JP5744888B2 - バッテリー充電状態管理方法 - Google Patents

Description

本出願は、米国特許仮出願番号第６１／２５３，０１３号（２００９年１０月１９日出願）、及び米国特許仮出願番号第６１／２５９，８１３号（２００９年１１月１０日出願）の優先権を主張し、その両方はその全体を参照により組み込まれる。

フォークリフトトラックやゴルフカートのようなバッテリー駆動の電気車両は、人間や製品の運搬、及び／又は持ち上げのために製造作業、卸売事業、及び小売事業でよく使われる。しかしながら、これら電気車両には欠点がある可能性がある。例えば、フォークリフトトラックは６から８時間毎に充電しなければならず、予備のバッテリーや充電設備のために倉庫のスペースが必要となる。そのうえ、車両の性能はバッテリー残量が無くなるにつれて次第に低下する。

対照的に、燃料電池電気車両は急速に再充填でき、シフトの間ずっと性能を維持し、蓄電池貯蔵や充電設備のために貴重な倉庫のスペースをとっておく必要が無くなるので経費節約が可能である。本明細書に記載のハイブリッド燃料電池システムは、これらの利点の少なくとも一つに対処することができる。

本明細書で使用するハイブリッド燃料電池システムとは、燃料電池及びバッテリーを備えるシステムのことを指す。本明細書で使用する「バッテリー」という語は、広義には繰り返し貯蔵と分与が可能な機器のことを指し、化学バッテリー（例えば、鉛酸バッテリー、リチウムイオンバッテリー、ニッケル水素バッテリー、ニッケルカドニウムバッテリー）及びウルトラコンデンサを含むが、これらに限定されない。

ハイブリッド電力システムにおいて、燃料電池は通常動作の間にモータ及び、バッテリーへ電力を供給する。バッテリーは電力要求を緩衝し、ピーク負荷で燃料電池電力を補い、回生エネルギーを吸収する。フォークリフトに対しては、例えば、このバッテリーの充電状態（ＳＯＣ）の管理は、バッテリーが牽引及び昇降モータのピーク電力要求を満たすのに十分なエネルギーを備える必要があるため重要であるが、車両が負荷を制動又は下げるような回生事象を起こす場合に回生エネルギーを受け入れることができるように完全に充電されてもまた、ならない。回生事象の間、バッテリーＳＯＣがあまりにも高い場合、バッテリー電圧はバッテリー、モータ、又はモータのコントローラを破損するかもしれない不安全レベルに上昇し、それによりシステムの故障やシャットダウンが発生する可能性がある。

バッテリーＳＯＣの管理は、ＳＯＣの直接測定は非実用的なので、一般的にＳＯＣ推定を必要とする。当分野においては、バッテリーのＳＯＣ推定を得るために電流積分法（クーロン計数とも呼ばれる）を使うことが知られている。しかしながら、この方法はＳＯＣ推定を時間とともに不正確にする長時間ドリフトの影響を受ける。

本開示は、バッテリー電圧及びバッテリー電流を使ってＳＯＣ推定を得る方法を提供する。本開示の推定器は、バッテリーの電気的等価回路に由来のモデルに基づいたルーエンバーガー観測器である。ある実施形態において、ＳＯＣ推定は、その後、バッテリーが牽引及び昇降モータに供給するのに十分なエネルギーを格納し、これらのモータから回生エネルギーを受け取るために十分な予備の容量を持つようなレベルにＳＯＣを維持するために燃料電池電力を抑えるレギュレータによって使われる。

従って、本発明の一実施形態は、バッテリーと燃料電池を備えるハイブリッド電力システムにおけるバッテリーの充電状態を管理する方法に関する。本方法は、設定値を規定することと、バッテリー電流とバッテリー電圧を使用してバッテリーの現在の放電状態を推定することと、設定値とバッテリーの推定された現在の放電状態との間の差に基づいて、燃料電池からバッテリーへ供給された燃料電池電流を操作することによって、バッテリーの充電状態を調節することと、を含む。本実施形態は、設定値でバッテリー充電状態を維持することができる。

フォークリフトトラックで使うためのハイブリッド燃料電池システムの一実施形態の回路図面である。 バッテリーをモデル化するために使われる等価回路である。 バッテリーＳＯＣの推定と制御を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に関するパラメータの値の表である。 バッテリーＳＯＣ制御を備えるハイブリッド電力システムのシミュレートされた運転からの実験データを示す。 バッテリーＳＯＣ制御を備えるハイブリッド電力システムのシミュレートされた運転からの実験データを示す。

