臺灣博碩士論文加值系統

近年來，環保意識的抬頭使得多種潔淨能源如燃料電池、風力和太陽能發電需求增加，在燃料電池及電力電子技術的快速成長下，促使燃料電池電源系統的發展格外受重視。燃料電池具有多項如高輸出電流密度能力、乾淨及高效率等優點，但不同於傳統化學能電池，燃料電池本身不具備儲存能力，當瞬間接載及輸出電流增加情況下，輸出電壓將會快速的下降。因此在電源供應系統應用中，就需要外加一儲能裝置(如鉛酸蓄電池)來提供負載瞬間啟動及儲存能量。而連接其中的雙向式直流/直流轉換器在啟動時需要將儲能電池能量升壓至高壓側匯流排，並且可透過此裝置將匯流排能量回送儲存至儲能電池。本論文所製作之新型雙向隔離直流/直流轉換器具備高效率、架構簡單及低成本等優點，詳細的設計與動作模式均已分析及描述，模擬與實測結果驗證所提出架構之動作原理及效能。
關鍵字：潔淨能源、燃料電池電源系統、雙向隔離直流/直流轉換器、鉛酸蓄電池

In recent years, growing concerns about environmental issues have demanded more clean energy sources such as fuel cells, wind turbines, and photovoltaic arrays. The rapid advances in fuel cell technology and power electronics have enabled the significant developments in fuel cell power system. The fuel cells have numerous advantages such as high density current output ability, clean electricity generation and high efficiency operation. However, the fuel cell characteristics are different from that of the traditional chemical-powered battery. The fuel cell output voltage drops quickly when first connected with a load and gradually decreases as the output current rises. The fuel cell also lacks energy storage capability. Therefore in power supply system applications, an auxiliary energy storage device (i.e. lead-acid battery) is always needed for a cold start and to absorb the regenerated energy fed back by the load. In addition, a bidirectional DC/DC converter is also needed to draw power from the auxiliary battery to boost the high-voltage bus during starting. The regenerated energy can be also fed back and stored in the battery using the DC/DC converter. In this dissertation, a high efficiency bidirectional isolated DC/DC converter for fuel cell power systems is studied. The new converter has the advantages of high efficiency, simple circuit and low cost. The detailed design and operation considerations are analyzed and described. Simulation results from the proposed circuit are given to verify the operation principles. A laboratory prototype is also implemented and tested to show its performance.
Keywords: Clean energy source, Fuel cell power system, Bidirectional isolated dc-dc converter, Lead-acid battery

目　錄
摘　要 i
Abstract ii
誌　謝 iii
目　錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 2
1.3 研究目的 6
1.4 本論文架構 7
第二章 混合式燃料電池發電系統 8
2.1 燃料電池 8
2.1.1 燃料電池的發展史 8
2.1.2 燃料電池動作原理 12
2.1.3 質子交換膜燃料電池極化損失 17
2.1.4 質子交換膜燃料電池特性量測 20
2.2 鉛酸蓄電池 22
2.2.1 鉛酸蓄電池原理 25
第三章 雙向直流/直流轉換器文獻探討 29
3.1 雙全橋雙向電能轉換器 32
3.1.1 升壓模式 33
3.1.2 降壓模式 34
3.2 雙半橋雙向電能轉換器 36
3.2.1 升壓模式 37
3.2.2 降壓模式 39
3.3 推挽式半橋雙向電能轉換器 40
3.3.1 升壓模式 41
3.3.2 降壓模式 43
第四章 雙向直流/直流轉換器動作原理與分析 48
4.1 系統架構 48
4.2 電路說明 49
4.3 雙向直流/直流轉換器動作模式分析 50
4.3.1 升壓模式 52
4.3.2 降壓模式 63
4.4 雙向直流/直流轉換器穩態分析 74
4.5 直流/直流升壓轉換器穩態分析 79
第五章 電路設計製作 83
5.1 轉換器控制方式 83
5.1.1 升降壓模式判斷電路 84
5.1.2 非對稱式開關控制訊號 86
5.2 雙向直流/直流轉換器 88
5.2.1 儲能電感L1及L2 89
5.2.2 變壓器設計 89
5.2.3 高壓側串聯阻隔電容CS 93
5.2.4 功率開關Q1~Q4 94
5.2.5 高壓側諧振電感Lr 95
5.2.6 低壓側輸出電容CBat 96
5.3 直流/直流升壓轉換器 96
5.3.1 儲能電感L 97
5.3.2 輸出濾波電容C 98
5.3.3 功率開關Q及二極體D 98
第六章 模擬與實驗結果討論 99
6.1 雙向直流/直流轉換器 99
6.1.1 升壓模式模擬與實測分析 100
6.1.2 降壓模式模擬與實測分析 111
6.2 直流升壓轉換器 126
6.3 實作電路照片 131
第七章 結論與未來展望 135
7.1 結論 135
7.2 未來展望 137
參考文獻 138
作者簡歷 144

