JP2019212508A - 電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ及び燃料電池から成る電源システムにおけるバッテリの劣化を抑制する。【解決手段】電源システム１００の外部に電力を供給可能な給電ポート４０と、給電ポート４０とバッテリ１１との間を接続する第一配線１０と、第一配線１０から分岐して燃料電池２１に接続する第二配線２０と、第二配線２０において燃料電池２１の電圧を変換することにより燃料電池２１の電力を第一配線１０へ出力する電力変換装置２２と、電力変換装置２２から第一配線１０へ出力される電力の出力電圧を制御するコントローラ５０と、を含む。コントローラ５０は、給電ポート４０から外部に電力を供給する場合には、電力変換装置２２の出力電圧をバッテリ１１の電圧よりも高くする。【選択図】図１

Description

この発明は、バッテリ及び燃料電池の少なくとも一方の電力を負荷に供給する電源システム及びその制御方法に関する。

バッテリ及び燃料電池を備え、少なくともバッテリから外部の受電装置に電力を供給するシステムが開示されている。このシステムの制御部は、外部に電力を供給する場合において、システムに要求される要求電力がバッテリの出力可能電力以上であるときには、燃料電池による発電を実施する。

特開２０１６−１２７６３２号公報

上述のようなシステムでは、外部の受電装置に対し、システムへの要求電力がバッテリの出力可能電力よりも低い場合にバッテリを放電することで外部に電力を供給する構成であるため、バッテリを放電する回数が増加してしまう。その結果、バッテリが劣化しやすくなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、バッテリの劣化を抑制する電源システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、バッテリ及び燃料電池の少なくとも一方の電力を負荷に供給する電源システムは、当該電源システムの外部に電力を供給可能な給電ポートと、前記給電ポートと前記バッテリとの間を接続する第一配線と、前記第一配線から分岐して前記燃料電池に接続する第二配線と、を含む。さらに前記電源システムは、前記第二配線において前記燃料電池の電圧を変換することにより、前記燃料電池の電力を前記第一配線へ出力する電力変換装置と、前記電力変換装置から前記第一配線へ出力される電力の出力電圧を制御するコントローラと、を含む。そして前記コントローラは、前記給電ポートから前記外部に電力を供給する場合には、前記電力変換装置の出力電圧を前記バッテリの電圧よりも高くすることを特徴とする。

この態様によれば、バッテリが劣化するのを抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における電源システムの構成例を示す構成図である。 図２は、本実施形態における電源システムの制御方法の処理手順例を示すフローチャートである。 図３は、制御方法における断続発電処理の一例を示すフローチャートである。 図４は、第２実施形態における電源システムの構成例を示す構成図である。 図５は、本実施形態における断続発電処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における電源システム１００の構成の一例を示す構成図である。

電源システム１００は、負荷に電力を供給するものであり、例えば、物体自身が移動する移動体に搭載される。電源システム１００を搭載する移動体としては、例えば、ハイブリッド車を含む電気自動車及び電車といった車両や、飛行機、船舶などが挙げられる。

本実施形態の電源システム１００は、車両に搭載され、外部装置９０に電力を供給可能な車両システムである。外部装置９０は、電源システム１００の外部に配置された装置である。外部装置９０は、電力により作動する装置であり、例えば、住宅内の空気清浄機や掃除機、洗濯機などの家電製品又は定置型蓄電池などが挙げられる。

電源システム１００は、第一配線１０と、バッテリ１１と、リレー１２と、第二配線２０と、燃料電池２１と、電力変換装置２２と、駆動装置３０と、接続ポート４０と、コントローラ５０と、を備える。

第一配線１０は、バッテリ１１と接続ポート４０との間を接続（配設）する電源線である。

バッテリ１１は、第一配線１０に接続され、駆動装置３０に電力を供給する電源である。バッテリ１１は、例えば、リチウムイオンバッテリや鉛バッテリなどにより実現される。

本実施形態のバッテリ１１は、リチウムイオンバッテリであり、数百ボルト（Ｖ）の直流電圧で放電する、いわゆる強電系の直流電源である。バッテリ１１には、バッテリ１１の電圧を検出する電圧センサ５１が設けられており、電圧センサ５１の検出信号はコントローラ５０に入力される。

リレー１２は、第一配線１０上に配置され、バッテリ１１と駆動装置３０との間を接続状態又は遮断状態に切り替える。すなわち、リレー１２は、第一配線１０において電力変換装置２２とバッテリ１１との間を接続状態から遮断状態へ切り替え可能な遮断器である。

