JP2013191555A - 燃料電池ハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池の寿命を延長することが可能な燃料電池ハイブリッドシステムを提供する。
【解決手段】電流を生成する燃料電池スタックと、二次電池と、前記燃料電池スタックと前記二次電池とを電気的に連結させるＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記燃料電池スタックから前記電流を受け、前記二次電池の最大充電電圧より低い電圧レベルで出力するようにし、前記二次電池の充電を制御する制御部とを含むことを特徴とする燃料電池ハイブリッドシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池ハイブリッドシステムに関する。

鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池など、多様な二次電池が用いられている。多様な二次電池のうち、リチウムイオン電池は、他の二次電池に比べて優れた強みを持っていて多用されている。リチウムイオン電池は、極めて軽量で、かつニッケル−カドミウム電池の２倍、鉛蓄電池の６倍程度の高エネルギー密度を有する。そして、リチウムイオン電池は、起電力が大きく、完全に放電されない状態でも充電が可能であり、自己放電による電力損失が極めて少ないという利点がある。

しかし、リチウムイオン電池は、充電のための最大電圧で充電される期間が長くなると、電解液の分解、過充電、リチウム電着（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの副反応（ｓｉｄｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が深刻化し、リチウムイオン電池の寿命が低下する問題が発生する。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、リチウムイオン電池の寿命を延長することが可能な、新規かつ改良された燃料電池ハイブリッドシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電流を生成する燃料電池スタックと、二次電池と、前記燃料電池スタックと前記二次電池とを電気的に連結させるＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記燃料電池スタックから前記電流を受け、前記二次電池の最大充電電圧より低い電圧レベルで出力するようにし、前記二次電池の充電を制御する制御部とを含むことを特徴とする燃料電池ハイブリッドシステムが提供される。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池スタックおよび前記二次電池に電気的に連結されている第１分配抵抗と、前記第１分配抵抗および前記制御部に電気的に連結されている第２分配抵抗とを含み、前記制御部は、前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の少なくともいずれか１つの抵抗値を変更し、前記二次電池に伝達される電圧レベルを調整してもよい。

前記制御部は、前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の抵抗値を変更し、前記二次電池に伝達される電圧レベルを調整してもよい。

前記燃料電池スタック、前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記制御部に電気的に連結され、前記燃料電池スタックから流れる電流を測定し、前記燃料電池スタックで生成される電流量を指示する電流量信号を前記制御部に伝達する電流測定部をさらに含んでもよい。

前記燃料電池スタックおよび前記二次電池の間に電気的に連結されている電力変換部と、前記制御部および前記電力変換部の間に電気的に連結されている第１増幅器と、前記第１増幅器および前記電力変換部の間に電気的に連結されている第２増幅器とをさらに含み、前記第１分配抵抗の一端は、前記電力変換部と前記二次電池との間に位置した第１ノードに連結されており、前記第１分配抵抗の他端は、前記第１増幅器の出力端と前記第２増幅器の入力端との間に位置した第２ノードに連結されており、前記第２分配抵抗の一端は、前記第２ノードに連結されており、前記第２分配抵抗の他端は、前記第１増幅器の出力端に連結されていてもよい。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電力変換部を含み、前記電力変換部は、第１スイッチと、第２スイッチと、インダクタと、キャパシタとを含み、前記第１スイッチは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれたスイッチ制御部に連結されているゲートと、前記電流測定部に連結されている一端と、前記インダクタの一端に連結されている他端とを含み、前記第２スイッチは、前記スイッチ制御部に連結されているゲートと、前記第１スイッチの他端に連結されている一端と、前記燃料電池スタックの第１端子に連結されている他端とを含み、前記インダクタの他端は、前記キャパシタの一端に連結されており、前記キャパシタの他端は、前記燃料電池スタックの第２端子に連結されていてもよい。

前記スイッチ制御部は、前記電流量信号に基づき、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティ期間を変更してもよい。

前記制御部は、前記電流量信号によって指示される前記燃料電池スタックの性能に基づき、アナログ制御信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに伝達し、前記アナログ制御信号の受信により、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率が変更されてもよい。

前記スイッチ制御部は、前記アナログ制御信号に基づき、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティ期間を変更してもよい。

