JP2011036101A - 電力供給システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力供給システム1は、第1のバス31と第1の給電経路51からモータ2へ給電する燃料電池3と、第2のバス32と第1の給電経路51からモータ2へ給電する2次電池4と、第2の給電経路52に接続されて第3の電圧で駆動する燃料電池用補機6を含む補機系統5と、燃料電池3と第1の給電経路51との間に接続され燃料電池3の第1の電圧を第4の電圧に昇圧するDC/DCコンバータ11と、燃料電池3と第2の給電経路52との間に接続され燃料電池3の第1の電圧を第3の電圧に昇圧するDC/DCコンバータ12と、2次電池4と第2の給電経路52との間に接続され2次電池4の第2の電圧を第3の電圧に降圧するDC/DCコンバータ13とを備える。
【選択図】図1
Description
[電力供給システムの構成]
本実施形態に係る電力供給システム1は、燃料電池車に搭載されているものとして説明する。この電力供給システム1は、図1に示すように、負荷としてのモータ2に並列給電する燃料電池3及び2次電池4と、燃料電池3及び2次電池4から並列給電可能な補機系統5と、これら負荷、燃料電池3、2次電池4及び補機系統5の間の電圧を調整する電圧調整器10とを主に備えている。
燃料電池3は、直流電源であり、例えば、固体高分子型(PEM:Proton Exchange Membrane)の燃料電池であり、多数のセルを積層して構成されている。
2次電池4は、直流電源であり、例えば、リチウムイオン電池から構成されている。
エアコンディショナ(車室内用空調機)8は、補機系統5に供給される高電圧で駆動する補機である。
なお、図示は省略するが、補機系統5には、低電圧系統と補機系統5に供給される高電圧系統との電圧を調整するDC/DCコンバータと、12[V]の低電圧バッテリとをさらに含むことができる。
DC/DCコンバータ(第1の電力変換器)11及びDC/DCコンバータ(第2の電力変換器)12は、1倍以上に倍率可変できる単方向昇圧器から構成されている。
DC/DCコンバータ(第3の電力変換器)13は、1倍以下に倍率可変できる単方向降圧器から構成されている。
また、DC/DCコンバータ13の高電圧側は、接続点43を介して第2のバス32に接続されており、低電圧側は、接続点44を介して第2の給電経路52に接続されている。言い換えると、燃料電池3は、第1のバス31、DC/DCコンバータ12及び第2の給電経路52により補機系統5に給電可能に接続されており、また、2次電池4は、第2のバス32、DC/DCコンバータ13及び第2の給電経路52により補機系統5に給電可能に接続されている。
また、補機系統5への第2の給電経路52は、第3のバス33に接続されている。第3のバス33は、エアポンプ6、降圧器7及びエアコンディショナ8と接続されている。
以下では、燃料電池3の出力電圧を第1の電圧という。2次電池4の出力電圧を第2の電圧という。補機系統5の駆動電圧を第3の電圧という。DC/DCコンバータ11によって昇圧した結果の電圧を第4の電圧という。補機系統5の降圧器7が、第3の電圧を降圧した低電圧を第5の電圧という。
燃料電池3の第1の電圧の電圧値V1は、例えば150〜300[V]である。
2次電池4の第2の電圧の電圧値V2は、例えば400〜600[V]である。
補機系統5の第3の電圧の電圧値V3は、例えば300[V]の一定値である。
DC/DCコンバータ11の出力する第4の電圧の電圧値V4は、例えば300〜700[V]である。降圧器7の出力する第5の電圧の電圧値V5は、例えば12[V]である。この場合、車両補機9は、12[V]の電圧で駆動する12V機器である。
ここでは、電力供給システム1の搭載された燃料電池車両の動作状態を、1.燃料電池の起動時、2.燃料電池の起動直後、3.燃料電池車両の通常走行時、4.燃料電池車両の加速走行時及び最大出力走行時、5.回生電力発生時に分けて、燃料電池車両の動作状態と給電との関係について図2〜図6を参照(適宜図1参照)して説明する。
燃料電池3の起動時には、燃料電池3はまだ発電していないので、まず2次電池4からの電力で燃料電池用補機を動かす必要がある。そこで、図2(a)に示すように、DC/DCコンバータ13によりバッテリ電圧(例えば400〜600[V])を補機系統電圧(例えば300[V])まで降圧させる。具体的には、「2次電池4→第2のバス32→接続点43→DC/DCコンバータ13→接続点44→第2の給電経路52→補機系統5」の経路で電流が流れる。
