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TW202229917A - 燃料電池電堆的控制系統與方法 - Google Patents

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TW202229917A
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徐志瑋
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周裕福
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種燃料電池電堆的控制系統與方法，所述系統包括多組燃料電池電堆、二次電池、監測裝置與控制裝置。燃料電池電堆各自具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且燃料電池電堆的電能輸出端並接至一負載端提供電力。二次電池經由一電能傳輸路徑連至所述燃料電池電堆的電能輸出端。監測裝置用以監測電能傳輸路徑的電性參數。控制裝置則接收來自監控裝置的電性參數的信號，並在電性參數超過一預定上限值時，輸出一第一控制信號關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出；或者在電性參數低於一預定下限值時，輸出一第二控制信號啟動燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。

Description

燃料電池電堆的控制系統與方法
本發明是有關於一種燃料電池電堆的相關技術，且特別是有關於一種燃料電池電堆的控制系統與方法。
燃料電池的供電系統藉由直接供應負載電力需求不但減少經過電源轉換器的能量損耗，更可降低熱管理的負擔，用在無人機的直流電源系統對於提高能量密度有明顯的效益。然而，這樣的供電方式造成燃料電池的輸出電壓受到負載電力需求的變化而有大幅的差異而超出負載系統的輸入電壓範圍。特別是當無人機的酬載重量不同時，所需要的電力差異更形擴大，使得維持燃料電池輸出電壓在一個期望的範圍成為更為棘手的問題。
在燃料電池直接供應負載需求的供電系統中，要維持負載電壓在預期範圍的關鍵因素在於，燃料電池輸出功率的控制，其中藉由多模組電堆的個別啟動與關閉供電，以動態調整輸出功率來符合負載的需求變化是一種有效的方法。
然而，如何因應負載變動，及時調整供電的電堆數量，減少負載功率需求在燃料電池在啟動/關閉過程間對二次電池的負擔，並確保供電品質平順，已成為目前研究的關鍵技術。
本發明提供一種燃料電池電堆的控制系統與方法，能動態調整燃料電池電堆的供電啟動或關閉，以減少二次電池所需要提供的充電或放電電流，因而得以大幅減少系統的負擔。
本發明的燃料電池電堆的控制系統包括多組燃料電池電堆、二次電池、監測裝置與控制裝置。燃料電池電堆各自具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且燃料電池電堆的電能輸出端並接至一負載端提供電力。二次電池經由一電能傳輸路徑連至所述燃料電池電堆的電能輸出端。監測裝置用以監測電能傳輸路徑的電性參數。控制裝置接收來自所述監控裝置的電性參數的信號，並在電性參數超過一預定上限值時，輸出一第一控制信號關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出，而在電性參數低於一預定下限值時，輸出一第二控制信號啟動燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。
本發明的燃料電池電堆的控制方法用以控制多組燃料電池電堆，其中每組燃料電池電堆具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且多組燃料電池電堆的電能輸出端並接至一負載端提供電力。所述控制方法包括提供一個二次電池，其經由一電能傳輸路徑連至燃料電池電堆的電能輸出端，並使用一監測裝置監測所述電能傳輸路徑的電性參數，再使用一控制裝置接收所述電性參數，並且根據所述電性參數執行下列步驟之一。在電性參數超過一預定上限值時，輸出一第一控制信號關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。在電性參數低於一預定下限值時，輸出一第二控制信號關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。
