ハイブリッド電源システム
【課題】本発明は、ハイブリッド電源システムに関するものである。
【解決手段】本発明のハイブリッド電源システムは、互いに直列した複数の電力モジュールを含む。各々の前記電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体を含み、各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列して、前記リチウムイオン電池ユニットを充電する。
【解決手段】本発明のハイブリッド電源システムは、互いに直列した複数の電力モジュールを含む。各々の前記電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体を含み、各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列して、前記リチウムイオン電池ユニットを充電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染等の問題により、リチウム電池及び燃料電池を含むハイブリッド電源システムを用いた電気自動車が注目されている。現有のハイブリッド電源システムは、直列接続された複数の燃料電池を備えた燃料電池グループ及び直列接続された複数のリチウムイオン電池を備えたリチウムイオン電池グループを備え、前記ハイブリッド電源システムの前記燃料電池グループ及び前記リチウムイオン電池グループは、それぞれ／共に電気自動車にエネルギーを提供する。
【０００３】
前記燃料電池グループ及び前記リチウムイオン電池グループを貯蔵或いは供給エネルギー源とする前記ハイブリッド電源システムは、前記燃料電池グループ全体から前記リチウムイオン電池グループ全体に対して充電する（特許文献１を参照）。しかし、前記リチウムイオン電池グループにおける各々のリチウムイオン電池単体の性能は、生産過程等で起こる誤差により異なるため、前記リチウムイオン電池グループにおけるリチウムイオン電池単体間の充／放電能率も異なる。従って、前記リチウムイオン電池グループに充／放電する際、リチウムイオン電池単体の一つが過放電されたり、或いは過充電されたりする可能性があるため、前記リチウムイオン電池グループの安全性、充／放電容量及び充／放電サイクルの寿命に影響を及ぼす。
【０００４】
以上の問題を解決するために、従来の技術では、バッテリーマネージメントシステム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）を利用して、前記リチウムイオン電池グループに対して充／放電制御を行う。これにより、前記リチウムイオン電池グループにおけるリチウムイオン電池単体間の充／放電能率の差異性を解決する（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２５３９２号公報
【特許文献２】特表２００９−５２７８７３号公報
【０００６】
しかしながら、従来技術のバッテリーマネージメントシステムを利用する方法は、前記リチウムイオン電池グループの容量に対する有効利用率が低い。また、バッテリーマネージメントシステムの構造は複雑であり、且つコストも高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために、充／放電サイクルの寿命が長く、且つコストが低いハイブリッド電源システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のハイブリッド電源システムは、互いに直列した複数の電力モジュールを含む。各々の前記電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体を含み、各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列して、前記リチウムイオン電池ユニットを充電する。
【０００９】
また、互いに直列した複数の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは互いに直列し、前記リチウムイオン電池ユニットと互いに直列する。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べると、本発明のハイブリッド電源システムにおいて、各々のリチウムイオン電池ユニットは、それぞれ前記各々のリチウムイオン電池ユニットに対応する燃料電池ユニットによって、充電管理が行われるので、直列した前記リチウムイオン電池ユニット間の充電／放電の不整合を回避することができる。従って、前記リチウムイオン電池ユニットの寿命を延ばすことができる。さらに、直列した前記リチウムイオン電池ユニットから外部負荷に提供する有効電力の利用率が増加する。また、バッテリーマネージメントシステムにおいて、前前記リチウムイオン電池ユニット間の充電／放電の不整合を調整するために使用される従来の制御回路を除外することができるので、前記バッテリーマネージメントシステムの回路設置が簡略化でき、且つそのコストも削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係るハイブリッド電源システムの構造を示す図である。
【図２】図１に示すハイブリッド電源システムの一つの電力モジュールの構造を示す図である。
【図３】図２に示す電力モジュールの燃料電池ユニット及びリチウムイオン電池ユニットの放電特性曲線を示す図である。
【図４】図２に示す電力モジュールの、外部負荷の作業電流が燃料電池ユニットの最大出力電流より小さい場合、適宜電力を提供する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図５】図２に示す電力モジュールの、外部負荷の作業電流が燃料電池ユニットの最大出力電流より大きい場合、適宜電力を提供する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図６】図２に示す電力モジュールの、外部負荷に適宜電力を提供し、電力モジュールの燃料電池ユニットから適宜リチウムイオン電池ユニットを充電する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図７】図１に示すハイブリッド電源システムのバッテリーマネージメントシステムの機能ブロック図である。
【図８】本発明の実施例２に係るハイブリッド電源システムの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明のハイブリッド電源システムの実施例について説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例１のハイブリッド電源システム１００は、互いに直列した複数の電力モジュール１０を含む。各々の前記電力モジュール１０は、一つの燃料電池ユニット１２及び一つのリチウムイオン電池ユニット１４を含み、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４と並列する。前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の少なくとも一つは、外部負荷に電力を供給することができる。各々の前記電力モジュール１０は、更に、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４に直列したスイッチング素子（図示せず）を含む。前記スイッチング素子は、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電することを制御するために用いられる。
【００１４】
また、各々の前記電力モジュール１０は、更にバッテリーマネージメントシステム１６も含む。前記バッテリーマネージメントシステム１６は、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する間、前記燃料電池ユニット１２の放電時間及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電時間を制御するために用いられ、且つ、前記燃料電池ユニット１２の燃料及びオキシダントの供給を制御するために用いられる。
【００１５】
前記燃料電池ユニット１２は、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体１２０を含み、該燃料電池単体１２０は燃料及びオキシダントを共用する。前記燃料は水素又はメタノールであり、前記オキシダントは空気である。本実施例において、前記燃料は水素であり、前記オキシダントは空気である。前記燃料電池ユニット１２の開回路電圧は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧の２倍〜４倍であるが、２倍であることが好ましい。
【００１６】
