TWI735046B

TWI735046B - 燃料電池複合動力控制方法及其系統

Info

Publication number: TWI735046B
Application number: TW108135475A
Authority: TW
Inventors: 蕭逢祥; 張智偉
Original assignee: 台灣聯合氫能股份有限公司
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-08-01
Also published as: CN112599821A; CN112599821B; TW202115953A

Abstract

本發明係為一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，係控制燃料電池及儲能電池以提供動力給變動負載，方法包含以下步驟：啟動燃料電池，依據變動負載第一變動負載需求功率及儲能電池的電池需求功率以計算燃料電池的需求風量；接續，根據需求風量使鼓風機供給空氣至燃料電池；再讀取供給至燃料電池的實際風量值，並根據實際風量值計算燃料電池的輸出電流區間；最後，將燃料電池的輸出電流控制於輸出電流區間內。是以，本發明提供的燃料電池複合動力控制方法及其系統，可提供適當的空氣量，使燃料電池能維持穩定的操作電壓，進而提升燃料電池的壽命，同時藉由控制儲能電池的荷電狀態，使控制燃料電池的誤差容許度得以放寬。

Description

燃料電池複合動力控制方法及其系統

本發明係為一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，特別是指一種以燃料電池及儲能電池提供變動負載電力，在啟動燃料電池前，先根據儲能電池及變動負載的功率需求來計算燃料電池的需求風量的燃料電池複合動力控制方法及其系統。

近年來，永續發展為重要的課題，全球因而致力追求能源、環保與經濟的平衡發展。在運輸工具方面，一般使用汽油作為動力來源，然而，在汽油轉換為能量的過程中會釋放大量的溫室氣體，無疑違背追求環保的目標，尤其在京都議定書生效後的溫室氣體減量壓力，各國也漸漸釋出能源替代方案。由於燃料電池可循環利用的特性，使燃料電池技術於運輸工具上的應用，成為兼顧環境保護，亦是能因應目前高能源價格時代的解決方案。

在燃料電池的發電過程中，必須供應適當的空氣參與反應，若參與反應的空氣過量，將導致燃料電池內部水分流失而影響性能與壽命，相反地，若參與反應地空氣過少，將導致燃料電池操作電壓下降，輸出的功率也因此降低。因此，如何控制適量的空氣參與反應，是燃料電池需解決的一重要課題。

在習知技術當中，係透過偵測燃料電池負載的電流，經由燃料電池控制器根據負載的電流計算出燃料電池的空氣量需求，再將空氣量需求訊號傳送給空氣壓縮機，使空氣壓縮機提供空氣給燃料電池。然而，習知技術的缺點在於，當空氣壓縮機提供燃料電池空氣時，將會增加燃料電池的負載需求，如此一來，偵測到的負載電流便會隨著空氣壓縮機的運作而改變，進而導致燃料電池的電壓於回饋控制當中震盪，進而使得燃料電池的電流輸出不穩定。

在另一習知技術當中，係在燃料電池系統運作時，預先測試空氣壓縮機在不同風量下的內耗電流，而在燃料電池系統實際運行時，僅偵測系統淨輸出電流，如此一來，便不會產生因空氣壓縮機而造成的回饋控制的震盪。然而，此方法中燃料電池的電流係為淨輸出電流加上預先測試的內耗電流值，由於預先測試的內耗電流值為一特定狀態下的電流值，在實際運行上，燃料電池運轉時的氣體壓力為動態震盪狀態，因而空氣壓縮機的內耗電流值勢必亦處於震盪狀態，若直接假定內耗電流為一恆定值可能會造成實際空氣供應超出可接受值範圍，且若空氣壓縮機等內部組件隨著時間而效率衰退，將會使空氣供應量隨時間而越來越不足，進而導致燃料電池的性能加速衰退。

基於上述習知技術之瓶頸，本發明係提供一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，以提供適當的空氣量，使燃料電池能維持穩定的電流輸出，進而提升燃料電池的壽命。

