能量管理模塊以及驅動裝置的製作方法

2023-07-23 01:40:16 1

專利名稱：能量管理模塊以及驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動裝置，特別涉及一種具有燃料電池的驅動裝置。
背景技術：
燃料電池(FudCell)的應用相當廣泛，例如家庭備用電力、車船的電力系 統、低功率的可攜式電子產品等，皆可使用燃料電池。每一燃料電池具有膜 電極組(MEA)。在膜電極組的陽極端供給一定濃度的燃料，在陰極端給適量 的氧氣後，在陰極與陽極間則因化學反應而產生電位差，故可提供電流給外 部負載。由於燃料電池的反應生成物為二氧化碳與水，故不會產生任何化學 有機物質。因此，燃料電池可稱為環保能源。
由於燃料電池的化學反應會隨著各種因素(燃料的濃度、溫度以及環境的 溫度)而有所不同，故無法提供穩定的電流給外部負載。當燃料電池的性能不 佳時，若仍輸出大電流給外部負載時，將嚴重傷害燃料電池。倘若固定提供 小電流給外部負載時，則無法充分發揮燃料電池本身的效能。另外，若長時 間不使用燃料電池時，則在下次使用時，需先活化燃料電池。

發明內容
本發明提供一種驅動裝置，用以驅動負載，並包括二次電池、燃料電池 以及能量管理模塊。能量管理模塊耦接燃料電池與二次電池，根據燃料電池 的電壓，產生第一或第二電流信號給該負載。
根據本發明的驅動裝置，其中所述能量管理模塊包括電壓轉換單元，轉 換所述燃料電池或所述二次電池的電壓，以產生電壓信號。
根據本發明的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括電流產生單元， 接收所述電壓信號，並根據所述燃料電池的狀態，產生所述第一或第二電流 信號給所述負載。
根據本發明的驅動裝置，其中所述電流產生單元包括限流單元，根據所述燃料電池的電壓，提供第一或第二阻抗；控制器，當所述限流單元提供 所述第一阻抗時，產生所述第一電流信號，當所述限流單元提供所述第二阻 抗時，產生所述第二電流信號。
根據本發明的驅動裝置，其中所述限流單元包括第一電阻；第二電阻;
以及開關，串聯所述第二電阻，當所述開關導通時，則所述第一電阻並聯所 述第二電阻。
根據本發明的驅動裝置，其中當所述燃料電壓的電壓小於預設值時，則 不導通所述開關，當所述燃料電壓的電壓大於所述預設值時，則導通所述開 關。
根據本發明的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括處理單元，用以 檢測所述燃料電池的狀態，並根據檢測結果，控制所述電流產生單元產生所 述第一或第二電流信號。
根據本發明的驅動裝置，其中所述處理單元包括檢測電路，用以檢測 所述燃料電池的電壓；微處理器，當所述燃料電池的電壓小於預設值時，控
制所述電流產生單元產生所述第一電流信號，當所述燃料電池的電壓大於所 述預設值時，控制所述電流產生單元產生所述第二電流信號。
根據本發明的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括第一開關，耦接 於所述燃料電池與所述電壓轉換單元之間，並由所述微處理器所控制。
根據本發明的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括溫度檢測單元， 用以檢測所述燃料電池的溫度。
根據本發明的驅動裝置，其中所述微處理器根據所述燃料電池的溫度而 導通所述第一開關。
本發明另提供一種能量管理模塊，耦接二次電池以及燃料電池，用以驅 動負載，並包括電壓轉換單元以及電流產生單元。電壓轉換單元轉換燃料電 池或二次電池的電壓，以產生電壓信號。電流產生單元接收該電壓信號，並 根據燃料電池的電壓，產生第一或第二電流信號給負載。
根據本發明的能量管理模塊，其中所述電流產生單元包括限流單元，
