專利名稱：：一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，尤其是一種藉由控制器局域網(wǎng)絡(luò)接口的溝通，整合一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器、一固體高分子型燃料電池與小型、一輕量化及高功率的二次電池...等電力源，使電力系統(tǒng)維持在較佳操作狀態(tài)的復(fù)合式電能的電動車輛電力源控制系統(tǒng)。為了上述的目的，目前已成功研發(fā)出不使用汽油做為燃料的汽機動車，改以可充電式的鉛酸電池作為電能的來源，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)引擎，如此便可達到零污染的標準，但其續(xù)航能力不佳(充電完畢后約只能行駛60公里左右)，且充電時間太久(約需八小時左右)及充電站太少...等缺點，因此使相關(guān)業(yè)者無法有效做一推展，而造成消費者購買意愿不高。而本發(fā)明即為針對傳統(tǒng)電動機動車的缺點做一改善，而研發(fā)出一全新電力輸出控制系統(tǒng)，而可使電動車輛(如機動車及腳踏車...等)具備有較佳續(xù)航能力。另外，固體高分子型燃料電池(PolymerElectrolyteMembraneFuelCell，PEMFC)，為近年來發(fā)展最為快速的燃料電池，相較于其它種類燃料電池，是具有常溫(80℃以下)快速激活及動態(tài)反應(yīng)(TransientResponse)靈敏的優(yōu)點，未來有可能廣泛應(yīng)用于汽機動車等移動式(Portable)的電力系統(tǒng)上，固體高分子型燃料電池采用空氣中的氧與氫氣燃料做一反應(yīng)，該反應(yīng)過程是類似電化學(xué)的逆反應(yīng)現(xiàn)象，反應(yīng)過程中除了產(chǎn)生電能及水以外，另外亦產(chǎn)生廢熱，卻不會排放具有毒性的物質(zhì)，因此固體高分子型燃料電池為車輛清凈能源的最佳選擇。固體高分子型燃料電池的放電特性，依其膜組體(MembraneElectrodeAssembly，MEA)的特性而異，其下列因素皆會產(chǎn)生影響(一)氣體擴散層其內(nèi)部的膜組體孔洞的多寡及形狀、厚度、排水性及導(dǎo)電性，皆會產(chǎn)生影響。(二)作用層其內(nèi)部的觸媒種類、成分、貴重金屬的含量、晶粒大小及分布情形，皆會產(chǎn)生影響。(三)質(zhì)子交換膜其內(nèi)部的厚度、含水量、孔洞結(jié)構(gòu)、孔洞大小與多寡，皆會產(chǎn)生影響。參見圖1，其是傳統(tǒng)的固定高分子型燃料電池的電流密度-電壓的特性(放電特性)曲線圖，亦稱為極線圖(PolarizationCurve)或者(TafelCurve)，乃為典型的固定高分子型燃料電池反應(yīng)時的放電性能，在室溫(25℃)的標準環(huán)境下，生成一莫耳的水，其熱焓(ΔH0)時為-286kJ/mole，可以轉(zhuǎn)換成為電能的Gibbs自由能(ΔG0)為-237kJ/mole，因此，理論的電能效率才達到83％，剩余的-49kJ/mole(-TΔS0)，則為釋出的廢熱，固體高分子型燃料電池因這種常溫的電化學(xué)反應(yīng)，相較于內(nèi)燃機等傳統(tǒng)引擎，擁有較高的能源轉(zhuǎn)換效率。其放電特性由極線圖中可以看出A區(qū)域，燃料電池于輸出低電流密度時，受到活化損失(ActivationLoss)的影響，零電流(無負載)時，電壓值無法達到理論值(1.23V)，當輸出小電流密度時，電壓值快速下降，且明顯呈現(xiàn)非線性。B區(qū)域，產(chǎn)生的電能損失，主要是質(zhì)子與電子轉(zhuǎn)移時受到內(nèi)電阻(ohmic)的影響，即為下列四個重要參數(shù)電極導(dǎo)體的電氣阻抗、陰極阻抗反應(yīng)、陽極阻抗反應(yīng)、電解質(zhì)阻抗...等。此區(qū)域的電壓即隨著電流密度的增加而呈直線比例降低。C區(qū)域，輸出的電流密度達到最高，其損失的原因乃在于發(fā)生大量反應(yīng)時，需要的反應(yīng)氣體(空氣與氫氣)分子數(shù)較多，惟反應(yīng)氣體、質(zhì)子的傳輸受到質(zhì)量傳輸(MassTransfer)的限制，來不及提供反應(yīng)所需的分子數(shù)，造成電壓值的急遽下降?；诮鉀Q以上所述傳統(tǒng)技術(shù)的缺點，該傳統(tǒng)的電動車輛雖有低噪音及不會造成空氣污染的特性，但仍存在有充電時間長、續(xù)航時間短、及電池(鉛蓄電池)的重量太重及充電設(shè)施不足...等問題，都使傳統(tǒng)的電動車輛受到極大的限制。本發(fā)明在有效應(yīng)用固體高分子型燃料電池極線圖中，電流密度與電壓的直線比例特性，配合直流電/直流電轉(zhuǎn)換器與控制局域網(wǎng)絡(luò)所連接的適切溝通控制手段，而使本發(fā)明應(yīng)用于電動車輛時，具備有良好的續(xù)航能力及輸出電力彈性。