TW200919150A - Energy management module and driving device utilizing the same - Google Patents

Description

200919150 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種驅動 有燃料電池的驅動裝置。 、特別是有關於一種具 【先前技術】 L、料電池(puel CeU)的應 電力、車船的電力系:田、泛，例如家庭備用 皆可使用燃料功率的可攜式電子產品等， 才电池。母一燃料電池且 在膜電極組的陽極端供給 的難電極罐ΕΑ)。 適量的氧氣後，在陰極輕二目，的燃料，在陰極端給 電位差’故可提供電流予、一“負：化:反應而產生-反應生成物為二氧化、。由於燃料電池的 物質… 水’故不會產生任何化學有機 物貝因此，燃料電池可稱為環保能源。 子有機 • _電池的化學反應 2:=咖有所不同 定提供小：二 嚴重傷害燃料電池。倘若固 本身的效能。另外，若二則，法充份發揮燃料電池 下次使用時，需先活:=使用燃料電池時，則在 【發明内容】 卷月提ί、種驅動裂置，用以驅動一負載，並包括 200919150 一二次電池、—燃料電池以及一能量 〇 理模組麵接燃料電池與二次電池，根據：雷 壓’產生-第—或第二電流信號予該負载:… / 及一提供一種能量管理模組，接-二次電池以 及-帽池，用以驅動一負載，並包 ::及電流產生單元。電壓轉換單元轉換燃料電：或二 =電_電壓’以產生—電壓信號。電流產生單元接收 邊電壓“號，並根據燃料電池之電壓，產生一第一或第 一電流"is號予負載。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 ”、、員易1，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作 詳細說明如下： 【實施方式】 第1圖為本發明驅動系統之示意圖。如圖所示，驅動 ( 系統1〇〇具有驅動裝置110以及負載120。負載120根據 驅動裝置11G所提供的電源信號而執行相關功能。在本 只施例中，負載120係為風扇（fan)、幫浦（pump)、加熱 器或是其它電器。 第2圖為本發明之驅動裝置之示意圖。如圖所示，驅 動裝置110包括，二次電池21 〇、燃料電池220以及能量 官理模組230。二次電池21〇係為可重覆充電的電池，如 鋰電池、鎳鎘電池以及鎳氫電池。能量管理模組23〇耦 接二次電池210以及燃料電池22〇，用以根據二次電池 210所產生的電壓sSEC或是根據燃料電池220所產生的 6 200919150 電壓sFC而驅動負載。 曰广在本實施例中，當燃料電池220為不穩定狀態時，能 量管理模組230根據二次電池21〇所產生的電壓心扣驅 動負載。當燃料電池220為穩定狀態時，能量管理模組 230改由根據燃料電池220所產生的電壓Sfc，而提供電 流信號予負載。在一可能實施例中，當燃料電池22〇所 產生的電壓sFC小於一預設值時，能量管理模組23〇提供 第一電流信號予負載。當電壓Sfc大於預設值時，能量管 理模組230提供第二電流信號予負載，其中第二電流信 號大於第一電流信號。 第3圖為本發明之能量管理模組之一可能實施例。如 圖所示，能量管理模組230包括電壓轉換單元31〇以及 電流產生單元320。電壓轉換單元31〇轉換電壓心此或

