JP2016535567A

JP2016535567A - 負荷の電源の構造を最適化する方法

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Publication number: JP2016535567A
Application number: JP2016518704A
Authority: JP
Inventors: フルーリー，ブノワ; マシオ，グレゴール; ランセルヴェ，ピエール−ベルトラン; ラべ，ジュリアン
Original assignee: エアバスディフェンスアンドスペースエスアーエス
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-11-10
Also published as: US10630093B2; US20160248267A1; FR3011398A1; FR3011398B1; CN105594091A; EP3053245B1; KR20160093594A; EP3053245A1; WO2015044439A1

Abstract

本発明は、負荷の電源の構造を最適化する方法に関するものであり、当該方法は以下の工程：時間経過に伴う負荷による電力必要量に応じて寸法決定するミッションプロファイル（１６）を決定する工程；ハイブリッド形成のためのエネルギー貯蔵源を定義付けする工程；特徴的挙動モデルと各エネルギー貯蔵源とを関連付ける工程；ミッションプロファイルを作成することが可能なエネルギー貯蔵源の組み合わせを最小限の集合体で決定する工程；及び、エネルギー貯蔵源の可能性ある組み合わせから、最低限の集合体で組み合わせを決定する工程、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は負荷の電源の構造を最適化する方法に関する。より具体的には本発明は、用語「ハイブリッド電源」としても知られている複数のエネルギー貯蔵源を備えた電源に関する。

「ハイブリッド電源」とは、スーパーキャパシタのパックに接続したバッテリや燃料電池に接続したバッテリなど、複数のエネルギー貯蔵源を備えた電源であると理解されている。

本発明は多くの分野で用途があり、航空機、衛星又は宇宙機に使用可能である。

負荷へ電力供給するためのハイブリッド電源を使用する公知の装置は多数ある。これらの装置は特に電気バス及び電車、又は電気自動車若しくはハイブリッド自動車に備えられる。これらの装置にはバッテリ及びスーパーキャパシタのパックなどの補足的なエネルギー貯蔵源が使用されている。従来技術では特に、この種の装置を記載したフランス特許第２９４７００６号（特許文献１）が挙げられる。

複数のエネルギー貯蔵源を使用することにより、高負荷が必要なときに１つのエネルギー貯蔵源が補充源として使用できるようになる。この補充源は、負荷需要量が一次電源の生産能力より低いときに、引き続き一次電源により再充電される。

従ってこれらのハイブリッド電源により一次エネルギー貯蔵源の必要な電気容量が抑えられ、電源の全容量も抑えられる。しかし、ある電源では、単一の電源での単純な溶液の保持、例えばバッテリよりも複合的多電源構造の使用を選ぶことが必ずしも妥当である訳ではない。従って、従来の構造より扱い難く、効果も少ない可能性のあるハイブリッド電源に基づいて新規な電源構造を開発してしまうリスクがある。

フランス特許第２９４７００６号

本発明は、このリスクを予想できる方法を計画することによってこの課題を解決することを目的とする。

この目的のために、第１の態様によれば、本発明は負荷の電源の構造を最適化するための方法に関連するものであり、当該方法は以下の工程：時間経過に伴う負荷の電気容量需要に応じて寸法設計ミッションプロファイルを決定する工程、ハイブリッド形成のための可能なエネルギー貯蔵源を定義付けする工程、特徴的挙動モデルと各エネルギー貯蔵源とを関連付ける工程、ミッションプロファイルを作成することが可能なエネルギー貯蔵源の組み合わせを最小限の集合体で決定する工程、及び、エネルギー貯蔵源の可能性ある組み合わせの中から最低限の集合体で組み合わせを決定する工程、を含む。

従って本発明により、限られた変数の中で最適な性能を提供するエネルギー貯蔵源の組み合わせを特定することが可能となる。本発明により第１エネルギー貯蔵源に関連する第２エネルギー貯蔵源の使用が抑えられる。更に、第２エネルギー貯蔵源の稼働率プロファイルにより、第１エネルギー貯蔵源による第２エネルギー貯蔵源の再充電の時期を予想することが可能となり、この時期では負荷必要量は第１エネルギー貯蔵源の生産能力より低い。

