃料電池公司，均投入相當 大之經費及人力在燃料電池之相關研究上。由於燃料 電池是直接由化學能轉成電能，所以效率遠高於一般 內燃機，使得燃料電池有可能取代內燃機，將二十一 世紀變成氫能源經濟的時代。

本文藉由研究燃料電池的發電特性，配合直流-直 流功率轉換器將燃料電池的能量轉換成穩定可利用的 電源，並利用蓄電池充、放電功能平衡系統功率與系 統之能量管理。本文之系統架構圖 1 所示，採用數位 信號處理器為控制核心，結合燃料電池、蓄電池及太 陽能以完成燃料電池與太陽能混合發電系統。第一年 進度為燃料電池發電控制。

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

+

−v^dc 全橋式

功率轉換器 諧振 電感

高頻 變壓器

全橋 整流器

低通 濾波器

2 1

n N

=N ip

等效負載 idc

T1⁺

T2⁻

T2⁺

D1

D2C2

C1 D3C3

D4C4

D5

D6

D7

D8

Tr

TA

TB 昇/降壓型 直流截波器

蓄電 池組

D9

D10 T^a− D11

D12

a b

N 閘極驅動電路

DSP TMS320LF2407A

PC

電壓及 電流 回授

vf

vB 閘極驅動電路 閘極驅動電路

iB

if

idc 燃料

電池

vf C_f1 +

− 1

Lf 低通 濾波器

太陽能 電池組

H2

O2

vdc

Rdc

Lb

iB

vB

if

vpv

Lpv

Emulator XDS510PP

圖 1 系統架構圖

三、研究方法

第一年所採用之燃料電池係由許多單一燃料電池 所堆疊而成，容量為 1.2 kW，每單一燃料電池堆的開 路電壓約為 1 V，滿載電壓約為 0.6 V。燃料電池的輸 出電壓由開路電壓 43 V 至 26 V 之滿載電壓，本文利 用全橋式直流-直流功率轉換器將燃料電池之低壓 26

～43 V 提昇至 200 V，其中全橋式直流-直流功率轉換 器採用了零電壓切換技術以提高轉換效率，並利用定 功率控制策略使燃料電池的功率穩定地傳送至直流鏈 側。當負載變動時會使直流鏈電壓亦隨之變動，此

時，本文將利用蓄電池之充、放電功能來穩定直流鏈 電壓，以達到功率平衡。此法解決了燃料電池的輸出 電壓範圍過大與動態響應太慢之問題，並利用蓄電池 穩定了直流鏈電壓。蓄電池之直流-直流功率轉換器採 用昇/降壓型直流截波器（boost/buck dc chopper）架 構，作為蓄電池放電及充電之電路。

(A)、燃料電池發電系統

本文之燃料電池發電系統電力電路如圖 2 所示。

燃料電池採用 BALLARD 公司所生產之質子交換膜燃料 電池，其最大功率輸出約為 1.2 kW，並接全橋式直 流-直流功率轉換器作為功率控制之用。

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

+

−v^dc

2 1

n N

=N ip

idc

T1⁺

T2⁻

T2⁺

D1

D2C₂ C1 D3C3

D4C4

D5

D6

D7

D8

Tr

a

b

N 1

Cf +

− 1

Lf

H2

O2

vf

if

Rdc

圖 2 燃料電池發電系統電力電路 (a)燃料電池發電特性

對於燃料電池的效能評定，通常以電池電壓與電 流密度的關係式表示，圖 3 為典型質子交換膜燃料電 池電壓與電流密度之特徵曲線，又稱電池極化曲線 [1]。

理論電池電壓

活性極化 開路電壓

歐姆極化

濃度極化 E

En

電 池 電 壓

輸出電流密度

圖 3 燃料電池的電壓與電流密度之特徵曲線 當電池輸出電流對負載做功時，輸出電壓會隨著 電流增加而下降，這種電壓降低的現象稱為極化，隨 著電流密度的提高，阻抗明顯增大，導致電池工作電 壓急遽下降，造成燃料電池的效率損失，此原因歸咎 於電池的三種極化現象：活性極化、歐姆極化、濃度 極化。所以質子交換膜燃料電池的實際工作電壓可以 表為[3]

n act ohmic con

E=E −V −V −V (1) 式中E 為電池實際工作電壓，E_n為理論的電池電 壓，V_act為活性極化電壓，V_ohmic為歐姆極化電壓，V_con 為濃度極化電壓。燃料電池之電荷層產生在電極與電 解質的表面並積存電荷和能量，其行為就像電容一 樣，此時反應極化電壓和濃度極化電壓將受到此電容 暫態響應之影響而產生延遲。假設其暫態電容大小為 CTr，由(1)可以推測出燃料電池內部之簡單等效電路 模型[8]，如圖 4 所示。

