JP2016127632A - 電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電機及び蓄電池を備える電力システムにおいて、発電機を断続的に動作させる場合に、受電装置に対して好適に電力を出力する。
【解決手段】燃料電池１１と、燃料電池１１により発電された電力を充電可能な蓄電池１２と、を備える電力システムにおいて、電力システムは、給電装置３０に対して電力供給が可能な状態で接続され、電力システムに要求される要求電力が蓄電池１２から出力可能な電力である出力可能電力以上である場合に、燃料電池１１による発電を実施する制御部２０を備え、制御部２０は、蓄電池１２の出力電圧と、給電装置３０の入力電圧の下限値との比較に基づいて、燃料電池１１による発電を実施することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

発電機と、その発電機により発電された電力を充電可能な蓄電池と、を備える電力システムに関する。

近年、燃料電池及び蓄電池を備える燃料電池車において、燃料電池及び蓄電池と給電装置（受電装置）とを接続し、燃料電池及び蓄電池から給電装置に電力を供給するシステムが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−５６７７１号公報

燃料電池のような発電機では、出力電力の小さい領域では、電力効率が低いという特性を有する。そこで、要求電力が小さい領域では、発電機による発電を抑制するために、要求電力が蓄電池の出力可能電力以下であることを条件として、発電機による発電を停止する構成が考えられる。これにより、発電機の出力電流の低下に伴う発電機の電力効率の低下を抑制することができる。

しかしながら、燃料電池の電力効率の低下を抑制することができる一方、蓄電池の充電率（SOC: State of Charge）の低下に伴って、蓄電池の出力電圧は低下する。このため、受電装置に対する電力システムとしての出力電圧が低下し、問題が生じることが考えられる。

本発明は、発電機及び蓄電池を備える電力システムにおいて、発電機を断続的に動作させる場合に、受電装置に対して好適に電力を出力することを目的とする。

本発明は、発電機（１１）と、その発電機により発電された電力を充電可能な蓄電池（１２）と、を備える電力システムにおいて、前記電力システムは、その電力システムの外部の受電装置（３０）に対して電力供給が可能な状態で接続され、前記電力システムに要求される要求電力が前記蓄電池から出力可能な電力である出力可能電力以上である場合に、前記発電機による発電を実施する制御部（２０）を備え、前記制御部は、前記蓄電池の出力電圧と、前記受電装置の入力電圧の下限値との比較に基づいて、前記発電機による発電を実施することを特徴とする。

蓄電池の充電率の低下に伴って、蓄電池の出力電圧は低下する。受電装置に入力電圧の下限値が存在する場合に、蓄電池の出力電圧が、その下限値より低下することが考えられる。そこで、本発明では、蓄電池の出力電圧が受電装置の入力電圧の下限値との比較に基づいて、発電機による発電を実施する。これにより、電力システムから受電装置への出力電圧が受電装置の入力電圧の下限値より低くなることを抑制し、受電装置に対して好適に電力を出力することが可能になる。

本実施形態における電力システムを表す概略図。 燃料電池の出力電圧−出力電流特性を表す図。 本実施形態の制御機能を表す機能ブロック図。 燃料電池における発電の実施／停止の切替処理を表すフローチャート。

図１に本実施形態における電力システムを表す概略図を示す。電力システムは、燃料電池車である車両１０に搭載されている車載電力システムである。電力システムは、燃料電池１１（発電機）、及び、燃料電池１１により発電された電力を充電可能な蓄電池１２、制御部２０を備えている。なお、制御部２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及び、ＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータである。また、車両１０は、インバータ１３，１４、ＤＣＤＣコンバータ１５，１６、モータジェネレータ１７（走行用モータ）、エアポンプ１８、及び、補機１９、及び、給電装置３０との接続用のコネクタ２１が搭載されている。

燃料電池１１は、固体高分子型の燃料電池であり、燃料として水素を用い、触媒として白金系を用いるものである。燃料電池１１の水素極には、水素タンク（図示略）から水素．が供給されるともに、酸素極に反応用空気（酸素）が供給される。蓄電池１２は、リチウムイオン二次電池である。

モータジェネレータ１７は、車両１０の走行中において、車両１０に動力を与える力行動作、及び、車両１０の動力を利用して発電を行う回生動作を行う。インバータ１３は、力行動作において、燃料電池１１及び蓄電池１２（本電力システム）から供給される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１７に出力する。また、インバータ１３は、回生動作において、モータジェネレータ１７から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池１２に出力する。