実施形態の一態様によれば、エネルギー貯蔵源の集合体単位当たりに輸送される電気容量に従って、各特徴的挙動モデルはエネルギー貯蔵源によって供給できる総エネルギーを示すラゴン図に対応する。ラゴン図は一般的にエネルギー貯蔵源生産者によって作成されるため、実施形態のこの態様により特徴的挙動モデルの取得が簡単になる。

実施形態の一態様によれば、最小限の集合体でミッションプロファイルを作成することが可能なエネルギー貯蔵源の組み合わせを決定する工程は以下のサブ工程：ハイブリッド形成するためのエネルギー貯蔵源の各々可能な組み合わせのために、ミッションプロファイルを作成して２つのエネルギー貯蔵源の全集合体を最小限にすることが可能なエネルギー貯蔵源のラゴン図上で動作点を決定する工程、を含む。実施形態のこの態様により、各エネルギー貯蔵源の動作点、及びラゴン図の動作点に関連する各エネルギー貯蔵源の集合体を特定することが可能になる。

実施形態の一態様によれば、当該方法は、このように決定された組み合わせの集合体と、既存の構造中のエネルギー源集合体とを比較する工程も含む。実施形態のこの態様により、集合体に関する期待できる利点が予測可能になり、それによって既存の構造を変更することが適切であるか否かを判断できるようになる。

実施形態の一態様によれば、当該方法は以下の工程：ハイブリッド形成に適した電力変換器を定義付けする工程、利用可能な電力変換器の機能に応じて最小限の集合体でミッションプロファイルを作成することが可能であるエネルギー貯蔵源の組み合わせを決定する工程、このように決定された組み合わせの機能に応じて電力変換器を決定する工程、を含む。実施形態のこの態様により、電源構造の最適化において利用可能な電力変換器のリストをまとめることが可能になる。

実施形態の一態様によれば、ハイブリッド形成に適したエネルギー貯蔵源を定義する工程にはバッテリ、スーパーキャパシタ又は燃料電池タイプのエネルギー貯蔵源の計画が含まれる。実施形態のこの態様により、ハイブリッド形成に特に適しているエネルギー貯蔵源を事前に選択することが可能になる。バッテリは一次電源として使用し、スーパーキャパシタのパックは補充電源として使用することが好ましい。

実施形態の一態様によれば、当該方法は、このように決定された組み合わせにおけるエネルギー貯蔵源、及びこのように決定された組み合わせにおけるエネルギー貯蔵源の稼働率プロファイルを読み取る工程も含む。

第二の態様によれば、本発明は、本発明に従った方法で最適化する負荷の電源構造に関する。

本発明は図面を参照しながら、発明の実施形態の態様を説明するだけの目的で以下に提供する記述により明らかになる。

図１は負荷に電力を供給するための構造の概略図である。図２は本発明に従った電源構造を最適化するための方法を説明するフローチャートである。図３は本発明の方法における入出力の概略図である。図４は最適な電源構造である。

図１は負荷１１に電力を供給するための構造１０を説明している。負荷１１の電気容量需要Ｐｃｈｇ（ｔ）は２つのエネルギー貯蔵源１３及び１４により時間経過に伴い充足させる。第１エネルギー貯蔵源１３は電気容量Ｐｂａｔ（ｔ）を輸送する一連のバッテリに対応し、第２のエネルギー貯蔵源１４は電気容量Ｐｓｃ（ｔ）を輸送する一連のスーパーキャパシタに対応する。変形例として、これらのエネルギー貯蔵源は、本発明を変更することなく多様に変えられる。負荷１１はサーボ制御ジャックなどの任意のアクチュエータに対応する。