図１は、フォークリフトトラックで使うためのハイブリッド燃料電池システムを例示する。同じ電気伝導体（「バス」とも呼ばれる）に並列に接続されるものとして、バッテリーパック、ＤＣ／ＤＣコンバータと直列の燃料電池スタック、周辺機器構成要素（ＢｏＰ）、牽引モータ、及び昇降モータがある。一般的に、ＢｏＰは、空気圧縮機、ウォータポンプ、ファン、電子制御ユニット、並びに水素運搬、水パージ、及び窒素パージ用に用いられるバルブを備える。ＢｏＰは電圧Ｖ_ＢｕｓでＩ_ＢｏＰの電流を消費する。燃料電池スタックは特定の燃料電池の分極曲線に対応する電圧で電流Ｉ_ＦＣを生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池電圧をバス電圧Ｖ_Ｂｕｓに調節し、電流Ｉ_{ＤＣ／ＤＣ}を生成する。牽引モータ電流Ｉ_{Ｔｒａｃｔｉｏｎ}は、トラックが加速している場合は正であり、トラックにブレーキがかけられている場合は負である。昇降モータ電流Ｉ_Ｌｉｆｔは、トラックが負荷を持ち上げている場合は正であり、トラックが負荷を下ろしている場合は負である。負荷電流Ｉ_Ｌｏａｄは牽引モータ電流及び昇降モータ電流の組合せであり、以下で表される。
Ｉ_Ｌｏａｄ＝Ｉ_{Ｔｒａｃｔｉｏｎ}＋Ｉ_Ｌｉｆｔ

バッテリー電流Ｉ_{Ｂａｔｔｅｒｙ}は負荷電流にＢｏＰ電流を加えたものからＤＣ／ＤＣ出力電流を減じたものに等しい。
Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}＝Ｉ_Ｌｏａｄ＋Ｉ_ＢＯＰ−Ｉ_{ＤＣ／ＤＣ} （１）

バッテリー電圧Ｖ_Ｂｕｓは、直接電圧測定による、又はＤＣ／ＤＣコンバータによって感知されることによる、のいずれかで、ハイブリッド燃料電池制御ユニットで使用でき、その後、制御ユニットに伝達される。バッテリー電流Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}は、直接測定されるか、又はＩ_Ｌｏａｄ、Ｉ_ＢＯＰ、Ｉ_{ＤＣ／ＤＣ}に対する測定値若しくは推定値に基づいて数式（１）によって計算することができるか、のいずれかである。

図２は、バッテリーをモデル化するために使われる等価回路を示す。

Ｃ_Ｃはバッテリー容量をモデル化する大型のコンデンサであり、完全に充電されたバッテリーに対しＳＯＣ＝１となるように選択される。
Ｃ_Ｃ＝（バッテリーアンペアアワー定格）＊３６００
バッテリー容量は、その後、非効率なバッテリー放電と充電を考慮して調整される。

Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}≧０の場合、Ｃ_Ｃ（Ｉ_ｂ）＝３６００＊（バッテリーアンペアアワー定格）＊ｅ^{−（放電係数）＊Ｉｂａｔｔｅｒｙ（ｋ）}

Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}＜０の場合、Ｃ_Ｃ（Ｉ_ｂ）＝３６００＊（（バッテリーアンペアアワー定格）−（充電係数）＊Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（ｋ））
コンデンサＣ_Ｃは電流Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（ｋ）の電流源と並列に接続され、バッテリーの放電と充電をモデル化する。

バッテリー電圧Ｖ_Ｂｕｓは、バッテリーのインピーダンスをモデル化する抵抗器Ｒ_{Ｓｅｒｉｅｓ}と直列なバッテリーオープン回路電圧Ｖ_ＯＣに対応する電圧源を有する回路の出力としてモデル化される。

バッテリーオープン回路電圧は、ＳＯＣと直線相関を持つと仮定する。

したがって、バッテリーモデルは以下のようになる。

ここで、ドット記号は時間微分を意味する。

バッテリーモデルはバッテリー自己放電をモデル化するためにＣ_Ｃと並列に配置された抵抗器を備えることもでき、ＳＯＣとＶ_ＯＣの間に非線形関係を有することもでき、又はバッテリー電圧においてより正確な過度モデルのために直列インピーダンスに加えられた抵抗器とコンデンサのネットワークを有することもできる。

図３は、ＳＯＣの推定と調節を示すフローチャートである。数式（２）に示すバッテリーモデルに基づいて構築された、ルーエンバーガー観測器は、測定された、又は計算されたバッテリー電圧Ｖ_Ｂｕｓ及びバッテリー電流Ｉ_{ｂａｔｔｅｒｙ}に基づきＳＯＣの推定を与える。

