TWM424627U - Energy adjuster - Google Patents

Description

Μ4246^7 五、新型說明： f新型所屬之技術領域】 本創作係有關於—種自纟量_ ^ $ 應用於燃料電池的能量調節器。 疋有關於—種 【先前技術】 隨著不可再生能源的不街減少 展已經成為當務之急。燃料電池係為_ = f源的快逮發 清潔環保，節能高效的優點，因此，在’“源，其具有 提供了—㈣常好的解決方案 的難題下， 對環境的污染幾乎為零，並且體變換效率高， 地方方便地使用。 貝 可以在任何時候和 丄料電池卻無法持續輸出固 吕，當燃料電池的輸出電流越大時，:般而 因而造成燃料電池的輸出電壓的範圍過* wr越低， 器設備的正常工作電屙I，遂遂超出各電 :力差，學變化的影響，燃料電池自身存在著= 。當負载啟停頻繁或是暫態載入等情=嚴= 電池就會處於超载狀功率時’燃料 々戰狀况’而造成燃料電池性 因此，燃料電池必項捉锯 .貝农減。 电也义須格備一功率轉換器，用以 控制和官理燃料電池的|於 用，功率轉換器的研究已成為;足燃料電池的應 是使用燃料電池發口 =。,電力轉換 A、 电旳個直要嶮即，其直接關係到整個 電源系統的電能質量、安全和可靠性等因素。 然而’目前大部分的功率轉換器係採用開關元件，用 :㈣燃料電池的輪出電能，使 ==電池輸出特性的能量調節設備。、:者並無單獨 :功率轉換器的輪入範圍窄，只能接收二者：前習 土’而無法配合燃料電池的大範 广圍的輸入 知的功率轉換器的輪出電壓固::壓。另外，習 穩定性差，無法準確且快速的 低、準確率低、 f新型内容】 、旳控制燃枓電池的輪出。 以1有产於此’本創作的目的係提供一種能量，〜 =调郎-燃料電池組的輸出能 ：：：，用 接收大範圍的輸入電塵，並可心= 作之犯董調節器可 摩、功隼、m ρ 則出可控的電力（電流、電 1)，亚具有及高可電 為達到上述目的，本創作提供一 於-燃料電池組以及-二次電池 _ 該二次電池組。本發明之能量狀。。^/、中—負载並聯 έ日 时r 周即态包括，—升壓調節槿 節模組、一檢測模組以及-控制模組。升壓 出：Γ 一控制信號，調升該燃料電池組的-輸 第^'產生一第一調節電壓。降壓調節模組根據一 :二調降第一調節電壓，用以產生一第二調節 :土予負載。_组檢測燃料電池組、升壓調節模組、 =壓調節模組、輯之至少—者，用以產生—檢測結果。 控制模組根據檢測結果’產生第一及第二控制信號。 為讓本創作之特徵和優點能更明顯易懂，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圖為本創作之能量調節器之一可能實施例。如圖 / 能量調節器100轉接於一燃料電池組u 次電池組130夕pq m 、 ,,,1〇 $，用以/刀配燃料電池組110以及二次雷 池組能量。負載15〇並聯二次電池、组13〇。 一 ΗΠ在_本中’能量調節器100包括’一控制模組 ㈣即松組1〇2、一降壓調節模組103以及-檢 f 檢測模組用以檢測燃料電池組no、升壓調節模 模組103以及負載15〇之至少一者的狀 ’二士檢測結果。控制模組⑻根據檢測模組的檢 測結果’產生控制信號VT〗及VT2。 升㈣節模組1G2以及降壓_模組1G3分別根據# ^號VT1及VT2，轉換燃料電池組ug的輸出電能。藉工 = 術’便可處理燃料電池組n。的大範圍輸 貝苑例中，升壓調節模組102根據控制 =，調升燃料電池組110的輸出電厂堅&，用以產生 即私昼VA1。本創作並不限定升屢調節模組脱的電路竿 2^要能_升電義電路架構，均可作為升_節模 降壓調節㈣103根據控制信號呢，調降調節電廢 vA]’用以產生另—調節電壓vA2予負載15〇以及二次電池 130。本創作亦不限定«調節模組103的電路架構。口要 能夠調降電1的電路架構，均可作為降㈣節模组⑽。 在本實施财，_電池幻1G的正極端f 塵調節模組102的輸入端Un+。燃料電池組㈣的負= FC-搞接升虔調節模組】〇2的輸入端w。降塵調節模㈣3 的輸入端馬接升愿調節模組1〇2的輸出端i。降屋 M424627 5周郎無組103的輸入媒τ T =½ & μ r-、 ^ ττ 卜卜 2】·祸接升壓調節模組102的t ψ =。二降_㈣組103的輸出端％。姻二次= W的正· SO。降麼調節模組 二也： 二次電池組130的負極端sc· ，U2〇·耦接 sc，接負載150的正極端LD+—:也幻30的正極端 蛣“ 〇二次電池組130的負極

