JP2018014808A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を抑制することで電力の利用効率を向上させることが可能な電力供給技術を提供する。【解決手段】制御部５００は、ステップＳ１において起動要求が外部給電モードであると判断すると、ステップＳ３に進む。ステップＳ３において、制御部５００は、外部給電システム４００を電力供給システム１に接続するとともに、電源として利用する第１バッテリ３０Ａに接続された第１リレー３１Ａをオンとする一方、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂに接続された第２リレー３１Ｂをオフとすることで、ＦＣ電源１００及び第１バッテリ電源２００Ａの２つの電源のみを起動する。【選択図】図２

Description

本発明は、電力供給システムに関する。

近年、燃料電池及び二次電池を電源として使用する電力供給システムを搭載した燃料電池自動車が注目されている（例えば特許文献１参照）。

図６は、かかる電力供給システムの構成を例示した図である。
電力供給システムは、燃料電池１０と燃料電池１０に接続された昇圧コンバータ２０とを備えたＦＣ電源１００と、第１バッテリ３０Ａと第１バッテリ３０Ａに接続された第１昇降圧コンバータ４０Ａとを備えた第１バッテリ電源２００Ａと、第２バッテリ３０Ｂと第２バッテリ３０Ｂに接続された第２昇降圧コンバータ４０Ｂとを備えた第２バッテリ電源２００Ｂとを備えている。

第１バッテリ３０Ａと第１昇降圧コンバータ４０Ａとの間には、非常用電源などに利用される外部給電システム４００が接続されている。電力供給システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を含む制御部からの起動モードの設定要求に応じて、電気負荷３００、または外部給電システム４００に電力を供給する。詳述すると、制御部は、当該車両を通常走行する際には通常モードに設定する一方、当該車両を非常電源などとして利用する際には外部給電モードに設定する。

通常モードが選択されると、制御部は、外部給電システム４００を電力供給システム１から切り離すとともに、第１バッテリ３０Ａ及び第２バッテリ３０Ｂにそれぞれ接続された第１リレー３１Ａ、第２リレー３１Ｂをオンとすることで、昇圧コンバータ２０とともに第１昇降圧コンバータ４０Ａ、第２昇降圧コンバータ４０Ｂを駆動させる。そして、ＦＣ電源１００、第１バッテリ電源２００Ａ、及び第２バッテリ電源２００Ｂの全ての電源を利用して電気負荷３００への電力供給を開始する。

一方、外部給電モードが選択されると、制御部は、外部給電システム４００を電力供給システム１に接続するとともに、第１バッテリ３０Ａ、第２バッテリ３０Ｂにそれぞれ接続された第１リレー３１Ａ、第２リレー３１Ｂをオンとし、昇圧コンバータ２０とともに第１昇降圧コンバータ４０Ａ、第２昇降圧コンバータ４０Ｂを駆動させる。そして、ＦＣ電源１００と第１バッテリ電源２００Ａの２つの電源を利用して外部給電を開始する。

特開２０１５−５０８９６号公報

上述したように、図６に示す電力供給システムにおいては、外部給電モードが選択されると、電源として利用する第１バッテリ３０Ａの第１リレー３１Ａのみならず、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂの第２リレー３１Ｂも一緒にオンとする。第２リレー３１Ｂがオンされることで、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂの第２昇降圧コンバータ４０Ｂまでも駆動されることとなり、第２昇降圧コンバータ４０Ｂでの不要なスイッチング損失が発生し、電力損失が大きくなってしまう、という問題が懸念されていた。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、スイッチング損失を抑制することで電力の利用効率を向上させることが可能な電力供給技術を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電力供給システムは、燃料電池と、第１バッテリと、第１バッテリに第１リレーを介して接続された第１バッテリ昇降圧コンバータとを含む第１バッテリ電源と、第１リレーと第１バッテリコンバータとの間に接続された外部給電システムと、第２バッテリと、第２バッテリに第２リレーを介して接続された第２バッテリ昇降圧コンバータとを含む第２バッテリ電源と、各電源の動作を制御する制御部とを備えた電力供給システムであって、燃料電池、第１バッテリ電源、及び第２バッテリ電源は、それぞれ電気負荷に対して並列に接続され、制御部は、外部給電システムを利用した外部給電の指令を受けた場合、第１リレーをオンとして第１バッテ昇降圧リコンバータを駆動させる一方、第２リレーをオフとして第２バッテリ昇降圧コンバータを駆動させない、ことを要旨とする。

