JP2005322454A - 充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 長時間充電可能状態を確保することが可能な充電システムを提供する。
【解決手段】 回生制動によって生じた回生電力を蓄電装置（４１）に充電する充電システムにおいて、蓄電装置（４１）の充電状態を検出する充電状態検出手段（４２）、蓄電装置（４１）の充電状態が、完全充電状態となるまでに余裕のある所定のしきい値に達した場合に、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力を、蓄電装置（４１）に充電された電力及び／または回生電力から消費する負荷手段（４５）を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車の制動時等に生じる回生電力を蓄電装置に充電する充電システムの改良に関する。

従来、燃料電池を用いた電気自動車の制動時に生じた回生電力を蓄電手段に充電させながら制動力を発生させるシステムが開発されていた。例えば、特開２００２―２０４５０５号公報には、バッテリセンサがバッテリのフル充電状態を検出したとき、制御装置が、車両駆動用モータが発生する回生電力、燃料電池のアイドル発電電力及び暖機発電電力等の余剰電力を燃料電池の補機であるコンプレッサ、純水供給ポンプ、冷却水供給ポンプの各運転効率を低下させて運転することで吸収させる技術が開示されている（特許文献１）。

その他、車両の減速時に発生する回生電力を蓄電可能に構成された技術が、特開２００３―１８０００６号公報（特許文献２）、特開２００３―２６０６９６号公報（特許文献３）、特開２００２―２０３５８３号公報（特許文献４）に開示されている。
特開２００２―２０４５０５号公報 特開２００３―１８０００６号公報 特開２００３―２６０６９６号公報 特開２００２―２０３５８３号公報

しかし、上記従来の技術では、フル充電状態を検出後に回生電力の消費が行われるため、例えば長い下り坂を車両が走行中など、消費される電力よりも回生電力の方が上回って、過剰にバッテリに充電されることになり、回生制動力を十分に駆動モータに生じさせることができなかった。

そこで本発明は、長時間充電可能状態を確保することが可能な充電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、回生電力を蓄電装置に充電する充電システムにおいて、蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、蓄電装置の充電状態が、完全充電状態となるまでに所定の充電余裕を残すしきい値を超えている場合に、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力を、蓄電装置に充電された電力及び／または回生電力から消費する負荷手段と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、充電状態検出手段が完全充電状態まで余裕のあるしきい値に達したり、それを超えたことを検出した段階で、負荷手段は、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力の消費を開始する。このとき、蓄電装置に充電された電力、回生電力、または蓄電装置に充電された電力及び回生電力の双方から消費される。すなわちしきい値以上の充電状態であれば、回生制動中であっても回生制動停止中であっても蓄電装置からの放電が続行される。完全に充電されてしまう前段階で蓄電装置からの放電が促されるので、放電後に再び回生電力が発生し充電が再開された場合に蓄電装置が完全充電状態になるまでの電力余裕（充電可能電力容量）が大きくなる。蓄電装置に充電されている間、回生電力の発生源には回生制動力が生じることになるため、蓄電装置に充電余裕を持たせることができる本発明によって、回生制動力を発生させることのできる期間を従来より長くすることができる。

ここで「蓄電装置」とは、充電可能なバッテリ、二次電池の他に、キャパシタなどの充電手段も含む。

また「充電状態検出手段」は、蓄電装置に充電できる容量が残されているか否かを検出可能なものをいい、単なる電圧センサ等によって蓄電装置の大凡の充電状態を検出する構成のほかに、蓄電装置の電圧、温度、電流等を検出して総合的に充電状態を把握可能なバッテリーコンピュータも含む。

「充電余裕」があるとは、回生電力が供給され続けても一定時間はフル充電状態とならないような状態をいい、この場合のしきい値はフル充電状態（１００％）より低い。

また「負荷手段」としては、種々のものが考えられるが、例えば、音響装置、制御装置やランプなどユーザが任意にオンオフ可能なものの他、動力源の補機類や冷却系のポンプやファンを含んでいたり抵抗回路を含んでいたりしてもよい。ここにいう負荷手段は、単なる電力消費を行う負荷部そのものの他に、充電状態に応じて運転の有無や運転強度を制御可能な制御手段を含んだ構成をいう。