1 Γ、υ 負極端W η1〇' 21·、U20·、Uout_在電氣連接上，係屬 同一翏考電位，如接地電位。 V'屬 =龍包括㈣單元购％檢龍 調節模組103及負载15〇 : __各自具有—二二=:以及降 2,〇 . 』 杈利早兀（如第2及3圖所示的 …J 升壓調節模組102以及降壓調節模 ，'且103的溫度狀態。 、 才欢測早元1 〇4包括一雷户;、、目|丨突、1 ^ 士 冤抓杈測裔1〇7及一電壓檢測器 則器107福接燃料電池組u〇的正極端％+， =檢_料電池組110的輸出電流Im。電壓檢測器⑽ 滅接於節點Uin+斑Uin-夕ρ弓m M ,., /、 之間，用以檢測燃料電池組11〇的 輸出電壓VFe。 。。杈測單;^ 1〇5 &括-電流檢測$ 1〇9以及一電屡檢測 器⑴。電流檢測器109耦接降壓調節模組1〇3的輸出端 U:，用以檢測輸出端％〇+的電流。電壓檢測器⑴耦接 %即點U〇m+與Uout-之間，用以檢測降廢調節模組1〇3所 產生的調節電壓vA2。 在本實施例中，檢測單元106係為一電流檢測器，輕 Μ4246Π 接負載1 50的正極端LD+，用以檢測負載150的需求電流 Iload。在本實施例中，藉由檢測單元106及電流檢測器109 的檢測結果，便可得知二次電池組130係處於充電狀態或 是放電狀態。 舉例而言，當Il〇ad-Iout>0時，表示燃料電池組110與 二次電池組130均為放電狀態。在一可能實施例中，可透 過一設定信號S set ’決定燃料電池組11 〇與二次電池組13 0 ' 所釋放的能量。當Iload-Iout=0時，二次電池組130處於不 • 充電不放電狀態，此時，負載150所需的能量全部由燃料 電池組110所提供。當Iload-Iout<0時，表示燃料電池組 110除了提供能量予負載150外，亦對二次電池組130進 行充電。能量調節器1 〇〇可根據二次電池組130的殘電容 量，對二次電池組13 0進行充電動作或放電動作。在一可 能實施例中，能量調節器100係對二次電池組130進行恒 壓充電或是恒流充電。 在本貫施例令’控制模組101根據檢測核組的檢測結 • 果，產生控制信號VT1及VT2。本創作並不限定控制信號 . VT1及VT2的種類。在一可能實施例中，控制信號VT1 及VT2均為脈寬調變（pulse width modulation;以下簡稱 PWM)驅動信號。 在另一可能實施例中，控制模組101更根據一設定信 號SSEt，產生控制信號VT1及VT2。升壓調節模組102及 降壓調節模組103根據控制信號VT1及VT2，適當地進行 調整動作，因而產生可控輸出電壓、可控輸出電流及可控 輸出功率。 7 M424627 =而言，錢定信號Sset係為用戶所發出的 才曰不“，控制模組1G1便根據狀信號&丁，產生 控:㈣VT1及VT2，使得升壓調節模組⑽及降壓 ==如適當地轉換燃料電池組u㈣輸 進而使传調節電壓Va2等於用戶所發出的電麗指示值， 同樣地，若設定信號SsE丁係為用 =或是一功率指示值時，控制模組1〇1同：二 二及降壓調節模組則，使得燃料電池組ιι〇: 2電、“是輪出功率等於用戶所發出的電流或功率指示 若設定信號SsET係為用戶所發出 號時，控制模組101便計嘗㈣負載力革跟^ 制并懕沪士〜 使^負載W的—需求功率，並控 ==組102及降壓調節模组⑽，使得燃料電池 ▲的輸出功率為負载150的需求功率。此時，二_少 池組Π0處於不充電也不放電的狀態。 、 =2圖為本創作之升屋調節模组之一可能實施例。在 本A例中，升麗調節模組1〇2係為一升壓斬波電路，用 於二&列中，升壓調節模組102將燃料電池組110的 輸出電塵vFC由29V〜76V升壓至65〜76v。 如圖所示，升壓調節模、组102包括電心、二極體D1、 :關210、電容C卜電感L1透過輪入 池組110的正極端FC+。_权触〜 牧…丁叶电 端1] 平— —極肢D1耦接於電感L1與輸出 H ° 4 C1輕接於輸出端〜+與Ul〇-之間。開 節 控制信號VT1，並輕接電感L1及燃料電池組 M424627 U0的負極端fc._。 M 21CM系為一絕緣栅雙極電晶體 .eB_ar Transistor ; IGBT)211 ’ 但並非用以 :^1=所示’1(^2110_接收控制信號 〜·，：燃料電 其它可能實施例中，iGBT2u㈣極電·να盥射 將被提供予控制模組-，使其判斷心 作，亚在IGBT2U故障時，即時發出—警示訊 "斤不’升壓調節模組102具有一温度檢測單元 。果显度檢剛單元230檢測開關21〇的溫度，並產生一檢 測、’·口果Τ1〇2予控制模組1〇1。 =3圖為本創作之㈣調節模組之—可能實施例 本只她例中，降壓調節模組103係為一降壓斬波電路，用 以將升屋調節模組1〇2所產生的調節電麼、降低至—可 Μ。本實施例中，降屋調節模組 :堊5周節模組1〇2所產生的調節電壓v 65〜76V卩㈣至用戶所給定的電壓值43〜58V。 A1 如圖所不’降壓調節模組1〇3包括，開關训 ,、二極體D2、電容C2。開關31〇接收控制信號ντ/ „輪入端u2I+。電感L2耦接於開關31〇與輪出端 曰一極體D2耦接於電感L2與輸出端υ20·之間。雷玄 C2輕接於輸出端^〜與υ2〇之間。 在本實施例中，開關31〇係為IGBT311，但並非用以 限制本創作。！GBT3U的間極接收控制信號心，其集極 9 ^/4627 =輪入端u2]+ ’其射極减電感L2。