本發明係提供一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，藉由變動負載的需求功率及儲能電池的需求功率以計算燃料電池的需求風量，取代習知技術中利用燃料電池的變動負載電流以估算需求風量的方式，使燃料電池能維持穩定的進風量。

本發明係提供一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，藉由調整燃料電池與儲能電池之間的電流輸出，當需求功率發生瞬間變化的情況下，亦能輸出穩定地電流。

本發明係提供一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，藉由儲能電池的狀態及變動負載的功率需求量以決定是否啟動燃料電池，以使控制燃料電池的誤差容許度得以放寬，同時避免能源的浪費。

本發明係提出一種燃料電池複合動力控制方法，係控制燃料電池及儲能電池，且燃料電池及儲能電池的至少其一係用以提供動力給變動負載，該方法包含以下步驟：首先，啟動燃料電池，並依據變動負載的第一變動負載需求功率及儲能電池的電池需求功率以計算燃料電池的欲輸出電流；並根據輸出電流計算燃料電池的需求風量；再根據需求風量以提供風量需求訊號至鼓風機，使鼓風機供給空氣至燃料電池；接續，讀取供給至燃料電池的實際風量值，並根據實際風量值計算燃料電池的輸出電流區間；最後，根據輸出電流區間以提供控制電流範圍訊號至直流/直流變壓器以控制直流/直流變壓器，使燃料電池的輸出電流可控制於輸出電流區間內。其中，當變動負載產生第二變動負載需求功率時，若判斷第二變動負載需求功率小於第一變動負載需求功率時，輸出部分輸出電流輸出至儲能電池，反之，當判斷第二變動負載需求功率不小於第一變動負載需求功率時，則由儲能電池提供一補給電流至變動負載。

在執行燃料電池複合動力控制方法的過程中，更藉由讀取儲能電池的最大放電功率，以確知儲能電池的最大放電功率，並比較最大放電功率與第一變動負載需求功率，當最大放電功率小於第一變動負載需求功率時，則可啟動燃料電池，反之，當最大放電功率不小於第一變動負載需求功率時，則透過儲能電池提供電力至變動負載。

又，在執行燃料電池複合動力控制方法的過程中，，更將儲能電池的荷電狀態(State-Of-Charge,SOC)控制於第一閾值及第二閾值之間，一旦當荷電狀態不大於第一閾值時，則對儲能電池進行充電，當荷電狀態不小於第二閾值時，則使儲能電池進行放電；其中，對儲能電池進行充電的方法選自於獨立地對儲能電池進行充電、輸出部分燃料電池的輸出電流至儲能電池及上述方法之組合，對儲能電池進行放電的方法選自於獨立地對儲能電池進行放電、透過儲能電池提供電力至變動負載及上述方法之組合。

本發明係提出一種燃料電池複合動力控制系統，用以提供電力至一變動負載，本發明提出的系統包含燃料電池、鼓風機、儲能電池及控制單元，其中，燃料電池提供輸出電流，鼓風機供給空氣至燃料電池，儲能電池產生電池需求功率，控制單元，讀取第一變動負載需求功率、第二變動負載需求功率及電池需求功率，且產生風量需求訊號並將風量需求訊號傳送至鼓風機，且，在控制單元讀取供給至燃料電池的實際空氣值以計算燃料電池的輸出電流區間，並控制燃料電池的輸出電流於輸出電流區間內。其中，當變動負載瞬間產生第二變動負載需求功率時，控制單元判斷第二變動負載需求功率小於第一變動負載需求功率時，輸出部分輸出電流輸出至儲能電池，反之，當控制單元判斷第二變動負載需求功率不小於第一變動負載需求功率時，則由儲能電池提供一補給電流至變動負載。

控制系統更與電池管理系統單元搭配，電池管理系統單元係針對儲能電池的電池需求功率、最大放電功率、荷電狀態進行偵測與控制。

更者，當執行燃料電池複合動力控制系統時，電池管理系統更將儲能電池的荷電狀態控制於第一閾值及第二閾值之間。

其中，當電池管理系統偵測到儲能電池的荷電狀態不大於第一閾值，則電池管理系統及/或控制單元使儲能電池進行充電；當電池管理系統偵測到儲能電池的荷電狀態不小於第二閾值，則電池管理系統及/或控制單元使儲能電池進行放電。

