CN112599821A - 燃料电池复合动力控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，控制燃料电池及储能电池以提供动力给变动负载，方法包含以下步骤：启动燃料电池，依据变动负载第一变动负载需求功率及储能电池的电池需求功率以计算燃料电池的需求风量；接着，根据需求风量使鼓风机供给空气至燃料电池；再读取供给至燃料电池的实际风量值，并根据实际风量值计算燃料电池的输出电流区间；最后，将燃料电池的输出电流控制于输出电流区间内。因此，本发明提供的燃料电池复合动力控制方法及其系统，可提供适当的空气量，使燃料电池能维持稳定的操作电压，进而提升燃料电池的寿命，同时由控制储能电池的荷电状态，使控制燃料电池的误差容许度得以放宽。

Description

燃料电池复合动力控制方法及其系统

技术领域

本发明为一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，特别是指一种以燃料电池及储能电池提供变动负载电力，在启动燃料电池前，先根据储能电池及变动负载的功率需求来计算燃料电池的需求风量的燃料电池复合动力控制方法及其系统。

背景技术

近年来，持续发展为重要的课题，全球因而致力追求能源、环保与经济的平衡发展。在运输工具方面，一般使用汽油作为动力来源，然而，在汽油转换为能量的过程中会释放大量的温室气体，无疑违背追求环保的目标，尤其在京都议定书生效后的温室气体减量压力下，各国也渐渐提出能源替代方案。由于燃料电池可循环利用的特性，使燃料电池技术在运输工具上的应用，成为兼顾环境保护，与顺应目前高能源价格时代的解决方案。

在燃料电池的发电过程中，必须供应适当的空气参与反应，若参与反应的空气过量，将导致燃料电池内部水分流失而影响性能与寿命，相反地，若参与反应地空气过少，将导致燃料电池操作电压下降，输出的功率也因此降低。因此，如何控制适量的空气参与反应，是燃料电池需解决的一重要课题。

在现有技术当中，通过监测燃料电池负载的电流，经由燃料电池控制器根据负载的电流计算出燃料电池的空气量需求，再将空气量需求信号传送给空气压缩机，使空气压缩机提供空气给燃料电池。然而，现有技术的缺点在于，当空气压缩机为燃料电池提供空气时，将会增加燃料电池的负载需求，如此一来，监测到的负载电流便会随着空气压缩机的运作而改变，进而导致燃料电池的电压于反馈控制当中震荡，进而使得燃料电池的电流输出不稳定。

在另一现有技术当中，在燃料电池系统运作时，预先测试空气压缩机在不同风量下的内耗电流，而在燃料电池系统实际运行时，仅监测系统净输出电流，如此一来，便不会产生因空气压缩机而造成的反馈控制的震荡。然而，此方法中燃料电池的电流为净输出电流加上预先测试的内耗电流值，由于预先测试的内耗电流值为一特定状态下的电流值，在实际运行上，燃料电池运转时的气体压力为动态震荡状态，因而空气压缩机的内耗电流值势必也处于震荡状态，若直接假定内耗电流为一恒定值可能会造成实际空气供应超出可接受值范围，且若空气压缩机等内部组件随着时间而效率衰退，将会使空气供应量随时间而越来越不足，进而导致燃料电池的性能加速衰退。

发明内容

本发明提供一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，由变动负载的需求功率及储能电池的需求功率以计算燃料电池的需求风量，取代现有技术中利用燃料电池的变动负载电流以估算需求风量的方式，使燃料电池能维持稳定的进风量。

本发明提供一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，由调整燃料电池与储能电池之间的电流输出，当需求功率发生瞬间变化的情况下，也能输出稳定的电流。

本发明提供一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，由储能电池的状态及变动负载的功率需求量以决定是否启动燃料电池，以使控制燃料电池的误差容许度得以放宽，同时避免能源的浪费。

本发明提出一种燃料电池复合动力控制方法，控制燃料电池及储能电池，且燃料电池及储能电池的至少其一用以提供动力给变动负载，该方法包含以下步骤：首先，启动燃料电池，并依据变动负载的第一变动负载需求功率及储能电池的电池需求功率以计算燃料电池的欲输出电流；并根据输出电流计算燃料电池的需求风量；再根据需求风量以提供风量需求信号至鼓风机，使鼓风机供给空气至燃料电池；接着，读取供给至燃料电池的实际风量值，并根据实际风量值计算燃料电池的输出电流区间；最后，根据输出电流区间以提供控制电流范围信号至直流/直流变压器以控制直流/直流变压器，使燃料电池的输出电流可控制于输出电流区间内。其中，当变动负载产生第二变动负载需求功率时，若判断第二变动负载需求功率小于第一变动负载需求功率时，输出部分该燃料电池的该输出电流至储能电池，反之，当判断第二变动负载需求功率大于或等于第一变动负载需求功率时，则由储能电池提供一补给电流至变动负载。