En

RM ^con

+ V − + Vact −

CTr

+ V −

vf

if

圖 4 燃料電池的內部等效電路

根據燃料電池等效電路及數學關係式作計算機模 擬分析，經由計算機模擬繪製之燃料電池的電壓電流 特性曲線如圖 5 所示，電流與輸出功率曲線如圖 6 所 示。

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 Vf(V)

( )

if A

圖 5 燃料電池的電壓與電流特性曲線

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0Pf(W )

( )

if A

圖 6 燃料電池的電流與輸出功率曲線 (b)全橋式直流-直流功率轉換器之分析及控制

依據最佳昇壓比與效率的關係選擇了全橋式直 流-直流功率轉換器，其電力電路圖如圖 2 所示。此電 路由二組功率電晶體(T₁⁺,T₁⁻) (T₂⁺,T₂⁻)、諧振電感L 、_s 高頻變壓器T 、全橋整流器及低通濾波器所組成，其_r 中諧振電感L 最主要的功能是儲存能量以達成零電壓_s 切換的目的，而諧振電感的大小係由功率電晶體之寄 生電容C_oss與高頻變壓器之漏電感及雜散電容決定 之。

零電壓切換之全橋式直流-直流功率轉換器之控制 信號如圖 7 所示。本文將採用數位信號處理器實現，

並利用脈波寬度調變控制，其責任週期比d₂^*= −1 d₁^*且

*

0≤d1 <0.5，當三角波v 小於_t d 為₁^* T₁⁺導通的時間，

而三角波v 大於_t d 為^*₂ T₂⁺導通的時間，其功率電晶體

1 1

(T⁺,T⁻)或(T₂⁺,T₂⁻)間隔著盲時(dead-time)呈現互斥狀 態。由於(T₁⁺,T₂⁻)或(T₁⁻,T₂⁺)必須同時導通才能傳遞能 量至高頻變壓器之二次側，此時v 之脈波寬度的大小_ab 取決於d 或相角₁^* φ ( φ 為T₁⁺一週期所導通角，亦是

*

0≤d1 <0.5對 應 至0≤ <φ 180^O) ，v_ab之 脈 波 寬 度 越 寬，輸出功率越大，也就是所傳遞能量越大；反之，

傳遞能量越小。藉由改變d 的大小，可因應負載改變₁^*

所造成輸出功率之變動，達到輸出功率調節的目的。

0 1

*

d1

* *

2 1 1

d = −d 2

Ts

t

t ( )b d1⁺

( )a v_t0.5

( )c d1⁻

0 1

( )d d2⁺

( )e d2⁻

( )f v_ab 0 vf

vf

−

t 0 t

1

0 t 1

0 t 1

2 td φ

ip

t1t₂ t₃ t₄t₅ t₆ t0

圖7 零電壓切換之全橋式直流-直流功率轉換器之控制 信號(a)三角波v ，責任週期_t d d ；(b)功率級電₁^*, ₂^* 晶體T₁⁺之開關狀態d₁⁺；(c)功率級電晶體T₁⁻之開 關狀態d₁⁻；(d)功率級電晶體T₂⁺之開關狀態d₂⁺； (e)功率級電晶體T₂⁻之開關狀態d₂⁻；(f)輸出電壓

v 及電流ab i 波形示意圖。 _p

本文根據圖 7 之功率電晶體的控制信號，可分析 出零電壓之全橋式直流-直流功率轉換器具有六個狀態 轉換區間及各轉態區間的元件導通狀態如圖 8 所示。

可分為六種模式為：(1)(t₀ ~t₁)為能量傳送狀態區間；

(2)(t₁~t₂)為第一次諧振狀態區間；(3)(t₂ ~t₃)為能量 保持狀態區間；(4)(t₃ ~t₄)為第二次諧振狀態區間；

(5)(t₄ ~t₅)為轉向狀態區間；(6)(t₅ ~t₆)為能量傳送狀 態區間。

2

Lf

Cdc

Ls

2 1

n N N

= ip

T1⁺

T2⁻

D5 D₇

D8

Tr

2

Lf

Cdc

Ls

ip

T2⁻

C2

C1 D⁵

D8

Tr

(a) (b)

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

ip

T2⁻

D5

D6

D7

D8

Tr

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

ip

C3

C4

D5

D8

Tr

(c) (d)