前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電電流の過剰により、前記リチウムイオン電池ユニット１４の使用寿命を減らすことを防止するために、前記燃料電池ユニット１２の短絡電流は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の最大充電電流より小さいか、又は同じであることが好ましい。ここで、前記燃料電池ユニット１２の短絡電流とは、前記燃料電池ユニット１２の出力端が短絡する際、前記燃料電池ユニット１２内で流す電流を示す。前記燃料電池単体１２０は、アルカリ燃料電池、固体酸化物型燃料電池又はプロトン交換膜型燃料電池である。前記燃料電池ユニット１２における前記燃料電池単体１２０の数量は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧によって決まる。前記燃料電池ユニット１２における前記燃料電池単体１２０のシリーズ電圧は前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧より大きければよい。本実施例において、前記燃料電池ユニット１２は、開回路電圧が１Ｖである六つの前記燃料電池単体１２０からなる。
【００１７】
前記リチウムイオン電池ユニット１４は、一つの前記リチウムイオン電池単体１４０又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体１４０を含む。本実施例において、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４は、並列した三つの前記リチウムイオン電池単体１４０を含む。前記リチウムイオン電池ユニット１４における前記リチウムイオン電池単体１４０は互いに並列しているので、各々の前記リチウムイオン電池単体１４０が過充電されることを防止することができる。前記リチウムイオン電池単体１４０は、リン酸鉄リチウム電池、リチウムコバルト酸化物電池、リチウムマンガン酸化物電池又はリチウムコバルト酸化マンガン電池であることができる。前記リチウムイオン電池単体１４０がリン酸鉄リチウム電池である場合、前記リチウムイオン電池単体１４０の作業電圧は２．５Ｖ〜３．６Ｖであり、前記リチウムイオン電池単体１４０がリチウムマンガン酸化物電池である場合、前記リチウムイオン電池単体１４０の作業電圧は３Ｖ〜４Ｖである。前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電される際、前記リチウムイオン電池ユニット１４は充電カットオフ電圧を有する。前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に放電される際、前記リチウムイオン電池ユニット１４は放電カットオフ電圧を有する。ここで、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧とは、前記リチウムイオン電池ユニット１４によって受け入れできる最大充電電圧を示す。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電カットオフ電圧とは、外部負荷に電力を供給できる最大放電電圧を示す。本実施例において、前記リチウムイオン電池単体１４０は前記リチウムコバルト酸化物電池である。前記リチウムコバルト酸化物電池の充電カットオフ電圧は４．２Ｖであり、放電カットオフ電圧は３．２Ｖであり、放電容量は３Ａｈである。
【００１８】
各々の前記電源モジュール１０において、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、前記燃料電池ユニット１２と並列する。前記燃料電池ユニット１２の固有の放電特性によって、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に適宜充電することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の固有の放電特性によって、各々の前記電源モジュール１０から外部負荷に適宜電力を供給することができる。適宜充電すること及び適宜に電力供給することは、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の固有の充電放電特性による、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２間の動態的なマッチングプロセスである。
【００１９】
適宜に充電すること又は適宜に外部負荷に電力を供給するプロセスは、それぞれ図３及び図６を参照する。先ず、図３を参照すると、曲線Ｌ１は前記燃料電池ユニット１２の放電曲線である。曲線Ｌ２は前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電曲線である。前記曲線Ｌ１において、前記燃料電池ユニット１２の出力電流Ｉは、該燃料電池ユニット１２の出力電圧Ｕの減少に伴い次第に増加している。また、前記曲線Ｌ２において、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、定電流で放電され、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電時間ｔの増加に伴い次第に減少しているが、前記リチウムイオン電池ユニット１４の電力がほぼ使い果たされた際、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは急激に減少する。
【００２０】
図４は、前記電源モジュール１０の第一状態を表し、外部負荷に適宜電源を供給する過程を示す図であり、外部負荷によって必要とされる作業電流Ｉｏが、前記燃料電池ユニット１２の最大出力電流より小さい状態を示す。曲線ＬＯＩは、前記電源モジュール１０の作業電流Ｉｏを示す曲線である。曲線ＬＬＩは、前記電源モジュール１０の放電過程において、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬを示す曲線である。曲線ＬＦＩは、前記電源モジュール１０の放電過程において、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦを示す曲線である。曲線ＬＯＶは、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕを示す曲線である。曲線ＬＬＶは、独立して外部負荷に電力を供給する前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧ＵＬを示す曲線である。
【００２１】
前記電源モジュール１０は、外部負荷に対して所定の作業電流Ｉｏを提供する。放電の初期段階では、並列した前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは高い。この時、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、外部負荷の電力の主要な出力源である。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬが次第に減少すると、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは増加する。前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、放電時間がｔ０の際、ＵＯまで減少し、この時、前記電源モジュール１０の前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬはゼロまで低下し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは作業電流Ｉｏまで増加する。前記放電時間がｔ０の際、前記燃料電池ユニット１２は、外部負荷の電力の主要な出力源であり、前記リチウムイオン電池ユニット１４は外部負荷に電力を供給することができない。前記放電時間ｔ０後に、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、前記燃料電池ユニット１２と並列しているので、外部負荷に最大の電力を供給するために、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、所定の出力電圧Ｕ０に維持される。逆に、例えば時間ｔ０後に、外部負荷が前記リチウムイオン電池ユニット１４によって唯一電力を供給した場合、曲線ＬＬＶで示すように、外部負荷は短時間で電源を受け取ることができなくなる。
【００２２】
