JP4433671B2

JP4433671B2 - ２次電池を有する燃料電池システム

Info

Publication number: JP4433671B2
Application number: JP2002364569A
Authority: JP
Inventors: 克彦西山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: JP2004199911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と２次電池とを備える電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。通常は、燃料電池単体では負荷変動に対処するのが困難な場合があるので、たとえば特許文献１に開示されているような燃料電池と２次電池とを組み合わせたハイブリッド電源システムが提案されている。ハイブリッド電源システムでは、たとえば燃料電池の不調時や起動時においては、燃料電池をシステムから切り離して２次電池からの電力のみで電力を供給することが望まれている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２０４１０６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３３１５２号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５７４５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来は、ハイブリッド電源システムから燃料電池が切り離された際のシステムの効率については考慮されていなかった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、複数の電源を組み合わせたハイブリッド電源システムにおいて、一部の電源が切り離された場合におけるハイブリッド電源システムの高効率化を図る技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明は、負荷に電力を供給する電源システムであって、
燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷との間の接続を開閉するための接続制御スイッチと、が直列に接続された直列回路であって、前記負荷に接続された第１直流電源回路と、
第１電源電極と第２電源電極とを備える２次電池と、
第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、
第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記負荷が有する第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記負荷が有する第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、
前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、
前記接続制御スイッチと、前記第１スイッチと、前記第２スイッチと、前記第３スイッチと、前記第４スイッチとを開閉可能な制御部と、
を備え、
前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、
前記第１直流電源回路は、前記第１負荷電極と前記第２負荷電極との間に接続され、
前記制御部は、
前記接続制御スイッチがオン状態である制御モードにおいて、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチのオン・オフと、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチのオフ・オンとを交互に切り換え、
前記接続制御スイッチがオフ状態である特定の制御モードにおいて、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開くことを特徴とする。
【０００７】
本発明の電源システムによれば、接続制御スイッチが開かれて第１直流電源が電源システムから切り離される特定の制御モードにおいては、第１スイッチと第３スイッチとを閉じることによって、第２直流電源の第１電源電極と第１負荷電極がインダクタンスを介してスイッチング動作なしで接続される。一方、第２直流電源の第２電源電極は第２負荷電極と常時接続されているので、第２直流電源と負荷とがスイッチング動作なしで接続されることになる。スイッチング動作なしで接続されるのでスイッチング損失が回避され、これにより第１直流電源が電源システムから切り離された状態における電源システムの高効率化が図られる。
【０００９】
また、前記特定の制御モードは、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方の場合に実施されるとしても良い。
【００１０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ハイブリッド電源システムおよびその制御方法、それらのシステムを備える移動体およびその制御方法、それらのシステムまたは方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｂ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ｃ．変型例：
【００１２】
Ａ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１は、本発明の実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両システム」と呼ぶ）は、ハイブリッド電源システム１００と、車輪を含む負荷２００と、制御部３００と、を備えている。ハイブリッド電源システム１００は、２本の電源配線１２，１４の間に互いに並列に接続された２次電源システム２０と燃料電池システム３０（「ＦＣシステム」とも呼ぶ）とを有している。２次電源システム２０と燃料電池システム３０には、両端電圧を測定するための電圧計２２，３６がそれぞれ設けられている。また、燃料電池システム３０と、電源配線１２との間には、ＦＣスイッチ３２と、逆流防止用ダイオードＤ１とが直列に接続されている。
【００１３】
電源配線１２，１４は、負荷２００のモータ駆動回路４０に接続されている。モータ駆動回路４０は、モータ４２を駆動するための回路であり、例えばトランジスタインバータで構成されている。モータ４２で発生した動力は、ギヤ機構４４を介して車輪駆動軸４６に伝達される。
【００１４】
