TW201637906A - 燃料電池混合動力系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池混合動力系統包含一低溫型燃料電池組、一二次電池組、一馬達單元、一傳動機構及一控制單元。該馬達單元電性連接至該低溫型燃料電池組及二次電池組。該傳動機構機械性連接於該馬達單元，以便該馬達單元選擇經由該傳動機構輸出一動力。該低溫型燃料電池組電性連接於該二次電池組。該控制單元連接於該低溫型燃料電池組、二次電池組、馬達單元及傳動機構。利用該低溫型燃料電池組及二次電池組依不同需求交替或整合驅動該馬達單元及傳動機構，且在該傳動機構進行減速或煞車時，利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組。

Description

燃料電池混合動力系統及其控制方法

本發明係關於一種燃料電池混合動力系統及其控制方法；特別是關於一種低溫型〔low-temperature〕燃料電池混合動力系統及其控制方法。

關於習用燃料電池混合動力系統，例如：中華民國專利公告第I390793號之〝用於車輛應用中之可分離式燃料電池動力單元〞發明專利，其揭示一種可分離式及可攜式燃料電池動力單元。該可分離式及可攜式燃料電池動力單元具有一單一外殼。該外殼包含一燃料儲存器、至少一電氣化學燃料電池堆疊、一補給燃料汽門及一空氣流道。該燃料儲存器用以儲存燃料，而該電氣化學燃料電池堆疊用於從流體燃料處傳送電力。

上述第I390793號之該補給燃料汽門位在該外殼之外側表面上。該空氣流道經由位在該燃料電池堆疊中之陰極元件而延伸介於一第一入口汽門及一第一出口汽門之間。該第一入口汽門位在該外殼之一外側表面上，而該第一出口汽門位在該外殼之一外側表面上。該可分離式及可攜式燃料電池動力單元包含一控制迴路，且該控制迴路用於形成該車輛上之動力控制器，以測定當該動力單元與其結合時的可容許操作狀態。

另一習用燃料電池混合動力系統，例如：中華民國專利公告第M399055號之〝太陽光伏製氫之燃料電池混合電動車動力裝置〞新型專利，其揭示一種太陽光伏製 氫之燃料電池混合電動車動力裝置包含一太陽光伏發電系統、一電解器、一燃料電池、一蓄電池、一能源管理系統及一馬達。

上述第M399055號藉由該太陽光伏發電系統可直接啟動該馬達，或充電至該蓄電池，以提供啟動該馬達轉動該電動車之動力，或該太陽光伏發電系統啟動該電解器產生一氫氣，以便供應至該燃料電池，由該燃料電池產生電力後啟動該馬達，或該蓄電池充電飽合後，該太陽光伏發電系統供電該電解器產生該氫氣，並將該氫氣存放入一氫氣瓶，以供該燃料電池發電使用。該蓄電池可接受一外部充電裝置進行充電，且該燃料電池及蓄電池經由一電源管理系統提供電源。該電源管理系統用以分配與選擇電力提供給至該馬達。

另一習用燃料電池混合動力系統，例如：中華民國專利公開第201444716號之〝具有燃料電池及氣動引擎的動力混合式運輸設備〞發明專利申請案，其揭示一種動力混合式運輸設備。該動力混合式運輸設備包含一氣體供應源、一渦輪、一氣動引擎、一燃料電池、一熱能回收模組、一電動馬達、一發電機及一動力輸出裝置。

上述第201444716號之該氣體供應源提供一高壓氫氣，且該高壓氫氣驅動該渦輪產生一第一機械動力，並變成一中壓氫氣，該中壓氫氣在驅動該氣動引擎後，產生一第二機械動力，並變成一低壓氫氣。再該燃料電池依該低壓氫氣產生一第一電力。該熱能回收模組將該燃料電池發電所產生的熱能回收，並對該高壓氫氣或中壓氫氣加熱。該發電機接收該第一機械動力，並產生一第二電力。該電動馬達依該第一電力及第二電力產生一第三機械動力。該動力輸出裝置依該第二機械動力及第三機械動力使該運輸設備產生移動。藉此，可以有效利用該高壓氫氣的 勢能及化學能來產生機械動力及電力來驅動該運輸設備。

