(57)【要約】【課題】モータへ電力を供給するための電力源として燃料電池を備えるハイブリッドシステムにおいて、他の電力源として電気二重層キャパシタを用いることにより、燃料電池の有する低い出力応答性を補い、モータへの効率の良い電力供給を可能とするとともに、発電機による電力回生性能を向上させ、電力効率の向上を図ることを目的とする。【解決手段】エンジン２と、モータジェネレータ１１と、モータジェネレータ１１へ電力を供給する電力源としての燃料電池２９と、モータとして作動するモータジェネレータ１１への電力の供給並びに発電機として作動するモータジェネレータ１１及び燃料電池２９からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置とを有するハイブリッドシステムにおいて、前記蓄電装置として、キャパシタ蓄電装置２１を用いた。【選択図】図１
2005269823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、該エンジンをアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジンを駆動源とする発電機と、前記モータへ電力を供給する電力源としての燃料電池と、前記モータへの電力の供給並びに前記発電機及び前記燃料電池からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置とを有するハイブリッドシステムにおいて、
前記蓄電装置として、キャパシタ蓄電装置を用いたことを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記モータ起動時には、該モータへの電力の供給を前記キャパシタ蓄電装置によって行い、前記燃料電池の燃料電池電圧が、予め設定される規定値を上回った場合に、前記モータへの電力の供給を前記キャパシタ蓄電装置から前記燃料電池へと切り換えることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。
【請求項３】
前記制御手段からの充電電流指令に基づき、前記キャパシタ蓄電装置への充電量の制御を行う充電制御回路を備え、
前記制御手段は、
前記キャパシタ蓄電装置のキャパシタ電圧が、前記燃料電池の燃料電池電圧を上回った場合は、前記充電電流指令の指令値を減少して前記キャパシタ蓄電装置への充電量を減少し、またはキャパシタ蓄電装置を放電させ、
前記キャパシタ電圧が、前記燃料電池電圧を下回った場合は、前記充電電流指令を増加して前記キャパシタ蓄電装置への充電量を増加することを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記キャパシタ電圧が、予め設定される規定値を上回った場合は、前記充電電流指令の指令値を減少し、
前記キャパシタ電圧が、前記規定値を下回った場合は、前記充電電流指令の指令値を増加することを特徴とする請求項３記載のハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すハイブリッドシステムに関し、特に、エンジンをアシストする電動機（モータ）へ電力を供給するための電力源の一つとして、燃料電池を備えるハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や、建設機械などの作業機などにおいては、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機による発電電力を蓄電する蓄電装置としてのバッテリ（二次電池）と、このバッテリから供給される電力が用いられて駆動するモータ（電動機）とを備え、発電機によるバッテリの蓄電と、モータによるエンジンのトルクアシストとを行うことで、省エネルギー化を図りつつ、エンジンを有効に使用することによって効率的な運転を可能とする、いわゆるハイブリッドシステムが採用されており、このような技術が今後の主流となりつつある。
【０００３】
そして、前述のようなハイブリッドシステムにおいては、モータへ電力を供給するための電力源として、バッテリの他に燃料電池を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
燃料電池とは、ガスタンク等から直接供給される水素ガスや、一次燃料としてのメタノールやブタン等を改質器を介して改質することによって生成される水素ガスを燃料として使用し、水素の酸化により発電を行うものである。そのため、排出されるのは主として水蒸気であり、有害ガスを発生しないことから環境性に優れるという特徴を有する。
また、燃料電池はバッテリと異なり、電力を蓄電することのない不可逆的な電力源であるため、外部から補給される燃料によって発電能力を回復するという特徴を有している。前記特許文献１においては、この不可逆的な性質を有する燃料電池は、蓄電量が増減するバッテリと比較して、残存容量から電力源としての電力供給余力をより正確に把握できるという点を利用している。つまり、これにより、電力源の電力供給余力不足に起因するモータの出力低下が及ぼす影響を正確に推定することができ、このことからモータの出力低下の影響をより効果的に低減できるようになる旨提案されている。
【０００４】
また、燃料電池は、一般に要求電力に対する出力応答性が低いという特性も有している。すなわちこれは、前述したように、燃料としての水素ガスを生成する過程で改質反応を介すること等、水素ガスの供給の応答性が低いことに起因している。特にモータの起動時においては、燃料電池の動作温度を発電温度にまで上げる等の所作があるため、出力応答性の低下が問題となる。このような燃料電池の特性は、燃料電池がバッテリと併用される理由の一つであり、バッテリを用いることによって燃料電池の起動時などにおける低い出力応答性を補っている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８８５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述したような燃料電池及びバッテリは、図５に示すような電圧特性を有している。図５は燃料電池とバッテリの電圧特性を示す図である。