Sfc以產生電塵#號SDC。在本實施例中，電壓轉換單元 310可為一 DC/DC轉換器。電流產生單元32〇接收電壓 L號sDC，並根據彳§號組sCG1提供不同大小的電流信號 予負載。 在本實施例中，能量管理模組230更包括一處理單元 330。處理單元330根據燃料電池的狀態（如電壓sFC、或 狐度）’提供信號組SCG〗予電流產生單元32〇。因此，電 机產生單元320便可根據燃料電池之狀態，而提供不同 的電流仏唬予負載。另外，處理單元33〇更可根據燃料 電池的狀態而提供信號組Sew予一開關單元34〇。因此， 開關單7L 340可根據燃料電池之狀態，將電壓心^或 7 200919150 傳送至電壓轉換單元31〇。 如圖所示’開關單元340包括開關341及342。開關 341及342分別由信號組Sc〇2中的控制信號Sci及Sc2所 控制。當不導通開關342時，處理單元330所偵測量到 的電壓SFC為開迴路電壓（〇pen i〇〇p v〇itage)。當開關“Μ ，‘通B寸’處理單元33〇所偵測到的電壓為閉迴路電 壓（close l00p v〇ltage)。在本實施例中，處理單元33〇根

據燃枓電池的開迴路電壓及閉迴路電壓，產生信號組 ScGl 及 Sc<32。 a舉例而言，當燃料電池的開迴路電壓尚未達一工作電 壓時，開關單元340輸出電壓sSEC予電壓轉換單元310。 因此’電流產生單元320便可根據電壓sSEC，而驅動負 載:然而:在另-可能實施例中，為了加快燃料電池的 路電屋達工作電麼，可短暫地(如％秒）導通開關 2°此時’若利用燃料電池對二次電池充電，或是提供 小電流信料貞_’均可活化燃料電池。 340 ;=Γ開迴路電愿達工作電塵時，開關單元 330::1 Fc予電屢轉換單元310。此時’處理單元 ===的閉迴帽的大小，產生信號組s㈤ ==二：：=生單元32。接_ 流信號以驅動負Γ 號組、而提供電 時，楔f燃料電，的閉迴路電a小於-預設值 、、且230提供較小的電流信號。當燃料電 8 200919150 池的閉迴路電壓大於預設值時，能量管理模組23〇提供 較大的電流信號。在本實施例中，處理單元33〇具有偵 測電路331以及微處理器332。偵測電路331用以偵測燃 料電池的電壓sFC。微處理器332根據偵測結果，產生信 5虎組ScGl以及。 如圖所示，偵測電路331包括電阻R1、R2a及類比 數位轉換器AD卜類比數位轉換器細轉換節點说的 電屢，並將賴後的結果提供予微處理^ 332。由於節點 333的電壓係隨著燃料電池的電壓&而變化，因此，微 處理器332可根據類比數位轉換器細的轉換結果，得 知燃料電池的狀態。 在其它實施例中，能量管理模組23〇更包括一 =單：340,用以偵測燃料電池的溫度或是燃料電二環 境溫度。如圖所示，溫度_單元34〇包括電阻351、的^ 轉換器AW，其中電阻352可為熱敏電阻 ==元件，用以她度，比触轉換器姻 332。由於節點353的電壓係送至微處理器 是燃料電池的環境溫度)而變： =溫度偵測單元34。的偵測結果，.產2 = 藉由當，，溫度過低時，處理單元33。 sSEC予電壓轉::單& :關340輸出二次電池的電壓 轉換早几31〇。在燃料電池的溫度過低時，可 200919150 藉由活化程序，增加燃料電池的溫度。因此，在一可能 實施例中，當燃料電池的溫度小於一預設溫度時，利用 燃料電池對二次電流充電，或是利用燃料電池提供一小 電流予負載，均可增加燃料電池的溫度。 第4圖為本發明之電流產生單元之一可能實施例。如 圖所示’電流產生單元320包括限流單元410以及控制 器420。限流單元410可根據燃料電池之電壓sFC，提供 f、 不同的阻抗。控制器420根據限流單元410所提供的阻 抗，提供相對應的電流信號予負載。在本實施例中，控 制器420可為凌特(Linear)公司所生產的LTC4065或是 Maxim公司所生產的MAXI 870A或是MAX8724等，但 不限於此。 