另一習用燃料電池混合動力系統，例如：中華民國專利公開第200929656號之〝燃料電池混合電力裝置〞發明專利申請案，其揭示一種燃料電池混合電力裝置包含一燃料電池電力供給迴路及一二次電池電力供給迴路。該燃料電池電力供給迴路與該二次電池電力供給迴路係電氣並聯連接。

上述第200929656號之該燃料電池電力供給迴路包含一燃料電池單元、一燃料電池電壓轉換單元及一感測單元。該燃料電池單元為一燃料電池電力產生裝置，且該燃料電池電壓轉換單元為一電力電壓轉換裝置。該感測單元用以感測該燃料電池電力供給迴路所輸出之電力特性，並輸出對應該燃料電池單元輸出電力之電力特性的電氣訊號。

上述第200929656號之該二次電池電力供給迴路包含一二次電池及一充電單元。該二次電池為一可充電之蓄電裝置，而該充電單元為一電力控制裝置，並由該充電單元控制該二次電池電力供給迴路供應至該二次電池進行充電的電力特性。

上述第200929656號之該二次電池電力供給迴路之電力輸入端電氣連接該燃料電池單元之電力輸出端，而該二次電池電力供給迴路之電力輸出端電氣連接該燃料電池電力供給迴路之電力輸出端，且該燃料電池電氣串聯該燃料電池電壓轉換單元於該燃料電池電力供給迴路中。該感測單元電氣連接該充電單元，且由該充電單元依該感測單元所輸出的電氣訊號決定該二次電池電力供給迴路供應該二次電池進行充電的電力特性。該感測單元依該燃料電池電力供給迴路的傳輸電力進行調節該燃料電池電力供給迴路輸出端之設定電壓值與該二次電池電力供給迴路輸 出端之設定電壓值，且該二設定電壓值之間具有差值，並控制該充電單元進行該二次電池單元的充電。該燃料電池單元以設定的固定電力功率輸出電力。

然而，習用燃料電池混合動力系統及其動力輸出或回收控制方法必然存在進一步改良切換操作駕駛模式之需求。前述公告第I390793號、公告第M399055號、公開第201444716號及公開第200929656號專利僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。

有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種燃料電池混合動力系統及其控制方法，其利用一低溫型燃料電池組及一二次電池組依不同需求交替或整合驅動一馬達單元及一傳動機構，且在該傳動機構進行減速或煞車時，利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組，以改善習用燃料電池混合動力系統在不同駕駛模式中無法進行切換操作之技術缺點。

本發明較佳實施例之主要目的係提供一種燃料電池混合動力系統及其控制方法，其利用一低溫型燃料電池組及一二次電池組依不同需求交替或整合驅動一馬達單元及一傳動機構，且在該傳動機構進行減速或煞車時，利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組，以達成提升不同駕駛模式之操作穩定性之目的。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之燃料電池混合動力系統包含：一低溫型燃料電池組，其提供一第一電力；一二次電池組，其提供一第二電力；一馬達單元，其電性連接至該低溫型燃料電池組及二次電池組，以便該低溫型燃料電池組及二次電池組 交替或整合驅動該馬達單元；一傳動機構，其機械性連接於該馬達單元，以便該馬達單元選擇經由該傳動機構輸出一動力；及一控制單元，其連接於該低溫型燃料電池組、二次電池組、馬達單元及傳動機構；其中利用該低溫型燃料電池組及二次電池組依不同需求交替或整合驅動該馬達單元及傳動機構，且在該傳動機構進行減速或煞車時，利用利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組。

本發明較佳實施例之該低溫型燃料電池組選自一直接甲醇燃料電池、一甲醇重整燃料電池、一鹽水燃料電池、一金屬空氣燃料電池或一質子交換膜燃料電池。

本發明較佳實施例之該二次電池組選自一鋰電池。

本發明較佳實施例另包含一廢熱回收單元，利用該廢熱回收單元之廢熱加熱一燃料供應單元。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含：提供一第一操作模式及一第二操作模式結合操作一低溫型燃料電池組及一二次電池組；利用該低溫型燃料電池組及二次電池組依該第一操作模式交替或整合輸出一電力；於該第一操作模式選擇利用該電力驅動一馬達單元，且該馬達單元選擇經由一傳動機構輸出一動力；於該第二操作模式選擇利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組；及選擇依該低溫型燃料電池組之電池狀態提供一氫氣進行補充。

