JP2006109643A - 電力システム及びこれを備えた電動車両並びに電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価な構成でありながら負荷を効率的に駆動することができる電力システム及びこれを備えた電動車両並びに電力制御方法を提供する。
【解決手段】 複数の電力機器２１〜２４と、複数の電力機器２１〜２４の電力指令値及び消費電力を演算するとともに、各電力機器の電力余裕値を管理しながら、電力機器２１〜２４への電力指令値を動的に制御する制御部２６とを有する。制御部２６は、負荷となる電力機器に係る新たな電力要求を受けると、その時に得られる各電力機器の電力余裕値から得られる電力システム全体の電力余裕値が要求された電力値以上である場合に、前記負荷となる電力機器に対して前記要求された電力の電力指令値を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は電力システムに関し、特に少なくとも燃料電池又は２次電池を備えた電力システムに関する。また、本発明はこのような電力システムを備えた電動車両に関する。

従来から、燃料電池と２次電池とを動力源とする電動車両が提案されている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池と２次電池とを含む電力システムでは、走行用のモータや補機の負荷が過渡的に変動した時に、燃料電池の応答遅れによって生じる発電量の不足を２次電池で補うことが行われている。２次電池にはキャパシタを含む高圧コンバータが接続されており、このキャパシタに蓄えられた電力を使って、不足する電力を補う。
特開２００３−８７９０７

しかしながら、上記構成は大きな容量の高価なキャパシタを必要とするという課題がある。この課題を図１を参照して説明する。図１は時間と電力（ｋＷ）との関係を示すグラフである。時刻０で、ある補機からの電力要求があり、高圧コンバータに駆動指令が与えられ、同時に補機の駆動指令が与えられたと仮定する。高圧コンバータの電力は曲線１０のように立ち上がるのに対し、補機での電力消費は曲線１１で示すように立ち上がる。つまり、補機は高圧コンバータが出力する電力の全てを消費するのではなく、一部を消費する。従って、余剰電力が発生する。例えば、動作開始後時刻１０の時点での余剰電力は８ｋＷ程度となる。高圧コンバータはこの余剰電力の最大値を吸収するのに十分な容量でなければならない。また、高圧コンバータの駆動指令を補機の電力消費に同期させることもできる。補機の電力消費は、補機に取り付けられた電流センサの出力値から得ることができる。電流センサの出力値を演算処理する時間が必要なため、曲線１２で示すように、高圧コンバータの駆動指令は遅れて立ち上がる。従って、曲線１３で示すように、高圧コンバータは遅れて電力を出力するので、電力の不足が生じる。高圧コンバータのキャパシタは、この最大電力不足を補うに十分な容量でなければならない。特許文献１には、定常的な電力ずれを防ぐために、補機に電力が供給できる状態となるまで補機の作動を待機状態に維持することが提案されている。これによれば、高圧コンバータのキャパシタをある程度の容量に抑制することができるものの、補機を効率的に駆動することができないという課題がある。

従って、本発明は上記従来技術の課題を解決し、安価な構成でありながら負荷を効率的に駆動することができる電力システム及びこれを備えた電動車両並びに電力制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の電力機器と、当該複数の電力機器の電力指令値及び消費電力を演算するとともに、各電力機器の電力余裕値を管理しながら、前記電力機器への電力指令値を動的に制御する制御部とを有することを特徴とする電力システムである。各電力機器の電力余裕値を管理しながら、前記電力機器への電力指令値を動的に制御する構成としたため、電力不足及び過剰に対する過剰のマージンを電力システム内に設ける必要がなく、安価な構成でありながら負荷を効率的に駆動することができる。

前記制御部は、負荷となる電力機器に係る新たな電力要求を受けると、その時に得られる各電力機器の電力余裕値から得られる電力システム全体の電力余裕値が要求された電力値以上である場合に、前記負荷となる電力機器に対して前記要求された電力の電力指令値を出力する構成とすることができる。

また、前記制御部は、各電力機器値の余剰電力値のうち最も大きい余剰電力値が発生しても、前記電力システム全体で前記最も大きい余剰電力値を回生することができるように、前記電力機器への電力指令値を動的に制御する構成としてもよい。

