JPS60109728A - 電池充電レベル制御を有する燃料電池／電池ハイブリツドシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ハイブリッド電力システムに関し、さらに詳
しくは、このようなシステムの制御に関する。

存在する潜在的な経済的ψ生態学的問題の評価に基づく
将来のエネルギー要求について計画を立てるとき、効率
的なエネルギーシステムの開発および利用に大きい考慮
が払われている。豊富なあるいは更新可能な燃料を消費
することにより電気を発生することのできる装置はとく
に興味があり、それを利用すると、環境の汚染は最小と
なり、これによりこの装置は経済的に正当づけられる。

メタノールまたは同様な有機燃料を改質することにより
得られる低分子量の炭化水素または水素を利用する燃料
電池およびガスタービンは、この分野における有望な候
補を代表する。燃料電池は典型的には高い効率を有し、
大部分汚染物質をＭ出しない。また、モジュール設工”
１への適合性による大きさおよび電力レベルに関する燃
料電池の融通性は注目に値する。さらに、燃料電池はわ
ずかの動く部分を必要とするだけであり、そして静かな
、信頼性のある、保守を比較重要しない電源である。

上の凶子は、燃料電池を、要求がよく定められかつ長期
にわたる特殊化された車両輸送における使用の有望な候
補とさせた。不都合なことには、燃料電池は、一般に、
負荷またはサージの要求の実質的な変動に直面する条件
下で望むように良好に作動しない。燃料電池の構成成分
は過熱のためにサージの要求により損傷されることがあ
り、あるいはサージの要求はまったく満足されない；と
がある。この問題を克服するために、燃料電池のスタッ
ク（ｓｔａｃｋ）をいわゆる［ハイプリントシステム（
ｈｙｂｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ）Ｊにおける一次エネルギ
ー源として利用する試みがなされ、その目的は平均の負
荷要求量をそれから直接供給することによりほぼ最適の
設計において主要エネルギー源（燃料電池）の使用を１
１丁能とすることである。

このようなシステムは、貯蔵源、例えば、電池を含む。

この貯蔵源は一時の負荷増加を供給しかつ、負荷が平均
より低下したとき、再充電することができる。こうして
、−次エネルギー源すなわち燃料電池が経験する負荷の
変動の頻度および大きさは減少する。こうして、ピーク
負荷条件下の主要な操作をもつピーク負荷の設計よりも
むしろ平均の負荷を表わすバンド（ｂａｎｄ）の範囲内
に、燃料電池の設計および操作を存在させることができ
る。

放出物質の減少および効率の増大は、ハイプリントシス
テムの操作について期待される利益である。先行技術の
型のハイブリッド電力装置は、文献、Ｊ、Ｂ、Ｏ’５ｕ
ｌｌｉｖａｎ　ｅｔ　ａｌ、、”Ｈｙｂｒｉｃｉ　Ｐｏ
ｗｅｒ　５ｏｕｒｃｅ　Ｆｏｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｈ
ａｎｄｌｉｎｇ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ”、ｌＥＣＥＣ１
９７５Ｒｅｃｏｒｄ、ｐｐ　２２９−２３６に記載され
ている。Ｏ’５ｕｌｌｉｖａｎが記載するシステムにお
いて、４つの燃料電池のスタックが電池のサブシステム
と並列に存在する。制御器は燃才゛１電池および電池の
サブシステ１、を制御して、燃料電池からの合計の電流
を制限し、燃料電池の寿命を維持しかつ燃料電池サブシ
ステムの電圧を′電池の保護として制限する。低い電流
において、燃料電池サブシステムの電圧は急速に−Ｌ昇
し、そして完全に充電された電池は、保護されていない
場合、推進して強くガスを発生するであろう。０′５ｕ
ｌｌｉｖａｎの制御器は燃料電池スタックと電池との間
の直列抵抗を変化させるように働き、口ｒ変電圧低下を
生じさせて、低い電流において電池における電圧を一定
に維持しかつ旨い電流において燃料電池における電圧を
　定に維持する。

０’５ｕｌｌｉｖａｎの文献に記載されるシステムはシ
ステムの制御への−・つのアプローチを提供するが、作
動の間に有意の抵抗の損失が生しるので、制御の程度は
最適ではないことがある。さらに、Ｏ’５ｕｌｌｉｖａ
ｎは負荷電流の要求を燃＄１電池のスタックと電池との
間でどのように分配するかを特定していない。したがっ
て、０゛Ｓｕｌ　Ｉ　ｉ　ｖ　ａ　ｎのシステムはハイ
ブリッドシステムにおけ゛るビークサージエネルギーの
要求が平均の負荷要求と比較されかつ適当な調整がこの
システムにおいてなされ、こうして電池単独または燃料
電池および電池のいずれかがある組み合わせで利用され
て最も効率よい方法で負荷の要求を満足する技術を提供
していない。