本発明によれば、スイッチング損失を抑制することで電力の利用効率を向上させることが可能な電力供給技術を提供することができる。

本実施形態に係る電力供給システムの概略構成を示す図である。 電力供給制御処理を示すフローチャートである。 各起動要求と各昇降圧コンバータの駆動の関係を例示した図である。 従来における各起動要求と昇降圧コンバータの駆動の関係を示す図である。 変形例にかかる制御部の構成を示す図である。 従来における電力供給システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

Ａ．本実施形態
[電力供給システムの構成]
図１は、本実施形態に係る車両に搭載された電力供給システム１のシステム構成を示す図である。なお、以下の説明では、燃料電池自動車（ＦＣＶ；Fuel Cell Vehicle）に適用した場合を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源など、燃料電池を搭載したあらゆるシステムに適用可能である。また、説明の理解を容易にするために、図１において、前掲図６に対応する部分には同一符号を付している。

ＦＣ電源１００を構成する燃料電池１０は、アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池を直列に積層してなる固体高分子電解質型のセルスタックを含んで構成される。燃料電池１０は、通常発電の際、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池１０全体としては（３）式の起電反応が生じることにより、電力を発生する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

昇圧コンバータ（ＦＣコンバータ）２０は、燃料電池１０に接続されたＤＣ／ＤＣンバータである。昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０からの出力電圧（以下、ＦＣ電圧）を所望の電圧（例えば６５０Ｖ）に昇圧し、インバータ（図示略）などを介して電気負荷３００に供給する。昇圧コンバータ２０は、例えばＩＰＭ（Intelligent Power Module）等により構成される。

第１バッテリ電源２００Ａを構成する第１バッテリ３０Ａ及び第２バッテリ電源２００Ｂを構成する第２バッテリ３０Ｂは、充放電可能な蓄電部である。第１バッテリ３０Ａ及び第２バッテリ３０Ｂは、例えばリチウムイオン電池、又はニッケル水素バッテリなどにより構成される。

第１バッテリ３０Ａと電気負荷３００との間、及び第２バッテリ３０Ｂと電気負荷３００との間には、それぞれ第１昇降圧コンバータ４０Ａ、及び第２昇降圧コンバータ４０Ｂが接続されている。詳述すると、第１昇降圧コンバータ４０Ａは、第１リレー３１Ａを介して第１バッテリ３０Ａに接続され、第２昇降圧コンバータ４０Ｂは、第２リレー３１Ｂを介して第２バッテリ３０Ｂに接続されている。これら第１リレー３１Ａ、第２リレー３１Ｂのオン、オフを制御することで、第１バッテリ３０Ａと第１昇降圧コンバータ４０Ａの間、第２バッテリ３０Ｂと第２昇降圧コンバータ４０Ｂの間の接続が制御される。

第１昇降圧コンバータ４０Ａ及び第２昇降圧コンバータ４０Ｂは、対応する第１バッテリ３０Ａ及び第２バッテリ３０Ｂの出力電圧（以下、バッテリ電圧）を、上述した所望の電圧（例えば６５０Ｖ）に昇圧する一方、ＦＣ電源１００の昇圧コンバータ２０から出力される電圧を、バッテリ電圧に降圧する役割を担っている。第１昇降圧コンバータ４０Ａ及び第２昇降圧コンバータ４０Ｂは、例えばＩＰＭ等により構成される。