本發明較佳實施例之該第一操作模式為一駕 駛模式。

本發明較佳實施例之該第二操作模式為一減速/煞車模式或一下坡滑行模式。

本發明較佳實施例提供一第三操作模式為一啟動模式或一低速行駛模式。

本發明較佳實施例提供一第四操作模式為一加速模式或一上坡爬行模式。

本發明較佳實施例提供一第五操作模式為一全速行駛模式。

10‧‧‧低溫型燃料電池組

101‧‧‧系統電力單元

102‧‧‧DC-DC轉換單元

11‧‧‧燃料供應單元

111‧‧‧溫度控制單元

12‧‧‧廢熱回收單元

20‧‧‧二次電池組

30‧‧‧馬達單元

40‧‧‧傳動機構

60‧‧‧控制單元

第1圖：本發明較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法之流程示意圖。

第2圖：本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖。

第2A圖：本發明另一較佳實施例之燃料電池混合動力系統採用燃料電池組、二次電池組及馬達單元之間電力傳輸關係之方塊示意圖。

第3圖：本發明第二較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖。

第4圖：本發明第三較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖。

為了充分瞭解本發明，於下文將舉例較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。

本發明較佳實施例之燃料電池混合動力系統及其控制方法適用於各種規格低溫型燃料電池及二次電池，但其並非用以限定本發明之範圍。本發明較佳實施例之燃料電池混合動力系統及其控制方法適合應用於各種機 械變速傳動相關技術領域，例如：複合動力機踏車之傳動機構或複合動力車輛之傳動變速箱等，但其並非用以限定本發明之燃料電池混合動力系統之應用範圍。

第1圖揭示本發明較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法之流程示意圖，其包含六個主要步驟方塊。請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第一步驟S1、第二步驟S2、第三步驟S3、第四步驟S4及第五步驟S5，但其並非用以限定本發明之步驟順序，在不脫離本發明之操作方法下將選擇適當省略或增加操作步驟，或調整操作步驟之前後順序。

第2圖揭示本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖，其對應實施第1圖之燃料電池混合動力控制方法。請參照第2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力系統包含一低溫型燃料電池組10、一二次電池組〔secondary battery set〕20、一馬達單元30、一傳動機構40及一控制單元60，且該控制單元60包含一行駛狀態選擇模組。

請再參照第2圖所示，舉例而言，該低溫型燃料電池組10選自一直接甲醇燃料電池〔direct-methanol fuel cell，DMFC〕、一甲醇重整燃料電池〔reformed methanol fuel cell，RMFC〕、一鹽水燃料電池〔salt water fuel cell〕、一金屬空氣燃料電池〔metal-air fuel cell〕或一質子交換膜燃料電池〔PEMFC〕。然而，在電動機或車輛在加速或減速時，導致該低溫型燃料電池組10之電流產生急劇變化，使高成本的該低溫型燃料電池組10之使用壽命減短，因而必然需要適當延長其使用壽命。

請再參照第2圖所示，為了避免該低溫型燃料電池組10之使用壽命減短，採用加裝該二次電池組20，且利用該二次電池組20之可充電特性做為電流緩衝，以降 該低溫型燃料電池組10產生急劇放電電流變化之次數。舉例而言，該二次電池組20選自一鋰電池〔lithium cell〕或其它各種蓄電池。

請再參照第2圖所示，舉例而言，該馬達單元30電性連接至該低溫型燃料電池組10及二次電池組20。該傳動機構40機械性連接於該馬達單元30，以便該馬達單元30選擇經由該傳動機構40輸出一動力。該低溫型燃料電池組10電性連接於該二次電池組20。該控制單元60連接於該低溫型燃料電池組10、二次電池組20、馬達單元30及傳動機構40，以便進行適當控制或切離該低溫型燃料電池組10、二次電池組20、馬達單元30及傳動機構40。

