CN103036259A - 能量调节方法 - Google Patents

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Abstract

一种能量调节方法，用以调节燃料电池组的电力，其采用2级转换技术，处理大范围的输入电压，并提供可控电压、电流、功率，并且可自动跟随负载的一需求功率，并具有故障诊断及故障警示功能。

Description

能量调节方法
技术领域
本发明涉及一种能量调节方法，特别是涉及一种燃料电池的能量调节方法。
背景技术
随着不可再生能源的不断减少，推动新能源的快速发展已经成为当务之急。燃料电池为一种新能源，其具有清洁环保，节能高效的优点，因此，在能源缺乏的难题下，提供了一个非常好的解决方案。燃料电池的变换效率高，对环境的污染几乎为零，并且体积小，可以在任何时候和地方方便地使用。
然而，燃料电池却无法持续输出固定的电压。一般而言，当燃料电池的输出电流越大时，其输出电压也就越低，因而造成燃料电池的输出电压的范围过宽，远远超出各电器设备的正常工作电压范围。再者，燃料电池的动态回应能力差。受化学变化的影响，燃料电池自身存在着严重的时滞问题。当负载启停频繁或是暂态载入等情况下，如果燃料供给的情况不能输出满足负载所需求的功率时，燃料电池就会处于超载状况，而造成燃料电池性能的明显衰减。
因此，燃料电池必须搭备一功率转换器，用以调节、控制和管理燃料电池的能量输出。为满足燃料电池的应用，功率转换器的研究已成为了一项重要课题。电力转换是使用燃料电池发电的一个重要环节，其直接关系到整个电源系统的电能质量、安全和可靠性等因素。
然而，目前大部分的功率转换器是采用开关元件，用以切换燃料电池的输出电能，使其供电予负载，并无单独适用于燃料电池输出特性的能量调节设备。再者，目前现有的功率转换器的输入范围窄，只能接收一小范围的输入电压，而无法配合燃料电池的大范围输出电压。
另外，现有的功率转换器的输出电压固定、转换效率低、准确率低、稳定性差，无法准确且快速的控制燃料电池的输出。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能量调节方法，用以调节一燃料电池组的输出能量。本发明的能量调节方法可接收大范围的输入电压，并可输出可控的电力(电流、电压、功率)，并具有高效节能及高可靠度的优点。
为达到上述目的，本发明提供一种能量调节方法，用以控制一燃料电池组的输出能量。燃料电池组与一二次电池组的至少一者供应能量予一负载。本发明的能量调节方法包括，利用一升压调节模块，调升该燃料电池组的电压，用以产生一第一调节电压，其中该升压调节模块是根据一第一控制信号，调升该燃料电池组的电压；利用一降压调节模块，调降该第一调节电压，用以产生一第二调节电压予该负载，其中该降压调节模块是根据一第二控制信号，调降该第一调节电压；检测该燃料电池组、该升压调节模块、该降压调节模块及该负载的至少一者，用以产生一检测结果；以及根据该检测结果，产生该第一及第二控制信号。
为使本发明的特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明的能量调节方法的一可能实施例。
图1B为能量调节器的一可能实施例。
图2为升压调节模块的一可能实施例。
图3为降压调节模块的一可能实施例。
图4为控制模块的一可能实施例
图5为驱动电路的一可能实施例。
图6～9为不同控制模式的可能实施例。
具体实施方式
图1A为本发明的能量调节方法的示意图。本发明的能量调节方法用以控制一燃料电池组的输出能量。燃料电池组与一二次电池组的至少一者供应能量予一负载。在一可能实施例中，是由燃料电池组单独供应能量予负载。在另一实施例中，是由燃料电池组与二次电池组共同供应能量予负载。在其它实施例中，燃料电池组不仅供应能量予负载，燃料电池组亦可供应能量予二次电池组，用以充电二次电池组。
首先，利用一升压调节模块，调升燃料电池组的电压，用以产生一第一调节电压(步骤S110)。在一可能实施例中，升压调节模块根据一第一控制信号，调升燃料电池组的电压。本发明并不限定升压调节模块的电路结构。只要能够调升燃料电池组的电压的电路，均可作为升压调节模块。另外，在其它可能实施例中，燃料电池组的电压是逐渐被调升。
利用一降压调节模块，调降第一调节电压，用以产生一第二调节电压予负载(步骤S130)。在一可能实施例中，降压调节模块根据一第二控制信号，调降第一调节电压。同样，本发明并不限定降压调节模块的电路结构。只要能够调降第一调节电压的电路，均可作为降压调节模块。另外，在其它实施例中，第一调节电压是逐渐被调降。
检测燃料电池组、升压调节模块、降压调节模块及负载的至少一者，用以产生一检测结果(步骤S150)。在一可能实施例中，可对燃料电池组、升压调节模块、降压调节模块及负载的至少一者进行电压、电流和/或温度检测。另外，藉由电压及电流检测结果，便可推出相对应装置的功率状态。
