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CN1346759A - 一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统 - Google Patents

一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统 Download PDF

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萧瑞圣
吴建宗
徐启堂
洪金泉
苏评挥
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Abstract

本发明是一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统,其是藉由直流电/直流电转换器(DC/DCConverter)的最佳化设计,并以控制器局域网络(Controller AreaNetwork,CAN)做为连络的沟通工具,使电力源更趋于弹性化,本发明设置在电动车辆中、低负载状态(如定速巡航)时,由燃料电池供给主要电能,藉由直流电/直流电转换器的控制,将燃料电池升压(Boost)至适当电压;并且该燃料电池可充当随车充电器(on－board Charger)使用,在高负载状态(如瞬间加速或爬坡)时,除了燃料电池提供最大基载电力外,其余所需的电能是配合外加的高功率二次电池电能输出,使其具复合式电源输出控制功能,能有效改善传统小型电动车辆续航距离不足与能源转换不佳的缺点。

Description

一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统
技术领域
本发明涉及一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，尤其是一种藉由控制器局域网络接口的沟通，整合一直流电/直流电转换器、一固体高分子型燃料电池与小型、一轻量化及高功率的二次电池...等电力源，使电力系统维持在较佳操作状态的复合式电能的电动车辆电力源控制系统。
背景技术
机动车长久以来就是我国数量最多的代步工具，因其具备有轻巧、省油及停放方便的特性，故机动车几乎成为每一个家庭必备的交通工具，但最近几年来环保意识的提高(空气中一氧化碳及碳氢化合物的浓度升高，严重地破坏大气层的结构)，因此对于汽、机动车皆制定严格的排放气标准，而四行程的机动车具有较佳的排放气标准，因此逐渐地取代二行程机动车成为市场的主流。现今虽有更为严苛的第三、四期环保排放气标准正准备实施，但环保最终的目标乃在于使汽、机动车达到零污染的标准。
为了上述的目的，目前已成功研发出不使用汽油做为燃料的汽机动车，改以可充电式的铅酸电池作为电能的来源，用以代替传统引擎，如此便可达到零污染的标准，但其续航能力不佳(充电完毕后约只能行驶60公里左右)，且充电时间太久(约需八小时左右)及充电站太少...等缺点，因此使相关业者无法有效做一推展，而造成消费者购买意愿不高。而本发明即为针对传统电动机动车的缺点做一改善，而研发出一全新电力输出控制系统，而可使电动车辆(如机动车及脚踏车...等)具备有较佳续航能力。
另外，固体高分子型燃料电池(Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell，PEMFC)，为近年来发展最为快速的燃料电池，相较于其它种类燃料电池，是具有常温(80℃以下)快速激活及动态反应(Transient Response)灵敏的优点，未来有可能广泛应用于汽机动车等移动式(Portable)的电力系统上，固体高分子型燃料电池采用空气中的氧与氢气燃料做一反应，该反应过程是类似电化学的逆反应现象，反应过程中除了产生电能及水以外，另外亦产生废热，却不会排放具有毒性的物质，因此固体高分子型燃料电池为车辆清净能源的最佳选择。
固体高分子型燃料电池的放电特性，依其膜组体(MembraneElectrode Assembly，MEA)的特性而异，其下列因素皆会产生影响：
(一)气体扩散层：其内部的膜组体孔洞的多寡及形状、厚度、排水性及导电性，皆会产生影响。
(二)作用层：其内部的触媒种类、成分、贵重金属的含量、晶粒大小及分布情形，皆会产生影响。
(三)质子交换膜：其内部的厚度、含水量、孔洞结构、孔洞大小与多寡，皆会产生影响。
参见图1，其是传统的固定高分子型燃料电池的电流密度-电压的特性(放电特性)曲线图，亦称为极线图(PolarizationCurve)或者(Tafel Curve)，乃为典型的固定高分子型燃料电池反应时的放电性能，在室温(25℃)的标准环境下，生成一莫耳的水，其热焓(ΔH0)时为-286kJ/mole，可以转换成为电能的Gibbs自由能(ΔG0)为-237kJ/mole，因此，理论的电能效率才达到83％，剩余的-49kJ/mole(-TΔS0)，则为释出的废热，固体高分子型燃料电池因这种常温的电化学反应，相较于内燃机等传统引擎，拥有较高的能源转换效率。其放电特性由极线图中可以看出：
A区域，燃料电池于输出低电流密度时，受到活化损失(Activation Loss)的影响，零电流(无负载)时，电压值无法达到理论值(1.23V)，当输出小电流密度时，电压值快速下降，且明显呈现非线性。