另外，限流單元410包括電阻411、412以及開關 413，用以提供第一或第二阻抗予控制器420。開關413 係由信號組SCG1中的控制信號So所控制。根據開關413 ij 的導通與否，便可提供不同的阻抗予控制器420。在另一 可能實施例中，限流單元410更具有電阻414、415以及 開關416、417。開關416及417可由信號組Scgi中的控 制信號Scm及Scs所控制。根據開關413、416及417的 導通與否，便可提供多組不同的阻抗予控制器420。 控制器420根據限流單元410所提供的阻抗，產生相 對應的電流化號。舉例而s，當燃料電池的電壓（閉迴路 電壓）小於預設值時，則處理單元330藉由信號組Scgi中 的控制信號So，不導通開關413。因此，控制器42〇根 200919150 據電阻411的阻抗，產生第、 * :壓(閉迴路電壓)大於預設值時，=以池的 二控制器御根據另一阻抗，產生 導二。因 中弟二電流信號大於第一電流信號。 4唬，其 另外，在本實施例中，控制/ 係藉由開關43】而傳送至“ 〇所棱供的電流信號 Q 士 I至負载。而開關431係由 二：中的控制信號Sc6所控制。因此，處理單元3=: ^料電池的狀態，決定是否由燃料電池擷取電流^ 可將=可Λ包含風扇及幫浦，故在其它實施例中’ 池的開迴路電絲達工作電㈣電 或咖H 1 暫地導通開關433 可“二 電流予風扇或幫浦。因此， 了加速燃料電㈣開迴路f/i達玉作電遷。 另外，當燃料電池的開询玖φ厭、本 ， ^ ,, ΑΛ .w ^ 电的開迎路電壓達工作電壓，但燃料 電=度小於預設温度時’可藉由信號組S⑽中的控 == 關a2 ’用以對二次電池充電。因而 ±θ加燃料電池的溫度。 ，5圖為本發明之控制方法之一可能實施例。控制方 、^ 1^用厂欠電池或燃料電池驅動負載。當燃料電 、、也&狀•、時，利用二次電池驅動負載。當燃料電 制；：疋狀態時，改利用燃料電池驅動負載。另外，.控 方法5GG可加速_電池進人穩^態。如圖所示， 200919150 百先’啟動鋰電池(步驟S51G)，然後再利⑽電池驅動 負載（步鱗S52〇)。由於燃料電池在長時間未使用的情況 下’無法立即產生穩定的電壓m因此，-開始係 利用二次電池驅動負载。 接著，偵測燃料電池的開迴路電壓是否達工作電壓 (步驟S5330)。當燃料電池的開迴路電墨未達工作電塵 時，可先利用燃料電池驅動一小部分的負載(步驟S54〇)， ==測燃料電池的開迴路電塵是否達工_ 右貞載包含風扇及幫浦時，由於風扇所需 (如20mA)’故可先利用燃料電池驅動風 ΐ電==料電池的開迴路電壓達工作電壓。在燃 時間後，再次偵測燃料電池的溫度。在—人電池充電一段 若燃料電池的溫度達預設溫度時 進入穩^狀態。因此，啟動燃料電池（步驟^電^ 止利用二次電池驅動負載（步驟s 由 ，並停 進入穩定狀態，故可改利用 ：:=池已 S590)。 电，也15動負裁（步驟 200919150 以圖為本發明之電流產生方式。 f電壓達工綱時，則可依據燃料電池的電壓 相對應的電流予負载。因此， 如仏 使用，因而增加燃料電池的壽命避免燃料電池被過度的 首先’判斷負載被驅動的時間是否未達第一預 ^ s⑴）。若是，賴供第—電流（㈣湖）^後: 再:斷，二也的電壓是否小於第—預設電_ υ。奴’表示燃料電池無法提供正常地驅動負載， 因此’停止利用燃料電池驅動負載(步驟s 則回到步驟S611。 ’ 令 當負載被驅動的時間達第一箱μ 士 否夫㈣+ 寸間時’判斷負載是 法未達苐二預設時間（步驟_)。若是，則提 =(步驟S622)。然後’再判斷燃料電池的電麗是否小於 設電屢(步驟S632)。若是’則回到步驟_。若 、’!=步驟S6〗2。