臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在設計及製作以數位信號處理器為基礎之多臂式直流-直流功率轉換器用於燃料電池供電系統。燃料電池經由多臂式昇壓型直流-直流功率轉換器供給負載能量，在相同的切換頻率下，其燃料電池之輸出電流漣波降低，以提高燃料電池使用壽命。此外，本文將採用雙重電壓回授及電流回授控制策略以控制多臂式昇壓型直流-直流功率轉換器，使電流能平均分配在功率轉換器每一臂上，且能穩定直流電壓予負載使用，並使燃料電池輸出最大功率，提高燃料電池使用效率。本系統採用雙向直流-直流功率轉換器作為蓄電池之儲、釋能控制，以平衡系統能量，藉由燃料電池及蓄電池間之能量管理，將燃料電池多餘的能量儲存到蓄電池中，並在需要瞬間大電流時藉其可快速充放電之特性，改善系統在變載時之響應，且使燃料電池儘量操作在符合負載行為之平均功率點。
本論文將建立多臂式直流-直流功率轉換器之模式，並用以模擬數位多臂式燃料電池供電系統之控制。在實作上，本文以高性能、低成本的數位訊號處理器（DSP,TMS320F2812）為控制核心，系統之功率轉換器控制及能量管理策略皆由軟體程式完成，以減少硬體電路成本。本文已完成輸入電壓26~40V，輸出電壓40V，輸入電流漣波因數小於5%，總輸出功率約1k且效率約為0.93之多臂式燃料電池供電系統，並由實驗以驗證理論分析。

This thesis focuses on the design and implementation of a digital signal processor based multi-leg dc-dc power converter for fuel-cell power supply systems. A multi-leg boost converter is designed in this system to reduce the output current ripple and increase the life time of fuel-cell. According to input and output voltage feedback and current feedback controls, the multi-leg power converter can not only balance the current of each leg, but also provide a steady output voltage to load. Besides, a bi-directional dc-dc power converter is used in this system to charge or discharge the batteries and balance the system power. The redundant power of fuel-cell can be stored in batteries by the power control between fuel-cell and batteries. Battery discharge will occur momentarily to meet the instant need of high system current and thereby raise the response speed when load changes. Fuel-cell can thus be operated in the average power point which fit in with the load.
In this thesis, the mathematical models and controller of multi-leg dc-dc power converter are built and used for digital control. Then, a high-performance, low-cost digital signal processor (DSP, TMS320F2812) is used as the control core. The control of power converter and the method of power balance control are accomplished by software so as to reduce the cost. A prototype of 1kW multi-leg dc-dc power converter for fuel-cell is developed. The input voltage range is between 26V and 40V. The output voltage is 40V. Moreover, the experimental data show that the efficiency of the system reaches 93%, and the input current ripple of fuel-cell is less than 5%. Simulation and experimental results are given to justify the analysis.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌 謝 Ⅲ
目 錄 Ⅳ
符號索引 Ⅶ
圖表索引 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 系統架構與本文特色 2
1.3 本文大綱 3
第二章 燃料電池及其保護 5
2.1 前言 5
2.2 燃料電池種類與應用 5
2.3 質子交換膜燃料電池特性與分析 7
2.3.1 發電原理 7
2.3.2 燃料電池極化特徵 9
2.4 燃料電池的電氣特性保護 9
2.4.1 燃料電池崩潰保護 9
2.4.2 燃料電池漣波保護 10
2.5 燃料電池軟體平台 11
2.6 結語 12
第三章 多臂式昇壓型直流-直流功率轉換器分析及控制 13
3.1 前言 13
3.2 多臂式昇壓型直流-直流功率轉換器之分析 13
3.3 多臂式昇壓型直流-直流功率轉換器之控制 16
3.3.1 同時開關狀態控制 16
3.3.2 分時開關狀態控制 21
3.4 結語 23

第四章 供電系統之能量管理 24
4.1 前言 24
4.2 蓄電池充放電系統架構及分析 24
4.2.1 雙臂式昇/降壓型直流-直流功率轉換器升壓模式 25
4.2.2 雙臂式昇/降壓型直流-直流功率轉換器降壓模式 27
4.3 蓄電池用雙臂式昇/降壓型直流-直流功率轉換器之控制 29
4.3.1 功率級電晶體開關狀態控制 29
4.3.2 蓄電池放電控制 30
4.3.3 蓄電池充電控制 32
4.4 能量管理模式 35
4.4.1 燃料電池供電模式 36
4.4.2 蓄電池供電模式 36
4.4.3 蓄電池充電模式 37
4.4.4 暫態補償模式 37
4.4 結語 38
第五章 實作與測試 39
5.1 前言 39
5.2 硬體電路 39
5.2.1 數位信號處理器簡介及介面電路 40
5.2.2 電壓回授及雙重電壓回授電路 42
5.2.3 電流回授電路 44
5.2.4 功率級電晶體之閘極驅動電路 45
5.3 軟體規劃 46
5.3.1 主程式規劃 46
5.3.2 中斷副程式規劃 46
5.3.3 能源管理操作程式規劃 48
5.3.4 燃料電池及其功率轉換器程式規劃 49
5.3.5 蓄電池充電程式規劃 49
5.3.6 蓄電池放電程式規劃 51
5.4 實測結果 53
5.5 結語 64
第六章 結論與建議 65
6.1 結論 65
6.2 建議 66
參考文獻 67
附 錄 A 系統規格與電路參數 69
附 錄 B 燃料電池的額定 69
作者簡介 70

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