JP2003333708A - 電気自動車のためのハイブリッド・エネルギー・システム - Google Patents
電気自動車のためのハイブリッド・エネルギー・システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安価で応答の速いハイブリッド・エネルギー
・システムを提供する。 【解決手段】 電気自動車のような負荷へエネルギーを
供給するハイブリッド・エネルギー・システム10が設け
られる。エネルギー・システム10は、エネルギー貯蔵装
置14と燃料電池システム16とを含む。エネルギー貯蔵装
置14のエネルギー蓄積状態が所定の蓄積状態以上である
とき、エネルギー貯蔵装置14は負荷12へのエネルギーの
全てを供給する。エネルギー貯蔵状態が所定の蓄積状態
を下回るとき、燃料電池システム16が負荷12へのエネル
ギーの少なくとも一部を供給する。本発明の観点の一つ
によれば、負荷12のエネルギー要求が燃料電池システム
16の最適エネルギー出力を超えていない限り、燃料電池
システム16が負荷12へのエネルギーの全てを供給する。
・システムを提供する。 【解決手段】 電気自動車のような負荷へエネルギーを
供給するハイブリッド・エネルギー・システム10が設け
られる。エネルギー・システム10は、エネルギー貯蔵装
置14と燃料電池システム16とを含む。エネルギー貯蔵装
置14のエネルギー蓄積状態が所定の蓄積状態以上である
とき、エネルギー貯蔵装置14は負荷12へのエネルギーの
全てを供給する。エネルギー貯蔵状態が所定の蓄積状態
を下回るとき、燃料電池システム16が負荷12へのエネル
ギーの少なくとも一部を供給する。本発明の観点の一つ
によれば、負荷12のエネルギー要求が燃料電池システム
16の最適エネルギー出力を超えていない限り、燃料電池
システム16が負荷12へのエネルギーの全てを供給する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は例えば電気自動車等
におけるエネルギー・システムやエネルギー供給方法に
関し、より具体的には、電気自動車のための電力システ
ムに関する。
におけるエネルギー・システムやエネルギー供給方法に
関し、より具体的には、電気自動車のための電力システ
ムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、電気自動車においては、バッ
テリーと燃料電池の両方を含むハイブリッド・エネルギ
ー・システムを備える場合がある（例えば、特許文献１
乃至６を参照）。通常のバッテリーは単独で用いられる
場合、長距離走行を可能にするのに充分な充電量を持っ
ておらず、また、充電するのに比較的長時間を有するの
で、ハイブリッド・エネルギー・システムが用いられ
る。更に、通常の燃料電池は、単独で用いられる場合に
は、車両の動力要求の大幅な変動に対処するのに充分な
エネルギーを発生することが出来ない。通常の燃料電池
はまた、低外気温において始動時間が長く、車両のエネ
ルギー要求の変化に対する応答が遅い。
テリーと燃料電池の両方を含むハイブリッド・エネルギ
ー・システムを備える場合がある（例えば、特許文献１
乃至６を参照）。通常のバッテリーは単独で用いられる
場合、長距離走行を可能にするのに充分な充電量を持っ
ておらず、また、充電するのに比較的長時間を有するの
で、ハイブリッド・エネルギー・システムが用いられ
る。更に、通常の燃料電池は、単独で用いられる場合に
は、車両の動力要求の大幅な変動に対処するのに充分な
エネルギーを発生することが出来ない。通常の燃料電池
はまた、低外気温において始動時間が長く、車両のエネ
ルギー要求の変化に対する応答が遅い。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４８３９５７４号明細書
【特許文献２】米国特許第４９３１９４７号明細書
【特許文献３】米国特許第４９６１１５１号明細書
【特許文献４】米国特許第４９６２４６２号明細書
【特許文献５】米国特許第５６３１５３２号明細書
【特許文献６】米国特許第５８０８４４８号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電気自動車で用いられ
るハイブリッド・エネルギー・システムは、車両の主動
力源として用いられる比較的大容量の燃料電池と、車両
の動力要求が燃料電池の最大出力を超えるときに二次動
力源として用いられる小型バッテリーと、を含むのが最
も一般的である。しかしながら、燃料電池が比較的高価
であり、エネルギー・システム全体としては車両の動力
要求の変化に対する応答が遅いので、これら従来のハイ
ブリッド・エネルギー・システムは不利である。
るハイブリッド・エネルギー・システムは、車両の主動
力源として用いられる比較的大容量の燃料電池と、車両
の動力要求が燃料電池の最大出力を超えるときに二次動
力源として用いられる小型バッテリーと、を含むのが最
も一般的である。しかしながら、燃料電池が比較的高価
であり、エネルギー・システム全体としては車両の動力
要求の変化に対する応答が遅いので、これら従来のハイ
ブリッド・エネルギー・システムは不利である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、例えば電気自
動車の様な負荷にエネルギーを供給するためのハイブリ
ッド・エネルギー・システムを提供する。本発明による
ハイブリッド・エネルギー・システムは、バッテリーの
様なエネルギー貯蔵装置と燃料電池とを含む。上記エネ
ルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄積状態が所定の
第１蓄積状態よりも大きい限り、エネルギー貯蔵装置が
エネルギーの全てを供給する。上記エネルギー貯蔵装置
のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態以下であると
きには、上記燃料電池システムが上記エネルギーの少な
くとも一部を供給する。
動車の様な負荷にエネルギーを供給するためのハイブリ