第二配線２０は、第一配線１０から分岐して燃料電池２１に接続する電源線である。

燃料電池２１は、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池２１は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）又は高分子電解質形燃料電池などにより実現される。

本実施形態の燃料電池２１は、固体酸化物形燃料電池であり、燃料電池２１の温度が燃料電池２１の発電に適した運転温度、例えば数百℃に達した場合に、その発電が可能となる。さらに燃料電池２１は、保温性の高い筐体に収容されており、燃料電池２１の発電を停止しても、燃料電池２１を積極的に冷却しなければ燃料電池２１の温度は直ぐには下がらず、緩やかに低下する。

電力変換装置２２は、本実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータにより構成される。電力変換装置２２は、第二配線２０において、第一配線１０への出力電圧（二次電圧）が、燃料電池２１の電力を出力可能な所定の電圧となるよう、燃料電池２１の電圧（一次電圧）を変換する。これにより、燃料電池２１の電力が第一配線１０へ出力されてバッテリ１１に伝送されたり、駆動装置３０に伝送されたり、接続ポート４０を介して外部装置９０に伝送されたりする。

例えば、電力変換装置２２は、第一配線１０への出力電圧を、バッテリ１１の電圧、駆動装置３０の電圧又は外部装置９０の電圧よりも高い所定の電圧まで上昇させる。電力変換装置２２の動作は、コントローラ５０により制御される。

駆動装置３０は、バッテリ１１及び燃料電池２１に接続される負荷であり、少なくとも一方の電力供給を受けて車両を駆動する。駆動装置３０は、車両の駆動源である電動モータ３１と、バッテリ１１及び燃料電池２１の少なくとも一方の直流電力を、電動モータ３１に供給される交流電力に変換するインバータ３２と、を備える。

接続ポート４０は、外部装置９０に電力を供給可能な給電ポートである。本実施形態の接続ポート４０は、外部装置９０のケーブル９１の先端部が挿入口に挿入可能となるように形成されており、例えば、外部装置９０のケーブル９１の先端に形成された充電ガンが接続ポート４０に挿入される。

接続ポート４０にケーブル９１の先端部が挿入されることで、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給可能な状態となる。接続ポート４０には、外部装置９０のケーブル９１の先端部が勘合されたか否かを検知する勘合センサ、又は、電源システム１００から外部装置９０へ流れる電流を検出する電流センサが備えられている。

コントローラ５０は、電源システム１００の動作を制御する制御装置であり、あらかじめプログラムされた処理を実行する。コントローラ５０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶装置を備える一又は複数のマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ５０は、リレー１２の接続状態を切り替えたり、燃料電池２１の動作を制御したり、電力変換装置２２の動作を制御したりする。さらにコントローラ５０は、接続ポート４０に対し、外部装置９０のケーブル９１が接続されたか否かを判断する。具体的には、コントローラ５０は、接続ポート４０に備えられた勘合センサ又は電流センサなどの検出信号に応じて判断する。

本実施形態では、接続ポート４０に外部装置９０が接続されたと判断した場合に、コントローラ５０は、電力変換装置２２の出力電力をバッテリ１１の電圧よりも高くする。これにより、バッテリ１１から外部装置９０に電力が放電されなくなるので、放電回数の増加に伴うバッテリ１１の劣化を抑制することができる。

次に、本実施形態における電源システム１００の動作の一例について図２及び図３を参照して説明する。

図２は、電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。この例では、電源システム１００を搭載した車両が車庫に停められ、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給されるような場面を想定している。

ステップＳ１においてコントローラ５０は、燃料電池２１を発電させる。例えば、コントローラ５０は、運転者の操作によって発行される電源システム１００の発電指令を受け付けると、リレー１２を遮断状態から接続状態に切り替える。これとともにコントローラ５０は、燃料電池２１にカソードガス及びアノードガスを供給して燃料電池２１の電力をインバータ３２又はバッテリ１１に供給する。

そして、バッテリ１１及び燃料電池２１の少なくとも一方の電力がインバータ３２に供給されることにより電動モータ３１が駆動して車両が走行する。その後、走行した車両は車庫に停められる。

ステップＳ２においてコントローラ５０は、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給されるか否かを判断する。