請參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第一步驟S1：首先，提供一第一操作模式及一第二操作模式結合操作該低溫型燃料電池組10及二次電池組20。該第一操作模式為一駕駛模式或一正常〔normal〕或巡弋〔cruise〕駕駛模式，而該第二操作模式為一減速〔slow down〕/煞車〔brake〕模式或一下坡滑行〔downhill drive〕模式。

請再參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第二步驟S2：接著，利用該控制單元60控制該低溫型燃料電池組10及二次電池組20依該第一操作模式交替或整合輸出一驅動電力。本發明可選擇由該低溫型燃料電池組10提供一第一電力，亦可選擇由該二次電池組20提供一第二電力，或可選擇由該低溫型燃料電池組10及二次電池組20共同提供一複合電力。

請再參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第三步驟S3：接著，於執行該第一操作模式時，選擇利用該驅動電力驅動 該馬達單元30，且該馬達單元30選擇經由該傳動機構40輸出一動力，以便可駕駛各種交通工具或驅動各種動力機械設備。

請再參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第四步驟S4：接著，於執行該第二操作模式〔例如：車輛空檔〔neutral gear〕滑行、下坡滑行或煞車〕時，該控制單元60選擇利用該低溫型燃料電池組10經由一充電電路進行充電該二次電池組20，並切離該低溫型燃料電池組10之電力供應至該馬達單元30。

請再參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例利用該控制單元60提供一第三操作模式、一第四操作模式及一第五操作模式。該第三操作模式為一啟動〔start〕模式〔包含重新啟動〔restart〕模式〕或一低速行駛〔low-speed drive〕模式，而該第四操作模式為一加速〔acceleration〕模式或一上坡爬行〔uphill drive〕模式，且該第五操作模式為一極速或全速行駛〔full-speed drive〕模式。

請再參照第1及2圖所示，在執行該啟動模式或低速行駛模式時，該控制單元60選擇利用該二次電池組20提供該第二電力至該馬達單元30，並切離該低溫型燃料電池組10，以減少操作該低溫型燃料電池組10之輸出電流急劇變化。

請再參照第1及2圖所示，在切換執行該加速模式或上坡爬行模式時，該控制單元60選擇利用該低溫型燃料電池組10提供該第一電力至該馬達單元30，並切離該二次電池組20，以便完全利用該低溫型燃料電池組10之輸出第一電力驅動該馬達單元30。

請再參照第1及2圖所示，在進一步切換執行 該極速或全速行駛模式時，該控制單元60先選擇利用該低溫型燃料電池組10提供該第一電力至該馬達單元30，或依不同需求設計選擇將該二次電池組20提供該第二電力整合併入使用。

請再參照第1及2圖所示，本發明第一較佳實施例之燃料電池混合動力控制方法包含第五步驟S5：接著，選擇依該低溫型燃料電池組10之電池狀態提供一氫氣進行補充。舉例而言，該低溫型燃料電池組10可選擇由一氫氣加氣站進行補充該氫氣。

第2A圖揭示本發明另一較佳實施例之燃料電池混合動力系統採用燃料電池組、二次電池組及馬達單元之間電力傳輸關係之方塊示意圖，其對應實施第2圖。請參照第2A圖所示，相對於第一實施例，本發明另一較佳實施例之燃料電池混合動力系統包含一系統電力單元101電性連接於該低溫型燃料電池組10及二次電池組20之間，以便將該低溫型燃料電池組10之電力經由該系統電力單元101傳輸至該二次電池組20。另外，在進行充電時，可選擇利用經由該系統電力單元101充電該二次電池組20，且其並非用以限定本發明。

請再參照第2A圖所示，本發明另一較佳實施例之燃料電池混合動力系統包含一DC-DC轉換單元102電性連接於該低溫型燃料電池組10及馬達單元30之間，且該DC-DC轉換單元102亦電性連接於該二次電池組20及馬達單元30之間。如此，該低溫型燃料電池組10經由該DC-DC轉換單元102供應電力，以驅動該馬達單元30，且該二次電池組20亦經由該DC-DC轉換單元102供應電力，以驅動該馬達單元30。