エアポンプ１８は、燃料電池１１の酸素極に対して反応用空気を供給する。インバータ１４は、燃料電池１１及び蓄電池１２から供給される直流電力を交流電力に変換してエアポンプ１８に供給する。補機１９は、蓄電池１２に接続され電力を供給される。

ここで、燃料電池１１の端子間電圧、蓄電池１２の端子間電圧、及び、インバータ１３，１４の入出力電圧はそれぞれ異なるものである。このため、燃料電池１１とインバータ１３とは、電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ１５を介して接続されている。また、蓄電池１２とインバータ１４とは、電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ１６を介して接続されている。また、ＤＣＤＣコンバータ１５とＤＣＤＣコンバータ１６とは互いに接続されている。

また、コネクタ２１は、給電ケーブル３１を介して蓄電池１２及びＤＣＤＣコンバータ１６と給電装置３０（受電装置）とを接続する。つまり、電力システムが、電力システムの外部の給電装置３０に対して電力供給可能な状態で接続される。給電装置３０は、燃料電池１１及び蓄電池１２から電力を供給され、家屋などの建物内の電気負荷に対して電力を供給する。なお、給電装置３０は、商用電源と蓄電池１２とを接続し、蓄電池１２の充電を実施する機能を有する。

給電装置３０は、制御部２０に対して建物内の電気負荷へ供給する給電電力Ｐｈを通知する。制御部２０は、インバータ１４のゲインを調整することで、エアポンプ１８の動作を調整し、給電電力Ｐｈを満たすように燃料電池１１の出力電力を制御する。ここで、燃料電池１１の出力電力を発電電力Ｐｆ、蓄電池１２の入出力電力を電池電力Ｐｂ（放電時に正とし、充電時に負とする）、モータジェネレータ１７の入出力電力をモータ電力Ｐｍ、エアポンプ１８の入力電力をエアポンプ電力Ｐａと表記する。また、補機１９の入力電力、及び、インバータ及び１３，１４、ＤＣＤＣコンバータ１５，１６における電力損失の和を車載負荷に入力される電力である負荷電力Ｐｒと表記する。

給電装置３０に対して給電を実施している場合、Ｐｆ＋Ｐｂ＝Ｐｈ＋Ｐａ＋Ｐｒが成立する。給電電力Ｐｈと、エアポンプ電力Ｐａと、負荷電力Ｐｒとの和が、電力システムに要求されている電力である要求電力Ｐｔに相当する。なお、給電装置３０に対して給電を実施している場合、車両１０は停止しているため、モータジェネレータ１７の動作は停止しており、モータ電力Ｐｍは０である。

ここで、給電電力Ｐｈ、負荷電力Ｐｒ、及び、エアポンプ電力Ｐａは、それぞれ建物内の電気負荷の駆動状態、補機１９の駆動状態、及び、エアポンプ１８の駆動状態によって変動する。また、電池電力Ｐｂは、蓄電池１２の開放端電圧や内部抵抗に応じて変動する。蓄電池１２の開放端電圧は、蓄電池１２のＳＯＣに応じて変動する。

これに対して、発電電力Ｐｆが発電電力目標値Ｐｆ＊（Ｐｆ＊＝Ｐｈ−Ｐｂ＋Ｐａ＋Ｐｒ＝Ｐｔ−Ｐｂ）を満たすように、制御部２０が燃料電池１１における発電を制御することで、給電電力Ｐｈを満たすように電力システムを制御することができる。

燃料電池１１は、出力電力の小さい領域において、発電効率が低いという特性を有する。そこで、要求電力Ｐｔが小さい領域では、燃料電池１１による発電を抑制するとともに、要求電力Ｐｔが蓄電池１２の出力可能電力Ｐｂ＿ｍａｘより大きい場合に、燃料電池１１における発電を実施する構成とする。これにより、燃料電池１１の出力電流Ｉｆの低下に伴う燃料電池１１の発電効率の低下を抑制しつつ、要求電力Ｐｔを満たすことが可能になる。

更に、出力電圧Ｖｂと下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎとの比較に基づいて、燃料電池１１における発電を実施する。具体的には、出力電圧Ｖｂと下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎとの偏差に基づいて、燃料電池１１の発電電力目標値Ｐｆ＊を設定する。詳しくは、出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎよりも低いほど、発電電力目標値Ｐｆ＊を大きく設定する。これにより、給電装置３０に対して供給される電力の電圧を安定化させることが可能になる。