図５は、前記電源モジュール１０の第二状態を表し、外部負荷に適宜電源を供給する過程を示す図であり、外部負荷によって必要とされる作業電流Ｉｏが、前記燃料電池ユニット１２の最大出力電流より大きい状態を示す。図５は図４に類似し、前記電源モジュール１０の放電時間の延長に伴い、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは次第に減少し、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは次第に減少すると共に、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは次第に増加する。また、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＬが増加して最大出力電流に近づくと、出力電流ＩＬの増加幅は小さくなると共に、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは減少する。このように、所定の時間の経過後、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４によって提供される出力電流は、外部負荷が必要とする作業電流Ｉｏよりも小さくなる。従って、このような場合、前記リチウムイオン電池ユニット１４の過放電を防ぐために、電源供給を停止する必要がある。
【００２３】
図６は、前記電源モジュール１０の作業工程を示す図である。該作業工程において、前記電源モジュール１０は、外部負荷に適宜電力を供給し、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４に適宜充電する。放電時間がゼロからｔ１までの間に、前記電源モジュール１０の出力電流は定電流を維持し、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、放電時間ｔの増加に伴いＵ０からＵ１まで減少する。この時、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは次第に減少し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは増加する。即ち、前記変化規律は図４及び図５に類似する。
【００２４】
図６の曲線ＬＦ−Ｌは、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する充電電流ＩＦ−Ｌを示す曲線である。放電時間がｔ１からｔ２までの間、前記電源モジュール１０は外部負荷に電力を提供することを停止し、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する。この時、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ１からＵ２まで増加し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流又は充電電流ＩＦ−Ｌは次第に減少する。放電時間がｔ２からｔ３までの間、前記電源モジュール１０は外部負荷に電力を提供し続け、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ２からＵ３まで減少する。放電時間ｔ３に達する際、前記電源モジュール１０の出力電流はＩ１からＩ２に減少する。放電時間ｔ３からｔ４までの間、前記燃料電池ユニット１２は、外部負荷に電力を供給できるだけでなく、前記リチウムイオン電池ユニット１４の電流が、必要とする出力電流（Ｉ２）より小さくなると、前記燃料電池ユニット１２は前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電することができる。前記リチウムイオン電池ユニット１４が充電された後、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ３からＵ４まで増加する。放電時間がｔ４を超えると、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は、外部負荷に電力を提供する。
【００２５】
前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は並列しているため、前記電源モジュール１０は、適宜調整することにより外部負荷に電流を出力でき、且つ前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４間で、適宜充電電流を調整することができ、また、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧は同時に増加、又は減少する。従って、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧が、自身が充電されるために必要とする段階まで減少すると、前記燃料電池ユニット１２の出力電圧も減少し、これに応じて前記燃料電池ユニット１２の出力電流は増加する。また、前記燃料電池ユニット１２の増加した出力電流によって、前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する。
【００２６】
図７を参照すると、前記バッテリーマネージメントシステム１６は、過充電保護回路１６０と、過放電保護回路１６２と、検出回路１６４及び制御回路１６６と、を含む。前記過充電保護回路１６０は、前記燃料電池ユニット１２により、前記リチウムイオン電池ユニット１４に対する過充電を防止するために用いられる。前記放電回路１６２は、燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の過放電を防止するために用いられる。前記検出回路１６４は、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の電圧、温度などのデータを検出するために用いられる。前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４によって検出されたデータにより、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の充放電を制御する。
【００２７】
前記制御回路１６６において、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧、放電カットオフ電圧などのデータはプリセットされている。前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４によって検出された前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧を、前記リチウムイオン電池ユニット１４のプリセットされた充電カットオフ電圧及び放電カットオフ電圧と比較することにより、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電を行うかどうかを判断し、且つどの前記リチウムイオン電池ユニット１４に対して過充電保護／過放電保護を行うかを判断する。また、前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４から検出された前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の温度、電流などのデータにより、前記電源モジュール１０が加熱されて破損することを防止し、且つ前記検出回路１６４によって、前記燃料電池ユニット１２の出力電圧を検出することにより、前記燃料電池ユニット１２に対する燃料及び酸化剤の供給を制御することができる。また、前記検出回路１６４によって、前記燃料電池ユニット１２の温度を検出することにより、該燃料電池ユニット１２を冷却するために使用される冷却水の循環を制御することもできる。
【００２８】
前記バッテリーマネージメントシステム１６は、更にアンチリバース充電回路１６８を備える。前記燃料電池ユニット１２が作動しない際、該アンチリバース充電回路１６８の電圧は前記リチウムイオン電池ユニット１４より低い。従って、この際、前記リチウムイオン電池ユニット１４が、前記燃料電池ユニット１２に対して充電すること防止するために使用される。また、前記アンチリバース充電回路１６８は、ダイオードによっても実現することができる。
【００２９】
前記バッテリーマネージメントシステム１６は、電圧、温度などのデータを検出し、且つ該検出されたデータによって、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する時間を確認するが、この時、前記燃料電池ユニット１２から適宜前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する過程に対して影響は与えない。
【００３０】