根據所述燃料電池的電壓，提供第一或第二阻抗；以及控制器，當所述限流
單元提供所述第一阻抗時，產生所述第一電流信號，當所述限流單元提供所 述第二阻抗時，產生所述第二電流信號。根據本發明的能量管理模塊，其中所述限流單元包括第一電阻；第二 電阻；以及開關，串聯所述第二電阻，當所述開關被導通時，所述第一電阻 串聯所述第二電阻。
根據本發明的能量管理模塊，其中當所述燃料電壓的電壓小於預設值 時，則不導通所述開關，當所述燃料電壓的電壓大於所述預設值時，則導通 所述開關。
根據本發明的能量管理模塊，還包括處理單元，用以檢測所述燃料電池 的狀態，並根據檢測結果，控制所述限流單元提供所述第一或第二阻抗。
根據本發明的能量管理模塊，其中所述處理單元包括檢測電路，用以
檢測所述燃料電池的電壓；微處理器，當所述燃料電池的電壓小於預設值時，
控制所述限流單元提供所述第一阻抗，當所述燃料電池的電壓大於所述預設 值時，控制所述限流單元提供所述第二阻抗。
根據本發明的能量管理模塊，其中所述能量管理模塊還包括第一開關， 耦接於所述燃料電池與所述電壓轉換單元之間。
根據本發明的能量管理模塊，其中所述能量管理模塊還包括溫度檢測單 元，用以檢測所述燃料電池的溫度。
根據本發明的能量管理模塊，其中所述微處理器根據所述燃料電池的溫 度而導通所述第一開關。
本發明可以在使用燃料電池的情況下確保負載正常運作。
為讓本發明的上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉
出較佳實施例，並配合附圖，作詳細說明如下


圖1為本發明驅動系統的示意圖。
圖2為本發明的驅動裝置的示意圖
圖3為本發明的能量管理模塊的一個實施例。
圖4為本發明的電流產生單元的一個實施例。
圖5為本發明的控制方法的一個實施例。
圖6為本發明的電流產生方式。
其中，附圖標記說明如下100:驅動系統；
110:驅動裝置；
120:負載；
210:二次電池；
220:燃料電池；
230:能量管理模塊；
310:電壓轉換單元；
320:電流產生單元；
330:處理單元；
340:開關單元；
331:檢測電路；
332:微處理器；
340:溫度檢測單元；
410:限流單元；
420:控制器；
AD1、AD2:模擬數字轉換器;
341、 342、 413、 416、 417、 431 434:開關; Rl、 R2、 351、 352、 411、 412、 414、 415:電阻。
具體實施例方式
圖l為本發明驅動系統的示意圖。如圖所示，驅動系統100具有驅動裝 置110以及負載120。負載120根據驅動裝置110所提供的電源信號而執行 相關功能。在本實施例中，負載120為風扇(fan)、泵(pump)、加熱器或是其 它電器。
圖2為本發明的驅動裝置的示意圖。如圖所示，驅動裝置110包括，二 次電池210、燃料電池220以及能量管理模塊230。 二次電池210為可重複 充電的電池，如鋰電池、鎳鎘電池以及鎳氫電池。能量管理模塊230耦接二 次電池210以及燃料電池220，用以根據二次電池210所產生的電壓Ssec或 是根據燃料電池220所產生的電壓Src而驅動負載。
在本實施例中，當燃料電池220為不穩定狀態時，能量管理模塊230根
8據二次電池210所產生的電壓SsEc驅動負載。當燃料電池220為穩定狀態時， 能量管理模塊230改由根據燃料電池220所產生的電壓SFC，而提供電流信 號給負載。在一個實施例中，當燃料電池220所產生的電壓Src小於預設值 時，能量管理模塊230提供第一電流信號給負載。當電壓Src大於預設值時， 能量管理模塊230提供第二電流信號給負載，其中第二電流信號大於第一電 流信號。
圖3為本發明的能量管理模塊的一個實施例。如圖所示，能量管理模塊 230包括電壓轉換單元310以及電流產生單元320。電壓轉換單元310轉換 電壓Ssec或Src以產生電壓信號SDC。在本實施例中，電壓轉換單元310可 為DC/DC轉換器。電流產生單元320接收電壓信號SDC，並根據信號組SCC1 提供不同大小的電流信號給負載。