在执行燃料电池复合动力控制方法的过程中，读取储能电池的最大放电功率，以确定储能电池的最大放电功率，并比较最大放电功率与第一变动负载需求功率，当最大放电功率小于第一变动负载需求功率时，则可启动燃料电池，反之，当最大放电功率大于或等于第一变动负载需求功率时，则通过储能电池提供电力至变动负载。

此外，在执行燃料电池复合动力控制方法的过程中，将储能电池的荷电状态(State-Of-Charge,SOC)控制于第一阈值及第二阈值之间，一旦当荷电状态小于或等于第一阈值时，则对储能电池进行充电，当荷电状态大于或等于第二阈值时，则使储能电池进行放电；其中，对储能电池进行充电的方法选自于独立地对储能电池进行充电、输出部分燃料电池的输出电流至储能电池及上述方法的组合，对储能电池进行放电的方法选自于独立地对储能电池进行放电、通过储能电池提供电力至变动负载及上述方法的组合。

本发明提出一种燃料电池复合动力控制系统，用以提供电力至一变动负载，本发明提出的系统包含燃料电池、鼓风机、储能电池及控制单元，其中，燃料电池提供输出电流，鼓风机供给空气至燃料电池，储能电池产生电池需求功率，控制单元，读取第一变动负载需求功率、第二变动负载需求功率及电池需求功率，且产生风量需求信号并将风量需求信号传送至鼓风机，且，控制单元读取供给至燃料电池的实际空气值以计算燃料电池的输出电流区间，并控制燃料电池的输出电流于输出电流区间内。其中，当变动负载瞬间产生第二变动负载需求功率时，控制单元判断第二变动负载需求功率小于第一变动负载需求功率时，输出部分输出电流输出至储能电池，反之，当控制单元判断第二变动负载需求功率大于或等于第一变动负载需求功率时，则由储能电池提供一补给电流至变动负载。

燃料电池复合动力控制系统还与电池管理系统单元连接，电池管理系统单元针对储能电池的电池需求功率、最大放电功率、荷电状态进行监测与控制。

进一步地，当燃料电池复合动力控制系统运行时，电池管理系统将储能电池的荷电状态控制于第一阈值及第二阈值之间。

其中，当电池管理系统监测到储能电池的荷电状态小于或等于第一阈值，则电池管理系统及控制单元的至少其一可使储能电池进行充电；当电池管理系统监测到储能电池的荷电状态大于或等于第二阈值，则电池管理系统及控制单元的至少其一可使储能电池进行放电。

其中，燃料电池复合动力控制系统还包含直流/直流变压器，控制单元控制直流/直流变压器，使输出电流位于输出电流区间内。燃料电池复合动力控制系统还包含风量计，风量计量测实际风量值，并由控制单元读取实际风量值。

综上所述，本发明提出一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，由变动负载的需求功率及储能电池的需求功率来计算燃料电池的需求风量，以克服现有技术中存在的技术瓶颈，使适量的空气供给至燃料电池。除此之外，还适时的调整燃料电池与储能电池之间电流的供应，并加入是否启动储能电池做为缓冲的判断，使本发明的燃料电池复合动力控制方法及其系统具备稳定的操作电压、较宽的操作容错能力及减少能源浪费等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一实施例的控制方法流程图；

图2为本发明的一实施例的控制系统方块示意图；

图3为本发明的一实施例的控制方法流程图；

图4为本发明的一实施例的控制方法流程图；

图5为本发明的一实施例的控制方法流程图。

符号说明：

1、燃料电池复合动力控制系统，10、控制单元，20、电池管理系统单元，30、鼓风机，40、储能电池，50、燃料电池，60、直流/直流变压器，70、逆变器，80、风量计，90、变动负载；

S01、S02、S03、S04、S05、S06：步骤；

S21、S22、S23a、S23b：步骤；

S31、S32、S33a、S33b：步骤；

S41、S42、S43a、S43b、S43c：步骤。

具体实施方式

关于本发明的优点与精神可以由以下详述及所附图式得到进一步的了解。本发明实施例的构造及使用详细说明如下。必须了解的是本发明提供了许多可应用的创新概念，在特定的背景技术之下可以做广泛的实施。此特定的实施例仅以特定的方式表示，以制造及使用本发明，但并非限制本发明的范围。