B区域，产生的电能损失，主要是质子与电子转移时受到内电阻(ohmic)的影响，即为下列四个重要参数：电极导体的电气阻抗、阴极阻抗反应、阳极阻抗反应、电解质阻抗...等。此区域的电压即随着电流密度的增加而呈直线比例降低。
C区域，输出的电流密度达到最高，其损失的原因乃在于发生大量反应时，需要的反应气体(空气与氢气)分子数较多，惟反应气体、质子的传输受到质量传输(Mass Transfer)的限制，来不及提供反应所需的分子数，造成电压值的急遽下降。
基于解决以上所述传统技术的缺点，该传统的电动车辆虽有低噪音及不会造成空气污染的特性，但仍存在有充电时间长、续航时间短、及电池(铅蓄电池)的重量太重及充电设施不足...等问题，都使传统的电动车辆受到极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，藉由直流电/直流电转换器的最佳化设计，以控制器局域网络做为连络的沟通工具，使电力源更趋于弹性化。
本发明在有效应用固体高分子型燃料电池极线图中，电流密度与电压的直线比例特性，配合直流电/直流电转换器与控制局域网络所连接的适切沟通控制手段，而使本发明应用于电动车辆时，具备有良好的续航能力及输出电力弹性。
本发明是这样实现的，一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，包括：一氢气供应器，用以控制氢气燃料的供应；一电能驱动系统，该电能驱动系统为一以直流电为能源的电动机，并可输出电力至传动装置；一直流电/直流电转换器，将燃料电池所输出的电能，经由该直流电/直流电转换器来改变电压及电流，并输出至电能驱动系统；一高功率二次电池，可输出一电能至电能驱动系统；一燃料电池电能管理单元，控制电能的输出流程，以使电动车辆各种需要电能的装置能获得适当的电能；以及一控制器局域网络，与电能驱动系统、高功率二次电池及燃料电池电能管理单元做一连接，可针对负载的需求，调整电能输出于一定的范围内。
本发明还可以这样实现，一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，包括：一氢气供应器，用以控制氢气的供应；一燃料电池，该燃料电池可经由反应作用后输出一电能；一电能驱动系统，该电能驱动系统为一以直流电为能源的电动机，并输出电力至传动装置；一直流电/直流电转换器，将燃料电池所输出的电能，经由该直流电/直流电转换器来改变电压，并输出至电能驱动系统；一高功率二次电池，可输出一电能至电能驱动系统；一燃料电池电能管理单元，控制电能的输出流程，以使电动车辆各种需要电能的装置能获得适当的电能；一控制器局域网络，与电能驱动系统、高功率二次电池及燃料电池电能管理单元连接，针对负载的需求，调整电能输出于一定的范围内；以及一燃料电池辅助系统，提供一电能至电动车辆的附属组件，并使该附属组件产生动作。
本发明的复合式燃料电池电动车辆驱动控制系统具有以下优点和特点：
(1)以小功率固体高分子型燃料电池做为主要基载电源。
(2)以高功率二次电池当做瞬时及峰载(Peak)电源。
(3)以固体高分子型燃料电池补充高功率二次电池电能。
(4)藉由直流电/直流电转换器的控制，使固体高分子燃料电池可以依路况、负载调整电力输出，调整高功率二次电池的充、放电动作。
(5)具复合式电能模式，解决燃料电池系统反应较慢的问题，使电力输出维持在最佳工作状态。
(6)以控制器局域网络做为直流电/直流电转换器、高功率二次电池、燃料电池等沟通及电能管理。
(7)具复合式电能模式，燃料电池为基载电源，高功率二次电池为瞬时与高负载的电源，使电力输出具弹性及快速，符合整车动力性能需求。
(8)控制燃料电池电力输出，作为动力及充电使用，可维持燃料电池在较佳效率及稳态运转，提升整体效率及续航距离。
(9)透过直流电/直流电控制器转换燃料电池的输出电能成为较合适电压范围可使燃料电池选定更具弹性。
(10)燃料电池相对稳态及基载输出规格小型化，系统响应需求降低，同时燃料(氢气、空气)供应系统流量相对降低，所衍生的系统设计及热管理较容易。
(11)燃料电池小型化，成本大幅降低。
(12)虽然造成直流电/直流电转换器成本增加，惟因应用于燃料电池侧，规格较小，成本增加有限。
为了便于进一步理解本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是传统的固体高分子型燃料电池的电流密度-电压特性曲线图。
图2是本发明应用固体高分子型燃料电池的电流密度-电压特性曲线图。
图3是本发明的动力输出控制系统的结构示意图。
图4是本发明的直流电/直流电转换器的一实施例。
图5是本发明的直流电/直流电转换器的另一实施例。
附图标号说明：10氢气供应器；20燃料电池；30电能驱动系统；40直流电/直流电转换器；41非隔离型直流电/直流电转换器；42隔离型直流电/直流电转换器；50高功率二次电池；60燃料电池电能管理单元；70控制器局域网络；80燃料电池辅助系统。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的较佳实施例。