図２に燃料電池１１の出力電圧−出力電流特性を示す。燃料電池１１の出力電流Ｉｆを０から増加させていく場合、領域１において、活性化分極により、出力電圧Ｖｆが急激に減少する。その後、領域２において、抵抗分極により、出力電流Ｉｆに比例して、出力電圧Ｖｆが減少する。その後、領域３において、拡散分極により、出力電圧Ｖｆが急激に減少する。

燃料電池１１は、領域１において、触媒の劣化が加速する。また、燃料電池１１は、通常の使用領域（領域１及び２）において、発電電力Ｐｆの減少に伴って出力電圧Ｖｆが上昇するような所定の出力電力特性を有する。そこで、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆが所定の電圧値となるような所定電力を発電電力最小値Ｐｆ＿ｍｉｎとし、その発電電力最小値Ｐｆ＿ｍｉｎを発電電力目標値Ｐｆ＊が下回る場合に、燃料電池１１における発電を停止する。このような制御を行うことで、燃料電池１１の触媒の劣化を抑制することができる。

また、蓄電池１２のみから電力供給を行っていると、蓄電池１２のＳＯＣの低下に伴い、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが低下していく。出力電圧Ｖｂが低下していくことで、給電装置３０の入力電圧の下限値である下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎを下回ることが考えられる。そこで、本実施形態では、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎとの比較に基づき、燃料電池１１における発電を実施する。より具体的には、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎより低下した場合に、燃料電池１１における発電を実施する。これにより、電力システムから給電装置３０への出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎ以上となり、給電装置３０に対して好適に電力を出力することが可能になる。

また、制御部２０は、車両１０の走行中、及び、外部給電中において、蓄電池１２のＳＯＣを所定範囲内に収める制御を実施する。ここで、外部給電中において、蓄電池１２のＳＯＣを所定範囲内に収める制御を実施すると、燃料電池１１における発電の実施と停止とが繰り返されることになる。この発電の実施と停止との切り替えが短い時間で繰り返されると、例えば、燃料電池１１に対して酸素を供給するエアポンプ１８が短時間で断続的に動作することになり、ユーザに違和感を与えることになる。

車両１０の走行中は、車両１０の走行状態によって、モータジェネレータ１７の入出力電力が変化するため、電力システムに対する入出力電力の変動が大きい。一方、給電装置３０に電力を出力する場合、車両１０は停止しているため、電力システムの出力電力（Ｐｆ＋Ｐｂ）の変動が小さい。そこで、給電装置３０への電力出力中において、車両１０が走行している場合に比べて、ＳＯＣの制御範囲を広く設定することで、燃料電池１１における発電の実施と停止との切り替え周期を長くし、ユーザに与える違和感を抑制することが可能になる。

図３に本実施形態における制御部２０の機能を表す機能ブロック図を示す。

ＳＯＣ偏差算出部４１は、蓄電池１２の現在のＳＯＣとＳＯＣ上限値ＳＯＣ＿ｍａｘとの偏差を算出する。ＰＩ制御器４２は、ＳＯＣ偏差算出部４１によって算出された偏差を入力値とし、比例積分演算を行う。また、ＳＯＣ偏差算出部４３は、蓄電池１２の現在のＳＯＣとＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎとの偏差を算出する。これらＳＯＣ上限値ＳＯＣ＿ｍａｘ及びＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎは、蓄電池１２の過充電及び過放電を防止するために設定されている。

ＰＩ制御器４４は、ＳＯＣ偏差算出部４３によって算出された偏差を入力値とし、比例積分演算を行う。加算部４５は、ＰＩ制御器４２の出力値と、ＰＩ制御器４４の出力値とを加算する。加算部４５の出力が、蓄電池１２のＳＯＣに基づく蓄電池１２の入力電力目標値に相当する。

電圧偏差算出部４６は、現在の蓄電池１２の出力電圧Ｖｂと出力電圧上限値Ｖｂ＿ｍａｘとの偏差を算出する。ＰＩ制御器４７は、電圧偏差算出部４６によって算出された偏差を入力値とし、比例積分演算を行う。また、電圧偏差算出部４８は、現在の蓄電池１２の出力電圧Ｖｂと出力電圧下限値Ｖｂ＿ｍｉｎとの偏差を算出する。これら出力電圧上限値Ｖｂ＿ｍａｘ及び出力電圧下限値Ｖｂ＿ｍｉｎは、蓄電池１２の過充電及び過放電を防止するために設定されている。