この図からわかるように、燃料電池は、その残存容量（充電状態：以下、「ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）」とする。）が減少するにしたがって電圧もなだらかに低下していく。つまり、燃料電池の電圧は、ＳＯＣの減少にともなって比例的に低下するという特性を有している。これに対しバッテリは、発電する際に化学反応をともなうため、この化学反応による起電力によって常に安定した電圧挙動を示す。つまり、バッテリの電圧は、放電した際や充電された際の低下・上昇をともなうものの、その都度定電圧に戻り、常に定電圧を保とうとする。そして、ＳＯＣが一定量よりも減少すると、電圧が急激に低下するという特性を有している。
【０００７】
このような電圧特性の異なる燃料電池及びバッテリを、前述したようなハイブリッドシステムにおけるモータの電力源として併用した場合、次のような不具合が生じる。すなわち、燃料電池とバッテリとはＳＯＣの減少にともなう電圧特性が異なるため、それぞれの電圧の間に差（発電ギャップ）が生じる。このような燃料電池とバッテリ間の発電ギャップは、モータへの効率の良い電力の供給を行う上での妨げとなる。つまり、モータの電力源として、燃料電池及びバッテリそれぞれの電圧に差が生じると、モータに供給されるべき電力が適切に供給されない等の状況が起こり得る。また、こうした燃料電池とバッテリとの発電ギャップを補うために、別途電圧調整器などを設けて電圧を制御する方法が考えられるが、これは電力損失を招いて電力供給の効率の低下につながり、また、いたずらに構造を複雑化したり設置スペース上の問題を生じさせたりする。
【０００８】
そこで、本発明においては、モータへ電力を供給するための電力源として燃料電池を備えるハイブリッドシステムにおいて、他の電力源として電気二重層キャパシタを用いることにより、燃料電池の有する低い出力応答性を補い、モータへの効率の良い電力供給を可能とするとともに、発電機による電力回生性能を向上させ、電力効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、エンジンと、該エンジンをアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジンを駆動源とする発電機と、前記モータへ電力を供給する電力源としての燃料電池と、前記モータへの電力の供給並びに前記発電機及び前記燃料電池からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置とを有するハイブリッドシステムにおいて、前記蓄電装置として、キャパシタ蓄電装置を用いたものである。
【００１１】
請求項２においては、前記制御手段は、前記モータ起動時には、該モータへの電力の供給を前記キャパシタ蓄電装置によって行い、前記燃料電池の燃料電池電圧が、予め設定される規定値を上回った場合に、前記モータへの電力の供給を前記キャパシタ蓄電装置から前記燃料電池へと切り換えるものである。
【００１２】
請求項３においては、前記制御手段からの充電電流指令に基づき、前記キャパシタ蓄電装置への充電量の制御を行う充電制御回路を備え、前記制御手段は、前記キャパシタ蓄電装置のキャパシタ電圧が、前記燃料電池の燃料電池電圧を上回った場合は、前記充電電流指令の指令値を減少して前記キャパシタ蓄電装置への充電量を減少し、またはキャパシタ蓄電装置を放電させ、前記キャパシタ電圧が、前記燃料電池電圧を下回った場合は、前記充電電流指令を増加して前記キャパシタ蓄電装置への充電量を増加するものである。
【００１３】
請求項４においては、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が、予め設定される規定値を上回った場合は、前記充電電流指令の指令値を減少し、前記キャパシタ電圧が、前記規定値を下回った場合は、前記充電電流指令の指令値を増加するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１５】
請求項１においては、従来、蓄電装置としてバッテリを用いた場合に生じていた、燃料電池と蓄電装置との間の電圧の差（発電ギャップ）を防止することができる。つまり、充放電に化学反応をともなわないキャパシタ蓄電装置２１は、定電圧挙動を示さず、電流値、即ちＳＯＣによってキャパシタ電圧が変動し、また、バッテリと比較して高い出力密度を有することから高い出力応答性を有するため、キャパシタ蓄電装置のキャパシタ電圧を燃料電池の燃料電池電圧に追従させることができ、燃料電池との間に発電ギャップを生じさせることがなくなる。これにより、発電ギャップを防止するための電圧調整器などを別途設ける必要もなくなり、キャパシタ蓄電装置自体も高い充放電効率を有することから、ハイブリッドシステムにおける電力効率の向上を図ることができる。
【００１６】
請求項２においては、モータの良好な起動性を得ることが可能となる。これにより、本ハイブリッドシステムが採用される作業機などにおいて、エンジンの停止状態からの起動が円滑に行われるため、走行時や作業時の良好な始動性を得ることができる。
【００１７】
請求項３においては、燃料電池電圧に応じて、キャパシタ蓄電装置の充電量を制御することが可能となる。つまり、キャパシタ蓄電装置のキャパシタ電圧を燃料電池の燃料電池電圧に追従させることが可能となり、キャパシタ蓄電装置と燃料電池との間の電圧の差（発電ギャップ）の発生を防止することができる。これにより、発電ギャップを防止するための電圧調整器などを別途設ける必要もなくなり、キャパシタ蓄電装置自体も高い充放電効率を有することから、ハイブリッドシステムにおける電力効率の向上を図ることができる。