０’５ｕｌｌｉｖａｎの文献に加えて、次の米国特許は
燃料電池の分野において一般に興味あるものであり、一
般的背景としてここに述べる：米国特許第４．０００．
００３号、米国特許ｗＳ３゜８８３．３６８号、米国特
許第３，７５３，７８０−吟、米国特許第３．５４６．
０２０号および米国特許第３，４７３，３３７号。

興味ある他の燃料電池／電池のハイブリッドシステムは
、次の文献に記載されている＝Ｌｙｎｎ　、ＭｃＣｏｒ
ｍｉｃｋ、ＢｏｂｂｅｔおよびＤｅｒｏｕｉｎ、”Ｆｕ
ｅｌ　Ｃｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ｖｅｈｉｃ
ｕｌａｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”、ＳＡＥ　Ｔｅｃ
ｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒ　５ｅｒｉｅｓ、８０００５９
．Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２５−２９，１９８０；Ｄｏｗｇ
ｉａｌｌｏ、”Ａ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ−Ｂａｔｔｅｒ
ｙ　Ｐｏｗｅｒ　５ｏｕｒｃｅ　ｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉ
ｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ”、Ｔｈｅ　Ｆｉｆｔｈ　Ｉｎｔ
ｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌ
ｅ　Ｓｙｍｐ。

ｓ　ｉ　ｕｍ　、７８２４０７　（Ｅ）　、Ｏｃ　ｔ　
、２−５．１９７８；芙国特詐出願ＧＢ　２　０８４３
８７　Ａ　（１９８２年４月７日発行）；Ｅｓｃｈｅｒ
およびＦｏ’５ｔｅｒ、”Ａｎ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
　ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔａｔｕｓ　ｏｆＦｕｅｌ　Ｃｅ１
ｌ／’Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　
Ｓｙｓｔｅｍｓ”、Ｆｅｂｒｕａｒｙ、１９８０；Ｂｏ
ｂｂｅｔｔ　、ＭｅＣｏｒｍｉｃｋ、Ｌｙｎｎ、Ｋｅｒ
ｗｉｎおよびＤｅｒｏｕｉｎ、Ｒｅｐｏｒｔ　Ｃ０ＮＦ
−８００５２３−１ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＶｅｈｉｃｌｅＥｘｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｍａｙ
、１９８０゜ 本発明は、エネルギー貯蔵手段、例えば、電池および一
吹エネルギー源、例えば、燃ｔＦ４電池スタンクがスイ
ッチ手段により電気的に並列に共通の負荷装置へ、マイ
クロプロセッサ−の制御のもとに、選択的にかつ自動的
に接続される、改良されたハイブリッド電力システムを
提供する。このシステムは、　−次電気エネルギー源の
電力出力が最大の設計の電力出力を超えずかつ、エネル
ギー貯蔵手段が常時維持可能な前もって決定した所望の
充電の最大および最小のレベルを有するようにエネルギ
ー貯蔵手段が制御されうるように設計されている。制御
器はこれらの面をハイブリッドシステムの最適の使用の
ために調整する。

本発明の１つの実施態様において、負荷センサーが設け
られていて負荷電流を監視する。電池の各々における充
電状態を測定するためにセンサーを設けることができる
。負荷センサーが非常に負荷の高い電流を示した場合、
マイクロプロセ・ンサーは適当なスイッチ手段を活性化
し、こうして双方の電池は負荷装置へ接続され、燃料電
池のスタックは遮断される。負荷センサーが高い電飾の
要求を示した場合、マイクロプロセ・ンサーは双方の電
池および燃料電池のスタ・ンクを負荷装置・＼接続させ
る。負荷センサーが中位の電流の要求を示した場合、燃
料電池のスタンクおよびより高い充電状態を有する電池
はマイクロプロセ・ンサーにより負荷装置へ接続される
。最後に、負荷センサーが低い電流負荷の要求を示した
場合、燃料電池および前もって決定した値より低い値に
充電されている電池のいずれかをシステムへ接続される
。木質的には、ここに記載するシステトハ、電気ハイブ
リッドシステム、例えば、燃料電池−電池システムにお
ける貯蔵装置と＝−次エネルギー源との間のエネルギー
移送を記載する。

本発明の実施態様において、電池および燃料電池のスタ
ックは、瞬間的な負荷要求および電池の充電条件の状態
に基づいてマイクロプロセッサ−が決定した順序（ｓｅ
ｑｕｅｎｃｅ）で、共通の負荷装置（ｌｏａｄ）へ接続
されあるいはそれから遮断される。結局、システムのサ
ージ容量は増大し、同時に一次エネルギー源のピーク電
力出力は制御される。システムは単一の電池で操作可能
であるが、ある実施態様において、少なくとも２つ以上
の電池を利用することが好ましい。なぜなら、多数の電
池のシステムは、システム全体を作−動不能にさせる電
池の１つにおける単一の悪い電池の問題を回避すること
により、システムの信頼性を高めるからである。また、
この概念は、１つの電池がサイクル的に使用されている
間、他の電池は均等化し、かつ静まる（ｃ、ｏｏｌ　ｏ
ｆｆ）ということにおいて、操作の柔軟性を提供する。