図１に示すように、燃料電池１０、第１バッテリ電源２００Ａ、第２バッテリ電源２００Ｂは、それぞれ電気負荷３００に対して並列に接続されている。電気負荷３００には、例えば走行用モータや補機（例えば、ラジエータファン、冷却水ポンプ、電灯）などが含まれる。

また、第１バッテリ３０Ａの第１リレー３１Ａと第１昇降圧コンバータ４０Ａとの間には、外部給電システム４００が介挿（接続）されている。外部給電システム４００は、出力コンセントや外部コンバータなどから構成され、例えば災害などによる非常時など電力が必要なときに、電力供給システム１を非常電源などとして利用する際に用いられる。なお、非常電源として利用するだけでなく、常用電源、予備電源として利用しても良い。

制御部５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成されたＥＣＵを備えている。制御部５００は、他の構成から入力した信号、及びＲＡＭなどの記憶部に記憶されたプログラムになどに基づいて、電力供給システム１が備える各構成（例えば、ＦＣ電源１００、第１バッテリ電源２００Ａ、第２バッテリ電源２００Ｂなどの電源や、電気負荷３００、外部給電システム４００など）の処理及び動作を制御し、当該制御に必要な各種演算を実行する。

例えば、制御部５００は、操作スイッチなどの入力部（図示略）を介して入力される起動モードの設定要求（起動要求）に応じて、通常モードに設定するか、外部給電モードに設定するかの切り換えを行う。本実施形態では、制御部５００は、外部給電の要求に応じて外部給電モードに設定する際、外部給電システム４００を電力供給システム１に接続するとともに、電源として利用する第１バッテリ３０Ａの第１リレー３１Ａのみをオンとし、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂの第２リレー３１Ｂをオフとするように制御する。このように、外部給電モードに設定された場合には、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂの第２リレー３１Ｂをオフにすることで、第２バッテリ３０Ｂに接続された第２昇降圧コンバータ４０Ｂでのスイッチング操作は行われず、不要なスイッチング損失（すなわち電力損失）を抑制することが可能となる。以下、起動要求時における電力供給制御の詳細について説明する。

［起動要求時における電力供給制御処理のフロー］
図２は、起動要求時に制御部５００によって実行される電力供給制御処理を示すフローチャートである。

制御部５００は、まず、ステップＳ１において、入力部を介して入力される起動モードの設定要求（起動要求）に基づき、起動要求が通常モードであるか、外部給電モードであるかの判断を行う。

制御部５００は、起動要求が通常モードであると判断すると、ステップＳ２に進み、外部給電システム４００を電力供給システム１から切り離すとともに、第１バッテリ３０Ａ及び第２バッテリ３０Ｂにそれぞれ接続された第１リレー３１Ａ、第２リレー３１Ｂをオンとすることで、ＦＣ電源１００、第１バッテリ電源２００Ａ、第２バッテリ電源２００Ｂの全てを起動する。詳述すると、制御部５００は、ＦＣ電源１００の昇圧コンバータ２０、第１バッテリ電源２００Ａの第１昇降圧コンバータ４０Ａ、第２バッテリ電源２００Ｂの第２昇降圧コンバータ４０Ｂの全てを駆動することで、ＦＣ電源１００、第１バッテリ電源２００Ａ、第２バッテリ電源２００Ｂの全てを利用した電気負荷３００への電力供給を開始する。

一方、制御部５００は、起動要求が外部給電モードであると判断すると、ステップＳ３に進み、外部給電システム４００を電力供給システム１に接続するとともに、電源として利用する第１バッテリ３０Ａに接続された第１リレー３１Ａをオンとする一方、電源として利用しない第２バッテリ３０Ｂに接続された第２リレー３１Ｂをオフとすることで、ＦＣ電源１００及び第１バッテリ電源２００Ａの２つの電源のみを起動する。詳述すると、制御部５００は、ＦＣ電源１００の昇圧コンバータ２０を駆動させるとともに、第１リレー３１Ａをオンとして第１バッテリ電源２００Ａの第１昇降圧コンバータ４０Ａを駆動させる一方、第２リレー３１Ｂをオフとして第２バッテリ電源２００Ｂの第２昇降圧コンバータ４０Ｂを駆動させないことで、ＦＣ電源１００及び第１バッテリ電源２００Ａの２つの電源を利用した外部給電を開始する。