根据检测结果，产生第一及第二控制信号(步骤S170)。在本实施例中，步骤S110及S130的调升及调降幅度与燃料电池组、升压调节模块、降压调节模块及负载的至少一者的状态有关。以燃料电池组为例，燃料电池组的电压、电流将会影响负载所接收到的电压、电流。
在一可能实施例中，藉由步骤S150的检测结果，可得知降压调节模块的输出电流及负载的电流。当降压调节模块的电流小于负载的电流时，藉由相对应的第一及第二控制信号，可令燃料电流组及二次电池组共同提供能量予负载。当降压调节模块的电流等于负载的电流时，令燃料电流组单独提供能量予负载，并且二次电池组处于不充电也不放电状态。当降压调节模块的电流大于负载的电流时，令燃料电流组提供能量予负载，并对二次电池组充电。
在另一可能实施例中，可利用一控制器区域网络(CAN)接口，接收一设定信号。在本实施例中，第一及第二控制信号除了与检测结果有关，还与设定信号有关，因此，提供了可控电压、可控电流及可控功率的目的。
举例而言，在一可能实施例中，可将一设定信号与一实际电位值作比较，再根据比较结果，产生第一及第二控制信号，使得降压调节模块的电压、电流或功率等于设定信号。假设，设定信号为一用户指令电压、一用户指令电流或是一用户指令功率时，则藉由上述步骤，便可令降压调节模块的电压、电流或功率等于用户指令电压、电流或功率。
在其它实施例中，根据该设定信号，令降压调节模块的功率等于该负载的一需求功率，其中该二次电池组处于不充电也不放电状态。举例而言，当设定信号为一负载功率跟随信号时，便检测负载的一需求功率，并根据检测结果，产生相对应的第一及第二控制信号，使得降压调节模块的输出功率等于负载的需求功率。
本发明除了提供可控电压、电流及功率外，还具有故障诊断及故障警示功能。在一可能实施例中，根据步骤S150所得到的检测结果，便可判断是否发生一异常现象。举例而言，异常现象为欠压、过压、过流、过温或是元件异常。
当发生异常现象时，便发出一警示讯息，并自动进行保护功能。本发明并不限定警示讯息的种类。在一可能实施例中，可利用一显示器或是一蜂鸣器，发出警示讯息。
由于本发明的能量调节方法是采用2级转换技术，故可接收并处理燃料电池组的大范围输出电压。另外，通过一设定信号，便可输出可控的电压、电流及功率。再者，藉由自动检测负载的一需求功率，进而达到自动跟随负载功率变化的功能。藉由检测结果，便可得知是否发生异常。在异常现象发生时，提供故障诊断和/或故障警示的功能，进而提高安全性。
以下的图1B～图9为实现上述所有功能(如调升、调降、检测、控制功能)的可能实施方式，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，可利用其它不同的电路架构，完成上述功能。
图1B为一能量调节器的一可能实施例。如图所示，能量调节器100耦接于一燃料电池组110以及一二次电池组130之间，用以分配燃料电池组110以及二次电池组130的能量。负载150并联二次电池组130。
在本实施例中，能量调节器100包括，一控制模块101、一升压调节模块102、一降压调节模块103以及一检测模块。检测模块用以检测燃料电池组110、升压调节模块102、降压调节模块103以及负载150的至少一者的状态，并产生一检测结果。控制模块101根据检测模块的检测结果，产生控制信号VT1及VT2。
升压调节模块102以及降压调节模块103分别根据控制信号VT1及VT2，转换燃料电池组110的输出电能。藉由2级的转换技术，便可处理燃料电池组110的大范围输出电压。在本实施例中，升压调节模块102根据控制信号VT1，调升燃料电池组110的输出电压VFC，用以产生一调节电压VA1。本发明并不限定升压调节模块102的电路架构。只要能够调升电压的电路架构，均可作为升压调节模块102。
降压调节模块103根据控制信号VT2，调降调节电压VA1，用以产生另一调节电压VA2予负载150以及二次电池130。本发明亦不限定降压调节模块103的电路架构。只要能够调降电压的电路架构，均可作为降压调节模块103。
在本实施例中，燃料电池组110的正极端FC+耦接升压调节模块102的输入端U1I+。燃料电池组110的负极端FC-耦接升压调节模块102的输入端U1I-。降压调节模块103的输入端U2I+耦接升压调节模块102的输出端U1O+。降压调节模块103的输入端U2I-耦接升压调节模块102的输出端U1O-。降压调节模块103的输出端U2O+耦接二次电池组130的正极端SC+。降压调节模块103的输出端U2O-耦接二次电池组130的负极端SC-。二次电池组130的正极端SC+耦接负载150的正极端LD+。二次电池组130的负极端SC-耦接负载150的负极端LD-。在一可能实施例中，Uin-、U1I-、U1O-、U2I-、U2O-、Uout-在电气连接上，属同一参考电位，如接地电位。