【００１８】
請求項４においては、キャパシタ蓄電装置への充電量の増減を制御してキャパシタ蓄電装置と燃料電池との間の発電ギャップを防止するとともに、キャパシタ蓄電装置の過充電・過放電を防止することができる。そして、内部抵抗が低いキャパシタ蓄電装置２１を過電流から保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図、図２はモータ起動／停止時の燃料電池及びキャパシタ蓄電装置の電流特性を示す図、図３は均等制御回路の構成を示す図、図４は充電電流指令の制御ブロック図である。
【００２０】
まず、ハイブリッドシステムの構成について図１を用いて説明する。
なお、本実施例においては、モータ及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータ１１を有するハイブリッドシステムを用いて説明するが、これに限定されず、モータと発電機とを別々に備えた構成のハイブリッドシステム等においても本発明の効果を得ることができる。つまり、本発明は、エンジンをアシストするモータへ電力を供給する電力源としての燃料電池と、前記モータへの電力の供給及び発電機並びに前記燃料電池からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置とを有するハイブリッドシステムにおいて適用可能である。
【００２１】
本ハイブリッドシステムは、エンジン２の出力軸部の駆動を、エンジン２と、モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ１１との両方により可能としている。前記出力軸部から取り出された駆動力は、クラッチ部や動力伝達装置などを介して、自動車や作業機などにおける走行部や各種作業部などの負荷７に伝達される。
【００２２】
モータジェネレータ１１は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結された状態で付設されており、インバータコンバータ１２を介して蓄電システム部２０と電気的に接続されている。
また、モータジェネレータ１１は、モータまたは発電機として機能するものであり、モータとして機能することによって負荷７を駆動するエンジン２のトルクアシストを行い、発電機として機能することによってその発電電力及び負荷７側の慣性力などによる回生発電を蓄電装置へと蓄電する。
前記インバータコンバータ１２は、インバータまたはコンバータとして機能するものであり、入力される電力を直流または交流に変換するとともに、所定の電圧及び周波数に変換するものである。なお、モータとして作動するモータジェネレータ１１の代わりに、直流モータを用いる場合は、インバータコンバータ１２を介することなく、前記直流モータと蓄電システム部２０が直接接続されることとなる。
以上のエンジン２、インバータコンバータ１２、及び蓄電システム部２０は、制御手段としてのシステムコントローラ１と通信接続されており、該システムコントローラ１によって本ハイブリッドシステムが制御される構成となっている。
【００２３】
このような構成のハイブリッドシステムにおいて、前述したようにモータ及び発電機としての機能を有するモータジェネレータ１１は、作業状況などに応じて各機能を発揮する。
モータジェネレータ１１をモータとして作動させる場合には、後に詳細に説明する蓄電システム部２０から電力が供給される。蓄電システム部２０から供給される電力は、インバータコンバータ１２に入力される。このとき、インバータコンバータ１２はインバータとして機能して、入力された電力を所定に変換し、この変換された電力をモータジェネレータ１１に供給する。
このように、モータジェネレータ１１がモータとして作動することにより、その駆動力が、エンジン２のクランク軸と連結しているモータジェネレータ１１の駆動軸からエンジン２に伝達され、エンジン２の起動時のスタータとしての利用や高負荷時のトルクアシストが行われる。
【００２４】
一方、モータジェネレータ１１を発電機として作動させる場合には、エンジン２の駆動力によりモータジェネレータ１１が作動して発電が行われる。モータジェネレータ１１で発電される電力は、インバータコンバータ１２に入力される。この際、インバータコンバータ１２はコンバータとして機能する。そして、インバータコンバータ１２によって所定の変換が行われた電力は、蓄電システム部２０の蓄電装置に蓄電される。
【００２５】
このようなモータジェネレータ１１によるトルクアシスト及び発電は、システムコントローラ１からインバータコンバータ１２へ送信される速度指令（モータ指令）及びエンジン２の燃料噴射量や機関回転数などを基準にして、エンジン２にかかる負荷に応じて行われる。つまり、エンジン２にかかる負荷が一定値より高くなった場合に、モータジェネレータ１１をモータとして作動させ、エンジン２のトルクアシストを行い、エンジン２にかかる負荷が一定値より低くなった場合に、モータジェネレータ１１を発電機として作動させ、該モータジェネレータ１１による発電電力を蓄電システム部２０の蓄電装置へと蓄電するように制御されている。
【００２６】
次に、蓄電システム部２０について説明する。