ッド・エネルギー・システムを提供する。本発明による
ハイブリッド・エネルギー・システムは、バッテリーの
様なエネルギー貯蔵装置と燃料電池とを含む。上記エネ
ルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄積状態が所定の
第１蓄積状態よりも大きい限り、エネルギー貯蔵装置が
エネルギーの全てを供給する。上記エネルギー貯蔵装置
のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態以下であると
きには、上記燃料電池システムが上記エネルギーの少な
くとも一部を供給する。
【０００６】本発明の別の観点によれば、エネルギー・
システムの効率を最適化する様に、エネルギー貯蔵装置
及び燃料電池により提供されるエネルギー量を、それぞ
れ、運転状態に応答して変更することが出来る。具体的
には、上記エネルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄
積状態が所定の第２蓄積状態を下回るときに、上記燃料
電池から負荷へのエネルギーの全てを供給させるように
することが出来る。また、上記エネルギー貯蔵装置のエ
ネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態と第２蓄積状態と
の間にあるときには、上記負荷の要求エネルギー（例え
ば要求電力等）が上記燃料電池の最適出力以下である限
り、上記燃料電池から上記負荷へのエネルギーの全てを
供給するようにし、一方、上記負荷の要求エネルギーが
上記燃料電池の最適出力を超えるときには、上記エネル
ギー貯蔵装置と燃料電池の両方から上記負荷へエネルギ
ーを供給するようにすることができる。
システムの効率を最適化する様に、エネルギー貯蔵装置
及び燃料電池により提供されるエネルギー量を、それぞ
れ、運転状態に応答して変更することが出来る。具体的
には、上記エネルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄
積状態が所定の第２蓄積状態を下回るときに、上記燃料
電池から負荷へのエネルギーの全てを供給させるように
することが出来る。また、上記エネルギー貯蔵装置のエ
ネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態と第２蓄積状態と
の間にあるときには、上記負荷の要求エネルギー（例え
ば要求電力等）が上記燃料電池の最適出力以下である限
り、上記燃料電池から上記負荷へのエネルギーの全てを
供給するようにし、一方、上記負荷の要求エネルギーが
上記燃料電池の最適出力を超えるときには、上記エネル
ギー貯蔵装置と燃料電池の両方から上記負荷へエネルギ
ーを供給するようにすることができる。
【０００７】本発明による負荷へのエネルギー供給方法
は、エネルギー貯蔵装置と燃料電池を設ける工程を含
む。この方法は更に、上記エネルギー貯蔵装置と燃料電
池とを制御する工程を含み、そこで、上記エネルギー貯
蔵装置のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態よりも
大きいときには、上記エネルギー貯蔵装置から上記負荷
へのエネルギーの全てを供給し、一方、上記エネルギー
貯蔵装置の蓄積状態が上記第１蓄積状態以下であるとき
には、上記燃料電池から上記エネルギーの少なくとも一
部を供給する。
は、エネルギー貯蔵装置と燃料電池を設ける工程を含
む。この方法は更に、上記エネルギー貯蔵装置と燃料電
池とを制御する工程を含み、そこで、上記エネルギー貯
蔵装置のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態よりも
大きいときには、上記エネルギー貯蔵装置から上記負荷
へのエネルギーの全てを供給し、一方、上記エネルギー
貯蔵装置の蓄積状態が上記第１蓄積状態以下であるとき
には、上記燃料電池から上記エネルギーの少なくとも一
部を供給する。
【０００８】本発明のハイブリッド・エネルギー・シス
テムは、大型の燃料電池を必要とせず、このことで、従
来のエネルギー・システムよりも安価とすることが出来
る。更に本発明のエネルギー・システムは、負荷による
エネルギー要求の変化に対して比較的迅速に応答するこ
とが出来る。最後に、本発明のエネルギー・システム
（例えば電力システム）は、エネルギー貯蔵装置と燃料
電池のエネルギー発生能力を最適化する様に、エネルギ
ー貯蔵装置と燃料電池とを制御する。
テムは、大型の燃料電池を必要とせず、このことで、従
来のエネルギー・システムよりも安価とすることが出来
る。更に本発明のエネルギー・システムは、負荷による
エネルギー要求の変化に対して比較的迅速に応答するこ
とが出来る。最後に、本発明のエネルギー・システム
（例えば電力システム）は、エネルギー貯蔵装置と燃料
電池のエネルギー発生能力を最適化する様に、エネルギ
ー貯蔵装置と燃料電池とを制御する。
【０００９】本発明の上記のものなどの利点は、例とし
て本発明の特徴を示す以下の詳細な説明と添付の図面か
ら、当業者に明らかであろうと思われる。
て本発明の特徴を示す以下の詳細な説明と添付の図面か
ら、当業者に明らかであろうと思われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、複数の図面を参照して本
発明の説明をする。これら複数の図面では同一の構成部
品を特定するのに同じ符号が用いられる。図１は、負荷
12へエネルギー（power）を供給するエネルギー・シス
テム10を示している。エネルギー・システム10は、エネ
ルギー貯蔵装置14と、燃料電池システム16と、コンバー
ター18と、エネルギー貯蔵装置14及び燃料電池システム
16を制御する制御回路20と、を含むものとすることが出
来る。本発明によれば、負荷12は、例えば電気自動車と
することが出来る。しかしながら、本発明は、他のタイ
プの負荷にエネルギーを供給するために用いるのも可能
であると、理解されるはずである。
