JP6315293B2 - 電力供給方法及び電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給方法及び電力供給システムに関する。

近年、燃料電池を使用して構成された電力供給システムが注目されている。燃料電池は、水素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとを備え、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。特許文献１には、燃料電池を使用した電力供給システムについて開示されている。

電力供給システムを搭載した電気自動車は、燃料電池及び二次電池のそれぞれからの電力の供給を適宜切り替えることができる。例えば、走行用モータ及び燃料電池の補機からの要求出力と二次電池の充電量とに応じて、燃料電池及び二次電池からの電力供給と、二次電池のみからの電力供給とを切り替えることができる。二次電池からのみ電力を供給している間は燃料電池は発電を停止するため、燃料電池の運転が間欠的に行われることになる。そのため、このような電力供給を間欠運転という。

特開２０１１−０３６１０１号公報

間欠運転時に二次電池に異常が生じ、二次電池から電力を供給不能となる場合がある。このとき、燃料電池からの電力により走行用モータを駆動する必要があるが、燃料電池を非発電状態から発電状態にするために必要な補機に対し電力を供給する必要がある。一方、二次電池に異常が生じているため、補機の駆動電力の供給を、二次電池から受けることができない。その結果、電気自動車は走行を継続することができない場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、間欠運転時に二次電池に異常が生じても燃料電池による発電を再開可能な技術を提供することにある。

本発明に係る電力供給方法は、燃料電池と、二次電池と、モータと、前記燃料電池の補機とを備えたシステムにおいて実施される。当該電力供給方法は、モータと補機とを含む電力負荷に対する電力供給のために、燃料電池による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を制御するステップと、間欠運転時に二次電池に異常が生じたか否かを判断するステップと、上記判断するステップにおいて二次電池に異常が生じたと判断されたことを条件に、モータによる回生の実施を指示するステップと、回生の実施により得られた電力を補機に供給するステップとを備える。

本発明に係る電力供給システムは、燃料電池と、二次電池と、モータと、当該燃料電池の補機と、制御部とを備える。制御部は、モータと補機とを含む電力負荷に対する電力供給のために、燃料電池による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を制御し、間欠運転時に二次電池に異常が生じたか否かを判断し、異常が生じたと判断されたことを条件に、モータによる回生の実施を指示し、回生の実施により得られた電力を補機に供給するように制御する。

本発明によれば、間欠運転時に二次電池に異常が生じても燃料電池による発電を再開可能な技術を提供することができる。

一実施形態に係る電力供給システムの概略構成を示す図である。 一実施形態に係る電力供給システムによる処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

［電力供給システムの構成］
図１を参照して、本発明の一実施形態において、電力供給システムの概略構成の例について説明する。電力供給システム１は、制御装置１１、二次電池１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、燃料電池１４、補機１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、インバータ１７、モータ１８、車速センサ１９、コンデンサ２０、バッテリ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、及び低圧負荷２３を備える。電力供給システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両（移動体）に搭載することができる。なお、図１は、電力供給システム１が備える主要な構成を示しているにすぎず、電力供給システム１は、一般的な電力供給システムが備える他の構成を含むことができる。

二次電池１２は、充放電可能な蓄電部である。二次電池１２は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素バッテリ又はキャパシタなどにより構成される。二次電池１２は、燃料電池１４の放電経路に介挿され、インバータ１７に対して燃料電池１４と並列に接続されている。また、二次電池１２は、補機１５に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、二次電池１２とインバータ１７との間に設けられたＤＣ電圧のコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路と（いずれも図示略）により構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、二次電池１２から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧若しくは降圧して補機１５（燃料電池１４）側、又はインバータ１７側に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１４からの電力のＤＣ電圧を昇圧又は高圧して二次電池１２に出力する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３により二次電池１２の充放電が実現される。

燃料電池１４は、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックを含んで構成されている。燃料電池１４による通常の発電時の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じることにより、電力を発生する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

補機１５は、燃料電池１４の運転に使用される種々の装置である。補機１５には、例えば、燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池１４に供給するためのコンプレッサやポンプが含まれる。補機１５は、二次電池１２又は燃料電池１４から供給された電力を駆動電力とする。燃料電池１４から補機１５への電力供給は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３及びＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して行われる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池１４とインバータ１７との間に設けられたＤＣ電圧のコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、フルブリッジ・コンバータ等により構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池１４から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧若しくは降圧してインバータ１７に出力する。

インバータ１７は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータである。インバータ１７は、制御装置１１から入力した制御命令に応じて、燃料電池１４又は二次電池１２から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１８に供給する。

モータ１８は、電力供給システム１を搭載する移動体の車輪等を駆動するためのトラクションモータである。モータ１８は、駆動電力として、燃料電池１４又は二次電池１２からインバータ１７を介して供給された電力を使用する。モータ１８の回転数は、インバータ１７によって制御される。また、モータ１８は、その回転に応じて回生することができる。その回生電力で二次電池１２及びコンデンサ２０を充電することができる。

車速センサ１９は、電力供給システム１を搭載する移動体の移動速度（車速）を検出し、制御装置１１に出力するセンサである。車速センサ１９は、モータ１８の回転数や移動体の車輪の回転数等に応じて移動速度を検出する。

