ハイブリッド電源

【課題】ハイブリッド電力システムを提供する。
【解決手段】ハイブリッド電力システムは、燃料電池等の高エネルギ密度要素およびスーパーキャパシタ・バンク等の高電力密度要素からなる。ＤＣ／ＤＣ変換器が燃料電池に接続され、燃料電池の供給するエネルギのレベルを変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器に第１スイッチが接続される。第１および第２のスイッチに、第１および第２のスーパーキャパシタが接続される。制御装置が第１スイッチおよび第２スイッチに接続され、スーパーキャパシタの充電レベルを監視し、充電レベルに応答して切換えを制御する。第２スイッチに負荷が接続される。第１スイッチは、第２スイッチが第２スーパーキャパシタを負荷へ接続するとき、ＤＣ／ＤＣ変換器を第１スーパーキャパシタへ接続する。第１スイッチは、第２スイッチが第１スーパーキャパシタを負荷へ接続するとき、ＤＣ／ＤＣ変換器を第２スーパーキャパシタへ接続する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、政府の支援で、陸軍研究所により認められた共同技術提携電力エネルギ協会（ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｌｌｉａｎｃｅｓＰｏｗｅｒ＆ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）契約第ＤＡＡＤ１９−０１−２−００１０号の下で行われた。政府は、本発明に特定の権利を有する。
【０００３】
電源は、ある期間中に、ある電圧で電流を負荷へ供給する。一般に、負荷の特性により、適切な電源の種類が定められる。電子回路は、長期間にわたって比較的小さい電流を必要とすることがある。機械デバイスは、強力な運動を生じさせるために、比較的高い電流を一気に必要とすることがある。電気車両などのような一部の負荷は、平坦な面の上での運動には小さい電流を必要とし、斜面を上るには大きい電流を必要とすることがある。
【０００４】
電動車両は、それらの牽引システムおよび動作システムにエネルギを供給するために、大型の鉛蓄電池を使用することがある。この種の蓄電池は一般に、２４から４８ボルトを送出する。牽引システムには、運転者またはコンピュータの制御下に、ある仕事場周辺で電動車両を動かすように、電力が供給される。牽引システムは、加速中または斜面を上るときは、ＤＣバスから大電流を取り出すことができるが、通常は、長期間にわたって低い電流を必要とする。リフト・システムなどのような作業システムは、通常のトラック動作中に、貯蔵された電力の多くの部分を消費することがある。重い荷を持ち上げるとき、作業システムは、短期間に大電流を必要とすることがある。
【０００５】
従来のリフト・トラックは一般に、完全に充電された蓄電池で５ないし６時間動作する。蓄電池の電圧が所定のレベルより下がると、トラックは蓄電池ステーションまで移動され、そこで、空になった蓄電池は取り除かれ、完全に充電された交換用の蓄電池が取り付けられる。この作業は一般に、２０から３０分を必要とし、その間、トラックおよび運転者は非生産的な状態となる。
【０００６】
車両設計を改善するための取り組みは、特に、蓄電池の実働期間を延ばすように、なされてきた。例えば、蓄電池は、牽引およびリフト・システムの運動で充電電流を生成する交流発電機により、トラック動作中に再充電することができる。この手法は、エネルギの一部を回復するが、鉛蓄電池は、非効率的なエネルギ回復デバイスである。再生されたエネルギの大部分は、熱として放散され、失われる。トラック動作中に大電流が取り出される期間は、蓄電池の寿命を大幅に制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
