TWI253196B - Double cell electric energy manager of electrically driven equipment with fuel cell - Google Patents

Description

1253196 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種雙電池供電控制裝置，特別是指一 種包括有燃料電池之電動設備雙電池電能管理裝置。 【先前技術】 近年來在電池的發展上可以說種類繁多，例如錯酸電 池、鋅錳乾電池、鎳鎘電池、鎳氫化物電池、鋰離子電池、 鋰高分子電池、鋅空氣燃料電池等。由於鉛酸電池、鎳氳 化物電池、链離子電池之發展及應用較為成熟，故在目前 的電動車的電池中，大都採用此類電池作為電力供應之電 池。 查在各種移動式之電動設備中，其所需之電力必需依 賴電池來供應，傳統所使用之電池大都使用錯酸電池或鎳 氫化物電池。然而，在採用此類傳統電池作為電動設備的 電力來源時，由於受限於該電池之特性，往往無法達到良 好的電力供應。 例如以電動輪椅的應用方面，傳統的電動輪椅即大都 使用錯酸電池來作為該電動輪椅的電力來源。由於電動輪 椅在一般的平坦路面所需的正常電力（Nominal Power)與欣 坡時所需之最大電力（Peak Power)之差距甚大，在使用傳統 電池作為該電動輪椅的電力來源時，即往往無法符合該電 動輪椅的電力需求。 【發明内容】 1253196 本發明所欲解決之技術問題·· 由於採用單-電池組之技術往往無法因應不同電動設 備所需之電力需求’故乃有雙電力供電裝置之設計。然而， 在採用雙電力供電之設計時，雖然可以達到預期的電力需 求，但往往成本極高、體積笨重，且形成電力之浪費。 例如以電動輪椅的應用方面，該電動輪椅在行進於平 坦路面所需的正常電力僅需伽，但在㈣時最大電力 (Peak P〇wer)可能會高達⑺晴⑽，若使用最大電歸㈣ ‘⑻達1000Watt則然料電池，在一般平坦路面使用狀況 下則顯，過而不用’且體積成本皆會大幅增加。為了彌補 其間的洛差，而又不使用較大功率的燃料電池組，因此實 有必要設計出雙電池供電之電能管理裝置。 、 緣此，本發明之主要目的即是為了提供一種包括有燃 料電池之電動設備雙電池電能管理裝置，藉由該電能管理 裝置以有效管理燃料電池與辅助電池之電力供應。 本發明之另一目的是提供一種可控制燃料電池盥可充 電電池之電力供應及充電之電能管理裝£，該燃料電池所 產生之電力除了能供應負載所需之電力之外，亦同時作為 該可充電電池之充電電力。 ^ 本發明之另一目的是提供一種以燃料電池及可充電電 池供應電動輪椅電力之電能控制裝置，藉由有效管理該燃 料電池與可充電電池之電力，而可因應電動輪椅所需之 力特性需求。 本發明之另一目的是提供一種燃料電池及可充電電池 可並聯供應電力之電能控制裝置，在—般負餘況下，僅 1253196 需該燃料電池供應所需之電力，而當負載較大時，則由該 燃料電池及可充電電池並聯供應較大之電力需求。 本發明解決問題之技術手段·· 本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段，係 在燃料電池組與一輔助電池之間具有一充電控制電路，一 微控器具有—充電電流控制、線，可輸出電電流控制信 號控制該充電控制電路所產生之充電電流之大小，當該充 電電流控制信號係在燃料電池組之燃料電池輸出電壓大於 辅助電池之電池輸出㈣之條件了，依據該辅助電池之預 設電池輸出電壓準位，以充電控制電路所產生之充電電流 對輔助電池進行充電。 本發明中亦包括有一電池並聯供電切換電路連接於該 燃料電池組之電壓輸出端與辅助電池之電壓輸出端之間， 以使電池輸出電壓大^一預設電壓時，使該燃料電池組與 輔助電池共同供電至電動設備。 本發明應用在電動輪椅時，在系統剛開啟瞬間由輔助 電池供應微控器及鼓風機等所需的電力，此後由燃料電池 來供電。