(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷電流に対し単調減少電圧特性を有する第一電源と、負荷電流に対して単調増加電圧特性を有する第二電源とを電気的に直列に接続したハイブリッド電源を有する動力装置において、
前記動力装置は前記ハイブリッド電源から発生する電力を機械動力に変換し外部負荷によって受けた機械動力を電気エネルギーに変換する電動機を有し、前記ハイブリッド電源の正側出力端子と負側出力端子の間に蓄電装置を接続し、前記第一電源の前記負側出力端子と前記第二電源の前記正側出力端子の間に第１開閉スイッチを接続し、前記ハイブリッド電源の負側出力端子と前記電動機の負側入力端子の間に第２開閉スイッチを接続し、前記第二電源の正側出力端子と前記電動機の前記負側入力端子の間に第３開閉スイッチを接続し、前記ハイブリッド電源は前記外部負荷より機械動力を受けた際に前記電動機と前記第二電源を電気的に直列接続することを特徴とする動力装置。
【請求項２】
請求項１記載の動力装置において、前記第一電源と前記第二電源を有する前記ハイブリッド電源の正側出力端子および負側出力端子と、前記第一電源および前記第二電源の中間の接続点電圧出力端子を有し、前記正側出力端子と前記負側出力端子の電位差は前記ハイブリッド電源を構成する前記第一電源と前記第二電源の電圧の和であることを特徴とする動力装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の動力装置において、前記第一電源として燃料電池を用い、前記第二電源として発電機を用いたことを特徴とする動力装置。
【請求項４】
請求項２記載の動力装置において、前記第一電源および前記第二電源は、各々並列に接続された各電源を前記ハイブリッド電源から遮断する切替手段を有することを特徴とするハイブリッド電源。
【請求項５】
請求項１記載の動力装置において、前記動力装置のハイブリッド電源は第一電源として燃料電池、第二電源として発電機を備え、前記発電機を駆動するエンジンと、前記エンジンの排熱を回収し燃料電池発電用燃料を供給するリアクタを有し、前記燃料電池は前記リアクタから発生する燃料電池発電用燃料を利用して発電することを特徴とする動力装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の動力装置を有する移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散電源として好適に用いられ、自動車等の移動体等を含む電気負荷に電力を供給するハイブリッド電源およびハイブリッド電源を有する動力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
負荷に高効率に電気エネルギーを供給する時、電源電圧を高電圧で利用すると電流により生じるジュール熱を低減することができ、電気エネルギーの利用効率を向上できる。例えば、モータの場合は定格電圧を上昇させると駆動電流を小さくでき効率が大幅に向上することがよく知られている。また、電流を小さくするとモータ内部のコイルを細くすることができモータの小型化にも効果がある。上記の目的で電源電圧を上昇させるために、電気エネルギー発生後に昇圧回路によって低電圧を昇圧して高電圧を得る構成が特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４８８１４号公報
【特許文献２】特開２００７−２４５９９９号公報
【特許文献３】特開２００２−２３１２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、昇圧回路を使用すると回路自身のエネルギー損失を生じるので、損失低減上大幅な昇圧は得策ではない。また、昇圧回路を使わない電源電圧の昇圧手段として電源の出力を上げる場合は、電源の容量が大きくなり電源が大型になる。また、複数の電源を直列に接続して昇圧する場合は、内部抵抗により電気負荷が変動すると電圧変動が大きくなる。一般的に電源を設計する場合は電圧変動の最悪値でも動作に支障がないように設計するため、ほとんどの場合には電源の実効最大能力以下で運転することになり、電源小型化のうえでの課題となっている。例えば、燃料電池を電源として使う場合には容量が半分の燃料電池を二つ直列接続すれば二倍の電圧を供給できるが、負荷電流が増大すると電圧が低下するために最大負荷時の電圧値を設計値として用いざるを得ず、電源電圧を十分高電圧にすることが難しい。