ここで、

であり、

であり、ハット記号は対応する変数の推定を意味する。

ルーエンバーガー観測器は当分野において周知であり、オブザーバゲインＬは極配置、及びカルマンフィルタリングを含む様々な方法を使って計算することができる。カルマンフィルタリング設計は、システムダイナミクスに対して処理及び測定ノイズ構造を仮定し、システム状態の定常状態誤差共分散を最小にするようなゲインＬを与えることになる。

数式（３）に示すオブザーバは、ハイブリッド燃料電池システムのデジタル制御ユニットで実現されるために離散化される必要がある。推定アルゴリズムのためのサンプリング時間Ｔ_Ｓ及び

の時間微分のオイラー近似を仮定すると、以下に示すオブザーバの離散的な実装を得る。

これは、以下のように表すこともできる。

ＳＯＣの推定は、その後、０と１の間に強制的に設定される。

ＳＯＣ推定は以前のシステムシャットダウン中にとられた推定の記録された値に等しいその初期値を有する。フォークリフトトラックが低電力消費モードで使われた場合、又は活発に操作されない場合、システムシャットダウン機構が閾値の高いＳＯＣ値によって起動され、燃料電池からの電流を遮断することにより、バッテリーの過充電を防ぐ。他方、バッテリーから電力を閾値まで引き出す電気負荷（例えば、Ｉ_ｌｏａｄ＝２０アンペア及びそれ以上）を検出する負荷検出機構は、燃料電池システムを再起動することによるバッテリーを充電を可能にするであろう。

ＳＯＣ推定は、燃料電池電流Ｉ_ＦＣを操作することによって所望の設定値（ＳＯＣ_ＳＰ）に調節される。本実施形態において、比較調整器がＳＯＣ調節のために使われるが、比例積分、比例積分微分、線形二次レギュレータ、他の古典的な制御方法、現代の、非線形の、堅牢な、最適な、確率論的な、適応性の、高機能な制御方法を含む、他の制御技術を使うことができるが、それらに限定されない。比較調整器は以下のように表すことができる。

ここで、制御ゲインＫ_{ＳＯＣｒｅｇ}は、ほぼＳＯＣ制御時定数秒の時定数を持つＳＯＣの閉ループ動特性を得るために以下の式として選ぶことができる。

燃料電池電流の設定値Ｉ_ＦＣ（ｋ）は、その後、燃料電池スタックの耐久性を最大にするために最小値Ｉ_{ＦＣｍｉｎ}とＩ_{ＦＣｍａｘ}との間に強制的に設定される。
Ｉ_ＦＣ（ｋ）＝ｍａｘ｛Ｉ_{ＦＣｍｉｎ}；ｍｉｎ｛Ｉ_{ＦＣｍａｘ}；Ｉ_ＦＣ（ｋ）｝｝

ＳＯＣは、燃料電池電流Ｉ_ＦＣを操作する代わりにＤＣ／ＤＣ出力電流Ｉ_{ＤＣ／ＤＣ}を操作することによって調節することもできる。

図５及び図６は、Ｄｙｎａｌｏａｄ電子負荷によってシミュレートされた様々な負荷条件下でハイブリッド燃料電池−バッテリーパワーシステムから集められたデータを示す。図５は、負荷電流Ｉ_Ｌｏａｄとバス電圧Ｖ_ｂｕｓを示し、一方、図６は、充電状態推定

及び燃料電池電流Ｉ_ＦＣを示す。例えば、充電状態はその設定値の９０％の５％以内に良好に維持されていることが、図６から分かる。

本明細書に開示された方法は、例えば、ハイブリッドフォークリフトトラックに適用することができる。しかしながら、本方法は、補助動力装置、バックアップ電力システム、ポータブル発電機、及び旅客用車両における燃料電池発電設備を含む、ハイブリッド燃料電池−バッテリーパワーシステムを含む様々な用途に適用可能である。

Claims (17)

1. 燃料電池を備えるハイブリッド電力システムにおけるバッテリーの充電状態を管理する方法であって、前記方法は、
   設定値を規定することと、
   バッテリー電流とバッテリー電圧を使って前記バッテリーの推定された現在の充電状態を計算することと、
   前記設定値と前記バッテリーの前記推定された現在の充電状態との間の差に基づいて前記燃料電池から前記バッテリーに供給される燃料電池電流を操作することによって前記バッテリーの前記充電状態を調節すること、
   を含み、
   前記バッテリーの前記推定された現在の充電状態は、以下の数式
   