この実施態様は、また、種々のエネルギー源の組み合わ
せが電池の充電レベルおよび電流負荷に依存して可能で
あるので、ハイブリッドシステムの全体の効率を増大す
る手段を提供する。電源の間にスイッチ手段を配置して
、すべての負荷要求条件のために燃料電池のスタックを
そのモ均の電格電力出力に近接させて作動させることに
より、効率を最高とすることができる。燃料電池を、そ
れが負荷装置へ接続されているとき、電池を適当に充電
するためにまた利用し、負荷を燃料電池のスタックヘシ
フトして、電池の過充′屯または過放電を回避すること
により、電池の衰弱を最小とする。この面は電池の寿命
を延長する。

本発明の実施態様において、第１電池および第２ｔ：池
を燃料電池とともに使用し、電池の各々は作動の間所望
の充電の最小レベルを有する。システトが始動したとき
、双方の電池が完全に充電されている場合、第１電池は
それがその所望の充電の最小レベルの付近になるかある
いはそれに達するまでサージ電池として使用される。そ
の時、第２′准池は第１電池とサージ電池として置き代
わり、そして第１電池は低い負荷条件の期間中燃料電池
により再充電される。このような２つの電池のハイブリ
ットシステムにおいて、サージ電池は制御器により、い
ずれかの所定の時間において最高の充′１１Ｆ、レベル
を有するものとして選択されることができる。

本発明の他の実施態様において、単一・のエネルギー貯
蔵子役、例えば、電池を燃料電池と一緒に使用し、そし
て電池の過充電に対する保護が与えられる。電池は前も
って決定した最高および最小の充電レベルを有し、およ
び負荷電流、充電状態および燃料電池の電流を利用して
電池をその最大および最小の充電レベルの限界内に維持
する。

以−Ｆの前記の而および他の面を、添付図面を参照しな
がら、以下において説明する。

ｔｊＳ１図を参照すると、本発明のハイブリッドシステ
ムの略図が示されている。−次エネルギー源１０は、２
つの電池１２および１４とともに利用する燃料電池のス
タックを有する。電池１２および１４は、一般に、回路
電圧、アンベア一時容量および内部インピーダンスによ
り定格づけられている。双方の電池は高い電力Ｖ、度の
貯蔵装置として作用し、そして後述する方法で燃料電池
のスタックＩＯへ並列に接続されている。２つの電池１
２および１４は好ましくは説明するシステムにおいて利
用されるが、単一・の電池または２より多い電池を使用
することもできるであろう。

負荷装置１６は、例えば、モーターを備える・１両から
の電流の要求酸を表わし、図示するようにエネルギー源
１Ｏ１１２および１４へ並列に接続されている。複数の
リレー接点１８’、２０“および２２°は、図示するよ
うに、それぞれエネルギー源１０．１２および１４へ直
列に接続されている。詳しく後述するように、接点１８
’、２０′および２２′がそれらの閉じた位置にされる
と、開化するエネルギー源は順次に負荷装置１６へ接続
される。電流感知装置２４および、２６は、典型的には
、Ｔｒｔ、置針であり、示すように、燃料電池ｌＯおよ
び負荷装置１６と直列に含まれている。

充′−Ｆセンサー２８および３０は、それぞれエネルギ
ー源１２および１４と直列に結合されており、そしてエ
ネルギー源の充電レベルを感知する機能をする。典型的
には、このような装置は電池を出入するアンペアを積分
して電池が受取りかつ放出する合計のクーロン量を追跡
する積分電量計からなる。充電センサーは、電量計を周
期的にリセットして電量計におけるドリフトを補償する
りセント回路を組み込むことができる。電量計はシステ
ム内の別の単位装置であることができ、あるいはその機
能を後述するマイクロプロセッサ−中に組み込むことが
できる。

第２図は、エネルギー源のどの組み合わせを負荷装置１
６へ接続すべきかを決定するために使用するマイクロプ
ロセッサ−に基づく制御システムのブロック線図である
。とくに、プログラミング可能なマイクロプロセッサ−
４０、例えば、Ｚｉｌｏｇ　ｚｓｏマイクロプロセッサ
−のチップ（その操作はＺｆｌｏｇ　Ｐｕｂｌｉｃａｔ
ｉ。

ｎ”２８０−ＣＰＵ／Ｚ８０Ａ−ＣＰＵ　Ｔｅｃｈｎｉ
ｃａｌ　Ｍａｎｕａｌ”、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ、１９７
８に記載されている）は、負荷センサー２６および充電
センサー２８および３０かもの出力に応答する。マ・イ
クロプロセッサー４０からの出力信号はそれぞれリレー
１８．２０および２２ヘリード［４１，４２および４３
を経て結合されており、そしてリレー１８．２０および
２２は第１図に示すようにそれぞれ接点１８′。