制御部３００は、ＦＣシステム３０と、ＦＣスイッチ３２と、モータ駆動回路４０とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部３００の各種の制御動作は、制御部３００に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部３００が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００１５】
モータ駆動回路４０は、ハイブリッド電源システム１００から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ４２に供給する。供給される三相交流電力の大きさは、図示しないアクセルからの入力に応じて制御部３００が制御するモータ駆動回路４０によって決定される。このように、モータ４２に供給される三相交流電力の大きさがハイブリッド電源システム１００の出力電圧には依存しないように車両システムが構成されている。
【００１６】
図２は、本発明の実施例における２次電源システム２０の構成を示す説明図である。２次電源システム２０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１と、平滑化コンデンサＣｂと、充電可能な２次電池３とを備えている。
【００１７】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、２次電池側直列回路と、負荷側直列回路と、インダクタンスＬとを備えている。２次電池側直列回路は、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを備えている。負荷側直列回路は、スイッチＱ３とスイッチＱ４とを備えている。なお、本実施例では、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用している。
【００１８】
２次電池側直列回路の２つのスイッチＱ１、Ｑ２は、２次電池３側に以下のように接続されている。スイッチＱ１の一端とスイッチＱ２の一端は、接続点Ｊ１で接続されている。スイッチＱ１の他端は、２次電池３のカソードに接続されている。スイッチＱ２の他端は、２次電池３のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ１、Ｑ２のゲート端子は、制御部３００に接続されている。
【００１９】
負荷側直列回路の２つのスイッチＱ３、Ｑ４は、負荷２００側に以下のように接続されている。スイッチＱ３の一端とスイッチＱ４の一端は、接続点Ｊ２で接続されている。スイッチＱ３の他端は、負荷２００のカソードに接続されている。スイッチＱ４の他端は、負荷２００のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ３、Ｑ４のゲート端子は、制御部３００に接続されている。
【００２０】
また、インダクタンスＬは、接続点Ｊ１と接続点Ｊ２との間に接続されている。２次電池３のアノードは、負荷２００のアノードに接続されている。
【００２１】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、２次電池側直列回路から負荷側直列回路に電力を供給するモードと、負荷側直列回路から２次電池側直列回路に向かって電力を供給するモードとの２つのモードで双方向に作動することができる。このような動作は、制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の開閉動作を適切に行うことによって実現される。
【００２２】
Ｂ．本発明の実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図３は、電力供給時に制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。このような電圧の印可によって、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御（開閉）が行われ、これにより２次電池３からの直流電力が昇圧されて負荷２００に供給される。
【００２３】
図４は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の作動状態を示す説明図である。具体的には、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御によって以下の電圧変換動作が行われている。
（１）時刻ｔ０（図３）では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる（図４（ａ））。これにより、インダクタンスＬが２次電源３側に接続される。この時に、インダクタンスＬに磁気エネルギが蓄積される。
（２）時刻ｔ１では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる（図４（ｂ））。これにより、インダクタンスＬが負荷２００側に接続される。この時に、インダクタンスＬに蓄積された磁気エネルギが負荷２００側に電力として供給される。
【００２４】
負荷２００側に供給される電力の電圧は、制御部３００がデューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）を調整することによって制御することができる。デューティ比を大きくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を高くすることができ、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を低くすることができる。さらに、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側から２次電池３側に電力を供給して、２次電池３を充電することもできる。
【００２５】
ここで、デューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）における「ＯＮ」と「ＯＦＦ」は、以下のように定義される。「ＯＮ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる状態である（図４（ａ））。「ＯＦＦ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる状態である（図４（ｂ））。
【００２６】
負荷２００側の電圧を制御するのは、ＦＣシステム３０と２次電池３とで適切に分担して負荷２００に電力を供給するためである。たとえば２次電池３の充電量が少ない場合には、負荷２００側の電圧を低くすれば、ＦＣシステム３０の出力を大きくして２次電池３の電力供給の分担を小さくすることができる。さらに、軽負荷時や回生制動時には、ＦＣシステム３０からの余剰電力を利用して充電することもできる。
【００２７】
一方、２次電池３の充電量が多い場合には、負荷２００側の電圧を高くすれば、ＦＣシステム３０の出力を小さくして２次電池３の電力供給の分担を大きくすることができる。これにより、回生制動によって負荷２００側から供給された電力を２次電池３に充電できずに、熱として廃棄せざるを得ないといった事態を少なくすることができる。
