JP2013207952A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率を向上させ、燃費を向上させる。
【解決手段】車両のモータを駆動するために出力可能な燃料電池と、モータまたは燃料電池の出力によって蓄電可能であると共に出力可能な二次電池と、二次電池が充電目標充電状態ＳＯＣ_ｃ０に達するまで燃料電池を最大効率点で出力させ、二次電池が充電目標充電状態に達した後、二次電池を放電目標充電状態ＳＯＣ_ｄ０まで放電させると共に燃料電池の出力を最低出力値Ｉｂａｓｅまで低下させる制御装置を有する。
【選択図】図４

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（１０）のモータ（１５Ａ、１５Ｂ）を駆動するために出力可能な燃料電池（１１）と、モータ（１５Ａ、１５Ｂ）または燃料電池（１１）の出力によって蓄電可能であると共に放電により出力可能な二次電池（１７）と、二次電池（１７）が充電目標充電状態に達するまで燃料電池（１１）を最大効率点で出力させ、二次電池（１７）が充電目標充電状態に達した後、二次電池（１７）を放電目標充電状態まで放電させると共に燃料電池（１１）の出力を最低出力値まで低下させる制御装置（２０）を有する。

以上の特徴において、制御装置（２０）は、車両（１０）の走行時の充電目標充電状態を、車両（１０）の停止時の充電目標充電状態と車両（１０）の走行時の運動エネルギーとの差分により設定し、車両（１０）の走行時の放電目標充電状態を、車両（１０）の停止時の放電目標充電状態と車両（１０）の走行時の運動エネルギーとの差分により設定する。

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（１０）のモータ（１５Ａ、１５Ｂ）を駆動するために出力可能な燃料電池（１１）と、燃料電池（１１）またはモータ（１５Ａ、１５Ｂ）の出力によって蓄電可能であると共に放電により出力可能な二次電池（１７）を用意し、二次電池（１７）が充電目標充電状態に達するまで燃料電池（１１）を最大効率点で出力させ、二次電池（１７）が充電目標充電状態に達した後、放電目標充電状態まで二次電池（１７）を放電させると共に燃料電池（１１）の出力を最低出力値まで低下させる。

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。 目標ＳＯＣを制御指標とした燃料電池出力制御関数を示す図である。 燃料電池鉄道車両の電力制御方法を示すフローチャートである。 燃料電池鉄道車両の電力制御方法を示すフローチャートである。

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。

二次電池１７は、燃料電池コンバータ１２よって発生した余剰な電力、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、同電力制御システムは、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、記憶装置を有する。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処理を実行する。記憶装置は、例えば、ハードディスク、ＤＶＤレコーダーである。

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。これらの燃料電池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Ｐ１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、目標ＳＯＣを制御指標とした燃料電池出力制御関数を示す。

図中において、ＳＯＣ_c0、ＳＯＣ_d0、ＳＯＣ_limit、ＳＯＣ_min、ＳＯＣ_opt、Ｉ_opt、Ｉ_max、Ｉ_baseの意味は、以下の通りである。

ＳＯＣ_c0：停止時充電目標ＳＯＣ（％）
ＳＯＣ_d0：停止時放電目標ＳＯＣ（％）
ＳＯＣ_limit：過充電保護ＳＯＣ（％）
ＳＯＣ_min：充電電流最大ＳＯＣ（％）
ＳＯＣ_opt：急速充電開始ＳＯＣ（％）
Ｉ_opt：最大効率点電流（Ａ）
Ｉ_max：最大電流（Ａ）
Ｉ_base：最低出力値の電流（Ａ）

制御指標としての目標ＳＯＣ（Ｓａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；充電状態）は、充電目標ＳＯＣ_cおよび放電目標ＳＯＣ_dからなる。充電目標ＳＯＣ_cは、二次電池１７の初期の停止時充電目標ＳＯＣ_c0と車両の運動エネルギー（１／２・ｍｖ²）との差分から下記式（１）より求められる。同様に放電目標ＳＯＣ_dは、二次電池の初期放電目標ＳＯＣ_d0と車両の運動エネルギー（１／２・ｍｖ²）との差分から下記式（２）より求める。

ＳＯＣ_c＝ＳＯＣ_c0−ｓｗ・ＳＯＣ_mod−Ｋ_m・ｖ²・・・（１）
ＳＯＣ_d＝ＳＯＣ_c0−ｓｗ・ＳＯＣ_mod−Ｋ_m・ｖ²・・・（２）
ｖ：車両速度（ｋｍ／ｈ）
ｓｗ：スイッチング関数（条件により、「０」または「１」）
Ｋ_m：運動エネルギー定数
ＳＯＣ_mod：停止時目標補正ＳＯＣ（％）

以上の目標ＳＯＣ_cおよび放電目標ＳＯＣ_dを閾値として二次電池の充電、放電制御を実行する。

先ず、図５に示すように、制御装置２０は、同車両１０が停止時であるか否かを決定する（ステップＳ１１）。同車両１０が停止していない時（同ステップのＮＯ）、処理は図６に示すフローチャートの制御処理へ移行する。同車両１０が停止している時（同ステップのＹＥＳ）、処理はステップＳ１２へ移行する。