ＰＩ制御器４９は、電圧偏差算出部４８によって算出された偏差を入力値とし、比例積分演算を行う。加算部５０は、ＰＩ制御器４７の出力値と、ＰＩ制御器４９の出力値とを加算する。加算部５０の出力が、出力電圧Ｖｂに基づく蓄電池１２の入力電力目標値に相当する。

加算部５１は、加算部４５の出力と加算部５０の出力とを加算する。加算部５１の出力が、蓄電池１２の入力電力目標値（−Ｐｂ＊）に相当する。加算部５２は、給電電力Ｐｈと、負荷電力Ｐｒと、エアポンプ電力Ｐａとを加算し、要求電力Ｐｔを出力する。このように、要求電力Ｐｔを、負荷電力Ｐｒ及びエアポンプ電力Ｐａの和（第１要求電力）と、給電電力Ｐｈ（第２要求電力）との和として設定する。これにより、給電装置３０に対する給電機能を持たない既存の電力システムに対して、その給電機能を新たに実装する場合に、その実装を簡易に実施することが可能になる。

加算部５３は、加算部５１の出力である入力電力目標値（−Ｐｂ＊）と、要求電力Ｐｔとを加算し、発電電力目標値Ｐｆ＊を出力する。判定部５４には、要求電力Ｐｔと、発電電力目標値Ｐｆ＊と、ＳＯＣと、出力電圧Ｖｂとが入力される。判定部５４は、これらの入力値に基づいて、燃料電池１１における発電の実施と、発電の停止とを切り替える。

図４に本実施形態における、燃料電池１１の発電実施及び発電停止の切り替え処理を表すフローチャートを示す。本処理は、制御部２０において所定周期毎に実施される。

ステップＳ０１において、外部給電中か否かを判定する。外部給電中か否かの判定は、例えば、制御部２０と給電装置３０との通信が確立しているか否かに基づいて判定することができる。外部給電中でないと判定されると（Ｓ０１：ＮＯ）、ステップＳ０２において、通常時の処理が行われる。

外部給電中であると判定されると、ステップＳ０３において、蓄電池１２のＳＯＣ範囲を広く設定する。具体的には、通常走行中において、蓄電池１２のＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎは４５％に設定され、ＳＯＣ上限値ＳＯＣ＿ｍａｘは５０％に設定されている。これを変更し、蓄電池１２のＳＯＣ上限値ＳＯＣ＿ｍａｘを６０％にする。次に、ステップＳ０４において、燃料電池１１の発電電力目標値Ｐｆ＊を、蓄電池１２の入力電力目標値（−Ｐｂ＊）及び要求電力Ｐｔに基づいて設定する。詳しくは、要求電力Ｐｔと燃料電池１１の入力電力目標値（−Ｐｂ＊）を加算（要求電力Ｐｔから燃料電池１１の出力電力目標値Ｐｂ＊を減算）して、発電電力目標値Ｐｆ＊を設定する。

ステップＳ０５において、蓄電池１２の現在のＳＯＣがＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ未満であるか否かを判定する。蓄電池１２の現在のＳＯＣがＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ未満である場合（Ｓ０５：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、燃料電池１１における発電を実施し、処理を終了する。

蓄電池１２の現在のＳＯＣがＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎ以上である場合（Ｓ０５：ＮＯ）、ステップＳ０７において、要求電力Ｐｔが蓄電池１２の出力可能電力Ｐｂ＿ｍａｘより大きいか否かを判定する。要求電力Ｐｔが出力可能電力Ｐｂ＿ｍａｘより大きい場合（Ｓ０７：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、燃料電池１１における発電を実施し、処理を終了する。

要求電力Ｐｔが出力可能電力Ｐｂ＿ｍａｘ以下である場合（Ｓ０７：ＮＯ）、ステップＳ０８において、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが、給電装置３０の下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎより小さいか否かを判定する。出力電圧Ｖｂが給電装置３０の下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎのより小さい場合（Ｓ０８：ＹＥＳ）、ステップＳ０６において、燃料電池１１における発電を実施し、処理を終了する。