在本實施例中，能量管理模塊230還包括處理單元330。處理單元330 根據燃料電池的狀態(如電壓SFC、或溫度)，提供信號組Scw給電流產生單 元320。因此，電流產生單元320便可根據燃料電池的狀態，而提供不同的 電流信號給負載。另外，處理單元330更可根據燃料電池的狀態而提供信號 組So52給開關單元340。因此，開關單元340可根據燃料電池的狀態，將電 壓Ssec或Src傳送至電壓轉換單元310。
如圖所示，開關單元340包括開關341及342。開關341及342分別由 信號組Soi2中的控制信號Sc,及Sc2所控制。當不導通開關342時，處理單 元330所檢測量到的電壓SFC為開環電壓(叩en loop voltage)。當開關3421被 導通時，處理單元330所檢測到的電壓Src為閉環電壓(dose lo叩voltage)。 在本實施例中，處理單元330根據燃枓電池的開環電壓及閉環電壓，產生信
號組Scw及ScG2。
舉例而言，當燃料電池的開環電壓尚未達工作電壓時，開關單元340輸 出電壓SsEc給電壓轉換單元310。因此，電流產生單元320便可根據電壓Ssec， 而驅動負載。然而，在另一一個實施例中，為了加快燃料電池的開環電壓達 工作電壓，可短暫地(如30秒)導通開關342。此時，若利用燃料電池對二次 電池充電，或是提供小電流信號給負載時，均可活化燃料電池。
當燃料電池的開環電壓達工作電壓時，開關單元340輸出電壓Src給電 壓轉換單元310。此時，處理單元330根據燃料電池的閉環電壓的大小，產生信號組Scw給電流產生單元320。因此，電流產生單元320接收電壓轉換 單元310的轉換結果，並根據信號組Scw而提供電流信號以驅動負載。
舉例而言，當燃料電池的閉環電壓小於預設值時，能量管理模塊230提 供較小的電流信號。當燃料電池的閉環電壓大於預設值時，能量管理模塊230 提供較大的電流信號。在本實施例中，處理單元330具有檢測電路331以及 微處理器332。檢測電路331用以檢測燃料電池的電壓SFC。微處理器332 根據檢測結果，產生信號組SCC}1以及SCC2。
如圖所示，檢測電路331包括電阻R1、 R2以及模擬數字轉換器AD1。 模擬數字轉換器AD1轉換節點333的電壓，並將轉換後的結果提供給微處 理器332。由於節點333的電壓隨著燃料電池的電壓Src而變化，因此，微 處理器332可根據模擬數字轉換器AD1的轉換結果，得知燃料電池的狀態。
在其它實施例中，能量管理模塊230還包括溫度檢測單元340，用以檢 測燃料電池的溫度或是燃料電池的環境溫度。如圖所示，溫度檢測單元340 包括電阻351、 352以及模擬數字轉換器AD2，其中電阻352可為熱敏電阻 或是其它測溫元件，用以檢測溫度。模擬數字轉換器AD2轉換節點353的 電壓，再將轉換結果傳送至微處理器332。由於節點353的電壓隨著溫度(燃 料電池的溫度或是燃料電池的環境溫度)而變化，因此，微處理器332可根據 溫度檢測單元340的檢測結果，產生信號組SCG1及SCG2。
舉例而言，當燃料電池的溫度過低時，處理單元330通過信號組SCG2， 使開關單元340輸出二次電池的電壓SsEc給電壓轉換單元310。在燃料電池 的溫度過低時，可通過活化程序，增加燃料電池的溫度。因此，在一個實施 例中，當燃料電池的溫度小於預設溫度時，利用燃料電池對二次電流充電， 或是利用燃料電池提供小電流給負載，均可增加燃料電池的溫度。
圖4為本發明的電流產生單元的一個實施例。如圖所示，電流產生單元 320包括限流單元410以及控制器420。限流單元410可根據燃料電池的電 壓Src，提供不同的阻抗。控制器420根據限流單元410所提供的阻抗，提 供相對應的電流信號給負載。在本實施例中，控制器420可為凌特(Linear) 公司所生產的LTC4065或是Maxim公司所生產的MAX1870A或是 MAX8724等，但不限於此。