基於上述，本發明無須監測負載或各個燃料電池（電堆）的狀態，可通過控制系統即時因應負載變動的過程，啟動或關閉部分並聯燃料電池電堆的發電運作，使得並聯運作的多組燃料電池電堆的輸出電壓控制在預期的特定範圍內。特別是用於以二次電池提供輔助電力的混和供電時，控制燃料電池電堆運作的輸出功率，使得二次電池的放電或充電功率控制在適當範圍內。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依照本發明的第一實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。
請參照圖1A，本實施例的燃料電池電堆的控制系統100包括多組燃料電池電堆102、二次電池104、監測裝置106與控制裝置108。燃料電池電堆102各自具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且燃料電池電堆102的電能輸出端110並接至一負載端112提供一變動負載電力。二次電池104經由一電能傳輸路徑114連至所述燃料電池電堆102的電能輸出端110，二次電池104可提供輔助電力需求，同時可接收燃料電池電堆102提供變動負載所剩餘的電力進行充電。監測裝置106用以監測電能傳輸路徑114的電性參數S，其中電能傳輸路徑114是指二次電池104與電能輸出端110之間的路徑，而電性參數S根據不同的監測裝置或條件可包括輸入二次電池104的功率P in、二次電池104的儲電容量（stage of charge，SOC）、二次電池104的輸出端電壓V Batt、輸入二次電池104的電流I in、燃料電池電堆102的輸出電壓V FC等。控制裝置108接收到電性參數S後，會在電性參數S超過一預定上限值S 1時，輸出一第一控制信號關閉燃料電池電堆102中的至少一組的電能輸出；或者，在電性參數S低於一預定下限值S 2時，則輸出一第二控制信號啟動燃料電池電堆102中的至少一組的電能輸出。在一實施例中，二次電池104例如鋰電池(聚合物鋰電池LIPO、鋰離子電池Li-ion或固態電解液鋰電池等)或其他高功率可充放電電池(包含鉛酸電池Lead Acid、鎳鎘NiCd、鎳氫電池NiMH或電雙層電容器EDLC等)。監測裝置106根據所欲監測的電性參數S，可包括但不限於電壓檢測器、電壓功率檢測器、電流檢測器、功率計、瓦時計或殘餘電量估測計等各種電力監測儀設備。控制裝置108例如處理器、電腦等設備。
在一實施例中，所述變動負載例如無人機等負載變動大的裝置。舉例來說，如圖1B所示，隨著時間的變化，在無人機的需求功率直線上升的過程中，燃料電池電堆102的輸出功率如階梯式上升（燃料電池發電），以因應無人機的電力需求。電能傳輸路徑114的電性參數S(如輸出/輸入功率)如同圖1B中的密集點分佈區塊與稀疏點分佈區塊，其中密集點分佈區塊代表充電功率的大小(此時燃料電池電堆102的輸出功率大於無人機的電力需求，故多餘的電能提供二次電池104充電)，稀疏點分佈區塊代表放電功率的大小(此時燃料電池電堆102的輸出功率小於無人機的電力需求，故不足的電能由二次電池104放電提供)，以因應無人機的馬達負載功率需求的變化，並根據電性參數S一一啟動多組燃料電池電堆102中的各組燃料電池電堆的電能輸出。而在順風/逆風情境；或減速/加速情境；或改變飛行高度情境，無人機的馬達負載功率也會不同，因此利用本發明的控制系統與方法。能即時因應負載變動的過程，啟動或關閉多組燃料電池電堆102中的部分燃料電池電堆。
在一實施例中，參酌圖1A、1C，電性參數S是輸入二次電池104的功率（充電功率）P in。所述預定上限值S 1為（充電）功率上限值，所述預定下限值S 2為（放電）功率下限值，故充電功率為正號（S 1＞ 0），放電功率為負號（S 2＜ 0）。此外，通過監測裝置106還可估算出二次電池104的儲電容量SOC（stage of charge），並在所述儲電容量SOC大於一儲電容量上限值SOC 2時，降低前述功率上限值，並且在所述儲電容量小於一儲電容量下限值SOC 1時，增加前述功率下限值。舉例來說，如圖1C所示，原本的S 1設為600W，一旦SOC大於儲電容量上限值SOC 2(例如70%)時，S 1則由600W線性下降，即充電功率上限值S 1(SOC=80%)= 400W；S 1(SOC=90%)= 200W；S 1(SOC=100%)= 0W。類似的方式也可以用在S 2的設定值，假設原本的放電功率下限值S 2設為-1200W，一旦SOC小於儲電容量下限值SOC 1(例如30%)時，S 2由-1200W線性增加，即S 2(SOC=20%)= -800W；S 2(SOC=10%)= -400W；S 2(SOC=0%)= 0W。因此，電性參數S是輸入二次電池104的功率（充電功率）P in的情況下，預定充電功率上限值S 1以及預定放電功率下限值S 2可維持固定值或者根據SOC的情況調整S 1和S 2。至於二次電池104的儲電容量SOC可從電能傳送路徑114的二次電池104的輸出端電壓判定，或者是藉由從電能傳送路徑114的二次電池104的輸出端電壓以及自電能傳送路徑114進出二次電池104的電量估算得到，例如揭露於公告號TW I337413的估測方法。