発明の説明をする。これら複数の図面では同一の構成部
品を特定するのに同じ符号が用いられる。図１は、負荷
12へエネルギー（power）を供給するエネルギー・シス
テム10を示している。エネルギー・システム10は、エネ
ルギー貯蔵装置14と、燃料電池システム16と、コンバー
ター18と、エネルギー貯蔵装置14及び燃料電池システム
16を制御する制御回路20と、を含むものとすることが出
来る。本発明によれば、負荷12は、例えば電気自動車と
することが出来る。しかしながら、本発明は、他のタイ
プの負荷にエネルギーを供給するために用いるのも可能
であると、理解されるはずである。
【００１１】エネルギー貯蔵装置14は負荷12への電力を
供給する。この装置14は、燃料電池の付帯物のエネルギ
ー要求に合致する様にして、燃料電池システム16を励起
するのに用いることも出来る。エネルギー貯蔵装置14
は、この技術分野では一般的なものであり、以下の例に
限定されるものではないが、鉛−酸バッテリー、ナトリ
ウム−硫黄（Na/S）バッテリー、ナトリウム−塩酸ニッ
ケル（Na/NiCl2）バッテリー、ニッケル−カドミウム
（Ni/Cd）バッテリー、ニッケル−金属水素化物バッテ
リー、リチウム・イオン・バッテリー又はリチウム・ポ
リマー・バッテリー、を含む各種通常のバッテリーのい
ずれかを含むバッテリー、とすることが出来る。また、
エネルギー貯蔵装置14は、例えば、平行板又は二層形
の、ウルトラキャパシター（高エネルギー密度コンデン
サー）を構成しても良い。本発明の実施形態の一つにお
いて、装置14が、約10 kWと約100 kWの間の電力（エネ
ルギー）を発生することが出来る。
供給する。この装置14は、燃料電池の付帯物のエネルギ
ー要求に合致する様にして、燃料電池システム16を励起
するのに用いることも出来る。エネルギー貯蔵装置14
は、この技術分野では一般的なものであり、以下の例に
限定されるものではないが、鉛−酸バッテリー、ナトリ
ウム−硫黄（Na/S）バッテリー、ナトリウム−塩酸ニッ
ケル（Na/NiCl2）バッテリー、ニッケル−カドミウム
（Ni/Cd）バッテリー、ニッケル−金属水素化物バッテ
リー、リチウム・イオン・バッテリー又はリチウム・ポ
リマー・バッテリー、を含む各種通常のバッテリーのい
ずれかを含むバッテリー、とすることが出来る。また、
エネルギー貯蔵装置14は、例えば、平行板又は二層形
の、ウルトラキャパシター（高エネルギー密度コンデン
サー）を構成しても良い。本発明の実施形態の一つにお
いて、装置14が、約10 kWと約100 kWの間の電力（エネ
ルギー）を発生することが出来る。
【００１２】燃料電池システム16もまた、負荷12へエネ
ルギーを供給する。このシステム16はまた、エネルギー
貯蔵装置14の充電状態（エネルギー蓄積状態）が所定の
充電状態以下のときに、該貯蔵装置14へ充電するために
も、設けられている。燃料電池システム16はこの分野で
は一般的なものであり、以下の例に限定されるものでは
ないが、高分子電解膜燃料電池（polymer electrolyte
membrane fuel cell:PEMFC）、固体酸化物燃料電池（so
lid oxide fuel cell: SOFC）、アルカリ燃料電池（alk
aline fuel cell: AFC）、燐酸燃料電池（phosphoric a
cid fuel cell: PAFC）又は溶融炭酸燃料電池（molten
carbonate fuel cell: MCFC）を含む各種従来の燃料電
池からなる、一つ又は複数の燃料電池を含むことが出来
る。システム16の燃料電池システム16は、直接水素、直
接メタノール又は改質燃料で、動作することが出来る。
本発明の実施形態の一つにおいて、燃料電池システム16
は、約5 kW と約70 kWとの間の出力、より好ましくは約
20 kWと約40 kWとの間の出力を発生することが出来る。
図示の実施形態において、燃料電池システム16は、エネ
ルギー貯蔵装置14と並列に接続されている。燃料電池シ
ステム16がエネルギー貯蔵装置14により充電されるのを
防止するために、ダイオード22をシステム16と直列に接
続してもよい。以下に詳細に説明するが、燃料電池シス
テム16は、エネルギー貯蔵装置14の充電状態に応じて２
つの固定的なモード（例えば、燃料電池システム16の最
も効率のよい出力モード又は所定の最大出力モード）の
いずれか一方で運転するようにしてもよい。本発明によ
り求められるものではないが、システム16の作動を二つ
以上の固定的なモードに限定することは、電力変動によ
る損失を制限し、システム16と電力システム10の制御を
単純化し、システム16の熱疲労を回避し、そして、改質
システムの安定作動を得る、という点で、有利である。
システム16が理想的な効率で出力を発生する際の動作モ
ードは、電気自動車においては、例えば、車両がクルー
ズ・コントロール（オート・クルーズ）されている及び
／又は高速走行中に、起こり易い。当業者に理解される
ことになる様に、システム16の理想的な効率の出力は、
例えば、負荷12が要求するある期間にわたる平均電流を
判定するといった、種々の方法により、判定され得る。
ルギーを供給する。このシステム16はまた、エネルギー
貯蔵装置14の充電状態（エネルギー蓄積状態）が所定の
充電状態以下のときに、該貯蔵装置14へ充電するために
も、設けられている。燃料電池システム16はこの分野で
は一般的なものであり、以下の例に限定されるものでは
ないが、高分子電解膜燃料電池（polymer electrolyte
membrane fuel cell:PEMFC）、固体酸化物燃料電池（so
lid oxide fuel cell: SOFC）、アルカリ燃料電池（alk
aline fuel cell: AFC）、燐酸燃料電池（phosphoric a
cid fuel cell: PAFC）又は溶融炭酸燃料電池（molten
carbonate fuel cell: MCFC）を含む各種従来の燃料電
池からなる、一つ又は複数の燃料電池を含むことが出来