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，包括一氫氣供應(yīng)器，用以控制氫氣燃料的供應(yīng)；一電能驅(qū)動系統(tǒng)，該電能驅(qū)動系統(tǒng)為一以直流電為能源的電動機，并可輸出電力至傳動裝置；一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器，將燃料電池所輸出的電能，經(jīng)由該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器來改變電壓及電流，并輸出至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一高功率二次電池，可輸出一電能至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一燃料電池電能管理單元，控制電能的輸出流程，以使電動車輛各種需要電能的裝置能獲得適當?shù)碾娔埽灰约耙豢刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)，與電能驅(qū)動系統(tǒng)、高功率二次電池及燃料電池電能管理單元做一連接，可針對負載的需求，調(diào)整電能輸出于一定的范圍內(nèi)。本發(fā)明還可以這樣實現(xiàn)，一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，包括一氫氣供應(yīng)器，用以控制氫氣的供應(yīng)；一燃料電池，該燃料電池可經(jīng)由反應(yīng)作用后輸出一電能；一電能驅(qū)動系統(tǒng)，該電能驅(qū)動系統(tǒng)為一以直流電為能源的電動機，并輸出電力至傳動裝置；一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器，將燃料電池所輸出的電能，經(jīng)由該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器來改變電壓，并輸出至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一高功率二次電池，可輸出一電能至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一燃料電池電能管理單元，控制電能的輸出流程，以使電動車輛各種需要電能的裝置能獲得適當?shù)碾娔?；一控制器局域網(wǎng)絡(luò)，與電能驅(qū)動系統(tǒng)、高功率二次電池及燃料電池電能管理單元連接，針對負載的需求，調(diào)整電能輸出于一定的范圍內(nèi)；以及一燃料電池輔助系統(tǒng)，提供一電能至電動車輛的附屬組件，并使該附屬組件產(chǎn)生動作。本發(fā)明的復(fù)合式燃料電池電動車輛驅(qū)動控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點和特點(1)以小功率固體高分子型燃料電池做為主要基載電源。(2)以高功率二次電池當做瞬時及峰載(Peak)電源。(3)以固體高分子型燃料電池補充高功率二次電池電能。(4)藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的控制，使固體高分子燃料電池可以依路況、負載調(diào)整電力輸出，調(diào)整高功率二次電池的充、放電動作。(5)具復(fù)合式電能模式，解決燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)較慢的問題，使電力輸出維持在最佳工作狀態(tài)。(6)以控制器局域網(wǎng)絡(luò)做為直流電/直流電轉(zhuǎn)換器、高功率二次電池、燃料電池等溝通及電能管理。(7)具復(fù)合式電能模式，燃料電池為基載電源，高功率二次電池為瞬時與高負載的電源，使電力輸出具彈性及快速，符合整車動力性能需求。(8)控制燃料電池電力輸出，作為動力及充電使用，可維持燃料電池在較佳效率及穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)，提升整體效率及續(xù)航距離。(9)透過直流電/直流電控制器轉(zhuǎn)換燃料電池的輸出電能成為較合適電壓范圍可使燃料電池選定更具彈性。(10)燃料電池相對穩(wěn)態(tài)及基載輸出規(guī)格小型化，系統(tǒng)響應(yīng)需求降低，同時燃料(氫氣、空氣)供應(yīng)系統(tǒng)流量相對降低，所衍生的系統(tǒng)設(shè)計及熱管理較容易。(11)燃料電池小型化，成本大幅降低。(12)雖然造成直流電/直流電轉(zhuǎn)換器成本增加，惟因應(yīng)用于燃料電池側(cè)，規(guī)格較小，成本增加有限。為了便于進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。