燃料電池3の起動後の間もないときにおいて、燃料電池3が充分に発電するようになったら、燃料電池3からの電力でエアポンプ6(図1参照)等の燃料電池用補機を動かす段階に移行する。この場合、燃料電池3が発電を開始してから、発電量検知手段14(図1参照)によって、燃料電池3の出力電圧等を検知し、続いて、図示しない制御装置によって、燃料電池3からの電圧を出力可能であると判定すると、DC/DCコンバータ13を停止させる制御信号を出力する。これにより、図2(a)に示す状態から、図3(a)に示す状態に移行する。つまり、2次電池4からエアポンプ6への電力供給が停止する。この図3(a)に示す状態では、各DC/DCコンバータ11,12,13は停止している。なお、2次電池4からエアポンプ6への電力供給の停止直前から、燃料電池3によるエアポンプ6への電力供給を行うようにしてもよい。
燃料電池3の起動後、通常走行時には、図3(b)に示す状態から、図4(a)に示す状態に移行させる。まず、図3(b)に示す状態において、図示しない制御装置によって、走行に必要な電力を燃料電池3が発電可能な状態であると判定すると、燃料電池3からDC/DCコンバータ11を介してインバータ20に電力供給し、モータ2を駆動する。
具体的には、「燃料電池3→第1のバス31→DC/DCコンバータ11→第1の給電経路51→インバータ20→モータ2」の経路で電流が流れる。ここで、DC/DCコンバータ11によりFC電源電圧を昇圧し、負荷給電FC電圧がバッテリ電圧(例えば400〜600[V])よりも少し高くなるように設定すると、燃料電池3からモータ2へ流れる電流が大きくなり、燃料電池3による電力がメインの給電モード(FC給電モード)となる。
燃料電池3の起動後、加速する必要がある場合として、最大出力走行時には、図5(a)に示す状態から、図5(b)に示す状態に移行させる。まず、図5(a)に示す状態において、図示しない制御装置によって、DC/DCコンバータ11の昇圧率を増加させ、負荷給電FC電圧を、バッテリ電圧(例えば400〜600[V])と同じになるように設定する。この場合、2次電池4からモータ2へ流れる電流と、燃料電池3からモータ2へ流れる電流とが拮抗するので、図5(b)に示すように、燃料電池3と2次電池4の両方から同様にモータ2へ電流が流れる。これにより、急な加速要求で燃料電池3による発電の増加が間に合わずに足りない電力を2次電池4から供給できる。また、燃料電池3の最大発電量以上の最大出力走行時には、燃料電池3と2次電池4の両方の電力を加えた最大の電力を出力できる。
燃料電池3の起動後、回生時には、負荷であるモータ2の回転数を減速制御(回生ブレーキ動作)し、負荷側の電圧が上昇した場合に、負荷側の電圧を降圧して、入力側にエネルギを還す。回生電力が比較的少ない場合や2次電池4が満充電ではない場合、モータ2からの電力を2次電池4へ回生する。ここで、例えば、蓄電量検知手段15により2次電池4の蓄電量が第2の所定値よりも高いことを検知した場合に、2次電池4が満充電であると判定することができる。この第2の所定値は、例えば、回生時電力を受け入れる程度のマージンがない場合の蓄電量の値である。
2 モータ(負荷)
3 燃料電池
4 2次電池
5 補機系統
6 エアポンプ(燃料電池用補機)
7 降圧器
8 エアコンディショナ(車室内用空調機)
9 車両補機
10 電圧調整器
11 DC/DCコンバータ(第1の電力変換器)
12 DC/DCコンバータ(第2の電力変換器)
13 DC/DCコンバータ(第3の電力変換器)
14 発電量検知手段
15 蓄電量検知手段
20 インバータ
31 第1のバス
32 第2のバス
33 第3のバス
41〜44 接続点
51 第1の給電経路
52 第2の給電経路
Claims (13)
- 直流電源としての燃料電池から出力する第1の電圧を昇圧した後に第1の給電経路から負荷に給電すると共に、別の直流電源としての2次電池から出力する第2の電圧を前記第1の給電経路から前記負荷に並列に給電可能な電力供給システムであって、
前記燃料電池及び前記2次電池から並列給電可能な第2の給電経路に接続され第3の電圧で駆動する燃料電池用補機を少なくとも含む補機系統と、
前記燃料電池と前記負荷への第1の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第1の電圧の電圧値を1倍以上に昇圧して第4の電圧の電圧値に変換する第1の電力変換器と、
前記燃料電池と前記補機系統への第2の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第1の電圧の電圧値を1倍以上に昇圧して前記第3の電圧と同じ電圧値に変換する第2の電力変換器と、
前記2次電池と前記補機系統への第2の給電経路との間に接続され前記2次電池の第2の電圧の電圧値を1倍以下に降圧して前記第3の電圧と同じ電圧値に変換する第3の電力変換器と、