互いに直列した前記電源モジュール１０を含む複数の前記ハイブリッド電源システム１００において、各々の前記電源モジュール１０の互いに直列した前記燃料電池ユニット１２は、燃料電池モジュールを形成する。また、各々の前記電源モジュール１０の互いに直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４は、リチウムイオン電池モジュールを形成する。該燃料電池モジュール及びリチウムイオン電池モジュールは互いに並列する。一つの実施例として、前記ハイブリッド電源システム１００において、互いに直列した８０の前記燃料電池ユニット１２及び互いに直列された８０の前記リチウムイオン電池ユニット１４を含む。管理を簡略化するため、各々の前記電源モジュール１０において、燃料及び酸化剤は、前記燃料電池ユニット１２との間で共有することができる。
【００３１】
図１を参照すると、前記ハイブリッド電源システム１００は、更にコンバータ１０２を備える。前記コンバータ１０２は、互いに直列した複数の前記電源モジュール１０と並列し、且つ前記ハイブリッド電源システム１００の出力電圧を、外部負荷１０４の実際の作業電圧に変換する。前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は、それぞれ又は共に前期外部負荷１０４に電源を提供する。前記コンバータ１０２は、直流−直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）又は直流−交流変換器（ＤＣ−ＡＣコンバータ）である。
【００３２】
また、実際の必要に応じて、前記ハイブリッド電源システム１００は、前記電気コンバータ１０２を介して、前記外部負荷１０４に接続することができる。前記ハイブリッド電源システム１００の出力電圧は、全ての前記電源モジュール１０の出力電圧の和である。直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４及び直列した前記燃料電池ユニット１２は、同時に又は交互に前記外部負荷１０４に電力を供給する。
【００３３】
本発明の前記ハイブリッド電源システム１００は車に対して使用する。車のスムーズな運転の場合は、電力は主に直列した前記燃料電池ユニット１２によって提供される。加速、又は坂道発進の場合は、直列した前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の両方が電力を供給する。ブレーキをかける、下り坂を走行する、又は減速する場合、前記燃料電池ユニット１２から対応する前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電される。また前記燃料電池ユニット１２電力の供給を停止した際、例えば燃料の消耗或いは燃料電池ユニット１２が故障した際、互いに並列した前記リチウムイオン電池ユニット１４が電力を供給する。
【００３４】
前記ハイブリッド電源システム１００において、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４は、それぞれ対応する前記燃料電池ユニット１２によって、充電管理が行われるので、直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を回避することができ、従って、前記リチウムイオン電池ユニット１４の寿命を延ばすことができる。さらに、直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４から外部負荷に提供する有効電力の利用率も増加する。また、前記バッテリーマネージメントシステム１６において、前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を調整するために使用される従来の制御回路を除外することができるので、前記バッテリーマネージメントシステム１６の回路設置が簡略化でき、且つそのコストも削減することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、並列した複数の前記リチウムイオン電池単体１４０を含むため、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流を増加することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４のうち、一つの前記リチウムイオン電池単体１４０が損傷した場合、他の前記リチウムイオン電池単体１４０が作動しているため、前記リチウムイオン電池ユニット１４は正常に作業することができ、前記ハイブリッド電源システム１００の信頼性を高める。また、燃料電池及びリチウムイオン電池は、類似の放電特性を持つため、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放容量に応じて、適宜前記リチウムイオン電池ユニット１４を充電することができる。
【００３５】
（実施例２）
図８を参照すると、本実施例２のハイブリッド電源システム１００は、互いに直列した複数の燃料電池ユニット１２及び互いに直列した複数のリチウムイオン電池ユニット１４を含む。前記ハイブリッド電源システム１００は、実施例１の前記ハイブリッド電源システム１００と比べて、以下の点が異なる。互いに直列した複数の前記燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１３を備える。前記燃料電池スタック１３は、燃料入力口１３２と、燃料出力口１３４と、酸化剤入力口１３６及び酸化剤出力口１３８と、を含む。前記燃料電池スタック１３は、対向する２つの側面を持ち、複数の前記燃料電池単体１２０は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面の一つの側面からもう一つの側面に向かって配列設置される。前記燃料入力口１３２及び前記酸化剤入力口１３６は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面の一つの側面に設置され、前記燃料出力１３４及び前記酸化剤出力口１３８は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面のもう一つの側面に設置される。前記燃料入力口１３２から、各々の前記燃料電池単体１２０に燃料が供給され、前記酸化剤入力口１３６から、各々の前記燃料電池単体１２０に酸化剤が供給される。各々の前記燃料電池ユニット１２は、正極リード１２２及び負極リード１２４を備え、該正極リード１２２及び負極リード１２４によって、各々の前記燃料電池ユニット１２は、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４と並列し、且つ前記リチウムイオン電池ユニット１４に直接的に充電することができる。
【００３６】
前記第二のハイブリッド電源システム１００における複数の前記電源モジュール１０は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有する、又はそれぞれ一つのバッテリーマネージメントシステム１６を含むことができる。本実施例において、複数の前記電源モジュール１０は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有する。前記第二のハイブリッド電源システム１００は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６及び複数の前記電源モジュール１０を含む場合、複数の前記電源モジュール１０は、マルチプレクサを通じて前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有させる。前記マルチプレクサは複数の独立回路を備え、該独立回路の数量は、前記電源モジュール１０の数量と同じである。従って、前記バッテリーマネージメントシステム１６に、前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を調整するために使用する制御回路を設置する必要はない。従って、前記バッテリーマネージメントシステム１６の内部回路を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１００ ハイブリッド電源システム
１０ 電源モジュール
１２ 燃料電池ユニット
１３ 燃料電池スタック
１４ リチウムイオン電池ユニット
１６ バッテリーマネージメントシステム
１０２ コンバータ
１０４ 外部負荷
１２０ 燃料電池単体
１２２ 正極リード
１２４ 負極リード
１３２ 燃料入力口
１３４ 燃料出力口
１３６ 酸化剤入力口
１３８ 酸化剤出力口
１４０ リチウムイオン電池単体
１６０ 過充電保護回路
１６２ 過放電保護回路
１６４ 検出回路
１６６ 制御回路
１６８ アンチリバース回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染等の問題により、リチウム電池及び燃料電池を含むハイブリッド電源システムを用いた電気自動車が注目されている。現有のハイブリッド電源システムは、直列接続された複数の燃料電池を備えた燃料電池グループ及び直列接続された複数のリチウムイオン電池を備えたリチウムイオン電池グループを備え、前記ハイブリッド電源システムの前記燃料電池グループ及び前記リチウムイオン電池グループは、それぞれ／共に電気自動車にエネルギーを提供する。
