JP6653227B2 - 外部給電装置、輸送機器及び監視方法 - Google Patents

外部給電装置、輸送機器及び監視方法 Download PDF

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Description

本発明は、輸送機器の外部の電気負荷に給電する外部給電装置、輸送機器及び監視方法に関する。
特許文献１には、車両の駆動源及び外部機器に対して電力を供給するためのバッテリを管理して、バッテリの電力により外部機器を使用する際に、当該外部機器の使用可能性を把握するバッテリ管理装置が記載されている。このバッテリ管理装置は、車両の駆動源を駆動させるために必要なバッテリの電力である駆動必要電力と、外部機器をバッテリに電気的に接続した状態で外部機器を使用するために必要なバッテリの電力である使用必要電力とを合算してバッテリへの要求電力を演算し、要求電力に対応するバッテリの充電状態（ＳＯＣ）と現在の充電状態との差分により外部機器で使用可能な電力量を演算する。
特開２０１６−０１５８２５号公報
車両に搭載された蓄電装置を非常用の電源等として車両外部の電気負荷に電力を供給する外部給電を利用する者にとって、蓄電装置から電気負荷に給電可能な残り時間は重要な情報である。上述した特許文献１に記載のバッテリ管理装置は、駆動必要電力と使用必要電力とを合算した要求電力に対応するバッテリの充電状態を現在の充電状態と比較しているが、外部給電は車両が走行停止した状態で行われるため、車両の駆動源を駆動させるために必要なバッテリの電力である駆動必要電力を加味しても上記残り時間の精度は上がらない。
本発明の目的は、走行停止した輸送機器の蓄電装置から当該輸送機器の外部の電気負荷に電力が供給される状態において、蓄電装置からの電力によって外部の電気負荷が駆動可能な正確な残り時間を得ることができる外部給電装置、輸送機器及び監視方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
輸送機器（例えば、後述の実施形態での車両１００）に搭載された蓄電装置（例えば、後述の実施形態でのＦＣスタック１０５）と、
前記輸送機器の外部の電気負荷（例えば、後述の実施形態での電気負荷２５０）に、前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路（例えば、後述の実施形態での外部給電経路１２１）と、
前記輸送機器に搭載された内部負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路（例えば、後述の実施形態での内部給電経路１２３）と、
前記蓄電装置の状態、並びに、前記外部給電回路及び前記内部給電回路の各状態を監視する監視部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１９）と、を備え、
前記監視部は、前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
前記蓄電装置は、燃料電池であり、
前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料（例えば、後述の実施形態での水素）の残量であり、
前記第２パラメータは、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、外部給電装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記監視部は、前記外部給電回路が動作し、かつ、前記燃料が前記蓄電装置に補給されていない場合、前記燃料の残量のプラス側への変動を禁止する。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、
前記監視部は、前記外部給電回路の状態を、前記内部給電回路の状態よりも高頻度に検出する。
請求項４に記載の発明は、
輸送機器（例えば、後述の実施形態での車両１００）に搭載された蓄電装置（例えば、後述の実施形態でのＦＣスタック１０５）と、
前記蓄電装置の状態、並びに、前記輸送機器の外部の電気負荷（例えば、後述の実施形態での電気負荷２５０）及び前記輸送機器に搭載された内部負荷の各駆動状態を監視する監視部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１９）と、を備え、
前記監視部は、前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部の電気負荷及び前記内部負荷がそれぞれ消費する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
前記蓄電装置は、燃料電池であり、
前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料の残量であり、
前記第２パラメータは、前記外部の電気負荷に前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路及び前記内部負荷に前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、外部給電装置である。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部給電装置を有する、輸送機器である。
請求項６に記載の発明は、
輸送機器（例えば、後述の実施形態での車両１００）に搭載された蓄電装置（例えば、後述の実施形態でのＦＣスタック１０５）と、
前記輸送機器の外部の電気負荷（例えば、後述の実施形態での電気負荷２５０）に、前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路（例えば、後述の実施形態での外部給電経路１２１）と、