在另一實施例中，電性參數S是二次電池104的儲電容量SOC，且所述預定上限值S 1為儲電容量上限值，所述預定下限值S 2為儲電容量下限值，因此S 1和S 2都大於0。至於二次電池104的儲電容量則如上段所述，不再贅述。
在又一實施例中，參照圖1D，電性參數S可為輸入二次電池104的電流I in，所述預定上限值S 1為輸入電流上限值，所述預定下限值S 2為輸入電流下限值，且S 1＞ 0；S 2＜ 0。當二次電池104接收來自電能傳送路徑114的電流時，S值大於零；當二次電池經由電能傳送路徑114輸出電流時，S值小於零。此外，還可通過監測裝置106估算出二次電池104的儲電容量SOC，如同圖1C所示的曲線變化，亦即圖1C的充電功率與放電功率改為充電電流與放電電流，因此在所述儲電容量SOC大於一儲電容量上限值SOC 2時，降低前述輸入電流上限值S 1，並且在所述儲電容量SOC小於一儲電容量下限值SOC 1時，增加前述輸入電流下限值S 2。
在再一實施例中，參照圖1E，電性參數S是二次電池104輸出至(變動)負載的輸出端電壓 V Batt，且所述預定上限值S 1為端電壓上限值V H，所述預定下限值S 2為端電壓下限值V L。
圖2是第一實施例的燃料電池電堆的控制方法的步驟圖，因此有關控制系統的內容可參照第一實施例的上述說明，不再贅述。
請參照圖2，於步驟200中，使用監測裝置（圖1的106）步驟監測電能傳輸路徑（圖1的114）的電性參數S，其中S可以是輸入二次電池的功率P in、二次電池的儲電容量（SOC）、二次電池的輸出端電壓V Batt、輸入二次電池104的電流I in或燃料電池電堆102的輸出電壓V FC。
當S是輸入二次電池的功率P in，預定上限值S 1為（充電）功率上限值，預定下限值S 2為（放電）功率下限值。
當S是二次電池的儲電容量（SOC），預定上限值S 1為儲電容量上限值，預定下限值S 2為儲電容量下限值。
當S是輸入二次電池104的電流I in，預定上限值S 1為輸入電流上限值，預定下限值S 2為輸入電流下限值。
當S是二次電池的輸出端電壓V Batt，預定上限值S 1為端電壓上限值，預定下限值S 2為端電壓下限值。
當S是燃料電池電堆102的輸出電壓V FC，預定上限值S 1為燃料電池電堆的輸出電壓上限值，預定下限值S 2為燃料電池電堆的輸出電壓下限值。
然後，使用控制裝置（圖1的108）接收所述電性參數S，並且先判定電性參數S是否超過一預定上限值S 1（步驟202），如果S大於或等於S 1則執行步驟204；如果S不大於S 1則執行步驟206。
在步驟204中，確認目前開啟的燃料電池電堆的數目N是否是最小數目N min，如果N=N min則回到步驟200。如果N不是N min，則控制裝置（圖1的108）會輸出一第一控制信號，關閉其中一組燃料電池電堆的電能輸出（步驟208）。
在步驟206中，判定電性參數S是否低於或等於一預定下限值S 2，如果S小於或等於S 2執行步驟210；如果S不小於S 2則回到步驟200。
在步驟210中，確認目前開啟的燃料電池電堆的數目N是否是最大數目N max，如果N=N max則回到步驟200。如果N不是N max，則控制裝置（圖1的108）會輸出一第二控制信號，關閉其中一組燃料電池電堆的電能輸出（步驟212）。
而且，無論是執行步驟212或步驟208，都會繼續回到步驟200，以持續監測電性參數S，因此可即時因應負載變動的過程，啟動或關閉部分並聯燃料電池電堆的發電運作，使得並聯運作的多組燃料電池電堆（圖1的102）的輸出電壓控制在預期的特定範圍內。特別是受監測的電性參數S與二次電池（圖1的102）直接相關的數值，因此本實施例不需要監測負載或燃料電池電堆本身的狀態，只要監測二次電池的電能輸出狀態，即可控制燃料電池電堆運作的輸出功率，使得二次電池的放電或充電功率控制在適當範圍內。
圖3是第一實施例的燃料電池電堆的控制系統之具體例的方塊圖，其中使用與圖1相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照圖1的相關說明，不再贅述。
