JP2002118979A - 燃料電池を有する直流電源 - Google Patents
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Abstract
の出力効率を向上する。 【解決手段】 燃料電池40とバッテリ20とを並列接
続して電源システム1を構成する。DC−DCコンバー
タ30をバッテリ20側に接続する。燃料電池40とバ
ッテリ20との最大出力比は、前者が全体出力の65〜
80%になる範囲で設定する。こうすることにより、D
C−DCコンバータ30での損失を抑制し、高いエネル
ギ効率を実現することができる。
Description
直流電源に関する。
源として燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水
素と酸素の電気化学反応によって発電する装置である。
燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して要求に応じた電
力を出力する。燃料電池では、ガス供給量の応答遅れに
起因して、出力電力の応答性が低くなることがある。か
かる弊害を回避する一つの手段として、燃料電池とバッ
テリとを並列に接続して電源を構成する技術が提案され
ている。例えば、特開2000−12059記載の技術
では、燃料電池の出力電圧をDC−DCコンバータで変
換することにより、バッテリと燃料電池の併用を図って
いる。
いては、電力の出力効率の更なる改善が望まれていた。
本発明は、燃料電池と充放電可能な蓄電器とを併用する
直流電源の出力効率を更に向上する技術を提供すること
を目的とする。
記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明で
は、燃料電池と充放電可能な蓄電器とを並列接続した直
流電源において、燃料電池および蓄電器の最大出力を、
次の条件で設定した。
の最大総出力に対する前記燃料電池の最大出力の比(以
下、「出力比」と呼ぶ)を、0.4以上0.8以下の範
囲とした。直流電源のエネルギ効率は、燃料電池と蓄電
器の出力比に影響される。本発明者の検討により、上記
範囲にある場合に、電エネルギ効率が最適となることが
見いだされた。出力比は、さらに上記範囲のうち、燃料
電池を主電源として利用できる0.5以上が好ましく、
0.65以上がより好ましい。
エネルギ効率との関係を示す。直流電源を、車両重量2
000kg、モータ効率80%のモータ駆動車両に適用
した場合を想定し、燃費をシミュレートした結果であ
る。10−15モードでの結果(図中の実線)、および
LA4モードでの結果(図中の破線)を示した。LA4
モードとは、米国において、燃費算出基準として用いら
れる運転モードである。燃費比とは、各出力比での燃費
を、最大燃費で正規化した値をいう。図示する通り、出
力比が40%〜80%の範囲で非常に燃費比が高くな
る。
を、端子から所定期間継続的に出力する電力目標値以上
とした。こうすれば、電力目標値に相当する電力を、運
転効率の高い燃料電池から継続的に出力可能となり、エ
ネルギ効率を向上することができる。本発明の直流電源
をモータ駆動車両に適用する場合には、上記電力目標値
は、例えば、車両の巡行性能に基づいて設定することが
できる。燃料電池の最大出力は、直流電源に要求される
電力との出力比で考慮してもよい。
から端子に入力される電力の最大値以上とした。こうす
れば、外部から入力される電力を効果的に充電すること
ができ、エネルギ効率を向上することができる。本発明
の直流電源をモータ駆動車両に適用する場合には、上記
電力は、例えば、モータを発電機として機能させること
により車両を制動する際の回生電力に基づいて設定する
ことができる。直流電源に要求される電力を用いて、蓄
電器の容量を燃料電池の出力比に置換して考慮してもよ
い。
件を、適宜組み合わせて燃料電池、蓄電器の出力を設定
してもよい。全ての条件を考慮して設定することが最も
好ましい。
料電池と蓄電器の最大総出力が、前記出力端子に要求さ
れる最大要求電力以上となることが望ましい。こうすれ
ば、電源に接続された負荷装置の能力を十分に活用可能
な電力を供給することが可能となる。最大総出力と最大
要求電力とを一致させれば、電源の能力も十分に活用で
き、エネルギ効率、スペース効率を最適化することがで
きる。
記端子との間に接続されたDC−DCコンバータを備え
ることが望ましい。第1〜第3の構成においては、燃料
