車輛中心 研究發展處 陳建安

因應國際針對溫室效應訂定更加明確減碳目標之際，新能源車輛的發展方向，成為各國重要經濟策略布局指標之一。燃料電池具備零碳排、高效率（相較於燃油效率）特性被視為未來潔淨載具動力選項之一，但因其電力輸出響應慢、輸出功率不穩定、無法儲存能量，且需要其他能量源提供燃料電池車啟動所需的電能，另針對汽車爬坡或加速與煞車時，所需之瞬時峰值功率及能量回收，其搭配輔助動力源使用是必然的，如此使動力系統擁有更寬的工作範圍。

燃料電池車一般採用動力鋰電池或超級電容作為輔助動力源，與燃料電池構成電─電混合動力系統，減少燃料電池輸出功率變化速率，避免燃料電池載荷的大幅度波動，且回收煞車能量以提高系統效率。其次，由於系統需求功率變化頻繁，對動態響應要求高，在基於輔助動力源的電─電混合動力系統下，還需要連接DC/DC轉換器來控制輸出電流大小和改變輔助動力源充放電狀態，DC/DC轉換器還可以減小燃料電池輸出電流波動，提升動態性能，從而延長複合電源的使用壽命。常見的複合電源連接結構有燃料電池+動力電池、燃料電池+超級電容、燃料電池+動力電池+超級電容三種。

近期車輛中心（ARTC）針對氫能車輛電力系統控制已完成模擬驗證並與國立虎尾科技大學合作進行轉換模組設計，後續將透過此電力系統控制實際應用於氫能冷鏈物流車，如下將會介紹車輛中心所採用之氫能電力系統控制技術。

圖1、燃料電池與鋰電池之多電源系統架構圖

車輛中心所採用的燃料電池與鋰電池多電源系統架構如圖1所示，主要由升壓轉換器（Boost Converter）與雙向升降壓轉換器（Buck-Boost Converter）組成。其工作模式分為以下3種狀態：鋰電池充電模式、鋰電池放電模式及分配功率模式，其作動條件說明如下：

Case 1（鋰電池充電模式）：當負載較輕時，燃料電池能量除供給負載外並經由Buck-Boost Converter對鋰電池充電，電力流向如圖2(a)所示。

Case 2（鋰電池放電模式）：若因燃料電池故障或反應速度較慢，導致瞬間無電力時，可由鋰電池供電，如圖2(b)所示。

Case 3（分配功率模式）：當負載較大時其燃料電池及鋰電池可同時供電並經由通訊界面CAN BUS傳送控制命令至轉換模組，調整兩組電力來源的輸出比例，圖2(c)顯示其分配功率為燃料電池80%與鋰電池20%時的電力架構。

圖2、燃料電池與鋰電池之多電源系統工作模式

(a)鋰電池充電模式(b)鋰電池放電模式(c)分配功率模式

功率分配電路模擬

為符合以上三種工作模式，控制器取樣兩個主要電路之輸出輸入電壓電流，並依據VBUS（負載側電壓）、IOUT1（燃料電池經Boost Converter 供給之電流）、IOUT2（鋰電池經Buck-Boost Converter供給之電流）可計算出負載目前消耗，VBAT、IBAT算出電池電量。Buck-Boost Converter電路為雙向電路，依照需求及控制可調整對鋰電池充電或放電，並控制兩個主要電路之輸出功率比例，其5個狀況控制模式，如圖3所示。分別針對分配比例為6:4、7:3、8:2、9:1的4種情況，透過PSIM軟體進行模擬，其模擬分配比例跟理論分配比例比較，如表1所示。

(1) 燃料電池（66.37A）與鋰電池（40.42A）的功率分配比例6:4模擬。

(2) 燃料電池（72.80A）與鋰電池（32.94A）的功率分配比例7:3模擬。

(3) 燃料電池（82.46A）與鋰電池（19.69A）的功率分配比例8:2模擬。

(4) 燃料電池（101.51A）與鋰電池（9.906A）的功率分配比例9:1模擬。

圖3、燃料電池與鋰電池之雙電源系統狀態控制圖

表1、模擬分配比例跟理論分配比例比較表

總結

車輛中心所採用的氫能車輛電力系統控制技術主要是針對燃料電池與鋰電池之多電源系統進行功率分配，以解決現行電動車續航里程、充電時間與氫能車動力輸出響應不佳問題。目前該技術已於車輛中心確認其控制架構與控制策略可行性，後續將導入氫能冷鏈物流車，繼而增大系統功率等級應用相同之電力系統控制技術搭載至大型冷凍物流車，實現降低碳排量，增加續航里程與縮短充電時間之系統優化功效。