前記制御部は、前記アナログ制御信号の電圧値を変更し、前記二次電池の充電電圧を決定してもよい。

前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の少なくともいずれか１つは、可変抵抗であってもよい。

前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗は、可変抵抗であってもよい。

前記二次電池は、リチウムイオン電池であってもよい。

前記二次電池の充電電圧は、４．０Ｖ以上から４．１Ｖ以下の範囲の電圧であってもよい。

前記二次電池は、携帯電話に用いられてもよい。

前記リチウムイオン電池は、高温環境で充電および放電されてもよい。

前記二次電池の充電電圧は、３．８Ｖ以上から４．０Ｖ以下の範囲の電圧であってもよい。

前記二次電池は、ナビゲーションシステムに用いられてもよい。

前記二次電池は、ＬＦＰ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）二次電池であってもよい。

前記二次電池の充電電圧は、３．４Ｖ以上から３．６Ｖ以下の範囲の電圧であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、繰り返しの充放電に伴う二次電池の容量減少率を低減し、二次電池の寿命を延長することができる。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池ハイブリッドシステムを示す。 燃料電池ハイブリッドシステムにおいて、二次電池を充放電する一般的な方法を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態にかかる燃料電池ハイブリッドシステムにおいて、二次電池を充放電する方法を説明するためのグラフである。 充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果の一例を示すグラフである。 充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果の他の例を示すグラフである。 充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果のさらに他の例を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、様々な実施形態において、同一の構成を有する構成要素については同一の符号を用いて代表的に第１実施形態で説明し、その他の実施形態では第１実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

明細書全体において、ある部分が他の部分に「連結」されているとする時、これは、「直接的に連結」されている場合のみならず、その中間に別の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ハイブリッドシステムを示す。

図１を参照すれば、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、燃料電池スタック１０と、電流測定部１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、制御部３０と、二次電池４０とを含む。
燃料電池スタック１０は、燃料貯蔵部（図示せず）から燃料が供給され、酸化剤供給部（図示せず）から酸化剤が供給され、電気エネルギーを生産する。燃料電池ハイブリッドシステム１００に使用される燃料は、メタノール、エタノールまたは天然ガス、ＬＰＧなどのように液状または気体状態からなる炭化水素系燃料を通称する。そして、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、水素と反応する酸化剤として、別の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを使用したり、空気を使用することができる。

燃料電池スタック１０は、多様な方式によって電気エネルギーを生産することができる。例えば、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）方式または直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式が採用可能である。高分子電解質型燃料電池方式は、燃料を改質（ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）して水素を発生させ、水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる方式である。直接酸化型燃料電池方式は、単位セルで液体または気体燃料と酸素の直接的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる方式である。

電流測定部１５は、燃料電池スタック１０の第１端子に連結される。電流測定部１５は、燃料電池スタック１０から流れる電流を測定して電流量信号Ｃｓｔａｃｋを生成する。電流量信号Ｃｓｔａｃｋは、燃料電池スタック１０で生成される電流量を指示する。電流測定部１５は、電流量信号Ｃｓｔａｃｋを制御部３０に伝達する。

制御部３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が燃料電池スタック１０から電流を受け、二次電池４０の最大充電電圧より低い電圧レベルで出力するようにする。これにより、二次電池４０の充電が制御される。制御部３０は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、プロセッサ３１と、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）とを含む。

アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）は、アナログ信号である燃料電池スタック１０の電流量信号Ｃｓｔａｃｋをデジタル信号に変換し、プロセッサ３１に伝達する。電流量信号Ｃｓｔａｃｋは、燃料電池スタック１０から流れる電流量を示す。アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）は、電流量信号Ｃｓｔａｃｋが示す電流量に対応するデジタル電流量信号を生成する。

プロセッサ３１は、デジタル電流量信号を受信し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電力変換効率を調整するデジタル制御信号を生成する。プロセッサ３１は、デジタル電流量信号に基づき、燃料電池スタック１０の性能を評価することができる。プロセッサ３１は、デジタル電流量信号が所定の閾値以上の場合、燃料電池スタックの性能が正常状態であると判断することができ、デジタル電流量信号が所定の閾値以下の場合、燃料電池スタックの性能が低下したと判断することができる。

デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）は、デジタル制御信号をアナログ制御信号Ｖｄａｃに変換する。アナログ制御信号Ｖｄａｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に伝達される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、アナログ制御信号Ｖｄａｃにより、燃料電池スタック１０の出力電力の電力変換効率を調整する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池スタック１０の出力電力を二次電池４０に伝達する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、電力変換部２１と、第１増幅器Ａｍｐ１と、第２増幅器Ａｍｐ２と、第１分配抵抗Ｒ１と、第２分配抵抗Ｒ２と、スイッチ制御部２２とを含む。