特に、蓄電装置に電力を供給可能に構成された燃料電池である場合、負荷手段は、燃料電池の発電状態から独立して電力消費可能に設けられているものであることが好ましい。

一般に負荷手段としては、例えば燃料電池に燃料ガスや酸化ガスを供給する補機類の構成も考えられるが、これらの補機類はそれらの運転状態が燃料電池の発電量に影響を与える。この点、本発明の構成によれば、負荷手段は、燃料電池の発電状態に影響を与えない独立したものであるため、燃料電池の発電量を増やして充電余裕を少なくしてしまうようなことなく安定的に充電余裕を確保可能である。このような負荷手段としては、燃料電池の動作に影響を与えない音響装置や制御装置、ランプなどが挙げられる。

また本発明は、発電装置によって生じた生成電力を蓄電装置に充電する充電システムにおいて、蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、蓄電装置の充電状態が、完全充電状態となるまでに所定の充電余裕を残すしきい値に達した場合に、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力を、蓄電装置に充電された電力及び／または生成電力から消費する負荷手段と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、充電状態検出手段が完全充電状態まで余裕のあるしきい値に達したり、それを超えたことを検出した段階で、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力の消費を開始する。このとき、負荷手段は蓄電装置に充電された電力、余剰電力、または蓄電装置に充電された電力及び余剰電力の双方からの電力の消費を開始する。完全に充電される前段階で蓄電装置からの放電が促されるので、放電後に再び余剰電力が発生し充電が再開された場合に蓄電装置が完全充電状態になるまでの電力余裕（充電可能電力容量）が大きくなる。したがって、蓄電装置に充電余裕を持たせることができる期間を従来より長くすることができる。

ここで「発電装置」は、発電可能な構成を持つ装置であって、例えば燃料電池である他、発電可能な燃料油を用いた内燃機関、液化ガス燃料を用いた内燃機関、その他発電装置等を含む。

ここで負荷手段は、発電装置の運転状態から独立して電力消費可能に設けられていることは好ましい。負荷手段としては、例えば発電装置の運転状態に影響を与える装置類である場合も考えられるが、これらの装置類はそれらの運転状態が発電装置の発電量に影響を与える。この点、本発明の構成によれば、負荷手段は、発電装置の発電状態に影響を与えない独立したものであるため、発電装置の発電量を増やして充電余裕を少なくしてしまうようなことなく安定的に充電余裕を確保可能である。

以上本発明によれば、蓄電装置の完全充電状態まで余裕のあるうちに負荷手段による放電が実施されるので、従来より長時間充電可能状態を確保することが可能である。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、燃料電池を動力手段とする電気自動車に本発明の充電システムを適用したものである。なお、以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。この燃料電池システムは、大きく動力手段である燃料電池スタック１を中心として、燃料ガス系２、酸化ガス系３、並びに本発明に係る電力供給系４及び制御系５を備えている。

燃料電池スタック１は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極（陽極）及びカソード極（陰極）の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、アノード極側には水素ガスが水素ガス供給路から供給され、カソード極側には酸化ガス（空気）が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流す。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料電池スタック１には単セルが直列接続されることによって、そのアノード極Ａとカソード極Ｃとの間に所定の高圧電圧（例えば約５００Ｖ）が発生する。

この燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス系２としては、図示しないが、水素タンク等の水素供給源、各種遮断弁、調整弁、循環用ポンプ、水素オフガス排出手段等を備える。燃料電池スタック１に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス系３としては、図示しないが、エアクリーナ、コンプレッサ、加湿器等を備える。その他、図示しない冷却液循環系を備えている。

次に電力供給系４を説明する。電力供給系４としては、高圧コンバータ４０、バッテリ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、コンバータ４４、低圧系補機４５を備えている。燃料電池スタック１の発電状態に影響を与える高圧系補機については図示していない。この中で、バッテリ４１が本発明の蓄電装置に相当し、低圧系補機４５が本発明の負荷手段に相当している。

高圧コンバータ４０は電圧の異なる燃料電池スタック１とバッテリ４１との間で電圧変換を行う。つまり高圧コンバータ４０は、燃料電池スタック１の出力電圧を降圧して負荷手段やバッテリ４１に供給可能とする。

本発明の蓄電装置に相当するバッテリ４１は、ニッケル水素等のバッテリモジュールを多数積層して構成されており、所定の電圧（例えば２００Ｖ）で電力供給したり、余剰電力を充電したりが可能になっている。つまり、バッテリ４１は、システムで要求される電力が燃料電池スタック１から出力可能な電力を超える場合に、その電力不足分を補う。また、当該電気自動車が減速してトラクションモータ４３により回生電力が供給された場合や、燃料電池スタック１の発電量がシステムの要求電力を上回って余剰電力が発生した場合に、これら回生電力や余剰電力を充電する。

