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公開番号2025145887
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2024046369
出願日2024-03-22
発明の名称電力供給システム及び電力供給システム内の燃料電池と二次電池の電力分配制御方法
出願人株式会社豊田中央研究所,株式会社デンソー,トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人セントクレスト国際特許事務所
主分類H02J 1/00 20060101AFI20250926BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】燃料電池と二次電池の電力分配を制御して、燃費効率の向上や耐久性の向上をより確実に図ることを可能とする電力供給システム及び電力分配制御方法を提供する。
【解決手段】電力供給源として燃料電池FCと二次電池BATとを備える電力供給システムであって、電気負荷への要求電力の供給のために各電池の出力電力を配分させる電力分配制御部Aと、燃料電池について複数の周波数においてインピーダンス(R1)を取得するためのインピーダンス取得部Bと、インピーダンス(R1)に基いて燃料電池の物質輸送抵抗(R2)を抽出し、抵抗(R2)の大きさに基く特定の演算により、燃料電池が供給すべき電力(P2)及び二次電池が供給すべき電力(P3)を求める演算部Cと、を備え、且つ、電力分配制御部Aが前記演算部Cの演算結果に基づいて各電池の出力を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
電気負荷への電力の供給源として燃料電池と二次電池とを備える電力供給システムであって、
前記電気負荷への要求電力Ｐ１の供給のために、前記各電池の出力電力を配分させる電力分配制御部（Ａ）と、
前記燃料電池について複数の異なる周波数においてインピーダンスＲ１を取得するためのインピーダンス取得部（Ｂ）と、
前記インピーダンス取得部（Ｂ）により求められた複数のインピーダンスＲ１のデータに基いて、前記燃料電池の物質輸送に関する抵抗Ｒ２を抽出し、前記抵抗Ｒ２の大きさに基いて、前記要求電力Ｐ１を前記電力供給システムから出力する際の各電池の電力の配分を演算して、前記燃料電池が供給すべき電力Ｐ２と、前記二次電池が供給すべき電力Ｐ３を求める演算部（Ｃ）と、
を備え、かつ、
前記電力分配制御部（Ａ）が、前記演算部（Ｃ）の演算結果に基づいて各電池から出力する電力の配分を制御するものであること、
を特徴とする電力供給システム。
続きを表示（約 750 文字）【請求項２】
前記燃料電池の物質輸送に関する抵抗Ｒ２を抽出する際に、等価回路を仮定して、複数のインピーダンスＲ１のデータに基いて物質輸送に関する抵抗Ｒ２を求めることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
【請求項３】
電気負荷への電力の供給源として燃料電池と二次電池とを備える電力供給システムにおいて、前記電気負荷の要求電力Ｐ１に対する前記各電池の電力分配を制御するための方法であって、
前記燃料電池について複数の異なる周波数においてインピーダンスＲ１を取得するインピーダンス取得工程（Ｓ１）と、
前記工程（Ｓ１）で求められた複数のインピーダンスＲ１のデータに基いて、前記燃料電池の物質輸送に関する抵抗Ｒ２を抽出する演算工程（Ｓ２）と、
前記工程（Ｓ２）で求められた前記抵抗Ｒ２の大きさに基いて、前記電気負荷の要求電力Ｐ１を前記電力供給システムから出力する際の各電池の電力の配分を演算して、前記燃料電池が供給すべき電力Ｐ２と、前記二次電池が供給すべき電力Ｐ３とを求める演算工程（Ｓ３）と、
前記工程（Ｓ３）で求められた前記電力Ｐ２及び前記電力Ｐ３に、前記燃料電池が出力する電力及び前記二次電池の出力する電力が配分されるように、前記各電池から出力する電力を制御する電力分配制御工程（Ｓ４）と、
を含むことを特徴とする電力供給システム内の燃料電池と二次電池の電力分配制御方法。
【請求項４】
前記燃料電池の物質輸送に関する抵抗Ｒ２を抽出する演算工程（Ｓ２）において、等価回路を仮定して、複数のインピーダンスＲ１のデータに基いて物質輸送に関する抵抗Ｒ２を求めることを特徴とする請求項３に記載の電力分配制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力供給システム、並びに、電力供給システム内の燃料電池と二次電池の電力分配制御方法に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、電動モビリティ等の電気負荷に対する電力の供給源として、燃料電池及び二次電池を使用する電力供給システムを応用することが注目されている。このような電力供給システムにおいては、燃料電池の以下のような特性等から、燃料電池の効率化及び耐久性の向上を図るために、二次電池を組み合わせて利用している。
【０００３】
すなわち、燃料電池は、一般に、負荷から要求される電力（要求電力：負荷パワー、）が小さく、出力する電力が低い場合には動作時の電圧が高くなって発電効率が高くなり、反対に、負荷パワーが大きく、出力する電力が高い場合には動作時の電圧が低くなって発電効率が低下するという特性を有する。また、燃料電池は、使用により劣化して、その電流電圧特性（ＩＶ特性）が低下するという特性も有する。そして、このような燃料電池の劣化は、主に、燃料電池の電圧変動により引き起こされる。そのため、負荷変動が大きい電動モビリティのモータなどの電気負荷に対して燃料電池を応用する場合には、その劣化の低減などの観点から、燃料電池と二次電池とを組み合わせた電力供給システム（ハイブリッド電源システム）の利用が採用されている。