检测模块包括检测单元104～106，用以检测燃料电池组110及降压调节模块103及负载150的状态(如电压、电流及功率状态)。在其它可能实施例中，升压调节模块102以及降压调节模块103各自具有一检测单元(如第2及3图所示的230及330)，用以检测升压调节模块102以及降压调节模块103的温度状态。
检测单元104包括一电流检测器107及一电压检测器108。电流检测器107耦接燃料电池组110的正极端FC+，用以检测燃料电池组110的输出电流Iin。电压检测器108耦接于节点Uin+与Uin-之间，用以检测燃料电池组110的输出电压VFC。
检测单元105包括一电流检测器109以及一电压检测器111。电流检测器109耦接降压调节模块103的输出端U2O+，用以检测输出端U2O+的电流。电压检测器111耦接于节点Uout+与Uout-之间，用以检测降压调节模块103所产生的调节电压VA2。
在本实施例中，检测单元106为一电流检测器，耦接负载150的正极端LD+，用以检测负载150的需求电流Iload。在本实施例中，藉由检测单元106及电流检测器109的检测结果，便可得知二次电池组130处于充电状态或是放电状态。
举例而言，当Iload-Iout＞0时，表示燃料电池组110与二次电池组130均为放电状态。在一可能实施例中，可通过一设定信号SSET，决定燃料电池组110与二次电池组130所释放的能量。当Iload-Iout＝0时，二次电池组130处于不充电不放电状态，此时，负载150所需的能量全部由燃料电池组110所提供。当Iload-Iout＜0时，表示燃料电池组110除了提供能量予负载150外，亦对二次电池组130进行充电。能量调节器100可根据二次电池组130的残电容量，对二次电池组130进行充电操作或放电操作。在一可能实施例中，能量调节器100对二次电池组130进行恒压充电或是恒流充电。
在本实施例中，控制模块101根据检测模块的检测结果，产生控制信号VT1及VT2。本发明并不限定控制信号VT1及VT2的种类。在一可能实施例中，控制信号VT1及VT2均为脉宽调制(pulse width modulation；以下简称PWM)驱动信号。
在另一可能实施例中，控制模块101还根据一设定信号SSET，产生控制信号VT1及VT2。举例而言，若设定信号SSET为用户所发出的一电压指示值时，控制模块101便根据设定信号SSET，产生相对应的控制信号VT1及VT2，使得升压调节模块102及降压调节模块103适当地转换燃料电池组110的输出电压VFC，进而使得调节电压VA2等于用户所发出的电压指示值。
同样地，若设定信号SSET为用户所发出的一电流指示值或是一功率指示值时，控制模块101同时控制升压调节模块102及降压调节模块103，使得燃料电池组110的输出电流或是输出功率等于用户所发出的电流或功率指示值。
若设定信号SSET为用户所发出的一负载功率跟随信号时，控制模块101便计算负载150的一需求功率，并控制升压调节模块102及降压调节模块103，使得燃料电池组110的输出功率为负载150的需求功率。此时，二次电池组130处于不充电也不放电的状态。
图2为一升压调节模块的一可能实施例。在本实施例中，升压调节模块102为一升压斩波电路，用以将燃料电池组110的输出电压VFC升高至一预设电压值。本实施例中，升压调节模块102将燃料电池组110的输出电压VFC由29V～76V升压至65～76V。
如图所示，升压调节模块102包括电感L1、二极管D1、开关210、电容C1。电感L1通过输入端U1I+，耦接燃料电池组110的正极端FC+。二极管D1耦接于电感L1与输出端U1O+之间。电容C1耦接于输出端U1O+与U1O-之间。开关210接收控制信号VT1，并耦接电感L1及燃料电池组110的负极端FC-。
在本实施例中，开关210为一绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor；IGBT)211，但并非用以限制本发明。如图所示，IGBT 211的栅极接收控制信号VT1，其集电极耦接二极管D1的阳极，其发发射极通过输入端U1I-，耦接燃料电池组110的负极端FC-。
在其它可能实施例中，IGBT 211的集电极电压VC1与发发射极电压VE1将被提供予控制模块101，使其判断IGBT 211是否正常操作，并在IGBT 211故障时，即时发出一警示讯息。
如图所示，升压调节模块102具有一温度检测单元230。温度检测单元230检测开关210的温度，并产生一检测结果T102予控制模块101。
图3为一降压调节模块的一可能实施例。在本实施例中，降压调节模块103为一降压斩波电路，用以将升压调节模块102所产生的调节电压VA1降低至一可控电压值(如调节电压VA2)。本实施例中，降压调节模块103可将升压调节模块102所产生的调节电压VA1由65～76V降压至用户所给定的电压值43～58V。