第3圖揭示本發明第二較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖，其對應實施第2圖。請參照第3 圖所示，相對於第一實施例，本發明第二較佳實施例之燃料電池混合動力系統另包含至少一個或數個燃料供應單元〔例如：氫氣瓶或其它裝燃料容器〕11及一廢熱回收單元12，且該廢熱回收單元12用以回收該低溫型燃料電池組10之廢熱。利用該廢熱回收單元12之回收廢熱進行導引輸出，以加熱一個或數個該燃料供應單元11，以提升該燃料供應單元11之轉換效率。

第4圖揭示本發明第三較佳實施例之燃料電池混合動力系統之示意圖，其對應實施第3圖。請參照第4圖所示，相對於第二實施例，本發明第三較佳實施例之燃料電池混合動力系統另包含一溫度控制單元111，而該溫度控制單元包含一溫度感測器、一加熱器〔例如：電加熱器〕或兩者組合，且該溫度感測器及加熱器選擇連接至該控制單元60。該溫度感測器用以偵測該燃料供應單元11之溫度，如此在該廢熱回收單元12廢熱回收加熱之下監控該燃料供應單元11之操作溫度。

請再參照第4圖所示，若該燃料供應單元11之操作溫度高於一預定溫度時，將不操作該加熱器，或停止操作該加熱器。反之，若該燃料供應單元11之操作溫度低於該預定溫度時，利用該加熱器額外執行加熱該燃料供應單元11，或利用該加熱器額外執行預熱該燃料供應單元11，以便確保將該燃料供應單元11保持在一預定溫度。

前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。本案著作權限制使用於中華民國專利申請用途。

10‧‧‧低溫型燃料電池組

20‧‧‧二次電池組

30‧‧‧馬達單元

40‧‧‧傳動機構

60‧‧‧控制單元

Claims (10)

1. 一種燃料電池混合動力系統，其包含：一低溫型燃料電池組，其提供一第一電力；一二次電池組，其提供一第二電力；一馬達單元，其電性連接至該低溫型燃料電池組及二次電池組，以便該低溫型燃料電池組及二次電池組交替或整合驅動該馬達單元；一傳動機構，其機械性連接於該馬達單元，以便該馬達單元選擇經由該傳動機構輸出一動力；及一控制單元，其連接於該低溫型燃料電池組、二次電池組、馬達單元及傳動機構；其中利用該低溫型燃料電池組及二次電池組依不同需求交替或整合驅動該馬達單元及傳動機構，且在該傳動機構進行減速或煞車時，利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組。
2. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池混合動力系統，其中該低溫型燃料電池組一直接甲醇燃料電池、一甲醇重整燃料電池、一鹽水燃料電池、一金屬空氣燃料電池或一質子交換膜燃料電池。
3. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池混合動力系統，其中該二次電池組選自一鋰電池。
4. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池混合動力系統，其中另包含一廢熱回收單元，利用該廢熱回收單元之廢熱加熱一燃料供應單元。
5. 一種燃料電池混合動力控制方法，其包含：提供一第一操作模式及一第二操作模式結合操作一低溫型燃料電池組及一二次電池組；利用該低溫型燃料電池組及二次電池組依該第一操作模式交替或整合輸出一電力；於該第一操作模式選擇利用該電力驅動一馬達，且該馬 達選擇經由一傳動機構輸出一動力；於該第二操作模式選擇利用該低溫型燃料電池組充電該二次電池組；及選擇依該低溫型燃料電池組之電池狀態提供一氫氣進行補充。
6. 依申請專利範圍第5項所述之燃料電池混合動力控制方法，其中該第一操作模式為一駕駛模式。
7. 依申請專利範圍第5項所述之燃料電池混合動力控制方法，其中該第二操作模式為一減速/煞車模式或一下坡滑行模式。
8. 依申請專利範圍第5項所述之燃料電池混合動力控制方法，其中提供一第三操作模式為一啟動模式或一低速行駛模式。
9. 依申請專利範圍第5項所述之燃料電池混合動力控制方法，其中提供一第四操作模式為一加速模式或一上坡爬行模式。
10. 依申請專利範圍第5項所述之燃料電池混合動力控制方法，其中提供一第五操作模式為一全速行駛模式。