ステップＳ０９において、発電電力目標値Ｐｆ＊が、発電電力最小値Ｐｆ＿ｍｉｎより小さいか否かを判定する。発電電力目標値Ｐｆ＊が発電電力最小値Ｐｆ＿ｍｉｎより小さい場合（Ｓ０９：ＹＥＳ）、ステップＳ１０において、燃料電池１１における発電を停止するとともに、蓄電池１２から給電装置３０に対する電力供給を実施する。要求発電電力が発電電力最小値Ｐｆ＿ｍｉｎ以上の場合（Ｓ０９：ＮＯ）、ステップＳ０６において、燃料電池１１における発電を実施し、処理を終了する。

（他の実施形態）
・上記実施形態では外部給電中において、ＳＯＣ範囲の上限値であるＳＯＣ上限値ＳＯＣ＿ｍａｘを増加させる構成としたが、これを変更し、ＳＯＣ範囲の下限値であるＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎを減少させる構成としてもよい。また、ＳＯＣ上限値ＳＯＣの増加と、ＳＯＣ下限値ＳＯＣ＿ｍｉｎの減少をともに実施する構成としてもよい。

・上記実施形態では、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎより低下した場合に、燃料電池１１における発電を実施する構成とした。これを変更し、蓄電池１２の出力電圧Ｖｂが、下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎと許容値ΔＶの和（Ｖｈ＿ｍｉｎ＋ΔＶ）より低下した場合に、燃料電池１１における発電を実施する構成としてもよい。

・出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎよりも低いほど、発電電力目標値Ｐｆ＊を大きく設定する構成としたが、これを変更し、出力電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｈ＿ｍｉｎよりも低い場合に、所定の発電電力目標値Ｐｆ＊に設定する構成としてもよい。

・発電機は、燃料電池に代えて、内燃機関の駆動軸の回転により発電を行うオルタネータであってもよい。この場合、車両は、燃料電池車に代えて、プラグインハイブリッド自動車となる。

・燃料電池は、固体高分子型の燃料電池に代えて、リン酸型、固体酸化物型、及び、溶融炭酸塩型などの他の種類の燃料電池であってもよい。また、上記実施形態の構成は、車載電力システムに代えて、携帯型燃料電池システムに適用されるものであってもよい。また、蓄電池は、鉛蓄電池や、ニッケル水素蓄電池などの他の種類の蓄電池であってもよい。

・給電装置が制御部を備える構成であってもよい。

１１…燃料電池、１２…蓄電池、２０…制御部、３０…給電装置。

Claims (5)

1. 発電機（１１）と、その発電機により発電された電力を充電可能な蓄電池（１２）と、を備える電力システムにおいて、
   前記電力システムは、その電力システムの外部の受電装置（３０）に対して電力供給が可能な状態で接続され、
   前記電力システムに要求される要求電力が前記蓄電池から出力可能な電力である出力可能電力以上である場合に、前記発電機による発電を実施する制御部（２０）を備え、
   前記制御部は、前記蓄電池の出力電圧と、前記受電装置の入力電圧の下限値との比較に基づいて、前記発電機による発電を実施することを特徴とする電力システム。
2. 前記発電機は、燃料電池であって、
   前記制御部は、前記要求電力から前記蓄電池の出力電力を引いた値が所定電力を下回る場合に、前記燃料電池における発電を停止するとともに、前記蓄電池から前記受電装置に対する電力供給を実施することを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
3. 前記電力システムは、車両（１０）に搭載され、前記車両の走行用モータに電力を供給する車載電力システムであって、
   前記制御部は、前記蓄電池の充電率が所定の範囲となるように、前記発電機における発電を実施するものであって、
   前記受電装置に前記電力システムが接続されている場合に、前記車両が走行している場合に比べて、前記範囲を広く設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力システム。
4. 前記制御部は、前記蓄電池の出力電圧と前記受電装置の入力電圧の下限値との偏差に基づいて、前記発電機の出力電力を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力システム。
5. 前記電力システムは、車両に搭載され、前記車両の走行用モータに電力を供給する車載電力システムであって、
   前記制御部は、前記車両に搭載されている車載負荷が要求する第１要求電力と、前記受電装置が要求する第２要求電力の和として、前記要求電力を設定し、前記発電機の出力電力と前記蓄電池の出力電力との和が前記要求電力となるように、前記発電機の出力電力を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力システム。

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