２０”および２２′を制御する。

木質的には、負荷センサー２６の出力はハイブリッド電
力システム８の操作モードを決定する。

詳しく後述するように、４つの操作モードを非常に高い
電流、高い電流、中位の電流、および低い電流に対応し
て選択する。

低いモードの定性的定義は、全体の負荷がいかなる電池
の助けも借りないで１つの燃料電池から供給されうるち
のである。中位のモートは、燃料電池が過負荷なしで負
荷の要求量を満足させるために少なくとも１つの電池の
助けを必要とする場合である。高いモードは、前記要求
量を満足するために燃料電池および２つの電池を必要と
し、１つの電池では不十分である場合である。非常に高
いモートは、双方の電池の助けを借りてさえ、燃＃＋　
１１を池は過負荷となり、損傷されるので、燃料電池を
遮断しなくてはならない場合である。

例えば、代表的な５キロワツトのシステムにおいて、低
いモードはほぼ６キロワツトより高くない負荷Ｗ格（例
えば、５０ポルト、１２０アンペア）に和尚し；中位の
モードはほぼ１０キロワンドより高くない負荷定格（例
えば、２００アンペア）に相当し；高いモードはほぼ１
５キロワツトより高くない負荷定格（例えば、３００ア
ンペア）に相当し；そして非常に高いモードはほぼ２５
＋ロワツトより高くない負荷定格（例えば、５００アン
ペア）に相当する。

マイクロプロセッサ−５例えば、前述のＺｉｌｏｇ　Ｚ
８０を応用して種々のプロセス操作、例えば、ここに記
載するスイッチング順序を制御することは、特定のプロ
セス要件を知る当業者の１人により達成することができ
ることに注意すべきである。また、枠型のアナログまた
はディジタルの構成成分を有する回路をマイクロプロセ
ッサ−４０の代わりに利用して要求されるスイッチング
順序を設けることができることに注意すべきである。

第２図に戻ると、負荷電流が非常に高いことを負荷セン
サー２６が決定する場合、マイクロプロセッサ−４０は
信号をリート線４１．４２および４３１−に発生し、こ
うして接点１８″は開きかつ接点２０′および２２′は
閉じ、電池１２および１４ｙｅ負荷装置１６へ並列に接
続し、同時に燃料電池は負荷装置１６から遮断される。

負荷センサー２６が高い負荷電流を決定すると、信号は
リレー１８．２０および２２へ適用されるので、適当な
接点１８゛、２０’および２２°の各々は閉じ、それら
のためのエネルギー源１０．１２および１４の各々は並
列に接続されて負荷装置１６の電流の要求量を提供する
。

負荷センサー２６が中位の状態を検出すると、マイクロ
プロセッサ−４０はリード線４１−ｈ、に信砕を発生し
、こうしてリレー１８は活性化され。

接点１８’は閉じ、こうして燃料電池のスタック１０を
負荷装置１６へ接続する。この場合において、マイクロ
プロセッサ−４０はまずセンサー２８および３０により
決定された電池の充電レベルを感知する。マイクロプロ
セッサ−は、電池１２および１４がより高い充電の状態
を有するかどうかを決定し、そしてその電池はマイクロ
プロセッサ−により負荷装置１６へ、適当なリレーを生
かす（ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）ことにより、接続される
。換言すると、電池１２がセンサー３０により決定され
た電池１４の充電より高い充電の状態を右することを示
す場合、リレー２０は活性化され、こうして対応する接
点２０゛（第１図）は閉し、電池１２を負荷装置１６へ
接続し、その間に接点２２′は開いたままである。充電
レベルの決定が逆転する場合、リレー接点２２゛は閉じ
かつリレー接点２０゛は開き、電池１４を負荷装置１６
へ接続する。双方のこれらの場合において、リレー接点
１８°は閉じ、燃料電池１０を負荷装置１６へ接続する
。

最後に、低い負荷電流が要求されることを負荷センサー
２６が決定する場合、リレー１８は活性化され、リレー
接点１８°を閉じ、こうして燃料電池ｌＯを負荷装置１
６へ接続する。次いで、マイクロプロセッサ−４０は電
池１２および１４のどちらを前もって決定したレベル、
典甲的には９０％以下のレベルに充電させるかを決定す
る。次いで、前もって決定したレベルより低いすべての
電池を、必要に応じて適当な接点を閉じることによりリ
レー２０または２２を経て、回路中に接続する。−に記
のマイクロプロセッサ−の制御系の特定の変型を、人工
〜■を参照しながら以下に説明する。

本発明を表■を参照しながらさらに説明する。

ここで、　−次電気エネルギー源、例えば、この実施５
ｐ；様における燃料電池のスイッチングモード、および
第１および第２の電池は４つの一般的な負荷の要求量ま
たはモードの状態に関して示されている。７０％の最小
の許容されうる電池の充電および９０％の最大の許容さ
れうる電池の充電は（ただしこの範囲はかえてもよい）
、システムを使用する環境に依存して、許容されうる。