【０００３】
前記燃料電池グループ及び前記リチウムイオン電池グループを貯蔵或いは供給エネルギー源とする前記ハイブリッド電源システムは、前記燃料電池グループ全体から前記リチウムイオン電池グループ全体に対して充電する（特許文献１を参照）。しかし、前記リチウムイオン電池グループにおける各々のリチウムイオン電池単体の性能は、生産過程等で起こる誤差により異なるため、前記リチウムイオン電池グループにおけるリチウムイオン電池単体間の充／放電能率も異なる。従って、前記リチウムイオン電池グループに充／放電する際、リチウムイオン電池単体の一つが過放電されたり、或いは過充電されたりする可能性があるため、前記リチウムイオン電池グループの安全性、充／放電容量及び充／放電サイクルの寿命に影響を及ぼす。
【０００４】
以上の問題を解決するために、従来の技術では、バッテリーマネージメントシステム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）を利用して、前記リチウムイオン電池グループに対して充／放電制御を行う。これにより、前記リチウムイオン電池グループにおけるリチウムイオン電池単体間の充／放電能率の差異性を解決する（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２５３９２号公報
【特許文献２】特表２００９−５２７８７３号公報
【０００６】
しかしながら、従来技術のバッテリーマネージメントシステムを利用する方法は、前記リチウムイオン電池グループの容量に対する有効利用率が低い。また、バッテリーマネージメントシステムの構造は複雑であり、且つコストも高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために、充／放電サイクルの寿命が長く、且つコストが低いハイブリッド電源システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のハイブリッド電源システムは、互いに直列した複数の電力モジュールを含む。各々の前記電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体を含み、各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列して、前記リチウムイオン電池ユニットを充電する。
【０００９】
また、互いに直列した複数の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは互いに直列し、前記リチウムイオン電池ユニットと互いに直列する。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べると、本発明のハイブリッド電源システムにおいて、各々のリチウムイオン電池ユニットは、それぞれ前記各々のリチウムイオン電池ユニットに対応する燃料電池ユニットによって、充電管理が行われるので、直列した前記リチウムイオン電池ユニット間の充電／放電の不整合を回避することができる。従って、前記リチウムイオン電池ユニットの寿命を延ばすことができる。さらに、直列した前記リチウムイオン電池ユニットから外部負荷に提供する有効電力の利用率が増加する。また、バッテリーマネージメントシステムにおいて、前前記リチウムイオン電池ユニット間の充電／放電の不整合を調整するために使用される従来の制御回路を除外することができるので、前記バッテリーマネージメントシステムの回路設置が簡略化でき、且つそのコストも削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係るハイブリッド電源システムの構造を示す図である。
【図２】図１に示すハイブリッド電源システムの一つの電力モジュールの構造を示す図である。
【図３】図２に示す電力モジュールの燃料電池ユニット及びリチウムイオン電池ユニットの放電特性曲線を示す図である。
【図４】図２に示す電力モジュールの、外部負荷の作業電流が燃料電池ユニットの最大出力電流より小さい場合、適宜電力を提供する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図５】図２に示す電力モジュールの、外部負荷の作業電流が燃料電池ユニットの最大出力電流より大きい場合、適宜電力を提供する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図６】図２に示す電力モジュールの、外部負荷に適宜電力を提供し、電力モジュールの燃料電池ユニットから適宜リチウムイオン電池ユニットを充電する際の電圧−電流曲線を示す図である。
【図７】図１に示すハイブリッド電源システムのバッテリーマネージメントシステムの機能ブロック図である。
【図８】本発明の実施例２に係るハイブリッド電源システムの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明のハイブリッド電源システムの実施例について説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例１のハイブリッド電源システム１００は、互いに直列した複数の電力モジュール１０を含む。各々の前記電力モジュール１０は、一つの燃料電池ユニット１２及び一つのリチウムイオン電池ユニット１４を含み、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４と並列する。前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の少なくとも一つは、外部負荷に電力を供給することができる。各々の前記電力モジュール１０は、更に、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４に直列したスイッチング素子（図示せず）を含む。前記スイッチング素子は、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電することを制御するために用いられる。
【００１４】
また、各々の前記電力モジュール１０は、更にバッテリーマネージメントシステム１６も含む。前記バッテリーマネージメントシステム１６は、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する間、前記燃料電池ユニット１２の放電時間及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電時間を制御するために用いられ、且つ、前記燃料電池ユニット１２の燃料及びオキシダントの供給を制御するために用いられる。
【００１５】
前記燃料電池ユニット１２は、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体１２０を含み、該燃料電池単体１２０は燃料及びオキシダントを共用する。前記燃料は水素又はメタノールであり、前記オキシダントは空気である。本実施例において、前記燃料は水素であり、前記オキシダントは空気である。前記燃料電池ユニット１２の開回路電圧は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧の２倍〜４倍であるが、２倍であることが好ましい。
【００１６】
前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電電流の過剰により、前記リチウムイオン電池ユニット１４の使用寿命を減らすことを防止するために、前記燃料電池ユニット１２の短絡電流は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の最大充電電流より小さいか、又は同じであることが好ましい。ここで、前記燃料電池ユニット１２の短絡電流とは、前記燃料電池ユニット１２の出力端が短絡する際、前記燃料電池ユニット１２内で流す電流を示す。前記燃料電池単体１２０は、アルカリ燃料電池、固体酸化物型燃料電池又はプロトン交換膜型燃料電池である。前記燃料電池ユニット１２における前記燃料電池単体１２０の数量は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧によって決まる。前記燃料電池ユニット１２における前記燃料電池単体１２０のシリーズ電圧は前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧より大きければよい。本実施例において、前記燃料電池ユニット１２は、開回路電圧が１Ｖである六つの前記燃料電池単体１２０からなる。
【００１７】