在其它可能實施例 IGBT 311的集極電壓Vo與射極電壓將被提供予 广模組ΗΠ，使其判斷IGBT311是否正常動作。控制模 、、、可在IGBT 311故障時，即時發出一警示訊息。 ^在第3圖中，降壓調節模組103具有一溫度檢測單元 、J〇。溫度檢測單元330檢測開關310的溫度，並產生—檢 制結果T1G3予控制模組1〇ι。 ^弟4圖為本創作之控制模組之一可能實施例。在本實 &例中，控制模組1〇1包括，微控制器41〇、取樣電路49 、 勒电路430。在一可能實施例中，微控制器41〇係為τ] 々司的電機專用控制DSP晶片TMS320LF2407，但並非用 以限制本創作。 取樣電路420取樣至少一檢測單元（如1〇4〜1〇6、21〇、 1〇)的檢測結果。在一可能實施例中，取樣電路42〇係為 通比至數位(A/D)取樣電路。a/d取樣電路即時採集至^^ —檢測單元的檢測結果（如VFC、VA2、Iin、I〇ut、Iload、τ]〇2、 Τι〇3)，經濾波後傳給一八/〇晶片（未顯示），用以轉換成數 位信號，最後再透過一串列週邊介面（Sedal periphe& Interface Bus，SPI) ’提供予微控制器“ο。 微控制器410具有—SPI單元414，用以接收取樣電路 420的取樣結果。在其它實施例中，若取樣電路伽係透 過其它傳輸介，輸出取樣結果時，微控制器41〇亦可利用 相對應的傳輸單元，魏取樣電路侧的輪出信號。 在本實施例中，微控制器41〇 單元415。PWM單元415舻姑^ 兄门又WWM) 根據取樣電路420的取樣結果， M424627 產生脈寬調變信號SpwMl、S PWM2 及致能信號scs。驅動電 路430根據脈寬調變信號SPWM丨、S PWM2 及致能信號scs， 產生控制信號VT1及VT2,用以同時驅動升壓調節模組102 和降壓調節模組103。 在本實施例中，由於升壓調節模組102及降壓調節模 組103内的開關（如210、310)係為IGBT，故驅動電路430 ' 係為一帶上電保護的IGBT驅動電路，但並非用以限制本 ' 創作。在其它實施例中，若升壓調節模組].02及降壓調節 φ 模組103内的開關210、310係為其它型態的開關時，則驅 動電路4 3 0為相對應的驅動電路。 如圖所示，控制模組101更包括一週邊單元440。微控 制器410根據取樣電路420的取樣結果，控制週邊單元 440，使其進行相對應的動作，例如即時告知目前的工作狀 態、故障資訊、故障診斷或是遠端監測功能。在本實施例 中，週邊單元440包括一散熱風扇441、一蜂鳴器442、一 資料顯示器443以及一外部電路444，但並非用以限制本 鲁創作。 . 微控制器410根據取樣電路420的取樣結果，產生一 輸出信號S01，並透過輸入輸出（input/output; I/O)單元411， 提供輸出信號S01予散熱風扇441。在本實施例中，控制模 組101更包括一光電隔離器451以及一繼電器452。光電 隔離器451耦接微控制器410，並接收輸出信號S01。繼電 器452耦接於光電隔離器451與散熱風扇441之間，用以 根據輸出信號Sm，控制散熱風扇441的啟停。 在另一實施例中，微控制器410根據取樣電路420的 M424627 取樣結果’產生一輪出信號s〇2，並透過I/C)單元41】，提 供輸出信號S〇2予蜂鳴器442。在本實施例中，控制模組 101更包括一光電隔離器46]以及—驅動器462。光電隔離 器461耦接微控制器410,並接收輸出信號S〇2。驅動器462 耦接於光電隔離器461與蜂鳴器442之間，用以根據輸出 信號S02，驅動蜂鳴器442。 另外，微控币彳盗410可根據取樣電420的取樣結果， 產生一輸出信號S〇3’並透過I/O單元411，將輸出信號s〇3 提供予資料顯示器443。在本實施例中，控制模組1〇1更 包括一光電隔離器471。光電隔離器471耦接微控制器 410 ’用以根據輸出信號s〇3，驅動資料顯示器443。 在一可能實施例中，資料顯示器443根據輸出信號 S〇3，顯示一故障代碼，以便使用者進行維修。在其它可能 實施例中，資料顯示器443亦可顯示燃料電池組u〇、二 次電池組130或是負載15〇的操作狀態（如電壓、電流、功 率狀態）。 微控制器410亦可根據取樣電42〇的取樣結果，產生 一輸出信號S〇4。在本實施例中，微控制器41〇透過一序列 通訊”面（Serial Communications Interface ; SCI)單元 412，