表■において、「低い」感知された電疏要求量において
、例えば、双方の電池が任意にプリセットされた最大９
０％の充電レベルにある仮定すると、一次エネルギー源
への負荷要求景が一次エネルギー源の定格の一定出力よ
り小さいときでさえ、充電は付与されない。４つの可能
な電池の相対的配置を設けることができることは注目に
値する。

「中位の」感知された負荷（表１）のもとで。

・次エネルギー源プラス電池１２または１４は、一次電
気エネルギー源により提供されるものを多少超える要求
量を満足するために有効である。この選択は１つの場合
において電池１２としておよび他の場合において電池１
４として、どちらがより高く充電されているかに依存し
て、委託されることができる。それゆえ、このような場
合は、匹敵する要求量のレベルにおいて、表Ｉ１．表■
および表■におけるような場合でもある。なぜなら、高
い感知された電位の電池は、９０％〜７０％の選択した
最大および最小の充１ｉ＠囲内で、　−次電気エネルギ
ー源を補充するためのサージ電池として自動的に選択さ
れ、−実弟２電池は開いた（流れない）／ヘイアスでと
どまるからである。

「高い」感知されたエネルギー要求量（人工）のもとで
、双方の電池１２および１４および一次電気エネルギー
源を利用して、−次エネルギー源の出力を実質的に超え
るシステムへの電力要求晴を完全に満足させる。各電池
への充電がプリセットした７０％の最小充電レベルまた
はシステムの使用に依存する他の便利な最小充電レベル
より大きいかぎり、応答はこのサージ要求量において変
動しない（また、表■、表■参照）。双方の電池が表■
に示すように充電される場合、負荷が低いとき、いずれ
の電池も接続されないであろう。意図する機能を望むと
き、マイクロプロセッサ−をすべてのスイッチ中へ結合
して、それらの充電状態を達成する。

ここの表のすべてにおいて１次の凡例を使用する： 〇−開いた接点−電流は流れない。

十−閉した接点−電流は並列に流れる。

Ｃ−モードの変化。

表」 感知され 丸酊Ｌ　艷１ｕＩ」　町１」　Ｔｉｊ、１口非常に高 い　０−１−　＋ 高い　＋　＋　＋ 中位　十　−ト　０ ＋　０　＋ 低い　＋　００ ＋　Ｑ　Ｃ ＋　ＣＯ ＋ＣＣ 表ＩＩは、電池１２の１つが９０％の充電におりかつ他
方の電池１４が８５％の充電にあるときの、第１図のシ
ステムの操作をさらに例示す麦１ 感知され　数社里抱ユ」　１他」ヱ　屯弛」Ａた負荷　
−（２］シ多　（８５％ Ｌ充」）　Ω充電） 非常に高 い　Ｑ　＋　＋ 高い　＋　＋　＋ 中位　十　＋　０ 低い　＋　ＯＣ 表■は、双方の電池が比較的低いレベルにあるが、プリ
セットした７０％の最小充電レベルに等しいかあるいは
それを超えるときの、第１図のシステムをさらに例示す
る。

酊 感知され　帆粁重元」Ｊ　並他ユヱ　側弛ユＡ友亘誼−
エヱ刈褒　（７５％ 立充庫）　０充１） 非常に高 い　０　＋　＋ 高い　＋　＋　＋ 中位　＋　０　＋ 低い　＋　ＣＯ 十　〇　Ｃ 表■は、電池１４のが９０％の充電にありかつ他方の電
池１２が９０％の充電にあるときの、本発明のシステム
の操作をさらに例示する。

太ｙ 感知され　燃社里弛Ｊ」　藍池］ヱ　主１１４ム漁１−
　工旦旦表　（９０％ ！２１２ｉ！り　ｏ充電） 非常に高 い　０　＋　＋ 高い　＋　０　＋ 中位　＋　０　＋ 低い　＋　０　０ 電池１２および１４は燃料ＴｒＬ池のスタック１゜によ
り再充電される。とくに、電力サイクルの操作部分の間
充電状態が９０％より大きいことを充電センサー２８お
よび３０が示したときはいつでも、マイクロプロセッサ
−４０の制御のもとに、電池は充電を続けることを防止
され、こうして燃料電池のスタック１０から遮断される
。そうでないと、電池は損傷するであろう。同時に、充
電状態がある最小の充電状態、すなわち、７０％よりＦ
に低下する場合、電池は負荷を満足することを要求され
ないかぎりそれ以上放電することはないであろう。シス
テムが適切に設計されている場合、電力を供給すること
を要求され、同時に７０％に充電されることを要求され
ることは、いずれの電池にとっても非常に異常な状態で
あろう。

負荷が低い場合、再充電するために、電池を負荷装置か
ら遮断することは不必要であることに注意すべきである
。例えば、電池の充電状態が８０％である場合、電池は
安全限界内にあり、かつ゛電池は充電または放電するこ
とができる。したがって、電池を負荷装置および燃ネ１
電池のスタックの双方へ接続することができ、そして負
荷が軽い場合、電池は充電を受けるであろう。負荷が大
きい場合、電池は放電しつつある。限界に到達した時、
電池は充電される必要がある場合にのみ低いｉｒｆ、Ｉ
Ｑで接続され、あるいは放電される必要がある場合にの
み中位の電流で接続される。