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

ip

Load

T2⁺

C4

D5

D8

Tr

(e) (f)

2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

ip

T2⁺

D6

D7

Tr

a b

a

a a

a a

b

b

b

b

b

Load LoadLoadLoad

Load

2 1

n N N

=

2 1

n N N

= ²

1

n N N

=

2 1

n N N

= ²

1

n N N

=

1

Cf 1

Cf 1

Cf 1

Cf

1

Cf

圖8 零電壓切換之全橋式直流-直流功率轉換器六個狀 態轉換區間及各轉態區間的元件導通狀態(a)模式 1；(b)模式2；(c)模式3；(d)模式4；(e) 模式5；(f) 模式6。

本文高頻變壓器主要功能為用來昇壓及傳遞能 量，所以鐵心可選用高導磁係數的材料，以增加磁化 電感值，減少所需的磁化電流。而鐵心的飽和磁通密 度要儘量提高，以獲得更大的磁通操作空間。高頻變 壓器除了鐵心的材質選用外，還需考慮鐵心的大小、

一次側與二次側線徑大小及其繞線圈數，本文之高頻 變壓器採用EPCON公司生產的EE型鐵心，其鐵心大小 的決定為[6]：

max

633 _{o cma eff}

e w

s

P d D

A A ≥ B fη (2) 其中A 為鐵心有效磁通面積(_e cm²)，A_w為有效繞線面 積(cm²)，P_o為輸出功率(W) ，d_cma為電流密度(cir- mil/A,通常取300~500 cir-mil/A) ，D_eff為開關有效導通 週期，B_max為最大磁通密度(Gauss,通常選為B_sat的一 半)， f_s為開關切換頻率(Hz) ，η 為轉換器效率(%)。

一次側與二次側線徑大小及其繞線圈數決定為[6]：

o

ptcm cma

f eff

A d P

v D

= η (3)

( ) (max)

stcm o rms cma o cma eff

A =I d =I d D (4)

8

1

max

10 4

f eff

e s

N v D

A B f

= (5)

1 2

( _{o D})

f eff

N V V N v D

= + (6)

其中A_ptcm為一次側線徑大小，A_stcm為二次側線徑 大小，N₁為一次側繞線圈數，N₂為二次側繞線圈 數，V_D為整流二極體的順向壓降。

由於變壓器的漏感大小較無法控制，而為了達到 零電壓切換通常必須在主變壓器一次側串聯額外的諧 振電感L_s，因為第一次諧振達成零電壓切換的能量除 了儲存在諧振電感L_s的能量還有二次側電感L_f2反射 回來的能量，而第二次諧振的能量只能利用儲存在諧 振電感L_s的能量，所以諧振電感的選擇主要是針對第 二次諧振的能量是否能達到零電壓切換為選擇，選擇 的條件為：

2 2

, 2

1 1

2L I^{s p c} ≥2C v^{r f} (7)

2

2 , 2 f

s r

p c

L C v

≥ I (8) 其中I_{p c, 2}為第二次諧振達成零電壓切換(ZVS)所 需的一次側電流， 8

r 3 oss t

C = C + ，C C_oss為功率電晶體 之輸出等效電容，C 為變壓器之繞線寄生電容。 _t

為了避免在實際控制全橋轉換器時，切換功率電 晶體導通與截止交界處造成(T₁⁺,T₁⁻)或(T₂⁺,T₂⁻)同時導 通，且為了達到零電壓切換，在功率電晶體導通前並 須有一段讓功率電晶體汲極與源極間的寄生電容放 電，所以可利用此段盲時來達到零電壓切換。一般盲 時的長短，決定於等效諧振電感L 與電容_s C ，所以盲_r

時必須符合[6]：

盲時>^max

{

tLL^,tRL

}

(9) 2

R r

LL

t π× L C

= (10) 其中t_LL為第一次諧振達成零電壓切換所需時間，t_RL 為第二次諧振達成零電壓切換所需時間，本文盲時(t_d) 為200ns。

假設功率開關元件T₁⁺、T₁⁻、T₂⁺及T₂⁻、高頻變壓 器與整流器之二極體為理想元件，則T₁⁺、T₁⁻、T₂⁺及 T2⁻開關元件的導通或截止之開關狀態d₁及d₂可表示 為

-

1 1

1 -

1 1

1

0

T T

d

T T

+ +

= ⎨⎧⎪

⎪⎩

若 導通 ﹐ 截止

若 截止 ﹐ 導通 (11)