本发明提供一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，控制燃料电池及储能电池，且燃料电池及储能电池的至少其一是用以提供动力给一变动负载。请参考图1及图2，图1为本发明公开的一种控制方法流程图，图2则为本发明公开的一种控制系统方块示意图。

根据图1所示，本发明的方法包含以下步骤：首先，在步骤S01中，燃料电池复合动力控制系统1中的控制单元10启动燃料电池50；在步骤S02中，控制单元10读取变动负载90的第一变动负载需求功率、通过电池管理系统单元20以读取储能电池40的电池需求功率，并根据第一变动负载需求功率及电池需求功率以计算燃料电池50的欲输出电流；在步骤S03中，控制单元10根据燃料电池50的输出电流以计算燃料电池50的需求风量；在步骤S04中，控制单元10根据需求风量以提供风量需求信号至鼓风机30，使鼓风机30供给空气至燃料电池50；在步骤S05中，控制单元10读取风量计80量测供给至燃料电池50的实际风量值，并根据实际风量值计算燃料电池50的输出电流区间；最后，在步骤S06中，控制单元10根据输出电流区间以提供控制电流范围信号至直流/直流变压器60，以控制直流/直流变压器60使燃料电池50的输出电流于输出电流区间内。需说明的是，负载的功率需求可以由逆变器得知，除此之外，在车辆行驶当中，可以由读取油门位置信号经过行车计算机分析后得知，也就是说，可由逆变器得知实时变动负载功率，行车计算机可预估变动负载功率需求。由于在燃料电池复合动力系统的实际运作过程当中，变动负载的需求功率势必会随着使用情况而有所变化，在本发明当中，控制单元10持续地通过逆变器以读取变动负载的需求功率，进而适时地改变鼓风机提供给燃料电池的风量；另外，在实际的应用中，本发明的燃料电池复合动力系统还会因为变动负载的功率变化，而瞬间或短时间内产生额外的能量需求，也因此在需求功率上会有一明显的变化，基于上述，本发明还提供一种当变动负载的需求功率在瞬间产生变化时的应对方法，请同时参考图2及图3，图3为本发明公开的一种当变动负载的需求功率在瞬间产生变化时的控制方法流程图。

当变动负载的需求功率在瞬间或短时间内产生变化时，也就是步骤S21，控制单元10读取瞬间或短时间内产生的第二变动负载需求功率，接着进行步骤S22，控制单元10判断第二变动负载需求功率是否小于该第一变动负载需求功率，若第二变动负载需求功率大于或等于第一变动负载需求功率时，如步骤S23a所述，储能电池40提供补给电流至变动负载90，相反地，若第二变动负载需求功率小于该第一变动负载需求功率时，则如步骤S23b所述，控制单元10控制直流/直流变压器60，使部分输出电流输出至储能电池40。

除此之外，为了减少能源的浪费，本发明还依据变动负载的需求功率及储能电池的最大放电功率，以决定是否启动燃料电池进行供电。请同时参考图2及图4，图4为本发明的一实施例的控制方法流程图。

在燃料电池复合动力控制系统1运行时，还与电池管理系统单元20连接，以计算出储能电池40的最大放电功率，并使控制单元10可读取第一变动负载需求功率，并确定储能电池40的最大放电功率，如步骤S31所示，接着，在步骤S32中，控制单元10判断最大放电功率是否小于第一变动负载需求功率，若最大放电功率大于或等于第一变动负载需求功率，如步骤S33a所述，控制单元10不启动燃料电池50，而是由储能电池40进行供电，相反地，若最大放电功率小于第一变动负载需求功率，则如步骤S33b所述，控制单元10启动燃料电池50。

此外，本发明还依据储能电池的荷电状态，以决定是否启动燃料电池进行供电。请同时参考图1、图2及图5，图5为本发明的一实施例的控制方法流程图。

在执行燃料电池复合动力控制系统1时，先通过电池管理系统单元20控制储能电池40的荷电状态，并使控制单元10确定储能电池40的荷电状态，如步骤S41所示，接着在步骤S42中，判断储能电池40的荷电状态若介于第一阈值及第二阈值之间时，如步骤S43a所述，控制单元10启动燃料电池50，并接着执行上述图1中的步骤；相反地，储能电池40的荷电状态小于或等于第一阈值时，则如步骤S43b所述，电池管理系统单元20及燃料电池复合动力控制系统1中的至少一个则可用来控制储能电池40以使其进行充电，举例来说，可为独立地对储能电池40进行充电、输出部分燃料电池50的输出电流至储能电池40，以及上述方法的组合，或如步骤S43c所述，当荷电状态大于或等于第二阈值时，则电池管理系统单元20及燃料电池复合动力控制系统1中的至少一个可用来控制储能电池40以使其进行放电，举例来说，可为独立地使储能电池40进行放电，或由储能电池40以对变动负载进行供电，以及上述方法的组合。