【０００５】
本発明の目的は、負荷変動に対して安定した高電圧が発生できるハイブリッド電源を提供することである。また、本発明の他の目的は上記ハイブリッド電源を有する動力装置およびこれを搭載した移動体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するために、要求電流に対して電圧が単調減少する特性を有する第一電源と要求電流に対して電圧が単調増加する特性を有する第二電源を電気的に直列に接続したことを特徴とするハイブリッド電源およびこのハイブリッド電源を用いたシステムを提供する。
【０００７】
前記ハイブリッド電源において、正側出力端子、負側出力端子、および前記第一電源および第二電源の接続点電圧を出力する接続点電圧出力端子を有し、前記正側出力端子と負側出力端子の電位差は前記ハイブリッド電源を構成する各電源の電圧の和であることを特徴とするハイブリッド電源を提供する。
【０００８】
前記ハイブリッド電源において、前記正側出力端子と前記負側出力端子間に蓄電手段が接続されたことを特徴とするハイブリッド電源を提供する。
前記ハイブリッド電源において、前記第一電源および第二電源の正側出力端子はスイッチ１および２を介してそれぞれの負側出力端子と接続されることを特徴とするハイブリッド電源を提供する。
【０００９】
前記ハイブリッド電源を有する動力装置であって、前記ハイブリッドシステムは前記ハイブリッド電源から発生する電力を機械動力に変換する電動機を有し、前記電動機は外部負荷によって受けた機械動力を電気エネルギーに変換し、外部負荷より機械動力を受けた際前記ハイブリッド電源は電動機と前記第二電源を電気的に直列接続することを特徴とする動力装置を提供する。
【００１０】
エンジンとエンジンの動力で発電する発電機と燃料電池を有する動力装置であって、前記動力装置は前記エンジンの排熱を回収し燃料電池発電用燃料を供給するリアクタを有し、前記燃料電池は前記リアクタから発生する前記燃料電池発電用燃料を利用して発電し、前記動力装置は前記燃料電池を請求項１記載の前記第一電源とし、前記動力装置は前記発電機を請求項１記載の前記第二電源とする前記ハイブリッド電源を有することを特徴とする動力装置を提供する。また前記動力装置を有する移動体を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、昇圧回路を使わずにエネルギー損失の少ない高電圧のハイブリッド電
源を実現できる。また、このハイブリッド電源を用いた動力装置や、動力装置を搭載した
移動体のエネルギー効率を向上できる。さらに、負荷変動の大きい電源においても十分な
出力電圧を有しかつ高効率で電気エネルギーを供給できる。
また、走行時には、電気エネルギーは蓄電装置と第一電源および第二電源から電動機に供給され移動体を駆動することができ、減速時には、電動機から発生する低電圧、大電流の電気エネルギーを制御された第二電源と直列接続して電圧を上昇させ効率的に蓄電装置にエネルギーを回収できるため、回生電気エネルギー利用の高効率化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
負荷電流に対して単調減少する電圧特性を有する第一電源と、単調増加する電圧特性を有する第二電源を電気的に直列に接続したハイブリッド電源の構成図を図１に示す。ハイブリッド電源は、第一電源１、第二電源２の直列接続から構成される。第一電源１の正側出力端子４はハイブリッド電源の正側出力端子８に接続し、第一電源１の負側出力端子５は第二電源２の正側出力６に接続し、第二電源２の負側出力端子７は、ハイブリッド電源の負側出力端子９に接続する。
【００１４】