其中，控制系統更包含直流/直流變壓器，控制單元控制直流/直流變壓器，使輸出電流位於輸出電流區間內。控制系統更包含風量計，風量計量測實際風量值，並藉由控制單元讀取實際風量值。

綜上所述，本發明係提出一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，藉由變動負載的需求功率及儲能電池的需求功率來計算燃料電池的需求風量，以克服習知技術中存在的技術瓶頸，使將適量的空氣供給至燃料電池。除此之外，更適時的調整燃料電池與儲能電池之間電流的供應，亦加入是否啟動儲能電池做為緩衝的判斷，使本發明的燃料電池複合動力控制方法及其系統具備穩定的操作電壓、較寬的操作容錯能力及減少能源浪費等優點。

1:燃料電池複合動力控制系統

10:控制單元

20:電池管理系統單元

30:鼓風機

40:儲能電池

50:燃料電池

60:直流/直流變壓器

70:逆變器

80:風量計

90:變動負載

S01、S02、S03、S04、S05、S06:步驟

S21、S22、S23a、S23b:步驟

S31、S32、S33a、S33b:步驟

S41、S42、S43a、S43b、S43c:步驟

S51、S52、S53a、S53b:步驟

第1圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

第2圖係為本發明之一實施例之控制系統方塊示意圖。

第3圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

第4圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

第5圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。本發明實施例之構造及使用係詳細說明如下。必須瞭解的是本發明提供了許多可應用的創新概念，在特定的背景技術之下可以做廣泛的實施。此特定的實施例僅以特定的方式表示，以製造及使用本發明，但並非限制本發明的範圍。

本發明係提供一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，係控制燃料電池及儲能電池，且燃料電池及儲能電池的至少其一係用以提供動力給一變動負載。請參考第1圖及第2圖，第1圖係為本發明揭露的一種控制方法流程圖，第2圖則為本發明揭露的一種控制系統方塊示意圖。

根據第1圖所示，本發明之方法包含以下步驟：首先，在步驟S01中，燃料電池複合動力控制系統1中的控制單元10啟動燃料電池50；在步驟S02中，控制單元10讀取變動負載90的第一變動負載需求功率、透過電池管理系統單元20以讀取儲能電池40的電池需求功率，並根據第一變動負載需求功率及電池需求功率以計算燃料電池50的欲輸出電流；在步驟S03中，控制單元10根據燃料電池50的輸出電流以計算燃料電池50的需求風量；在步驟S04中，控制單元10根據需求風量以提供風量需求訊號至鼓風機30，使鼓風機30供給空氣至燃料電池50；在步驟S05中，控制單元10讀取風量計80量測供給至燃料電池50的實際風量值，並根據實際風量值計算燃料電池50的輸出電流區間；最後，在步驟S06中，控制單元10根據輸出電流區間以提供控制電流範圍訊號至直流/直流變壓器60，以控制直流/直流變壓器60使燃料電池50的輸出電流於輸出電流區間內。需說明的是，負載的功率需求可以藉由逆變器得知，除此之外，在車輛行駛當中，可以藉由讀取油門位置訊號經過行車電腦分析後得知，也就是說，可藉由逆變器得知即時變動負載功率，行車電腦可預估變動負載功率需求。由於在燃料電池複合動力系統的實際運作過程當中，變動負載的需求功率勢必會隨著使用情況而有所變化，在本發明當中，控制單元係持續地透過逆變器以讀取變動負載的需求功率，進而適時地改變鼓風機提供給燃料電池的風量；另外，在實際的應用中，本發明的燃料電池複合動力系統更會因為變動負載的功率變化，而瞬間或短時間內產生額外的能量需求，也因此在需求功率上會有一明顯的變化，基於上述，本發明亦提供一種當變動負載的需求功率在瞬間產生變化時地應對方法，請同時參考第2圖及第3圖，第3圖係為本發明揭露的一種當變動負載的需求功率在瞬間產生變化時的控制方法流程圖。