電池の電力の使用頻度が蓄電器の使用頻度よりも高くな
る。DC−DCコンバータでは、電圧変換時に損失が生
じるから、比較的使用頻度の低い蓄電器側に接続するこ
とにより、この損失を抑制することができる。
とすることができる。その他の充放電可能な装置、例え
ばキャパシタを用いるものとしてもよい。
電源を利用した種々の装置、例えばモータ駆動する車両
として構成することも可能である。また、第1〜第3の
構成で列挙した条件を満たすように、燃料電池および蓄
電器の出力を設定する工程を備える直流電源の設計方法
として構成してもよい。
イブリッド車両に適用した実施例を、以下の項目に分け
て説明する。 A.装置の構成: B.電力制御処理: C.出力比の設定: D.効果:
源システムを搭載した車両の構成を示す説明図である。
この車両は、車輪63L,63Rに連結された同期モー
タ61を駆動力源として走行する。同期モータ61の電
源は、電源システム1である。電源システム1から出力
される直流は、インバータ60で三相交流に変換され同
期モータ61に供給される。同期モータ61は、制動時
に発電機として機能することもできる。
リ20、DC−DCコンバータ等から構成される。燃料
電池40は、水素と酸素の電気化学反応によって発電す
る装置である。本実施例では、固体高分子型の燃料電池
を用いた。これに限らず、燃料電池40には、燐酸型、
溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を適用可能で
ある。発電に利用される水素ガスは、アルコール等の原
料を改質して生成される。本実施例では、発電を行うス
タック、燃料ガスを生成する改質器等を含めて燃料電池
40と称する。なお、改質器に代えて、水素吸蔵合金、
水素ボンベなどを利用して水素ガス自体を貯蔵する構成
を採ることも可能である。
ある。本実施例では、ニッケル水素バッテリを用いるも
のとした。その他、種々のタイプの二次電池を適用可能
である。また、バッテリ20に代えて、二次電池以外の
充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良
い。
タ60に並列接続されている。燃料電池40からインバ
ータ60への回路には、バッテリ20からの電流または
同期モータ61で発電された電流が逆流するのを防止す
るためのダイオード42が設けられている。並列に接続
された電源の電力を適切に使い分けるためには、両者の
相対的な電圧差を制御する必要がある。本実施例では、
この目的から、バッテリ20とインバータ60との間に
DC−DCコンバータ30が設けられている。DC−D
Cコンバータ30は直流の電圧変換器である。DC−D
Cコンバータ30は、バッテリ20から入力されたDC
電圧を調整してインバータ60側に出力する機能、燃料
電池40またはモータ61から入力されたDC電圧を調
整してバッテリ20に出力する機能を奏する。DC−D
Cコンバータ30の機能により、バッテリ20の充放電
が実現される。
との間には、車両補機50およびFC補機51が接続さ
れている。つまり、バッテリ20は、これらの補機の電
源となる。車両補機50とは、車両の運転時に使用され
る種々の電力機器を言い、照明機器、空調機器、油圧ポ
ンプなどが含まれる。FC補機51とは、燃料電池40
の運転に使用される種々の電力機器を言い、燃料ガスや
改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整
するヒータ等が含まれる。
0によって制御される。制御ユニット10は、内部にC
PU、RAM、ROMを備えたマイクロコンピュータと
して構成されている。制御ユニット10は、インバータ
60のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相
交流を同期モータ61に出力する。要求動力に応じた電
力が供給されるよう、燃料電池40およびDC−DCコ
ンバータ30の運転を制御する。
ット10には、種々のセンサ信号が入力される。これら
のセンサには、例えば、アクセルペダルセンサ11、バ
ッテリ20の充電状態SOC(State Of Charge)を検
出するSOCセンサ21、燃料電池40のガス流量を検
出する流量センサ41、車速を検出する車速センサ62
が含まれる。制御ユニット10に接続されるその他のセ
ンサについては、図示を省略した。
御処理のフローチャートである。制御ユニット10が他
の制御処理とともに、この処理を繰り返し実行すること