前記リチウムイオン電池ユニット１４は、一つの前記リチウムイオン電池単体１４０又は互いに並列した少なくとも二つの前記リチウムイオン電池単体１４０を含む。本実施例において、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４は、並列した三つの前記リチウムイオン電池単体１４０を含む。前記リチウムイオン電池ユニット１４における前記リチウムイオン電池単体１４０は互いに並列しているので、各々の前記リチウムイオン電池単体１４０が過充電されることを防止することができる。前記リチウムイオン電池単体１４０は、リン酸鉄リチウム電池、リチウムコバルト酸化物電池、リチウムマンガン酸化物電池又はリチウムコバルト酸化マンガン電池であることができる。前記リチウムイオン電池単体１４０がリン酸鉄リチウム電池である場合、前記リチウムイオン電池単体１４０の作業電圧は２．５Ｖ〜３．６Ｖであり、前記リチウムイオン電池単体１４０がリチウムマンガン酸化物電池である場合、前記リチウムイオン電池単体１４０の作業電圧は３Ｖ〜４Ｖである。前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電される際、前記リチウムイオン電池ユニット１４は充電カットオフ電圧を有する。前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に放電される際、前記リチウムイオン電池ユニット１４は放電カットオフ電圧を有する。ここで、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧とは、前記リチウムイオン電池ユニット１４によって受け入れできる最大充電電圧を示す。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電カットオフ電圧とは、外部負荷に電力を供給できる最大放電電圧を示す。本実施例において、前記リチウムイオン電池単体１４０は前記リチウムコバルト酸化物電池である。前記リチウムコバルト酸化物電池の充電カットオフ電圧は４．２Ｖであり、放電カットオフ電圧は３．２Ｖであり、放電容量は３Ａｈである。
【００１８】
各々の前記電源モジュール１０において、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、前記燃料電池ユニット１２と並列する。前記燃料電池ユニット１２の固有の放電特性によって、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に適宜充電することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の固有の放電特性によって、各々の前記電源モジュール１０から外部負荷に適宜電力を供給することができる。適宜充電すること及び適宜に電力供給することは、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の固有の充電放電特性による、前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２間の動態的なマッチングプロセスである。
【００１９】
適宜に充電すること又は適宜に外部負荷に電力を供給するプロセスは、それぞれ図３及び図６を参照する。先ず、図３を参照すると、曲線Ｌ１は前記燃料電池ユニット１２の放電曲線である。曲線Ｌ２は前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電曲線である。前記曲線Ｌ１において、前記燃料電池ユニット１２の出力電流Ｉは、該燃料電池ユニット１２の出力電圧Ｕの減少に伴い次第に増加している。また、前記曲線Ｌ２において、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、定電流で放電され、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放電時間ｔの増加に伴い次第に減少しているが、前記リチウムイオン電池ユニット１４の電力がほぼ使い果たされた際、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは急激に減少する。
【００２０】
図４は、前記電源モジュール１０の第一状態を表し、外部負荷に適宜電源を供給する過程を示す図であり、外部負荷によって必要とされる作業電流Ｉｏが、前記燃料電池ユニット１２の最大出力電流より小さい状態を示す。曲線ＬＯＩは、前記電源モジュール１０の作業電流Ｉｏを示す曲線である。曲線ＬＬＩは、前記電源モジュール１０の放電過程において、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬを示す曲線である。曲線ＬＦＩは、前記電源モジュール１０の放電過程において、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦを示す曲線である。曲線ＬＯＶは、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕを示す曲線である。曲線ＬＬＶは、独立して外部負荷に電力を供給する前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧ＵＬを示す曲線である。
【００２１】
前記電源モジュール１０は、外部負荷に対して所定の作業電流Ｉｏを提供する。放電の初期段階では、並列した前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧Ｕは高い。この時、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、外部負荷の電力の主要な出力源である。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬが次第に減少すると、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは増加する。前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、放電時間がｔ０の際、ＵＯまで減少し、この時、前記電源モジュール１０の前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬはゼロまで低下し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは作業電流Ｉｏまで増加する。前記放電時間がｔ０の際、前記燃料電池ユニット１２は、外部負荷の電力の主要な出力源であり、前記リチウムイオン電池ユニット１４は外部負荷に電力を供給することができない。前記放電時間ｔ０後に、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、前記燃料電池ユニット１２と並列しているので、外部負荷に最大の電力を供給するために、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、所定の出力電圧Ｕ０に維持される。逆に、例えば時間ｔ０後に、外部負荷が前記リチウムイオン電池ユニット１４によって唯一電力を供給した場合、曲線ＬＬＶで示すように、外部負荷は短時間で電源を受け取ることができなくなる。
【００２２】
図５は、前記電源モジュール１０の第二状態を表し、外部負荷に適宜電源を供給する過程を示す図であり、外部負荷によって必要とされる作業電流Ｉｏが、前記燃料電池ユニット１２の最大出力電流より大きい状態を示す。図５は図４に類似し、前記電源モジュール１０の放電時間の延長に伴い、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは次第に減少し、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは次第に減少すると共に、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは次第に増加する。また、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＬが増加して最大出力電流に近づくと、出力電流ＩＬの増加幅は小さくなると共に、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは減少する。このように、所定の時間の経過後、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４によって提供される出力電流は、外部負荷が必要とする作業電流Ｉｏよりも小さくなる。従って、このような場合、前記リチウムイオン電池ユニット１４の過放電を防ぐために、電源供給を停止する必要がある。
【００２３】