このシステムの他の同様な実施態様において、中−・の
エネルギー貯蔵手段、例えば、電池を、スイッチおよび
燃料電池と組み合わせて使用して節糸なハイブリッドシ
ステムを維持することができる。このような実施態様に
おいて、電池の充電状１１１は連続的に感知されかつ制
御器へ供給されて、電池が過充電される危険にあるかど
うかおよびその時を決定する。負荷電流も制御器により
連続的に監視されて、システムが任意の所定の場合にお
いて操作される３つの負荷条件の範囲のいずれかが決定
される。第１に、電流が燃料電池単独で満足されうる低
い範囲が存在する。第２に、電流が燃料′Ｉ電池および
電池の組み合わせの出力により満足されうる中位の範囲
が存在する。第３に、負荷°電流が非常に高いので、燃
料電池および電池が一緒になって電流を負荷装置へ供給
する場合でさえ、燃料電池の電流出力がその前もって決
定した負荷定格より大きくなくてはならない、非常に高
い範囲が存在する。燃料電池の前もって決定する負荷定
格は、前もってシステムに設計され、かつ通常すべての
考えうる負荷サージレベルよりもむしろ平均の期待され
る負荷に基づく。

簡単な、中−の電池／燃料電池システムのこの実施態様
の略図は第４図に示されている。燃料電油１０３は、負
荷装置１０５によりおよび／または電池１０１の再充電
のために電池１０１により要求される電流を生成する。

燃料電池１０３は、それを負荷装置１０５および電池１
０１へ接続しかつそれらから遮断するためのスイッチ１
０４を有する。また、（ｌｉ池ｌＯ１は、スイッチ、す
なわち、それを負荷装ｆｆ１１０５および燃料電池１０
３へ接続しかつそれらから遮断するためのスイッチ１０
２を有する。また、このシステムは適当な制御手段、例
えば、制御器１０６を含有する。この制御器１０６は燃
料電池１０３により生成され電流センサー１０７を経る
電流および負荷装置１０５により抜き出され電流センサ
ー１０８を経る電流を測定する。これらの２つの電流の
値から、Ｔｔ電池ｏｔを出入りする電流ならびに電池内
の充電状態を計算することができる。電池１０１の充電
状態は、制御器１０６による電池の電流に基き周知の積
分法によって計算することができる。

第４図に記載するシステムの操作条件の範囲内で、スイ
ッチ１０４および１０２はスイッチの条件の組み合わせ
を生成してシステムの操作を最適化することができる。

例えば、低い負荷および過充電の危険にある電池の条件
下−で、スイッチ１゜２は遮断しすなわち開き、一方ス
イッチ１０４は接続しすなわち閉じる。この゛理由は、
電池の過充電を防１［−することにある。逆に、これら
の条件下にスイッチ１０２が接続されると、負荷装置に
より抜き出されない燃料電池から流れる電流の部分は電
池１０１中に流れ、これにより電池を過充電する傾向が
ある。

第４図のシステムにおいて高い負荷条件下で、スイッチ
１０２および１０４は双方）（接続されすなわち閉じら
れる。この理由は、負荷装置により抜き出される電流が
高過ぎて燃料電池中独の前もって設計した容優により満
足されえないことにある。第４図のシステムの非常に高
い負荷条件ドで、スイッチ１０４は遮断されすなわち開
き、かつ電池のスイッチ１０２は接続されすなわち閉じ
られる。この理由は、双方のスイッチが接続されると、
負荷装置の電波の要求量は燃料電池に燃料電池の前もっ
て決定した出力古砂を超えるように強制するからである
。

非常に高い負荷条件が生じた後、燃料電池をオンライン
に回復させるとき、次の技術を用いることができる。燃
料電池が非常に高い負荷条件ドに負荷装置から遮断され
る点にある負荷電圧を測定し、そしてそれを制御器に保
存することにより、このような処置を実施することがで
Ｊる。非常に高い負荷条件が経過しそして低い負荷条件
が回復された後、（例えば、ｆｐＪ４図において前述し
た高いまたは低い負荷条件）、スイ・ンチ１０４を接続
１、て燃料電池１０３が負荷に要する電流を生成できる
ようにすべきである。燃料電池１０３をシステム中にも
どすための正確な時間は、非常に高い負荷の条件か開始
した後、負荷電圧を連続的に感知し、そして非常に高い
負荷負荷条件が消えるにつれて同一・の感知される電圧
が再び表われると方、スイッチ１０４を閉じることによ
って、決定することができる。あるいは、非常に高い負
荷条件が現われる時スイッチ１０４を遮断する前または
その時に存在する負荷電流を感知しかつそれを制御器１
０６のメモリーに入れ、これによって、負荷電流を制御
器のメモリーに入れたレベルと比較することにより示さ
れるように、負荷条件が非常に高い負荷条件より下に低
下した時、スイッチ１０４を再び接続して燃料電池１０
３をシステムへ復帰させることができる。

