JP2013207951A

JP2013207951A - 燃料電池鉄道車両および燃料電池鉄道車両の電力制御方法

Info

Publication number: JP2013207951A
Application number: JP2012075716A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ogawa; 賢一小川
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP6224302B2

Abstract

【課題】エネルギー効率を向上させ、燃費を向上させた燃料電池鉄道車両および燃料電池鉄道車両の電力制御方法を提供する。
【解決手段】車両のモータ１５Ａ、１５Ｂを駆動するための燃料電池１１と、モータ１５Ａ、１５Ｂまたは燃料電池１１によって出力された電力を蓄電可能であると共に蓄電した電力を出力可能な二次電池１７と、二次電池１７の目標電力量と現在電力量との差分が基準以下となる場合、前記燃料電池１１に最大効率の電力を出力させる制御装置を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と二次電池を備えた燃料電池鉄道車両および燃料電池鉄道車両の電力制御方法に関し、鉄道車両に適用される。

省エネルギー化や排ガス低減を目的として、ディーゼルハイブリッド車両や架線ハイブリッド車両等の電源ハイブリッド車両が開発されている。そして、究極的には、クリーンな排気で高効率な燃料電池を電源とするハイブリッド車両の実現化が期待されている。

また、燃料電池とエネルギー蓄積装置とを用いたハイブリッド電源の構成は一定の省エネルギー効果を期待できる。そして、さらなるエネルギー効率を向上させるために、燃料電池の効率的な出力制御方法が必要と考えられる。

特開２０１１−６６９７３号公報特開２００４−２８２８５９号公報特開２００７−９８９６５号公報

燃料電池は定格出力の中間程度で水素から電気への最大のエネルギー変換効率を示す特性を有する。しかし、従来の燃料電池鉄道車両の燃料電池の出力制御方法は、前記特性を考慮しておらず、燃料電池の出力制御方法によるエネルギー効率の向上の点で十分でなかった。

そこで、本発明の目的は、エネルギー効率を向上させ、燃費を向上させた燃料電池鉄道車両および燃料電池鉄道車両の電力制御方法を提供することにある。

以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。

本発明の第１の特徴に係わる燃料電池鉄道車両（１０）は、車両のモータ（１５Ａ、１５Ｂ）を駆動するための燃料電池（１１）と、モータ（１５Ａ、１５Ｂ）または燃料電池（１１）によって出力された電力を蓄電可能であると共に蓄電した電力を出力可能な二次電池（１７）と、二次電池（１７）の目標電力量と現在電力量との差分が基準以下となる場合、前記燃料電池（１１）に最大効率の電力を出力させる制御装置（２０）を有する。

以上の第１の特徴において、制御装置（２０）は、二次電池（１７）の目標電力量と現在電力量との差分が基準を超える場合、燃料電池（１１）の出力を最大効率の電力より増加させる。

制御装置（２０）は、二次電池（１７）の現在電力量が目標電力量を超える場合、燃料電池（１１）に前記車両の補機類を作動させる程度の最低限の電力を出力させる。

本発明の第２の特徴に係わる燃料電池鉄道車両の電力制御方法は、車両のモータ（１５Ａ、１５Ｂ）を駆動するための燃料電池（１１）と、燃料電池（１１）またはモータ（１５Ａ、１５Ｂ）から出力された電力を蓄電可能であると共にモータ（１５Ａ、１５Ｂ）を駆動するために蓄電した電力を出力可能な二次電池（１７）を用意し、燃料電池（１１）および二次電池（１７）によって電力を出力し、二次電池（１７）の目標電力量と現在電力量との差分が基準以下となる場合、燃料電池（１１）によって最大効率の電力を出力する。

本発明の特徴によれば、燃料電池の最大効率出力点を用いて燃料電池鉄道車両の電力を制御するので、エネルギー効率を向上させ、燃費を向上させる。

実施形態に係わる燃料電池鉄道車両の構成を示す概略図である。図１に示す燃料電池鉄道車両のエネルギー制御システムである。燃料電池の出力とエネルギー変換効率との関係を示すグラフである。燃料電池の出力−エネルギー変換効率特性を考慮した燃料電池出力制御関数を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。