蓄電システム部２０は、モータとして作動するモータジェネレータ１１へ電力を供給する電力源としての燃料電池２９と、モータとして作動するモータジェネレータ１１への電力の供給並びに発電機として作動するモータジェネレータ１１及び燃料電池２９からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置としてのキャパシタ蓄電装置２１と、このキャパシタ蓄電装置２１への充電量の制御を行う充電制御部１５０と、均等制御回路２００とを備えている。また、図示は省略するが、この蓄電システム部２０は、前記キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧及び燃料電池２９の燃料電池電圧を検出するための電圧センサを備えており、この電圧センサによって検出されるキャパシタ電圧及び燃料電池電圧は、システムコントローラ１へ入力される。
【００２７】
燃料電池２９は、後述するように、エンジン２の起動後、即ちモータジェネレータ１１の起動後において、モータとして作動するモータジェネレータ１１へ電力を供給する主たる電力源である。燃料電池２９の構造は周知であり、概略構成及びその性質などについては既述のため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２８】
キャパシタ蓄電装置２１は、所定に接続される複数（本実施例では直列接続される２個）の電気二重層キャパシタ（以下、「キャパシタモジュール」という。）２１ａ・２１ｂを有している。すなわち、前記均等制御回路２００は、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂ毎の電圧を均等化するためのものである。そのため、キャパシタ蓄電装置２１が複数のキャパシタモジュールを有する場合に用いられるものであり、キャパシタ蓄電装置２１が単数のキャパシタモジュールによって構成される場合は、蓄電システム部２０を均等制御回路２００を用いない構成とすることもできる。
【００２９】
このように、燃料電池２９と併用される蓄電装置としてキャパシタ蓄電装置２１を用いることにより、従来、蓄電装置としてバッテリを用いた場合に生じていた、燃料電池と蓄電装置との間の発電ギャップを防止することができる。つまり、バッテリは、化学反応によって電力の充放電を行うため、この化学反応による起電力によって常に安定した電圧挙動を示すことから、ＳＯＣの減少にともなって低下する燃料電池の燃料電池電圧にバッテリ電圧を追従させることができなかったが、充放電に化学反応をともなわないキャパシタ蓄電装置２１は、定電圧挙動を示さず、電流値、即ちＳＯＣによってキャパシタ電圧が変動し、また、バッテリと比較して高い出力密度を有することから高い出力応答性を有するため、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧を燃料電池２９の燃料電池電圧に追従させることができ、燃料電池２９との間に発電ギャップを生じさせることがなくなる。
これにより、発電ギャップを防止するための電圧調整器などを別途設ける必要もなくなり、キャパシタ蓄電装置２１自体も高い充放電効率を有することから、ハイブリッドシステムにおける電力効率の向上を図ることができる。
【００３０】
次に、均等制御回路２００について説明する。
均等制御回路は、キャパシタ蓄電装置２１において直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にするための制御回路である。
そして、このように、直列接続される各キャパシタモジュールの端子間電圧を均等にすることで、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧を高くし、充電効率を低下させてしまうといった不具合を防ごうとするものである。また、これにより、充放電を繰り返しても、特定のキャパシタモジュールの端子間電圧が耐電圧を超えてしまうといった不具合の発生を防ごうとするものである。
【００３１】
図３に、均等制御回路２００の構成について示す。
均等制御回路２００は、キャパシタ蓄電装置２１において互いに直列接続されるキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、それぞれ、分流回路２００ａ・２００ｂを設けることで構成されるものである。
この分流回路２００ａ・２００ｂは、電流値Ｉｔの電流をそれぞれ端子１２０ａ・１２０ｂにおいて分流することにより、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに入力される電流の電流値Ｉｏｕｔの大小を制御しようとするものである。
図３に示すごとく、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂは、キャパシタ蓄電装置２１として燃料電池２９に並列接続されるものであり、燃料電池２９の端子間電圧が充電電圧ＶＭＡＸとして設定され、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの端子間電圧の合計が、充電電圧ＶＭＡＸに相当するものとなっている。
なお、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの端子間電圧が均一になるものが望ましい状態である。
【００３２】
図３において、１３１ａ・１３１ｂは、抵抗値の等しい抵抗であり、これにより、端子１２０ａ・１２０ｂへ向かって、等しい電流値Ｉｉｎの電流がそれぞれ供給されるようになっている。
端子１２０ａ・１２０ｂにおいて分流される電流のうち、電流値Ｉｏｕｔの電流がキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに供給され、電流値Ｉｔの電流が分流回路２００ａ・２００ｂに分流されるものとしている。
ここで、１３２ａ・１３２ｂは、電流制御素子としてのＭＯＳＦＥＴであり、該ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂにより電流値Ｉｏｕｔの大きさが決定されるようになっている。このＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂは、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対して並列に接続される。