ステップＳ１２において、制御装置２０は、予め設定した、同車両１０の停止時における停止時充電目標ＳＯＣ_c0と停止時放電目標ＳＯＣ_d0を用いる。制御処理は停止時充電目標ＳＯＣ_c0と停止時放電目標ＳＯＣ_d0との間で実行される（図４のＩで示す範囲）。燃料電池１１は、最大効率点の電流（Ｉ_opt）を出力し、補機類を作動させる。これにより、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る。さらに、ステップＳ１３において、燃料電池１１は、停止時充電目標ＳＯＣ_c0まで二次電池１７を充電する（図４のＩａで示すライン）。

ステップＳ１４において、二次電池１７が停止時充電目標ＳＯＣ_c0に達すると、燃料電池１１の出力を最低出力値（Ｉ_base）まで低下させる。ここで、最低出力値（Ｉ_base）とは、燃料電池１１の「低電圧検知」にかからない程度の大きさである。なお、最低出力値は出力をゼロ（出力停止）にしてもよい。ステップＳ１５において、燃料電池１１の出力を最低出力値（Ｉ_base）まで低下させた二次電池を停止時放電目標ＳＯＣ_d0まで放電、出力させ、補機類を作動させる（図４のＩｂで示すライン）。

ステップＳ１６において、制御処理を継続するか否かを決定する。制御処理を継続する場合（同ステップのＹＥＳ）、ステップＳ１１へ移行する。一方、制御処理を継続しない場合（同ステップのＮＯ）、処理は終了する。

次に、図６において、制御装置２０は、車両が停止時でない場合、車両が走行時であるか否かを決定する（ステップＳ２１）、車両が走行時でない場合（同ステップのＮＯ）、制御処理は終了する。一方、車両が走行状態である場合（同ステップのＹＥＳ）、処理はステップＳ２２へ移行する。

ステップＳ２２において、制御装置２０は、数式（１）により車両の走行時における充電目標ＳＯＣ_c、数式（２）により放電目標ＳＯＣ_dを決定する。制御処理は、充電目標ＳＯＣ_cと放電目標ＳＯＣ_dとの間で実行される（図４のＩＩで示す範囲）。充電目標ＳＯＣ_cと放電目標ＳＯＣ_dとの差分は、例えば、停止時充電目標ＳＯＣ_c0と停止時放電目標ＳＯＣ_d0との差分と同じに設定する。

燃料電池１１は、予め設定した制御関数に従って、電流を出力する（図４のＩＩａで示すライン）。すなわち、二次電池１７が充電されるに従って、燃料電池１１の出力は単調減少し、最大効率点の電流（Ｉ_opt）に達する。さらに、ステップＳ２３において、燃料電池１１は最大効率点の出力を継続し、充電目標ＳＯＣ_cまで二次電池１７を充電する。これにより、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る。

ステップＳ２４において、二次電池１７が充電目標ＳＯＣ_cに達すると、燃料電池１１の出力を最低出力値（Ｉ_base）まで低下させる。そして、ステップＳ２５において、放電目標ＳＯＣ_dまで二次電池を放電、出力させ、同車両１０運行させる。

ステップＳ２６において、制御処理を継続するか否かを決定する。制御処理を継続する場合（同ステップのＹＥＳ）、ステップＳ２１へ移行する。一方、制御処理を継続しない場合（同ステップのＮＯ）、処理は終了する。

なお、二次電池１７のＳＯＣの実際値がＳＯＣ_d以下となる場合、燃料電池１１は、図中に示す制御関数にしたがって、出力を継続する。

また、本制御方法では、同車両１０の走行時と停止時で目標ＳＯＣの設定を区別することも可能である。例えば、停車時に次の加速に備えて高めに設定しておき、加速中は回生エネルギーの吸収に備えて目標ＳＯＣを低く設定してもよい。これは、スイッチング関数により実現する（数式（１）、（２）のｓｗを参照）。

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
２０ 制御装置

Claims (3)

1. 車両のモータを駆動するために出力可能な燃料電池と、
   モータまたは燃料電池の出力によって蓄電可能であると共に放電により出力可能な二次電池と、
   前記二次電池が充電目標充電状態に達するまで燃料電池を最大効率点で出力させ、
   前記二次電池が充電目標充電状態に達した後、二次電池を放電目標充電状態まで放電させると共に燃料電池の出力を最低出力値まで低下させる制御装置を有する
   燃料電池鉄道車両。
2. 前記制御装置は、車両の走行時の充電目標充電状態を、車両の停止時の充電目標充電状態と車両の走行時の運動エネルギーとの差分により設定し、
   車両の走行時の放電目標充電状態を、車両の停止時の放電目標充電状態と車両の走行時の運動エネルギーとの差分により設定する
   請求項１に記載の燃料電池鉄道車両。
3. 車両のモータを駆動するために出力可能な燃料電池と、前記燃料電池またはモータの出力によって蓄電可能であると共に放電により出力可能な二次電池を用意し、
   前記二次電池が充電目標充電状態に達するまで燃料電池を最大効率点で出力させ、
   前記二次電池が充電目標充電状態に達した後、放電目標充電状態まで二次電池を放電させると共に燃料電池の出力を最低出力値まで低下させる
   燃料電池鉄道車両の電力制御方法。

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