置440。舉例而言，微控制器 或RS-232匯流排介面，用以與週邊裝置 輸。在另一可能實施例中，微控制器4】〇 S-485或RS-232轉換器，再與週邊裝置44〇 在其它實施例中，微控制器41 〇可透過其 面’與週邊單元440進行資料傳輸。 M424627 在本實施例中，控制模組1〇1包括一光 以及-信號收發器482。光電隔離器481 _接微控 ?〇，亚接收輸出信號s04。信號收發器482耦接於：：： 離器481與外部電腦444之間，用以在微控制器410 2 部電請之間進行資料傳輸。在一可能 與： 收發器482係為-RS_485收發器或是—吸232收發^虎 -广二:=器410除了根據至少一檢測單元Si測 4 ’產生相對應的信號(如SpwMi、w &、s :：控制f 410更可根據一設定㈣—,產生該等： 唬，用以控制燃料電池、組11〇的輪出電壓、電流及功率。 在-可能實施例中，可利用—CAN介 ； 1〇1與用戶間的控制介面。因此，控制模組ΗΠ便；^ 求’控制燃料電池組n。、二次電池: 及負載150的電壓、電流及功率狀態。 在本實施例中，微控击丨哭目士〜 (Γ . η Α 制410具有一控制器區域網路 (on rol er Area Network ； CAN)^^ 413 ^ 疋h戒SSET ’但並非用以pp生丨士 微控制器41。亦可利用其:= 乍2實施例中， CAN單元413透過一光電離 、《疋化號SsET。 电離态491以及一 can收發哭 492,接收設定信號&” ⑽收’”。 :能2節器10。内的升壓調節模組1〇2、降低調節 ^ 3、具有⑽匯流排的控制模組101、週邊模组 :(同時具有報警及故障診斷功 制 可達6KW。 m再者，能量調節器]00的輸出功率 M424627 弟5圖為本創作之驅動電路430之一可能實施例。如 圖所示，驅動電路430包括一反相驅動器510、一位準轉 換裔520以及一開關驅動器530。反相驅動器510根據致 能信號scs，處理脈寬調變信號SpwMi、SpwM2 ’用以產生 一反相#號SNPWM1及SNPWM2。在本實施例中，反相驅動器 510具有驅動器511〜513。驅動器511根據致能信號Scs， 致能驅動器512及513，使其分別根據脈寬調變信號 SpwM1、SPWM2 ’ 產生反相信號 Snpwmi 及 δΝρ_2。 、位準轉換态520轉換反相信號sNPWM】及SNPWM2的位 準，用以產生轉換信號SZPWM]及SZPWM2。在本實施例中， 位準轉換器520係將反相信號SNPWM1及SNPWM2的位準等 於位準VCC，如3.3V，而轉換信號SZPWM】及SzpwM2的位 準等於位準VDD1，如5V。 然而’當反相信號SNPWM1及SNPWM2的位準為5V時， 貝J可省略位準轉換器520。在其它可能實施例中，位準轉 換器520係為744245系列晶片。 開關驅動器530根據位準轉換器52〇轉換後的結果（即 轉換5虎SZPWw及sZPWM2) ’產生控制信號VT1及VT2。 若反相彳§號SNPWM1及sNPWM2的位準不需轉換時，則開關 驅動器530根據反相信號Snpwmi及Snpwm2，產生控制信號 νΉ及VT2。在一可能實施例中，開關驅動器53〇係為 2SC0435T。 在本實施例中，開關驅動器53〇具有偵錯功能。如圖 所示，開關驅動器530接收升壓調節模組1〇2内的igbt211 的射極電壓Ve】、vc!以及降壓調節模組103内的IGBT311 14 M424627 的射極電塵vE2、Vc2,周判斷IGBT2n及3ιι是否 广或州發生故障時，開關驅動 二#㈣進33SPDP予微控制器仙，使微控制器4U) 内肷心知轉處理程序。在本#_中一咖 故障時，開_動器53〇的接腳⑽ 。 因此，¥通二極體D3,使得中斷信號sPDP為低位準。 才4:中能2節器100可操作在不同的控制模式。在 調節器_可操作在―電屢控制模式、 :電莫式、一功率控制模式以及一負载功率跟隨模 夂。錯由四組比例積分微分〜n_al Inte㈣ /11 ’PiD)控制―’並在控制模式間進行無缝切換， 使仔€壓、電流可平滑切換。 在^施例中，當能量調節器⑽操作在—電屋控制 二二：流控制模式或—功率控制模式時，控制模組101 杲，士 τ與一實際電位值作比較’並根據比較結 —:控制^號VT1、VT2，用以使該實際電位值等於 =4 sSET ’實際電位值與燃料電池組11〇的一輸出電 【vFC及-輪出電流Iin之至少一者有關。 沾於f可月b貝％例中，該貫際電位值係、為燃料電池組110 、雨電壓VFC、輸出電流Iin或輸出功率。以燃料電池組 10:輸出電壓vFC為例，控制模組1〇1會將—設定信號 燃料電池組U0的輸出電壓Vfc作比較，並根據比 t果’控制㈣調節模組102及降壓調節模組103，使 付f電池組11G的輪出錢VFG等於設定信號SsET。 弟6圖為本創作之電壓控制模式之-可能實施例。在 15 料/4627 電麗控職式下，控組1G1根據設定信號s啦，同日士 控制升塵調節模組102及降麼調節模組1〇3,使得 才 ί=ίίΓSsET。由於電塵Va2與燃料電池組m的： 出電壓有關，因此，藉由設定信號‘， 組no的輸出電塵等於一用戶指令電塵.。 …抖也池 首先，設定一參考電壓值（步驟S610)。在一 :二T/;用—CAN匯流排’接收-設定信號SSET，其/ 口又疋b虎SSET係為用戶所發出的一指令電壓值 例中，存ii客η θ « I t本，、施