【０００４】
このような電力供給システムにおいては、その電力供給先である電気負荷の要求電力に応じて、燃料電池及び二次電池からの出力電力を分配（分担）させて電力を供給するが、燃料電池と二次電池との間で、どのように電力を分担させるのかといった点が、電力供給システムにおける燃料効率（燃費効率）及び耐久性の向上といった観点で特に重要な課題となる。一般に、耐久性を向上させるために燃料電池の電圧を一定に保つべく燃料電池から一定電力が発電（出力）されるようにすると、負荷変動に応じた要求電力の不足分を二次電池で賄う必要があるため、二次電池の充放電回数が増加することにより二次電池の電池性能の損失が生じ、結果として電力供給システム（ハイブリッド電源システム）の燃料効率や耐久性が低下する。他方、電力供給システムへの電極負荷からの要求電力（要求パワー）の変動に対して燃料電池を追従させればさせるほど、燃料電池の電圧変動が引き起こされ、燃料電池の耐久性が低下し、電力供給システム（ハイブリッド電源システム）の耐久性が低下する。このような点を考慮すれば、燃料電池及び二次電池からの出力電力を分配（分担）させる方法として単純な最適分配方法は存在するものではないと考えられ、従来より電力分配の適切化の観点から、様々な観点から分配方法が検討されてきた。しかしながら、従来から検討されている方法は、燃料電池及び二次電池からの出力電力を分配（分担）させて、高い精度で燃費効率の向上や耐久性の向上を図るといった点では、必ずしも十分なものではなく、高い精度で燃費効率の向上や耐久性の向上を図ることが可能な新たな電力分配の制御方法の出現が望まれている。
【０００５】
なお、例えば、特開２００７－３２４１４０号公報（特許文献１）においては、燃料電池で発電を開始する起動時の発電抵抗を交流インピーダンス法により判断し、かつ、判断された発電抵抗に基づいて、発電する電流の目標値を制御し、燃料電池の電圧の低下を回避する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２００７－３２４１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１に記載されている燃料電池の電圧低下の回避方法を、電力供給システム（ハイブリッド電源システム）に応用することを検討しても、その理由は後述するが、やはり高い精度で発電効率の向上や耐久性の向上を図るといった点では必ずしも十分なものとはならない。このように、特許文献１に記載されているような技術を単純に応用しても、高い精度で燃費効率の向上や耐久性の向上を図ることは困難である。
【０００８】
本発明は、前記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池と二次電池の電力分配を制御して、燃費効率の向上や耐久性の向上をより確実に図ることを可能とする電力供給システム；および、電力供給システムの燃費効率の向上や耐久性の向上をより確実に図ることを可能とする、電力供給システム内の燃料電池と二次電池の電力分配制御方法；を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、先ず、従来技術の課題に鑑み、前記特許文献１に記載されているような技術について検討したところ、前記特許文献１に記載されているような方法においては、起動時の発電抵抗を測定する際に、単一の周波数のインピーダンス値を測定して、その値に基づいて、燃料電池の内部状態に関する情報を取得しているが、燃料電池内部の反応は同じ反応でも環境によって反応の応答速度が異なること、等から、単一の周波数の測定では必ずしも正確に内部状態を予測したり、あるいは、把握したりすることができず、燃費効率の向上や耐久性の向上を高い精度で図ることが困難なのではないかと考えた。そこで、更に研究を進め、複数の周波数でのインピーダンスの測定結果を解析し、その結果を電力分配方法に反映させることが有効ではないかと考えるに至った。なお、特許文献１には、複数の周波数でインピーダンスを測定することすら記載されておらず、そのような複数の周波数のインピーダンスを、どのように解析するのかといった事項については特に記載も示唆もなされていない。
【００１０】
そして、本発明者らが、前記目的を達成すべく、前述の観点も踏まえて、更に研究を重ねた結果、環境に応じた反応の状態等を含めた燃料電池の内部状態を、より精度高く把握するために、燃料電池について、複数の異なる周波数においてインピーダンスＲ１を取得し、複数のインピーダンスＲ１のデータに基いて、前記燃料電池の物質輸送に関する抵抗Ｒ２（物質輸送抵抗Ｒ２）を抽出して、かかる物質輸送抵抗Ｒ２を燃料電池の内部状態を示すデータとして利用し、かかる抵抗Ｒ２に基づいて、電気負荷への電力の供給源として燃料電池と二次電池とを備える電力供給システムにおいて、要求電力に対して前記各電池が分担すべき電力の比率（分配比）を補正し、その補正値（補正された分配比）に基づいて、各電池から出力する電力を制御することにより、燃費効率の向上や耐久性の向上をより確実に図ることが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
（【００１１】以降は省略されています）

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