により、モータ61の駆動を制御し、走行することがで
きる。
電池40に対する要求電力Ereqを設定する(ステッ
プS10)。電力Ereqは、走行要求電力Ed、充放
電電力Eb、補機電力Esの3要素の和で求められる。
に、モータ61に供給すべき電力であり、次の手順で求
められる。まず、制御ユニット10は、モータ61の目
標回転数、目標トルクを設定する。これらの値は、アク
セルペダル開度および車速のテーブルで与えられる。両
者の積は、モータ61から出力すべき動力となる。この
動力を、モータ61の運転効率、消費電力当たりに出力
される動力の比で除することにより、走行要求電力Ed
が求められる。モータ61を発電機として機能させ、回
生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、走
行要求電力Edも負の値となる。
に伴う電力である。バッテリ20の充電状態SOCは、
所定の範囲に保たれるよう制御される。SOCが所定の
下限値よりも低くなると、バッテリ20への充電が行わ
れる。充放電電力Ebは、充電に必要となる電力に応じ
た正値となる。この結果、バッテリ20の充電に伴い、
要求電力Ereqが増大する。一方、SOCが所定の上
限値よりも高くなるとバッテリ20からの放電が行われ
る。充放電電力Ebは、放電電力に応じた負値となる。
バッテリ20からの放電によって、要求電力Ereqが
低くなる。
補機51を駆動するのに要する電力である。両者の運転
状態に応じてそれぞれ設定される。
定された要求電力Ereqを出力するよう燃料電池40
の出力電圧を設定し、燃料電池40のガス流量を制御す
る(ステップS12)。電圧は、次のマップにより設定
される。図3は燃料電池40の出力特性を示す説明図で
ある。上段には電力と電流との関係を示し、下段には電
圧と電流の関係を示した。
の出力特性は変動する。下段の曲線Af1はガス流量が
低い状態、曲線Af2はガス流量が高い状態を示してい
る。ガス流量が低い場合には、電圧が低下し始めるポイ
ントが低電流側に移行する。
要求電力Ereqに応じた電流Ifcを求めることがで
きる。また、電圧−電流特性マップ(下段)に基づき、
電流Ifcに応じた電圧Vfcを求めることができる。
燃料電池40のガス流量が低く、十分な電圧値で要求さ
れた電力を出力し得ない場合には、これらの特性マップ
に基づきガス流量の目標値も併せて設定される。
バータの出力電圧を設定する(ステップS14)。バッ
テリ20を放電する場合、即ち、充放電電力Ebが負の
時は、バッテリ20側を入力、インバータ60側を出力
とし、出力電圧値を燃料電池40の出力電圧値に一致さ
せる。バッテリ20を充電する場合、即ち、充放電電力
Ebが正の時は、インバータ60側を入力、バッテリ2
0側を出力とする。出力電圧値は、バッテリ20の充電
に適した所定値とする。この所定値は、一定値としても
よいし、充電される電力に応じて変動させてもよい。
となるようDC−DCコンバータを制御し、併せて要求
電力が同期モータ61に供給されるようインバータ60
を制御する(ステップS16)。インバータ60のスイ
ッチングに伴い、燃料電池40からはガス流量に応じた
電力が出力される。また、バッテリ20からは燃料電池
40から出力される電力とインバータ60で消費される
電力との差分に応じた電力が充放電される。例えば、燃
料電池40の出力に応答遅れがある場合には、要求電力
Ereqに満たない分がバッテリ20によって補償され
る。バッテリ20からの出力は、燃料電池40の出力が
要求電力Ereqに近づくに連れて徐々に低減する。上
記制御により、高い応答性で電力を供給することができ
る。
くともバッテリ20からの電力が保証されている。バッ
テリ20の充電時には、燃料電池40または同期モータ
61からの電力をこれらの補機に供給してもよい。
した通り、本実施例では、燃料電池40を主電源として
使用し、バッテリ20は燃料電池40の応答遅れを補償
する補助的な電源として使用する。かかる前提下での車
両のエネルギ効率は、燃料電池40とバッテリ20の出
力比によって変動する。本実施例では、高いエネルギ効
率を実現するため、システム設計時に、次に示す手順で
出力比を設定した。
方法を示す工程図である。まず、車両に搭載されるモー
タの最大出力を設定する(ステップS20)。車両の重
量、目標とする最大車速、加速度などに基づいて設定す
ることができる。次に、こうして設定された最大出力を
モータの運転効率で除することにより、最大要求電力を