る。システム16の燃料電池システム16は、直接水素、直
接メタノール又は改質燃料で、動作することが出来る。
本発明の実施形態の一つにおいて、燃料電池システム16
は、約5 kW と約70 kWとの間の出力、より好ましくは約
20 kWと約40 kWとの間の出力を発生することが出来る。
図示の実施形態において、燃料電池システム16は、エネ
ルギー貯蔵装置14と並列に接続されている。燃料電池シ
ステム16がエネルギー貯蔵装置14により充電されるのを
防止するために、ダイオード22をシステム16と直列に接
続してもよい。以下に詳細に説明するが、燃料電池シス
テム16は、エネルギー貯蔵装置14の充電状態に応じて２
つの固定的なモード（例えば、燃料電池システム16の最
も効率のよい出力モード又は所定の最大出力モード）の
いずれか一方で運転するようにしてもよい。本発明によ
り求められるものではないが、システム16の作動を二つ
以上の固定的なモードに限定することは、電力変動によ
る損失を制限し、システム16と電力システム10の制御を
単純化し、システム16の熱疲労を回避し、そして、改質
システムの安定作動を得る、という点で、有利である。
システム16が理想的な効率で出力を発生する際の動作モ
ードは、電気自動車においては、例えば、車両がクルー
ズ・コントロール（オート・クルーズ）されている及び
／又は高速走行中に、起こり易い。当業者に理解される
ことになる様に、システム16の理想的な効率の出力は、
例えば、負荷12が要求するある期間にわたる平均電流を
判定するといった、種々の方法により、判定され得る。
【００１３】コンバーター18は、エネルギー貯蔵装置14
と燃料電池システム16との間の電圧を平衡させるため
に、設けられる。コンバーター18は、通常のDC/DCコン
バーターからなるものとすることが出来る。コンバータ
ー18は、システム16と直列に、そしてエネルギー貯蔵装
置14及び負荷12とは並列に、接続され得る。
と燃料電池システム16との間の電圧を平衡させるため
に、設けられる。コンバーター18は、通常のDC/DCコン
バーターからなるものとすることが出来る。コンバータ
ー18は、システム16と直列に、そしてエネルギー貯蔵装
置14及び負荷12とは並列に、接続され得る。
【００１４】制御回路20は、エネルギー貯蔵装置14と燃
料電池システム16とを制御するために、設けられる。回
路20は、計測装置24, 26、制御装置28、及び制御器30
を、含み得る。
料電池システム16とを制御するために、設けられる。回
路20は、計測装置24, 26、制御装置28、及び制御器30
を、含み得る。
【００１５】計測装置24, 26は、エネルギー貯蔵装置14
及び燃料電池システム16により生成される電流及び／又
は電圧を計測するために、設けられる。この装置24, 26
は、この分野では一般的なものであり、例えば、電流計
からなるものとすればよい。計測装置24は、エネルギー
貯蔵装置14と直列に接続すればよく、この貯蔵装置14へ
入力する充電電流と貯蔵装置14により出力される放電電
流を計測するために用いられ得る。また、計測装置26
は、共通ノード32と負荷12との間に接続すればよく、負
荷電流を計測するために用いられ得る。計測装置24, 26
はそれぞれ、制御器30に対する一つ又は複数の制御信号
を生成し得る。
及び燃料電池システム16により生成される電流及び／又
は電圧を計測するために、設けられる。この装置24, 26
は、この分野では一般的なものであり、例えば、電流計
からなるものとすればよい。計測装置24は、エネルギー
貯蔵装置14と直列に接続すればよく、この貯蔵装置14へ
入力する充電電流と貯蔵装置14により出力される放電電
流を計測するために用いられ得る。また、計測装置26
は、共通ノード32と負荷12との間に接続すればよく、負
荷電流を計測するために用いられ得る。計測装置24, 26
はそれぞれ、制御器30に対する一つ又は複数の制御信号
を生成し得る。
【００１６】制御装置28は、燃料電池システム16を選択
的に作動させるために設けられる。制御装置28は、この
分野では一般的なものであり、通常のスイッチング装置
から構成され得る。スイッチング装置は、通常のトラン
ジスタやリレーを含む複数のものであって、通常のいか
なる形態も取り得るということが、当業者には理解され
るはずである。
的に作動させるために設けられる。制御装置28は、この
分野では一般的なものであり、通常のスイッチング装置
から構成され得る。スイッチング装置は、通常のトラン
ジスタやリレーを含む複数のものであって、通常のいか
なる形態も取り得るということが、当業者には理解され
るはずである。
【００１７】制御器30は、エネルギー貯蔵装置14及び燃
料電池システム16を制御するために設けられる。制御器
30は、一組のプログラム命令（つまりソフトウェア）の
制御の下で作動するマイクロプロセッサーを有するもの
とすることが出来る。しかしながら、制御器30は、離散
型のデジタル及び／又はアナログ回路を用いても実装さ
れ得ることが、理解されるはずである。制御器30は、例
えば、計測装置24, 26からの入力信号を受け得る。制御
器30はまた、エネルギー貯蔵装置14、燃料電池システム
16及び制御装置28を制御するために用いられる出力信号
を発生し得る。
料電池システム16を制御するために設けられる。制御器
30は、一組のプログラム命令（つまりソフトウェア）の
制御の下で作動するマイクロプロセッサーを有するもの
とすることが出来る。しかしながら、制御器30は、離散
型のデジタル及び／又はアナログ回路を用いても実装さ
れ得ることが、理解されるはずである。制御器30は、例
えば、計測装置24, 26からの入力信号を受け得る。制御
器30はまた、エネルギー貯蔵装置14、燃料電池システム
16及び制御装置28を制御するために用いられる出力信号
を発生し得る。
【００１８】制御器30は、一定の動作状態に応答して、
エネルギー貯蔵装置14と燃料電池システム16とを制御
し、そして、表１に従って動作し得る。ここで、SOCは
エネルギー貯蔵装置14の充電状態を示し、SOCLはエネル