正側出力端子８と負側出力端子９の間のハイブリッド電源電圧は、直列接続した第一電源１と第二電源２の電圧の和である。さらに、正側出力端子８は負荷３の正側入力端子１０に接続し、負側出力端子９は負荷の負側入力端子１１に接続して電源回路を構成する。従って、負荷３の入力電圧は、正側出力端子８と負側出力端子９の間のハイブリッド電源電圧となる。第一電源１と第二電源２と負荷３は直列に接続されているので電源回路中の電流は同じＩである。従って、負荷３の電圧Ｖは、Ｖ１とＶ２の和であり、負荷３の電流Ｉは各電気エネルギー供給源の電流と同じである。また負荷の入力パワーＶＩは、Ｖ１×ＩとＶ２×Ｉの和である。
【００１５】
各電源の電圧−電流特性は、図２に示すように、負荷電圧を一定に維持するために、各電源の電圧−電流特性が単調減少特性および単調増加の特性を有することが必要となる。この調整により全体の出力電圧を高電圧とし負荷に安定な出力電圧を供給し、電源から発生する電気エネルギーを効率よく負荷に供給することができる。つまり昇圧回路分の損失がなくなり電源回路全体の電力伝送効率が向上する。
【００１６】
また、昇圧回路、電圧安定化回路を使わないとともに、同じ出力に対して各電源の出力が半分でよいので、各電源の小型化やコストの低減も可能となる。
【００１７】
本実施例のハイブリッド電源は第一電源１と第二電源２の直列接続から構成され各電源に流れる電流が同じである。従って、安定な出力電圧を実現するために出力電流変動による電源の出力電圧特性が重要となる。例えば、第一電源と第二電源を燃料電池と発電機を直列接続して構成する場合、図３に示すように負荷の電流が大きくなると燃料電池の電圧が下がる。一方、図４に示すように発電機は負荷電流が大きくなると、回転数を増加して電圧を上げることが可能である。従って、燃料電池と発電機の合計出力から見ると安定な電圧で負荷に出力することが可能である。なお、発電機としては直流発電機またはインバータ付きの交流発電機が一般的であるが、誘導機やＳＲＭであってもよい。
【実施例２】
【００１８】
図５に前記ハイブリッド電源回路に蓄電装置が接続された実施例２の電源回路を示す。ハイブリッド電源の正側出力端子８と負側出力端子９の間に蓄電装置１２が接続された電源回路が構成されている。この蓄電装置１２は、電気二重層キャパシタ、バッテリ、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、電気エネルギーを蓄積し放出する機能を有するものであればいかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独であるいは複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【実施例３】
【００１９】
図６に実施例３の電源回路をしめす。図６は、図５に示した電源回路にスイッチ１３が第一電源１の正側出力端子４と負側出力端子５の間に設けられ、スイッチ１４が第二電源２の正側出力端子６と負側出力端子７の間に接続された電源回路を示す。負荷３に電力を供給するとき、直列電源回路中のいずれかの電源が故障した場合には、故障した電源に並列に接続されるスイッチを閉にすれば、その故障電源を電源回路から遮断することが可能であり、給電を中断せずに負荷３に電気エネルギーを供給することができる。例えば第二電源２が故障した場合にはそれに並列接続するスイッチ１４を閉、スイッチ１５を開にする。
【実施例４】
【００２０】
上記のハイブリッド電源を動力装置に応用することも可能であり、その構成を実施例４として図７に示す。この動力装置は、図５に示した電源回路上で、さらにスイッチ１７が第一電源１の負側出力端子５と第二電源２の正側出力端子６の間に接続され、スイッチ１８が電源の負側出力端子９とモータ１６の負側入力端子１１の間に接続され、スイッチ１９が正側出力端子６とモータ１６の負側入力端子１１の間に接続されている。
【００２１】
図７（ａ）に示すように、走行時ではスイッチ１７を閉、スイッチ１８を閉、スイッチ１９を開にすると、電気エネルギーは蓄電装置１２と、第一電源１および第二電源２からモータ１６に供給され移動体を駆動することができ、さらに回生電気エネルギー利用の高効率化が可能となる。
【００２２】