下表ｖ〜■は、前の表に類似するシステム要素の種々の
条件を描写する。しかしながら、４つの代わりに３つの
みの操作負荷条件、この実施態様について、低い、高い
および非常に高い、が存在するだけである。

表■は、第４図の実施態様の３つの負荷範囲の条件のも
とに燃料電池および′＃、池を接続するときの種々の可
能性の一般的場合を示す。

人Ｎ 感知された 負荷１０５ｇも　１０３−−電池１（）ｌ非常に高い　
０　＋ 高５゛　＋　や 低い　＋　０ ＋　Ｃ 表■は、電池ｌｏｔが９０％の充電にあり、すなわちこ
の場合完全に充電されているときの、３つの操作負荷条
件を示す。

人凹 区凹亙奥犬　漿札對１」聾−Ｕ並１旦↓−倉荷１０５　
（９０％充１ｒＬ） 非常に高い　０　＋ 高い　＋　＋ 低い　＋　０ 表■は、電池１０１が８０％の充電にありかつ低い負荷
条件の間に再充電可能であるときの、３つの操作負荷条
件を示す。

大刃 感知された　燃１「弘弛」二隻」−−電」「ＬＡ」ユ＾
符ユ０５　（８０％充電） 非常に高い　Ｏ十 高い　＋　＋ 低い　＋　に うして、明らかなように、ここに開示した制御システム
は燃料電池と組み合わせて１．２またはそれより多い電
池を利用することができる。各電池は、マイクロプロセ
ッサ−により命令されるとうりにシステムへ接続しかつ
それから遮断することができる、それと関連するスイフ
チを有することができる。このシステムすれまた、燃料
電池の電流、負荷電流および電池の充電状態を感知する
手段を崩することができる。電池は操作中の所望の前も
って決定した最大および最小の充電状態を有することが
でき、そして多数の電池系における電池のうち１つを、
それがその前もって決定した最小の充電レベルに到達す
るまで、サージ電池として使用することができる。この
ような時間において、高い充電レベルのシステムにおけ
る他の電池をその代わりに使用することができ、そして
電池を低い、負荷条件下に燃料電池により再充電するこ
とができる。また、２つの電池システムにおいて、サー
ジ電池はいずれの電池が最も高い充電レベルにあるかに
よって選択することができる、 こうして、本発明は先行技術のハイブリッド電カシステ
１、より優れた多数の利点を提供する。とくに１商業的
に入手可能なマイクロプロセッサ−を利用して負荷装置
へ結合したエネルギー源の適切な組み合わせとともに機
能させ、こうして燃料電池の負荷容量を超えないように
すると同時にシステムのサージ容量を増大させることが
できる６１二のシステムは、それぞれ電池の充電レベル
および負荷電流を感知しかつ電池および燃料電池をスイ
ッチングすることにより、電池を過充電および過放電か
ら保護し、かつまた、燃料電池を過負荷から保護して、
最良の可能な、最も効率よいシステムを利用を得ること
ができる。

本発明の上に記載した実施！Ｅ様は例示をのみ１４的と
し、かつその変更は当業者にとって明らかであることを
理解すべきである。したがって１本発明はここに開示さ
れた実施態様に限定されず、特許請求の範囲に規定され
るようにのみ限定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のハイブリンドシステトの路線図であ
る。 第２図は、■または２以上の電源のどれを利用して第１
図の回路中の共通の負荷装置に電流を供給するかを制御
するためのマイクロプロセッサ−の使用を示すブロック
線図である。 第３図は、第２図のシステムにおけるマイクロプロセッ
サーを操作するための典型的なプログラムを描写するフ
ローチャートである。 第４図は、単一の電池／燃料電池ハイブリッド制御シス
テムを示す略図である。 ８　ハイブリッド電力システム ｌ〇　−次エネルギー源、燃料電池のスタック １２　電池、エネルギー源 １４　電池、エネルギー源 １６　負荷装置 １８　リレー ２０　リレー ２２　リレー １８“　リレー接点 ２０′　リレー接点 ２２°　リレー接点 ２４　電流感知装置 ２６　電流感知装置、負荷センサー ２８　充電センサー ３０　充電センサー ４０　プログラミング６丁能なマイクロ７’ロセツサー ４１　リード線 ４２　リード線 ４３　リード線 １０１　電池 １０２　スイッチ １０３　燃料電池 １０４　スイッチ １’０５　負荷装置 １０６　制御器 １０７　Ｔｌｆｌ上流サー １０８　電流センサー 第１頁の続き