-

2 2

2 -

2 2

1

0

T T

d

T T

+ +

= ⎨⎧⎪

⎪⎩

若 導通 ﹐ 截止

若 截止 ﹐ 導通 (12) 由(11)式及(12)式可將圖2等效成圖9。

2

Lf

Cdc

Ls

+

−v^dc

2 1

n N

=N ip

idc

D5

D6

D7

D8

Tr

a

b

N

1

Cf +

−

if

Rdc

1

0 1

0

圖9 全橋式直流-直流轉換器之開關等效電路 高頻變壓器之低壓側電壓

1 2

( )

ab f

v = d −d v (13) 令d₁^*、d₂^*為開關狀態之責任週期，即

* 1

1 on

s

d t

= T (14)

* 2

2 on s

d t

= T (15) t1on為開關在切換週期T_s內狀態d₁為1的時間，t_2on為 開關在切換週期內狀態d₂為1的時間，T_s為開關切換 週期。由(13)、(14)、(15)知

*

* *

1 2

ab f

d d v

− = v (16) 將d^*₂ = −1 d₁^*代入(16)式得

*

* 1

1(1 ) 2

ab f

d v

= +v (17)

*

* 2

1(1 ) 2

ab f

d v

= −v (18) 由(17)及(18)可知其開關責任週期之控制方塊如圖10所 示

1

vf d¹

d2

盲時 控制

d1⁺

d1⁻

d2⁺

d2⁻

*

vab

vf

40 kHz 1

1 +

− + +

*

d1

*

d2

+

− +

− 1

2 1 2

圖10 全橋式直流-直流轉換器開關狀態之控制方塊 全橋式直流-直流轉換器之控制目的為使燃料電池 傳遞能量至直流鏈側，需控制燃料電池電流i_f，使燃 料電池電流i 經由高頻變壓器對直流鏈電容充電，而_f 燃料電池電流命令i^*_f可表示為輸出功率除以輸入電壓

* o

f f

i P

=v (19) 將燃料電池電流命令i^*_f與回授之燃料電池電流i_f相減 之誤差∆ ，經由比例積分調節器i_f G 後，可得變壓器_if 低壓側之電壓命令v^*_ab，其表示式為

* (* )

ab if f f if f

v =G D i −i =G D∆i (20) 其中D表示比例積分運算(manipulation)之意。

根據(19)、(20)與圖 10 可建構全橋式直流-直流功率轉 換器之功率控制迴路，如圖 11 所示。

脈波 寬度 調變 (PWM)

idc

vf

1

vf ¹

d d2

閘極 驅動 電路

T1⁺

T1⁻

T2⁺

T2⁻

vdc

Po

o dc dc

P=v i 1 vf

*

if

if +

− if

∆ 電流 調節器

比例-積分

*

vab

vf

40 kHz

1 2 1 2

1

1 +

− + + d^*₁

*

d2

(燃料電池電壓回授) (燃料電池電流回授)

(直流鏈輸出電流回授) (直流鏈電壓回授) Gif

圖11 全橋式直流-直流轉換器之功率控制方塊 (B)、能源管理之控制

當燃料電池足以正常供電給負載，並有多餘能量 時，此時昇/降壓式直流截波器[7]操作在降壓模式，將 直流鏈電容的多餘能量透過降壓式截波器儲存在蓄電 池，其充電控制方塊圖如圖12所示。當燃料電池輸出 功率小於負載所需之功率，此時操作直流截波器於昇 壓模式，可將蓄電池的能量透過昇壓截波器釋放至直 流鏈電容，以維持直流鏈電壓固定，提供負載所需之 功率，其放電控制方塊圖如圖13所示。

脈波 寬度 調變 (PWM)

dA

閘極 驅動 電路

TA

TB

vB

*

iB

iB

+

− iB

∆ 電流 調節器

比例-積分

*

uBc

20 kHz (蓄電池電流回授)

(蓄電池電壓回授) 比例-積分

GiBc

GvBc

電壓

* 調節器 vB ₊

− vB

∆

dB

1 vdc

vB

− +

* 2

vb

圖 12 蓄電池充電控制方塊圖

脈波 寬度 調變 (PWM)

dA 閘極 驅動 電路

TA

TB

vdc

*

iB

iB +

− iB

∆ 電流 調節器

比例-積分

*

uBd

20 kHz (蓄電池電流回授)