また、ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂへの制御入力電圧としてのゲートソース電圧ＶＧＳは、電圧比較回路となる誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂの出力電圧であり、該ゲートソース電圧ＶＧＳは基準電圧ＶＲＥＦと、検出抵抗１３４ａ・１３５ａ・１３４ｂ・１３５ｂの分圧ＶＲとの比較によって決定される。
また、１３６ａ・１３６ｂは、定電圧素子としてのツェナダイオードであり、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対して並列に接続される。このツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂによって、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの自己放電が回避されるとともに、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの過充電（過電圧）が回避されるようになっている。つまり、該ツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂは、設定電圧よりも高くなると導通する性質を有するため、自己放電防止と、過電圧防止の機能を果たすこととなっている。
【００３３】
以上の構成の分流回路２００ａ・２００ｂは同一の構成とするものである。
このうち、まず、分流回路２００ａの動作について説明すると、キャパシタモジュール２１ａの充電が進行し、キャパシタ電圧が増加すると、分圧ＶＲが増加することになる。そして、これにより、誤差増幅器１３３ａの出力、即ち、ゲートソース電圧ＶＧＳが大きくなり、ＭＯＳＦＥＴ１３２ａを流れる電流の電流値Ｉｔが増加する。そして、電流値Ｉｔが増加すると、端子１２０ａにおいて、キャパシタモジュール２１ａ側に分流される電流の電流値Ｉｏｕｔが減少されることになる。
このようにキャパシタ電圧によって、電流値Ｉｏｕｔの増減が制御されるものであり、キャパシタ電圧が低い場合、つまり、充電量が少ない場合には、電流値Ｉｏｕｔが増加されてすばやく充電され、満充電に近づくにつれキャパシタ電圧が高くなると、電流値Ｉｏｕｔが減少されて、過充電が行われないようになる。そして、キャパシタモジュール２１ａが最終的に満充電となった場合には、キャパシタモジュール２１ａへの電流供給が終了されることになる。このようにして、キャパシタ電圧が常に一定に保持されることとなる。
また、以上は、キャパシタモジュール２１ｂにおける分流回路２００ｂの動作についても同様である。つまり、キャパシタ蓄電装置２１が２個以上のキャパシタモジュールを有する場合、各キャパシタモジュールにおいて同様の分流回路が設けられるものである。
【００３４】
さらに、以上の充電において、特に急速充電がされるような場合には、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの電圧に差が生じることになり、例えば、キャパシタモジュール２１ａが先に満充電の状態となる場合がある。
この場合では、分流回路２００ａの制御によって、キャパシタモジュール２１ａへの電流供給が行われることがないため、キャパシタモジュール２１ａにて過充電がされることがない。
他方、この分流回路２００ａによる制御の間、キャパシタモジュール２１ｂへの充電が行われることになり、キャパシタモジュール２１ｂが満充電の状態に到達されることになる。
尚、図３に示すように、ダイオード２２０を設けることにより、キャパシタモジュール２１ｂが先に満充電となった場合において、該キャパシタモジュール２１ｂ側に流れる電流を、キャパシタモジュール２１ａに供給させる構成してもよい。
【００３５】
以上のように、キャパシタ蓄電装置２１内で互いに直列接続されるキャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、充電電流を均等に分流して供給する構成とするとともに、前記各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに対し、前記均等に分流された電流の一部を分流させる分流回路２００ａ・２００ｂが設けられ、前記各分流回路２００ａ・２００ｂは、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに並列接続される電流制御素子（ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂ）と、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの電圧（分圧ＶＲ）と、基準電圧ＶＲＥＦとを比較する電圧比較回路（誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂ）と、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂに並列接続される定電圧素子（ツェナダイオード１３６ａ・１３６ｂ）と、を具備し、電圧比較回路（誤差増幅器１３３ａ・１３３ｂ）の出力を前記ＭＯＳＦＥＴ１３２ａ・１３２ｂの制御入力電圧（ゲートソース電圧ＶＧＳ）として印加する構成とし、これにより、充電経路１２０Ａ・１２０Ｂの電流（電流値Ｉｔ）を放電経路１２０Ｃに分流させることで、各キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂのキャパシタ電圧を一定に保ちつつ、過充電を防止することとするものである。