電力変換部２１は、第１スイッチＳ１と、第２スイッチＳ２と、インダクタＬ１と、キャパシタＣ１とを含む。

第１スイッチＳ１は、スイッチ制御部２２に連結されているゲートと、電流測定部１５に連結されている一端と、インダクタＬ１の一端に連結されている他端とを含む。

第２スイッチＳ２は、スイッチ制御部２２に連結されているゲートと、第１スイッチＳ１の他端に連結されている一端と、燃料電池スタック１０の第２端子に連結される他端とを含む。

インダクタＬ１は、第１スイッチＳ１の他端に連結されている一端と、キャパシタＣ１の一端に連結されている他端とを含む。

キャパシタＣ１は、インダクタＬ１の他端に連結されている一端と、燃料電池スタック１０の第２端子に連結されている他端とを含む。

電力変換部２１は、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のスイッチング動作に応じて燃料電池スタック１０の出力電力を変換し、第１ノードＮ１に伝達する。第１スイッチＳ１がターンオンされると、インダクタＬ１を介して第１ノードＮ１に伝達される電流量が増加し、第１ノードＮ１の電圧が高くなる。この時、インダクタＬ１にエネルギーが貯蔵され、第２スイッチＳ２はオフ状態である。

第１スイッチＳ１がターンオフされ、第２スイッチＳ２がターンオンされると、インダクタＬ１に貯蔵されたエネルギーによって発生する電流が第１ノードＮ１に伝達される。この期間の間、インダクタＬ１から第１ノードＮ１に伝達される電流量が減少し、第１ノードＮ１の電圧が減少する。

このように、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２を交互にターンオンさせ、第１ノードＮ１に伝達される電流量および電圧を調整することができる。第１ノードＮ１に伝達される電流量および電圧は、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオンデューティ（ｄｕｔｙ）期間によって決定される。

第１増幅器Ａｍｐ１は、燃料電池スタック１０のスタック電圧Ｖｓｔａｃｋが入力される第１入力端（−）と、アナログ制御信号Ｖｄａｃが入力される第２入力端（＋）と、スタック電圧Ｖｓｔａｃｋとアナログ制御信号Ｖｄａｃとの電圧差が一定のゲインで増幅されて出力される出力端とを含む。スタック電圧Ｖｓｔａｃｋは、燃料電池スタック１０の測定電圧または予め定められた電圧であり得る。

第１分配抵抗Ｒ１は、第１ノードＮ１に連結される一端と、第２ノードＮ２に連結される他端とを含む。

第２分配抵抗Ｒ２は、第２ノードＮ２に連結される一端と、第１増幅器Ａｍｐ１の出力端に連結される他端とを含む。

第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の少なくともいずれか１つは、可変抵抗であり得る。この時、制御部３０は、第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の少なくともいずれか１つの抵抗値を変更し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介した燃料電池スタック１０の出力電圧を調整することができる。

第１ノードＮ１の電圧と第１増幅器Ａｍｐ１の出力電圧との電圧差に対応する電圧が、第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２に分配される。第２ノードＮ２の電圧は、第２増幅器Ａｍｐ２の第１入力端（−）に伝達される。

第２増幅器Ａｍｐ２は、第２ノードＮ２の電圧が入力される第１入力端（−）と、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される第２入力端（＋）と、入力された２つの信号の差が増幅されて出力される出力端とを含む。第２増幅器Ａｍｐ２は、基準電圧Ｖｒｅｆと第２ノードＮ２の電圧との差を所定のゲインで増幅し、スイッチ制御部２２に伝達する。

スイッチ制御部２２は、第２増幅器Ａｍｐ２の出力端に連結され、第２増幅器Ａｍｐ２の出力信号により、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオンデューティ期間を制御する。つまり、スイッチ制御部２２は、電流量信号Ｃｓｔａｃｋまたはアナログ制御信号Ｖｄａｃに基づき、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオンデューティ期間を変更するといえる。

二次電池４０は、第１ノードＮ１に連結され、第１ノードＮ１に伝達される電流量および電圧で充電される。ここでは、二次電池４０がリチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ）であると仮定する。

しかし、二次電池４０には、リチウムイオン電池のみならず、リチウムポリマー電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｍｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ）、ニッケル−カドミウム電池（Ｎｉｃｋｅｌ−ｃａｄｍｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ）、ニッケル−水素電池（Ｎｉｃｋｅｌ ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ ｂａｔｔｅｒｙ）、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池など、多様な種類の二次電池が採用可能である。