如图所示，降压调节模块103包括，开关310、电感L2、二极管D2、电容C2。开关310接收控制信号VT2，并耦接输入端U2I+。电感L2耦接于开关310与输出端U2O+之间。二极管D2耦接于电感L2与输出端U2O-之间。电容C2耦接于输出端U2O+与U2O-之间。
在本实施例中，开关310为IGBT 311，但并非用以限制本发明。IGBT 311的栅极接收控制信号VT2，其集电极耦接输入端U2I+，其发发射极耦接电感L2。在其它可能实施例中，IGBT 311的集电极电压VC2与发射极电压VE2将被提供予控制模块101，使其判断IGBT 311是否正常操作。控制模块101可在IGBT 311故障时，即时发出一警示讯息。
在图3中，降压调节模块103具有一温度检测单元330。温度检测单元330检测开关310的温度，并产生一检测结果T103予控制模块101。
图4为一控制模块的一可能实施例。在本实施例中，控制模块101包括，微控制器410、取样电路420、驱动电路430。在一可能实施例中，微控制器410为TI公司的电机专用控制DSP芯片TMS320LF2407，但并非用以限制本发明。
取样电路420取样至少一检测单元(如104～106、210、310)的检测结果。在一可能实施例中，取样电路420为一模拟至数字(A/D)取样电路。A/D取样电路即时采集至少一检测单元的检测结果(如VFC、VA2、Iin、Iout、Iload、T102、T103)，经滤波后传给一A/D芯片(未显示)，用以转换成数字信号，最后再通过一串行周边接口(Serial Peripheral Interface Bus；SPI)，提供予微控制器410。
微控制器410具有一SPI单元414，用以接收取样电路420的取样结果。在其它实施例中，若取样电路420通过其它传输接口输出取样结果时，微控制器410亦可利用相对应的传输单元，接收取样电路420的输出信号。
在本实施例中，微控制器410具有一脉宽调制(PWM)单元415。PWM单元415根据取样电路420的取样结果，产生脉宽调制信号SPWM1、SPWM2及致能信号SCS。驱动电路430根据脉宽调制信号SPWM1、SPWM2及致能信号SCS，产生控制信号VT1及VT2，用以同时驱动升压调节模块102和降压调节模块103。
在本实施例中，由于升压调节模块102及降压调节模块103内的开关(如210、310)为IGBT，故驱动电路430为一带上电保护的IGBT驱动电路，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，若升压调节模块102及降压调节模块103内的开关210、310为其它型态的开关时，则驱动电路430为相对应的驱动电路。
如图所示，控制模块101还包括一周边单元440。微控制器410根据取样电路420的取样结果，控制周边单元440，使其进行相对应的操作，例如即时告知目前的工作状态、故障信息、故障诊断或是远端监测功能。在本实施例中，周边单元440包括一散热风扇441、一蜂鸣器442、一数据显示器443以及一外部电路444，但并非用以限制本发明。
微控制器410根据取样电路420的取样结果，产生一输出信号SO1，并通过输入输出(input/output；I/O)单元411，提供输出信号SO1予散热风扇441。在本实施例中，控制模块101还包括一光电隔离器451以及一继电器452。光电隔离器451耦接微控制器410，并接收输出信号SO1。继电器452耦接于光电隔离器451与散热风扇441之间，用以根据输出信号SO1，控制散热风扇441的启停。
在另一实施例中，微控制器410根据取样电路420的取样结果，产生一输出信号SO2，并通过I/O单元411，提供输出信号SO2予蜂鸣器442。在本实施例中，控制模块101还包括一光电隔离器461以及一驱动器462。光电隔离器461耦接微控制器410，并接收输出信号SO2。驱动器462耦接于光电隔离器461与蜂鸣器442之间，用以根据输出信号SO2，驱动蜂鸣器442。
另外，微控制器410可根据取样电420的取样结果，产生一输出信号SO3，并通过I/O单元411，将输出信号SO3提供予数据显示器443。在本实施例中，控制模块101还包括一光电隔离器471。光电隔离器471耦接微控制器410，用以根据输出信号SO3，驱动数据显示器443。
在一可能实施例中，数据显示器443根据输出信号SO3，显示一故障代码，以便使用者进行维修。在其它可能实施例中，数据显示器443亦可显示燃料电池组110、二次电池组130或是负载150的操作状态(如电压、电流、功率状态)。
