車輛中心 研究發展處 林博煦

燃料電池電動車輛由於其高效率及潔淨特性，成為矚目的新能源車輛方向之一。因應此一趨勢，豐田、本田與現代車廠分別於2014至2016年間推出燃料電池車輛，搭載100kW以上之燃料電池提供與現行燃油車輛相當之續航距離。然而具備兩種電力源的特性需要適當調配機制以提高能源效益，因此車輛中心（ARTC）針對其電力系統進行調控機制發展，以達到高電力使用效率及提高整車續航力表現。

燃料電池車輛
燃料電池車輛於90年代即獲得重視並開始發展，經過克服各種製程改良、電解質等元件材料更新，終於在2014年由豐田汽車開始推出正式商品化之燃料電池車輛，現代汽車與本田亦跟進在2015及2016年推出燃料電池車輛產品（表1）。

表1. 現行量產燃料電池車輛比較

而依據不同級距之車輛尺寸，其所搭載之燃料電池系統規格有相當大之差異（表2）：小型車輛約為110kW、巴士則為220kW，而電動機車則僅需搭載2kW之系統。另一方面，電動巴士由於空間較為充裕，因此在燃料電池之功率密度與儲氫罐大小之限制較為寬鬆，但在轎車與機車之空間限制則相當嚴格，

表2. 不同級距之燃料電池車輛比較

燃料電池電動車輛電力調控機制
目前所常見之燃料電池電動車輛，搭載有一大功率燃料電池搭配一小容量二次電池。其電力輸出調節則多透過專家法則方式，依據操作情境（輸出電流大小、方向、駕駛者加速/減速需求等）或是系統規格限制（放電範圍、充放電速度、蓄電能力等）進行條列式的電力調配設計，然而為提高燃料電池車輛之電能系統應用效率，本研究則透過全域格點搜尋法（Global Grid Search）求得最佳參數。

表3為本研究中所完成電動車輛電力規格：採用5kW燃料電池、11.4kWh鋰電池、電源轉換器等元件整合裝載，透過對電源轉換器下達電流命令使整車電力輸出於串聯、並聯與串並聯等模式中切換，如圖1所示。

表3. 燃料電池電動車輛細部規格

圖1. 多電力輸出架構示意（點擊圖片可放大顯示）
純EV模式（左）、Hybrid輸出模式（中）、低電量運行模式（右）

依據全域格點搜尋法，首先設定動力系統、電池輸出功率範圍以及燃料電池輸出功率範圍等規格，透過全域式匹配分析後完成最佳電力調配參數檢索，如圖2所示，兩個橫向座標軸分別為車輛需求動力以及鋰電池的殘電量狀態，縱軸則分別為最佳化的鋰電池與燃料電池輸出功率。

圖2.  鋰電池與燃料電池輸出功率分布結果

將前述檢索結果依據行車型態FTP72進行整車模擬顯示（如圖3），預期攜帶6m3氫氣可使燃料電池提供約2.9kWh額外電力（約占電池容量26%），其電力輸出占比結果如圖4所示。實車實驗結果顯示，於電池SOC降至30%後即停止實驗之條件下，透過燃料電池可提高原純EV可行駛里程（53.38公里）約23%而達到63.33公里，且此時氫氣量尚餘25%左右（圖5）。

圖3. 電力調配模擬結果 
圖4. 電力系統輸出功率比例模擬結果
圖5. 燃料電池車輛實車續航里程比較結果

結論
面對國際間陸續設定車輛電動化時程，燃料電池車輛可提供接近燃油車輛表現且具備潔淨動力。針對燃料電池車輛具備的兩種電力源，ARTC透過全域格點搜尋法完成最佳電力輸出效率之電力調配機制，並且應用於搭載有5kW燃料電池之電動車輛，可較純EV模式提高23%續航能力。本策略未來除應用於具備多電力源之電動車輛用途外，亦可應用於定置型備用電力系統，與未來智慧家庭電網連結，因應多種電力使用情境適時調整電力使用效率。