さらに、前記制御部は、電力システムの電力余裕値が常に所定値以上になるように、前記電力機器への電力指令値を動的に制御する構成とすることもできる。

前記複数の電力機器は例えば、燃料電池と、２次電池と、該２次電池に接続されるコンバータと、前記燃料電池及びコンバータに接続されモータに電力を出力するインバータと、補機とを含む。

本発明は、モータと、該モータに電力を供給する電力システムとを含み、該電力システムは上記の通り構成されている電力システムを提供する。

また、本発明は、複数の電力機器の電力指令値及び消費電力を演算するステップと、各電力機器の電力余裕値を管理しながら、前記電力機器への電力指令値を動的に制御するステップとを有する電力制御方法を提供する。

安価な構成でありながら負荷を効率的に駆動することができる電力システム及びこれを備えた電動車両並びに電力制御方法を提供することができる

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施例による電力システム及びこれを備えた電動車両の構成を示すブロック図である。電力システムは、燃料電池２１、高圧コンバータ２２、インバータ２３、補機２４、及び２次電池２５を含む複数の電力機器、並びに制御部２６を有する。電動車両は、この電力システムを備え、この電力システムで駆動されるモータ２７を有する。モータ２７には、図示を省略する車輪が取り付けられている。燃料電池２１は例えば固体高分子電解質型燃料電池であって、水素と酸素の供給を受けて起電力を発生する。燃料電池２１は他のタイプの燃料電池であってもよい。図示を省略するが、改質器を備えていてもよい。燃料電池２１の排出ガスと炭化水素系燃料の供給を受けて、水蒸気改質や部分酸化改質などにより水素を生成して燃料電池２１に供給する。高圧コンバータ２２は内部にキャパシタ（例えば、電気二重槽キャパシタ）２２ｃを備え、２次電池２５が生成する高電圧を所望の低電圧に変換する。内部のキャパシタ２２ｃは、負荷の過渡的な変動に対応するために設けられている。後述するように、キャパシタ２２ｃの容量は従来の容量よりも小さい。補機２４は電力を消費する負荷である。図２では１つのブロックで補機２４を示しているが、補機２４は１つであってもよいし複数あってもよい。実際の電動車両は、燃料電池２１に酸素を供給するコンプレッサや、燃料電池２１の冷却水を循環させるためのウォータポンプなど、複数の補機を備える。インバータ２３は、燃料電池２１は高圧コンバータ２２から直流電流を交流電流に変換してモータ２７に供給する機能を持つ。燃料電池２１、高圧コンバータ２２、インバータ２３及び補機２４にはそれぞれ電流センサ２８が設けられており、それぞれで消費される電流を検出する。検出された電流値は制御部２６に出力される。

制御部２６は例えばマイクロコンピュータで構成されており、電力システム及び電動車両全体を制御する。具体的には、制御部２６は、電力機器２１〜２４の電力指令値及び消費電力を演算するとともに、各電力機器２１〜２４の電力余裕値を管理しながら、電力機器への電力指令値を動的に制御する。

図３は、制御部２６が行う電力分配制御を示すフローチャートである。制御部２６は、ステップＳ１１で現在の補機２４に対する電力指令値を取得し、これにステップＳ１２でアクセル開度から算出される要求電力値を加算し、ステップＳ１３でシステム要求電力値を演算する。ステップＳ１４で、制御部２６はシステム要求電力値が燃料電池２１の電力許容値を超えているかどうかを判断する。この判断結果がＮＯの場合には、ステップＳ１６で制御部２６は燃料電池２１の電力指令値を演算する。そして、ステップＳ１７で、制御部２６は燃料電池２１の電力指令値から補機２４の補機電力指令値を減算して、インバータ２３の電力指令値を演算する。ステップＳ１４の判断結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１５で、制御部２６は燃料電池２１の電力指令値と高圧コンバータ２２の電力指令値とを演算する。具体的には、制御部２６は燃料電池２１の電力指令値を燃料電池２１の電力許容値に設定し、高圧コンバータ２２の電力指令値をステップＳ１３で求めたシステム要求パワーから燃料電池２１の電力許容値を減算した値とする。そして、ステップＳ１７で、ステップＳ１５で求めた電力値から補機電力指令値を減算した値をインバータ２３の電力指令値とする。この動作を繰り返し行うことにより、電動車両の駆動に必要な電力を制御することができる。なお、ステップＳ１１の補機２４に対する電力指令値は補機２４が消費する電力値であってもよい。補機２４の消費電力値は、補機２４の電流センサ２８の出力に基づき予め演算して求めることができる。