圖2是本發(fā)明應(yīng)用固體高分子型燃料電池的電流密度-電壓特性曲線圖。圖3是本發(fā)明的動力輸出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的一實施例。圖5是本發(fā)明的直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的另一實施例。附圖標號說明10氫氣供應(yīng)器；20燃料電池；30電能驅(qū)動系統(tǒng)；40直流電/直流電轉(zhuǎn)換器；41非隔離型直流電/直流電轉(zhuǎn)換器；42隔離型直流電/直流電轉(zhuǎn)換器；50高功率二次電池；60燃料電池電能管理單元；70控制器局域網(wǎng)絡(luò)；80燃料電池輔助系統(tǒng)。參見圖2，是本發(fā)明應(yīng)用固體高分子型燃料電池的電流密度-電壓特性曲線圖，其中該固體高分子型燃料電池藉由空氣與氫氣的電化學(xué)逆反應(yīng)，進行發(fā)電(燃料電池可視為一小型發(fā)電廠)，在發(fā)電的過程中，因進入燃料電池的空氣壓力、空氣溫度、加濕狀態(tài)(濕度變化)、空氣清凈度與氫氣利用率(HydrogenUtilization)，該燃料電池的電流密度與電壓關(guān)系，是依圖中的A、B、C、D區(qū)域所顯示，此為極線圖的可能變化范圍，亦即較高的空氣供給壓力、空氣溫度、空氣濕度、氧氣純度及氫氣利用率，會使得曲線依參考直線E、F向右偏移，而獲得較高輸出電流密度與較高的輸出電壓，意味著輸出功率密度增加，當向右偏移，直線至C、D位置時，在C點的電流密度達到最大；反之，曲線依參考直線E、F向左偏移，輸出電流密度與電壓都降低，輸出功率密度減小，直線A、B可能是最低值的位置。此外，燃料電池于低電流密度時，雖然電壓值(電池電壓)較高，但此區(qū)域的曲線L、E電壓急遽降低，同樣的狀態(tài)下，電池于高電流密度時，電壓值(電池電壓)大幅降低，因此，曲線L、E與曲線F、I都不適用，為維持一定值的發(fā)電效率，電池的電壓值應(yīng)控制在固定區(qū)域，其上限值為直線J、G，下限值為直線H、K。一言以蔽之，固體高分子型燃料電池因空氣供給壓力、溫度、空氣清凈度、氫氣利用率...等參數(shù)的改變，造成輸出電流密度與電壓變化，應(yīng)維持在一固定操作區(qū)A、H、K、C、G、J，在燃料電池合適的輸出電流密度狀態(tài)下，維持65％至40％(電池胞電壓0.8V至0.5V)的發(fā)電率，本發(fā)明藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器將燃料電池輸出變化寬廣的電壓(變化量25％)調(diào)節(jié)至電能驅(qū)動系統(tǒng)適用電壓(變化量10％)。參見圖3，是本發(fā)明的電力輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，而該電動車輛的電力輸出系統(tǒng)，包括有一氫氣供應(yīng)器10，用以控制氫氣燃料的供應(yīng)。一燃料電池20，該燃料電池20為一固體高分子型燃料電池，可經(jīng)由反應(yīng)作用后可輸出一電能。一電能驅(qū)動系統(tǒng)30，該電能驅(qū)動系統(tǒng)30為一以直流電為能源的電動機，并可輸出電力至傳動裝置(圖中未示)。一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40，將固體高分子型燃料電池20所輸出的電能，經(jīng)由該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40來改變電壓，并輸出至電能驅(qū)動系統(tǒng)30，或?qū)Ω吖β识坞姵?0進行充電。再請參閱圖4，是本發(fā)明的直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的一實施例，其是一種結(jié)構(gòu)較為簡易的非隔離型直流電/直流電轉(zhuǎn)換器41，其內(nèi)部構(gòu)成的組件包括有一電感(L)、一開關(guān)(SW，其構(gòu)成為一N型金屬氧化半導(dǎo)體的場效晶體管)、二極管(D)及一電容所組成，該實施例中不需經(jīng)由變壓器的轉(zhuǎn)換電壓，即可對高功率二次電池50來進行充電動作。另請圖5所示，是本發(fā)明的直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的另一實施例，其是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的隔離型直流電/直流電轉(zhuǎn)換器42，而其內(nèi)部構(gòu)件較圖4更為復(fù)雜，且還包括有一變壓器(T)，藉由該變壓器的轉(zhuǎn)換電壓，對高功率二次電池50進行充電。一高功率二次電池50，可輸出一電能至電能驅(qū)動系統(tǒng)30。一燃料電池電能管理單元60，控制電能的輸出流程，以使電動車輛各種需要電能的裝置(如風扇、散熱器...