Uref(k)。戶發出的指令電壓值作為-參考電屋值 用以考電隸Ur雜一實際電塵值作比較， 貝際電壓值與燃料電池組 τ 中，能詈胡Λ 。离3出電屋有關。在本實施例 DD即益1〇0所輸出的電壓VA2作為一實際带_ 刚，其中差值eu⑻，)_uref(k)。 見際β值 處理差值eu(k)，用以得到至少一增量 S630)。在—可能實 叫(步驟 T猎由差值eu(k)，可得到兩增量 值由於兩增1值的產生方式相同，故以下僅二 值為例。在本實施例中，俾 早增里 差值咖f卜電壓卿控制器，處理 了㈣知例中，增量值战〇〇如下式所示： 在 叫(众)=[eu⑷-〜(女__ ”j+灸 其中·”為上-次;Ci:w+，2)] -的差值’kup為比例常數 …人计 數，kd kud由仿直古十嘗為積刀节數、kud為微分常 石/、。十异與貫際調試實驗聯合得 16 M424627 不為疋值’並隨著輸入電壓的改變而改變。 柜據增里值△仏⑻，汁异PWM信號的新脈寬值 uf)(步驟S64〇)。在一可能實施例中，若利用信號 控制燃料電池組的輸出電壓時，則需根據增量值肌⑻， 計算PWM信號的新脈寬值邮）。在本實施例中， =化根據增量值肌⑻，求出請乂信號的新脈寬值 ()」在_可能實施例中，Du(k)= ⑻瓜糾）。在 ：^貫施例巾，若根據差值eu(k)，得到兩增量值時，則可 °十异出兩新PWM信號。 _，根據新PWM信號，產生控制信號（步驟s65〇)。 ^本二施财，係湘—驅動電路產生相對應的控制信 =:言，第2圖中的驅動電路咖可根據微控制器 產生的新PWM信號，產生相對應的控制信號vn ，後’根據控制信號，產生新的輸出電壓（步驟議）。 ^I:二驅動電路430根據新PWM信號，產生相 102“及‘^^VT1、竹2 ’用以同時調節升塵調節模組 卽換組1〇3,使其產生新的輪出電屋（即〜2)。 的W步驟S67〇) ’並將檢測後 電物作比較，直犧電壓等於參考 第7圖為本創作之電流控制模式之— 於能量調整裝置】00的輸出電产了月匕戶、細例。由 輸出l右M m :輸出電與燃料電池組110的 二出驗有關，因此’在一可能實施例中， 就‘，便可令燃料電池組J]〇的輪出:一二： /7 M424627 令電流。 舉例而言，在電流控制模式下，控制模組101透過CAN 匯流排，接收一用戶電流指令，並同時控制升壓調節模組 102與降壓調節模組103，用以使燃料電池組110的輸出電 流lout等於一用戶指令電流。在本實施例中，當能量調整 裝置100操作在電流控制模式時，能量調整裝置100的輸 出電壓即為二次電池組的電壓。因此，能量調整裝置100 不控制燃料電池組110的輸出電壓，只控制燃料電池組110 的輸出電流 以下將說明電流控制模式的動作流程。首先，設定一 參考電流值（步驟S710)。在本實施例中，係將一用戶發出 的一指令電流值作為一參考電流值Iref(k)。接著，將參考電 流值與一實際電流值作比較，用以得知一差值ei(k)(步驟 S720)。在本實施例中，能量調節器100所輪出的電流lout 可作為一實際電流值I(k)，其中差值ei(k)= I(k)- Iref(k)。 處理差值ei(k)，用以得到一增量值(步驟 S730)。在本實施例中，係利用一電流HD控制器，處理差 值e/k)，用以得到一增量值△Dj(k)。舉例而言，若利用PWM 信號控制燃料電池組的輸出電流時5則步驟S730所得到的 增量值便為PWM信號的增量值。 ” 在一可能實施例中，增量值如下式所示： ΔΖ), (k) = klp [ei (k) - et (k -1)]+ {k) + kid [ef (k) - le, {k-\) + (k - 2)] 其中ei(k-l)為上一次計算的差值，ei(k-2)為前2次計算 的差值，kip為比例常數、kn為積分常數、kid為微分常數， kip、kn、kid由仿真計算與實際調試實驗聯合得到，且不為 18 M424627 定值’並隨著輸入電壓的改變而改變。 根據增量值△ Di(k)，計算PWM信號的新脈寬值 Di(k)(步驟S740)。在本實施例中’微控制器41〇根據增量 值△Di(k) ’永出PWM信號的新脈寬值£)狀）。在一可能實 施例中 ’ DiW^ADi^+D/k-l)。 接著，根據新PWM信號，產生控制信號（步驟S75〇)。 在本貝細例中，係利用一驅動電路產生相對應的控制信 〇'ϋ牛、例而D，第2圖中的驅動電路430可根據微控制器 41〇所產生的新PWM信號，產生相對應的控制信號。 — >根據控制信號，產生新的輸出電流（步驟S76⑴。在本 貫施例中’驅動電路43Q根據新PWM信號，產生相對應 勺控制VT1、VT2，用以同時調節升壓調節模組1〇2 及降壓:周節模組103 ’使其產生新的輪出電流。 έ士里t，檢測新的輸出電流（步驟S77G)，並將檢測後的 τ π^、多考電'瓜1ref(k)作比較’直到輸出電流等於參考電流 二t八5就疋5兄’燃料電池組的輸出電壓最終將等於-用 尸知令電流。 於能量調節：率控制模式之-可能實施例。由 關，因此，藉由設^=率與燃料電池組11G的功率有 輸出功率等於_用^=SSET，便可令燃料電池組㈣的 、π尸扣令功率。 舉例而言，在功率控