【００２８】
このように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、ＦＣシステム３０と２次電池３とで適切に分担して負荷２００側に電力を供給するために電圧変換動作を行っている。このことは、ＦＣシステム３０がハイブリッド電源システム１００から切り離されているときには、電圧変換機能が不要であることを意味する。さらに、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の効率は１００％ではなく、スイッチング損失その他の電力損失が生じている。この結果、ＦＣシステム３０の切り離し時（起動時や不調時）においては、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、不要な電力損失を生じさせていることが分かる。
【００２９】
図５は、本実施例においてＦＣシステム３０が切り離されたときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の作動の様子を示す説明図である。制御部３００は、２つのスイッチＱ１、Ｑ３をオンに固定するとともに、２つのスイッチＱ２、Ｑ４をオフに固定する。このような制御によって、インダクタンスＬを介して負荷２００側と２次電池３側がスイッチング動作なしで接続されることになる。このような制御モードは、特許請求の範囲における「特定の制御モード」に相当する。
【００３０】
このような制御モードは、制御部３００がＦＣスイッチ３２をオフにして、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００から切断することにより開始される。ＦＣシステム３０の切断は、たとえばＦＣシステム３０の起動時やＦＣシステム３０の異常の検知に応じて行われるように制御部３００を構成することができる。
【００３１】
ＦＣシステム３０が起動時である否かは、予め設定されたハイブリッド電源システム１００の運用シーケンスに基づいて判断しても良く、ＦＣシステム３０内部の水素ガスの品質に応じて判断しても良い。ＦＣシステム３０の異常は、たとえば水素ガスの品質が所定の仕様を満足しているか否かで検知することができる。このようなＦＣシステム３０の状態は、特許請求の範囲における「特定の状態」に相当する。
【００３２】
図６は、インダクタンスＬを介して負荷２００側と２次電池３側がスイッチング動作なしで接続されたときのハイブリッド電源システム１００の作動状態を示す説明図である。図６から分かるように、負荷２００と２次電池３とが電線とインダクタンスＬだけで接続されている。電線もインダクタンスＬも電力損失をほとんど生じさせないので、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１における損失はほとんどゼロとなることが分かる。
【００３３】
このように、本実施例では、ＦＣシステム３０がハイブリッド電源システム１００から切り離されたときには、２次電源３と負荷２００とがインダクタンスＬを介してスイッチング動作なしで接続されるので、スイッチング動作による電力損失が回避されてＦＣシステム３０切り離し時におけるハイブリッド電源システム１００の高効率化が図られる。
【００３４】
Ｃ．変型例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３５】
上記実施例では、切り離し対象となる電源システムは燃料電池であるが、たとえば風力発電システムや太陽光発電システムといった発電システムであっても良い。この場合には、このような発電システムが特許請求の範囲における「第１直流電源」に相当することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図。
【図２】本発明の実施例における２次電源システム２０の構成を示す説明図。
【図３】制御部３００が４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャート。
【図４】負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の作動状態を示す説明図。
【図５】ＦＣシステム３０が切り離されたときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の作動状態を示す説明図。
【図６】ＦＣシステム３０が切り離されたときのハイブリッド電源システム１００の作動状態を示す説明図。
【符号の説明】
１２，１４…電源配線
２０…２次電源システム
２１…ＤＣ-ＤＣコンバータ回路
２２，３６…電圧計
３０…ＦＣシステム
３２…ＦＣスイッチ
４０…モータ駆動回路
４２…モータ
４４…ギヤ機構
４６…車輪駆動軸
１００…ハイブリッド電源システム
２００…負荷
３００…制御部

Claims

負荷に電力を供給する電源システムであって、
燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷との間の接続を開閉するための接続制御スイッチと、が直列に接続された直列回路であって、前記負荷に接続された第１直流電源回路と、
第１電源電極と第２電源電極とを備える２次電池と、
第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、
第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記負荷が有する第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記負荷が有する第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、
前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、
前記接続制御スイッチと、前記第１スイッチと、前記第２スイッチと、前記第３スイッチと、前記第４スイッチとを開閉可能な制御部と、
を備え、
前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、
前記第１直流電源回路は、前記第１負荷電極と前記第２負荷電極との間に接続され、
前記制御部は、
前記接続制御スイッチがオン状態である制御モードにおいて、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチのオン・オフと、前記第２スイッチおよび前記第３スイッチのオフ・オンとを交互に切り換え、
前記接続制御スイッチがオフ状態である特定の制御モードにおいて、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開くことを特徴とする、電源システム。
前記特定の制御モードは、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方の場合に実施される請求項１に記載の電源システム。