等)能獲得適當?shù)碾娔?。一控制器局域網(wǎng)絡(luò)70為一溝通接口，與電能驅(qū)動系統(tǒng)、高功率二次電池及燃料電池電能管理單元做一連接，其是可針對負載的需求，調(diào)整電能輸出于一定的范圍內(nèi)。一燃料電池輔助系統(tǒng)80，提供一電能至電動車輛的附屬組件，并使該附屬組件產(chǎn)生動作。此外，控制器局域網(wǎng)絡(luò)70接口(Interface)，A點是燃料電池輸出點，固體高分子型燃料電池是多重的電池(Cell)所堆積而成，其輸出的電壓及電池密度依堆積的電池胞差異而有不同變化，本發(fā)明是藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40，對燃料電池20輸出的電壓因應(yīng)高功率二次電池負載回饋(Feedback)進行切換控制，當電壓輸出大于最大容許電壓值(0.8V)及小于最小容許電壓值(0.5V)時，直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40即關(guān)閉來自燃料電池20的電壓輸出，確保燃料電池20維持一定值的發(fā)電效率，此時電動車輛的電力源悉由燃料電池50供給。B點是高功率二次電池50與直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40的輸出匯集點，藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40的最佳化設(shè)計與控制器局域網(wǎng)絡(luò)70接口溝通聯(lián)系，當高功率二次電池50充電狀態(tài)(StateofCharge，SOC)高于90至100％，該控制區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)70提供訊息，停止燃料電池20對高功率二次電池50充電，充電狀態(tài)80％至90％為充電動作的限制范圍，當充電狀態(tài)0％至40％時，即停止放電，充電狀態(tài)為40％至60％，則是放電的限制范圍，其控制的工作區(qū)域是充電狀態(tài)在60％至80％區(qū)間。此外，本發(fā)明在整合固體高分子燃料電池的電流與電壓在最佳發(fā)電效率區(qū)間，以直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40做為調(diào)節(jié)燃料電池20輸出的緩沖器(Buffer)，且藉由控制器局域網(wǎng)絡(luò)70接口，提供直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40訊號，調(diào)節(jié)高功率二次電池50的充、放電動作，亦即當燃料電池電動車輛高負載(如爬坡或瞬間加速)時，電能由燃料電池20輸出與高功率二次電池50輸出共同供給，而中、低負載(定速巡航)時，則視高功率二次電池50的充電、放電狀態(tài)，再決定是否由具備隨車充電器功能的燃料電池20進行充電工作，使燃料電池20因此可以維持在最佳工作狀態(tài)，直流電/直流電轉(zhuǎn)換器40亦可視為是電力負載、高功率二次電池50、燃料電池20...等三者之間的調(diào)節(jié)器(Regulator)。燃料電池電動車輛電力控制系統(tǒng)由控制器局域網(wǎng)絡(luò)70接口連接，控制器局域網(wǎng)絡(luò)70接口具有快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率(FastDataTransferRates)、彈性(Flexibility)與容易實施(EasyImplementation)...等特征，因應(yīng)電動車輛電力負載需求，達成最佳化電力應(yīng)用的目的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，而不是用于限定本發(fā)明的范圍。凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)落入本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于包括一氫氣供應(yīng)器，用以控制氫氣燃料的供應(yīng)；一電能驅(qū)動系統(tǒng)，該電能驅(qū)動系統(tǒng)為一以直流電為能源的電動機，并可輸出電力至傳動裝置；一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器，將燃料電池所輸出的電能，經(jīng)由該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器來改變電壓及電流，并輸出至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一高功率二次電池，可輸出一電能至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一燃料電池電能管理單元，控制電能的輸出流程，以使電動車輛各種需要電能的裝置能獲得適當?shù)碾娔?