ギー貯蔵装置14の所定の低充電状態を示し、SOCUはエネ
ルギー貯蔵装置14の所定の高充電状態を示し、PFCOPTは
燃料電池システム16の最適出力を示し、PREQは負荷12
（燃料電池に付随する負荷を含む）のエネルギー要求を
示す。そしてX1及びX2は所定の値である。
エネルギー貯蔵装置14と燃料電池システム16とを制御
し、そして、表１に従って動作し得る。ここで、SOCは
エネルギー貯蔵装置14の充電状態を示し、SOCLはエネル
ギー貯蔵装置14の所定の低充電状態を示し、SOCUはエネ
ルギー貯蔵装置14の所定の高充電状態を示し、PFCOPTは
燃料電池システム16の最適出力を示し、PREQは負荷12
（燃料電池に付随する負荷を含む）のエネルギー要求を
示す。そしてX1及びX2は所定の値である。
【００１９】
【表１】
@001
【００２０】表１で設定される様に、制御器30は、本発
明による一つ又は複数の作動原則に基き、動作すること
が出来る。第１に、エネルギー貯蔵装置14の充電状態SO
Cが所定の高充電状態SOCUよりも大きい限り、貯蔵装置1
4は負荷12へのエネルギー（電力）の全てを供給する。
所定の高蓄積状態SOCUは、約70%と約90%との間とするこ
とが出来る。第２に、蓄積状態SOCが所定の蓄積状態SOC
U以上であるとき、燃料電池システム16は、負荷12への
エネルギーの少なくとも一部を供給する。第３に、エネ
ルギー貯蔵装置14の蓄積状態SOCが所定の低充電状態SOC
L未満になるとき、燃料電池システム16は負荷12へのエ
ネルギーの全てを供給する。所定の低蓄積状態SOCLは、
約20%と約50%との間とすることが出来る。第４に、エネ
ルギー貯蔵装置の蓄積状態SOCが所定の高蓄積状態SOCU
と低蓄積状態SOCLとの間にあるとき、負荷12へのエネル
ギー要求PREQが燃料電池システム16の最適出力PFCOPT以
下である限り、燃料電池システム16が負荷12へのエネル
ギーの全てを供給し、一方、エネルギー要求PREQが燃料
電池システム16の最適出力PFCOPTを超えるときには、エ
ネルギー貯蔵装置14が追加で必要とされているエネルギ
ーを供給する。第５に、エネルギー貯蔵装置14の充電状
態SOCが所定の高充電状態を下回るときには、燃料電池
システム16はエネルギー貯蔵装置14の充電のために放電
する。
明による一つ又は複数の作動原則に基き、動作すること
が出来る。第１に、エネルギー貯蔵装置14の充電状態SO
Cが所定の高充電状態SOCUよりも大きい限り、貯蔵装置1
4は負荷12へのエネルギー（電力）の全てを供給する。
所定の高蓄積状態SOCUは、約70%と約90%との間とするこ
とが出来る。第２に、蓄積状態SOCが所定の蓄積状態SOC
U以上であるとき、燃料電池システム16は、負荷12への
エネルギーの少なくとも一部を供給する。第３に、エネ
ルギー貯蔵装置14の蓄積状態SOCが所定の低充電状態SOC
L未満になるとき、燃料電池システム16は負荷12へのエ
ネルギーの全てを供給する。所定の低蓄積状態SOCLは、
約20%と約50%との間とすることが出来る。第４に、エネ
ルギー貯蔵装置の蓄積状態SOCが所定の高蓄積状態SOCU
と低蓄積状態SOCLとの間にあるとき、負荷12へのエネル
ギー要求PREQが燃料電池システム16の最適出力PFCOPT以
下である限り、燃料電池システム16が負荷12へのエネル
ギーの全てを供給し、一方、エネルギー要求PREQが燃料
電池システム16の最適出力PFCOPTを超えるときには、エ
ネルギー貯蔵装置14が追加で必要とされているエネルギ
ーを供給する。第５に、エネルギー貯蔵装置14の充電状
態SOCが所定の高充電状態を下回るときには、燃料電池
システム16はエネルギー貯蔵装置14の充電のために放電
する。
【００２１】ここで図１及び２には、負荷12へエネルギ
ーを供給する方法が示されている。この方法は、エネル
ギー貯蔵装置14及び燃料電池システム16を設ける工程
と、該貯蔵装置14及び燃料電池システム16を負荷12へエ
ネルギーを供給するように構成する工程と、を有し、さ
らに、エネルギー貯蔵装置14と燃料電池システム16を制
御する工程を含む。
ーを供給する方法が示されている。この方法は、エネル
ギー貯蔵装置14及び燃料電池システム16を設ける工程
と、該貯蔵装置14及び燃料電池システム16を負荷12へエ
ネルギーを供給するように構成する工程と、を有し、さ
らに、エネルギー貯蔵装置14と燃料電池システム16を制
御する工程を含む。
【００２２】ここで、図２を参照すると、エネルギー貯
蔵装置14及び燃料電池システム16は、複数のサブステッ
プを持つ所定のアルゴリズムに従って制御される。しか
しながら、図２に示されるアルゴリズムは、本発明の範
囲から逸脱することのない範囲で変更してもよい。すな
わち、同じ結果が得られるのであれば、例えば、エネル
ギー貯蔵装置14の充電状態に関する比較を行うときの状
態は変更することが出来るし、サブステップの順番もま
た、変更することが出来る。
蔵装置14及び燃料電池システム16は、複数のサブステッ
プを持つ所定のアルゴリズムに従って制御される。しか
しながら、図２に示されるアルゴリズムは、本発明の範
囲から逸脱することのない範囲で変更してもよい。すな
わち、同じ結果が得られるのであれば、例えば、エネル
ギー貯蔵装置14の充電状態に関する比較を行うときの状
態は変更することが出来るし、サブステップの順番もま
た、変更することが出来る。
【００２３】このアルゴリズムは、エネルギー貯蔵装置
14の蓄積状態SOCを所定の高充電状態SOCUと比較するサ
ブステップ34で開始し得る。該貯蔵装置14の充電状態SO
Cが所定の高充電状態SOCUよりも大きい限り、貯蔵装置1
4が負荷12へのエネルギーの全てを供給し続け、制御器3
0はサブステップ36, 38を実施し得る。第１に、燃料電
池システム16は、このシステム16が放電するのを防止す
るサブステップ36に従い、不作動にされ得る。図１を参
照すると、制御器30は、制御装置28を不作動にする制御
信号を発生し、それにより、燃料電池システム16を不作