そして、過充電が防止される、つまりは、キャパシタ電圧が、耐電圧よりも低く維持されることにより、キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂの加熱・破損・故障を防止することができるようになる（過充電保護）。
また、最終的には、両キャパシタモジュール２１ａ・２１ｂが均等に満充電されるので、充放電を繰り返した場合においても、キャパシタ蓄電装置２１全体として高い出力密度（規定の出力密度）を維持することができ、即応性が高いといったキャパシタ特有のメリットを十分に生かすことができる。
【００３６】
以上のように構成される蓄電システム部２０においては、エンジン２の起動時、即ちスタータとして利用されるモータジェネレータ１１の起動時には、燃料電池２９の燃料電池電圧が安定するまでは、キャパシタ蓄電装置２１からの電力によってモータとしてのモータジェネレータ１１の回転数を上げ、燃料電池２９の燃料電池電圧がモータとしてのモータジェネレータ１１を駆動させるに充分な電圧に達した時に、モータジェネレータ１１への電力の供給をキャパシタ蓄電装置２１から燃料電池２９へと切り換えるようにしている。
【００３７】
つまり、本ハイブリッドシステムにおいては、モータとしてのモータジェネレータ１１の起動時には、モータジェネレータ１１への電力の供給をキャパシタ蓄電装置２１によって行い、燃料電池２９の燃料電池電圧が、予め設定される規定値（以下、「起動時規定電圧」という。）を上回った場合に、モータジェネレータ１１への電力の供給をキャパシタ蓄電装置２１から燃料電池２９へと切り換えることを特徴としている。
【００３８】
こうすることにより、キャパシタ蓄電装置２１及び燃料電池２９は、図２に示すような電流特性を有しているため、モータジェネレータ１１の良好な起動性を得ることができる。図２は、モータとして作動するモータジェネレータ１１の起動時から停止時までの回転数の変化と、キャパシタ蓄電装置２１、燃料電池２９、及びモータジェネレータ１１に流れる電流の変化を示したものである。
この図に示されているように、キャパシタ蓄電装置２１は高い出力応答性を有しているため、モータとしてのモータジェネレータ１１起動時の回転数上昇にともない、モータジェネレータ１１へ充分に電力を供給することができる。しかし、キャパシタ蓄電装置２１はエネルギー密度が低いため持続性に乏しい。これに対し、燃料電池２９は出力応答性が低いため、モータジェネレータ１１の起動時から、燃料電池２９がモータジェネレータ１１へ充分な電力を供給できる状態になるまで一定以上の時間を要するが、キャパシタ蓄電装置２１と比較してエネルギー密度が高いために持続性に優れている。
【００３９】
こうしたキャパシタ蓄電装置２１及び燃料電池２９それぞれの特性を利用するため、モータジェネレータ１１起動時の電力供給にはキャパシタ蓄電装置２１を用い、燃料電池２９の燃料電池電圧が前記起動時規定電圧に達すると、モータとしてのモータジェネレータ１１への電力の供給を行う電力源をキャパシタ蓄電装置２１から燃料電池２９へと切り換える。つまり、燃料電池２９の燃料電池電圧が、モータジェネレータ１１への充分な電力の供給を行えるまでに上昇する間、キャパシタ蓄電装置２１からの電力によってモータジェネレータ１１を起動して回転数を上昇させる。
【００４０】
具体的には、エンジン２の起動時、オペレータによる始動キーの操作により図示せぬリレーがオンされ、システムコントローラ１にエンジン始動の指令が入力される。これによりシステムコントローラ１は、インバータコンバータ１２、キャパシタ蓄電装置２１、燃料電池２９を電力供給可能とさせる。そして、キャパシタ蓄電装置２１からモータジェネレータ１１へ電力が供給される。この電力によってモータジェネレータ１１はモータとして起動する。このモータジェネレータ１１の駆動軸は、前述したようにエンジン２のクランク軸と連結されており常時同期回転するため、モータジェネレータ１１をセルモータとして駆動することにより、停止状態のエンジン２を起動させる。
【００４１】
モータジェネレータ１１は、起動後、キャパシタ蓄電装置２１から供給される電力によって回転数を上昇させるが、この間、システムコントローラ１において燃料電池２９の燃料電池電圧と前記起動時規定電圧とが比較される。そして、燃料電池２９の燃料電池電圧が上昇し、燃料電池電圧が起動時規定電圧に達すると、システムコントローラ１は、モータジェネレータ１１への電力の供給をキャパシタ蓄電装置２１から燃料電池２９へと切り換える。
【００４２】
このように、モータジェネレータ１１起動時における電力の供給を、出力密度の高いキャパシタ蓄電装置２１から行うことにより、モータとしてのモータジェネレータ１１の良好な起動性を得ることが可能となる。これにより、本ハイブリッドシステムが採用される作業機などにおいて、エンジン２の停止状態からの起動が円滑に行われるため、走行する時や作業する時の良好な始動性を得ることができる。
【００４３】
また、エンジン２の起動後、即ち定常時においては、モータとして作動するモータジェネレータ１１への電力の供給は行わないが、負荷が大きくなるとキャパシタ蓄電装置２１及び燃料電池２９の両方によって電力供給を行うことを可能としている。そして、定常時において発電機として作動するモータジェネレータ１１によって発電される電力及び燃料電池２９からの発電電力は、キャパシタ蓄電装置２１に蓄電される。
このキャパシタ蓄電装置２１に蓄電される電力は、蓄電システム部２０に備えられる前記充電制御部１５０によって制御される。つまり、この充電制御部１５０によってキャパシタ蓄電装置２１への充電電流が制御されており、キャパシタ蓄電装置２１への充電量が制御される。
【００４４】