最大容量確保のために、リチウムイオン電池は、定電流（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）充電方式および定電圧（Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ）充電方式によって充電される。定電流充電方式は、一定の電流量でバッテリを充電する方式である。定電圧充電方式は、一定の電圧でバッテリを充電する方式である。

リチウムイオン電池は、定電流充電方式によってＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が８０％となるまで充電される。定電流充電方式によって充電されることにより、リチウムイオン電池の電圧は次第に上昇する。リチウムイオン電池の電圧は次第に上昇し、ＳＯＣが８０％となる時に最大充電電圧に達する。最大充電電圧とは、リチウムイオン電池をＳＯＣ１００％に充電するための定格電圧を意味する。

リチウムイオン電池の電圧が最大充電電圧に達すると、リチウムイオン電池は、定電圧充電方式によってＳＯＣが１００％となるまで充電される。定電圧充電方式では、最大充電電圧を維持しながら電流量を徐々に減少させ、リチウムイオン電池のＳＯＣが１００％に合わされるようにする。

リチウムイオン電池が定電圧充電方式によって充電される区間では、リチウムイオン電池の電圧が最大充電電圧に維持される。定電圧充電方式によって最大充電電圧で充電される区間が長くなるほど、電解液の分解、過充電、リチウム電着（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの副反応（ｓｉｄｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が深刻化し、リチウムイオン電池の寿命が低下する問題が発生する。

図２は、燃料電池ハイブリッドシステムにおいて、二次電池を充放電する一般的な方法を説明するためのグラフである。

図１および図２を参照すれば、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、燃料電池スタック１０で生産された電力を負荷およびＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）に供給する。燃料電池ハイブリッドシステム１００は、負荷およびＢＯＰに電力を供給する途中に、燃料電池スタック１０の性能向上のために、エアディプリーション（ａｉｒ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）区間Ｄの間電力を生産しない。エアディプリーション区間Ｄは、略１０分の間隔で２０秒間維持される。エアディプリーション区間Ｄの間、二次電池４０が負荷およびＢＯＰに対応して放電する。

そして、二次電池４０は、エアディプリーション区間以外の残りの区間、つまり、略１０分間の充電区間Ｃの間、燃料電池スタック１０で生産される電力で充電される。

二次電池４０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、エアディプリーション区間Ｄの間の放電によって略９０％に低下すると仮定する。もちろん、エアディプリーション区間Ｄの間、二次電池４０の放電量は、負荷およびＢＯＰに供給される電力量によって決定される。

そして、二次電池４０は、充電区間Ｃの間、定電圧方式によって最大充電電圧で充電され、二次電池４０のＳＯＣが１００％に達する。二次電池４０の充電区間Ｃは、エアディプリーション区間Ｄに比べて相対的に長い時間である。

このように、燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０が長時間の間最大充電電圧で充電される過程が繰り返される。リチウムイオン電池の二次電池４０が長時間の間最大充電電圧で充電されることにより、電解液の分解、過充電、リチウム電着（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの副反応（ｓｉｄｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が深刻化し得る。これにより、二次電池４０の寿命が低下することがある。

図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池ハイブリッドシステムにおいて、二次電池を充放電する方法を説明するためのグラフである。

図１および図３を参照すれば、燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０は、充電区間Ｃの間に燃料電池スタック１０で生産される電力で充電され、エアディプリーション区間Ｄの間に負荷およびＢＯＰに対応して放電する。

燃料電池ハイブリッドシステム１００のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池スタック１０の出力電力を二次電池４０の最大充電電圧より所定レベル低い電圧に変換する。最大充電電圧とは、二次電池をＳＯＣ１００％に充電するための定格電圧を意味する。

これにより、二次電池４０は、充電区間Ｃの間に最大充電電圧より低い電圧で充電される。

燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０を最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧で充電する場合、充電区間Ｃの間、二次電池４０は、ＳＯＣ１００％より低いＳＯＣＫ％に充電される。つまり、二次電池４０が、定電圧方式によって充電されても、最大充電電圧より低い充電電圧で充電されるため、二次電池４０のＳＯＣは１００％に達しない。

例えば、二次電池４０の最大充電電圧が４．２Ｖとする時、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、燃料電池スタック１０の出力電力を４．１Ｖの電圧に変換し、二次電池４０を充電させることができる。最大充電電圧が４．２Ｖの二次電池４０を４．１Ｖの電圧で充電すると、二次電池４０は略ＳＯＣ９０％程度に充電される。