(直流鏈電壓回授) 比例-積分

GiBd

GvBd 電壓

* 調節器 vdc ₊

− vdc

∆

dB

1

vdc

vB

vdc +

− _* 1

vb +

圖 13 蓄電池放電控制方塊圖

四、實測結果

本文依據圖 14 之燃料電池發電系統實體架構圖完 成系統製作，系統參數如下：

1. 燃料電池輸出電壓：26～43 V 2. 蓄電池電壓：125 V

3. 直流鏈電壓：200 V 4. 濾波電容Cf1：470 µF

5. 濾波電感L_f1,L_f2：200 µH，2 mH 6. 諧振電感Ls：10 µH

7. 昇壓電感L_b：1 mH 8. 直流鏈電容Cdc：3300µF

9. 全橋式直流-直流功率轉換器開關切換頻率：40 kHz 10. 直流截波器之開關切換頻率：20 kHz

閘極驅動電路

DSP TMS320LF2407A

Emulator XDS510PP

PC

電壓及 電流 回授

vf

vB 閘極驅動電路

idc

iB

if 2

Lf

Cdc

T1⁻

Ls

+

− vdc

2 1

n N

=N ip

idc

T1⁺

T2⁻

T2⁺

D1

D2C2

C1 D3C3

D4C4

D5

D6

D7

D8

Tr

TA

TB

D9

D10

a b

N 1

Cf +

− 1

Lf

H2

O2

vf L^b

iB

vB

if

Rdc

vdc

圖 14 燃料電池發電系統實體架構圖

本文依據圖 14 之系統整體韌體架構，及配合圖 11~13 控制方塊，並以組合語言撰寫程式，完成了燃 料電池發電系統之實體製作，當負載變動時，直流鏈 電壓仍可維持穩定，使負載側可得穩定直流電源。同 時本文之全橋式直流-直流功率轉換器採用功率控制並 使功率電晶體操作在零電壓切換，可有效傳遞燃料電 池功率至直流鏈側及降低切換損失；直流截波器主要 用來調節直流鏈電壓上的功率，穩定直流鏈電壓。

圖 15(a)~(h)為燃料電池發電系統操作在 500 W 時，燃料電池電壓v_f 、燃料電池電流i_f 、直流鏈電壓 vdc、輸出電流i_dc、諧振電感上的電流i 、變壓器低壓_p 側電壓v_ab、功率電晶體上汲級-源級的電壓v_ds及功率 電晶體上閘級-源級的電壓v_gs。圖 16 直流負載由 327 W 增加至 500 W 時，其直流鏈電壓v_dc與蓄電池電流 的響應。

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0

t i m e ( 0 . 1 s / d i v )

( ) vd c V 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0vf(V)

t i m e ( 0 . 1 s / d i v ) (a)

( ) if A

( )b

t i m e ( 0 . 1 s / d i v ) ( )c

-2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 -1 0 1 2 3 4 5

tim e ( 0 .1 s /d iv ) ( )

id c A

(d)

-6 0 -4 0 -2 0 0 2 0 4 0 6 0

tim e ( 1 0 µ s /d iv ) ( )

ip A

-6 0 -4 0 -2 0 0 2 0 4 0 6 0

tim e ( 1 0 µ s /d iv ) ( )

va b V ( )e

(f)

tim e ( 2 µ s /d iv )

tim e ( 2 µ s /d iv )

-2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

-3 0

( ) vd s V

( )

vg s V (g)

( )h

圖 15 燃料電池發電系統操作在 500 W 之實測波形：(a) 燃料電池電壓v_f ；(b)燃料電池電流i_f ；(c)直流 鏈電壓v_dc；(d)輸出電流i_dc；(e)諧振電感上的電 流i_p；(f)變壓器低壓側電壓v_ab；(g)功率電晶體 上汲級-源級的電壓v_ds；(h)功率電晶體上閘級- 源級的電壓v 。 _gs

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0

-6 -4 -2 0 2 4 6

( ) vd c V

tim e ( 0 .5 s /d iv )

tim e (0 .5 s /d iv ) ( )

iB A

圖 16 直流負載由 327W 增加至 500W 之實測波形：(a) 直流鏈電壓v_dc；(b)蓄電池電流波形i_B。

五、結論及效益

本文之系統以數位信號處理器為控制核心，搭配 硬體電路與軟體程式完成實體製作。利用功率控制法 使全橋式直流-直流功率轉換器將燃料電池發電系統所 產生的能量送至直流鏈側，並由雙向功率轉換功能之 直流截波器，配合不同的負載情況，調節直流鏈電壓 上的能量，藉由充放電方式達到功率平衡控制。根據 上述控制策略完成 500W 的功率輸出，此外，整體系 統之運轉效率為 84%。

目前，已完成第一年計畫的預期成果。本文之燃 料電池發電系統正與大同世界科技公司洽談大功率之 燃料電池發電系統之產學案。

六、參考文獻

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