燃料電池的平常供電量在一般平坦路面燃料電池 可提供足夠電力，當爬坡時，所需電力增加，此時由輔助 電池提供額外不足的電力，當恢復為平坦路面或下坡時， 則燃料電池開始對輔助電池充電，如此而形成了本發明之 智慧型自動供電及充電系統。 本發明對照先前技術之功效： 1253196 “本發明透過良好的雙電池電能管理，充份運用了燃料 電池之特性及優點，而與一般可充電電池共同供應例如電 動輪椅等電動設備所需之優良電力，使該電動設備不論在 輕載狀況下或是重载狀況下皆能得到穩定的電力供應。且 本發明巾·狀雙電力供電設計巾，可以有效克服傳統 技術中成本高、體積笨重、浪費電力等之缺失。 【實施方式】 參閱第一圖所示，其係顯示本發明包括有燃料電池之 電動設備雙電池電能管理裝置應用結合在一電動輪椅時之 立體示意圖，而第二圖係顯示本發明之控制電路圖。在本 發明之應用實施例中，該電動設備係可為一電動輪椅1〇〇, 該電動輪椅100之適當位置處配置有一燃料電池組i及一 輔助電池2，藉由該燃料電池組1及輔助電池2可供應一馬 達3所需之電力’以帶動該電動輪椅1⑻行進。 … 參閱第二圖所示之本發明控制電路圖，其顯示燃料電 池組1之電壓輸出端可供應一燃料電池輸出電壓Vfc，並可 供應電動設備之馬達3所需之電力。該燃料電池組丨之電 壓輸出端之燃料電池輸出電壓Vfc經由二極體D1、D2並 聯連接一分流電路4。該燃料電池組1配置有一氫氣供應源 11，用以供應該燃料電池組1反應所需之氫氣，在本發明 應用在例如電動輪椅之電動設備時，該氫氣供應源u乃為 儲氫罐。 ^ 該燃料電池組1之電壓輸出端所供應之燃料電池輸出 電壓Vfc可經由二極體D1、D2之後，供應至充電控制電 ^53196 路 ^ 之充電電壓輸入端，該燃料電池輸出電壓Vfc經由充 μ控制電路5之充電電壓輸出端而供應出一電池充電電 且兮雷& 巧、、 ^电>也充電電源再經由一二極體D3而供應至一輔助電池 作為該輔助電池之充電電源。 辅助電池2之電壓輸出端可供應一電池輸出電壓 (例如36V直流電壓）’且該電壓輸出端經由一二極 、_ AL· ^ 敬動開關SW而可使該電池輸出電壓Vbat供應$ 電壓 壓 丑S機電源供應電路21。鼓風機電源供應電路21在接 “镯出電壓Vbat後，可由輸出端輸出一例如24V之輪出 向该24V之輸出電壓可供應給鼓風機6作為工作電 前述之辅助電池2係可為鋰電池、鎳氫電池、或苴 類型之可充電式電池。 、匕 Μ /彳政控器電源供應電路22可由該鼓風機電源供應電路 取得—例如24V之輸入電壓，再產生一微控器工作電壓 器UV直流電壓）至一微控器7作為工作電壓。該微控 : 係作為檢測本發明中各項相關參數信號及控制本發明 項控制動作。 檢測端PV^也2之電壓輸出端連接至微控器7之電池電壓 壓榦出姓Μ ’可由該微控器7隨時檢測該辅助電池2之電 測器23可用電也輪出電壓亀1之電壓狀態。一電池溫度感 該辅助㈣檢測出該輔助電池2之操作溫度狀態，並將 端PTbat : 2之溫度信號送至該微控器7之電池溫度檢測 ^控③7具有—充電電流控制端Plemd，經由〆充 1253196 電電流控制線連接至充電控制電路5，該微控器7之充電電 流控制端PIcmd可輸出一充電電流控制信號Icmd，用以控 制該充電控制電路5所輸出至輔助電池2之充電電流之大 小〇 該微控器7具有一燃料電池電壓檢測端PVfc，經由一 信號線連接至燃料電池組1之電壓輸出端，可用來檢測該 燃料電池組1之電壓輸出端之燃料電池輸出電壓Vfc之電 壓狀態。 一燃料電池溫度感測器12可用來檢測出該燃料電池組 1之溫度狀態，並將該燃料電池組1之溫度信號送至該微控 器7之燃料電池溫度檢測端PTfc。此外，一氫氣壓力感測 器13可用來檢測出該燃料電池組1之氫氣壓力狀態，並將 一氫氣壓力信號送至該微控器7之氫氣壓力檢測端PH。 一電驛8包括有一線圈81及一開關接點82,該線圈81 可由微控器7之電池並聯供電控制端RLY所控制，而該開 關接點82之一端係連接至輔助電池2之電壓輸出端，而另 一端則經由一二極體D5連接至電動設備之馬達3。 