請參照圖3，多組燃料電池電堆102中可包括多個燃料電池電堆300，且每個燃料電池電堆300都搭配有發電系統平衡（balance of plant，BOP）裝置302，可通過BOP 302來控制進氣閥304的開關，由於進氣閥304連通至燃料槽306，所以關閉一個進氣閥304就代表關閉其中一組燃料電池電堆300的電能輸出；打開一個進氣閥304就代表啟動其中一組燃料電池電堆300的電能輸出。在圖3中雖顯示4個燃料電池電堆300，但應知本發明的多組燃料電池電堆102中燃料電池電堆300的數量可依需求增加或減少。此外，在進氣閥304與燃料槽306之間的氣體燃料供應管308中可設置壓力調節裝置310來控制進入燃料電池電堆300的氣體壓力，其中壓力調節裝置310例如減壓閥。
在圖3中，多組燃料電池電堆102的電能輸出路徑是從各個燃料電池電堆300流往BOP 302，再留至各個電能輸出端110。當控制裝置108接收到監測裝置106所測得的電性參數S後，會進行如圖2的步驟，並輸出控制信號到各個BOP 302，以分別啟動或關閉並聯的燃料電池電堆300。
圖4是依照本發明的第二實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。
請參照圖4，本實施例的燃料電池電堆的控制系統與第一實施例的差別在於：第二實施例的電性參數S是輸入二次電池104的功率（充電功率）P in，因此預定上限值S 1為（充電）功率上限值，預定下限值S 2為（放電）功率下限值，故充電功率為正號（S 1＞ 0），放電功率為負號（S 2＜ 0）。本實施例的燃料電池電堆的控制系統100還包括一第三直流電壓轉換器C3，設置於燃料電池電堆102的電能輸出端110與負載端112之間，以經由第三直流電壓轉換器C3輸出功率到負載端112。舉例來說，所述變動負載如果是無人機的馬達，且無人機馬達的工作電壓在42V~55V，則第三直流電壓轉換器C3的預設輸出電壓Vout可設定在上述範圍內，以確保輸出負載端112的端電壓符合無人機馬達的工作電壓。
圖5是依照本發明的第三實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。
請參照圖5，本實施例的燃料電池電堆的控制系統的電性參數S是輸入二次電池104的功率（充電功率）P in，因此預定上限值S 1為（充電）功率上限值，預定下限值S 2為（放電）功率下限值，故充電功率為正號（S 1＞ 0），放電功率為負號（S 2＜ 0）。本實施例與第一實施例的差別在於：還可包括一第一直流電壓轉換器C1以及一單向電流控制元件D1，設置在二次電池104與電能傳輸路徑114之間。第一直流電壓轉換器C1傳送來自二次電池104的電能，經由負載端112供應變動負載的電力需求。舉例來說，若是第一直流電壓轉換器C1的輸出電壓設定值為44V，當燃料電池電堆102輸出電壓低於44V時，二次電池104將經由C1提供輔助電力調節燃料電池電堆102供應變動負載的電壓值不低於上述第一直流電壓轉換器C1的輸出電壓設定值。單向電流控制元件D1傳送來自燃料電池電堆102剩餘的電力對二次電池104進行充電，其中單向電流控制元件D1例如二極體元件。因此當負載功率需求下降，使得燃料電池電堆102輸出電壓大於二次電池104輸出電壓，則燃料電池電堆102輸出功率會經由D1對二次電池104充電，使得功率（充電功率）P in大於0。而且，在負載端112的負載電壓高於第一直流電壓轉換器C1的一預設輸出電壓值時，第一直流電壓轉換器C1不傳送二次電池104的電能。本實施例中的監測裝置是監測輸入二次電池的功率的裝置502，即電性參數S是輸入二次電池104的功率P in。
圖6是依照本發明的第四實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。
請參照圖6，本實施例的燃料電池電堆的控制系統與第一實施例的差別在於：還可包括一第一直流電壓轉換器C1以及一第二直流電壓轉換器C2，設置在二次電池104與電能傳輸路徑114之間。第一直流電壓轉換器C1傳送來自二次電池104的電能，經由負載端112供應變動負載的電力需求。第二直流電壓轉換器C2接收來自燃料電池電堆102的電能轉換至二次電池104的電壓準位，對二次電池104進行充電。而本實施例中的監測裝置是監測燃料電池電堆102的輸出電壓V FC的監測裝置602，即電性參數S是燃料電池電堆102輸出至(變動)負載的端電壓V FC，且所述預定上限值S 1為燃料電池電堆102的輸出電壓上限值V H，所述預定下限值S 2為燃料電池電堆102的輸出電壓下限值V L。舉例來說，燃料電池電堆102提供負載電力的範圍為45V~49.8V，故預定上限值S 1為燃料電池電堆102的輸出電壓上限值V H=49.8V，預定下限值S 2為燃料電池電堆102的輸出電壓下限值V L=45V。當燃料電池電堆102的輸出電壓V FC大於V H，至少關閉多模組燃料電池電堆102中的一組燃料電池輸出，直到燃料電池全數關閉為止；相反地，當燃料電池電堆102的輸出電壓V FC小於V L，至少啟動多模組燃料電池電堆102中的一組燃料電池輸出，直到燃料電池全數啟動為止。