を備えることを特徴とする電力供給システム。 - 前記燃料電池の第1の電圧の最大値は、前記2次電池の第2の電圧の最小値よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。
- 前記2次電池の第2の電圧の最小値は、前記燃料電池の第1の電圧の最大値及び前記補機系統を駆動させる第3の電圧の値よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。
- 前記補機系統を駆動させる第3の電圧の値は、前記燃料電池の第1の電圧の最大値以上であり、かつ、前記2次電池の第2の電圧の最小値よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。
- 前記補機系統は、さらに、
少なくとも車両の灯火類を含む車両補機と、
前記補機系統への第2の給電経路と前記車両補機との間に接続され前記第3の電圧の電圧値を降圧して前記車両補機の最大電圧である第5の電圧の電圧値に変換する降圧器と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載の電力供給システム。 - 前記補機系統は、さらに、
前記第3の電圧で駆動する車室内用空調機を含むことを特徴とする請求項4に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の起動時において、
前記2次電池の第2の電圧を前記第3の電力変換器により降圧して前記燃料電池用補機へ電力を供給することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、
前記燃料電池が発電を開始し、前記燃料電池用補機を駆動可能な程度の電力を発電していることを検知した場合に、前記2次電池の第2の電圧を降圧して前記燃料電池用補機へ供給する第3の電力変換器を停止させることを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、
前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があった場合に、前記燃料電池の第1の電圧を昇圧した第4の電圧を前記負荷へ供給する第1の電力変換器を動作させることを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
前記2次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記2次電池の蓄電量が所定値よりも低いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第1の電力変換器によって前記第4の電圧の電圧値が前記第2の電圧の電圧値より大きくなるように前記第1の電圧を昇圧することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
前記2次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記2次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第1の電力変換器によって前記第4の電圧の電圧値が前記第2の電圧の電圧値より小さくなるように前記第1の電圧を昇圧することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
前記2次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記2次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、当該システムを利用する利用者の要求出力が燃料電池出力のみでは満たされない場合に、前記第1の電力変換器によって前記第4の電圧の電圧値が前記第2の電圧の電圧値と同等になるように前記第1の電圧を昇圧することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
前記2次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記2次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、前記負荷からの電力回生が生じた場合に、前記第3の電力変換器によって当該回生電力の電圧を、前記補機系統を駆動させる第3の電圧まで降圧し、降圧した回生電力を前記第2の給電経路を介して前記補機系統へ給電することを特徴とする請求項1に記載の電力供給システム。
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