圖目錄
圖1.1 典型燃料電池汽車架構 3
圖1.2 燃料電池與電池於混合發電系統比例圖 3
圖1.3 燃料電池電源系統方塊圖：(a)Type1 (b)Type2 (c)Type3 5
圖1.4 燃料電池發電系統 6
圖2.1 燃料電池基本構造示意圖 13
圖2.2 國際燃料電池演進階段 15
圖2.3 質子交換膜燃料電池電壓與電流密度特徵曲線圖 17
圖2.4 質子交換膜燃料電池內部等效電路 19
圖2.5 Nexa Fuel-Cell 特性曲線圖 21
圖2.6 Nexa 電壓電流特性曲線圖 21
圖2.7 PEMFC輸出暫態量測波形 22
圖2.8 電池種類圖 24
圖2.9 鉛酸蓄電池單體構造圖 26
圖2.10 鉛酸蓄電池放電狀態內部反應圖 27
圖2.11 鉛酸蓄電池充電狀態內部反應圖 27
圖3.1 隔離型雙向電能轉換器電源架構圖(a)低壓側電壓源，高壓側電流源 (b)低壓側電流源，高壓側電壓源 31
圖3.2 電源種類控制訊號 (a)電壓源輸入 (b)電流源輸入 32
圖3.3 雙全橋雙向電能轉換器架構圖 33
圖3.4 雙全橋雙向電能轉換器升壓模式時序圖 33
圖3.5 雙全橋雙向電能轉換器降壓模式時序圖 35
圖3.6 雙半橋雙向電能轉換器架構圖 37
圖3.7 雙半橋雙向電能轉換器升壓模式時序圖 38
圖3.8 雙半橋雙向電能轉換器降壓模式時序圖 40
圖3.9 推挽式半橋電能轉換器架構圖 41
圖3.10 推挽式半橋電能轉換器升壓模式時序圖 42
圖3.11 推挽式半橋電能轉換器降壓模式時序圖 44
圖4.1 系統架構圖 49
圖4.2 系統詳細接線圖 50
圖4.3 雙向直流/直流電能轉換器 51
圖4.4 升壓模式狀態時序圖 52
圖4.5 升壓模式一（t0≦t≦t1） 54
圖4.6 升壓模式二（t1≦t≦t2） 55
圖4.7 升壓模式三（t2≦t≦t3）(a)諧振區間 (b)零電壓切換區間 56
圖4.8 升壓模式四（t3≦t≦t4）(a)電壓箝制迴路 (b)能量傳遞迴路 58
圖4.9 升壓模式五（t4≦t≦t5） 60
圖4.10 升壓模式六（t5≦t≦t6）(a)諧振區間 (b)零電壓切換區間 61
圖4.11 升壓模式七（t6≦t≦t7）(a)電壓箝制迴路 (b)能量傳遞迴路 63
圖4.12 降壓模式狀態時序圖 64
圖4.13 降壓模式一（t0≦t≦t1） 66
圖4.14 降壓模式二（t1≦t≦t2） 67
圖4.15 降壓模式三（t2≦t≦t3） 68
圖4.16 降壓模式四（t3≦t≦t4） 69
圖4.17 降壓模式五（t4≦t≦t5）(a)電壓箝制迴路 (b)能量傳遞迴路 70
圖4.18 降壓模式六（t5≦t≦t6） 72
圖4.19 降壓模式七（t6≦t≦t7） 73
圖4.20 降壓模式八（t7≦t≦t8） 73
圖4.21 升壓模式條件下之電壓轉換比曲線圖 76
圖4.22 降壓模式條件下之電壓轉換比曲線圖 77
圖4.23 直流/直流升壓轉換器基本電路圖 80
圖4.24 升壓轉換器等效電路 (a)開關導通 (b)開關截止 82
圖4.25 升壓轉換器各元件電壓電流波形 82
圖5.1 TL494內部方塊圖 84
圖5.2 升降壓模式控制電路圖 85
圖5.3 升降壓判斷訊號時序圖 86
圖5.4 開關控制訊號電路圖 87
圖5.5 開關控制訊號時序圖 87
圖5.6 雙向直流/直流轉換器實作電路架構圖 88
圖5.7 變壓器示意圖 (a) EE-Core鐵芯示意圖 (b) Bobbin繞線架示意圖 90
圖5.8 直流升壓轉換器實作電路架構圖 96
圖6.1 雙向直流/直流轉換器IsSpice模擬電路圖 99
圖6.2 功率開關訊號 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 100
圖6.3 開關Q3零電壓切換模擬波形(500W) (a)2μs/div (b)500ns/div 101
圖6.4 開關Q3零電壓切換實測波形(500W) (a)2μs/div (b)400ns/div 101
圖6.5 開關Q4零電壓切換模擬波形(500W) (a)2μs/div (b)500ns/div 102
圖6.6 開關Q4零電壓切換實測波形(500W) (a)2μs/div (b)400ns/div 102
圖6.7 開關Q3零電壓切換模擬波形(250W) (a)2μs/div (b)500ns/div 103
圖6.8 開關Q3零電壓切換實測波形(250W) (a)2μs/div (b)400ns/div 103
圖6.9 開關Q4零電壓切換模擬波形(250W) (a)2μs/div (b)500ns/div 104
圖6.10 開關Q4零電壓切換實測波形(250W) (a)2μs/div (b)400ns/div 104