微控制器410亦可根据取样电420的取样结果，产生一输出信号SO4。在本实施例中，微控制器410通过一序列通讯接口(Serial CommunicationsInterface；SCI)单元412，提供输出信号SO4予周边装置440。举例而言，微控制器410具有RS-485或RS-232总线接口，用以与周边装置440进行数据传输。在另一可能实施例中，微控制器410藉由一外接RS-485或RS-232转换器，再与周边装置440进行数据传输。在其它实施例中，微控制器410可通过其它种类的传输接口，与周边单元440进行数据传输。
在本实施例中，控制模块101包括一光电隔离器481以及一信号收发器482。光电隔离器481耦接微控制器410，并接收输出信号SO4。信号收发器482耦接于光电隔离器481与外部计算机444之间，用以在微控制器410与外部计算机444之间进行数据传输。在一可能实施例中，信号收发器482为一RS-485收发器或是一RS-232收发器。
另外，微控制器410除了根据至少一检测单元的检测结果，产生相对应的信号(如SPWM1、SPWM2、SCS、SO1～SO4)外，微控制器410还可根据一设定信号SSET，产生该等信号，用以控制燃料电池组110的输出电压、电流及功率。
在一可能实施例中，可利用一CAN接口作为控制模块101与用户间的控制接口。因此，控制模块101便可根据用户的实际能量需求，控制燃料电池组110、二次电池组130以及负载150的电压、电流及功率状态。
在本实施例中，微控制器410具有一控制器区域网络(Controller AreaNetwork；CAN)单元413，用以接收一设定信号SSET，但并非用以限制本发明。在其它实施例中，微控制器410亦可利用其它接口，接收一设定信号SSET。CAN单元413通过一光电隔离器491以及一CAN收发器492，接收设定信号SSET。
由于能量调节器100内的升压调节模块102、降低调节模块103、具有CAN总线的控制模块101、周边模块440(同时具有报警及故障诊断功能)采用模块化控制结构，故可提高便利性。再者，能量调节器100的输出功率可达6KW。
图5为一驱动电路的一可能实施例。如图所示，驱动电路430包括一反相驱动器510、一电平转换器520以及一开关驱动器530。反相驱动器510根据致能信号SCS，处理脉宽调制信号SPWM1、SPWM2，用以产生一反相信号SNPWM1及SNPWM2。在本实施例中，反相驱动器510具有驱动器511～513。驱动器511根据致能信号SCS，致能驱动器512及513，使其分别根据脉宽调制信号SPWM1、SPWM2，产生反相信号SNPWM1及SNPWM2。
电平转换器520转换反相信号SNPWM1及SNPWM2的电平，用以产生转换信号SZPWM1及SZPWM2。在本实施例中，电平转换器520将反相信号SNPWM1及SNPWM2的电平等于电平VCC，如3.3V，而转换信号SZPWM1及SZPWM2的电平等于电平VDD1，如5V。
然而，当反相信号SNPWM1及SNPWM2的电平为5V时，则可省略电平转换器520。在其它可能实施例中，电平转换器520为744245系列芯片。
开关驱动器530根据电平转换器520转换后的结果(即转换信号SZPWM1及SZPWM2)，产生控制信号VT1及VT2。若反相信号SNPWM1及SNPWM2的电平不需转换时，则开关驱动器530根据反相信号SNPWM1及SNPWM2，产生控制信号VT1及VT2。在一可能实施例中，开关驱动器530为2SC0435T。
在本实施例中，开关驱动器530具有检错功能。如图所示，开关驱动器530接收升压调节模块102内的IGBT 211的发射极电压VE1、VC1以及降压调节模块103内的IGBT 311的发射极电压VE2、VC2，用判断IGBT 211及311是否异常。
举例而言，当IGBT 211或311发生故障时，开关驱动器530发出中断信号SPDP予微控制器410，使微控制器410内嵌软件进行故障处理程序。在本实施例中，当IGBT 211或311发生故障时，开关驱动器530的接脚SO为低电平。因此，导通二极管D3，使得中断信号SPDP为低电平。
另外，能量调节器100可操作在不同的控制模式。在本实施例中，能量调节器100可操作在一电压控制模式、一电流控制模式、一功率控制模式以及一负载功率跟随模式。藉由四组比例积分微分(Proportional IntegralDerivatire；PID)控制器控制，并在控制模式间进行无缝切换，使得电压、电流可平滑切换。
在本实施例中，当能量调节器100操作在一电压控制模式、一电流控制模式或一功率控制模式时，控制模块101将一设定信号SSET与一实际电位值作比较，并根据比较结果，产生控制信号VT1、VT2，用以使该实际电位值等于设定信号SSET，实际电位值与燃料电池组110的一输出电压VFC及一输出电流Iin的至少一者有关。