當變動負載的需求功率在瞬間或短時間內產生變化時，也就是步驟S21，控制單元10讀取瞬間或短時間內產生的第二變動負載需求功率，接著進行步驟S22，控制單元10判斷第二變動負載需求功率是否小於該第一變動負載需求功率，若第二變動負載需求功率不小於第一變動負載需求功率時，如步驟S23a所述，儲能電池40提供補給電流至變動負載90，相反地，若第二變動負載需求功率小於該第一變動負載需求功率時，則如步驟S23b所述，控制單元10控制直流/值流變壓器60，使部分輸出電流輸出至儲能電池40。

除此之外，為了減少能源之浪費，本發明更依據變動負載之需求功率及儲能電池的最大放電功率，以決定是否啟動燃料電池進行供電。請同時參考第2圖及第4圖，第4圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

在執行燃料電池複合動力控制系統1時，更搭配電池管理系統20以計算出儲能電池40的最大放電功率，並使控制單元10可讀取第一變動負載需求功率，並確知儲能電池40的最大放電功率，如步驟S31所示，接著，在步驟S32中，控制單元10判斷最大放電功率是否小於第一變動負載需求功率，若最大放電功率不小於第一變動負載需求功率，如步驟S33a所述，控制單元10不啟動燃料電池50，而是由儲能電池40進行供電，相反地，若最大放電功率小於第一變動負載需求功率，則如步驟S33b所述，控制單元10啟動燃料電池50。

又，本發明更依據儲能電池的荷電狀態，以決定是否啟動燃料電池進行供電。請同時參考第1圖、第2圖及第5圖，第5圖係為本發明之一實施例之控制方法流程圖。

在執行燃料電池複合動力控制系統1時，先透過電池管理系統20控制儲能電池40的荷電狀態，並使控制單元10確知儲能電池40的荷電狀態，如步驟S41所示，接著在步驟S42中，判斷儲能電池40的荷電狀態若介於第一閾值及第二閾值之間時，如步驟S43a所述，控制單元10啟動燃料電池50，並接續執行上述第1圖中的步驟；相反地，儲能電池40的荷電狀態不大於第一閾值時，則如步驟S43b所述，電池管理系統20及/或燃料電池複合動力控制系統1則控制儲能電池40以使其進行充電，舉例來說，可為獨立地對儲能電池40進行充電、輸出部分燃料電池50的輸出電流至儲能電池40，以及上述方法之組合，或如步驟S43c所述，當荷電狀態不小於第二閾值時，則電池管理系統20及/或燃料電池複合動力控制系統1控制儲能電池40以使其進行放電，舉例來說，可為獨立地使儲能電池40進行放電，或藉由儲能電池40以對變動負載進行供電，以及上述方法的組合。

其中，由於荷電狀態的定義主要區分為兩種，其一為絕對荷電狀態(Absolute State-Of-Charge；ASOC)及相對荷電狀態(Relative State-Of-Charge；RSOC)，通常而言，相對荷電狀態的定義不論及電池種類、使用狀況，而是指電池完全充電時即為100%、完全放電時即為0%，而絕對荷電狀態則是一個依據電池材料特性、製造特性等多種因素而定的數值，是為一個根據電池固定容量值所計算出來的參考值，換言之，對於絕對荷電狀態而言，一個全新完全充電電池的絕對荷電狀態是100%，而老化的電池即便完全充電，在不同充放電情況中也無法到100%。根據上述可知，本案所述的第一閾值、第二閾值若以相對荷電狀態為例說明時，第一閾值可能介於80%-90%之間，而第二閾值則介於15%-25%之間。