匯流排接收用戶仏 ^拉式下’控制模組1G1透過CAN 控制升壓調節魅1〇^^(即妓信號‘），並同時 組U0的輪出姑盘& /、p牛壓5周節模組103，使燃料電池 率為一用戶指令功率。 在一可能實施例中，甚 於負載W所需的功率時:4電池組110的輸㈣ 提供。若燃料電池电110足功率由一次電池組130 功率時，則多餘功載一 係將參相輪（步驟獅）。在本實施例中， 接著，將參考功率值盘能ref(k)° 作比較，用以得知所輸出的—實際功率值 中，能量調節器 係作為一出的—與電壓〜的乘積 ，，際功率值p(k)。另外，差值 ep(k)=P(k)-Pref(k)。 %3〇Γ。^Ϊ eP(k)，用以得到一增量值ADp⑻（步驟 值e (k) ^貫施例中，係利用一功率PID控制器，處理差 P(k)，用以得到pWM信號的增量值△¥)。

Drk^康增置值△¥)，計算PWM信號的新脈寬值 值P/\/: S84G)。在本實施例中，微控制器41G根據增量 p()，求出脈宽調變信號的新脈寬值D 一 能實施例中 ’ Dp(k)=Z^Dp(k)+Dp(k-l)。 ^著，根據新PWM信號，產生控制信號（步驟S85〇)。 在本η軛例中，係利用一驅動電路產生相對應的控制信 號。舉例而言，帛2圖中的驅動電路可根據微控㈣ 410所產生的新pwM信號，產生相對應的控制信號。 …、:後根據控制信號，產生新的輸出功率（步驟。 在本實施例中，驅動電路430根據新PWM信號，產生相 對應的控制㈣VT1、VT2 ’用以同時調節升_節模組 】02及降壓調節模組103，使其產生新的輸出功率。 20 M424627 接著，檢測新的輸出功率（步驟S870)，並將檢測後的 結果與參考功率Pref(k)作比較，直到輸出功率等於參考功 率Pref(k)。在一可能實施例中，當參考功率Pref(k)(即設定 信號SSET)小於燃料電池組110的輸出功率（即實際功率值 P(k))時，控制模組101擷取二次電池組130的輸出功率， 使得燃料電池組110的實際功率值P(k)與二次電池組130 的輸出功率的總合等於參考功率Pref(k)。當參考功率Pref(k) 大於燃料電池組的實際功率值P(k)時，控制模組101將燃 • 料電池組110的實際功率值p(k)與參考功率Pref(k)之間的 差值，提供予二次電池組130。 第9圖為本創作之負載功率跟隨模式之一可能實施 例。在負載功率跟隨模式下，能量調節器1〇〇可跟蹤計算 負載150所需的功率，並使燃料電池組110的輸出功率等 於負載150所需的功率。在一可能實施例中，此時，二次 電池組130處於不充電也不放電的狀態。 首先，檢測負載的一需求電流以及一需求電壓（步驟 • S910)，再求出負載的一需求功率（步驟S920)。在本實施例 中，係採用以電壓電流乘積為反饋的閉環PID控制。舉例 而言，負載的一需求功率即為由負載所檢測得知的電壓與 電流的乘積P*ref(k)，而反饋值為能量調節器100所輸出的 電壓與電流的乘積P*(k)。乘積P*ref(k)可稱為一功率給定 值。在本實施例中，乘積P*ref(k)係動態變化。 計算功率給定值P*ref(k)與反饋值P*(k)之間的差值（步 驟S93〇)。在本實施例中，差值e*p(k)= P*(k)- P*ref(k)。然 後，藉由差值e*p(k)，計算得知一增量信號(步驟 p()用以得知增量信號。 值號Μ、計算心雇信號新的脈寬 制單=h在—可能實施例中，可利用-微控 Ρ歹'而"脈是值D*p(k)==AD*p⑻+ D*m。 S960田！^信號’產生相對應的控制信號（步驟 使At曰Hp升壓料模組1(32與降壓調節模組103， __出功率跟隨負載⑼的功率而變 及轸出六广例中，可再檢測能量調節11100的輸出電流 侧），再根據檢測結果，得知能量調節 定值p 際輪出功率p*(k)(步驟S990) 1以與功率給 等於功mm_4i^SIQG的㈣輸出功率 率跟产倉心 ref(k) ’也就是說，燃料電池組的輸出功 半跟蚁負载的一需求功率。 在上述四種控制模式間採用無缝切換技術，當進行模 換時’以當前控制值為基礎緩慢增加或減少，故可使 ^平顺過渡。料，若控制模 '组1G1採用軟啟動（soft-start) 貝法同蚪控制升壓調節模組102和降壓調節模組1〇3， 用以在開機啟動和控制模式改變時’令升壓調節模組1〇2 ::壓調節模組103的控制信號VT卜VT2以當前控制值 3礎緩慢增加或減少，使燃料電池组11〇的能量輸出緩 又交化，用以抑制電壓、電流的突變。 由灰週邊杈組440係為一故障診斷與報警模組，其可 由蜂鳴器442、資料顯示器（如LED) 443、外部電腦444所 M424627 組成，故可即時根據控制模組100所採集到的電壓、電流 及溫度等資訊而動作。