トラクションインバータ４２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を備え、加速時には、燃料電池スタック１またはバッテリ４１から供給された直流電流を任意の振幅の三相交流電流に変換し、主機であるトラクションモータ４３に供給する。また、減速時には、トラクションモータ４３から供給された三相交流の回生電力に対応する直流電流に変換して、バッテリ４１に供給する。

トラクションモータ４３は、交流同期電動機であり、加速時にはトラクションインバータ４２から三相交流として供給された電気エネルギーを図示しない車輪軸の回転という運動エネルギーに変換し、電気自動車を移動させる。また、減速時には電気自動車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を発生させ、車輪軸に回生制動力を及ぼす。

コンバータ４４は、数百ボルトのバッテリ４１の出力電圧を十数ボルトの出力電圧に降圧するようになっている。このコンバータ４４は、制御部５０の制御信号Ｃｃにより動作許可／停止状態が選択可能である。ここでこのコンバータ４４は、後述する制御部５０の制御によって、バッテリ４１の充電量がしきい値を超えると、それ以前よりも大きな電圧を低圧系補機４５に供給するよう電圧を変化させる。

低圧系補機４５はコンバータ４４の低圧系供給電圧によって駆動される、当該電気自動車の補機であり、特に、燃料電池スタック１の動作状態（発電状態）とは無関係に、独立して動作する装置類である点に特徴がある。例えばこのような補機は、カーオーディオ等の音響装置やナビゲーションシステム等の制御装置、ランプ類などユーザのオン／オフ制御によって動作するものとする。従って、たとえ低圧系補機４５の駆動電圧である低圧系供給電圧が変更されたとしても、電気自動車の走行状態に直接的な影響を与えることはない。低圧系補機４５の動作状態は、制御部５０の制御信号Ｃｓによって制御可能になっている。

次に制御系５を説明する。制御系５は、制御部５０に検出信号類を供給するバッテリーコンピュータ（ＳＯＣ）５１、車輪速センサ５２、シフト位置センサ５３、アクセル位置センサ５４、及びブレーキ位置センサ５５を備えて構成されている。

制御部５はＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）やメモリ、インターフェース回路を備え、ＣＰＵがＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを逐一実行することにより、本燃料電池システムを本発明の充電システムとして機能させることが可能になっている。すなわち、後に説明する手順（図２）によって、制御部５は、バッテリ４１の充電状態が、完全充電状態となるまでに所定の充電余裕を残すしきい値に達した場合に、バッテリ４１に充電された電力やトラクションモータ４３からの回生電力を低圧系補機４５に消費させるように動作する。

バッテリーコンピュータ５１は、本発明の充電状態検出手段に係り、バッテリ４１の充電状態（ＳＯＣ）を適正な範囲に維持するよう制御する。バッテリは、加速時などの高負荷時には電力不足分を供給するために放電し、減速時には回生制動によって発生した回生電力が充電され、これら放電と充電とが繰り返される。バッテリーコンピュータ５１は、バッテリ４１を構成する各セルの電圧、温度、電流、雰囲気温度などを検出し、バッテリ４１の充放電量を積算等して、充電状態を示す相対値であるＳＯＣ値を充電状態の検出信号ＳSOCとして、制御部５０に出力する。

車輪速センサ５２は、車輪軸の回転速度を検出信号Ｓｒとして出力し、シフト位置センサ５３は、シフトレバーの位置を検出して駆動段を示す検出信号Ｓｓとして出力する。アクセル位置センサ５４は、アクセルの操作状態を検出して検出信号Ｓａとして出力し、ブレーキ位置センサ５５は、ブレーキの操作状態を検出して検出信号Ｓｂとして出力する。

次に本実施形態における充電動作を説明する。
図３にバッテリの充電状態と通常運転時におけるバッテリーコンピュータ５１によって充電状態がどのように制御されるのかを示す。バッテリ４１のような二次電池は、システムにおける負荷状態の変動に応じて充電と放電とが繰り返される。過充電になったり過放電になったりすると、バッテリの寿命が短縮され信頼性が低くなるため、過充電や過放電に至らないように調整される。具体的には、バッテリーコンピュータ５１は、バッテリ４１の充電状態が０の完全放電状態から１００％の完全充電状態となるまでの間のどの状態にあるかを、ＳＯＣ値として制御部５に出力するようになっている。図３に示すように、制御部５０はバッテリ４１の充電状態が過充電領域や過放電領域に入らないように、充電状態の上限値Ｃmaxと下限値Ｃminにより画定される制御領域を予め設定してある。そして、通常の走行状態では、バッテリーコンピュータ５１からのＳＯＣ値を参照しながら、この制御領域内に充電状態が維持されるよう、システムを制御する。