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、負荷装置からの電流の要求に応答してエネルギー源
   から供給される電流の量を制御する／＼イブリント電カ
   システムであって、 前もって決定した最大の所望の電力出力を有するー・次
   電気エネルギー源、前記−次電気エネルギー源はそれと
   関連する第１スイッチ手段を有する； エネルギー貯蔵手段、前記エネルギー貯蔵手段はそれと
   関連する第２スイッチ手段を有する；前記−次電気エネ
   ルギー源または前記エネルギー貯蔵手段またはそれらの
   組み合わせのいずれかは、前記第１スイッチ手段または
   前記第２スイッチ手段またはそれらの組み合わせのいず
   れが適当に活かされるかに依存し　有て並列に接続され
   て前記負荷装置へ電流を供給する： 前記負荷装置中へ流れる電流を感知する手段； 前記エネルギー貯蔵手段における充電状態を感知する手
   段； 前記−次電気エネルギー源への電流要求がその前もって
   決定した最大の所望の電力出力レベルにあるいはそれよ
   り低いレベルにほぼ維持されるような方法で、前記負荷
   電流感知手段に応答して前記第１スイッチ手段および／
   または第２スイッチ手段を選択的に活かす手段；および 前記一次電気エネルギー源がその前もって決定した最大
   の所望の電力出力よりドにおいて作動されている時間に
   おいて要求されるとき、前記エネルギー貯蔵手段を内充
   電する手段； 有することを特徴とするハイプリント電力システム。 ２、前記エネルギー貯蔵手段は前もって決定した所９の
   充電の最小および最大のレベルを有し、そしてシステム
   は前記エネルギー源から流れる電流を感知する手段を有
   し、これにより前記応答手段は、前記負荷電波感知手段
   、前記一次電気エネルギー源から流れる電流を感知する
   手段および前記エネルギー貯蔵手段の充１し状態を感知
   する手段に応答して、前記第１スイッチ手段および第２
   スイッチ手段のいずれかを選択的に活かし、これにより
   前記−次電気エネルギー源への電流の要求はその前もっ
   て決定した最大の所望の電力出力レベルにあるいはそれ
   より低いレベルにほぼ維持されかつ前記エネルギー貯蔵
   手段は前記最小の充電レベルと前記最大の充電レベルと
   の間の充電レベルに維持されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のシステム。 ３、低い負荷条件が存在しかつ前記エネルギー貯蔵手段
   がその前もって決定した充電の所望の最大レベルにある
   いはそのレベルよりちょうど低いレベルにあるような時
   間の間、前記第１スイッチ手段は閉じかつ前記第２スイ
   ッチ手段は開くことを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のシステム。 ４、高い負荷条件が存在するような時間の間、前記第１
   スイッチ手段および前記第２スイ、ンチ手段は閉じるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のシステム。 ５、非常に高い負荷条件が存在するような時間の間、前
   記第１子インチ手段は開きかつ前記第２スイッチ手段は
   閉じることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のシ
   ステ１、。 ６、前記エネルギー源は関連する前記ｆｊｔ、２スイッ
   チ手段を有する第１エネルギー貯蔵手段と関連する第３
   スイッチ手段を有する第２エネルギー貯蔵手段を有し、
   前記−次電気エネルギー源、ボ１記第１エネルギー貯蔵
   手段および前記第２エネルギー貯蔵手段またはそれらの
   Ｍ！み合わせいずれかは、前記第１スイ・ソチ手段、前
   記第２スイ・ンチ手段および前記第３スイッチ手段また
   はそれらの組み合わせのいずれが適切に活かされるかに
   依存して、並列１こ接続されて°屯汰を前記負荷装置へ
   供給し、前記第１エネルギー貯蔵手段および前記第２エ
   ネルギー貯蔵手段はそれぞれ前もって決定した所望の充
   電の最小レベルおよび最大レベルを有し、そして前記応
   答手段は前記負荷電流感知手段に応答して、前記ｔｆｒ
   ｊｌスイッチ手段、前記第２スイッチ手段または前記第
   ３スイッチ手段のいずれかを選択的に活かし、こうして
   前記−次電気エネルギー源への電波要求はその前もって
   決定した最大のの所望の電力出力レバ〜ルにまたはそれ
   より低いレベルにほぼ維持されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のシステム。 ７、エネルギー貯蔵手段の選択は、前もって選＆’され
   たエネルギー貯蔵手段の充電状態が他のエネルギー貯蔵
   手段の充電状態より下に低下したとき、変化することを
   特徴とする特許請求の範囲第６項記載のシステム。 ８、負荷装置が前記一次電気エネルギー源の全出力を抜
   き出さない期間の間に要求されるとき、エネルギー貯蔵
   手段として選択ｙれないエネルギー貯蔵手段を、前記一
   次電気エネルギー源が１１１充電することを特徴とする
   特許請求の範囲第７りｊ記載のシステム。 ９、ｊｉｉｊ記エネルギー貯蔵手段は貯蔵電池手段から
   なり、そして前記−次電気エネルギー源は燃料電池から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のシス
   テム。 １０、エネルギー貯蔵手段の数は２より大きく、そして
   各々はそれに関連するスイ・ンチ「段を右し、前記スイ
   ッチ手段は前記エネルギー貯蔵り段をシステムへ接続し
   かつシステムから？断することを特徴とする特許請求の
   範囲第６項記載のシステム。