另外，亦可透過過RS-485介面，將 控制模組100所採集到的資訊傳送到遠距離，或是經由 RS-485/RS-232轉換器，傳送給外部電腦444處理。 由於控制模組101與外部電腦444都能即時診斷欠 壓、過壓、過流、過溫以及感測器安裝失靈症狀，因此， 當該等裝置出現故障時，便可自動進行功率輸出保護，並 可透過資料顯示器，顯示相應的故障代碼以及利用蜂鳴器 φ 報警。外部電腦444亦可同時顯示故障資訊和位置。 除非另作定義，在此所有詞彙（包含技術與科學詞彙) 均屬本創作所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。 此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為 與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想 狀態或過分正式之語態。 雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 籲 脫離本創作之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， 因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。 M424627 【圖式簡單說明】 第1圖為本創作之能量調節器之一可能實施例。 第2圖為本創作之升壓調節模組之一可能實施例。 第3圖為本創作之降壓調節模組之一可能實施例。 第4圖為本創作之控制模組之一可能實施例 第5圖為本創作之驅動電路之一可能實施例。 第6〜9圖為本創作之控制模式之可能實施例。 【主要元件符號說明】 100 :能量調節器；110 :燃料電池組；130 :二次電池 組；150 :負載；101 :控制模組；102 :升壓調節模組；103 : 降壓調節模組；104〜106 :檢測單元；107、109 :電流檢測 器；108、111 :電壓檢測器；LI、L2 :電感；D1〜D3 :二 極體；210、310 :開關；Cl、C2 :電容；Rl、R2 :電阻； 211、311 :絕緣栅雙極電晶體；230、330 :溫度檢測單元； 410 :微控制器；420 :取樣電路；430 :驅動電路；440 : 週邊單元；411 : I/O單元；412 : SCI單元；413 : CAN單 元；414 : SPI單元；415 : PWM單元；441 :散熱風扇； 442 :蜂鳴器；443 :資料顯示器；444 :外部電路；451、 46卜47卜491 :光電隔離器；452:繼電器；462、511〜513 : 驅動器；482 :信號收發器；492 : CAN收發器；510 :反 相驅動器；520:位準轉換器；530:開關驅動器；S610〜S670、 S710〜S770、S810〜S870、S910〜S980 :步驟；FC+、LD+、 SC+ :正極端；FC-、LD_、SC- ··負極端；Un+、U]i_、U21+、 U2i-.輸入端，U〗〇+、U]〇-、U20+、U20-.輸出端，lin、Iload、 24 M424627 lout、lb :電流；Vai、VA2、Vpc、Vc]、Vc2、Vei、Ve2 電壓；T]〇2、Ti〇3 :檢測結果；s SET、SpwMl、Sp\VM2、Scs S〇l〜S〇4、SnpWMI、SnpWM2、SzPWMl、SzpWM2、SpDP :信號 c c 25

Claims (1)

1. M424$27 r 101 年 1 月 產ίί.ϋ補充 _ 第100219552號申請專利範圍修正本 修正曰期： 六、申請專利範圍： 1.一種能量調節器，耦接於一燃料電池組以及一二次電 池組之間，其中一負載並聯該二次電池組，該能量調節器 包括： 一升壓調節模組，耦接該燃料電池組，並根據一第一 控制信號，調升該燃料電池組的一輸出電壓，用以產生一 第一調節電壓； 一降壓調節模組，耦接該升壓調節模組，並根據一第 二控制信號，調降該第一調節電壓，用以產生一第二調節 r u 電壓予該負載； 一檢測模組，輕接該檢測該燃料電池組、該升壓調節 模組、該降壓調節模組及該負載，並檢測該燃料電池組、 該升壓調節模組、該降壓調節模組、該負載之至少一者， 用以產生一檢測結果；以及 一控制模組，耦接該升壓調節模組、該降厪調節模組 及該檢測模組，並根據該檢測結果，產生該第<及第二控 制信號。 C 2.如申請專利範圍第1項所述之能量調節器，其中該升 壓調節模組具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸 出端以及一第二輸出端，該第一輸入端耦接該燃料電池組 的一第一正極端，該第二輸入端耦接該燃料電池組的一第 一負極端；該降壓調節模組具有一第三輸入端、一第四輸 入端、一第三輸出端以及一第四輸出端，該第三輸入端耦 接該第一輸出端，該第四輸入端耦接該第二輸出端，該第 三輸出端耦接該負載之一第二正極端，該第四輸出端耦接 該負載之一第二負極端。 26