図１に示すように、燃料電池鉄道車両１０は、直流電力を発生する燃料電池１１と、燃料電池１１と電気的に接続した燃料電池コンバータ１２と、燃料電池コンバータ１２と電気的に接続した駆動用インバータ１３と、電動コンプレッサー、照明器具などの補機類と電気的に接続した補機用インバータ１４と、駆動用インバータ１３と電気的に接続したモータ１５Ａ、１５Ｂと、燃料電池コンバータ１２および駆動用インバータ１３に電気的に接続したバッテリーコンバータ１６と、二次電池（蓄電池）としてのリチウムイオン二次電池（以下、二次電池と称する）１７を有する。

燃料電池１１は、例えば、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ電解質燃料電池、直接形燃料電池である。

燃料電池コンバータ１２は燃料電池１１によって出力された直流電圧を昇圧する。駆動用インバータ１３は、昇圧した直流電力を３相交流電力に変換して出力する。また、駆動用インバータ１３は、回生ブレーキ時に回生インバータとなり、モータ１５Ａ、１５Ｂによる電力を回生電力に変換する。バッテリーコンバータ１６は、二次電池１７に入出力する電力の充放電制御を行い、且つ、二次電池電圧をＤＣ１５００Ｖまで昇圧する。

また、二次電池１７は、燃料電池コンバータ１２よって発生した電力、および、回生ブレーキ時の回生電力を蓄電する一方、加速時に直流電力を出力する。なお、リチウムイオン二次電池１７の代わりに、例えば、ニッケル水素蓄電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等を用いてもよい。

次に、燃料電池鉄道車両１０の電力制御システムを説明する。

図２に示すように、同制御システムは、燃料電池１１と、燃料電池コンバータ１２と、駆動用インバータ１４と、モータ１５Ａ、１５Ｂと、バッテリーコンバータ１６と、制御装置２０から構成される。なお、制御装置２０を、燃料電池コンバータ１２、あるいは、バッテリーコンバータ１６とすることも可能である。

制御装置２０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する。ＲＯＭは同車両１０の電力制御に必要な処理プログラムを格納する。ＲＡＭは処理に必要なデータ等を一時的に格納し、このデータは処理時に呼び出し可能である。ＣＰＵは、処理プログラムに従ってデータを処理し、本システムの電力制御を実行する。

次に、燃料電池鉄道車両１０の動作について説明する。

図１において、同車両１０が加速または惰行状態にある場合、燃料電池１１は直流電力を出力する。燃料電池コンバータ１２は、燃料電池１１の直流電力の電圧を、例えば、６００Ｖから１５００Ｖへ昇圧する。このとき、二次電池１７の残存容量が減少してくると、燃料電池１１は制御装置２０からの出力指令に従い、必要な直流電力を出力する。二次電池１７の直流電力はバッテリーコンバータ１６によって充放電制御される。上記燃料電池１７および二次電池１１を足し合わせた直流電力は、駆動用インバータ１３によって三相交流電力に変換され、モータ１５Ａ、１５Ｂへ供給される。モータ１５Ａ、１５Ｂは同車両１０の輪軸を回転させ、同車両１０を走行させる。

また、同車両１０が一定速度で走行し、燃料電池１１によって出力した直流電力が負荷電力を下回る場合には、二次電池１７は上記直流電力を蓄電することがある。

一方、同車両１０が減速状態にある場合、モータＭ１、Ｍ２は同車両１０の輪軸によって駆動され、発電機として電力を出力する。この電力は駆動用インバータ１３によって回生電力に変換され、二次電池１７に蓄電される（回生ブレーキ）。

次に、燃料電池鉄道車両１０の電力制御方法を説明する。

図３は、１２０ｋＷの定格出力の燃料電池の出力−エネルギー変換効率との関係を示す。燃料電池の出力は燃料電池の発電電力から補機類の動作電力を差し引いた電力である。

この関係によれば、燃料電池１１のエネルギー変換効率は、５０ｋＷの付近の燃料電池の出力で最大効率出力点Ｐ１となる特性を示す。したがって、燃料電池１１の全出力時間に占める最大効率出力点の時間割合が大きくなるほど、消費エネルギーがより減少し、燃料電池１１の効率的な運転を許容する。