在一可能实施例中，该实际电位值为燃料电池组110的输出电压VFC、输出电流Iin或输出功率。以燃料电池组110的输出电压VFC为例，控制模块101会将一设定信号SSET与燃料电池组110的输出电压VFC作比较，并根据比较结果，控制升压调节模块102及降压调节模块103，使得燃料电池组110的输出电压VFC等于设定信号SSET。
图6为一电压控制模式的一可能实施例。在电压控制模式下，控制模块101根据设定信号SSET，同时控制升压调节模块102及降压调节模块103，使得电压VA2等于设定信号SSET。由于电压VA2与燃料电池组110的输出电压有关，因此，藉由设定信号SSET，便可令燃料电池组110的输出电压等于一用户指令电压。
首先，设定一参考电压值(步骤S610)。在一可能实施例中，可利用一CAN总线，接收一设定信号SSET，其中，设定信号SSET为用户所发出的一指令电压值。在本实施例中，是将用户发出的指令电压值作为一参考电压值Uref(k)。
接着，将参考电压值Uref(k)与一实际电压值作比较，用以得知一差值eu(k)(步骤S620)。在一可能实施例中，一实际电压值与燃料电池组的输出电压有关。在本实施例中，能量调节器100所输出的电压VA2作为一实际电压值U(k)，其中差值eu(k)＝U(k)-Uref(k)。
处理差值eu(k)，用以得到至少一增量值ΔDu(k)(步骤S630)。在一可能实施例中，藉由差值eu(k)，可得到两增量值。由于两增量值的产生方式相同，故以下仅以单一增量值为例。在本实施例中，是藉由一电压PID控制器，处理差值eu(k)，用以得到一PWM信号的增量值ΔDu(k)。在一可能实施例中，增量值ΔDu(k)如下式所示：
ΔDu(k)＝kup[eu(k)-eu(k-1)]+kuieu(k)+kud[eu(k)-2eu(k-1)+eu(k-2)]
其中eu(k-1)为上一次计算的差值，eu(k-2)为前2次计算的差值，kup为比例常数、kui为积分常数、kud为微分常数，kup、kui、kud由仿真计算与实际调试实验联合得到，且不为定值，并随着输入电压的改变而改变。
根据增量值ΔDu(k)，计算PWM信号的新脉宽值Du(k)(步骤S640)。在一可能实施例中，若利用PWM信号控制燃料电池组的输出电压时，则需根据增量值ΔDu(k)，计算PWM信号的新脉宽值Du(k)。在本实施例中，PWM单元415根据增量值ΔDu(k)，求出PWM信号的新脉宽值Du(k)。在一可能实施例中，Du(k)＝ΔDu(k)+Du(k-1)。在其它实施例中，若根据差值eu(k)，得到两增量值时，则可计算出两新PWM信号。
接着，根据新PWM信号，产生控制信号(步骤S650)。在本实施例中，是利用一驱动电路产生相对应的控制信号。举例而言，图2中的驱动电路430可根据微控制器410所产生的新PWM信号，产生相对应的控制信号VT1与VT2。
然后，根据控制信号，产生新的输出电压(步骤S660)。在本实施例中，驱动电路430根据新PWM信号，产生相对应的控制信号VT1、VT2，用以同时调节升压调节模块102及降压调节模块103，使其产生新的输出电压(即VA2-)。
接着，检测实际的输出电压(步骤S670)，并将检测后的结果与参考电压Uref(k)作比较，直到输出电压等于参考电压Uref(k)。
图7为一电流控制模式的一可能实施例。由于能量调整装置100的输出电流Iout与燃料电池组110的输出电流有关，因此，在一可能实施例中，可藉由设定信号SSET，便可令燃料电池组110的输出电流等于一用户指令电流。
举例而言，在电流控制模式下，控制模块101通过CAN总线，接收一用户电流指令，并同时控制升压调节模块102与降压调节模块103，用以使燃料电池组110的输出电流Iout等于一用户指令电流。在本实施例中，当能量调整装置100操作在电流控制模式时，能量调整装置100的输出电压即为二次电池组的电压。因此，能量调整装置100不控制燃料电池组110的输出电压，只控制燃料电池组110的输出电流。
以下将说明电流控制模式的操作流程。首先，设定一参考电流值(步骤S710)。在本实施例中，是将一用户发出的一指令电流值作为一参考电流值Iref(k)。接着，将参考电流值与一实际电流值作比较，用以得知一差值ei(k)(步骤S720)。在本实施例中，能量调节器100所输出的电流Iout可作为一实际电流值I(k)，其中差值ei(k)＝I(k)-Iref(k)。
处理差值ei(k)，用以得到一增量值ΔDi(k)(步骤S730)。在本实施例中，是利用一电流PID控制器，处理差值ei(k)，用以得到一增量值ΔDi(k)。举例而言，若利用PWM信号控制燃料电池组的输出电流时，则步骤S730所得到的增量值ΔDi(k)便为PWM信号的增量值。
在一可能实施例中，增量值ΔDi(k)如下式所示：
ΔDi(k)＝kip[ei(k)-ei(k-1)]+kiiei(k)+kid[ei(k)-2ei(k-1)+ei(k-2)]