前記輸送機器に搭載された内部負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路（例えば、後述の実施形態での内部給電経路１２３）と、
前記蓄電装置の状態、並びに、前記外部給電回路及び前記内部給電回路の各状態を監視する監視部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１１９）と、を備えた外部給電装置が行う監視方法であって、
前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
前記蓄電装置は、燃料電池であり、
前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料（例えば、後述の実施形態での水素）の残量であり、
前記第２パラメータは、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、監視方法である。
請求項１及び請求項４〜６の発明によれば、輸送機器が走行を停止して蓄電装置が外部の電気負荷に電力を供給している又は供給可能な状態であるときに、蓄電装置からの電力によって外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出する際には、蓄電装置から外部の電気負荷へ供給される電力だけでなく、蓄電装置から内部負荷へ供給される電力をも鑑みた第２パラメータが用いられるため、上記残り時間を正確に算出できる。また、請求項１及び請求項４〜６の発明によれば、輸送機器に搭載された燃料電池が生成した電力を外部の電気負荷に供給する際の正確な残り時間を算出できる。
請求項２の発明によれば、燃料の残量は補給されるまでプラス側に増えることはないため、誤検知等によって得られた燃料の残量、すなわち第１パラメータが不正確であっても、燃料の残量のプラス側への変動を禁止することによって上記残り時間の算出に与える影響を抑制できる。
外部給電を利用する者の認識に沿って上記残り時間を算出するためには、内部給電回路の状態の変動の検出よりも、外部給電回路の状態の変動の検出の方が優先度が高い。したがって、請求項３の発明のように、外部給電回路の状態を、内部給電回路の状態よりも高頻度に検出することによって、外部給電を利用する者の認識に沿った残り時間の変化を実現できる。言い換えれば、内部給電回路の状態を、外部給電回路の状態よりも低頻度に検出することによって、外部給電を利用する者の認識に沿わない残り時間の急変を抑制できる。
燃料電池自動車の内部構成を示すブロック図である。 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。 図１及び図２に示した燃料電池自動車が走行を停止した状態で外部給電を行う際の電気負荷の残り時間を算出する手法を示す概念図である。 特許文献１の車両における外部機器の使用可能時間を算出する手法を示す概念図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池自動車の内部構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池自動車（以下、単に「車両」という。）１００は、水素タンク１０１と、水素ポンプ１０３と、ＦＣ（Fuel Cell）スタック１０５と、供給部１０７と、蓄電器１０９と、電動機１１１と、補機１１３と、電力供給量計測部１１５，１１７と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１９とを備える。なお、図１中の実線の矢印は電力を示し、太線の矢印は燃料を示し、点線の矢印は制御信号又はデータを示す。走行を停止している車両１００には、図示しないケーブルを介して外部給電器２００を接続することができる。外部給電器は、車両１００から得られた電力を車両外部の電気負荷２５０が使用可能な状態に変換する。外部給電器２００が車両１００に接続された状態で電気負荷２５０のプラグを外部給電器２００のコンセントに差し込めば、電気負荷２５０を駆動可能である。
以下、車両１００が有する各構成要素について説明する。
水素タンク１０１は、車両１００が走行するための又は車両１００が外部の電気負荷２５０に電力を供給するための燃料である水素を蓄える。また、水素タンク１０１は、貯蔵されている水素の残量（水素残量Ｌ）を計測して、その計測値をＥＣＵ１１９に送る。水素ポンプ１０３は、水素タンク１０１からＦＣスタック１０５に送られる水素量を調整する。また、水素ポンプ１０３は、水素タンク１０１が蓄えている乾燥した水素を、水素ポンプ１０３内の貯水槽に経由してから、ＦＣスタック１０５に供給することで、水素の加湿量も調整できる。ＦＣスタック１０５は、水素ポンプ１０３から供給される水素と空気中の酸素を取り込み、化学反応により電気エネルギーを生成する。なお、ＦＣスタック１０５は、いわゆる燃料電池と呼ばれるものの中心的な構成要素である。
供給部１０７は、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーを、蓄電器１０９、電動機１１１、補機１１３又は車両外部に設けられた外部給電器２００に供給する。なお、供給部１０７には、ＦＣスタック１０５から得られた電力（電気エネルギー）の電圧変換を行うＶＣＵ（Voltage Control Unit）が含まれる。
蓄電器１０９は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等といった複数の蓄電セルを有し、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーを蓄電する。なお、蓄電器１０９は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池に限定される訳ではない。例えば、蓄電可能容量は少ないものの、短時間に大量の電力を充放電可能なコンデンサやキャパシタを蓄電器１０９として用いても構わない。