この構造１０は図２に記載された最適化方法で最適化する。第１の工程では、当該方法は工程２０において、時間ｔの経過に伴い負荷の電気容量需要Ｐｃｈｇ（ｔ）に従って寸法設計ミッションプロファイル１６を決定する。このミッションプロファイル１６の例は図３に示す。実際、このミッションプロファイル１６は時間ｔの経過に伴い負荷１１の電気容量需要Ｐｃｈｇ（ｔ）のテスト系列の数によって決定する。記録した測定値の中で最も好ましくない効率はミッションプロファイル１６を作成するために関連付けてサンプリングする。サンプルの離散化により、ミッションプロファイル１６の精度は変動し得る。

次に、工程２１でハイブリッド形成に適したエネルギー貯蔵源１３及び１４を定義し、工程２２で各電源を特徴的挙動モデル、例えばラゴンモデルと関連付ける。ラゴンモデルは、エネルギー貯蔵源１３及び１４の集合体単位当たりに輸送される電気容量Ｐｓｐｅｃ．ｂａｔ及びＰｓｐｅｃ．ｓｃに伴う、エネルギー貯蔵源１３及び１４により輸送され得るＥｓｐｅｃ．ｂａｔ及びＥｓｐｅｃ．ｓｃである総エネルギーを示す。図３はバッテリＢａｔ．Ａ、Ｂａｔ．Ｂ、Ｂａｔ．Ｃ及びＢａｔ．Ｄの４つのラゴンモデル、並びにスーパーキャパシタのパックＳｃ．Ａ及びＳｃ．Ｂの２つのラゴンモデルを示す。これらのラゴン図は一般的にメーカーから提供される。ハイブリッド形成に適したエネルギー貯蔵源１３及び１４はバッテリ、スーパーキャパシタ又は燃料電池タイプのものであることが好ましい。

２１でこのように定義されたエネルギー貯蔵源１３及び１４から、当該方法は工程２４において、ハイブリッド形成に適し、最小限の集合体でミッションプロファイル１６を作成することが可能な組み合わせを決定する。ハイブリッド形成に適したエネルギー貯蔵源１３及び１４の各組み合わせ、並びにエネルギー貯蔵源１３及び１４のラゴン図上の各動作点に関し、当該方法にはプログラミングの課題がある。この課題はハイブリッド電源の集合体を最小限にするエネルギー貯蔵源１３及び１４の稼働率プロファイルを決定するために解決するものである。

工程２５では、最低限の集合体で組み合わせを特定することにより、可能性ある組み合わせから組み合わせ１８を決定する。図３に示す例では、エネルギー貯蔵源１３及び１４はバッテリＢａｔ．Ｄ及びスーパーキャパシタのパックＳｃ．ｂである。動作点は十字印で表している。当該方法は、このように決定した組み合わせ１８の集合体Ｍａｌｉｍと既存の構造中のエネルギー源の集合体との比較工程２６も含む。動作点により、ミッションプロファイルを輸送し得るエネルギー貯蔵源１３及び１４の稼働率プロファイル３２及び３３が定義付けできる。第１エネルギー貯蔵源１３の稼働率プロファイル３２ではあまり変動はないが、第２エネルギー貯蔵源１４の稼働率プロファイル３３での変動性は高い。従って、第１エネルギー貯蔵源１３は一次エネルギー源であり、一方、第２エネルギー貯蔵源１４は負荷１１の電気容量需要Ｐｃｈｇ（ｔ）の高い変動性を相殺するために使用する補充エネルギー源である。

本発明の方法により、エネルギー貯蔵源１３及び１４の選択だけでなく、ハイブリッド形成に適した電力変換器３８及び３９のリストをまとめることが可能になる。１工程２３はこれらの電力変換器３８及び３９の定義付けを含むものであり、エネルギー貯蔵源１３及び１４の組み合わせは、上記電力変換器３８及び３９の機能に応じて工程２４で決定する。図３に示す例では、比容量の数値は変換器に、Ｐｓｐｅｃ．ｄｃｄｃ．ｂａｔ、Ｐｓｐｅｃ．ｄｃｄｃ．ｓｃ及びＰｓｐｅｃ．ｄｃｄｃ．ｃｈｇと入力する。工程２７では電力変換器３８及び３９は選択した組み合わせ１８の機能に応じて決定する。