動にし得る。再び図２を参照すると、制御器30は、エネ
ルギー貯蔵装置14を過充電（回生制動を介してのものを
含む）から保護するサブステップ38に従い、当該貯蔵装
置14の充電の許可を中断し得る。制御器30は、例えば、
ソフトウェア命令に従い生成される制御信号に応答して
貯蔵装置14へ充電電流を導く一つ又は複数の離散型の電
子要素の制御を通して、サブステップ38を実行し得る。
以上のことは当業者に理解されると思われる。
14の蓄積状態SOCを所定の高充電状態SOCUと比較するサ
ブステップ34で開始し得る。該貯蔵装置14の充電状態SO
Cが所定の高充電状態SOCUよりも大きい限り、貯蔵装置1
4が負荷12へのエネルギーの全てを供給し続け、制御器3
0はサブステップ36, 38を実施し得る。第１に、燃料電
池システム16は、このシステム16が放電するのを防止す
るサブステップ36に従い、不作動にされ得る。図１を参
照すると、制御器30は、制御装置28を不作動にする制御
信号を発生し、それにより、燃料電池システム16を不作
動にし得る。再び図２を参照すると、制御器30は、エネ
ルギー貯蔵装置14を過充電（回生制動を介してのものを
含む）から保護するサブステップ38に従い、当該貯蔵装
置14の充電の許可を中断し得る。制御器30は、例えば、
ソフトウェア命令に従い生成される制御信号に応答して
貯蔵装置14へ充電電流を導く一つ又は複数の離散型の電
子要素の制御を通して、サブステップ38を実行し得る。
以上のことは当業者に理解されると思われる。
【００２４】エネルギー貯蔵装置14の充電状態SOCが所
定の高充電状態SOCU以下であるとき、制御器30は、貯蔵
装置14の充電状態SOCを別の所定充電状態SOCM1と比較す
るサブステップ40を実行し得る。この充電状態は、所定
の高充電状態SOCUから所定の値X1を差引いたものとし
て、定義され得る。所定の充電状態SOCM1はエネルギー
貯蔵装置14の所定の低充電状態SOCLよりも大きい。エネ
ルギー貯蔵装置14の充電状態SOCが所定の充電状態SOCM1
よりも大きい限り、該貯蔵装置14は負荷12へのエネルギ
ーの全てを供給し続ける。
定の高充電状態SOCU以下であるとき、制御器30は、貯蔵
装置14の充電状態SOCを別の所定充電状態SOCM1と比較す
るサブステップ40を実行し得る。この充電状態は、所定
の高充電状態SOCUから所定の値X1を差引いたものとし
て、定義され得る。所定の充電状態SOCM1はエネルギー
貯蔵装置14の所定の低充電状態SOCLよりも大きい。エネ
ルギー貯蔵装置14の充電状態SOCが所定の充電状態SOCM1
よりも大きい限り、該貯蔵装置14は負荷12へのエネルギ
ーの全てを供給し続ける。
【００２５】エネルギー貯蔵装置14の充電状態SOCがSOC
M1以下のとき、制御器30がサブステップ42, 44, 46, 48
を実行し得る。第１に、制御器30は、サブステップ42に
従い、エネルギー貯蔵装置14への充電（回生制動を介し
てのものを含む）を可能とする。制御器30は、例えば、
ソフトウェア命令に従い生成される制御信号に応答して
貯蔵装置14へ充電電流を導く一つ又は複数の離散型の電
子要素の制御を通して、サブステップ42を実行し得る。
回生制動中にエネルギー貯蔵装置14への蓄積をそれぞれ
可能及び不能にする２つの別個の値SOCM1及びSOCUを使
用することが好ましい。そうすれば、エネルギー貯蔵装
置14の充電状態SOCにおける変化に応答して望ましくな
い振動的作動の発生することを防止できるからである。
M1以下のとき、制御器30がサブステップ42, 44, 46, 48
を実行し得る。第１に、制御器30は、サブステップ42に
従い、エネルギー貯蔵装置14への充電（回生制動を介し
てのものを含む）を可能とする。制御器30は、例えば、
ソフトウェア命令に従い生成される制御信号に応答して
貯蔵装置14へ充電電流を導く一つ又は複数の離散型の電
子要素の制御を通して、サブステップ42を実行し得る。
回生制動中にエネルギー貯蔵装置14への蓄積をそれぞれ
可能及び不能にする２つの別個の値SOCM1及びSOCUを使
用することが好ましい。そうすれば、エネルギー貯蔵装
置14の充電状態SOCにおける変化に応答して望ましくな
い振動的作動の発生することを防止できるからである。
【００２６】次に、燃料電池システム16は、サブステッ
プ44に従って作動されて、放電を始めるようにしてもよ
い。図１を参照すると、制御器30が、制御装置28を作動
するための制御信号を発生し、それにより燃料電池シス
テム16を作動させることが出来る。再び図２を参照する
と、制御器30は次にサブステップ46に従い、燃料電池シ
ステム16の出力電流IFCを、電流Ieff_maxへ設定する。I
eff_maxは、燃料電池システム16の最適効率の出力PFCOP
Tを発生する様に選択される。最終的に、制御器30は、
エネルギー貯蔵装置14の充電状態SOCを所定の充電状態S
OCM2と比較するサブステップ48を実行し得る。SOCM2
は、所定の低充電状態SOCLに所定値X2を足したものと定
義することが出来、所定の高充電状態SOCU未満である。
プ44に従って作動されて、放電を始めるようにしてもよ
い。図１を参照すると、制御器30が、制御装置28を作動
するための制御信号を発生し、それにより燃料電池シス
テム16を作動させることが出来る。再び図２を参照する
と、制御器30は次にサブステップ46に従い、燃料電池シ
ステム16の出力電流IFCを、電流Ieff_maxへ設定する。I
eff_maxは、燃料電池システム16の最適効率の出力PFCOP
Tを発生する様に選択される。最終的に、制御器30は、
エネルギー貯蔵装置14の充電状態SOCを所定の充電状態S
OCM2と比較するサブステップ48を実行し得る。SOCM2
は、所定の低充電状態SOCLに所定値X2を足したものと定
義することが出来、所定の高充電状態SOCU未満である。
【００２７】エネルギー貯蔵装置14の充電状態SOCがSOC
M2未満であるとき、制御器30は、貯蔵装置14の充電状態