電動機１１１は、車両１００が走行するための動力を発生する。補機１１３は、車両１００に設けられたエアコンやライト等の電気機器である。電動機１１１も補機１１３も、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギー又は蓄電器１０９が放電した電気エネルギーによって駆動する。なお、以下の説明では、ＦＣスタック１０５において電気エネルギーを生成するために駆動する必要がある水素ポンプ１０３等の機器、及びＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーによって駆動可能な補機１１３を合わせて「内部負荷」と呼ぶ。
電力供給量計測部１１５は、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーのうち、供給部１０７及び外部給電経路１２１を介して車両外部の外部給電器２００に供給される単位時間当たりの電力量Ｐ１(Wh)を計測する。電力供給量計測部１１７は、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーのうち、供給部１０７及び内部給電経路１２３を介して車両の内部負荷に供給される単位時間当たりの電力量Ｐ２(Wh)を計測する。なお、電力供給量計測部１１５が電力量Ｐ１を計測する頻度は、電力供給量計測部１１７が電力量Ｐ２を計測する頻度より高い。
ＥＣＵ１１９は、水素タンク１０１に貯蔵されている水素の残量（水素残量Ｌ）及び電力供給量計測部１１５，１１７がそれぞれ計測した電力量Ｐ１，Ｐ２を監視して、水素残量Ｌ及び電力量Ｐ１，Ｐ２に基づき、ＦＣスタック１０５が生成する電気エネルギーによって外部給電器２００に接続された電気負荷２５０が駆動可能な残り時間を算出する。図２は、ＥＣＵ１１９の内部構成を示すブロック図である。図２に示すように、ＥＣＵ１１９は、残量変動補正部１５１と、電力量合算部１５３と、記憶部１５５と、パラメータ変換部１５７と、残り時間算出部１５９とを有する。
残量変動補正部１５１は、電力量Ｐ１が０より大きな値を示すとき、すなわち、外部給電経路１２１に電流が流れているとき、水素タンク１０１が計測した水素残量Ｌのプラス側への変動を禁止するよう水素残量Ｌを補正する。但し、残量変動補正部１５１は、水素タンク１０１に水素が補給されたために水素残量Ｌがプラス側に大幅に変動した場合には、上記補正を行わない。
電力量合算部１５３は、電力量Ｐ１と電力量Ｐ２を合算して、合算電力量Ｐ１２（＝Ｐ１＋Ｐ２）を算出する。なお、電力量Ｐ１が計測される頻度は電力量Ｐ２が計測される頻度より高いため、電力量合算部１５３は電力量Ｐ２を記憶部１５５に書き込む。電力量合算部１５３に新たな電力量Ｐ１が入力されたタイミングで電力量Ｐ２が入力されない場合、電力量合算部１５３は、直近の電力量Ｐ２を読み出して合算電力量Ｐ１２の算出に利用する。
パラメータ変換部１５７は、電力量合算部１５３が算出した合算電力量Ｐ１２の電気エネルギーをＦＣスタック１０５が生成する場合に必要とされる水素量Ｌ１２を算出する。すなわち、水素量Ｌ１２は、合算電力量Ｐ１２（ｋＷ・ｈ）を単位時間当たりの消費水素量に換算した値である。
残り時間算出部１５９は、残量変動補正部１５１を経由した水素残量Ｌａを、パラメータ変換部１５７が算出した水素量Ｌ１２で除算した値（＝Ｌａ／Ｌ１２）を、外部給電器２００に接続された電気負荷２５０が駆動可能な残り時間ｔとして算出する。残り時間算出部１５９が算出した残り時間ｔは、車両１００に設けられたカーナビ等の表示器（図示せず）に表示される。
以上説明したように、本実施形態によれば、車両１００が走行を停止して、ＦＣスタック１０５が生成した電気エネルギーを車両外部に設けられた外部給電器２００に供給している又は供給可能な状態であるときに、外部給電器２００に接続された車両外部の電気負荷２５０が駆動可能な残り時間ｔを算出する際には、外部給電器２００へ供給される電力量だけでなく、車両の内部負荷へ供給される電力量も含めたパラメータが利用されるため、残り時間ｔを正確に算出できる。
また、残り時間ｔを算出する際に用いられる水素残量は、水素タンク１０１に水素が補給されるまでプラス側に増えることはないため、誤検知等によって得られた水素残量Ｌが不正確であっても、水素残量Ｌのプラス側への変動を禁止することによって上記残り時間ｔの算出に与える影響を抑制できる。
また、車両外部の外部給電器２００に供給される単位時間当たりの電力量Ｐ１は、車両の内部負荷に供給される単位時間当たりの電力量Ｐ２よりも高頻度で計測される。これは、外部給電を利用する者の認識に沿って残り時間ｔを算出するためには、内部負荷に供給される電力の変動の検出よりも、外部給電器２００に供給される電力の変動の検出の方が優先度が高いためである。したがって、電力量Ｐ１を電力量Ｐ２よりも高頻度に検出することによって、外部給電を利用する者の認識に沿った残り時間の変化を実現できる。言い換えれば、電力量Ｐ２を電力量Ｐ１よりも低頻度に検出することによって、外部給電を利用する者の認識に沿わない残り時間ｔの急変を抑制できる。
このように、本実施形態では、車両１００が走行を停止しており、当該車両１００に外部給電器２００が接続されている状態において、車両外部で消費される電力量Ｐ１及び内部負荷で消費される電力量Ｐ２、並びに、水素タンク１０１に貯蔵されている水素残量Ｌに基づき、外部給電器２００に接続された電気負荷２５０が駆動可能な残り時間ｔを正確に算出する。一方、特許文献１に記載のバッテリ管理装置は、バッテリの電力により機器を使用する際に、機器の使用可能性を高い精度で把握するため、本実施形態における残り時間ｔを正確に算出する点では目的が似るが、図３及び図４に示すように、構成及び作用は異なる。