１工程２８には、このように決定した組み合わせ１８のエネルギー貯蔵源１３及び１４、並びにこのように決定した組み合わせ１８のエネルギー貯蔵源１３及び１４の稼働率プロファイル３２及び３３の読取りが含まれる。

従って本発明により負荷１１の電源の最適化された構造１０が定義付けられる。図４は負荷１１の電源の最適化された構造１０を表す。２つの制御手段Ｃｂａｔ（ｔ）及びＣｓｃ（ｔ）を介してエネルギー貯蔵要素１３及び１４により輸送された電気容量Ｐｂａｔ（ｔ）及びＰｓｃ（ｔ）を定義するように設計された２つの変換器３８及び３９はコンピュータユニット４０により制御される。制御手段Ｃｂａｔ（ｔ）及びＣｓｃ（ｔ）は、負荷１１の電気容量需要Ｐｃｈｇ（ｔ）及びエネルギー貯蔵源１３及び１４の稼働率プロファイル３２及び３３の機能に応じて時間ｔの経過に伴って調整する。

Claims

負荷（１１）の電源の構造（１０）を最適化する方法であって、以下の工程：
‐時間（ｔ）の経過に伴う負荷の電気容量需要（Ｐｃｈｇ（ｔ））に応じて寸法設計ミッションプロファイル（１６）を決定する工程（２０）；
‐バッテリ、スーパーキャパシタ又は燃料電池タイプのエネルギー貯蔵源（１３、１４）の中から、ハイブリッド形成のための可能なエネルギー貯蔵源（１３、１４）を定義付けする工程（２１）；
‐特徴的挙動モデルと前記各エネルギー貯蔵源（１３、１４）とを関連付ける工程（２２）；
‐ミッションプロファイル（１６）を作成することが可能なエネルギー貯蔵源（１３、１４）の組み合わせを最小限の集合体で決定する工程（２４）；及び
‐エネルギー貯蔵源（１３、１４）の前記可能性ある組み合わせの中から最低限の集合体で組み合わせ（１８）を決定する工程（２５）
を含むことを特徴とする方法。
前記各特徴的挙動モデルは、前記エネルギー貯蔵源（１３、１４）の集合体単位当たりに輸送される電気容量（Ｐｓｐｅｃ．ｂａｔ、Ｐｓｐｅｃ．ｓｃ）に伴う、前記エネルギー貯蔵源（１３、１４）によって供給できる総エネルギー（Ｅｓｐｅｃ．ｂａｔ、Ｅｓｐｅｃ．ｓｃ）を示すラゴン図に対応していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
最小限の集合体で前記ミッションプロファイル（１６）を作成することが可能なエネルギー貯蔵源（１３、１４）の組み合わせを決定する前記工程（２４）は以下のサブ工程：ハイブリッド形成するためのエネルギー貯蔵源（１３、１４）の各可能な組み合わせのために、前記ミッションプロファイル（１６）を作成して前記２つのエネルギー貯蔵源（１３、１４）の全集合体を最小限にすることが可能なエネルギー貯蔵源（１３、１４）の前記ラゴン図上で動作点を決定する工程、を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
このように決定した前記組み合わせ（１８）の前記集合体と、既存の構造中のエネルギー源集合体とを比較する工程（２６）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
以下の工程：
‐ハイブリッド形成に適した電力変換器（３８、３９）を定義付けする工程（２３）；
‐利用可能な電力変換器（３８、３９）の機能に応じて最小限の集合体で前記ミッションプロファイル（１６）を作成することが可能であるエネルギー貯蔵源（１３、１４）の組み合わせを決定する工程（２４）；及び
‐このように決定した前記組み合わせ（１８）の機能に応じて電力変換器（３８、３９）を決定する工程（２７）
を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
このように決定した前記組み合わせ（１８）における前記エネルギー貯蔵源（１３、１４）、及びこのように決定した前記組み合わせ（１８）における前記エネルギー貯蔵源（１３、１４）の稼働率プロファイル（３２、３３）を読み取る工程（２８）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。