図６は、前記電源モジュール１０の作業工程を示す図である。該作業工程において、前記電源モジュール１０は、外部負荷に適宜電力を供給し、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４に適宜充電する。放電時間がゼロからｔ１までの間に、前記電源モジュール１０の出力電流は定電流を維持し、前記電源モジュール１０の出力電圧Ｕは、放電時間ｔの増加に伴いＵ０からＵ１まで減少する。この時、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流ＩＬは次第に減少し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流ＩＦは増加する。即ち、前記変化規律は図４及び図５に類似する。
【００２４】
図６の曲線ＬＦ−Ｌは、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する充電電流ＩＦ−Ｌを示す曲線である。放電時間がｔ１からｔ２までの間、前記電源モジュール１０は外部負荷に電力を提供することを停止し、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する。この時、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ１からＵ２まで増加し、前記燃料電池ユニット１２の出力電流又は充電電流ＩＦ−Ｌは次第に減少する。放電時間がｔ２からｔ３までの間、前記電源モジュール１０は外部負荷に電力を提供し続け、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ２からＵ３まで減少する。放電時間ｔ３に達する際、前記電源モジュール１０の出力電流はＩ１からＩ２に減少する。放電時間ｔ３からｔ４までの間、前記燃料電池ユニット１２は、外部負荷に電力を供給できるだけでなく、前記リチウムイオン電池ユニット１４の電流が、必要とする出力電流（Ｉ２）より小さくなると、前記燃料電池ユニット１２は前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電することができる。前記リチウムイオン電池ユニット１４が充電された後、前記電源モジュール１０の出力電圧ＵはＵ３からＵ４まで増加する。放電時間がｔ４を超えると、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は、外部負荷に電力を提供する。
【００２５】
前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は並列しているため、前記電源モジュール１０は、適宜調整することにより外部負荷に電流を出力でき、且つ前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４間で、適宜充電電流を調整することができ、また、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧は同時に増加、又は減少する。従って、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧が、自身が充電されるために必要とする段階まで減少すると、前記燃料電池ユニット１２の出力電圧も減少し、これに応じて前記燃料電池ユニット１２の出力電流は増加する。また、前記燃料電池ユニット１２の増加した出力電流によって、前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する。
【００２６】
図７を参照すると、前記バッテリーマネージメントシステム１６は、過充電保護回路１６０と、過放電保護回路１６２と、検出回路１６４及び制御回路１６６と、を含む。前記過充電保護回路１６０は、前記燃料電池ユニット１２により、前記リチウムイオン電池ユニット１４に対する過充電を防止するために用いられる。前記放電回路１６２は、燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の過放電を防止するために用いられる。前記検出回路１６４は、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の電圧、温度などのデータを検出するために用いられる。前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４によって検出されたデータにより、前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の充放電を制御する。
【００２７】
前記制御回路１６６において、前記リチウムイオン電池ユニット１４の充電カットオフ電圧、放電カットオフ電圧などのデータはプリセットされている。前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４によって検出された前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電圧を、前記リチウムイオン電池ユニット１４のプリセットされた充電カットオフ電圧及び放電カットオフ電圧と比較することにより、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電を行うかどうかを判断し、且つどの前記リチウムイオン電池ユニット１４に対して過充電保護／過放電保護を行うかを判断する。また、前記制御回路１６６は、前記検出回路１６４から検出された前記リチウムイオン電池ユニット１４及び前記燃料電池ユニット１２の温度、電流などのデータにより、前記電源モジュール１０が加熱されて破損することを防止し、且つ前記検出回路１６４によって、前記燃料電池ユニット１２の出力電圧を検出することにより、前記燃料電池ユニット１２に対する燃料及び酸化剤の供給を制御することができる。また、前記検出回路１６４によって、前記燃料電池ユニット１２の温度を検出することにより、該燃料電池ユニット１２を冷却するために使用される冷却水の循環を制御することもできる。
【００２８】
前記バッテリーマネージメントシステム１６は、更にアンチリバース充電回路１６８を備える。前記燃料電池ユニット１２が作動しない際、該アンチリバース充電回路１６８の電圧は前記リチウムイオン電池ユニット１４より低い。従って、この際、前記リチウムイオン電池ユニット１４が、前記燃料電池ユニット１２に対して充電すること防止するために使用される。また、前記アンチリバース充電回路１６８は、ダイオードによっても実現することができる。
【００２９】
前記バッテリーマネージメントシステム１６は、電圧、温度などのデータを検出し、且つ該検出されたデータによって、前記燃料電池ユニット１２から前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する時間を確認するが、この時、前記燃料電池ユニット１２から適宜前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電する過程に対して影響は与えない。
【００３０】
互いに直列した前記電源モジュール１０を含む複数の前記ハイブリッド電源システム１００において、各々の前記電源モジュール１０の互いに直列した前記燃料電池ユニット１２は、燃料電池モジュールを形成する。また、各々の前記電源モジュール１０の互いに直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４は、リチウムイオン電池モジュールを形成する。該燃料電池モジュール及びリチウムイオン電池モジュールは互いに並列する。一つの実施例として、前記ハイブリッド電源システム１００において、互いに直列した８０の前記燃料電池ユニット１２及び互いに直列された８０の前記リチウムイオン電池ユニット１４を含む。管理を簡略化するため、各々の前記電源モジュール１０において、燃料及び酸化剤は、前記燃料電池ユニット１２との間で共有することができる。
【００３１】
図１を参照すると、前記ハイブリッド電源システム１００は、更にコンバータ１０２を備える。前記コンバータ１０２は、互いに直列した複数の前記電源モジュール１０と並列し、且つ前記ハイブリッド電源システム１００の出力電圧を、外部負荷１０４の実際の作業電圧に変換する。前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４は、それぞれ又は共に前期外部負荷１０４に電源を提供する。前記コンバータ１０２は、直流−直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）又は直流−交流変換器（ＤＣ−ＡＣコンバータ）である。
【００３２】
また、実際の必要に応じて、前記ハイブリッド電源システム１００は、前記電気コンバータ１０２を介して、前記外部負荷１０４に接続することができる。前記ハイブリッド電源システム１００の出力電圧は、全ての前記電源モジュール１０の出力電圧の和である。直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４及び直列した前記燃料電池ユニット１２は、同時に又は交互に前記外部負荷１０４に電力を供給する。