另外，限流單元410包括電阻411、 412以及開關413，用以提供第一或第二阻抗給控制器420。開關413由信號組SCC1中的控制信號Sc3所控制。 根據開關413的導通與否，便可提供不同的阻抗給控制器420。在另一一個 實施例中，限流單元410還具有電阻414、 415以及開關416、 417。開關416 及417可由信號組Sc^中的控制信號Sc4及Sc5所控制。根據開關413、 416 及417的導通與否，便可提供多組不同的阻抗給控制器420。
控制器420根據限流單元410所提供的阻抗，產生相對應的電流信號。 舉例而言，當燃料電池的電壓(閉環電壓)小於預設值時，則處理單元330通 過信號組Sccn中的控制信號Sc3，不導通開關413。因此，控制器420根據 電阻411的阻抗，產生第一電流信號。當燃料電池的電壓(閉環電壓)大於預 設值時，開關413被導通。因此，控制器420根據另一阻抗，產生第二電流 信號，其中第二電流信號大於第一電流信號。
另外，在本實施例中，控制器420所提供的電流信號通過開關431而傳 送至負載。而開關431由信號組SoM中的控制信號Sc6所控制。因此，處理 單元330可根據燃料電池的狀態，決定是否由燃料電池獲取電流給負載。
由於負載可能包含風扇及泵，故在其它實施例中，可將開關433及434 分別耦接至風扇及泵。當燃料電池的開環電壓未達工作電壓時，處理單元330 可通過信號組Scw中的控制信號Sc8及Sc9，短暫地導通開關433或434，使 得燃料電池提供小電流給風扇或泵。因此，可加速燃料電池的開環電壓達工 作電壓。
另外，當燃料電池的開環電壓達工作電壓，但燃料電池的溫度小於預設 溫度時，可通過信號組Scw中的控制信號SC7，導通開關432，用以對二次 電池充電。因而增加燃料電池的溫度。
圖5為本發明的控制方法的一個實施例。控制方法500可利用二次電池 或燃料電池驅動負載。當燃料電池為不穩定狀態時，利用二次電池驅動負載。 當燃料電池為穩定狀態時，改利用燃料電池驅動負載。另外，控制方法500 可加速燃料電池進入穩定狀態。如圖所示，首先，啟動鋰電池(步驟S510)， 然後再利用鋰電池驅動負載(步驟S520)。由於燃料電池在長時間未使用的情 況下，無法立即產生穩定的電壓給負載。因此， 一開始利用二次電池驅動負 載。
接著，檢測燃料電池的開環電壓是否達工作電壓(步驟S5330)。當燃料電池的開環電壓未達工作電壓時，可先利用燃料電池驅動小部分的負載(步驟
S540)，然後再繼續檢測燃料電池的開環電壓是否達工作電壓(步驟S530)。
舉例而言，若負載包含風扇及泵時，由於風扇所需的驅動電流較小(如 20mA)，故可先利用燃料電池驅動風扇，用以加速燃料電池的開環電壓達工 作電壓。在燃料電池驅動負載一段時間(如30秒)後，再次檢測燃料電池的 開環電壓是否達工作電壓(步驟S530)。
若燃料電池的開環電壓達工作電壓時，則檢測燃料電池的溫度(步驟 S550)。若燃料電池的溫度未達預設溫度時，則可利用燃料電池對二次電池進 行充電(步驟S560)，用以增加燃料電池的溫度。在二次電池充電一段時間後， 再次檢測燃料電池的溫度。
若燃料電池的溫度達預設溫度時，則表示燃料電池已進入穩定狀態。因 此，啟動燃料電池(步驟S570)，並停止利用二次電池驅動負載(歩驟S580)。 由於燃料電池已進入穩定狀態，故可改利用燃料電池驅動負載(步驟S590)。
圖6為本發明的電流產生方式。當燃料電池的開環電壓達工作電壓時， 則可依據燃料電池的電壓，提供相對應的電流給負載。因此，可避免燃料電 池被過度的使用，因而增加燃料電池的壽命。