明らかなように、一気に大電流を供給し、かつ長期間にわたってより低い電流を供給することができる電源が必要とされている。高電源および高エネルギ源からなるハイブリッド電源は、それぞれのコンポーネント電源の負荷デューティ・サイクルが能動的に管理されるとき、高エネルギならびに高電力デバイスをもたらすことができる。例えば、高エネルギ密度デバイスである燃料電池は、高電力デバイスであるスーパーキャパシタと混成させて、そのような電源を構成することができる。スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタは、一般的なコンデンサに比べるとエネルギ密度が非常に高い電気化学コンデンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様では、ハイブリッド電力システムは、電源と、前記電源からエネルギを受け取る電力貯蔵エレメントとを備え、前記電力貯蔵エレメントは、前記電源から受け取ったエネルギを貯蔵しながら、同時にエネルギを負荷へ供給する。
【０００９】
本発明の別の態様では、ハイブリッド電力システムを動作させる方法は、第１のキャパシタンス（容量）・バンクを充電するステップと、第２のキャパシタンス（容量）・バンクを充電するステップとを含む。第１の充電された容量バンクは負荷に接続され、第２の充電された容量バンクはエネルギ源に接続される。次いで、第１の容量バンクは負荷から接続解除され、エネルギ源に接続される。第２の容量バンクは負荷に接続される。次いで、第１の容量バンクは負荷に接続され、第２の容量バンクは負荷から接続解除される。次いで、第２の容量バンクはエネルギ源に接続される。
【００１０】
本発明の更なる態様では、ハイブリッド電力システムは、燃料電池と、燃料電池に電気的に接続され且つ燃料電池により供給されるエネルギのエネルギ・レベルを変換するＤＣ／ＤＣ変換器とを備える。ＤＣ／ＤＣ変換器または他のＤＣ源に、第１のスイッチが電気的に接続される。第１のスイッチおよび第２のスイッチに、それぞれ、第１および第２の容量バンクが電気的に接続される。第１のスイッチおよび第２のスイッチに、制御装置が接続される。制御装置は、第１のスーパーキャパシタおよび第２のスーパーキャパシタの充電レベルを監視し、それらの充電レベルに応答して、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御する。第２のスイッチに、負荷が電気的に接続される。第１のスイッチがＤＣ／ＤＣ変換器を第１の容量バンクへ接続するとき、第２のスイッチは、第２のスーパーキャパシタを負荷へ接続する。第１のスイッチがＤＣ／ＤＣ変換器を第２の容量バンクへ接続するとき、第２のスイッチは、第１の容量バンクを負荷へ接続する。
【００１１】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の図面、説明、および特許請求の範囲を参照すると、よりよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下は、本発明を実施するための最良の現在企図されている形態についての詳細な説明である。本発明の範囲は、特許請求の範囲により最もよく規定されるので、この説明は、限定的な意味で解釈されるものではなく、単に、本発明の一般的な原理を説明する目的でなされる。
【００１３】
概して、本発明は、電気車両、ロボット、および様々な電力需要を有する他の電気デバイスへ電力を供給するためのハイブリッド電力システムである。
【００１４】
典型的な電源は、低電流または大電流のどちらも供給すると最適である。コンデンサは、電力密度は高いがエネルギ密度は低いデバイスであり、典型的には、大電流を短期間に供給することができる。燃料電池は、エネルギ密度は高いが電力密度は低いデバイスであり、より小さい電流を長期間にわたって供給することができる。ハイブリッド電源は、低電流を長期間にわたって供給する電源を、大電流を短期間に提供できる電力貯蔵エレメントと共に含むことができる。燃料電池により周期的に再充電されるスーパーキャパシタ・バンクは、必要に応じて、必要な電流を負荷に供給し、結果として、電源のエネルギおよび電力の密度のレベルを最適にすることができる。
【００１５】