需加以說明的是，在本發明所述的燃料電池複合動力控制方法中，在燃料電池複合動力控制系統1控制儲能電池40以使其進行充、放電的步驟中，並非燃料電池複合動力控制系統1中的控制單元10在控制儲能電池40，換言之，控制單元10並無法控制儲能電池40，而是藉由控制燃料電池複合動力控制系統1中的直流/直流變壓器的輸出功率，以達到控制功率的流向。更明確而言，本發明係將直流/直流變壓器作為電流源，而儲能電池則作為電壓源，因此控制單元只需要控制直流/直流變壓器的輸出功率就即可以決定電流的流向。當輸出功率大於變動負載的需求，電流自然會向儲能電池充電，當輸出功率小於變動負載需求，儲能電池便會自然地進行放電。

由上述可知，本發明之燃料電池複合動力控制系統如第2圖所示，燃料電池複合動力控制系統1係用以提供電力至變動負載90，系統包含控制單元10、電池管理系統單元20、鼓風機30、儲能電池40、燃料電池50、直流/直流變壓器60、逆變器70、風量計80。其中，電池管理系統單元20係用以計算儲能電池40的電池需求功率、最大放電功率、荷電狀態。鼓風機30係用以供給空氣至燃料電池50。風量計80係用以量測供給至燃料電池50的實際風量。控制單元10係可透過逆變器70以讀取變動負載80的變動負載需求功率，並透過電池管理系統單元20讀取儲能電池40的電池需求功率，並藉以計算燃料電池50的輸出電流，控制單元10亦根據輸出電流計算需求風量以提供風量需求訊號至鼓風機30，根據讀取風量計80量測的實際風量值，控制單元10可計算出燃料電池50的輸出電流區間並控制直流/直流變壓器60，使燃料電池50的輸出電流控制於輸出電流區間內。

除此之外，控制單元10確知瞬間或短時間內產生的第二變動負載需求功率，並判斷第二變動負載需求功率是否小於該第一變動負載需求功率，若第二變動負載需求功率不小於該第一變動負載需求功率時，儲能電池40提供補給電流至變動負載90，相反地，若第二變動負載需求功率小於第一變動負載需求功率時，控制單元10控制直流/直流變壓器60，使部分輸出電流輸出至儲能電池40。

又，控制單元10更在確知第一變動負載需求功率及儲能電池40的最大放電功率後，判斷最大放電功率是否小於第一變動負載需求功率，若最大放電功率不小於第一變動負載需求功率，則控制單元10不啟動燃料電池50，儲能電池40自然進行供電，相反地，若最大放電功率小於第一變動負載需求功率，則控制單元10啟動燃料電池50。

綜合上述，本發明係提出一種燃料電池複合動力控制方法及其系統，根據變動負載的需求功率及儲能電池的需求功率計算燃料電池的空氣需求量，以提供適當的空氣量，使燃料電池能保持良好的功率，同時具備良好的性能。在變動負載的需求功率產生瞬間變化時，根據需求功率的變化，應對地控制部分電流輸出至儲能電池，或由儲能電池供給電流至變動負載。除此之外，更依據儲能電池的最大放電功率與變動負載的需求功率之間的比較，以及儲能電池的荷電狀態，以決定是否啟動燃料電池。經由上述可知，本發明所提出的燃料電池複合動力控制方法及其系統具備有穩定燃料電池操作電壓的優點，進而使燃料電池的壽命得以提升，且藉由燃料電池與儲能電池之間的搭配，得以充分供應變動負載的功率需求，以達到減少能源浪費的好處。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