SOCを所定の低充電状態SOCLと比較するサブステップ50
を実行することが出来る。エネルギー貯蔵装置14の充電
状態SOCが所定の低充電状態SOCL以上であるとき、制御
器30は、サブステップ48で設定された比較を繰返すこと
が出来る。しかしながら、貯蔵装置14の充電状態SOCが
所定の低充電状態SOCL未満であるとき、制御器30は、サ
ブステップ52, 54を実行し得る。最初に、制御器30は、
貯蔵装置14が更に電流を放出するのを防止するサブステ
ップ52に従い、貯蔵装置14を遮断することが出来る。制
御器30は次に、負荷12へエネルギーを供給すると共に貯
蔵装置14を充電するためのサブステップ54に従い、所定
の最大出力電流Ipwr_maxを放電する様に燃料電池システ
ム16に指示する。サブステップ52, 54の完了に伴い、制
御器30は、サブステップ48で設定された比較を繰返すこ
とが出来る。
M2未満であるとき、制御器30は、貯蔵装置14の充電状態
SOCを所定の低充電状態SOCLと比較するサブステップ50
を実行することが出来る。エネルギー貯蔵装置14の充電
状態SOCが所定の低充電状態SOCL以上であるとき、制御
器30は、サブステップ48で設定された比較を繰返すこと
が出来る。しかしながら、貯蔵装置14の充電状態SOCが
所定の低充電状態SOCL未満であるとき、制御器30は、サ
ブステップ52, 54を実行し得る。最初に、制御器30は、
貯蔵装置14が更に電流を放出するのを防止するサブステ
ップ52に従い、貯蔵装置14を遮断することが出来る。制
御器30は次に、負荷12へエネルギーを供給すると共に貯
蔵装置14を充電するためのサブステップ54に従い、所定
の最大出力電流Ipwr_maxを放電する様に燃料電池システ
ム16に指示する。サブステップ52, 54の完了に伴い、制
御器30は、サブステップ48で設定された比較を繰返すこ
とが出来る。
【００２８】サブステップ48に従い、エネルギー貯蔵装
置14の充電状態SOCの所定充電状態SOCM2未満であるとき
に、制御器30はサブステップ56, 58を実行し得る。第１
に、制御器30は、サブステップ56に従い貯蔵装置14から
電流の放出を可能とすることが出来る。そして、制御器
30はサブステップ58に従い、負荷12のエネルギー要求PR
EQを燃料電池システム16の所定の最適出力PFCOPTと比較
し得る。
置14の充電状態SOCの所定充電状態SOCM2未満であるとき
に、制御器30はサブステップ56, 58を実行し得る。第１
に、制御器30は、サブステップ56に従い貯蔵装置14から
電流の放出を可能とすることが出来る。そして、制御器
30はサブステップ58に従い、負荷12のエネルギー要求PR
EQを燃料電池システム16の所定の最適出力PFCOPTと比較
し得る。
【００２９】負荷12のエネルギー要求PREQが、燃料電池
システム16の所定の最適出力以下であるとき、このシス
テム16が負荷12へのエネルギーの全てを供給する。制御
器30はまた、燃料電池システム16から負荷12へ供給され
る電流が該負荷に必要とされる電流を超えたときに、こ
の超えた分の電流でエネルギー貯蔵装置14が充電される
ように、当該貯蔵装置14を制御することができる。ま
た、負荷12のエネルギー要求が燃料電池システム16の所
定の最適出力PFCOPTよりも大きいときには、制御器30は
サブステップ60に従いエネルギー貯蔵装置14から電流を
放電させ、それにより負荷12へのエネルギーを供給する
のに要する更なる電流を供給する様に、貯蔵装置14を制
御し得る。制御器30はそして、エネルギー貯蔵装置14の
蓄積状態SOCの所定蓄積状態SOCM1への比較を繰返すこと
が出来る。
システム16の所定の最適出力以下であるとき、このシス
テム16が負荷12へのエネルギーの全てを供給する。制御
器30はまた、燃料電池システム16から負荷12へ供給され
る電流が該負荷に必要とされる電流を超えたときに、こ
の超えた分の電流でエネルギー貯蔵装置14が充電される
ように、当該貯蔵装置14を制御することができる。ま
た、負荷12のエネルギー要求が燃料電池システム16の所
定の最適出力PFCOPTよりも大きいときには、制御器30は
サブステップ60に従いエネルギー貯蔵装置14から電流を
放電させ、それにより負荷12へのエネルギーを供給する
のに要する更なる電流を供給する様に、貯蔵装置14を制
御し得る。制御器30はそして、エネルギー貯蔵装置14の
蓄積状態SOCの所定蓄積状態SOCM1への比較を繰返すこと
が出来る。
【００３０】
【発明の効果】本発明は、従来のハイブリッド・エネル
ギー・システムと比較して、大きな進歩を示すものであ
る。具体的には、本発明のエネルギー・システムは、大
きな燃料電池を必要とすることがなく、それ故に従来の
エネルギー・システムよりも安価である。本発明のエネ
ルギー・システムは、貯蔵装置のエネルギー蓄積状態が
所定レベルを超えている限り、負荷へエネルギーを供給
するためにバッテリー・パックの様なエネルギー貯蔵装
置を用いる。燃料電池は、貯蔵装置のエネルギー蓄積状
態が所定レベルを下回るときにのみ、負荷へエネルギー
を供給する。燃料電池とエネルギー貯蔵装置は、該貯蔵
装置と燃料電池のエネルギー発生能力を最適化する様
に、本発明の一つの観点に従い、制御される。本発明の
エネルギー・システムはまた、通常のエネルギー・シス
テムとは異なり、負荷によるエネルギー要求の変化に比
較的迅速に応答することが出来る。
ギー・システムと比較して、大きな進歩を示すものであ
る。具体的には、本発明のエネルギー・システムは、大
きな燃料電池を必要とすることがなく、それ故に従来の
エネルギー・システムよりも安価である。本発明のエネ
ルギー・システムは、貯蔵装置のエネルギー蓄積状態が
所定レベルを超えている限り、負荷へエネルギーを供給
するためにバッテリー・パックの様なエネルギー貯蔵装
置を用いる。燃料電池は、貯蔵装置のエネルギー蓄積状
態が所定レベルを下回るときにのみ、負荷へエネルギー
を供給する。燃料電池とエネルギー貯蔵装置は、該貯蔵