図３は、図１及び図２に示した車両１００が走行を停止した状態で外部給電を行う際の電気負荷２５０の残り時間ｔを算出する手法を示す概念図である。一方、図４は、特許文献１の車両における外部機器の使用可能時間を算出する手法を示す概念図である。図３に示す残り時間ｔの計算式の分子は、水素タンク１０１に貯蔵されている水素残量Ｌａである。一方、図４に示す使用可能時間の計算式の分子は、バッテリの現在のＳＯＣ（State Of Charge）と要求電力Ｐｓに対応するＳＯＣとの差分である余剰ＳＯＣに対応する電力量である。このように、電気負荷２５０に対応する外部機器の使用可能時間（残り時間ｔ）を算出する計算式の分子が異なるといった相違点が、上記実施形態に係る発明と特許文献１に記載の発明との間にある。
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態は、燃料電池自動車を例に説明したが、ガソリンを燃料として作動する内燃機関が発電機を駆動することによって電気エネルギーを発生するシリーズ形式のＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）であっても良い。この場合、ガソリンを蓄えるガソリンタンクが水素タンク１０１対応し、内燃機関及び発電機がＦＣスタック１０５に対応する。また、水素やガソリン等の燃料から他の形態のエネルギーへの変換を行わないＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）であっても良い。この場合、蓄電装置が水素タンク１０１に対応し、発電機がＦＣスタック１０５に対応する。また、燃料電池自動車のための燃料は、水素に限らず、炭化水素又はアルコールであっても良い。さらに、燃料電池自動車は、燃料と反応するための酸素を蓄える酸素タンクを有していても良い。
１００ 燃料電池自動車（車両）
１０１ 水素タンク
１０３ 水素ポンプ
１０５ ＦＣスタック
１０７ 供給部
１０９ 蓄電器
１１１ 電動機
１１３ 補機
１１５，１１７ 電力供給量計測部
１１９ ＥＣＵ
１５１ 残量変動補正部
１５３ 電力量合算部
１５５ 記憶部
１５７ パラメータ変換部
１５９ 残り時間算出部
２００ 外部給電器
２５０ 電気負荷

Claims (6)

  1. 輸送機器に搭載された蓄電装置と、
    前記輸送機器の外部の電気負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路と、
    前記輸送機器に搭載された内部負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路と、
    前記蓄電装置の状態、並びに、前記外部給電回路及び前記内部給電回路の各状態を監視する監視部と、を備え、
    前記監視部は、前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
    前記蓄電装置は、燃料電池であり、
    前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料の残量であり、
    前記第２パラメータは、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、外部給電装置。
  2. 請求項１に記載の外部給電装置であって、
    前記監視部は、前記外部給電回路が動作し、かつ、前記燃料が前記蓄電装置に補給されていない場合、前記燃料の残量のプラス側への変動を禁止する、外部給電装置。
  3. 請求項１又は２に記載の外部給電装置であって、
    前記監視部は、前記外部給電回路の状態を、前記内部給電回路の状態よりも高頻度に検出する、外部給電装置。
  4. 輸送機器に搭載された蓄電装置と、
    前記蓄電装置の状態、並びに、前記輸送機器の外部の電気負荷及び前記輸送機器に搭載された内部負荷の各駆動状態を監視する監視部と、を備え、
    前記監視部は、前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部の電気負荷及び前記内部負荷がそれぞれ消費する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
    前記蓄電装置は、燃料電池であり、
    前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料の残量であり、
    前記第２パラメータは、前記外部の電気負荷に前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路及び前記内部負荷に前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、外部給電装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の外部給電装置を有する、輸送機器。
  6. 輸送機器に搭載された蓄電装置と、
    前記輸送機器の外部の電気負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する外部給電回路と、
    前記輸送機器に搭載された内部負荷に、前記蓄電装置の電力を供給する内部給電回路と、
    前記蓄電装置の状態、並びに、前記外部給電回路及び前記内部給電回路の各状態を監視する監視部と、を備えた外部給電装置が行う監視方法であって、
    前記輸送機器が走行を停止しているとき、前記蓄電装置が放電可能な総電力量に関する第１パラメータと、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力を含む第２パラメータと、に基づき、前記蓄電装置からの電力によって前記外部の電気負荷が駆動可能な残り時間を算出し、
    前記蓄電装置は、燃料電池であり、
    前記第１パラメータは、前記燃料電池に供給可能な燃料の残量であり、
    前記第２パラメータは、前記外部給電回路及び前記内部給電回路がそれぞれ供給する電力の単位時間当たりの燃料換算値である、監視方法。
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