減速時には走行時のモータ１６は発電機として作動するが、モータ１６から発生する低電圧、大電流の回生電気エネルギーの高効率回収がこれまでは困難であった。しかし、図７（ｂ）に示すように、減速時にスイッチ１７を開、スイッチ１８を開、スイッチ１９を閉にすると、モータ１６から発生する低電圧、大電流の電気エネルギーを制御された第二電源２と直列接続して電圧を上昇させることができ、効率的に蓄電装置１２にエネルギーを回収できる。モータ１６から発生する回生電圧の変化に応じて直列接続された第二電源２は、０Ｖ〜蓄電装置の最大電圧の間で調節が可能であり大電流対応のものが好ましい。
【実施例５】
【００２３】
本発明は、さらに上記ハイブリッド電源および電源回路を用いた実施例５を図８に示す動力装置として提供する。本実施例の動力装置は、エンジン２０と、エンジン動力で発電する発電機２１と、エンジン２０の排熱を回収して燃料電池発電用燃料を燃料電池２３に供給するリアクタ２２を有し、燃料電池２３を第一電源とし、発電機２１を第二電源とする。そして発電機２１と燃料電池２３を直列接続することにより発生電圧を高くすることを特徴とする。発電機と燃料電池を直列接続する場合、図３のように負荷電流が大きくなると燃料電池の電圧が下がるが、一方、図４のように発電機は負荷電流が大きくなると回転数を増加して電圧を上げることが可能であるので、発電機と燃料電池の合計出力から見ると、安定な電圧で負荷に電力を供給することが可能である。
【００２４】
またこの動力装置は、低負荷時では燃料電池２３を主に用い、高負荷時では発電機２１を主に用いることにより、動力装置のシステム効率向上が可能となる。さらに、発電機２１と燃料電池２３の直列接続によってそれぞれ半分の出力で高出力電圧が発生でき、昇圧回路を使用せずに効率よくモータ１６に電気エネルギーを供給することができる。これは図８（ａ）に示すようにスイッチ１７を閉、スイッチ１８を閉、スイッチ１９を開とすることによって実現できる。その結果、各部品の容量は小さくて足り小型化ができるためシステム効率の大幅向上が期待できる。
【００２５】
さらに、減速時には、図８（ｂ）に示すように、モータ１６の回生電気エネルギーを効率回収するために、スイッチ１７を開、スイッチ１８を開、スイッチ１９を閉にすれば、モータ１６からの回生電気エネルギーと発電機２１の電気エネルギーが直列接続することで昇圧され、電気エネルギーをスムーズに蓄電装置１２に貯めることが可能である。この動力装置は自動車などの移動体に搭載するのに好適であり、また分散電源として応用できる。
【００２６】
本発明では、前記エンジン、発電機、リアクタ、燃料電池のハイブリッドシステムにおいて、エンジン、燃料電池は一種または多種類の燃料を利用することが可能である。例えばエンジンの燃料として、ガソリン、天然ガス、エタノール、バイオ燃料、有機ハイドライドなどが用いられる。また燃料電池の発電燃料として、水素、Ｃ０、天然ガス、エタノール、メタノール、有機ハイドライドなどが用いられる。
【実施例６】
【００２７】
本実施例では、図９に示すように、燃料電池２３を前記電源１、発電機２１を前記電源２とした動力装置の制御装置を開示する。始めに本実施例においてモータに電気エネルギーを供給する場合について説明する。この場合では、スイッチ１７が閉、スイッチ１８が閉、スイッチ１９が開の状態となる。燃料電池２３と直流発電機２１が電気的に直列接続し、燃料電池２３の発電用水素が水素供給装置２５により供給され、直流発電機２１の動力が動力供給装置２６により供給される構成となる。発生した電気エネルギーは蓄電装置であるキャパシタ１２またはモータ/発電機２９に供給される。電気回路中の電流を第一電流センサ２７、第二電流センサ２８で検出し、各構成部品の電圧、電流など状態信号が計測され、制御装置２４にて処理され、制御装置２４から制御信号によって全システムを制御する。
【００２８】
図１０は、制御装置２４の電力供給制御を説明するためのフローチャートである。まず、処理が開始されると、制御装置２４は、ステップＳＴ１において図９の第一電流センサ２７からの出力を検出して電流の変化量の有無を判断する。電流変化量がある場合は、ステップＳＴ２に進み、電流が増大か減少かを判断する。電流が増大する場合は、ステップＳＴ３に進み電流値に合わせて燃料電池２３に供給する水素量を増加し、燃料電池の電流値を目標電流に到達させる。