このように、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、充電区間Ｃの間、二次電池４０を最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧で充電し、二次電池４０を第１ＳＯＣＫ％に充電する。そして、燃料電池ハイブリッドシステム１００は、エアディプリーション区間Ｄの間に二次電池４０を第２ＳＯＣＫ’％に放電する。

第１ＳＯＣは、二次電池４０の充電電圧、つまり、最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧の電圧値によって決定される。第２ＳＯＣは、エアディプリーション区間Ｄの間に負荷およびＢＯＰに供給される電力量によって決定される。

二次電池４０の使用可能容量は、充放電が繰り返されることによって次第に減少する。二次電池４０を最大充電電圧で基準サイクルまで充放電する場合、二次電池４０の使用可能容量は急速に減少するのに対し、二次電池４０を最大充電電圧より低い充電電圧で基準サイクルまで充放電する場合、二次電池４０の使用可能容量は徐々に減少する。

二次電池４０を最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧で基準サイクルまで充放電する場合、充電電圧の電圧値に応じて基準サイクルでの二次電池４０の使用可能容量が異なる。基準サイクルは、燃料電池ハイブリッドシステム１００の性能を満足できる二次電池４０の充放電可能な最小サイクルを意味する。

例えば、燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０は、１０００回以上充放電可能でなければならず、この時、二次電池４０の基準サイクルは１０００サイクルと定められる。

燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０の使用可能容量は、二次電池４０の最初の設計容量の５０％以上であることが好ましい。したがって、最初の０サイクルだけでなく、二次電池４０を基準サイクルまで充放電した時にも、二次電池４０の使用可能容量は設計容量の５０％以上でなければならない。

したがって、二次電池４０の充電電圧は、最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧中において二次電池４０を基準サイクルまで充放電した時、二次電池４０の使用可能容量が設計容量の５０％以上の電圧に決定できる。

基準サイクルで二次電池４０の使用可能容量を設計容量の５０％以上に満足させる最大充電電圧より低い充電電圧は、最大充電電圧の略９８％〜９２％の範囲の電圧である。つまり、充電電圧は、最大充電電圧より略２％〜８％低い電圧である。

あるいは、二次電池４０の充電電圧は、最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧中において二次電池４０を基準サイクルまで充放電した時、二次電池４０の使用可能容量が最大の電圧に決定できる。

二次電池４０の充電電圧は実験的に決定可能である。二次電池４０の充電電圧を決定する実験例については、図４ないし図６で説明する。

前述のように、二次電池４０が最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧で充電されるようにすることで、二次電池４０が長時間の間最大充電電圧で充電されることによって発生する副反応により、二次電池４０の寿命が低下する問題を解決することができる。

燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０を充電区間Ｃの間に最大充電電圧より低い電圧で充電するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧が二次電池４０の最大充電電圧より低い電圧で出力されるようにしなければならない。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧が二次電池４０の最大充電電圧より低い電圧で出力されるようにする方法には、第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の抵抗値を変更する第１方法と、制御部３０でアナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値を変更する第２方法とがある。

まず、第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の抵抗値を変更する第１方法について説明する。

例えば、第１分配抵抗Ｒ１と第２分配抵抗Ｒ２とが同一の抵抗値を有する時、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が燃料電池スタック１０の出力電力を二次電池４０の最大充電電圧に変換するとする。

この時、第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の抵抗値を変更し、二次電池４０の充電電圧を最大充電電圧より低い電圧にすることができる。第１分配抵抗Ｒ１の抵抗値を第２分配抵抗Ｒ２の抵抗値より小さく調整すると、第２ノードＮ２の電圧値が第１分配抵抗Ｒ１と第２分配抵抗Ｒ２とが同一の抵抗値を有する時より高くなる。第２ノードＮ２の電圧値が高くなると、第２ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差が大きくなるため、第２増幅器Ａｍｐ２の出力値が増加する。スイッチ制御部２２は、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオフデューティを調整し、第１ノードＮ１に出力される電圧が低くなるようにする。第１ノードＮ１の電圧が低くなると、第２ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差が減少する。

スイッチ制御部２２は、第２ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差が０となるように第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオフデューティを調整し、第１ノードＮ１の電圧を低くする。第２ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差が０となるまで、第１ノードＮ１に出力される電圧が低くなる。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の第１分配抵抗Ｒ１および第２分配抵抗Ｒ２の抵抗値を変更することにより、燃料電池スタック１０の出力電力を二次電池４０の最大充電電圧より低い電圧に変換することができる。