設定する(ステップS22)。モータの出力に併せて、
補機での消費電力を考慮してもよい。モータの能力を十
分に活用するためには、燃料電池40およびバッテリ2
0の最大出力合計値は、この最大要求電力以上である必
要がある。
比の下限値、上限値を車両の走行状態を代表する所定の
基準に基づいて設定する。出力比とは、「燃料電池の最
大出力/バッテリの最大出力」を意味する。例えば、下
限値は連続巡行性能に基づき設定することができる(ス
テップS24)。一例として、車両重量2000kg、
モータ効率80%の車両を考える。4.5%勾配、12
0km/時での連続巡行性能を目標値として設定する
と、要求電力は約65kWと算出される。仮に最大要求
電力が100kWであったとすれば、連続巡行の要求電
力を燃料電池40で出力するために必要となる出力比は
0.65以上と設定される。
基づいて定めることができる(ステップS26)。車両
のエネルギ効率を十分に高めるためには、制動時にモー
タ61で回生された電力をバッテリ20に充電すること
が望ましい。回生電力を充電できない程、バッテリ20
の容量が小さい場合には、エネルギ効率の低下を招くこ
とになる。例えば、車両重量2000kg、モータ効率
80%の車両について、いわゆる10−15モードでの
運転を行った場合、減速時の最大回生電力は、約20k
Wと算出される。仮に最大要求電力が100kWとすれ
ば、この回生電力を充電するためにバッテリ20の容量
は20kWが必要となるから、出力比の上限値は0.8
と設定される。
状態に関わらず、車両の目標性能に応じて種々設定可能
であることは言うまでもない。
値を考慮して出力比を設定する(ステップS28)。効
率は、例えば、次の方法で評価することができる。
である。車両重量2000kg、モータ効率80%の車
両について、出力比を変化させた場合の燃費の変動をシ
ミュレートした結果である。10−15モードでの結果
(図中の実線)、およびLA4モードでの結果(図中の
破線)を示した。LA4モードとは、米国において、燃
費算出基準として用いられる運転モードである。燃費比
とは、各出力比での燃費を、最大燃費で正規化した値を
いう。図示する通り、出力比が40%〜80%の範囲で
非常に燃費比が高くなることが分かる。
した出力比の上限値80%、下限値65%を考慮する
と、本実施例においては、出力比は65%〜80%の範
囲が適切である。出力比がこの範囲に入る条件、および
最大出力の和が最大要求電力以上となる条件を満足する
ように燃料電池40およびバッテリ20の出力を設定す
る(ステップS30)。燃料電池40とバッテリ20の
最大出力の和が最大要求電力と一致する設定が最も好ま
しい。
システムによれば、DC−DCバッテリ30をバッテリ
20側に備えることにより、燃費に優れる利点がある。
図6は燃費向上効果を示す説明図である。破線は、図1
の構成において、DC−DCコンバータの位置を燃料電
池側に代えた場合の燃費を示している。実線は、本実施
例の構成における燃費を示している。燃費は、前者の最
大値で正規化して示した。図示する通り、DC−DCコ
ンバータをバッテリ側に接続することにより、燃費は最
大約5%向上する。その理由は、次の通りと考えられ
る。
時の効率が約90〜95%の範囲である。本実施例で
は、燃料電池を主電源として用いている。従って、DC
−DCコンバータを燃料電池側に接続した場合には、電
源システムから出力される大部分の電力について電圧変
換による損失が生じる。これに対し本実施例のように、
出力する電力量が比較的小さいバッテリ側にDC−DC
コンバータを接続することにより、電圧変換による損失
を抑制することができる。
DCコンバータを接続することにより、DC−DCコン
バータの小型化、ひいては電源システム全体の小型化を
図ることができる。
0およびFC補機51がバッテリ20とDC−DCコン
バータ30の間に接続されている。この結果、DC−D
Cコンバータ30の故障時、および燃料電池40の発電
不能時であっても、これらの補機への電力供給が保証さ
れている。例えば、燃料電池40が未暖機で十分な発電
を行うことができない状態にある場合を考える。本実施
例では、バッテリ20からの電力によってFC補機51
を駆動することができ、燃料電池40の暖機、始動を行
うことができる。車両補機50についても、バッテリ2
0の容量内で動作を保証することができる。従って、本
実施例によれば、電源システムおよび車両の信頼性を向
上することができる。