図１を参照すると、一つの実施形態によるハイブリッド電力システム１００が示されている。電源１０２は、エネルギを電力貯蔵エレメント１０４に供給することができる。ハイブリッド電力システム１００のための電源１０２として、燃料電池を使用することができる。燃料電池は、セルが燃料供給され続ける限り、安定した電力源を提供することができる。電源１０２として、リチウムの１次または２次の蓄電池などのような蓄電池を使用することもできる。電力貯蔵エレメント１０４は、電源１０２から供給されるエネルギにより充電することができる。電力貯蔵エレメント１０４として、スーパーキャパシタを使用することができる。電力貯蔵エレメント１０４は、負荷１０６によりエネルギが必要とされることがあるまで、電源１０４により供給されるエネルギを貯蔵することができる。
【００１６】
図２を参照すると、一実施形態による制御されたハイブリッド電力システム２００が示されている。電源１０２は、電力貯蔵エレメント１０４にエネルギを供給することができ、そのエネルギは、電力貯蔵エレメント１０４で貯蔵することができる。負荷１０６は、必要に応じて、電力貯蔵エレメント１０４から電力を取り出すことができる。蓄電池などの更なる電力貯蔵装置１１０を充電することができる。制御装置１０８は、電力貯蔵エレメント１０４に接続されて、電力貯蔵エレメント１０４の充電レベルを監視し、かつ、必要に応じて電源１０２を電力貯蔵エレメントへ接続することができる。
【００１７】
図３を参照すると、一つの実施形態による制御された二貯蔵部型ハイブリッド電源３００が示されている。一対の電力貯蔵エレメント１１２および１１４は、電源１０２からの電力により充電することができる。負荷１０６は、電力貯蔵エレメント１１２および１１４から電力を受け取ることができる。第１のスイッチ１１６は、電源１０２からの電力を第２の電力貯蔵エレメント１１４へ送るように制御装置１０８により指示されるまで、電源１０２からの電力を第１の電力貯蔵エレメント１１２へ送る。第１のスイッチ１１６を使用して、制御装置１０８は、電力貯蔵エレメント１１２と１１４を交互に充電するように、電源１０２からの電力の流れを調整することができる。第２のスイッチ１１８は、電力貯蔵エレメント１１２と１１４からの電力を交替して負荷１０６へ送ることができる。制御装置１０８は、第１の電力貯蔵エレメント１１２が充電されるときは、負荷１０６が第２の電力貯蔵エレメント１１４から電力を取り出し、また、第２の電力貯蔵エレメント１１４が充電されるときは、負荷は第１の電力貯蔵エレメント１１２から電力を取り出すことができるように、スイッチ１１６および１１８を制御することができる。制御装置１０８は、発振器とすることができる。本発明の一実施形態によれば、制御装置１０８は、プログラムされたマイクロプロセッサを含むことができる。
【００１８】
典型的には、電力貯蔵エレメント１１２および１１４のそれぞれは、同一の容量バンクとすることができる。代替例として、電力貯蔵エレメント１１２および１１４は、様々な容量値の容量バンクとすることができる。それぞれの容量バンク１１２、１１４は、指定された数のコンデンサ・セルを直列に含むことができ、セルの数は、指定の負荷電圧要件に従うように選択することができる。更に、容量バンク１１２、１１４は、並列のセルの列からなることもあり、セルおよび列の数は、必要な容量値を提供するように選択することができる。仕様は、適切なコンデンサ・バンクの重量、体積、コスト、充電電圧、電流、およびタイミングを基準として決定することができる。
【００１９】
スイッチ１１６および１１８を制御することに加えて、制御装置１０８は、容量バンク１１２、１１４の電圧レベルなどのような様々なシステム電圧、および燃料電池１０２により供給されるハイブリッド電源３００の電流レベルなどのようなシステム電流を監視することができる。制御装置１０８は、電力が常時負荷に供給されるように、負荷スイッチ１１８を操作して、電力貯蔵エレメント１１２および１１４と負荷１０６とを接続および接続解除することができる。従って、「メーク・ビフォア・ブレイク（ｍａｋｅｂｅｆｏｒｅｂｒｅａｋ）」切換え方式を実施することができる。
【００２０】