另外，本實施例中的監測裝置602同時可監測電能傳輸路徑114中來自第一直流電壓轉換器C1的輸出電壓與傳送至第二直流電壓轉換器C2的輸入電壓，若是二次電池104的正常操作電壓假設是42V~50.4V，而整個系統的輸出電壓（即負載端112的電壓）設定值V S1為44V，一旦燃料電池電堆102輸出電壓V FC低於44V，二次電池104將經由第一直流電壓轉換器C1提供輔助電力，以調節燃料電池電堆102供應變動負載的電壓值不低於上述輸出電壓設定值V S1；當負載功率需求下降，使得燃料電池電堆102輸出電壓V FC大於第二直流電壓轉換器C2的預設輸入電壓值V S2(例如45.6V)時，則燃料電池電堆102輸出的部分電流會經由第二直流電壓轉換器C2對二次電池104充電。換句話說，二次電池104在一設定電壓範圍(輸出電壓V FC= 44V~45.6V)內不充電也不放電。另一方面，在負載端112的負載電壓高於上述設定值V S1時，第一直流電壓轉換器C1不傳送二次電池104的電能。另外，第二直流電壓轉換器C2的預設輸出電壓值V S3小於或等於二次電池104的最高充電電壓，並在第二直流電壓轉換器C2的輸出電壓高於所述最高充電電壓時，停止輸出電流供給二次電池104。設定值V S1是用作第一直流電壓轉換器C1調節二次電池104放電的電壓條件；預設輸入電壓值V S2/預設輸出電壓值V S3是用作第二直流電壓轉換器C2對二次電池104充電的電壓條件。
圖7是依照本發明的第五實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖，其中使用與第二實施例(圖4)相同的元件符號來表示相同或近似的構件，且相同或近似的構件內容也可參照上述第一實施例的相關說明，不再贅述。
請參照圖7，本實施例的燃料電池電堆的控制系統與第二實施例的差別在於：監測裝置是監測二次電池104的輸出端電壓V Batt的裝置700，即電性參數S是二次電池104輸出至(變動)負載的端電壓V Batt，且所述預定上限值S 1為端電壓上限值V H，所述預定下限值S 2為端電壓下限值V L。
在本實施例中，多組燃料電池電堆102中用來發電的燃料電池數量是依據二次電池104的輸出端電壓V Batt進行控制，因此也會受到二次電池104的儲電容量(SOC)與充放電電流的影響。請參考圖8，假設二次電池104具有一預設最佳充放電電壓工作區間，且上限V H為49.2V以及下限V L為46.8V。當二次電池104的SOC在80%(開迴路電壓OCV約48V)，此時如果二次電池104的回充電流I等於24A(I= -24A)，二次電池104的輸出端電壓V 1將等於端電壓上限值V H(49.2V)，因此一旦回充電流I大於24A(I＜ -24A)，輸出端電壓V 1將大於端電壓上限值V H而觸發｢關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣的動作；同樣地，如果此時的放電電流I超過24A(I＞ 24A)，二次電池104的輸出端電壓V 2將降到低於端電壓下限值V L(46.8V)，因而觸發｢啟動燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣的動作。
當二次電池104的SOC愈高，其開迴路電壓OCV (open circuit voltage)愈高，例如二次電池104的SOC在90%的情況下，不充放電(I=0A)即可使二次電池104的輸出端電壓V 3等於端電壓上限值V H，因此會觸發｢關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣的動作；另一方面，放電電流要遠大於24A (I＞＞24A)才會使二次電池104的輸出端電壓V 4低於V L(46.8V)，觸發｢啟動燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣的動作。
相反地，當二次電池104的SOC愈低，其開迴路電壓OCV愈低，例如二次電池104的SOC在70%的情況下，表示不充放電(I=0A)時二次電池104的輸出端電壓V 5等於端電壓下限值V L，因此需即刻觸發｢啟動燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣動作；另一方面，如果要觸發｢關閉燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出｣動作的話，需要遠大於24A的放電電流(I＜＜-24A)，才能使二次電池104的輸出端電壓V 6大於端電壓上限值V H。