首先，判斷負載被驅動的時間是否未達第一預設時間(步驟S611)。若是， 則提供第一電流(步驟S621)。然後，再判斷燃料電池的電壓是否小於第一預 設電壓(步驟S631)。若是，表示燃料電池無法提供正常地驅動負載，因此， 停止利用燃料電池驅動負載(步驟S641)。若否，則回到步驟S611。
當負載被驅動的時間達第一預設時間時，判斷負載是否未達第二預設時 間(步驟S612)。若是，則提供第二電流(步驟S622)。然後，再判斷燃料電池 的電壓是否小於第二預設電壓(步驟S632)。若是，則回到步驟S621。若否， 則回到步驟S612。在本實施例中，第二預設時間大於第一預設時間，第二電 流大於第一電流，第二預設電壓大於第一預設電壓。
當負載被驅動的時間達第二預設時間時，判斷負載是否未達第三預設時 間(步驟S613)。若是，則提供第三電流(步驟S623)。然後，再判斷燃料電池 的電壓是否小於第三預設電壓(步驟S633)。若是，則回到步驟S622。若否， 則回到步驟S613。在本實施例中，第三預設時間大於第二預設時間，而第三 電流大於第二電流，第三預設電壓大於第二預設電壓。
12當負載被驅動的時間達第三預設時間時，則提供第四電流(步驟S624)。 在本實施例中，第四電流大於第三電流。接著，判斷燃料電池的電壓是否小
於第四預設電壓(步驟S634)。若否，則繼續判斷燃料電池的電壓是否小於第 四預設電壓(步驟S634)。
若燃料電池的電壓小於預設值時，則再判斷負載被驅動的時間是否未達 第四預設時間(步驟S614)。若是，則回到步驟S623。若負載被驅動的時間已 達第四預設時間時，則改提供第三電流(步驟S625)。
然後，判斷燃料電池的電壓是否小於第三預設電壓(步驟S635)。若否， 則回到步驟S625。若燃料電池的電壓小於第三預設電壓時，則提供第二電流 (步驟S626)。然後，再判斷燃料電池的電壓是否小於第二預設電壓(步驟 S636)。若否，則回到步驟S626。若燃料電池的電壓小於第二預設電壓時， 則提供第一電流(步驟S627)。然後，判斷燃料電池的電壓是否小於第一預設 電壓(步驟S637)。若否，則回到步驟S627。若燃料電池的電壓小於第一預設 電壓時，回到步驟S641。
通過判斷負載被驅動的時間以及燃料電池的電壓，改變電流的大小。當 負載被驅動的時間愈來愈長時，在燃料電池的電壓符合預設電壓的情況下， 可增加提供給負載的電流。此時，若燃料電池的電壓有變小的趨勢，則可能 表示燃料電池已逐漸趨於不穩定，則可依照燃料電池的電壓，逐漸減小提供 給負載的電流，以降低燃料電池的負荷。當燃料電池的電壓過低時，則停止 利用燃料電池驅動負載，並可改由二次電池驅動負載，以確保負載正常運作。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，任何 本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的變化與修 改，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1. 一種驅動裝置，用以驅動負載，包括二次電池；燃料電池；以及能量管理模塊，耦接所述燃料電池與所述二次電池，根據所述燃料電池的電壓，產生第一或第二電流信號給所述負載。
2. 如權利要求1所述的驅動裝置，其中所述能量管理模塊包括電壓轉換 單元，轉換所述燃料電池或所述二次電池的電壓，以產生電壓信號。
3. 如權利要求2所述的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括電流產 生單元，接收所述電壓信號，並根據所述燃料電池的狀態，產生所述第一或 第二電流信號給所述負載。
4. 如權利要求3所述的驅動裝置，其中所述電流產生單元包括 限流單元，根據所述燃料電池的電壓，提供第一或第二阻抗； 控制器，當所述限流單元提供所述第一阻抗時，產生所述第一電流信號，當所 述限流單元提供所述第二阻抗時，產生所述第二電流信號。