ステップＳ１５での高圧コンバータ２２の電力指令値の演算において、制御部２６は、瞬間放電電力余裕値が一定値を下回らないようにする。高圧コンバータ２２の電力指令値がゼロの時の瞬間放電電力余裕値は高圧コンバータ２２の電力許可値に等しく、それ以外の時には電力許容値から電力指令値を引いた値に等しい。この瞬間放電電力余裕値が一定値を下回らないように高圧コンバータ２２の電力指令値を設定することで、補機２４が起動する時の過渡電力のずれを瞬間放電電力余裕値の範囲内で保証することができる。つまり、瞬間放電電力余裕値以下の電力指令値で補機２４を起動することができる。この際、複数の補機２４の合計電力指令値が瞬間放電電力余裕値以下であれば、これらの補機２４を同時に起動することができる。従って、高圧コンバータ２２のキャパシタ２２ｃは図１を参照して説明した過渡時の電力余剰や電力不足分の容量を持つ必要がなく、電力システムのコストダウン及び小型化が可能になる。なお、上記構成では、高圧コンバータ２２のみが瞬間放電電力余裕値を有するように制御されているが、電力システム内に他のキャパシタ等の電力蓄積手段が備えられている場合には、これらを含め電力システム全体の瞬間放電電力余裕値が所定値を下回らないように制御すればよい。

図４は、電動車両が加速する際の電力分配制御の一例を示す図である。図の横軸は時間、縦軸は電力（ｋＷ）である。便宜上、補機２４の電力指令値をゼロとする。時刻１では、燃料電池２１の瞬間放電電力余裕値は２０ｋＷであり、高圧コンバータ２２の瞬間放電電力余裕値を１５ｋＷとする。時刻１で要求電力の増大が始まる。この要求電力はアクセル開度から算出できる。図３のステップＳ１３で求められるシステム要求電力が燃料電池２１の瞬間放電電力余裕値に等しくなるまでは（時刻５）、制御部２６は燃料電池２１の電力指令値を増大させる。その後、制御部２６は高圧コンバータ２２の電力指令値を増大させる。時刻７において、高圧コンバータ２２の電力指令値が１０ｋＷとなり、その電力許可値１５ｋＷとの差が５ｋＷになったので、制御部２６は高圧コンバータ２２の電力指令値を１５ｋＷで固定する。この結果、高圧コンバータ２２は５ｋＷの余裕を持って動作する。このように、高圧コンバータ２２は５ｋＷの一定値を下回らないように制御される。この５ｋＷ分だけ余裕があるので、補機２４が５ｋＷの電力要求を発生した場合でも直ちに補機１４を駆動させることができる。従来のように電力余剰は発生しないので、高圧コンバータ２２のキャパシタ２２ｃの容量を減少させることができる。なお、上記構成では、高圧コンバータ２２のみが瞬間充電電力余裕値を有するように制御されているが、電力システム内に他のキャパシタ等の電力蓄積手段が備えられている場合には、これらを含め電力システム全体の瞬間充電電力余裕値が所定値を下回らないように制御すればよい。

図５は、電動車両が減速する際の電力分配制御の一例を示す図である。５ｋＷの電力指令値で補機２４が稼動中に時刻１で電動車両の減速が始まり、モータ２７の電力回生が開始される。時刻２で、高圧コンバータ２２の電力指令値はゼロになる。この時の高圧コンバータ２２の瞬間充電電力余裕値は、その電力許可値である１５ｋＷに等しい。システム要求電力（回生）が上昇するにつれて、高圧コンバータ２２の電力指令値も上昇する。時刻４において、高圧コンバータ２２の電力指令値は１０ｋＷとなり、この時点での高圧コンバータ２２の瞬間充電電力余裕値は５ｋＷとなる。以後、制御部２６は、高圧コンバータ２２の電力指令値を１０ｋＷで固定する。つまり、この５ｋＷが高圧コンバータ２２の瞬間充電電力余裕値となる。従って、稼動中の補機２４が異常により動作を停止し、５ｋＷの余剰電力が過渡的に発生しても、高圧コンバータ２２がこの余剰電力を吸収することができる。従って、過渡的な余剰電力の発生による電力機器の破損を防止することができる。