綜上所述，本發明通過控制系統即時因應負載變動的過程，啟動或關閉部分並聯燃料電池電堆的發電運作，使得並聯運作的多組燃料電池電堆的輸出電壓控制在預期的特定範圍內。而且監測的對象是二次電池連至燃料電池電堆的一電能傳輸路徑的電性參數S，因此本發明無須監測負載或各個燃料電池（電堆）的狀態，就能達到上述效果。特別是用於以二次電池提供輔助電力的混和供電時，控制燃料電池電堆運作的輸出功率，使得二次電池的放電或充電功率也能控制在適當範圍內。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:燃料電池電堆的控制系統 102:多組燃料電池電堆 104:二次電池 106、602:監測裝置 108:控制裝置 110:電能輸出端 112:負載端 114:電能傳輸路徑 200、202、204、206、208、210、212:步驟 300:燃料電池電堆 302:BOP 304:進氣閥 306:燃料槽 308:氣體燃料供應管 310:壓力調節裝置 502:監測輸入二次電池的功率的裝置 700:監測二次電池的輸出端電壓的裝置 C1、C2、C3:直流電壓轉換器 D1:單向電流控制元件 I in:輸入二次電池的電流 P in:輸入二次電池的功率 S:電性參數 S 1:預定上限值 S 2:預定下限值 V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6、V Batt:二次電池的輸出端電壓 V FC:燃料電池電堆的輸出電壓
圖1A是依照本發明的第一實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖1B是無人機的電力需求曲線圖。 圖1C是第一實施例中的功率上下限值隨儲電容量變化的曲線圖。 圖1D是第一實施例的另一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖1E是第一實施例的又一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖2是第一實施例的燃料電池電堆的控制方法的步驟圖。 圖3是第一實施例的燃料電池電堆的控制系統之具體例的方塊圖。 圖4是依照本發明的第二實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖5是依照本發明的第三實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖6是依照本發明的第四實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖7是依照本發明的第五實施例的一種燃料電池電堆的控制系統的方塊圖。 圖8是第五實施例的燃料電池電堆的儲電容量(SOC)與輸出端電壓V Batt之間的曲線圖。
100:燃料電池電堆的控制系統
102:多組燃料電池電堆
104:二次電池
106:監測裝置
108:控制裝置
110:電能輸出端
112:負載端
114:電能傳輸路徑
S:電性參數

Claims (34)

  1. 一種燃料電池電堆的控制系統，包括： 多組燃料電池電堆，各自具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且所述多組燃料電池電堆的電能輸出端並接至一負載端提供電力； 二次電池，經由一電能傳輸路徑連至所述燃料電池電堆的所述電能輸出端； 監測裝置，用以監測所述電能傳輸路徑的電性參數；以及 控制裝置，接收來自所述監控裝置的所述電性參數的信號，並在所述電性參數超過一預定上限值時，輸出一第一控制信號關閉所述燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出，而在所述電性參數低於一預定下限值時，輸出一第二控制信號啟動所述燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。
  2. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述電性參數是輸入所述二次電池的功率，且所述預定上限值為充電功率上限值，所述預定下限值為放電功率下限值。
  3. 如請求項2所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述監測裝置更包括所述二次電池的儲電容量估算手段，用以估算出所述二次電池的儲電容量，在所述儲電容量大於一儲電容量上限值時，降低所述充電功率上限值，並且在所述儲電容量小於一儲電容量下限值時，增加所述放電功率下限值。