コンデンサ２０は、モータ１８の回生電力を蓄電する蓄電部である（コンデンサ２０とモータ１８との間の接続線は図示せず。）。また、コンデンサ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３及びＤＣ／ＤＣコンバータ１６から出力される電流を平滑し、インバータ１７に出力する。コンデンサ２０のその他の役割については後述する。また、コンデンサ２０は、任意の蓄電手段により構成することが可能である。

バッテリ２１は、充放電可能な蓄電部である。バッテリ２１は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素バッテリ又はキャパシタなどにより構成される。バッテリ２１は、低圧負荷２３及び制御装置１１などの比較的低圧（例えば、１２Ｖ）な電気機器の電源として用いられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、二次電池１２及び補機１５の間に接続されたＤＣ電圧のコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、フルブリッジ・コンバータ等により構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、二次電池１２から供給された電力のＤＣ電圧を降圧してバッテリ２１に出力する。これによりバッテリ２１は充電される。

低圧負荷２３は、車載ライト及びエアーコンディショナなどの、比較的低い電圧（例えば、１２Ｖ）の駆動電力で動作する補機である。

制御装置１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えたコンピュータにより構成される。制御装置１１は、他の構成から入力した信号、及びＲＡＭなどの記憶部に記憶されたプログラムになどに基づいて、電力供給システム１が備える各構成の処理及び動作を制御する。制御装置１１を動作するための電力はバッテリ２１より供給される（制御装置１１とバッテリ２１との間の接続線は、便宜上図示せず）。

制御装置１１は、例えば、モータ１８と補機１５とを含む電力負荷に対する電力供給のために、燃料電池１４による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を制御する。間欠運転は、電力負荷の必要電力及び二次電池１２の蓄電割合等に応じて制御することができる。例えば、制御装置１１は、まず、モータ１８及び補機１５を含む電力負荷の必要電力の計算と、二次電池１２の蓄電割合の特定とを行う。次いで、制御装置１１は、計算された必要電力を二次電池１２からの電力供給でカバーできるか否かを判断し、カバーできるときは、燃料電池１４による発電を停止し、モータ１８と補機１５等に対して二次電池１２から電力供給を行うように制御する。必要電力を二次電池１２からの電力供給でカバーできないとき、制御装置１１は、燃料電池１４による発電を行い、燃料電池１４及び二次電池１２から電力供給を行うように制御する。なお、計算された必要電力を二次電池１２からの電力供給でカバーできるか否かの判断のための構成として、ＳＯＣ（System-on-a-Chip）を使用することも可能である。

ここで、間欠運転時に、二次電池１２に異常が生じたときに、二次電池１２と補機１５との間の接続が遮断されるようにする場合や、二次電池１２からの電力供給が不能になる場合がある。このとき、燃料電池１４を非発電状態（運転していない状態）から発電状態に制御しようとしても、燃料電池１４の運転開始のために二次電池１２から補機１５に対して電力供給できない。その結果、補機１５を駆動することができず、燃料電池１４の運転を開始することができない。燃料電池１４を運転できなければ、モータ１８を駆動させることもできず、電力供給システム１を搭載した移動体の走行等を継続不能となる。

このような問題を回避するために、本実施形態において、制御装置１１は、まず、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じたか否かを判断する。異常が生じたと判断されたことを条件に、制御装置１１は、モータ１８による回生の実施を指示するように制御することができる。当該指示に応じて、モータ１８による回生が実施される。制御装置１１は、モータ１８から得られた回生電力によりコンデンサ２０を充電するように制御する。その後、コンデンサ２０の放電による電力で補機１５を起動し（コンデンサ２０と補機１５の間の接続線は図示せず。）、補機１５の駆動により、燃料電池１４の運転を開始することができる。

二次電池１２の異常は、例えば、制御装置１１が二次電池１２又はＤＣ／ＤＣコンバータ１３から受信した制御信号に応じて、又は当該制御信号を受信できないことにより検出する。

以上のように本実施形態によれば、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じたことを条件として、モータ１８による回生を開始する。すなわち、本来、回生を実施する状況（例えば、坂道を下っているとき）ではない状況であっても、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じたときは、モータ１８による回生を開始する。従って、本実施形態によれば、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じても、モータ１８から得られた回生電力を補機１５の駆動電力として供給し、燃料電池１４の運転を再開することが可能である。

なお、モータ１８の回転数又は電力供給システム１を搭載した移動体の移動速度によっては、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を回生により発生できない場合がある。移動体の走行中に上記のように回生を実施したが燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を発生できなかった場合、惰性走行の距離が短くなるため、移動体が安全な場所への退避するための走行可能距離が短くなる。このような点を考慮し、以下に説明するように、制御装置１１は、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を回生により発生できるときに、当該回生を実施するように制御することができる。

まず、制御装置１１は、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じたときに、モータ１８による回生により発電可能な電力を算出する。回生により発電可能な電力は、例えば、車速センサ１９により検出された移動速度（車速）に基づいて算出される。このとき、移動速度から回生により発電可能な電力を算出するための式、又は移動速度と発電可能な電力との間の関係を示すマップを制御装置１１内に記憶しておき、発電可能な電力の算出のために用いることができる。