在本實施例中’第二預設時間大 =一侃時間，第二電流大於第—電流，第二預設電 大於第一預設電壓。 否未=载被驅動的時間達第二預設時間時，_負載是 二，。然後，再判斷燃料電池的電壓是= 否(步驟S633)。若是，則回到步物2。若 於第U / 在本實施例中’第三預設時間大 電壓;忿:二:，電流大於第二電流，第三預設 久弟一預設電壓。 13 200919150 當負戴被，驅動的時間達第 ，步驟⑽）。在本實施例=7=，:提供第四 流。接著’判斷燃料電池的電厂堅是否=流大於第三電 驟S634)。若否，目，丨繼接，1疋古小於第四預設電壓（步 四預設電壓（步驟S634)。 的電奚疋否小於第 若燃料電池的電壓]、 動的時間是否未達签、預5又值時，則再判斷負载被驅 ⑽丰j 預設時間（步驟如4)。若是，則 時，則改提供第一^載被驅動的時間已達第四預設時間 :如ί、第二電流（步驟S625)。 然後’判斷燃料電池的 (步驟S635)。若否，目丨丨门z，止 a罘一預叹電壓 壓小於第-箱1「 步驟⑽。若燃料電池的電 秋德、^ 時，則提供第二電流（步驟S626)。 二、、後’再判斷燃料電池的 3 〃 的電堡疋否小於第二預設電麼（步 〃 —右否，則回到步驟S626。若燃料電池的電壓 ^弟一預設電壓時，則提供第—電流（步驟 S627)〇 然 :判：燃料電池的電壓是否小於第一預設電壓(步驟 a 37)若否，則回到步驟。若燃料電池的電壓小於 第一預設電壓時，回到步驟S641。 藉由判斷負動皮驅動的時間以及燃料電池的電壓，改 隻電/μ的大〗、。g負載被驅動的時間愈來愈長時，在燃 料電池=電壓符合預設電壓的情況下，可增加提供予負' 載的電流。此時，若燃料電池的電壓有變小的趨勢，則 可此表不燃料電池已逐漸趨於不穩定’則可依照燃料電 池的電壓’逐漸減小提料貞載的電流，以降低燃料電 200919150 池的負荷。當燃料電池的電㈣低時，則停止 電池驅動負載，並可改由二次電 用蠛料 载工常運H 4㈣動負載’以確保負 雖然本發明已以較佳管祐你丨蓝+丄 限定本發明，任何所属/ 揭路如上，然其並非用以 个U 4壬何所屬技術領域中具有 不脫離本發明之精神 °线者，在 界定者為準/之_關當視後附之申請專利範圍所 200919150 【圖式簡單說明】 第1圓為本發明驅動系統之示意圖。 第2圖為本發明之驅動裝置之示意圖 第3圖為本發明之能量管理模組之一可能實施例。 第4圖為本發明之電流產生單元之一可能實施例。 第5圖為本發明之控制方法之一可能實施例。 第6圖為本發明之電流產生方式。 【主要元件符號說明】 100 ·驅動糸統； Π0 :驅動裝置； 120 :負載； 210 :二次電池； 220 :燃料電池； 230 :能量管理模組； 310 :電壓轉換單元； 320 :電流產生單元； 330 :處理單元； 340 :開關單元； 331 :偵測電路； 332 :微處理器； 340 :溫度彳貞測單元·， 410 :限流單元； 420 :控制器； 16 200919150 ADI、AD2 ··類比數位轉換器； 341、342、413、416、417、431 〜434 :開關； RJ、R2、35 卜 352、411、412、414、415 :電阻。 1 7

Claims (1)

1. 200919150 十、申請專利範圍： 一種驅動裝置，用以驅動一負載，包括 一二次電池； 一燃料電池；以及 一能量管理模組，耦接該燃料電池與該二次電 據該燃料電池之電壓，產生一第一哎第_ 、 根 負載。 ㊉飞弟-電流信號予該