参见图2，是本发明应用固体高分子型燃料电池的电流密度-电压特性曲线图，其中该固体高分子型燃料电池藉由空气与氢气的电化学逆反应，进行发电(燃料电池可视为一小型发电厂)，在发电的过程中，因进入燃料电池的空气压力、空气温度、加湿状态(湿度变化)、空气清净度与氢气利用率(Hydrogen Utilization)，该燃料电池的电流密度与电压关系，是依图中的A、B、C、D区域所显示，此为极线图的可能变化范围，亦即较高的空气供给压力、空气温度、空气湿度、氧气纯度及氢气利用率，会使得曲线依参考直线E、F向右偏移，而获得较高输出电流密度与较高的输出电压，意味着输出功率密度增加，当向右偏移，直线至C、D位置时，在C点的电流密度达到最大；反之，曲线依参考直线E、F向左偏移，输出电流密度与电压都降低，输出功率密度减小，直线A、B可能是最低值的位置。此外，燃料电池于低电流密度时，虽然电压值(电池电压)较高，但此区域的曲线L、E电压急遽降低，同样的状态下，电池于高电流密度时，电压值(电池电压)大幅降低，因此，曲线L、E与曲线F、I都不适用，为维持一定值的发电效率，电池的电压值应控制在固定区域，其上限值为直线J、G，下限值为直线H、K。一言以蔽之，固体高分子型燃料电池因空气供给压力、温度、空气清净度、氢气利用率...等参数的改变，造成输出电流密度与电压变化，应维持在一固定操作区A、H、K、C、G、J，在燃料电池合适的输出电流密度状态下，维持65％至40％(电池胞电压0.8V至0.5V)的发电率，本发明藉由直流电/直流电转换器将燃料电池输出变化宽广的电压(变化量25％)调节至电能驱动系统适用电压(变化量10％)。
参见图3，是本发明的电力输出系统的结构示意图，而该电动车辆的电力输出系统，包括有：
一氢气供应器10，用以控制氢气燃料的供应。
一燃料电池20，该燃料电池20为一固体高分子型燃料电池，可经由反应作用后可输出一电能。
一电能驱动系统30，该电能驱动系统30为一以直流电为能源的电动机，并可输出电力至传动装置(图中未示)。
一直流电/直流电转换器40，将固体高分子型燃料电池20所输出的电能，经由该直流电/直流电转换器40来改变电压，并输出至电能驱动系统30，或对高功率二次电池50进行充电。再请参阅图4，是本发明的直流电/直流电转换器的一实施例，其是一种结构较为简易的非隔离型直流电/直流电转换器41，其内部构成的组件包括有：一电感(L)、一开关(SW，其构成为一N型金属氧化半导体的场效晶体管)、二极管(D)及一电容所组成，该实施例中不需经由变压器的转换电压，即可对高功率二次电池50来进行充电动作。另请图5所示，是本发明的直流电/直流电转换器的另一实施例，其是一种结构较为复杂的隔离型直流电/直流电转换器42，而其内部构件较图4更为复杂，且还包括有一变压器(T)，藉由该变压器的转换电压，对高功率二次电池50进行充电。
一高功率二次电池50，可输出一电能至电能驱动系统30。
一燃料电池电能管理单元60，控制电能的输出流程，以使电动车辆各种需要电能的装置(如风扇、散热器...等)能获得适当的电能。
一控制器局域网络70为一沟通接口，与电能驱动系统、高功率二次电池及燃料电池电能管理单元做一连接，其是可针对负载的需求，调整电能输出于一定的范围内。
一燃料电池辅助系统80，提供一电能至电动车辆的附属组件，并使该附属组件产生动作。
此外，控制器局域网络70接口(Interface)，A点是燃料电池输出点，固体高分子型燃料电池是多重的电池(Cell)所堆积而成，其输出的电压及电池密度依堆积的电池胞差异而有不同变化，本发明是藉由直流电/直流电转换器40，对燃料电池20输出的电压因应高功率二次电池负载回馈(Feed back)进行切换控制，当电压输出大于最大容许电压值(0.8V)及小于最小容许电压值(0.5V)时，直流电/直流电转换器40即关闭来自燃料电池20的电压输出，确保燃料电池20维持一定值的发电效率，此时电动车辆的电力源悉由燃料电池50供给。B点是高功率二次电池50与直流电/直流电转换器40的输出汇集点，藉由直流电/直流电转换器40的最佳化设计与控制器局域网络70接口沟通联系，当高功率二次电池50充电状态(Stateof Charge，SOC)高于90至100％，该控制区域控制网络70提供讯息，停止燃料电池20对高功率二次电池50充电，充电状态80％至90％为充电动作的限制范围，当充电状态0％至40％时，即停止放电，充电状态为40％至60％，则是放电的限制范围，其控制的工作区域是充电状态在60％至80％区间。
此外，本发明在整合固体高分子燃料电池的电流与电压在最佳发电效率区间，以直流电/直流电转换器40做为调节燃料电池20输出的缓冲器(Buffer)，且藉由控制器局域网络70接口，提供直流电/直流电转换器40讯号，调节高功率二次电池50的充、放电动作，亦即当燃料电池电动车辆高负载(如爬坡或瞬间加速)时，电能由燃料电池20输出与高功率二次电池50输出共同供给，而中、低负载(定速巡航)时，则视高功率二次电池50的充电、放电状态，再决定是否由具备随车充电器功能的燃料电池20进行充电工作，使燃料电池20因此可以维持在最佳工作状态，直流电/直流电转换器40亦可视为是电力负载、高功率二次电池50、燃料电池20...等三者之间的调节器(Regulator)。燃料电池电动车辆电力控制系统由控制器局域网络70接口连接，控制器局域网络70接口具有快速数据转换速率(Fast Data Transfer Rates)、弹性(Flexibility)与容易实施(Easy Implementation)...等特征，因应电动车辆电力负载需求，达成最佳化电力应用的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而不是用于限定本发明的范围。凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应落入本发明的范围。