図４を参照すると、一つの実施形態による変換されたハイブリッド電力システム４００が示されている。電源１０２は、燃料貯蔵装置１２４から燃料を受け取る燃料電池を含むことができる。電源１０２は、電力貯蔵エレメント１０４の充電および負荷の支持に必要とされる電圧レベルとは異なる所与の電圧レベルでエネルギを供給することができ、従って電源１０２からのエネルギは第１の変換器１２０を介して送ることができる。第１の変換器１２０は、典型的には、入力電圧レベル１３４を出力電圧レベル１３６に変換するための標準的なＤＣ／ＤＣ変換器とすることができる。第１のスイッチ１１６は、変換器１２０から受け取ったエネルギを、制御装置１０８から受け取った制御信号に従って、電力貯蔵エレメント１０４の容量バンク１１２、１１４のうちの一つへ送ることができる。負荷スイッチ１１８は、制御装置１０８から受け取った制御信号に従って、電力貯蔵エレメント１０４の容量バンク１１２および１１４のうちの一つからエネルギを送ることができる。電力貯蔵エレメント１０４は、負荷１０６により必要とされる電圧レベルとは異なる所与の電圧レベルでエネルギを供給することができ、従って電力貯蔵エレメント１０４からのエネルギは、第２の変換器１２２を介して送ることができる。第２の変換器１２２は、典型的には、入力電圧レベル１３８を出力電圧レベル１４０に変換するための標準的なＤＣ／ＤＣ変換器とすることができる。制御装置１０８は、燃料貯蔵装置１２４、電源１０２、および電力貯蔵エレメント１０４から、燃料レベル、エネルギ・レベル、および充電レベルを示す信号を受け取ることができる。
【００２１】
図５を参照すると、一実施形態によるスーパーキャパシタ・バンク・ハイブリッド電力システム５００が示されている。燃料電池１０２は、エネルギを生成することができ、そのエネルギは次いでＤＣ／ＤＣ変換器１２０により昇圧することができる。このエネルギは、ＭＯＳＦＥＴ１２６、１２８（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のソース１４２、１４８へ供給することができる。ＭＯＳＦＥＴ１２６、１２８のドレイン１４６、１５２は、交互に、容量バンク１３０、１３２のうちの一つへエネルギを供給することができる。同様に、負荷スイッチ１１８は、容量バンク１３０、１３２のうちの一つから電流を、交互に、負荷１０６へ供給することができる。ＭＯＳＦＥＴ１２６、１２８は、ゲート１４４、１５０に接続された制御装置１０８により制御することができる。負荷スイッチ１１８も制御装置１０８により制御することができる。
【００２２】
ＭＯＳＦＥＴスイッチ１２６、１２８を使用して、充電エネルギを個々の容量バンク１３０、１３２に印加することができるが、そのとき、一方のバンク１３０がエネルギを負荷に供給している間に、他方のバンク１３２が燃料電池１０２からのエネルギにより充電されるようにすることができる。本実施形態では２つの容量バンク１３０、１３２を示すが、別の実施形態によれば、任意の数の容量バンクを用いて実施できることを理解されたい。ＭＯＳＦＥＴ１２６、１２８の切換えシーケンスは、ゲート１４４、１５０に接続された制御装置１０８により管理することができる。スイッチ１２６、１２８、１１８は、ＭＯＳＦＥＴ、または電子制御に適合し且つ適切な抵抗を提供する任意の適切なスイッチを使用して実施することができる。
【００２３】
図６を参照すると、一つの実施形態によるハイブリッド電力システム５００を動作させるプロセス６００が示されている。まず、機能ブロック６０２で、第１の容量バンク１３０が充電され、機能ブロック６０４で、第２の容量バンク１３２が充電される。機能ブロック６０６で、負荷が、第１の容量バンクに接続される。所定の時間、典型的には、第２の容量バンク１３２を充電するのに十分な時間の後、かつ、第１の容量バンク１３０が完全に放電される前に、機能ブロック６０８で、負荷１０６は、第２の容量バンク１３２に接続される。機能ブロック６１０で、第１の容量バンク１３０は、負荷１０６から接続解除される。機能ブロック６１２で、第１の容量バンク１３０は、燃料電池１０２に接続され、充電される。所定の時間が経過した後、機能ブロック６１４で、完全に充電された第１の容量バンク１３０は、負荷１０６に接続される。第２の容量バンク１３２は、機能ブロック６１６で、負荷１０６から接続解除され、機能ブロック６１８で、燃料電池１０２に接続されて充電される。この処理は、所定の期間が経過した後、機能ブロック６０８で負荷１０６を第２の容量バンク１３２に接続するステップから繰り返すことができる。