當使用者按下啟動開關SW時，輔助電池2之電池輸 出電壓Vbat經由二極體D4及啟動開關SW供應至鼓風機 電源供應電路21，經過該鼓風機電源供應電路21之後，而 由鼓風機電源供應電路21之輸出端輸出一輸出電壓。該輸 出電壓會供應給鼓風機6作為工作電壓，使鼓風機6轉動 而提供該燃料電池組1反應所需之空氣。同時，該鼓風機 電源供應電路21之輸出電壓會經由微控器電源供應電路22 降壓至一適合之電壓（例如12V之直流電壓），再供應至微 1253196 控器7。此時，微控器7執行預定的系統啟動之程序，以啟 動燃料電池組1。當該燃料電池組丨完成啟動之後，氫氣供 應源11供應氫氣至燃料電池組i，該燃料電池組i即可供 應電力至電動設備之馬達3。 在系統啟動時’微控器7會檢測輔助電池2於空載時 之電池輸出電壓Vbat之大小，若輔助電池2之電池輸出電 壓Vbat小於一預設值（例如24V)，則微控器7會送出一充 電電流控制信號Icmd至充電控制電路5，由該充電控制電 路5供應一充電電流使輔助電池2受到充電。 而若輔助電池2之電池輸出電壓Vbat大於一預設電壓 值（例如18V)，則微控器7經由電池並聯供電控制端rly 控制電驛8動作，使輔助電池2之電力得以經由開關接點82 及二極體D5而供應至馬達3，如此而形成與燃料電池組工 並聯供電至該馬達3之狀態。該電驛8、線圈81及開關接 點82及相關之一極體乃構成了本發明控制電路中之電池並 聯供電切換電路，以使該輔助電池所產生之電池輸出電壓 大於一預設電壓值時，使該燃料電池組與輔助電池共同供 電至電動設備。 當使用者關閉（Turn Off)開關SW時，則輔助電池2之 電力停止供應至微控器7，鼓風機6亦停止動作，電驛8之 開關接點82開路，充電控制電路5亦停止充電電流之供應。 任何殘餘的電力將會消耗於分流電路4。亦即，當系統關閉 時’燃料電池組1仍有殘餘的電力，利用該分流電路4消 除β亥殘餘的電力’以保護燃料電池組1。該分流電路4可為 一電阻。 11 1253196 a此外，該分流電路4亦可作為限制燃料電池組丨的電 壓上限值36V，以防止燃料電池組i可能產生過大電壓對 系統造成影響。而當輪椅在踩剎車或減速時，馬達3形成 一發電機，該分流電路4亦可將回充的電力消除，保護燃 料電池組1不受影響。 在任何時間，當燃料電池組i之燃料電池輸出電壓 大於輔助電池2之電池輸出電壓Vbat時，充電控制電路5 =會試圖將輔助電池2充電至充電電流控制㈣Iemd所設 疋之準位。在進行充電時，若電池輸出電壓Vbat已達到預馨 設之電壓準位時，則充電電流控制信號Icmd為〇，其表示 該輔助電池2已充滿電。 當微控器7檢測輔助電池2在空載時之輸出電壓Vbat 達到一預設值時（例如大於27V)，則表示該輔助電池2已呈 滿電狀態’則微控器7送出之充電電流控制信號Icmd為 0A。 若微控器7檢測到辅助電池2在空載時之輸出電壓 Vbat小於該預定值（小於27v)，則充電控制電路5產生一 充電電流向該輔助電池2進行充電。而其充電電流之大小 則視電池輸出電壓Vbat之大小而比例地予以設定。 第二圖係顯示供應至輔助電池之充電電流與充電電壓 之關係曲線圖。若電池輸出電壓Vbat介於例如18〜29V時， 則充電電流控制k號icm(j會控制該充電控制電路5產生3 a 之充電電流向该輔助電池2進行充電。當電池輸出電壓vbat 由29V開始上升時’充電電流控制信號Icmd將會線性地下 降’以使4充電控制電路5產生線性比例下降之充電電流 12 1253196 ㈣輔助電池2進行充電。當該輔助電池2之電池輸出電 壓Vbat上升至30V時，則其充電電流為〇A，亦即停止 該輔助電池2之充電。 、 在安全設計方面，當放電時，電池輪出電壓vbat降至 一預定準位（例如18V)以下時，表示該輔助電池2完全放 電，此時，應停止該輔助電池2繼較電。t關助電池2 ，溫度Tbat大於或等於攝氏6〇度時，表示異常，應關閉 該輔助電池2。