例えば、コントローラ５０は、上述の勘合センサからの検出信号に応じて、電源システム１００から外部装置９０へ電力が供給されるか否かを判断する。コントローラ５０は、外部装置９０のケーブル９１が接続ポート４０に勘合された場合には、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給されると判断する。

あるいは、接続ポート４０には電流センサが備えられ、コントローラ５０は、その電流センサからの検出信号に基づいて電源システム１００から外部装置９０への電流を検出した場合に、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給されると判断する。

ステップＳ３においてコントローラ５０は、電源システム１００から外部装置９０に電力が供給されると判断した場合には、リレー１２を接続状態から遮断状態に切り替える。これにより、燃料電池２１からバッテリ１１に電力が供給されるのを回避することができるので、バッテリ１１の充電回数の増加を抑制することができる。

ステップＳ４においてコントローラ５０は、電力変換装置２２の第一配線１０側の出力電力をバッテリ１１の電圧よりも高くする。本実施形態では、燃料電池２１側の入力電圧を検出する電圧センサと第一配線１０側の出力電圧を検出する電圧センサとが電力変換装置２２に備えられている。

ステップＳ５においてコントローラ５０は、電源システム１００から外部装置９０への電力供給が停止したか否かを判断する。例えば、コントローラ５０は、ステップＳ２で述べたように、接続ポート４０に備えられた勘合センサ又は電流センサを用いて、外部装置９０への電力供給が停止したか否かを判断する。

ステップＳ６においてコントローラ５０は、ステップＳ２又はＳ５で外部装置９０へ電力が供給されていないと判断した場合には、燃料電池２１を断続的に発電する断続発電処理を実行する。その後、コントローラ５０は、電源システム１００の制御方法についての一連の処理を終了する。

なお、ステップＳ３ではリレー１２が接続状態から遮断状態に切り替えられたが、ステップＳ４において電力変換装置２２の第一配線１０側の出力電力がバッテリ１１の電圧よりも高く設定されるので、リレー１２は必ずしも遮断しなくてもよい。

図３は、ステップＳ３の断続発電処理に関する処理手順例を示すフローチャートである。

ステップＳ６１においてコントローラ５０は、燃料電池２１の発電を停止する。

ステップＳ６２においてコントローラ５０は、燃料電池２１の温度Ｔを取得する。例えば、コントローラ５０は、燃料電池２１から排出されるアノードガス又はカソードガスの温度を検出する温度センサの検出信号に基づいて燃料電池２１の温度Ｔを推定する。あるいは、燃料電池２１自体に温度センサを設け、その温度センサを用いて燃料電池２１の温度Ｔを検出してもよい。

ステップＳ６３においてコントローラ５０は、燃料電池２１の温度Ｔが所定値を下回るか否かを判断する。そして燃料電池２１の温度Ｔが所定値以上である場合には、コントローラ５０は、燃料電池２１の温度Ｔが所定値を下回るまでステップＳ６２及びＳ６３の処理を繰り返す。ここにいう所定値は、燃料電池２１が発電可能となる温度であり、本実施形態では、燃料電池２１の発電を開始する閾値温度、例えば燃料電池２１が発電可能となる温度範囲の下限値に設定される。

ステップＳ６４においてコントローラ５０は、燃料電池２１の温度Ｔが所定値を下回る場合には、燃料電池２１を暖機するために、燃料電池２１を発電させる。

ステップＳ６５においてコントローラ５０は、運転者の操作により電源システム１００の停止指令を受け付けたか否かを判断する。そして停止指令を受け付けていない場合には、コントローラ５０は、ステップＳ６１の処理に戻り、ステップＳ６１乃至Ｓ６４の処理を繰り返し実行する。

一方、コントローラ５０は、電源システム１００の停止指令を受け付けた場合には、ステップＳ６の断続発電処理を終了し、図２に示した電源システム１００の制御方法を終了する。

次に、本発明の第１実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、電源システム１００は、バッテリ１１及び燃料電池２１の少なくとも一方の電力を負荷としての駆動装置３０に供給する。この電源システム１００は、電源システム１００の外部に存在する外部装置９０に電力を供給可能な接続ポート４０と、接続ポート４０とバッテリ１１との間を接続する第一配線１０と、を備える。さらに電源システム１００は、第一配線１０から分岐して燃料電池２１に接続する第二配線２０と、第二配線２０において燃料電池２１の電圧を変換することにより燃料電池２１の電力を第一配線１０へ出力する電力変換装置２２を備える。