装置と燃料電池のエネルギー発生能力を最適化する様
に、本発明の一つの観点に従い、制御される。本発明の
エネルギー・システムはまた、通常のエネルギー・シス
テムとは異なり、負荷によるエネルギー要求の変化に比
較的迅速に応答することが出来る。
【図１】本発明によるハイブリッド・エネルギー・シス
テムの概略構成を示すブロック図である。
テムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明により、負荷へエネルギーを供給する方
法を示すフローチャートである。
法を示すフローチャートである。
10 ハイブリッド・エネルギー・システム
12 負荷
14 エネルギー貯蔵装置
16 燃料電池システム
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０２Ｊ 7/34 Ｈ０２Ｊ 7/34 Ｂ
(72)発明者 ブルース エム．コフ
アメリカ合衆国 ミシガン州 48236，グ
ロス ポイント ショアーズ レイク シ
ョア ロード 825
(72)発明者 ジン ソング
アメリカ合衆国 ミシガン州 48374，ノ
ヴィ コーディ レイン 25724
(72)発明者 イ ディン
アメリカ合衆国 ミシガン州 48187，カ
ントン クィーン アン ドライヴ 208
Ｆターム(参考） 5G003 AA05 BA01 DA06 DA18 FA06
FA08 GB03 GC05
5H027 AA03 AA04 AA05 AA06 DD03
KK52 KK54 KK56
5H030 AA04 AA10 AS08 BB08 FF41
5H115 PC06 PG04 PI16 PI18 PI29
PO06 PO10 PO17 PU01 PV02
QN03 SE06 TI01 TI05 TI06
TO12 TO13 TU16 TU17
Claims (13)
- 【請求項１】 エネルギー貯蔵装置及び燃料電池システ
ムを有し、エネルギーを負荷に供給するためのハイブリ
ッド・エネルギー・システムであって、 上記エネルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄積状態
が所定の第１蓄積状態よりも大きいときに、該エネルギ
ー貯蔵装置がエネルギーの全てを供給し、上記エネルギ
ー貯蔵装置のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状態以
下であるときには、上記燃料電池システムが少なくとも
一部のエネルギーを供給する、ように構成したことを特
徴とするハイブリッド・エネルギー・システム。 - 【請求項２】 上記負荷が電気自動車を含むことを特徴
とする、請求項１のハイブリッド・エネルギー・システ
ム。 - 【請求項３】 上記第１蓄積状態が約70パーセントと約
90パーセントとの間であることを特徴とする請求項１又
は２のいずれかに記載のハイブリッド・エネルギー・シ
ステム。 - 【請求項４】 上記エネルギー貯蔵装置におけるエネル
ギーの蓄積状態が所定の第２蓄積状態未満であるとき
に、上記燃料電池システムが上記負荷にエネルギーの全
てを供給する、ように構成したことを特徴とする請求項
１乃至３のいずれか１つに記載のハイブリッド・エネル
ギー・システム。 - 【請求項５】 上記第２蓄積状態が約20パーセントと約
50パーセントとの間であることを特徴とする請求項４に
記載のハイブリッド・エネルギー・システム。 - 【請求項６】 上記エネルギー貯蔵装置の蓄積状態が上
記第１蓄積状態以下であり、且つ上記負荷のエネルギー
要求が上記燃料電池システムの最適出力以下であるとき
に、上記負荷への供給エネルギーの全てを上記燃料電池
システムにより供給する、ように構成したことを特徴と
する請求項１乃至５のいずれか１つに記載のハイブリッ
ド・エネルギー・システム。 - 【請求項７】 上記エネルギー貯蔵装置のエネルギー状
態が上記第１蓄積状態以下であり、上記負荷のエネルギ
ー要求が上記燃料電池システムの最適出力よりも大きい
とき、上記エネルギー貯蔵装置及び上記燃料電池システ
ムの両方により上記負荷へエネルギーを供給する、よう
に構成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか
１つに記載のハイブリッド・エネルギー・システム。 - 【請求項８】 上記貯蔵装置の蓄積状態が上記第１蓄積
状態以下であるとき、上記燃料電池システムが上記エネ
ルギー貯蔵装置を充電する、ように構成したことを特徴
とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のハイブリ
ッド・エネルギー・システム。 - 【請求項９】 負荷にエネルギーを供給する方法であっ
て、 エネルギー貯蔵装置及び燃料電池システムを設け、 上記エネルギー貯蔵装置及び燃料電池を制御して、該エ
ネルギー貯蔵装置におけるエネルギーの蓄積状態が所定
の第１蓄積状態よりも大きいときに、当該エネルギー貯
蔵装置からエネルギーの全てを供給する一方、上記エネ
ルギー貯蔵装置のエネルギー蓄積状態が上記第１蓄積状
態以下であるときには、上記燃料電池システムから少な
くとも一部のエネルギーを供給する、ことを特徴とする
エネルギー供給方法。 - 【請求項１０】 上記負荷が電気自動車を含むことを特
徴とする、請求項９のエネルギー供給方法。 - 【請求項１１】 上記第１所定蓄積状態が約70パーセン
トと約90パーセントとの間にあることを特徴とする請求
項９又は１０のいずれかに記載のエネルギー供給方法。 - 【請求項１２】 上記エネルギー貯蔵装置のエネルギー
蓄積状態が所定の第２蓄積状態未満であるとき、上記燃
料電池システムが上記負荷への供給エネルギーである電
力の全てを供給する、ことを特徴とする請求項９乃至１
１のいずれか１つに記載のエネルギー供給方法。 - 【請求項１３】 上記第２蓄積状態が約20パーセントと
約50パーセントとの間にあることを特徴とする請求項１
２に記載のエネルギー供給方法。
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