リ20の出力比の最適化を図ることができ、高いエネル
ギ効率を実現することができる。出力比を、運転効率の
他、下限値および上限値を規定する目標性能を考慮して
設定することにより、性能とエネルギ効率の双方を満足
するシステム設計を実現することができる。
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。例えば、本発明は、車両のみなら
ず種々の機器の電源システムに適用可能である。
構成を示す説明図である。
る。
工程図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 直流電源であって、 電力を出力する一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記燃料電池および蓄電器の最大総出力に対する前記燃
料電池の最大出力の比が、0.4以上0.8以下の範囲
にある直流電源。 - 【請求項2】 直流電源であって、 電力を出力する一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記燃料電池の最大出力は、前記端子から所定期間継続
的に出力する電力目標値以上である直流電源。 - 【請求項3】 直流電源であって、 電力を出力する一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記蓄電器の容量は、外部から前記端子に入力される電
力の最大値以上である直流電源。 - 【請求項4】 請求項1ないし請求項3いずれか記載の
直流電源であって、 前記燃料電池と蓄電器の最大総出力は、前記出力端子に
要求される最大要求電力以上である直流電源。 - 【請求項5】 請求項1ないし請求項4いずれか記載の
直流電源であって、 前記蓄電器と前記端子との間に接続されたDC−DCコ
ンバータを備える直流電源。 - 【請求項6】 前記蓄電器は、二次電池である請求項1
ないし請求項5いずれか記載の直流電源。 - 【請求項7】 モータを動力源とする車両であって、 該モータに電力を供給する直流電源と、 該電力によって該モータを駆動する駆動回路とを備え、 前記直流電源は、 電力を出力する一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記燃料電池および蓄電器の最大総出力に対する前記燃
料電池の最大出力の比が、0.4以上0.8以下の範囲
にある車両。 - 【請求項8】 モータを動力源とする車両であって、 該モータに電力を供給する直流電源と、 該電力によって該モータを駆動する駆動回路とを備え、 前記直流電源は、 電力を出力する一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記燃料電池の最大出力は、前記車両の巡行時の要求電
力以上である車両。 - 【請求項9】 モータを動力源とする車両であって、 該モータを回生運転する駆動回路と、 該モータで回生された電力を蓄電可能な直流電源とを備
え、 前記直流電源は、 外部と電力をやりとりする一組の端子と、 該端子に接続された燃料電池と、 該端子に前記燃料電池と並列接続された充放電可能な蓄
電器とを備え、 前記蓄電器の容量は、前記モータで回生される電力の最
大値以上である車両。 - 【請求項10】 請求項7ないし請求項9いずれか記載
の車両であって、 前記燃料電池と蓄電器の最大総出力は、前記直流電源に
要求される最大要求電力以上である車両。 - 【請求項11】 請求項7ないし請求項10いずれか記
載の車両であって、 前記直流電源は、前記蓄電器と前記端子との間に接続さ
れたDC−DCコンバータを備える車両。 - 【請求項12】 前記蓄電器は、二次電池である請求項
7ないし請求項11いずれか記載の車両。 - 【請求項13】 燃料電池および充放電可能な蓄電器を
並列接続した直流電源の設計方法であって、 該燃料電池および蓄電器の最大総出力が、該直流電源に
要求される最大要求電力以上となる条件、 前記燃料電池および蓄電器の最大総出力に対する前記燃
料電池の最大出力の比が、0.4以上0.8以下となる
条件、 前記燃料電池の最大出力は、所定期間継続的に出力する
電力目標値以上である条件、 前記蓄電器の容量は、外部から該直流電源に入力される
最大電力以上である条件の少なくとも一つを考慮して前
記燃料電池および蓄電器の出力を設定する直流電源の設
計方法。
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