Claims (10)

1、一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于包括：
一氢气供应器，用以控制氢气燃料的供应；
一电能驱动系统，该电能驱动系统为一以直流电为能源的电动机，并可输出电力至传动装置；
一直流电/直流电转换器，将燃料电池所输出的电能，经由该直流电/直流电转换器来改变电压及电流，并输出至电能驱动系统；
一高功率二次电池，可输出一电能至电能驱动系统；
一燃料电池电能管理单元，控制电能的输出流程，以使电动车辆各种需要电能的装置能获得适当的电能；以及
一控制器局域网络，与电能驱动系统、高功率二次电池及燃料电池电能管理单元做一连接，可针对负载的需求，调整电能输出于一定的范围内。
2、如权利要求1所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该系统内还设置有一燃料电池辅助系统，提供一电能至电动车辆的附属组件，并使该附属组件产生动作。
3、如权利要求1所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该系统内还设置有一燃料电池，该燃料电池可经由反应作用后可输出一电能。
4、如权利要求3所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该燃料电池为一固体高分子燃料电池。
5、如权利要求4所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该固体高分子型燃料电池当做随车式充电器，而对高功率二次电池进行充电。
6、如权利要求1所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该直流电/直流电转换器为燃料电池、高功率二次电池与电能驱动系统之间的调节器。
7、一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于包括：
一氢气供应器，用以控制氢气的供应；
一燃料电池，该燃料电池可经由反应作用后输出一电能；
一电能驱动系统，该电能驱动系统为一以直流电为能源的电动机，并输出电力至传动装置；
一直流电/直流电转换器，将燃料电池所输出的电能，经由该直流电/直流电转换器来改变电压，并输出至电能驱动系统；
一高功率二次电池，可输出一电能至电能驱动系统；
一燃料电池电能管理单元，控制电能的输出流程，以使电动车辆各种需要电能的装置获得适当的电能；
一控制器局域网络，与电能驱动系统、高功率二次电池及燃料电池电能管理单元连接，针对负载的需求，调整电能输出于一定的范围内；以及
一燃料电池辅助系统，提供一电能至电动车辆的附属组件，并使该附属组件产生动作。
8、如权利要求7所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该燃料电池为一固体高分子燃料电池。
9、如权利要求7所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该固体高分子型燃料电池当做随车式充电器，而对高功率二次电池进行充电。
10、如权利要求7所述的一种复合式燃料电池电动车辆的电力输出控制系统，其特征在于该直流电/直流电转换器为燃料电池、高功率二次电池与电能驱动系统之间的调节器。
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