そして電源システム１００は、電力変換装置２２から第一配線１０へ出力される電力の出力電圧を制御するコントローラ５０を備える。そしてコントローラ５０は、接続ポート４０から外部装置９０に電力を供給する場合には、電力変換装置２２の出力電圧をバッテリ１１の電圧よりも高くする。

このように、電源システム１００は、外部装置９０に電力を供給する場合に電力変換装置２２の出力電圧をバッテリ１１の電圧よりも高くするので、燃料電池２１の電力が外部装置９０に供給されることになる。したがって、バッテリ１１から外部装置９０への放電が抑制されるので、バッテリ１１の放電回数を低減することができる。それゆえ、バッテリ１１が劣化するのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、電源システム１００は、第一配線１０において電力変換装置２２とバッテリ１１との間を接続状態から遮断状態へ切り替え可能なリレー１２をさらに備える。

これにより、電源システム１００から外部装置９０へ電力を供給する場合に、電力変換装置２２とバッテリ１１との間を遮断することが可能となるので、バッテリ１１の電力が外部装置９０に供給されるのを回避することができる。それゆえ、電源システム１００から外部装置９０へ電力を供給する際にバッテリ１１が放電するのを防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ５０は、外部装置９０に電力を供給する場合には、リレー１２を接続状態から遮断状態へ切り替える。これにより、バッテリ１１の電圧に拘わらず、電力変換装置２２の出力電圧を、電圧変換効率の高い電圧に調整することが可能になるので、電力変換装置２２での電力損失を低減することができる。それゆえ、燃料電池２１の燃料消費量を抑制することができる。

さらに、リレー１２を遮断状態へ切り替えることにより、燃料電池２１からバッテリ１１へ電力が供給されなくなるので、バッテリ１１の充電回数を低減することができる。それゆえ、バッテリ１１の充電回数の増加に伴うバッテリ１１の劣化を抑制することができる。したがって、バッテリ１１の劣化を抑制しつつ、上述のように燃料電池２１の燃費を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池２１として固体酸化物形の燃料電池が用いられる。固体酸化物形の燃料電池は、その電圧が低い状態であっても他の燃料電池に比べて発電効率が高いため、燃料電池２１の燃費を向上させることができる。

さらに、コントローラ５０は、燃料電池２１の発電を停止した後に、燃料電池２１の温度Ｔを検出又は推定し、その温度Ｔが所定値まで低下したときに燃料電池２１の発電を行う。

固体酸化物形の燃料電池２１については、燃料電池２１の温度を発電可能な運転温度まで上昇させるにはアノードガスを多量に消費する一方で、保温性が高いため燃料電池２１の発電を停止しても燃料電池２１の温度は下がりにくいという特性を有する。このような事情を考慮し、燃料電池２１の温度Ｔに応じて燃料電池２１の発電を断続的に繰り返すことにより、燃料電池２１の燃費を改善するとともに、燃料電池２１の発電が停止している状況であっても、燃料電池２１から外部装置９０に早期に電力を供給することが可能となる。

上述の所定値としては、燃料電池２１の発電を開始する際の閾値温度に設定される。これにより、燃料電池２１を暖機するための発電時間が短くなるので、燃料電池２１の燃費をより改善することができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における電源システム１０１の構成を示す図である。

本実施形態の電源システム１０１は、車両に搭載された車両システムであり、車両にあらかじめ備えられている急速充電ポート４１を、図１に示した接続ポート４０として利用する。急速充電ポート４１は、バッテリ１１への充電時間が短縮するようリレーで構成された接続ポートである。

図５は、電源システム１０１の断続発電処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態では、図３に示したステップＳ６５の処理に代えてステップＳ７１及び７２の処理を備えている。このため、ここではステップＳ７１及びＳ７２の処理についてのみ説明する。

ステップＳ７１においてコントローラ５０は、車両を次回起動する時刻を示す次回走行時刻を取得する。本実施形態では、運転者が車両を車庫に停止して降車する際に次に運転する時刻をカーナビなどに設定する。これにより、コントローラ５０は、次回走行時刻を取得し、現在の時刻から次回走行時刻までの待機時間を算出する。

本実施形態では、待機時間ごとに、燃料電池２１の燃費が最小となる発電開始温度を対応付けた温度テーブルがコントローラ５０にあらかじめ記憶されている。そしてコントローラ５０は、待機時間が算出されると、温度テーブルを参照して、その待機時間に対応付けられた発電開始温度をステップＳ６３の所定値として設定する。このように、コントローラ５０は、車両を停止してから車両を起動（始動）するまでの待機時間に基づいて、燃料電池２１の燃料消費量が小さくなるよう燃料電池２１の発電を制御する。