  4. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述電性參數是所述二次電池的儲電容量，且所述預定上限值為儲電容量上限值，所述預定下限值為儲電容量下限值。
  5. 如請求項4所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述二次電池的所述儲電容量是從所述電能傳送路徑的所述二次電池的輸出端電壓以及自所述電能傳送路徑進出所述二次電池的電量估算得到。
  6. 如請求項4所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述二次電池的所述儲電容量是依據所述二次電池的輸出端電壓進行判定的。
  7. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，更包括一第一直流電壓轉換器，設置在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間，用以傳送來自所述二次電池的電能，經由所述負載端供應負載的電力需求。
  8. 如請求項7所述的燃料電池電堆的控制系統，其中在所述負載端的負載電壓高於所述第一直流電壓轉換器的一預設電壓值時，所述第一直流電壓轉換器不傳送所述二次電池的電能。
  9. 如請求項7所述的燃料電池電堆的控制系統，更包括一單向電流控制元件，設置在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間，用以傳送來自所述燃料電池電堆剩餘的電力對所述二次電池進行充電。
  10. 如請求項9所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述單向電流控制元件為二極體元件。
  11. 如請求項7所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述電性參數是所述二次電池經由所述第一直流電壓轉換器輸出至負載的端電壓，且所述預定上限值為端電壓上限值，所述預定下限值為端電壓下限值。
  12. 如請求項7所述的燃料電池電堆的控制系統，更包括一第二直流電壓轉換器，設置在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間，用以接收來自所述燃料電池電堆的電能轉換至所述二次電池的電壓準位，對所述二次電池進行充電，且所述電性參數是所述燃料電池電堆的輸出電壓，且所述預定上限值為所述燃料電池電堆的輸出電壓上限值，所述預定下限值為所述燃料電池電堆的輸出電壓下限值。
  13. 如請求項12所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述第二直流電壓轉換器具有一預設輸入電壓值，當所述燃料電池電堆的輸出電壓大於所述預設輸入電壓值時，所述燃料電池電堆的部分電流會經由所述第二直流電壓轉換器對所述二次電池充電。
  14. 如請求項13所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述第二直流電壓轉換器具有一預設輸出電壓值，且所述預設輸出電壓值小於或等於所述二次電池的最高充電電壓，並在所述第二直流電壓轉換器的輸出電壓高於所述最高充電電壓，停止輸出電流供給所述二次電池。
  15. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，更包括一第三直流電壓轉換器，設置於所述燃料電池電堆的所述電能輸出端與所述負載端之間，以經由所述第三直流電壓轉換器輸出功率到所述負載端。
  16. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述電性參數是所述二次電池的輸出端電壓，且所述預定上限值為端電壓上限值，所述預定下限值為端電壓下限值。
  17. 如請求項1所述的燃料電池電堆的控制系統，其中所述電性參數是輸入所述二次電池的電流，且所述預定上限值為輸入電流上限值，所述預定下限值為輸入電流下限值。
  18. 一種燃料電池電堆的控制方法，用以控制多組燃料電池電堆，其中每組所述燃料電池電堆具有獨立啟動或關閉的電能輸出，且所述燃料電池電堆的電能輸出端並接至一負載端提供電力，所述控制方法包括： 提供一二次電池，其經由一電能傳輸路徑連至所述燃料電池電堆的所述電能輸出端； 使用一監測裝置監測所述電能傳輸路徑的電性參數；以及 使用一控制裝置接收所述電性參數，並且根據所述電性參數執行下列步驟之一： 在所述電性參數超過一預定上限值時，輸出一第一控制信號關閉所述燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出； 在所述電性參數低於一預定下限值時，輸出一第二控制信號啟動所述燃料電池電堆中的至少一組的電能輸出。