【００２４】
図７を参照すると、一つの実施形態によるハイブリッド電力システム５００を動作させるプロセス７００が示されている。機能ブロック７０２で、まず、容量バンク１３０、１３２が充電される。機能ブロック７０４で、第１の容量バンク１３０は、負荷１０６に接続される。機能ブロック７０６で、第１の容量バンク１３０の充電レベルは、制御装置１０８により監視される。判断ブロック７０８で、第１の容量バンク１３０の充電レベルは、所定の閾値と比較される。充電レベルが閾値に達するまで、処理は「いいえ」の経路を進み、引き続いて充電レベルを監視する。充電レベルが閾値に達すると、処理は「はい」の経路を進む。機能ブロック７１０で、第２の容量バンク１３２は、負荷１０６に接続される。第１の容量バンク１３０は、機能ブロック７１２で、負荷１０６から接続解除され、機能ブロック７１４で、燃料電池１０２に接続されて再充電される。機能ブロック７１６で、第２の容量バンクの充電レベルが監視される。判断ブロック７１８で、第２の容量バンク１３２の充電レベルが、所定の閾値と比較される。充電レベルが閾値に達するまで、処理は「いいえ」の経路を進み、引き続いて充電レベルを監視する。充電レベルが閾値に達すると、処理は「はい」の経路を進む。機能ブロック７２０で、第１の容量バンク１３０は、負荷１０６に接続される。第２の容量バンク１３２は、機能ブロック７２２で、負荷１０６から接続解除され、機能ブロック７２４で、燃料電池１０２に接続されて再充電される。この周期が繰り返し、機能ブロック７０６で、第１の容量バンクの充電レベルが監視される。
【００２５】
もちろん、以上の記載は本発明の例示的な実施形態に関するものであり、特許請求の範囲に述べる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるハイブリッド電力システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、一実施形態による制御されたハイブリッド電力システムを示すブロック図である。
【図３】図３は、一実施形態による制御された二貯蔵部型のハイブリッド電力システムを示すブロック図である。
【図４】図４は、一実施形態による変換されたハイブリッド電力システムを示すブロック図である。
【図５】図５は、一実施形態によるスーパーキャパシタ・バンクのハイブリッド電力システムを示すブロック図である。
【図６】図６は、一実施形態によるハイブリッド電力システムを動作させる簡略化したプロセスを示す流れ図である。
【図７】図７は、一実施形態による監視されたハイブリッド電力システムを動作させる処理を示す流れ図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド電力システムであって、
電源（１０２）と、
前記電源（１０２）からエネルギを受け取る電力貯蔵エレメント（１３０、１３２）とを備え、
前記電力貯蔵エレメント（１３０、１３２）が、前記電源（１０２）から受け取ったエネルギを貯蔵しながら同時にエネルギを負荷（１０６）へ供給する、
ハイブリッド電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載のハイブリッド電力システムであって、前記電力貯蔵エレメント（１３０、１３２）が、第１の電力貯蔵バンク（１３０）および第２の電力貯蔵バンク（１３２）を備える、ハイブリッド電力システム。
【請求項３】
請求項２に記載のハイブリッド電力システムであって、前記第１の電力貯蔵バンク（１３０）は、前記第２の電力貯蔵バンク（１３２）がエネルギを供給する間に、エネルギを貯蔵する、ハイブリッド電力システム。
【請求項４】
請求項２に記載のハイブリッド電力システムであって、前記電源（１０２）と、前記第１の電力貯蔵バンク（１３０）と、前記第２の電力貯蔵バンク（１３２）とに接続された第１のスイッチ（１２６）を更に備え、前記第１のスイッチ（１２６）は、第１の状態にあるとき、前記電源（１０２）を前記第１の電力貯蔵バンク（１３０）に接続し、第２の状態にあるとき、前記電源（１０２）を前記第２の電力貯蔵バンク（１３２）に接続する、ハイブリッド電力システム。

【図１】