   2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動裝置，其中 量管理模組包括一電壓轉換單元，轉換該燃料電池或： 二次電池之電壓，以產生一電壓信號。 3. 如申請專利範圍第2項所述之驅動裝置，其中該能 量管理模組更包括一電流產生單元，接收該電壓信^肥 並根據該燃料電池之狀態，產生該第一或第二電流信號 予該負载。 °… 4. 如申請專利範圍第3項所述之驅動裝置，其中該電 流產生單元包括： 一限流單元，根據該燃料電池之電壓，提供一第一或 第二阻抗； 一控制器，當該限流單元提供該第一阻抗時，產生該 第一電流信號，當該限流單元提供該第二阻抗時，產生 該第二電流信號。 5.如申請專利範圍第4項所述之驅動裝置，其中該限 流早7C包括： 一第一電阻； 18 200919150 一第二電阻；以及 一開關’串聯該第二電阻，當該開關導通時，則該第 一電阻並聯該第二電阻。 6. 如申請專利範圍第5項所述之驅動裝置，其中當該 燃料電麗的電壓小於一預設值時，則不導通該開關，當 該燃料電壓的電壓大於該預設值時，則導通該開關。 7. 如申請專利範圍第3項所述之驅動裝置，其中該能 1管理模組更包括一處理單元，用以偵測該燃料電池之 狀態’並根據偵測結果，控制該電流產生單元產生該第 一或第二電流信號。 8·如申請專利範圍第7項所述之驅動裝置，其中該處 理單元包括： 一偵測電路’用以偵測該燃料電池的電壓； 一微處理器，當該燃料電池的電壓小於一預設值時， 控制該，机產生單元產生該第一電流信號，當該燃料電 池的電壓大於該預設值時，控制該電流產生單元產生該 弟一電流信號。 At曰9二如中凊專利範圍帛8項所述之驅動裝置，其中該該 λ畺f里模組更包括-第-開㈣，耦接於該燃料電池與 。亥電C轉換單元之間，並由該微處理器所控制。 10.如_晴專利範圍第9項所述之驅動裝置，其中該 更包括一温度轉元，用以繊燃 η.如申請專利範圍第10 項所述之驅動裝置，其中該 19 200919150 微處理器根據該燃料電池之溫度而導通該第一開關。 12. 一種能量管理模組’耦接一二次電池：及 電池，用以驅動一負載，該能量管理模組包括：’’、、 -電壓轉換單元，轉換該燃料電池或該二次 屢’以產生一電壓信號；以及 、 一電流產生單元，接收該電M信號，並根據該錄 池之電壓，產生-第-或第二電流信號予該負載。、

   13.如申請專利範圍第12項所述之能量管理模組，其 中該電流產生單元包括： 一限流單元，根據該燃料電池之電壓，提供一第一或 第二阻抗；以及 〆 控制态，當該限流單元提供該第一阻抗時，產生該 第電流信號，當該限流單元提供該第二阻抗時，產生 該第二電流信號。 14. 如申請專利範圍第13項所述之能量管理模組，其 中該限流單元包括： 一第一電阻； 第一電阻，以及 一開關，串聯該第二電阻’當該開關被導通時，該第 一電阻串聯該第二電阻。 15. 如申請專利範圍第14項所述之能量管理模組，其 中虽该燃料電壓的電壓小於一預設值時，則不導通該開 關’當該燃料電壓的電壓大於該預設值時，則導通該開 關0 20 200919150 16.如申請專利範 包括-處理單元，用以她;::電 偵料元提供該第_：或第二:根據 中該處理單元^乾圍弟16項所述之能量管理模組，其 偵測電路，用以债測該燃料電池的電屢； 一微處理i，#該_電 控制該限流單开裎柷分钕 預叹值時， λ 仪。弟一阻抗，當該燃料電池的電壓 大於该預設值時，㈣雜流單元提傾第二阻抗 中^.^請專利範圍第17項所述之能量管理模組，其 電：二=官理杈組更包括一第一開關’耦接於該燃料 電池與该電壓轉換單元之間。 如申請專利範圍第18項所述之能量管理模組，其 中該該能量管理模組更包括—溫度偵測單元，用測 该燃料電池之溫度。 、 20.如申請專利範圍第19項所述之能量管理模組，其 中該微處理器根據該燃料電池之溫度而導通該第一 關。 “歼 1 21