図４は、燃料電池の出力とエネルギー変換効率との関係を示す。横軸は、二次電池エネルギーの目標値と実際値との差分（ΔＥ）を表しており、ΔＥに応じて燃料電池出力（Ｐ_FC）が変化する。

先ず、二次電池１７の蓄電エネルギー（電力量）が目標値から減少し、目標値と実際値とが一定の差分（ΔＥ_opt）に達するまで、燃料電池を最大効率出力点（Ｐ_opt）で一定に出力させる（（ｉ）で示す範囲）。これにより、燃料電池の消費エネルギーの低減を図ることができる。

次に、二次電池１７の蓄電エネルギーがさらに減少し、目標値と実際値との差分が効率点エネルギー偏差（ΔＥ_opt）より大きくなると、燃料電池１１の出力は、数式（１）に示す一次関数に従って、最大出力（Ｐ_max）まで単調増加する（（ｉｉ）で示す範囲）。

Ｐ_FC＝（１／ｔΔ_E）・ΔＥ＋ΔＰ_aux・・・（１）
Ｐ_aux：補機出力［ｋＷ］
Ｐ_opt：効率出力［ｋＷ］
Ｐ_max：最大出力［ｋＷ］
ｔΔ_E：制御パラメータ［ｓｅｃ］
ΔＥ_opt：効率点エネルギー偏差［ｋＷｈ］
ΔＥ_max：最大出力点エネルギー偏差［ｋＷｈ］

ここで、数式（１）のｔΔ_Eは可変の制御パラメータである。ｔΔ_Eを変化させると、数式（１）の傾き、ΔＥ_optおよびΔＥ_maxの値が自動的に変わる。これらの値は走行ダイヤと二次電池１７のエネルギーの回復方法を考慮して設定される。

次に、二次電池１７の蓄電エネルギーがさらに減少し、目標値と実際値との差分が最大出力点エネルギー偏差（ΔＥ_max）より大きくなると、燃料電池１１の出力は最大出力（Ｐ_max）となる（（ｉｉｉ）で示す範囲）。

また、同者車両１０が駅に到着し、停車しているとき、駅到着時点の燃料電池１１の出力値を保持し、駅出発時まで同値で一定に出力させる（（ｉｖ）で示す範囲）。

なお、二次電池１７の上記差分がない場合、燃料電池１１は車両の補機類が動作する程度の最低限の電力を出力する（（ｏ）で示す範囲）。また、参照のエネルギー偏差は移動平均処理行い、平均処理された値によって燃料電池の出力を変化させる。

以上の実施形態によれば、燃料電池１１の最大効率出力点を用いて同車両１０の電力を制御するので、消費エネルギーを低減させると共にエネルギー効率を向上させ、燃費を向上させる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、また、各実施形態は発明の趣旨を変更しない範囲で変更、修正可能である。

１０燃料電池鉄道車両
１１燃料電池
１２燃料電池コンバータ
１３駆動用インバータ
１５Ａ、１５Ｂモータ
１６バッテリーコンバータ
１７リチウムイオン二次電池

Claims

車両のモータを駆動するための燃料電池と、
前記モータまたは燃料電池によって出力された電力を蓄電可能であると共にモータを駆動するために蓄電した電力を出力可能な二次電池と、
前記二次電池の目標電力量と現在電力量との差分が基準以下となる場合、前記燃料電池に最大効率の電力を出力させる制御装置を有する
燃料電池鉄道車両。
前記制御装置は、前記二次電池の目標電力量と現在電力量との差分が基準を超える場合、前記燃料電池の出力を最大効率の電力より増加させる
請求項１に記載の燃料電池鉄道車両。
前記制御装置は、前記二次電池の現在電力量が目標電力量を超える場合、前記燃料電池に前記車両の補機類を作動させる程度の最低限の電力を出力させる
請求項１又は２に記載の燃料電池鉄道車両。
車両のモータを駆動するための燃料電池と、前記燃料電池またはモータから出力された電力を蓄電可能であると共にモータを駆動するために蓄電した電力を出力可能な二次電池を用意し、
前記燃料電池および二次電池によって電力を出力し、
前記二次電池の目標電力量と現在電力量との差分が基準以下となる場合、前記燃料電池によって最大効率の電力を出力する
燃料電池鉄道車両の電力制御方法。