  19. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述電性參數是輸入所述二次電池的功率，且所述預定上限值為充電功率上限值，所述預定下限值為放電功率下限值。
  20. 如請求項19所述的燃料電池電堆的控制方法，更包括監測所述二次電池的儲電容量，在所述儲電容量大於一儲電容量上限值時，降低所述充電功率上限值，並且在所述儲電容量小於一儲電容量下限值時，增加所述放電功率下限值。
  21. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述電性參數是所述二次電池的儲電容量，且所述預定上限值為儲電容量上限值，所述預定下限值為儲電容量下限值。
  22. 如請求項19所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述二次電池的所述儲電容量是從所述電能傳送路徑的所述二次電池的輸出端電壓以及自所述電能傳送路徑進出所述二次電池的電量估算得到。
  23. 如請求項19所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述二次電池的所述儲電容量是依據所述二次電池的輸出端電壓進行判定的。
  24. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，更包括在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間提供一第一直流電壓轉換器，傳送來自所述二次電池的電能，經由所述負載端供應負載的電力需求。
  25. 如請求項24所述的燃料電池電堆的控制方法，其中在輸出連接於所述負載端的負載電壓高於所述第一直流電壓轉換器的一預設電壓值時，所述第一直流電壓轉換器不傳送所述二次電的電能。
  26. 如請求項24所述的燃料電池電堆的控制方法，更包括在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間提供一單向電流控制元件，傳送來自所述燃料電池電堆剩餘的電力對所述二次電池進行充電。
  27. 如請求項26所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述單向電流控制元件為二極體元件。
  28. 如請求項24所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述電性參數是所述二次電池經由所述第一直流電壓轉換器輸出至負載的端電壓，且所述預定上限值為端電壓上限值，所述預定下限值為端電壓下限值。
  29. 如請求項24所述的燃料電池電堆的控制方法，更包括在所述二次電池與所述電能傳輸路徑之間提供一第二直流電壓轉換器，接收來自所述燃料電池電堆的電能轉換至所述二次電池的電壓準位，對所述二次電池進行充電，且所述電性參數是所述燃料電池電堆的輸出電壓，所述預定上限值為所述燃料電池電堆的輸出電壓上限值，所述預定下限值為所述燃料電池電堆的輸出電壓下限值。
  30. 如請求項29所述的的燃料電池電堆的控制方法，其中所述第二直流電壓轉換器具有一預設輸入電壓值，當所述燃料電池電堆的輸出電壓大於所述預設輸入電壓值時，所述燃料電池電堆的部分電流會經由所述第二直流電壓轉換器對所述二次電池充電。
  31. 如請求項30所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述第二直流電壓轉換器具有一預設輸出電壓值，且所述預設輸出電壓值小於或等於所述二次電池的最高充電電壓，並在所述第二直流電壓轉換器的輸出電壓高於所述最高充電電壓，停止輸出電流供給所述二次電池。
  32. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述電性參數是輸入所述二次電池的電流，且所述預定上限值為輸入電流上限值，所述預定下限值為輸入電流下限值。
  33. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，更包括在所述電能輸出端與所述負載端之間提供一第三直流電壓轉換器，以經由所述第三直流電壓轉換器輸出功率到所述負載端。
  34. 如請求項18所述的燃料電池電堆的控制方法，其中所述電性參數是所述二次電池的輸出端電壓，且所述預定上限值為端電壓上限值，所述預定下限值為端電壓下限值。
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