ところが、当該電気自動車が長い下り坂を走行する場合など、回生電力が長期間供給され、図３に示すようなバッテリの充電状態の上限値Ｃmaxを超えて充電が続行されてしまう場合が発生する。下り坂の走行では、回生制動力を車輪軸に作用させることが、安全運転上、より好ましい。しかし、回生制動力は、トラクションモータ４３で発生する回生電力が消費されることで作用するものであるため、バッテリ４１がフル充電状態（１００％）に達してしまい充電できなくなったとすれば、それ以降、回生制動力が発生しなくなる。これに対応するため、従来技術では、バッテリがフル充電状態になると補機を動作させたり、回生制動中にのみ補機を動作させたりしていたが、このような条件で補機を動作させるだけでは、回生電力処理が十分でなく、短時間でバッテリがフル充電状態になっていた。

そこで本実施形態では、所定のしきい値に達した場合には、回生制動中であっても回生制動停止中であっても、ともかく補機による電力消費を促し、バッテリの充電余裕を多くすることによって、フル充電状態になるまでの時間をなるべく長くなるように制御する。

図２のフローチャートを参照しながら、この充電処理について説明する。このフローチャートに基づく処理は、電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行される。

図４に示すように、制御部５０には、予め当該充電処理を実行するための充電状態（ＳＯＣ）値のしきい値Ｃｔｈが設定されている。このしきい値は、回生電力が供給され続けても一定時間はバッテリ４１がフル充電状態とならないような、充分な充電余裕を見込んで設定される。このしきい値Ｃｔｈは図３における通常の制御領域におけるＳＯＣ値の上限値Ｃmaxそのものであってもよいし、それ以外の値であってもよい。しきい値Ｃｔｈを低く設定すればするほど、補機による放電が促される時間が長くなるため、回生電力を充電できる期間が長くなる。一方、しきい値Ｃｔｈを低くしすぎると、上り坂などの過負荷状態が長く続いた場合に燃料電池スタック１の電力不足分を補うバッテリ４１の充電容量が少なくなってしまう。しきい値Ｃｔｈはこれらの事項を比較考量して定められる。

前提として、低圧系補機４５は、ユーザのオン／オフ制御に対応して出力される制御信号Ｃｓに基づき随時作動しているものとする。

まず、制御部５０は、バッテリーコンピュータ５１から定期的に送られてくるＳＯＣ値を参照する（Ｓ１）。そしてＳＯＣ値が予め定めたしきい値Ｃｔｈより少なければ（Ｓ２：ＮＯ）、通常制御を実行する（Ｓ４）。

一方、ＳＯＣ値がしきい値Ｃｔｈ以上に達していれば（Ｓ２：ＹＥＳ）、バッテリ４１の充電余裕が減少していることを示している。このため、制御部５０は制御信号Ｃｃをコンバータ４４に供給して、バッテリ４１の出力電圧を降圧して低圧系補機４５に供給していた低圧系供給電圧を、それ以前から若干増加させるように制御する（Ｓ３）。低圧系供給電圧が上昇すれば、その上昇の度合いに対応して低圧系補機４５における消費電力も増える。このため、低圧系補機４５に対する低圧系供給電圧を上昇させることで、バッテリ４１または回生電力の消費量を増大させることができる。

なお低圧系供給電圧を上昇させて低圧系補機４５の消費電力を上昇させる他に、駆動電圧は一定にしながら、低圧系補機の効率を下げて結果として消費電力を増加させるように構成してもよい。

この低圧系補機４５によるバッテリ４１の充電電力及び回生電力の消費（Ｓ３）は、バッテリ４１のＳＯＣ値がしきい値Ｃｔｈを下回るまで（Ｓ２：ＮＯ）続けられる。

図４に、長い下り坂を電気自動車が走行する場合のバッテリ４１の充電状態の変化を示す。本実施形態の上記処理によれば、当該電気自動車に回生制動力を作用させる期間を従来より大幅に長くすることが可能である。

すなわち、通常の長い下り坂ではカーブが連続することが多い。カーブ部分、つまり曲率の強い部分では一時的に緩傾斜となることが多い。そのため、長い下り坂を微視的に見れば、図４に示すように、急勾配部分と緩傾斜（平坦）部分とが断続的に表われていることになる。