次に、制御部３０がアナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値を変更する第２方法について説明する。

制御部３０は、燃料電池スタック１０から流れる電流量を示す電流量信号Ｃｓｔａｃｋにより、燃料電池スタック１０の性能（例えば、劣化）を評価する。そして、制御部３０は、燃料電池スタック１０の性能に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電力変換効率を調整するアナログ制御信号ＶｄａｃをＤＣ／ＤＣコンバータ２０に伝達する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、アナログ制御信号Ｖｄａｃにより、燃料電池スタック１０の電力を変換し、二次電池４０に伝達する。具体的には、アナログ制御信号Ｖｄａｃにより、第１スイッチＳ１および第２スイッチＳ２のオンデューティが変動し、これにより、二次電池４０に伝達される電力が、燃料電池スタック１０の劣化にもかかわらず、一定となるように制御される。この時、本発明の実施形態にかかる制御部３０は、最大充電電圧より低い充電電圧で二次電池４０を充電するために、アナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値を変更することができる。

例えば、制御部３０が、燃料電池スタック１０の性能が正常状態の時、アナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値を所定レベル低い電圧で出力する。

アナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値が所定レベル低い電圧で出力されると、第１増幅器Ａｍｐ１から出力される電圧が低くなり、第２ノードＮ２の電圧値が低くなる。第２ノードＮ２の電圧値が低くなると、第２ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差が大きくなるため、第２増幅器Ａｍｐ２の出力値が増加する。

スイッチ制御部２２は、第１スイッチＳ１のオンデューティを減少させ、第１ノードＮ１に出力される電圧が低くなるようにする。

このように、制御部３０がアナログ制御信号Ｖｄａｃの電圧値を変更することにより、二次電池４０の最大充電電圧より低い電圧で二次電池４０が充電される。

以下、二次電池を最大充電電圧および最大充電電圧より低い電圧で充電し、二次電池の容量減少率を測定した実験結果について説明する。

図４は、充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果の一例を示すグラフである。グラフの横軸は充放電回数（ｃｙｃｌｅ）であり、縦軸は二次電池の容量（ｍＡｈ）である。

図４を参照すれば、携帯電話に用いられる最大充電電圧が４．２Ｖのリチウムイオン二次電池を対象として、充電電圧４．２Ｖ、４．１Ｖ、４．０Ｖ、３．９Ｖで充放電を行った実験結果である。

表１は、リチウムイオン二次電池の充電電圧別使用可能容量の変化の実験例を示す。

４．２Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合には、二次電池の使用可能容量が、サイクルが増加するほど急速に減少する。これに対し、最大充電電圧より低い電圧で充放電を行う場合には、二次電池の使用可能容量が、サイクルが増加するにつれて緩やかに減少する。

４．１Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、４．２Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略１０％程度少ない。しかし、４００サイクル以降は、４．１Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、４．２Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

４．０Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、４．２Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略２５％程度少ない。しかし、５００サイクル以降は、４．０Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、４．２Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

前述した燃料電池ハイブリッドシステム１００の性能を満足できる二次電池４０の基準サイクルが１０００サイクルとする。

最大充電電圧より低い充電電圧４．１Ｖ、４．０Ｖ、３．９Ｖそれぞれで二次電池を基準サイクルまで充放電した時、二次電池の使用可能容量を比較すると、４．１Ｖおよび４．０Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の方が、１０００サイクルで使用可能容量が設計容量の略６０％と最も高いことが分かる。３．９Ｖの充電電圧で充放電を行った場合、１０００サイクルで使用可能容量が設計容量の略４５％であることが分かる。

したがって、実験に用いた二次電池を燃料電池ハイブリッドシステム１００に適用する場合、第１ＳＯＣを決定する二次電池の充電電圧は、４．１Ｖ〜３．９Ｖと定められる。充電電圧４．１Ｖ、４．０Ｖ、３．９Ｖは、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧である。

一方、二次電池の充電電圧として３．９Ｖを使用する場合は、４．１Ｖまたは４．０Ｖの充電電圧を使用する場合に比べて二次電池の使用可能容量の損失が多い方であるので、充電電圧として４．１Ｖまたは４．０Ｖを使用することが好ましい。

図５は、充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果の他の例を示すグラフである。グラフの横軸は充放電回数（ｃｙｃｌｅ）であり、縦軸は二次電池の容量（ｍＡｈ）である。