；以及一控制器局域網(wǎng)絡(luò)，與電能驅(qū)動系統(tǒng)、高功率二次電池及燃料電池電能管理單元做一連接，可針對負載的需求，調(diào)整電能輸出于一定的范圍內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有一燃料電池輔助系統(tǒng)，提供一電能至電動車輛的附屬組件，并使該附屬組件產(chǎn)生動作。3.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置有一燃料電池，該燃料電池可經(jīng)由反應(yīng)作用后可輸出一電能。4.如權(quán)利要求3所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該燃料電池為一固體高分子燃料電池。5.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該固體高分子型燃料電池當做隨車式充電器，而對高功率二次電池進行充電。6.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器為燃料電池、高功率二次電池與電能驅(qū)動系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)器。7.一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于包括一氫氣供應(yīng)器，用以控制氫氣的供應(yīng)；一燃料電池，該燃料電池可經(jīng)由反應(yīng)作用后輸出一電能；一電能驅(qū)動系統(tǒng)，該電能驅(qū)動系統(tǒng)為一以直流電為能源的電動機，并輸出電力至傳動裝置；一直流電/直流電轉(zhuǎn)換器，將燃料電池所輸出的電能，經(jīng)由該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器來改變電壓，并輸出至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一高功率二次電池，可輸出一電能至電能驅(qū)動系統(tǒng)；一燃料電池電能管理單元，控制電能的輸出流程，以使電動車輛各種需要電能的裝置獲得適當?shù)碾娔?；一控制器局域網(wǎng)絡(luò)，與電能驅(qū)動系統(tǒng)、高功率二次電池及燃料電池電能管理單元連接，針對負載的需求，調(diào)整電能輸出于一定的范圍內(nèi)；以及一燃料電池輔助系統(tǒng)，提供一電能至電動車輛的附屬組件，并使該附屬組件產(chǎn)生動作。8.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該燃料電池為一固體高分子燃料電池。9.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該固體高分子型燃料電池當做隨車式充電器，而對高功率二次電池進行充電。10.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng)，其特征在于該直流電/直流電轉(zhuǎn)換器為燃料電池、高功率二次電池與電能驅(qū)動系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)器。全文摘要本發(fā)明是一種復(fù)合式燃料電池電動車輛的電力輸出控制系統(tǒng),其是藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器(DC/DCConverter)的最佳化設(shè)計,并以控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork,CAN)做為連絡(luò)的溝通工具,使電力源更趨于彈性化,本發(fā)明設(shè)置在電動車輛中、低負載狀態(tài)(如定速巡航)時,由燃料電池供給主要電能,藉由直流電/直流電轉(zhuǎn)換器的控制,將燃料電池升壓(Boost)至適當電壓;并且該燃料電池可充當隨車充電器(on－boardCharger)使用,在高負載狀態(tài)(如瞬間加速或爬坡)時,除了燃料電池提供最大基載電力外,其余所需的電能是配合外加的高功率二次電池電能輸出,使其具復(fù)合式電源輸出控制功能,能有效改善傳統(tǒng)小型電動車輛續(xù)航距離不足與能源轉(zhuǎn)換不佳的缺點。文檔編號B60L15/04GK1346759SQ0113678公開日2002年5月1日申請日期2001年10月25日優(yōu)先權(quán)日2001年10月25日發(fā)明者蕭瑞圣,吳建宗,徐啟堂,洪金泉,蘇評揮申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院