充電制御部１５０は、システムコントローラ１において生成される充電電流指令に基づいて、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を制御している。すなわち、システムコントローラ１からの充電電流指令の指令値が減少すると、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を減少させ、逆に、充電電流指令の指令値が増加すると、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を増加させる。
このシステムコントローラ１から充電制御部１５０に送られる充電電流指令は、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧及び燃料電池２９の燃料電池電圧に基づいて増減される。つまり、キャパシタ電圧と燃料電池電圧とを比較し、この結果に基づいてキャパシタ蓄電装置２１への充電量を制御することにより、充放電効率の良いキャパシタ蓄電装置２１は、そのキャパシタ電圧を燃料電池２９の燃料電池電圧に追従させることができるのである。
【００４５】
以下、システムコントローラ１において行われるキャパシタ蓄電装置２１及び燃料電池２９の直流電圧に基づいた前記充電電流指令の制御（以下、「直流電圧制御」という。）について説明する。
前記直流電圧制御では、制御を行う際の基準としてキャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧（電圧値ＶＣ、以下、単に「キャパシタ電圧ＶＣ」とする。）及び燃料電池２９の燃料電池電圧（電圧値ＶＦ、以下、単に「燃料電池電圧ＶＦ」とする。）を用い、これらキャパシタ電圧ＶＣと燃料電池電圧ＶＦとを比較することによって行われる。
つまり、この直流電圧制御は、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧ＶＣが、燃料電池２９の燃料電池電圧ＶＦを上回った場合は、前記充電電流指令の指令値を減少してキャパシタ蓄電装置２１への充電量を減少し、またはキャパシタ蓄電装置２１を放電させ、キャパシタ電圧ＶＣが、燃料電池電圧ＶＦを下回った場合は、前記充電電流指令の指令値を増加してキャパシタ蓄電装置２１への充電量を増加するように充電電流指令を制御している。
言い換えると、この直流電圧制御では、キャパシタ電圧ＶＣ＞燃料電池電圧ＶＦのときは、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を減少させ、キャパシタ電圧ＶＣ＜燃料電池電圧ＶＦのときは、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を増加させるように制御する。
【００４６】
具体的には、図４に示す制御ブロック図に従って行われる。
直流電圧制御においては、まず、キャパシタ電圧ＶＣと燃料電池電圧ＶＦとが演算部５１にて比較され、比較結果として偏差ＶＣ−ＶＦが求められる。この比較の前段階において、キャパシタ電圧ＶＣと燃料電池電圧ＶＦとの均衡を図るため、キャパシタ電圧ＶＣ及び燃料電池電圧ＶＦは、各乗算部５０及び５２において、予め設定された定数Ｃ１及びＣ２がそれぞれ乗算される。
【００４７】
そして、前記偏差ＶＣ−ＶＦがＰＩ制御部５３に入力される。ＰＩ制御部５３は、偏差ＶＣ−ＶＦに基づいて、ＰＩ（比例積分）制御演算を行うＰＩ制御器５３ａと、このＰＩ制御器５３ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ５３ｂとを備えている。このＰＩ制御部５３により、演算部５１にて求められた偏差ＶＣ−ＶＦが、ＰＩ制御器５３ａによって演算されて出力され、この出力がリミッタ５３ｂを通り上下限値を制限されて、ＰＩ制御値Ｙｐｉ（以下、充電電流指令値Ｙｐｉ）として生成される。この充電電流指令値Ｙｐｉは、キャパシタ蓄電装置２１の充電時においては、燃料電池電圧ＶＦがキャパシタ電圧ＶＣよりも高くなるため、負（−）の値となる。
【００４８】
このようにして出力された充電電流指令値Ｙｐｉは、演算部５４にて、後述する補正値が加えられ、充電電流リミッタ５５によって入力される値が予め設定された充電電流値の範囲内に属するか否かが判定され、属する場合にはその入力値が採用され、属しない場合には入力値に代えて上限値（上回る場合）、または下限値（下回る場合）が採用される。そして、正負が反転されて、出力値Ｙｓとして出力される。この出力値Ｙｓが充電電流指令の指令値となり、出力値Ｙｓが正（＋）の値であるときは、燃料電池電圧ＶＦがキャパシタ電圧ＶＣよりも高いということで、システムコントローラ１は充電電流指令の指令値を増加してキャパシタ蓄電装置２１の充電量を増加し、負（−）の値であるときは、燃料電池電圧ＶＦがキャパシタ電圧ＶＣよりも低いということで、システムコントローラ１は充電電流指令の指令値を減少してキャパシタ蓄電装置２１への充電量を減少（放電）するように制御する。
【００４９】
このような直流電圧制御は、充放電効率が高く即時充電が可能なキャパシタ蓄電装置２１の特性を利用して行われるものであり、キャパシタ電圧ＶＣと燃料電池電圧ＶＦとを比較することにより、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を増加させるか減少させるかを制御するので、燃料電池電圧ＶＦに応じて、キャパシタ蓄電装置２１の充電量を制御することが可能となる。つまり、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧ＶＣを燃料電池２９の燃料電池電圧ＶＦに追従させることが可能となり、前述したようなキャパシタ蓄電装置２１と燃料電池２９との間の発電ギャップの発生を防止することができる。
【００５０】