図５を参照すれば、高温環境に露出しやすいナビゲーション用二次電池を対象として、充電電圧４．１Ｖ、４．０Ｖ、３．９Ｖ、３．８Ｖ、３．７Ｖで充放電を行った実験結果である。ナビゲーション用二次電池は、内部素材が高温特性に優れるように設計され、最大充電電圧が４．１Ｖである。

表２は、ナビゲーション用二次電池の充電電圧別使用可能容量の変化の実験例を示す。

４．０Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略１３％程度少ない。しかし、３００サイクル以降は、４．０Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

３．９Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略２５％程度少ない。しかし、４００サイクル以降は、３．９Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

３．８Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略３０％程度少ない。しかし、６００サイクル以降は、３．８Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、４．１Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

１０００サイクルにおける使用可能容量は、４．０Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の方が最も高い。

充電電圧４．０Ｖ、３．９Ｖ、３．８Ｖは、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧である。

一方、３．７Ｖの充電電圧で充放電を行った場合、１０００サイクルだけでなく、０サイクルでも使用可能容量が設計容量の５０％以下であることが分かる。つまり、充電電圧が最大充電電圧の９２％以下の場合には、二次電池の使用可能容量の損失が多いことが分かる。

前述した燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０の基準サイクルが１０００サイクルとする時、実験に用いた二次電池を燃料電池ハイブリッドシステム１００に適用する場合、第１ＳＯＣを決定する二次電池の充電電圧は、４．０Ｖ〜３．８Ｖと定められる。充電電圧４．０Ｖ、３．９Ｖ、３．８Ｖは、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧である。つまり、二次電池の寿命延長のためには、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧で充放電を行うことが好ましい。

図６は、充電電圧に応じた二次電池の使用可能容量の変化を実験した結果のさらに他の例を示すグラフである。グラフの横軸は充放電回数（ｃｙｃｌｅ）であり、縦軸は二次電池の容量（ｍＡｈ）である。

図６を参照すれば、最大充電電圧が３．７Ｖの高容量低電圧ＬＦＰ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）タイプの二次電池を対象として、充電電圧３．７Ｖ、３．６Ｖ、３．５Ｖ、３．４Ｖ、３．３Ｖで充放電を行った結果である。ＬＦＰタイプの二次電池は、ＬＣＯ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｏｘｉｄｅ）タイプの二次電池に比べて生産コストが低く、劣化が少なく、寿命が極めて長いことが特徴である。

表３は、ＬＦＰタイプの二次電池の充電電圧別使用可能容量の変化の実験例を示す。

３．６Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行った場合より略１０％程度少ない。しかし、２００サイクル以降は、３．６Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

３．５Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略２０％程度少ない。しかし、３００サイクル以降は、３．５Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

３．４Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の二次電池の最初の使用可能容量は、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より略３２％程度少ない。しかし、７００サイクル以降は、３．４Ｖの充電電圧で充放電を行う場合の二次電池の使用可能容量が、３．７Ｖの最大充電電圧で充放電を行う場合より多いことが分かる。

１０００サイクルにおける使用可能容量は、３．６Ｖの充電電圧で充放電を行った場合の方が最も高いことが分かる。

充電電圧３．６Ｖ、３．５Ｖ、３．４Ｖは、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧である。

一方、３．３Ｖの充電電圧で充放電を行った場合、１０００サイクルで使用可能容量が設計容量の５５％以下であることが分かる。充電電圧が最大充電電圧の９２％以下の場合には、二次電池の使用可能容量の損失が多いことが分かる。

前述した燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０の基準サイクルが１０００サイクルとする時、実験に用いた二次電池を燃料電池ハイブリッドシステム１００に適用する場合、第１ＳＯＣを決定する二次電池の充電電圧は、３．６Ｖ〜３．４Ｖと定められる。充電電圧３．６Ｖ、３．５Ｖ、３．４Ｖは、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧である。つまり、二次電池の寿命延長のためには、最大充電電圧の９８％〜９２％の範囲の充電電圧で充放電を行うことが好ましい。

このように、二次電池を、最大充電電圧で充放電を行う場合より、最大充電電圧より所定レベル低い充電電圧で充放電を行うことによって二次電池の容量減少率を低減し、二次電池の寿命を延長することができる。

また、燃料電池ハイブリッドシステム１００において、二次電池４０の容量減少率を低減することにより、二次電池４０の設計容量を減少させることができる。これにより、燃料電池ハイブリッドシステムの製造コストを低減することができる。

そして、二次電池４０の充電電圧が低くなることによってＤＣ／ＤＣコンバータ２０の昇圧比を低減し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の効率を向上させることができる。