其中ei(k-1)为上一次计算的差值，ei(k-2)为前2次计算的差值，kip为比例常数、kii为积分常数、kid为微分常数，kip、kii、kid由仿真计算与实际调试实验联合得到，且不为定值，并随着输入电压的改变而改变。
根据增量值ΔDi(k)，计算PWM信号的新脉宽值Di(k)(步骤S740)。在本实施例中，微控制器410根据增量值ΔDi(k)，求出PWM信号的新脉宽值Di(k)。在一可能实施例中，Di(k)＝ΔDi(k)+Di(k-1)。
接着，根据新PWM信号，产生控制信号(步骤S750)。在本实施例中，是利用一驱动电路产生相对应的控制信号。举例而言，图2中的驱动电路430可根据微控制器410所产生的新PWM信号，产生相对应的控制信号。
根据控制信号，产生新的输出电流(步骤S760)。在本实施例中，驱动电路430根据新PWM信号，产生相对应的控制信号VT1、VT2，用以同时调节升压调节模块102及降压调节模块103，使其产生新的输出电流。
接着，检测新的输出电流(步骤S770)，并将检测后的结果与参考电流Iref(k)作比较，直到输出电流等于参考电流Iref(k)，也就是说，燃料电池组的输出电压最终将等于一用户指令电流。
图8为一功率控制模式的一可能实施例。由于能量调节器100的输出功率与燃料电池组110的功率有关，因此，藉由设定信号SSET，便可令燃料电池组110的输出功率等于一用户指令功率。
举例而言，在功率控制模式下，控制模块101通过CAN总线接收用户给定功率指令(即设定信号SSET)，并同时控制升压调节模块102与降压调节模块103，使燃料电池组110的输出功率为一用户指令功率。
在一可能实施例中，若燃料电池组110的输出功率小于负载150所需的功率时，则不足功率由二次电池组130提供。若燃料电池组110的输出功率大于负载150所需的功率时，则多余功率注入二次电池组130。
首先，设定一参考功率值(步骤S810)。在本实施例中，是将用户发出的一指令功率值作为一参考功率值Pref(k)。接着，将参考功率值与能量调节器所输出的一实际功率值作比较，用以得知一差值ep(k)(步骤S820)。在本实施例中，能量调节器100所输出的电流Iout与电压VA2的乘积作为一实际功率值P(k)。另外，差值ep(k)＝P(k)-Pref(k)。
处理差值ep(k)，用以得到一增量值ΔDp(k)(步骤S830)。在本实施例中，是利用一功率PID控制器，处理差值ep(k)，用以得到PWM信号的增量值ΔDp(k)。
根据增量值ΔDp(k)，计算PWM信号的新脉宽值Dp(k)(步骤S840)。在本实施例中，微控制器410根据增量值ΔDp(k)，求出脉宽调制信号的新脉宽值Dp(k)。在一可能实施例中，Dp(k)＝ΔDp(k)+Dp(k-1)。
接着，根据新PWM信号，产生控制信号(步骤S850)。在本实施例中，是利用一驱动电路产生相对应的控制信号。举例而言，图2中的驱动电路430可根据微控制器410所产生的新PWM信号，产生相对应的控制信号。
然后，根据控制信号，产生新的输出功率(步骤S860)。在本实施例中，驱动电路430根据新PWM信号，产生相对应的控制信号VT1、VT2，用以同时调节升压调节模块102及降压调节模块103，使其产生新的输出功率。
接着，检测新的输出功率(步骤S870)，并将检测后的结果与参考功率Pref(k)作比较，直到输出功率等于参考功率Pref(k)。在一可能实施例中，当参考功率Pref(k)(即设定信号SSET)小于燃料电池组110的输出功率(即实际功率值P(k))时，控制模块101撷取二次电池组130的输出功率，使得燃料电池组110的实际功率值P(k)与二次电池组130的输出功率的总合等于参考功率Pref(k)。当参考功率Pref(k)大于燃料电池组的实际功率值P(k)时，控制模块101将燃料电池组110的实际功率值P(k)与参考功率Pref(k)之间的差值，提供予二次电池组130。
图9为一负载功率跟随模式的一可能实施例。在负载功率跟随模式下，能量调节器100可跟踪计算负载150所需的功率，并使燃料电池组110的输出功率等于负载150所需的功率。在一可能实施例中，此时，二次电池组130处于不充电也不放电的状态。
首先，检测负载的一需求电流以及一需求电压(步骤S910)，再求出负载的一需求功率(步骤S920)。在本实施例中，是采用以电压电流乘积为反馈的闭环PID控制。举例而言，负载的一需求功率即为由负载所检测得知的电压与电流的乘积P*ref(k)，而反馈值为能量调节器100所输出的电压与电流的乘积P*(k)。乘积P*ref(k)可称为一功率给定值。在本实施例中，乘积P*ref(k)是动态变化。
计算功率给定值P*ref(k)与反馈值P*(k)之间的差值(步骤S930)。在本实施例中，差值e*p(k)＝P*(k)-P*ref(k)。然后，藉由差值e*p(k)，计算得知一增量信号ΔD*p(k)(步骤S940)。在本实施例中，是藉由一功率PID控制器，处理差值e*p(k)，用以得知增量信号ΔD*p(k)。