以上の直流電圧制御において、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を一定範囲内にし、キャパシタ蓄電装置２１の過充電・過放電を防止するため、前述の直流電圧制御によって出力される充電電流指令の指令値の自動補正が行われる。すなわち、直流電圧制御においては、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧ＶＣを用いてキャパシタ蓄電装置２１への充電量の制御（以下、「充電電流制御」という。）を行い、充電電流指令の補正が行われている。
つまり、この充電電流制御は、キャパシタ電圧ＶＣが、予め設定される規定値を上回った場合は、充電電流指令の指令値を減少し、キャパシタ電圧ＶＣが、前記規定値を下回った場合は、充電電流指令の指令値を増加するように制御する。
【００５１】
具体的には、同じく図４に示す制御ブロック図に従って行われる。
充電電流制御においては、まず、キャパシタ蓄電装置２１のキャパシタ電圧ＶＣと、キャパシタ蓄電装置２１の容量などを考慮して予め設定される規定値（設定値ＶＮ、以下、単に「キャパシタ設定電圧ＶＮ」とする。）とが、演算部５７にて比較され、比較結果として偏差ＶＣ−ＶＮが求められる。この比較の前段階において、キャパシタ電圧ＶＣとキャパシタ設定電圧ＶＮとの均衡を図るため、キャパシタ電圧ＶＣは、乗算部５６において、予め設定された定数Ｃ３が乗算される。
【００５２】
そして、前記偏差ＶＣ−ＶＮがＰ制御部５８に入力される。Ｐ制御部５８は、偏差ＶＣ−ＶＮに基づいて、Ｐ（比例）制御演算を行うＰ制御器５８ａと、このＰ制御器５８ａからの出力信号を一定範囲内に制限するリミッタ５８ｂとを備えている。このＰ制御部５８により、演算部５７にて求められた偏差ＶＣ−ＶＮが、Ｐ制御器５８ａによって演算され出力され、この出力がリミッタ５８ｂを通り上下限値を制限されて、Ｐ制御値Ｙｐとして生成される。このＰ制御値Ｙｐ（以下、補正値Ｙｐ）が、前述の充電電流指令値Ｙｐｉに対する補正値となる。
【００５３】
直流電圧制御により出力される充電電流指令の補正を行うこの充電電流制御では、キャパシタ電圧ＶＣがキャパシタ設定電圧ＶＮより低ければ、キャパシタ蓄電装置２１充電方向の電流を増加させ、給電電流を抑制して過放電を防止する。また、キャパシタ電圧ＶＣ−キャパシタ設定電圧ＶＮより高ければ、キャパシタ蓄電装置２１の放電方向の電流を増加させ、充電電流を抑制して過充電を防止する。
【００５４】
このようにして出力される補正値Ｙｐは、演算部５４にて直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉに加算され、この演算結果としての加算値Ｙｐｉ＋Ｙｐが、充電電流リミッタ５５を通り上下限値を制限されて、正負が反転され、この値が最終的なシステムコントローラ１による充電電流指令の出力となる。
【００５５】
このような充電電流制御による充電電流指令の補正の態様を、キャパシタ蓄電装置２１への充電量を減少させている場合と増加している場合それぞれについて、図４の制御ブロック図に対応させて説明する。
まず、キャパシタ蓄電装置２１の充電量を減少させている場合について説明する。
この場合、キャパシタ電圧ＶＣ＞燃料電池電圧ＶＦとなり、直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉは正（＋）の値となる。この場合において、キャパシタ電圧ＶＣがキャパシタ設定電圧ＶＮよりも低くなると、充電電流制御から出力される補正値Ｙｐは、負（−）の値となる。この負（−）の値である補正値Ｙｐが、正（＋）の値である充電電流指令値Ｙｐｉに演算部５４にて加算されるので、最終的な出力値Ｙｓは大きくなり、充電電流指令値は増加し、給電電流が抑制されてキャパシタ蓄電装置２１の過放電が防止される。
【００５６】
次に、キャパシタ蓄電装置２１の充電量を増加させている場合について説明する。
この場合、キャパシタ電圧ＶＣ＜燃料電池電圧ＶＦとなり、直流電圧制御による出力である充電電流指令値Ｙｐｉは負（−）の値となる。この場合において、キャパシタ電圧ＶＣがキャパシタ設定電圧ＶＮよりも高くなると、充電電流制御から出力される補正値Ｙｐは、正（＋）の値となる。この正（＋）の値である補正値Ｙｐが、負（−）の値である充電電流指令値Ｙｐｉに演算部５４にて加算されるので、最終的な出力値Ｙｓは小さくなり、充電電流指令値は減少し、充電電流が抑制されてキャパシタ蓄電装置２１の過充電が防止される。
【００５７】
このように、キャパシタ電圧ＶＣを用いて充電電流制御を行い、直流電圧制御により出力される充電電流指令の自動補正を行うことによって、キャパシタ蓄電装置２１への充電量の増減を制御してキャパシタ蓄電装置２１と燃料電池２９との間の発電ギャップを防止するとともに、キャパシタ蓄電装置２１の過充電・過放電を防止することができる。そして、内部抵抗が低いキャパシタ蓄電装置２１を過電流から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図。
【図２】モータ起動／停止時の燃料電池及びキャパシタ蓄電装置の電流特性を示す図。
【図３】均等制御回路の構成を示す図。
【図４】充電電流指令の制御ブロック図。
【図５】燃料電池とバッテリの電圧特性を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
１      システムコントローラ
２      エンジン
１１    モータジェネレータ
２１    キャパシタ蓄電装置
２９    燃料電池
１５０  充電制御部
【図１】
2005269823.tif 000003
【図２】
2005269823.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005269823.tif 000006
【図５】
2005269823.tif 000007