以上のように、本発明の実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステムに依れば、繰り返しの充放電に伴う二次電池の容量減少率を低減し、二次電池の寿命を延長することができる。また、二次電池の容量減少率の低減によって二次電池の設計容量を減少させることができ、燃料電池ハイブリッドシステムで低容量二次電池を用いることにより、製品の製造コストを低減することができる。また、二次電池の充電電圧が低くなることによってコンバータの昇圧比を低減し、コンバータの効率を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 燃料電池スタック
１５ 電流測定部
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０ 制御部
４０ 二次電池
１００ 燃料電池ハイブリッドシステム

Claims (20)

1. 電流を生成する燃料電池スタックと、
   二次電池と、
   前記燃料電池スタックと前記二次電池とを電気的に連結させるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記燃料電池スタックから前記電流を受け、前記二次電池の最大充電電圧より低い電圧レベルで出力するようにし、前記二次電池の充電を制御する制御部とを含むことを特徴とする燃料電池ハイブリッドシステム。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   前記燃料電池スタックおよび前記二次電池に電気的に連結されている第１分配抵抗と、
   前記第１分配抵抗および前記制御部に電気的に連結されている第２分配抵抗とを含み、
   前記制御部は、前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の少なくともいずれか１つの抵抗値を変更し、前記二次電池に伝達される電圧レベルを調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
3. 前記制御部は、前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の抵抗値を変更し、前記二次電池に伝達される電圧レベルを調整することを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
4. 前記燃料電池スタック、前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記制御部に電気的に連結され、前記燃料電池スタックから流れる電流を測定し、前記燃料電池スタックで生成される電流量を指示する電流量信号を前記制御部に伝達する電流測定部をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
5. 前記燃料電池スタックおよび前記二次電池の間に電気的に連結されている電力変換部と、
   前記制御部および前記電力変換部の間に電気的に連結されている第１増幅器と、
   前記第１増幅器および前記電力変換部の間に電気的に連結されている第２増幅器とをさらに含み、
   前記第１分配抵抗の一端は、前記電力変換部と前記二次電池との間に位置した第１ノードに連結されており、前記第１分配抵抗の他端は、前記第１増幅器の出力端と前記第２増幅器の入力端との間に位置した第２ノードに連結されており、前記第２分配抵抗の一端は、前記第２ノードに連結されており、前記第２分配抵抗の他端は、前記第１増幅器の出力端に連結されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
6. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電力変換部を含み、
   前記電力変換部は、
   第１スイッチと、
   第２スイッチと、
   インダクタと、
   キャパシタとを含み、
   前記第１スイッチは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれたスイッチ制御部に連結されているゲートと、前記電流測定部に連結されている一端と、前記インダクタの一端に連結されている他端とを含み、
   前記第２スイッチは、前記スイッチ制御部に連結されているゲートと、前記第１スイッチの他端に連結されている一端と、前記燃料電池スタックの第１端子に連結されている他端とを含み、
   前記インダクタの他端は、前記キャパシタの一端に連結されており、
   前記キャパシタの他端は、前記燃料電池スタックの第２端子に連結されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
7. 前記スイッチ制御部は、前記電流量信号に基づき、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティ期間を変更することを特徴とする請求項６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
8. 前記制御部は、前記電流量信号によって指示される前記燃料電池スタックの性能に基づき、アナログ制御信号を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに伝達し、
   前記アナログ制御信号の受信により、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率が変更されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
9. 前記スイッチ制御部は、前記アナログ制御信号に基づき、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチのオンデューティ期間を変更することを特徴とする請求項８記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
10. 前記制御部は、前記アナログ制御信号の電圧値を変更し、前記二次電池の充電電圧を決定することを特徴とする請求項９記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
11. 前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗の少なくともいずれか１つは、可変抵抗であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
12. 前記第１分配抵抗および前記第２分配抵抗は、可変抵抗であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
13. 前記二次電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
14. 前記二次電池の充電電圧は、４．０Ｖ以上から４．１Ｖ以下の範囲の電圧であることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
15. 前記二次電池は、携帯電話に用いられることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
16. 前記リチウムイオン電池は、高温環境で充電および放電されることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
17. 前記二次電池の充電電圧は、３．８Ｖ以上から４．０Ｖ以下の範囲の電圧であることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
18. 前記二次電池は、ナビゲーションシステムに用いられることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
19. 前記二次電池は、ＬＦＰ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）二次電池であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
20. 前記二次電池の充電電圧は、３．４Ｖ以上から３．６Ｖ以下の範囲の電圧であることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
    

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