其中，由于荷电状态的定义主要区分为两种，其一为绝对荷电状态(AbsoluteState-Of-Charge；ASOC)及相对荷电状态(Relative State-Of-Charge；RSOC)，通常而言，相对荷电状态的定义不论及电池种类、使用状况，而是指电池完全充电时即为100％、完全放电时即为0％，而绝对荷电状态则是一个依据电池材料特性、制造特性等多种因素而定的数值，是为一个根据电池固定容量值所计算出来的参考值，换言之，对于绝对荷电状态而言，一个全新完全充电电池的绝对荷电状态是100％，而老化的电池即便完全充电，在不同充放电情况中也无法到100％。根据上述可知，本案所述的第一阈值、第二阈值若以相对荷电状态为例说明时，第一阈值可能介于80％-90％之间，而第二阈值则介于15％-25％之间。

需加以说明的是，在本发明所述的燃料电池复合动力控制方法中，在燃料电池复合动力控制系统1控制储能电池40以使其进行充、放电的步骤中，并非燃料电池复合动力控制系统1中的控制单元10在控制储能电池40，换言之，控制单元10并无法控制储能电池40，而是由控制燃料电池复合动力控制系统1中的直流/直流变压器的输出功率，以达到控制功率的流向。还明确而言，本发明将直流/直流变压器作为电流源，而储能电池则作为电压源，因此控制单元只需要控制直流/直流变压器的输出功率就可以决定电流的流向。当输出功率大于变动负载的需求，电流自然会向储能电池充电，当输出功率小于变动负载需求，储能电池便会自然地进行放电。

由上述可知，本发明的燃料电池复合动力控制系统如图2所示，燃料电池复合动力控制系统1用以提供电力至变动负载90，系统包含控制单元10、电池管理系统单元20、鼓风机30、储能电池40、燃料电池50、直流/直流变压器60、逆变器70、风量计80。其中，电池管理系统单元20用以计算储能电池40的电池需求功率、最大放电功率、荷电状态。鼓风机30用以供给空气至燃料电池50。风量计80用以量测供给至燃料电池50的实际风量。控制单元10可通过逆变器70以读取变动负载90的变动负载需求功率，并通过电池管理系统单元20读取储能电池40的电池需求功率，并计算燃料电池50的输出电流，控制单元10还根据输出电流计算需求风量以提供风量需求信号至鼓风机30，根据读取风量计80量测的实际风量值，控制单元10可计算出燃料电池50的输出电流区间并控制直流/直流变压器60，使燃料电池50的输出电流控制于输出电流区间内。

除此之外，控制单元10确定瞬间或短时间内产生的第二变动负载需求功率，并判断第二变动负载需求功率是否小于该第一变动负载需求功率，若第二变动负载需求功率大于或等于该第一变动负载需求功率时，储能电池40提供补给电流至变动负载90，相反地，若第二变动负载需求功率小于第一变动负载需求功率时，控制单元10控制直流/直流变压器60，使部分输出电流输出至储能电池40。

此外，控制单元10还在确定第一变动负载需求功率及储能电池40的最大放电功率后，判断最大放电功率是否小于第一变动负载需求功率，若最大放电功率大于或等于第一变动负载需求功率，则控制单元10不启动燃料电池50，储能电池40自然进行供电，相反地，若最大放电功率小于第一变动负载需求功率，则控制单元10启动燃料电池50。

综合上述，本发明提出一种燃料电池复合动力控制方法及其系统，根据变动负载的需求功率及储能电池的需求功率计算燃料电池的空气需求量，以提供适当的空气量，使燃料电池能保持良好的功率，同时具备良好的性能。在变动负载的需求功率产生瞬间变化时，根据需求功率的变化，应对地控制部分电流输出至储能电池，或由储能电池供给电流至变动负载。除此之外，还依据储能电池的最大放电功率与变动负载的需求功率之间的比较，以及储能电池的荷电状态，以决定是否启动燃料电池。经由上述可知，本发明所提出的燃料电池复合动力控制方法及其系统具备有稳定燃料电池操作电压的优点，进而使燃料电池的寿命得以提升，且由燃料电池与储能电池之间的配合，得以充分供应变动负载的功率需求，以达到减少能源浪费的好处。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池复合动力控制方法，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制方法控制一燃料电池及一储能电池，且该燃料电池及该储能电池的至少其一是用以提供动力给一变动负载，该储能电池产生一电池需求功率，该变动负载产生一第一变动负载需求功率及一第二变动负载需求功率，该燃料电池复合动力控制方法包含以下步骤：