根据增量信号ΔD*p(k)，计算求出PWM信号新的脉宽值D*p(k)(步骤S950)。在一可能实施例中，可利用一微控制单元(MCU)，根据增量信号ΔD*p(k)，计算求出脉宽值D*p(k)。举例而言，脉宽值D*p(k)＝ΔD*p(k)+D*p(k-1)。
藉由新的PWM信号，产生相对应的控制信号(步骤S960)，用以同时调节升压调节模块102与降压调节模块103，使能量调节器100的输出功率跟随负载150的功率而变化。在本实施例中，可再检测能量调节器100的输出电流及输出功率(步骤S980)，再根据检测结果，得知能量调节器100的实际输出功率P*(k)(步骤S990)，用以与功率给定值P*ref(k)作比较，直到能量调节器100的实际输出功率等于功率给定值P*ref(k)，也就是说，燃料电池组的输出功率跟随负载的一需求功率。
在上述四种控制模式间采用无缝切换技术，当进行模式切换时，以当前控制值为基础缓慢增加或减少，故可使切换平顺过渡。另外，若控制模块101采用软启动(soft-start)演算法，同时控制升压调节模块102和降压调节模块103，用以在开机启动和控制模式改变时，令升压调节模块102与降压调节模块103的控制信号VT1、VT2以当前控制值为基础缓慢增加或减少，使燃料电池组110的能量输出缓慢变化，用以抑制电压、电流的突变。
由于周边模块440为一故障诊断与报警模块，其可由蜂鸣器442、数据显示器(如LED)443、外部计算机444所组成，故可即时根据控制模块100所采集到的电压、电流及温度等信息而操作。另外，亦可通过过RS-485接口，将控制模块100所采集到的信息传送到远距离，或是经由RS-485/RS-232转换器，传送给外部计算机444处理。
由于控制模块101与外部计算机444都能即时诊断欠压、过压、过流、过温以及感测器安装失灵症状，因此，当该等装置出现故障时，便可自动进行功率输出保护，并可通过数据显示器，显示相应的故障代码以及利用蜂鸣器报警。外部计算机444亦可同时显示故障信息和位置。
除非另作定义，在此所有词汇(包含技术与科学词汇)均属本发明所属技术领域的技术人员的一般理解。此外，除非明白表示，词汇于一般字典中的定义应解释为与其相关技术领域的文章中意义一致，而不应解释为理想状态或过分正式的语态。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种能量调节方法，用以控制一燃料电池组的输出能量。该燃料电池组与一二次电池组的至少一者供应能量予一负载，该能量调节方法包括：
利用一升压调节模块，调升该燃料电池组的电压，用以产生一第一调节电压，其中该升压调节模块根据一第一控制信号，调升该燃料电池组的电压；
利用一降压调节模块，调降该第一调节电压，用以产生一第二调节电压予该负载，其中该降压调节模块根据一第二控制信号，调降该第一调节电压；
检测该燃料电池组、该升压调节模块、该降压调节模块及该负载的至少一者，用以产生一检测结果；以及
根据该检测结果，产生该第一及第二控制信号。
2.如权利要求1所述的能量调节方法，其中该检测步骤包括：
检测该燃料电池组的电压及电流；
检测该降压调节模块的电压及电流；
检测该负载的电流；以及
检测该升压调节模块及该降压调节模块的温度。
3.如权利要求1所述的能量调节方法，其中当该降压调节模块的电流小于该负载的电流时，该燃料电流组及该二次电池组共同提供能量予该负载；当该降压调节模块的电流等于该负载的电流时，该燃料电流组单独提供能量予该负载，并且该二次电池组处于不充电也不放电状态；当该降压调节模块的电流大于该负载的电流时，该燃料电流组提供能量予该负载，并对该二次电池组充电。
4.如权利要求1所述的能量调节方法，还包括：
利用一控制器区域网络接口，接收一设定信号，其中该第一及第二控制信号与该设定信号有关。
5.如权利要求4所述的能量调节方法，还包括：
比较该设定信号与一实际电位值；以及
根据比较结果，产生该第一及第二控制信号，使得该降压调节模块的电压、电流或功率等于该设定信号。
6.如权利要求4所述的能量调节方法，还包括：
根据该设定信号，令该降压调节模块的功率等于该负载的一需求功率，其中该二次电池组处于不充电也不放电状态。
7.如权利要求1所述的能量调节方法，其中该燃料电池组的电压是逐渐被调升，并且该第一调节电压是逐渐被调降。
8.如权利要求1所述的能量调节方法，还包括：
根据该检测结果，判断是否发生一异常现象；以及
当发生该异常现象时，发出一警示讯息。
9.如权利要求8所述的能量调节方法，其中该异常现象为过压、过流、过温或是元件异常。
10.如权利要求1所述的能量调节方法，其中利用一显示器或是一蜂鸣器，发出该警示讯息。
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