5. 如權利要求4所述的驅動裝置，其中所述限流單元包括 第一電阻；第二電阻；以及開關，串聯所述第二電阻，當所述開關導通時，則所述第一電阻並聯所 述第二電阻。
6. 如權利要求5所述的驅動裝置，其中當所述燃料電壓的電壓小於預設 值時，則不導通所述開關，當所述燃料電壓的電壓大於所述預設值時，則導 通所述開關。
7. 如權利要求3所述的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括處理單 元，用以檢測所述燃料電池的狀態，並根據檢測結果，控制所述電流產生單 元產生所述第一或第二電流信號。
8. 如權利要求7所述的驅動裝置，其中所述處理單元包括 檢測電路，用以檢測所述燃料電池的電壓；微處理器，當所述燃料電池的電壓小於預設值時，控制所述電流產生單 元產生所述第一電流信號，當所述燃料電池的電壓大於所述預設值時，控制所述電流產生單元產生所述第二電流信號。
9. 如權利要求8所述的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括第一開 關，耦接於所述燃料電池與所述電壓轉換單元之間，並由所述微處理器所控 制。
10. 如權利要求9所述的驅動裝置，其中所述能量管理模塊還包括溫度檢 測單元，用以檢測所述燃料電池的溫度。
11. 如權利要求IO所述的驅動裝置，其中所述微處理器根據所述燃料電 池的溫度而導通所述第一開關。
12. —種能量管理模塊，耦接二次電池以及燃料電池，用以驅動負載，所述能量管理模塊包括電壓轉換單元，轉換所述燃料電池或所述二次電池的電壓，以產生電壓信號；以及電流產生單元，接收所述電壓信號，並根據所述燃料電池的電壓，產生 第一或第二電流信號給所述負載。
13. 如權利要求12所述的能量管理模塊，其中所述電流產生單元包括 限流單元，根據所述燃料電池的電壓，提供第一或第二阻抗；以及 控制器，當所述限流單元提供所述第一阻抗時，產生所述第一電流信號，當所述限流單元提供所述第二阻抗時，產生所述第二電流信號。
14. 如權利要求13所述的能量管理模塊，其中所述限流單元包括 第一電阻；第二電阻；以及開關，串聯所述第二電阻，當所述開關被導通時，所述第一電阻串聯所 述第二電阻。
15. 如權利要求14所述的能量管理模塊，其中當所述燃料電壓的電壓小 於預設值時，則不導通所述開關，當所述燃料電壓的電壓大於所述預設值時， 則導通所述開關。
16. 如權利要求13所述的能量管理模塊，還包括處理單元，用以檢測所 述燃料電池的狀態，並根據檢測結果，控制所述限流單元提供所述第一或第 二阻抗。
17. 如權利要求16所述的能量管理模塊，其中所述處理單元包括.-檢測電路，用以檢測所述燃料電池的電壓；微處理器，當所述燃料電池的電壓小於預設值時，控制所述限流單元提 供所述第一阻抗，當所述燃料電池的電壓大於所述預設值時，控制所述限流 單元提供所述第二阻抗。
18. 如權利要求17所述的能量管理模塊，其中所述能量管理模塊還包括 第一開關，耦接於所述燃料電池與所述電壓轉換單元之間。
19. 如權利要求18所述的能量管理模塊，其中所述能量管理模塊還包括 溫度檢測單元，用以檢測所述燃料電池的溫度。
20. 如權利要求19所述的能量管理模塊，其中所述微處理器根據所述燃 料電池的溫度而導通所述第一幵關。
全文摘要
一種能量管理模塊以及驅動裝置。驅動裝置用以驅動負載，並包括二次電池、燃料電池以及能量管理模塊。能量管理模塊耦接燃料電池與二次電池，根據燃料電池的電壓，產生第一或第二電流信號給該負載。本發明可以在使用燃料電池的情況下確保負載正常運作。
文檔編號H02J7/34GK101453133SQ200710196909
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者徐健智, 柯友俊, 賴將文 申請人:南亞電路板股份有限公司