【００２９】
ステップＳＴ４において、燃料電池２３と電気的に直列接続される発電機２１の回転数を上げ、図４の特性図に示したように、同じ電流において回転数を上げることによって発電機の出力電圧を上げる。そして処理はステップＳＴ４からＳＴ５に進み、燃料電池電圧と発電機電圧の和がモータ駆動電圧を満足できるかを判断する。満足しない場合は再びステップＳＴ４に戻り電圧がＳＴ５の条件に満足するまで循環処理を行う。ステップＳＴ５が終了するとステップＳＴ９において制御がメインルーチンに移される。一方、電流が減少する場合は、ステップＳＴ６に進み電流値に合わせて燃料電池２３に供給する水素量を減少し、燃料電池の電流値を目標電流に到達させる。ステップＳＴ７において、燃料電池２３と電気的に直列接続される発電機２１の回転数を下げ、図４に示したように、同じ電流において回転数を下げることによって発電機の出力電圧を下げる。そして処理はステップＳＴ７からＳＴ８に進み、燃料電池電圧と発電機電圧の和がモータ駆動電圧を満足できるかを判断する。満足しない場合は再びステップＳＴ７に戻り電圧がＳＴ８の条件に満足するまで循環処理を行う。ステップＳＴ８が終了するとステップＳＴ９において制御がメインルーチンに移される。
【００３０】
以上の結果より、モータの変動に応じて燃料電池と発電機により安定かつ高電圧出力を供給することが可能であることが確認された。昇圧回路を使わずに損失少なく高電圧電源が作れることができた。この電源を用いた動力装置や移動体の効率を向上できる。さらに、負荷変動の大きい電源においても十分な出力電圧かつ高効率で電気エネルギーを供給できる。特に、移動体は負荷変動が大きいので本発明が理想的な実装対象である。
【００３１】
次に、実施例６において、モータ／発電機から電気エネルギーを回収しキャパシタ１２に蓄電する場合について説明する。この場合では、スイッチ１７が開、スイッチ１８が開、スイッチ１９が閉の状態となる。
【００３２】
図１１は、制御装置２４の電力回生制御を説明するためのフローチャートである。まず、処理が開始されると、制御装置２４は、ステップＳＴ１０において図９のモータ／発電機２９の出力電圧を検出して蓄電装置のキャパシタの充電電圧に満足するかを判断する。満足する場合は、ステップＳＴ１１に進み、スイッチ１４を閉にしてステップＳＴ１１が終了するとステップＳＴ１４において制御がメインルーチンに移される。一方、モータ／発電機２９の出力電圧がキャパシタ１２の充電電圧に満足しない場合は、処理がステップＳＴ１２に進みモータ／発電機３０の出力電圧と発電機２１の出力電圧の和がキャパシタの充電電圧を満足できるかが判断される。満足しない場合は、ステップＳＴ１３において発電機の回転数をあげることにより、電圧がＳＴ１２の条件に満足するまで循環処理を行う。ステップＳＴ１２が終了するとステップＳＴ１４において制御がメインルーチンに移される。
【００３３】
以上の結果より、減速時にモータ／発電機２９から発生する低電圧、大電流の電気エネルギーを制御された発電機２１と直列接続にすることで、電圧を上昇させることができ、効率的に蓄電装置に回収できるが確認された。さらなる動力装置および移動体の電気エネルギーの利用効率の向上が期待できる。
【実施例７】
【００３４】
本実施例は、実施例６でモータ／発電機２９の電気エネルギーを回収する蓄電装置のキャパシタの代わりに蓄電池を用いた例を示す。実施例６と同様に実施した結果、電気エネルギーの回生時において、キャパシタに比べ、蓄電池の充電電流の制限により回生電気エネルギーの回収率が低下したことが確認された。さらに、充放電効率や重量などを考慮して一時的に電気エネルギーを貯めるには、キャパシタのような蓄電装置が好ましい。
【実施例８】
【００３５】
本実施例は、実施例６の燃料電池の代わりに、太陽電池を第一電源、発電機を第二電源とした動力装置の例である。太陽電池の出力変動に応じて、電気的に直列している発電機の回転数を制御することによって安定かつ高電圧の電力を負荷モータに供給できた。太陽電池のような外部環境や負荷変動の影響を受ける電源に対して、安定な電力供給するには、負荷変動に対して出力電圧特性の違った電源とのハイブリッド化が必要となる。