   

   によって計算され、
   式中、
   

   

   は前記バッテリーの前記推定された現在の充電状態であり、
   

   

   は前記バッテリーの以前の推定された充電状態であり、Ｔ _Ｓ は前記バッテリーの前記以前の推定された充電状態が計算されてから経過した秒単位の時間であり、Ｉ _{ｂａｔｔｅｒｙ} （ｋ）は前記バッテリー電流であり、Ｌはオブザーバゲインであり、Ｖ _ｂｕｓ （ｋ）は前記バッテリー電圧であり、Ｖ _ＯＣ は前記バッテリーのオープン回路電圧であり、Ｒ _{Ｓｅｒｉｅｓ} は前記バッテリーのインピーダンスをモデル化するために選ばれた抵抗値であり、
   Ｃ _Ｃ （Ｉ _ｂ ）はＩ _{ｂａｔｔｅｒｙ} （ｋ）が０以上である場合に以下の式
   Ｃ _Ｃ （Ｉ _ｂ ）＝３６００＊（バッテリーアンペアアワー定格）＊ｅ ^{−（放電係数）＊Ｉｂａｔｔｅｒｙ（ｋ）}
   により計算され、Ｃ _Ｃ （Ｉ _ｂ ）は、Ｉ _{ｂａｔｔｅｒｙ} （ｋ）が０より小さい場合に以下の式
   Ｃ _Ｃ （Ｉ _ｂ ）＝３６００＊（（バッテリーアンペアアワー定格）−（充電係数）＊Ｉ _{ｂａｔｔｅｒｙ} （ｋ））によって計算される、方法。
2. 前記バッテリーの前記充電状態の前記調節は、選択された範囲内に前記バッテリーの前記充電状態を調節する、請求項１に記載の方法。
3. 前記バッテリーの前記充電状態の前記調節は、前記設定値の５％以内に前記バッテリーの前記充電状態を調節する、請求項２に記載の方法。
4. 前記バッテリーの前記充電状態の調節は、前記設定値に前記バッテリーの前記充電状態を調節する、請求項１に記載の方法。
5. 前記バッテリーの前記充電状態は、比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御、及び線形二次制御から選択される制御技法によって調節される、請求項１に記載の方法。
6. 前記燃料電池電流は、以下の式によって定義される値に設定され、
   

   

   式中、Ｉ_ＦＣ（ｋ）は前記燃料電池電流、ＳＯＣ_ＳＰは前記設定値、
   

   

   は前記バッテリーの前記推定された現在の充電状態、およびＫ_{ＳＯＣｒｅｇ}は制御ゲインである、請求項１に記載の方法。
7. 前記制御ゲインＫ_{ＳＯＣｒｅｇ}は以下の数式
   

   

   によって定義され、
   式中、
   Ｃ_Ｃ＝バッテリーアンペア時間定格＊３６００ファラッドであり、且つＳＯＣ制御時定数は単位が秒の時定数である、請求項６に記載の方法。
8. 前記計算された燃料電池電流は、最小燃料電池電流値と最大燃料電池電流値の間に強制的に設定される、請求項７に記載の方法。
9. 前記バッテリーの前記オープン回路電圧は、以下の式
   

   

   によって計算され、
   式中、Ｖ_ｏｃＳｌｏｐｅ及びＶ_ｏｃＯｆｆｓｅｔはどちらも前記バッテリーと関連づけられた定数である、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記オブザーバゲインは、極配置またはカルマンフィルタリングから選択された方法を使って計算される、
    請求項１に記載の方法。
11. 前記バッテリーの前記計算された推定された現在の充電状態を、０と１の間の値に強制的に設定することを更に備える、請求項１に記載の方法。
12. 前記バッテリーの前記充電状態は、前記バッテリーの前記推定された現在の充電状態が閾値の高い充電状態値より大きい場合に、前記燃料電池システムをアイドル状態にすることにより調節される、請求項１に記載の方法。
13. 前記システムがアイドル状態にある間、前記バッテリーから電力を引き出す電気負荷を監視することと、前記バッテリーから閾値以上で電力を引き出す電気負荷が検出された場合に、前記燃料電池システムを再起動することと、を更に備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記バッテリー電流が直接測定される、請求項１に記載の方法。
15. 前記バッテリー電流が計算される、請求項１に記載の方法。
16. 前記バッテリー電圧が直接測定される、請求項１に記載の方法。
17. 前記バッテリー電圧が、前記燃料電池と直列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータによって感知される、請求項１に記載の方法。

Images