【００３３】
本発明の前記ハイブリッド電源システム１００は車に対して使用する。車のスムーズな運転の場合は、電力は主に直列した前記燃料電池ユニット１２によって提供される。加速、又は坂道発進の場合は、直列した前記燃料電池ユニット１２及び前記リチウムイオン電池ユニット１４の両方が電力を供給する。ブレーキをかける、下り坂を走行する、又は減速する場合、前記燃料電池ユニット１２から対応する前記リチウムイオン電池ユニット１４に充電される。また前記燃料電池ユニット１２電力の供給を停止した際、例えば燃料の消耗或いは燃料電池ユニット１２が故障した際、互いに並列した前記リチウムイオン電池ユニット１４が電力を供給する。
【００３４】
前記ハイブリッド電源システム１００において、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４は、それぞれ対応する前記燃料電池ユニット１２によって、充電管理が行われるので、直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を回避することができ、従って、前記リチウムイオン電池ユニット１４の寿命を延ばすことができる。さらに、直列した前記リチウムイオン電池ユニット１４から外部負荷に提供する有効電力の利用率も増加する。また、前記バッテリーマネージメントシステム１６において、前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を調整するために使用される従来の制御回路を除外することができるので、前記バッテリーマネージメントシステム１６の回路設置が簡略化でき、且つそのコストも削減することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４は、並列した複数の前記リチウムイオン電池単体１４０を含むため、前記リチウムイオン電池ユニット１４の出力電流を増加することができる。また、前記リチウムイオン電池ユニット１４のうち、一つの前記リチウムイオン電池単体１４０が損傷した場合、他の前記リチウムイオン電池単体１４０が作動しているため、前記リチウムイオン電池ユニット１４は正常に作業することができ、前記ハイブリッド電源システム１００の信頼性を高める。また、燃料電池及びリチウムイオン電池は、類似の放電特性を持つため、前記燃料電池ユニット１２は、前記リチウムイオン電池ユニット１４の放容量に応じて、適宜前記リチウムイオン電池ユニット１４を充電することができる。
【００３５】
（実施例２）
図８を参照すると、本実施例２のハイブリッド電源システム１００は、互いに直列した複数の燃料電池ユニット１２及び互いに直列した複数のリチウムイオン電池ユニット１４を含む。前記ハイブリッド電源システム１００は、実施例１の前記ハイブリッド電源システム１００と比べて、以下の点が異なる。互いに直列した複数の前記燃料電池ユニット１２は、燃料電池スタック１３を備える。前記燃料電池スタック１３は、燃料入力口１３２と、燃料出力口１３４と、酸化剤入力口１３６及び酸化剤出力口１３８と、を含む。前記燃料電池スタック１３は、対向する２つの側面を持ち、複数の前記燃料電池単体１２０は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面の一つの側面からもう一つの側面に向かって配列設置される。前記燃料入力口１３２及び前記酸化剤入力口１３６は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面の一つの側面に設置され、前記燃料出力１３４及び前記酸化剤出力口１３８は、前記燃料電池スタック１３の前記対向する２つの側面のもう一つの側面に設置される。前記燃料入力口１３２から、各々の前記燃料電池単体１２０に燃料が供給され、前記酸化剤入力口１３６から、各々の前記燃料電池単体１２０に酸化剤が供給される。各々の前記燃料電池ユニット１２は、正極リード１２２及び負極リード１２４を備え、該正極リード１２２及び負極リード１２４によって、各々の前記燃料電池ユニット１２は、各々の前記リチウムイオン電池ユニット１４と並列し、且つ前記リチウムイオン電池ユニット１４に直接的に充電することができる。
【００３６】
前記第二のハイブリッド電源システム１００における複数の前記電源モジュール１０は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有する、又はそれぞれ一つのバッテリーマネージメントシステム１６を含むことができる。本実施例において、複数の前記電源モジュール１０は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有する。前記第二のハイブリッド電源システム１００は、前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６及び複数の前記電源モジュール１０を含む場合、複数の前記電源モジュール１０は、マルチプレクサを通じて前記一つのバッテリーマネージメントシステム１６を共有させる。前記マルチプレクサは複数の独立回路を備え、該独立回路の数量は、前記電源モジュール１０の数量と同じである。従って、前記バッテリーマネージメントシステム１６に、前記リチウムイオン電池ユニット１４間の充電／放電の不整合を調整するために使用する制御回路を設置する必要はない。従って、前記バッテリーマネージメントシステム１６の内部回路を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１００ ハイブリッド電源システム
１０ 電源モジュール
１２ 燃料電池ユニット
１３ 燃料電池スタック
１４ リチウムイオン電池ユニット
１６ バッテリーマネージメントシステム
１０２ コンバータ
１０４ 外部負荷
１２０ 燃料電池単体
１２２ 正極リード
１２４ 負極リード
１３２ 燃料入力口
１３４ 燃料出力口
１３６ 酸化剤入力口
１３８ 酸化剤出力口
１４０ リチウムイオン電池単体
１６０ 過充電保護回路
１６２ 過放電保護回路
１６４ 検出回路
１６６ 制御回路
１６８ アンチリバース回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列した複数の電力モジュールを含むハイブリッド電源システムであって、
各々の電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、
前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、
前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つのリチウムイオン電池単体を含み、
各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列し、前記リチウムイオン電池ユニットに充電することを特徴とするハイブリッド電源システム。
【請求項２】
互いに直列した複数の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは互いに直列し、前記リチウムイオン電池ユニットと互いに並列することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源システム。
【請求項１】
互いに直列した複数の電力モジュールを含むハイブリッド電源システムであって、
各々の電力モジュールは、一つの燃料電池ユニット及び一つのリチウムイオン電池ユニットを含み、
前記燃料電池ユニットは、互いに直列した少なくとも二つの燃料電池単体を含み、
前記リチウムイオン電池ユニットは、一つのリチウムイオン電池単体又は互いに並列した少なくとも二つのリチウムイオン電池単体を含み、
各々の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは、前記リチウムイオン電池ユニットと並列し、前記リチウムイオン電池ユニットに充電することを特徴とするハイブリッド電源システム。
【請求項２】
互いに直列した複数の前記電力モジュールにおいて、前記燃料電池ユニットは互いに直列し、前記リチウムイオン電池ユニットと互いに並列することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１７３８２（Ｐ２０１３−１７３８２Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４６８３１（Ｐ２０１２−１４６８３１）
【出願日】平成２４年６月２９日（２０１２．６．２９）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２９日（２０１２．６．２９）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]