【実施例９】
【００３６】
本実施例は、実施例８の発電機の代わりに、太陽電池を前記第一電源、ガスタービンを前記第二電源とした動力装置の例である。実施例８と同様に、太陽電池の出力変動に応じてガスタービンの回転数を制御することによってハイブリッド電源からの出力電圧は安定かつ高電圧に供給されることが確認できた。
[比較例１]
【００３７】
本比較例では、図１２に示すように、燃料電池３０を前記第一電源、燃料電池３１を前記第二電源とした動力装置であって、燃料電池に高圧水素ボンベ３２より水素を供給して発電し、モータに電気エネルギーを供給する例である。
【００３８】
本比較例では、負荷モータが変動する場合は、図３に示したように、燃料電池３０と燃料電池３１の電流−電圧特性が同じであることから、昇圧や電圧安定化回路を使わず二つの燃料電池のみで負荷変動に応じてモータに安定な電力を供給することができない。
[比較例２]
【００３９】
本比較例では、図１３に示すように、発電機３３を前記第一電源、発電機３４を前記第二電源とした動力装置であって、発電機がエンジン２０の動力源を用いて発電し、モータ３に電気エネルギーを供給する例である。
【００４０】
本比較例では、負荷モータが変動する場合は、図４に示したように、発電機３３と発電機３４の電流−電圧特性が同じであり、また動力エネルギー源が同じエンジンであることから、昇圧や電圧安定化回路を使わず二つの燃料電池のみで負荷変動に応じてモータに安定な電力を供給することができない。発電機３３と発電機３４にそれぞれの動力源によって駆動する場合では、負荷変動に応じて発電機の回転数を制御することによって安定な電力を供給することができるが、燃料のエネルギー利用率や制御など観点から、動力装置や移動体にふさわしくない。
【００４１】
本発明は、前記燃料電池を第一電源、発電機を第二電源とした実施例につき説明したがこの構成に制限されるものではない。例えば第一電源は風力発電機とし、第二電源はエンジン、原子力発電電源およびこれらの電源の組合せとしても適用できる。
【００４２】
今回開示された実施例の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、自動車等の移動体を含む分散電源に用いる電気エネルギーを供給するハイブリッド電源とそれを用いたシステムに適用できる。特に移動体は負荷変動が大きいため本発明の理想的な搭載対象となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明実施例のハイブリッド電源の回路図である。
【図２】本発明実施例の第一電源と第二電源の出力電圧−電流特性図である。
【図３】燃料電池の出力電圧−電流特性図である。
【図４】発電機の回転数による出力電圧、電流の影響を示す特性図である。
【図５】本発明実施例の蓄電装置を有するハイブリッド電源の回路図である。
【図６】本発明実施例のスイッチを有するハイブリッド電源の回路図である。
【図７】本発明実施例の動力装置を示す回路図である。
【図８】本発明実施例の発電機と燃料電池を有する動力装置の回路図である。
【図９】制御装置による制御構成を示すブロック図である。
【図１０】制御装置の電力供給制御を説明するためのフローチャートである。
【図１１】制御装置の電力回生制御を説明するためのフローチャートである。
【図１２】比較例１の構成を示す模式図である。
【図１３】比較例２の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：第一電源１、２：第二電源２、３：負荷、１２：蓄電装置、１３：スイッチ、１４：スイッチ、１６：モータ、２０：エンジン、２１：発電機、２２：リアクタ、２３：燃料電池、２４：制御装置、２５：水素供給装置、２６：動力供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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