   -王 -r Ά =__%^gi9552號申請專利範圍修正本修正日期：1〇1年玉月13日 3.如申請專利範圍第2項所述之能量調節器，其中該升 壓調節模組包括： 一第一電感，耦接該燃料電池組的該第一正極端； 一第一二極體，耦接於該第一電感與該第一輸出端之 間； 一第一絕緣柵雙極電晶體（Insulated Gate Bip〇lar Transistor; IGBT)，其閘極接收該第一控制信號，其集極 耦接該第一二極體的陽極，其射極耦接該第一負極端；以 及 一第一電容，耦接於該第一及第二輸出端之間； 其中該降壓調節模組包括： 一第二絕緣柵雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar TranSist〇r ; IGBT)，其閘極接收該第二控制信號，其集極 耦接該第三輸入端；」 絕緣柵雙極電晶體的射老 一第二電感，耦接於該第 與該第三輸出端之間； 3 一第二二極體，減於該第二電感與該第四輸入端之 間；以及 -第二電容，耦接於該第三及第四輸出端之間。 心專利範圍第3項所述之能量調節器，其中該檢 測換組包括： 匕電流檢測器，純該第—正極端，並檢測該燃 料電池組的電流； 鐘n壓檢測器’純於該第—正極端與該第一負 極端之間，並檢測該燃料電池組的電壓； 第一電机檢測器，搞接該第三輸出端，並檢測該第 ⑧ 27 M424627 9 . 丨年1月修正 觑補充 第100219552號申請專利範圍修正本修正日期： 三輸出端的電流； 一第二電壓檢測器，耦接於該第三及第四輸出端之 間’並檢測該第二調卽電壓， 一第三電流檢測器，耦接該第二正極端，並檢測該負 載的電流， 一第一溫度檢測單元，檢測該升壓調節模組；以及 一第二溫度檢測單元，檢測該降壓調節模組； 其中該控制模組包括： 一取樣電路，取樣該第一、第二、第三電流檢測器、 ^ 該第一、第二電壓檢測器、該第一及第二溫度檢測單元的 檢測結果； 一微控制器，根據該取樣電路的取樣結果，產生一第 一脈寬調變信號以及一第二脈寬調變信號；以及 一驅動電路，根據該第一及第二脈寬調變信號，產生 該第一及第二控制信號。 5.如申請專利範圍第4項所述之能量調節器，其中該微 控制器包括： J 一串列週邊介面，用以接收該取樣電路的取樣結果； 一控制器區域網路單元，接收一設定信號； 一脈寬調變單元，根據該串列週邊介面及該控制器區 域網路單元所接收的資料，產生該第一及第二脈寬調變信 號； 一輸入輸出單元，根據該串列週邊介面所接收的資 料，驅動一散熱扇、一蜂鳴器以及一資料顯示器；以及 一序列通訊介面單元，接收一外部電腦所提供的資訊 或是提供資訊予該外部電腦。 28 :第100219552號申請專利範圍修正本修正日期：101年1月13曰 ，. ：__ - _> · 6. 如申請專利範圍第5項所述之能量調節器，其中該控 制模組將該設定信號與一實際電位值作比較，並根據比較 、 結果，產生該第一及第二控制信號，用以使該實際電位值 等於該設定信號，該實際電位值與該燃料電池組的電壓及 電流之至少一者有關。 7. 如申請專利範圍第6項所述之能量調節器，其中當該 實際電位值係為該燃料電池組的功率時，該控制模組將該 設定信號與該燃料電池組的功率作比較，當該設定信號小 於該燃料電池組的功率時，該控制模組擷取該二次電池組 的功率，使得該燃料電池組的功率與該二次電池組的功率 的總合等於該設定信號；當該設定信號大於該燃料電池組 的功率時，該控制模組將該燃料電池組的功率與該設定信 號之間的差值，提供予該二次電池組。 8. 如申請專利範圍第6項所述之能量調節器，其中該控 制模組根據該負載的一需求功率，產生該第一及第二控制 信號，使得該燃料電池組的輸出功率等於該需求功率。 9. 如申請專利範圍第5項所述之能量調節器，其中該控 制模組更包括： 一第一光電隔離器，耦接該輸入輸出單元； 一繼電器，耦接於該第一光電隔離器與一散熱風扇之 間； 一第二光電隔離器，耦接該輸入輸出單元； 一驅動器，耦接於該第二光電隔離器與該蜂鳴器之間； 一第三光電隔離器，耦接於該輸入輸出單元與該資料 顯示器之間； 一第四光電隔離器，耦接該序列通訊介面單元；以及 29 (S M424627 , 第100219552號申請專利範圍修正本 修正曰期：:1〇1年1月蜂曰^] 一信號收發器，耦接於該第四光電隔離器與該外部電 腦之間，其中該信號收發器係為一 RS-485收發器或是一 RS-232收發器。 10.如申請專利範圍第9項所述之能量調節器，其中該 驅動電路包括： 一反相驅動器，處理該第一及第二脈寬調變信號，用 以產生一第一反相信號以及一第二反相信號； 一位準轉換器，用以轉換該第一及第二反相信號的位 準；以及 一開關驅動器，根據該位準轉換器，產生該第一及第 二控制信號，其中該開關驅動器偵測該第一及第二絕緣柵 雙極電晶體的射極電壓及集極電壓，用以判斷該第一及第 二絕緣栅雙極電晶體是否發生故障。 30