S21、S22、S23a、S23b:步驟

Claims

一種燃料電池複合動力控制方法，係控制一燃料電池及一儲能電池，且該燃料電池及該儲能電池的至少其一係用以提供動力給一變動負載，該儲能電池產生一電池需求功率，該變動負載產生一第一變動負載需求功率及一第二變動負載需求功率，該方法包含以下步驟：啟動該燃料電池，並依據該第一變動負載需求功率及該電池需求功率以計算該燃料電池的一欲輸出電流；根據該欲輸出電流計算該燃料電池的一需求風量；根據該需求風量提供一風量需求訊號，以使空氣供給至該燃料電池；讀取供給至該燃料電池的一實際風量值，並根據該實際風量值計算該燃料電池的一輸出電流區間；以及提供一控制電流範圍訊號，以控制直流/直流變壓器使該燃料電池的一輸出電流於該輸出電流區間內；其中，當瞬間產生該第二變動負載需求，且該第二變動負載需求功率小於該第一變動負載需求功率時，則輸出部分該燃料電池的該輸出電流至該儲能電池，當該第二變動負載需求功率不小於該第一變動負載需求功率時，則由該儲能電池提供一補給電流至該變動負載。
如請求項1所述之燃料電池複合動力控制方法，其中在啟動該燃料電池的步驟之前，更包含：讀取該儲能電池的一最大放電功率，以確知該儲能電池的該最大放電功率；以及比較該最大放電功率與該第一變動負載需求功率，當該最大放電功率小於該第一變動負載需求功率時，則啟動該燃料電池。
如請求項2所述之燃料電池複合動力控制方法，其中當該最大放電功率不小於該第一變動負載需求功率時，不啟動該燃料電池，並透過該儲能電池提供電力至該變動負載。
如請求項1所述之燃料電池複合動力控制方法，其更執行時更將該儲能電池的一荷電狀態控制於一第一閾值及一第二閾值之間。
如請求項4所述之燃料電池複合動力控制方法，其中當該荷電狀態不大於該第一閾值時，則對該儲能電池進行充電，當該荷電狀態不小於該第二閾值時，則使該儲能電池進行放電。
如請求項4所述之燃料電池複合動力控制方法，其中對該儲能電池進行充電的方法選自於獨立地對該儲能電池進行充電、輸出部分該燃料電池的該輸出電流至該儲能電池及上述方法之組合。
如請求項4所述之燃料電池複合動力控制方法，其中對該儲能電池進行放電的方法選自於獨立地使該儲能電池進行放電、透過該儲能電池提供電力至該變動負載及上述方法之組合。
一種燃料電池複合動力控制系統，用以提供電力至一變動負載，該變動負載產生一第一變動負載需求功率及一第二變動負載需求功率，該系統包含：一燃料電池，提供一輸出電流；一鼓風機，供給空氣至該燃料電池；一儲能電池，產生一電池需求功率；以及一控制單元，讀取該第一變動負載需求功率、該第二變動負載需求功率及該電池需求功率，且該控制單元產生一風量需求訊號後將該風量需求訊號傳送至該鼓風機，且讀取供給至該燃料電池的一實際風量值以計算該燃料電池的一輸出電流區間，並控制該燃料電池的該輸出電流於該輸出電流區間內；其中，當瞬間產生該第二變動負載需求，該控制單元判斷的該第二變動負載需求功率小於該第一變動負載需求功率時，部分該輸出電流至該儲能電池，當該控制單元判斷該第二變動負載需求功率不小於該第一變動負載需求功率時，則由儲能電池提供一補給電流至該變動負載。
如請求項8所述之燃料電池複合動力控制系統，其更與一電池管理系統單元(Battery Management System)搭配，該電池管理系統單元係針對該儲能電池的該電池需求功率、一最大放電功率、一荷電狀態(State-of-Charge,SOC)進行偵測與控制。
如請求項9所述之燃料電池複合動力控制系統，其執行時，該電池管理系統更將該儲能電池的該荷電狀態控制於一第一閾值及一第二閾值之間。
如請求項10所述之燃料電池複合動力控制系統，其中當該電池管理系統偵測到該儲能電池的該荷電狀態不大於該第一閾值，則該電池管理系統及/或該燃料電池複合動力控制系統使該儲能電池進行充電。
如請求項10所述之燃料電池複合動力控制系統，其中當該電池管理系統偵測到該儲能電池的該荷電狀態不小於該第二閾值，則該電池管理系統及/或該燃料電池複合動力控制系統使該儲能電池進行放電。
如請求項8所述之燃料電池複合動力控制系統，其更包含一直流/直流變壓器，該控制單元控制該直流/直流變壓器，使該輸出電流位於該輸出電流區間內。
如請求項8所述之燃料電池複合動力控制系統，其更包含一風量計，該風量計量測該實際風量值。
如請求項8所述之燃料電池複合動力控制系統，其中該變動負載係為一馬達。