従来の技術では、バッテリがフル充電状態（１００％）の場合や回生制動中、つまり急勾配走行中にのみ、充電電力や回生電力の消費が行われていたが、これでは、下り坂が続くような場合に短時間にフル充電状態に達してしまっていた（図４、時刻ｔ１）。

この点、本実施形態によれば、バッテリ４１の充電状態を示すＳＯＣ値がしきい値Ｃｔｈ以上であれば、回生制動中であるか否かによらず、常にバッテリ４１の充電電力が低圧系補機４５で消費される。特にカーブにさしかかった場合や一時的に勾配が緩くなった場合で回生制動が停止され、回生電力が供給されなくなった場合でも、継続的にバッテリ４１の充電電力が消費される。このため、下り坂走行中は、ＳＯＣ値がしきい値Ｃｔｈを下回らない限り連続してバッテリ４１からの放電が持続し、最終的にフル充電状態に達するとしてもその時間は従来より大分遅いものとなる（図４、時刻ｔ２）。すなわち、図４に示すように、従来の技術を利用した場合より、期間Ｔだけフル充電になる時間を遅らせることができる。もちろん、この期間Ｔの間に下り坂が終了すれば、フル充電状態に達することを防止できる。

また本実施形態によれば、しきい値Ｃｔｈ以上の場合に低圧系補機４５で消費される電力が、コンバータ４４の低圧系供給電圧を上昇させることによって増加するので、短時間でバッテリ４１の充電電力を消費させ、フル充電に達することを防止できる。

また上記実施形態によれば、低圧系補機４５のみで電力が消費され、燃料電池スタック１の運転状態（発電状態）に影響を与える燃料ガス系２や酸化ガス系３の補機を動作させないので、燃料電池システムの運転状態を変動させることがなく安定的な動作が可能である。

なお本発明は上記実施形態に限定される種々に変更して実行することが可能である。

例えば、上記実施形態では、低圧系補機のみを利用して充電電力や回生電力を消費していたが、従来技術にあるように、燃料電池スタック１の動作に影響する燃料ガス系２や酸化ガス系３の高圧系補機を動作させてもよい。燃料電池スタック１の動作状態を安定的に制御しさえすれば、高圧系補機に大きな電力を消費させることができる。

また、上記実施形態は燃料電池システムに本発明を適用していたが、燃料電池以外のハイブリッドシステムに本発明を適用してもよい。すなわち、二次電池に併設させる発電装置が、燃料電池以外の構造を備えた発電手段であったり、石化燃料を利用する内燃機関であったり液化ガス燃料を利用する内燃機関であったりしてもよい。二次電池の充電状態が所定のしきい値以上であれば回生制動中か否かに拘わらず低圧系補機で電力消費するように処理すれば、上記実施形態と同様の本発明の作用効果を奏することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図。 本実施形態に係る燃料電池システムの充電方法を説明するフローチャート。 バッテリーコンピュータ（ＳＯＣ）の通常制御範囲を説明する図。 車両の運転状態とバッテリー充電状態の変化とを説明する比較図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…燃料ガス系、３…酸化ガス系、４…電力供給系、５…制御系、４０…高圧コンバータ、４１…バッテリ（二次電池）、４２…トラクションインバータ、４３…トランクションモータ、４４…コンバータ、４５…低圧系補機、４２…バッテリーコンピュータ、５０…制御部、５１…バッテリーコンピュータ、５２…車輪速センサ、５３…シフト位置センサ、５４…アクセル位置センサ、５５…ブレーキ位置センサ

Claims (4)

1. 回生電力を蓄電装置に充電する充電システムにおいて、
   前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
   前記蓄電装置の充電状態が、完全充電状態となるまでに所定の充電余裕を残すしきい値を超えている場合に、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力を、前記蓄電装置に充電された電力及び／または前記回生電力から消費する負荷手段と、を備えたことを特徴とする充電システム。
2. 前記蓄電装置に電力を供給可能に構成された燃料電池をさらに備え、
   前記負荷手段は、前記燃料電池の発電状態から独立して電力消費可能に設けられている、請求項１に記載の充電システム。
3. 発電装置によって生じた生成電力を蓄電装置に充電する充電システムにおいて、
   前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
   前記蓄電装置の充電状態が、完全充電状態となるまでに所定の充電余裕を残すしきい値を超えている場合に、システムで要求される総消費電力を超える余剰電力を、前記蓄電装置に充電された電力及び／または前記生成電力から消費する負荷手段と、を備えたことを特徴とする充電システム。
4. 前記負荷手段は、前記発電装置の運転状態から独立して電力消費可能に設けられている、請求項３に記載の充電システム。
   
   

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