當氫氣壓力感· 13檢測出供應至燃料電 池組1之氫氣壓力小於10psig時，則表示該燃料電池υι 之氫氣罐之氫氣已用完，應關閉燃料電池。 · 藉由上述充電控制電路5、輔助電池2及燃料電池組i 的組合使得系統能依電池充電狀態及燃料電池所能提供的 電力不同，而由一充電電流控制信號Icmd來控制充電控制 電路5的充電電流之大小。 本發明採用了燃料電池結合鎳氫電池（或其它類型之電 池）的雙電池供電方式運作來供應例如電動輪椅所需之電 力’在系統剛開啟瞬間由輔助電池供應微控器及鼓風機… 等所需的電力，此後由燃料電池來供電，由於燃料電池的 · 平常供電量為200Watt，最大供電（Peak Power)約達 400Watt，因此在一般平坦路面燃料電池可提供足夠電力。 當爬坡時，所需電力增加，設定最大供電為iOOOWaU，此 時由輔助電池提供額外不足的電力，當恢復為平坦路面或 下坡時（其實只要燃料電池有足夠的電力提供輔助電池時即 可）’則燃料電池開始對輔助電池充電，如此而形成了本發 明之智慧型自動供電及充電系統。 13 1253196 藉由以上之電路架構可知，本發明包括有燃料電池之 電動設備雙電池電能管理裝置充份運用了燃料電池之特性 及優點，而供應例如電動輪椅等電動設備一優良電力之雙 電池供電系統，故本發明確具產業上之利用價值。 综言之，本發明所提供之上揭設計確具高度的實用性。 惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，凡 精於此項技術者當可依據本發明之上述實施例說明而作其 匕種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的 種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及以下所界 定之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第一圖係顯示本發明包括有燃料電池之電動設備雙電池電 能管理裝置應用在一電動輪椅時之立體圖； 第二圖係顯示本發明包括有燃料電池之電動設備雙電池電 能管理裝置之控制電路圖； 第三圖係顯示供應至輔助電池之充電電流與充電電壓之關 係曲線圖。 【主要元件符號說明】 100 電動輪椅 1 燃料電池組 11 氫氣供應源 12 燃料電池溫度感測器 13 氫氣壓力感測器 1253196 2 輔助電池 21 鼓風機電源供應電路 22 微控器電源供應電路 23 電池溫度感測 3 馬達 4 分流電路 5 充電控制電路 6 鼓風機 7 微控器 8 電驛 81 線圈 82 開關接點 D1、D2、D3、D4、D5、D6 二極體 SW 啟動開關 Vfc 燃料電池輸出電壓 Vbat 電池輸出電壓 Icmd 充電電流控制信號

15

Claims (1)

1253196 十、申請專利範圍： 1 ·種包括有燃料電池之電動設備雙電池電能管理裝置， 包括有： 至少一燃料電池組，該燃料電池組係分別經由空氣供應 I置、氫氣供應裝置供給反應所需之空氣及氫氣，該燃 料電池組之電壓輸出端可輸出一燃料電池輸出電壓； 至少一辅助電池，其係為一可充電之電池組，其電壓輸 出端可輸出一電池輸出電壓； 充電彳工制電路，其充電電壓輸入端係連接至該燃料電 池組之電壓輸出端，用以取得該燃料電池輸出電壓，而 其充電電壓輸出端係連接至該輔助電池，以供應一充電 電源至該輔助電池； 一微控器，具有一充電電流控制線，連接至該充電控制 電路，用以輸出一充電電流控制信號控制該充電控制電 路所產生之充電電流之大小； 其中遠充電電流控制信號係在燃料電池組之燃料電池輸 出電壓大於輔助電池之電池輸出電壓之條件下，依據該謂| 輔助電池之預設電池輸出電壓準位而調整該充電控制電 路所產生之充電電流大小。 