ここで、図４のモータ２７が電力を消費している時に、補機２４が電力を要求した場合、制御部２６は図６に示すフローチャートに従い補機２４の電力指令値を制御する。ステップＳ２１で、制御部２６は｜瞬間放電電力余裕値の合計値｜＞｜各電力機器の電力指令値−消費電力＋補機の電力指令値｜の条件が成立するかどうかを判断する。つまり、（各電力機器の電力指令値−消費電力）で表される消費が未確認の電力に補機２４の電力指令値を加えた値の絶対値が各電力機器（図４の例では、燃料電池２１、高圧コンバータ２２、インバータ２３及び補機２４）の瞬間放電電力余裕値の合計値の絶対値を下回っているかどうかを判断する。判断結果がＹＥＳの場合には、制御部２６は要求された電力指令値を補機２４に供給する。これに対し、ステップＳ２１の判断結果がNOの場合には、ステップＳ２２で、制御部２６は高圧コンバータ２２の瞬間放電電力余裕値の範囲内で補機２４の電力指令値を増加させる。図４の例では、高圧コンバータ２２は常に５ｋＷ以上の瞬間放電電力余裕値を持つように制御されているので、５ｋＷを超えない範囲内で補機２４の電力指令値を増加させることができる。

また、図４のモータ２７が電力を回生しているときに、補機２４が電力を要求した場合、制御部２６はステップＳ３１で、｜瞬間充電電力余裕値の合計値｜＞｜各電力機器のフェイル時余剰電力の最大値＋補機のフェイル時余剰電力値｜の条件が成立するかどうかを判断する。つまり、最大電力を消費している電力機器と補機２４とが同時にフェイルした場合に発生する過渡的電力余りを電力システムが吸収できるか余裕があるかどうかを判断する。ステップＳ３１の判断結果がＹＥＳの場合には、制御部２６は補機２４に要求された指示電力値を出力する。NOの場合には、ステップＳ３２で、制御部２６は高圧コンバータ２２の瞬間充電電力余裕値の範囲内で補機２４の電力指令値を増加させる。図４の例では、高圧コンバータ２２は常に５ｋＷ以上の瞬間放電電力余裕値を持つように制御されているので、５ｋＷを超えない範囲内で補機２４の電力指令値を増加させることができる。

ここで、本発明の電力分配の具体例を説明する。ケース１として、電力指令値と消費電力が次の通りであると仮定する。
燃料電池２１ ：＋５ｋＷ（発電）
高圧コンバータ２２：−５ｋＷ（充電）
インバータ２３ ： ０ｋＷ
補機： ０ｋＷ
そして、瞬間放電電力余裕値が以下の通りであったと仮定する。

燃料電池２１ ： ２ｋＷ
高圧コンバータ２２：１０ｋＷ
インバータ２３ ： ０ｋＷ
補機： ０ｋＷ
この時、｜瞬間放電電力余裕値の合計値｜＝１２ｋＷなので、１２ｋＷの範囲内で１台又は複数台の補機を駆動させることができる。これに対し、前述の特許文献１では、燃料電池が１２ｋＷの発電量を出力可能となるまで、補機は駆動しない。

ケース２として、電力指令値と消費電力が次の通りであると仮定する。
燃料電池２１ ： ０ｋＷ
高圧コンバータ２２： −５ｋＷ（充電）
インバータ２３ ：−１０ｋＷ（発電）
補機： ５ｋＷ
フェイル時の余剰電力は次のとおりである。

