(57)【特許請求の範囲】
【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】
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請求項１に記載の直流電源。
【請求項３】
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請求項１または請求項２に記載の直流電源。
【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】
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請求項７に記載の車両。
【請求項９】
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請求項７または請求項８に車両。
【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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた直流電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、運転効率および環境性に優れる電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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成については、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。
【０００４】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上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。
【０００５】
第１の構成として、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（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。
【０００６】
一例として、図５に、出力比と燃費、即ちエネルギ効率との関係を示す。直流電源を、車両重量２０００ｋｇ、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。
【０００７】
第２の構成として、燃料電池の最大出力を、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。
【０００８】
第３の構成として、蓄電器の容量を、外部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。
【０００９】
上述した第１〜第３の構成で考慮される条件を、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。
【００１０】
第１〜第３の構成においては、それぞれ燃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。
【００１１】
本発明の直流電源においては、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。
【００１２】
本発明において、蓄電器は例えば二次電池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。
【００１３】
本発明は、直流電源としての構成の他、該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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、ハ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：
【００１５】
Ａ．装置の構成：
図１は実施例としての電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。
【００１６】
電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ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。
【００１７】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池である。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。
【００１８】
燃料電池４０とバッテリ２０とはインバータ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−ＤＣコンバータ３０は直流の電圧変換器である。ＤＣ−ＤＣ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−ＤＣ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。
【００１９】
バッテリ２０とＤＣ−ＤＣコンバータ３０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。
【００２０】
上述した各要素の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、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。
【００２１】
これらの制御を実現するために、制御ユニット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。
【００２２】
Ｂ．電力制御処理：
図２は走行時の電力制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。
【００２３】
この処理では、制御ユニット１０は、燃料電池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。
【００２４】
走行要求電力Ｅｄは、車両が走行するために、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。
【００２５】
充放電電力Ｅｂは、バッテリ２０の充放電に伴う電力である。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。
【００２６】
補機電力Ｅｓは、車両補機５０およびＦＣ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。
【００２７】
制御ユニット１０は、ステップＳ１０で設定された要求電力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。
【００２８】
供給されるガス流量に応じて燃料電池４０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。
【００２９】
電力−電流特性マップ（上段）に基づき、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。
【００３０】
次に、制御ユニット１０はＤＣ−ＤＣコン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２０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。
【００３１】
制御ユニット１０は、設定された出力電圧となるよう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。
【００３２】
車両補機５０およびＦＣ補機５１には少なくともバッテリ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。
【００３３】
Ｃ．出力比の設定：
上述の電力制御で説明した通り、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。
【００３４】
図４は燃料電池とバッテリの出力比の設定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２０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。
【００３５】
一方、燃料電池４０とバッテリ２０の出力比の下限値、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、１２０ｋｍ／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。
【００３６】
出力比の上限値は、バッテリの回生能力に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２０ｋＷ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。
【００３７】
出力比の下限値、上限値は、これらの運転状態に関わらず、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。
【００３８】
次に、車両のエネルギ効率、上限値、下限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。
【００３９】
図５は出力比と燃費比の関係を示す説明図である。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。
【００４０】
エネルギ効率が高くなる範囲で、先に説明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。
【００４１】
Ｄ．効果：
以上で説明した本実施例の電源システムによれば、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。
【００４２】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、通常、電圧変換時の効率が約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。
【００４３】
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、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。
【００４４】
本実施例の電源システムでは、車両補機５０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−ＤＣ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２０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。
【００４５】
本実施例によれば、燃料電池４０とバッテリ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。
【００４６】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての電源システムを搭載した車両の構成を示す説明図である。
【図２】走行時の電力制御処理のフローチャートである。
【図３】燃料電池４０の出力特性を示す説明図である。
【図４】燃料電池とバッテリの出力比の設定方法を示す工程図である。
【図５】出力比と燃費比の関係を示す説明図である。
【図６】燃費向上効果を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電源システム
１０…制御ユニット
１１…アクセルペダルセンサ
２０…バッテリ
３０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０…燃料電池
４１…流量センサ
４２…ダイオード
５０…車両補機
５１…ＦＣ補機
６０…インバータ
６１…同期モータ
６２…車速センサ
６３Ｌ，６３Ｒ…車輪
【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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