ステップＳ７２においてコントローラ５０は、ステップＳ６４で燃料電池２１の発電を開始した後、現在の時刻が次回走行時刻を経過していない場合には、ステップＳ６１の処理に戻る。そして現在の時刻が次回走行時刻を経過した場合には、コントローラ５０は、ステップＳ６の断続発電処理を終了し、図２に示した制御方法の処理手順に戻る。

なお、本実施形態では、待機時間ごとに燃料電池２１の燃料消費量を抑制するよう発電開始温度を変更する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、コントローラ５０は、待機時間ごとに、燃料電池２１の燃料消費量が最小となるよう、燃料電池２１の発電周期、停止期間、及び発電量などを設定してもよい。これにより、燃料電池２１の燃料消費量が小さくなるよう燃料電池２１の発電タイミング及び発電量を制御することができる。

本発明の第２実施形態によれば、バッテリ１１を車両に搭載した電源システム１０１において、その車両の急速充電ポート４１が、電源システム１０１から外部装置９０に電力を供給する接続ポートとして用いられる。これにより、接続ポートを新たに設ける必要がないため、電源システム１０１の製造コストの増加を抑制しつつ、燃料電池２１から外部装置９０に電力を供給することが可能となる。

また、本実施形態によれば、コントローラ５０は、車両を停止してから車両を起動するまでの待機時間に基づいて、燃料電池２１の燃料消費量が小さくなるよう燃料電池２１の発電を断続的に制御する。これにより、燃料電池２１の燃費を抑制しつつ早期に燃料電池２１を起動させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１１ バッテリ
１２ リレー
２１ 燃料電池
２２ 電力変換装置
５０ コントローラ
１００、１０１ 電源システム

Claims (9)

1. バッテリ及び燃料電池の少なくとも一方の電力を負荷に供給する電源システムであって、
   当該電源システムの外部に電力を供給可能な給電ポートと、
   前記給電ポートと前記バッテリとの間を接続する第一配線と、
   前記第一配線から分岐して前記燃料電池に接続する第二配線と、
   前記第二配線において前記燃料電池の電圧を変換することにより前記燃料電池の電力を前記第一配線へ出力する電力変換装置と、
   前記電力変換装置から前記第一配線へ出力される電力の出力電圧を制御するコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、前記給電ポートから前記外部に電力を供給する場合には、前記電力変換装置の出力電圧を前記バッテリの電圧よりも高くする、
   電源システム。
2. 請求項１に記載された電源システムであって、
   前記第一配線において前記電力変換装置と前記バッテリとの間を接続状態から遮断状態へ切り替え可能なリレーをさらに含む、
   電源システム。
3. 請求項２に記載された電源システムであって、
   前記コントローラは、前記外部に電力を供給する場合には、前記リレーを前記接続状態から前記遮断状態へ切り替える、
   電源システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
   前記バッテリは、車両に搭載され、
   前記給電ポートは、前記車両の急速充電に用いられる接続ポートである、
   電源システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
   前記燃料電池は、固体酸化物形の燃料電池である、
   電源システム。
6. 請求項５に記載の電源システムであって、
   前記コントローラは、前記燃料電池の発電を停止した後に前記燃料電池の温度を検出又は推定し、当該温度が所定値まで低下した場合に前記燃料電池の発電を行う、
   電源システム。
7. 請求項６に記載の電源システムであって、
   前記所定値は、前記燃料電池の発電を開始する際の温度である、
   電源システム。
8. 請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
   前記コントローラは、前記燃料電池を搭載した車両を停止してから前記車両を起動するまでの待機時間に基づいて、前記燃料電池の燃料消費量が小さくなるように前記燃料電池の発電を制御する、
   電源システム。
9. 外部に電力を供給可能な給電ポート及びバッテリの間を接続する第一配線と、前記第一配線から分岐して燃料電池に接続する第二配線と、を備える電力システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の電圧を変換して前記燃料電池の電力を前記第一配線へ出力する変換ステップと、
   前記燃料電池から前記外部に電力を供給する場合には、前記変換ステップで前記第一配線へ出力される出力電圧を前記バッテリの電圧よりも高くする制御ステップと、
   を含む電力システムの制御方法。

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