2·如申请專利範圍第1項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該空氣供應裝置中包括有一 鼓風機，用以供應該燃料電池反應所需之空氣，該鼓風 機係由一鼓風機電源供應電路供應工作電壓，而該鼓風 16 1253196 機電源供應電路係串聯一啟動開關而連接至該輔助電池 之電壓輸出端，當該啟動開關被壓按下後，由該輔助電 池之電壓輸出端供應一工作電壓至該鼓風機電源供應電 路，以使該鼓風機開始運動。 3.如申請專利範圍第丨項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該燃料電池組之電壓輸出端 更連接有一分流電路。 4·如申晴專利範圍第i項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能官理裝置，其更包括有一電池並聯供電切換 電路，以使该輔助電池所產生之電池輸出電壓大於一預 叹電壓時，使該燃料電池組與輔助電池共同供電至電動 設備。 如申凊專利範圍第1項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該電動設備係一電動輪椅。 如申清專利範圍第1項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該輔助電池係為鎳氫電池。 種包括有燃料電池之電動設備雙電池電能管理裝置， 包括有： 至少:燃料電池組，該燃料電池组係分別經由空氣供應裝 置、氫氣供應裝置供給反應所需之空氣及氫氣，該燃料電 17 1253196 池組之電壓輸出端可輸出-燃料電池輸出電壓； 山v輔助電池，其係為一可充電之電池組，其電壓輸出 立而可輸出一電池輸出電壓； έ充電^制電路’其充電電壓輸人端係連接至該燃料電池 工之電壓輸出端，用以取得該燃料電池輸出電壓，而其充 電電壓輸出端係連接至該輔助電池，以供應一充電電源至 該辅助電池； -電池供電切換電⑬，以使該辅助電池所產生之電池 輸出電壓大於-預設電壓時，使該燃料電池組與輔助電池 共同供電至電動設備； 一微控器，具有一電池並聯供電控制端，可控制該電池並 聯，電切換電路之動作，該微控器亦包括有一電池電壓檢 測端，用以檢測該輔助電池之電池輸出電壓之電壓狀態； 其中該微控器經由該電池電壓檢測端檢測出該辅助電池之 電池輸出電壓大於一預設電壓時，經由該電池並聯供電控 制端控制該電池並聯供電切換電路動作，以使該燃料電池 組與辅助電池共同供電至電動設備。 •如申明專利範圍第7項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該空氣供應裝置中包括有一 鼓風機，用以供應該燃料電池反應所需之空氣，該鼓風 機係由一鼓風機電源供應電路供應工作電壓，而該鼓風 機電源供應電路係串聯一啟動開關而連接至該輔助電池 之電壓輸出端，當該啟動開關被壓按下後，由該輔助電 池之電壓輸出端供應一工作電壓至該鼓風機電源供應電 18 I253196 路，以使該鼓風機開始運動。 申明專利範圍第7項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，該微控器更包括有一充電電流控 制^，連接至該充電控制電路，用以輸出一充電電流控 號控制該充電控制電路所產生之充電電流之大小； 其中该充電電流控制信號係在燃料電池組之燃料電池輸 出電壓大於輔助電池之電池輸出電壓之條件下，依據該 輔助電池之預設電池輸出電壓準位而調整該充電控制電 路所產生之充電電流大小。 10·如申請專利範圍第7項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該燃料電池組之電壓輸出端 更連接有一分流電路。 11.如申請專利範圍第7項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該電動設備係一電動輪椅。 12·如申請專利範圍第7項所述包括有燃料電池之電動設備 雙電池電能管理裝置，其中該輔助電池係為鎳氫電池。 19