燃料電池２１ ： ０ｋＷ
高圧コンバータ２２： ５ｋＷ
インバータ２３ ： １０ｋＷ
補機： ５ｋＷ
また、瞬間放電電力余裕値が以下の通りであったと仮定する。

燃料電池２１ ： ２ｋＷ
高圧コンバータ２２： ０ｋＷ
インバータ２３ ：−１５ｋＷ
補機： ０ｋＷ
この時、フェイル時余剰電力が最も大きいインバータ２３がフェイルしても、瞬間充電電力余裕値が１５ｋＷなので、電力機器の破損には至らない。

このように、上記実施例では常に、瞬間放電電力余裕値及び瞬間充電電力余裕値はいずれも５ｋＷを下回らないように制御されているので、高圧コンバータ２２のキャパシタ２２ｃに過剰なマージンを設定することなく、電力分配を適切に制御することができる。

なお、電力機器への指令をすべて電力指令値とすることで、複数台の高圧コンバータ２２が並列に接続された構成において、各高圧コンバータを均等に稼動させることができるようになる。高圧コンバータを電圧で管理すると、相対的に高い電圧を示す高圧コンバータが高い頻度で使用される傾向がある。電力指令値で管理することで、より適切に高圧コンバータの駆動能力を判断することができる。

上記実施例において、電流センサ２８を用いて消費電力を実際に測定しなくても、図１の特性を参照して電力指令値から演算することとしてもよい。

また、複数の補機２４の電力指令値に変動があった場合には、補機毎に電力指令値の制限を設けた電力配分を行ってもよいし、最後に変動した補機のみに電力指令値の制限を設けた電力配分を行ってもよい。

本発明は上記実施例に限定されず、発明の範囲内で他の様々な実施例や変形例を含むものである。

従来技術の問題点を説明するためのグラフである。 本発明の一実施例に係る電力システム及び電動車両の構成を示す図である。 図２に示す実施例の動作を示すフローチャートである。 図２に示す実施例の電動車両加速時（モータ電力消費時）の動作を示すフローチャートである。 図２に示す実施例の電動車両減速時（モータ電力回生時）の動作を示すフローチャートである。 図２に示す実施例において、モータ電力消費時の補機の電力分配制御を示すフローチャートである。 図２に示す実施例において、モータ電力回生時の補機の電力分配制御を示すフローチャートである。

符号の説明

２１ 燃料電池
２２ 高圧インバータ
２２ｃ キャパシタ
２３ インバータ
２４ 補機
２５ ２次電池
２６ 制御部
２７ モータ
２８ 電流センサ

Claims (7)

1. 複数の電力機器と、
   当該複数の電力機器の電力指令値及び消費電力を演算するとともに、各電力機器の電力余裕値を管理しながら、前記電力機器への電力指令値を動的に制御する制御部と
   を有することを特徴とする電力システム。
2. 前記制御部は、負荷となる電力機器に係る新たな電力要求を受けると、その時に得られる各電力機器の電力余裕値から得られる電力システム全体の電力余裕値が要求された電力値以上である場合に、前記負荷となる電力機器に対して前記要求された電力の電力指令値を出力することを特徴とする請求項１記載の電力システム。
3. 前記制御部は、各電力機器値の余剰電力値のうち最も大きい余剰電力値が発生しても、前記電力システム全体で前記最も大きい余剰電力値を回生することができるように、前記電力機器への電力指令値を動的に制御することを特徴とする請求項１記載の電力システム。
4. 前記制御部は、電力システムの電力余裕値が常に所定値以上になるように、前記電力機器への電力指令値を動的に制御することを特徴とする請求項１記載の電力システム。
5. 前記複数の電力機器は、燃料電池と、２次電池と、該２次電池に接続されるコンバータと、前記燃料電池及びコンバータに接続されモータに電力を出力するインバータと、補機とを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の電力システム。
6. モータと、該モータに電力を供給する電力システムとを含み、
   該電力システムは請求項１から５のいずれか一項記載の電力システムであることを特徴とする電動車両。
7. 複数の電力機器の電力指令値及び消費電力を演算するステップと、
   各電力機器の電力余裕値を管理しながら、前記電力機器への電力指令値を動的に制御するステップと
   を有することを特徴とする電力制御方法。
   

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