制御装置１１は、発電可能な電力が所定値以上であるときにモータ１８による回生を実施するように制御する。当該所定値は、補機１５による燃料電池１４の運転の開始に必要な電力より大きな値となるように設定される。例えば、燃料電池１４の運転の開始に必要な電力に、当該電力の回収に必要な損失電力を加えた電力より大きな値となるように、当該所定値を設定することもできる。すなわち、回生により発電可能な電力から少なくとも当該電力の回収に必要な損失電力を減じた電力が、補機１５による燃料電池１４の運転開始可能電力以上であるときに、制御装置１１は、モータ１８による回生が実施されるように制御することができる。

以上のように本実施形態によれば、制御装置１１は、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を回生により発生できるときに、当該回生を実施するように制御することができる。その結果、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を発生できないにも関わらず回生を実施することにより、惰性走行の距離が短くなることを防ぐことができる。

［電力供給の制御フロー］
図２を参照して、電力供給システム１により実施される電力供給の処理の流れを説明する。この処理は、制御装置１１により制御される。処理の詳細は既に説明しているため、ここでは省略する。

まず、ステップＳ１１において、制御装置１１は、モータ１８と補機１５とを含む電力負荷に対する電力供給のために、燃料電池１４による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を開始する。

ステップＳ１２において、制御装置１１は、二次電池１２に異常が生じたか否かを判断する。二次電池１２の異常は、例えば、制御装置１１が二次電池１２又はＤＣ／ＤＣコンバータ１３から受信した制御信号に応じて、又は当該制御信号を受信できなかったことに応じて検出される。異常が生じたと判断された場合、処理はステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３において、制御装置１１は、モータ１８による回生により発電可能な電力を算出し、当該発電可能な電力が所定値以上であるか否かを判断する。回生により発電可能な電力は、例えば、車速センサ１９により検出された移動速度に基づいて算出される。発電可能な電力が所定値以上であると判断された場合、処理はステップＳ１４へ進み、他の場合、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ１４において、制御装置１１は、モータ１８による回生の実施の指示を出力するように制御する。その後処理はステップＳ１５へ進む。ステップＳ１３において発電可能な電力が所定値未満であると判断されたときは、回生は実施されない。ステップＳ１５において、回生電力は補機１５に供給され、補機１５により燃料電池１４の運転が開始される。

以上のように本実施形態によれば、間欠運転時に二次電池１２に異常が生じても、モータ１８から得られた回生電力を補機１５の駆動電力として供給し、燃料電池１４の運転を開始するため、電力供給を継続することが可能である。

また、本実施形態によれば、制御装置１１は、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を回生により発生できるときに、当該回生を実施するように制御することができる。その結果、燃料電池１４の運転の開始に十分な電力を発生できないにも関わらず回生を実施することにより、惰性走行の距離が短くなることを防ぐことができる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１ 電力供給システム
１１ 制御装置
１２ 二次電池
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 燃料電池
１５ 補機
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７ インバータ
１８ モータ
１９ 車速センサ
２０ コンデンサ
２１ バッテリ
２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３ 低圧負荷

Claims (5)

1. 燃料電池と、二次電池と、モータと、前記燃料電池の補機とを備えたシステムにおいて実施される電力供給方法であって、
   前記モータと前記補機とを含む電力負荷に対する電力供給のために、前記燃料電池による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を制御するステップと、
   前記間欠運転時に前記二次電池に異常が生じたか否かを判断するステップと、
   前記判断するステップにおいて前記二次電池に異常が生じたと判断されたことを条件に、前記モータによる回生の実施を指示するステップと、
   回生の前記実施により得られた電力を前記補機に供給するステップと
   を備える電力供給方法。
2. 前記判断するステップにおいて前記間欠運転時に前記二次電池に異常が生じたと判断されたときに、前記モータによる回生により発電可能な電力を算出するステップを備え、
   前記回生を実施するステップは、前記発電可能な電力が所定値以上であるときに実施される、請求項１に記載の電力供給方法。
3. 前記システムを搭載した移動体の移動速度を測定するステップを備え、
   前記発電可能な電力は、前記測定された移動速度に基づいて算出される、請求項２に記載の電力供給方法。
4. 前記回生の実施を指示するステップは、前記発電可能な電力から少なくとも当該電力の回収に必要な損失電力を減じた電力が、前記補機による前記燃料電池の運転開始可能電力以上であるときに実施される、請求項２又は３に記載の電力供給方法。
5. 燃料電池と、二次電池と、モータと、前記燃料電池の補機と、制御部とを備えた電力供給システムであって、
   前記制御部は、前記モータと前記補機とを含む電力負荷に対する電力供給のために、前記燃料電池による発電の実施と停止とを間欠的に切り替える間欠運転を制御し、前記間欠運転時に前記二次電池に異常が生じたか否かを判断し、前記異常が生じたと判断されたことを条件に、前記モータによる回生の実施を指示し、回生の前記実施により得られた電力を前記補機に供給するように制御する、電力供給システム。