启动该燃料电池，并依据该第一变动负载需求功率及该电池需求功率以计算该燃料电池的一欲输出电流；

根据该欲输出电流计算该燃料电池的一需求风量；

根据该需求风量提供一风量需求信号，以使空气供给至该燃料电池；

读取供给至该燃料电池的一实际风量值，并根据该实际风量值计算该燃料电池的一输出电流区间；

提供一控制电流范围信号，以控制直流/直流变压器使该燃料电池的一输出电流于该输出电流区间内；

其中，当瞬间产生该第二变动负载需求，且该第二变动负载需求功率小于该第一变动负载需求功率时，则输出部分该燃料电池的该输出电流至该储能电池，当该第二变动负载需求功率大于或等于该第一变动负载需求功率时，则由该储能电池提供一补给电流至该变动负载。

2.根据权利要求1所述的燃料电池复合动力控制方法，其特征在于，在启动该燃料电池的步骤之前，还包含：

读取该储能电池的一最大放电功率，以确定该储能电池的该最大放电功率；

比较该最大放电功率与该第一变动负载需求功率，当该最大放电功率小于该第一变动负载需求功率时，则启动该燃料电池，当该最大放电功率大于或等于该第一变动负载需求功率时，不启动该燃料电池，并选择性地通过该储能电池提供电力至该变动负载。

3.根据权利要求1所述的燃料电池复合动力控制方法，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制方法还包括：将该储能电池的一荷电状态控制于一第一阈值及一第二阈值之间，且当该荷电状态小于或等于该第一阈值时，则对该储能电池进行充电，当该荷电状态大于或等于该第二阈值时，则使该储能电池进行放电。

4.根据权利要求3所述的燃料电池复合动力控制方法，其特征在于，对该储能电池进行充电的方法选自于独立地对该储能电池进行充电、输出部分该燃料电池的该输出电流至该储能电池及上述方法的组合。

5.根据权利要求3所述的燃料电池复合动力控制方法，其特征在于，对该储能电池进行放电的方法选自于独立地使该储能电池进行放电、通过该储能电池提供电力至该变动负载及上述方法的组合。

6.一种燃料电池复合动力控制系统，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制系统用以提供电力至一变动负载，该变动负载产生一第一变动负载需求功率及一第二变动负载需求功率，该燃料电池复合动力控制系统包含：

一燃料电池，提供一输出电流；

一鼓风机，供给空气至该燃料电池；

一储能电池，产生一电池需求功率；

一控制单元，读取该第一变动负载需求功率、该第二变动负载需求功率及该电池需求功率，且该控制单元产生一风量需求信号后将该风量需求信号传送至该鼓风机，且读取供给至该燃料电池的一实际风量值以计算该燃料电池的一输出电流区间，并控制该燃料电池的该输出电流于该输出电流区间内；

其中，当瞬间产生该第二变动负载需求，该控制单元判断的该第二变动负载需求功率小于该第一变动负载需求功率时，则输出部分该燃料电池的该输出电流至该储能电池，当该控制单元判断该第二变动负载需求功率大于或等于该第一变动负载需求功率时，则由储能电池提供一补给电流至该变动负载。

7.根据权利要求6所述的燃料电池复合动力控制系统，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制系统还与一电池管理系统单元连接，该电池管理系统单元针对该储能电池的该电池需求功率、一最大放电功率、一荷电状态进行监测与控制。

8.根据权利要求6所述的燃料电池复合动力控制系统，其特征在于，该电池管理系统还将该储能电池的该荷电状态控制于一第一阈值及一第二阈值之间，且该电池管理系统及该燃料电池复合动力控制系统的至少其一是依据该第一阈值及该第二阈值以使该储能电池进行充电或放电。

9.根据权利要求6所述的燃料电池复合动力控制系统，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制系统还包含一直流/直流变压器，该控制单元控制该直流/直流变压器，使该输出电流位于该输出电流区间内。

10.根据权利要求6所述的燃料电池复合动力控制系统，其特征在于，所述燃料电池复合动力控制系统还包含一风量计，该风量计量测该实际风量值。

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