図３は、本実施形態に係る各起動要求と各昇降圧コンバータの駆動の関係を例示した図であり、図４は、従来における各起動要求と昇降圧コンバータの駆動の関係を示す図である。
図３及び図４を比較して明らかなように、従来は、電源として利用されるバッテリであるか否かを問わず、常に全てのバッテリの昇降圧コンバータを駆動していたのに対し、本実施形態では、電源として利用されるバッテリの昇降圧コンバータのみを駆動する。これにより、外部給電モードにおいて、電源として利用されたないバッテリの昇降圧コンバータ（すなわち、第２バッテリ３０Ｂの第２昇降圧コンバータ４０Ｂ）でのスイッチング操作は行われず、従来に比べて不要なスイッチング損失（すなわち電力損失）を抑制することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変形例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

Ｂ．変形例
上記の実施形態に対して、次のような変形例を適用することができる。
例えば、制御部５００は、電力供給制御処理を実行するために独立したものでも、他の制御部の一部として構成しても良い。また、図５の制御部５００’に示すように、第１リレー３１Ａのオン・オフを制御するＥＣＵ５０１、第２リレー３１Ｂのオン・オフを制御するＥＣＵ５０２、燃料電池用の昇圧コンバータ２０を制御するＥＣＵ５０３、第１昇降圧コンバータ４０Ａを制御するＥＣＵ５０４、第２昇降圧コンバータ４０Ｂを制御するＥＣＵ５０５を別々の構成としてもよい。もちろん、一部のＥＣＵの機能をまとめても良く、また、本実施形態に示すように全てのＥＣＵの機能をまとめて１つの制御部で実施してもよい。

さらに、バッテリ電源の数は２つに限る趣旨ではなく、３つ以上であっても良いのはもちろんである。バッテリ電源の数が３つ以上の場合には、本実施形態と同様、外部給電モードにおいて、電源として利用されないバッテリに接続された昇降圧コンバータを駆動させないように制御すればよい。例えばバッテリ電源の数が５であり、外部給電モードにおいて、電源として利用されないバッテリが２つある場合には、これら２つのバッテリに接続された昇降圧コンバータを駆動させないように、対応するリレーをオフに設定すれば良い。

１ 電力供給システム
１０ 燃料電池
２０ 昇圧コンバータ
３０Ａ 第１バッテリ
３０Ｂ 第２バッテリ
３１Ａ 第１リレー
３１Ｂ 第２リレー
４０Ａ 第１昇降圧コンバータ
４０Ｂ 第２昇降圧コンバータ
１００ ＦＣ電源
２００Ａ 第１バッテリ電源
２００Ｂ 第２バッテリ電源
３００ 電気負荷
４００ 外部給電システム
５００ 制御部

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   第１バッテリと、前記第１バッテリに第１リレーを介して接続された第１バッテリ昇降圧コンバータとを含む第１バッテリ電源と、
   前記第１リレーと前記第１バッテリコンバータとの間に接続された外部給電システムと、
   第２バッテリと、前記第２バッテリに第２リレーを介して接続された第２バッテリ昇降圧コンバータとを含む第２バッテリ電源と、
   前記各電源の動作を制御する制御部とを備えた電力供給システムであって、
   前記燃料電池、前記第１バッテリ電源、及び前記第２バッテリ電源は、それぞれ電気負荷に対して並列に接続され、
   前記制御部は、前記外部給電システムを利用した外部給電の指令を受けた場合、前記第１リレーをオンとして前記第１バッテリ昇降圧コンバータを駆動させる一方、前記第２リレーをオフとして前記第２バッテリ昇降圧コンバータを駆動させない、電力供給システム。

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