圖6.11 開關Q3零電壓切換波形(0W) (a)模擬波形 (b)實測波形 105
圖6.12 開關Q4零電壓切換波形(0W) (a)模擬波形 (b)實測波形 105
圖6.13 變壓器高壓側跨壓V2與諧振電感電流ILr (a) 模擬波形 (b) 實測波形 106
圖6.14 低壓側功率開關訊號與跨壓 (a)Q1 (b)Q2 107
圖6.15 低壓側開關Q1訊號及輸入電感電流IL1 (a)模擬波形 (b)實測波形 108
圖6.16 低壓側開關Q2訊號及輸入電感電流IL2 (a)模擬波形 (b)實測波形 108
圖6.17 低壓側儲能電感及電池端電流(500W) (a) 模擬波形(b) 實測波形 109
圖6.18 雙向電能轉換器升壓模式效率圖 110
圖6.19 功率開關訊號 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 111
圖6.20 開關Q3零電壓切換模擬波形(500W) (a)2μs/div (b)500ns/div 112
圖6.21 開關Q3零電壓切換實測波形(500W) (a)2μs/div (b)400ns/div 112
圖6.22 開關Q4零電壓切換模擬波形(500W) (a)2μs/div (b)500ns/div 113
圖6.23 開關Q4零電壓切換實測波形(500W) (a)2μs/div (b)400ns/div 113
圖6.24 開關Q3零電壓切換模擬波形(250W) (a)2μs/div (b)500ns/div 114
圖6.25 開關Q3零電壓切換實測波形(250W) (a)2μs/div (b)400ns/div 114
圖6.26 開關Q4零電壓切換模擬波形(250W) (a)2μs/div (b)500ns/div 115
圖6.27 開關Q4零電壓切換實測波形(250W) (a)2μs/div (b)400ns/div 115
圖6.28 開關Q3電壓及電流(a) 模擬波形 (b) 實測波形 116
圖6.29 開關Q4電壓及電流(a) 模擬波形 (b) 實測波形 117
圖6.30 開關Q3控制訊號及反接二極體電流 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 117
圖6.31 開關Q4控制訊號及反接二極體電流 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 118
圖6.32 變壓器高壓側跨壓V2與諧振電感電流ILr (a) 模擬波形 (b) 實測波形 119
圖6.33 開關責任週期損失波形 (a) 模擬(b) 實測(2μs) (c) 實測(1μs) 120
圖6.34 改變漏電感下開關責任週期損失模擬波形(500W) 121
圖6.35 改變漏電感下開關責任週期損失實測波形(500W) 121
圖6.36 低壓側儲能電感及負載電流 (a) 模擬波形(b) 實測波形 122
圖6.37 雙向電能轉換器降壓模式效率圖 123
圖6.38 燃料電池電源系統冷啟動實測波形 124
圖6.39 燃料電池電源系統變載實測測試 125
圖6.40 直流升壓轉換器IsSpice模擬電路圖 126
圖6.41 升壓轉換器開關訊號 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 127
圖6.42 升壓轉換器開關訊號 (a) 模擬波形 (b) 實測波形 128
圖6.43 儲能電感電流與二極體電流 (a)模擬波形 (b)實測波形 128
圖6.44 啟動瞬間電流實測波形 129
圖6.45 輸出電壓暫態實測波形 (a) 啟動 (b) 關閉 130
圖6.46 升壓轉換器輸出電壓與效率曲線性圖 130
圖6.47 混合式燃料電池電源系統照片 131
圖6.48 Ballard’s Nexa 燃料電池發電模組照片 132
圖6.49 Ballard’s Nexa 燃料電池發電模組監控軟體介面 132
圖6.50 直流升壓轉換器照片 （俯視照） 133
圖6.51 雙向直流/直流電能轉換器照片 （俯視照） 133
圖6.52 雙全橋雙向電能轉換器照片 （俯視照） 134



表目錄
表1.1 燃料電池電源轉換架構優缺點比較 5
表2.1 燃料電池特性及應用場合比較表 16
表2.2 Nexa燃料電池系統規格表 20
表2.3 二次電池特性比較表 23
表2.4 WP18-12封閉式鉛酸蓄電池特性表 28
表3.1 低壓側電源種類比較表 32
表3.2 雙向式電能轉換器架構比較 47
表6.1 雙向直流/直流轉換器元件參數表 110

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