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JP2020045094A - 電力供給装置、それを用いた飛行ツールおよびその電力供給方法 - Google Patents

電力供給装置、それを用いた飛行ツールおよびその電力供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力供給装置、それを用いた飛行ツール、およびその電力供給方法を提供する。
【解決手段】飛行体に電力を供給するために飛行体に配置される電力供給装置である。飛行体は平均所要仕事率値を有する。電力供給装置は、二次電池１２０、変圧器１３０、および燃料電池１１０を含む。変圧器は二次電池と飛行体１０の間に結合される。燃料電池は飛行体に結合され、飛行体に第１の出力電流を供給する。変圧器は出力電圧設定値を有する。燃料電池の第１の出力電圧が出力電圧設定値よりも低い場合、変圧器は二次電池の第２の出力電流を飛行体に供給する。出力電圧設定値は、燃料電池の特性曲線における最大仕事率値と飛行体の平均所要仕事率値の間の範囲内にある。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、電力供給装置、それを用いた飛行ツール、およびその電力供給方法に関する。
典型的な飛行ツール（マルチロータードローンなど）は、一般的に、飛行中に必要な電力が充電式バッテリーにより提供される。ただし、限られたスペースと重量のもとでは、充電式バッテリー（アルミ箔で覆われたポリマーリチウムバッテリーなど）により提供される電力は、僅か数十分の飛行時間しかサポートできない。そのため、近年、開発者は飛行機器に燃料電池を配備するように努力している。水素は、燃料として燃料電池を介して大量の電力に変換され、長期飛行に必要な電力を提供する。この利点の原因は、燃料電池で使用される水素燃料が高いエネルギー密度（単位重量あたりに供給できるエネルギー、Ｗｈ／ｋｇなど）を持って、長期の電力需要を満足し、飛行経路を延長させるために飛行ツールに供給できるということである。
しかしながら、燃料電池の仕事率密度（単位重量あたりに供給できるパワー、Ｗ／ｋｇなど）が低いため、燃料電池は、飛行環境の一時的な変化（突風など）に所要の余分な電力需要に備えるために、大幅に増加しなければならない。これにより引き起こされる問題は、重量が重くなり、飛行時間が短くなるということである。
したがって、如何に飛行時間や経路を増やすための効率的な飛行ツールへの電力供給技術を提案するのかは、当業者が目指す目標の１つである。
本開示に係る実施形態は、電力供給装置、それを用いた飛行ツール、およびその電力供給方法を提供する。
本開示の一実施形態は電力供給装置を提供する。電力供給装置は、飛行体に電力を供給するために飛行体に配置される。飛行体は平均所要仕事率値を有する。電力供給装置は、二次電池、変圧器、および燃料電池を含む。変圧器は二次電池と飛行体の間に結合される。燃料電池は飛行体に結合され、飛行体に第１の出力電流を供給する。変圧器は出力電圧設定値を有する。燃料電池の第１の出力電圧が出力電圧設定値よりも低い場合、変圧器は二次電池の第２の出力電流を飛行体に供給する。出力電圧設定値は、燃料電池の特性曲線における最大仕事率値と飛行体の平均所要仕事率値の間の電圧範囲内にある。
本開示の別の実施形態は飛行ツールを提供する。飛行ツールは飛行体と電力供給装置を含む。電力供給装置は、飛行体に電力を供給するために飛行体に配置される。飛行体は平均所要仕事率値を有する。電力供給装置は、二次電池、第１の変圧器、および燃料電池を含む。第１の変圧器は、二次電池と飛行体の間に結合される。燃料電池は飛行体に結合され、飛行体に第１の出力電流を供給する。第１の変圧器は出力電圧設定値を有する。第１の変圧器は、燃料電池の第１の出力端電圧が出力電圧設定よりも低いとき、二次電池の第２の出力電流を飛行体に供給する。出力電圧設定値は、燃料電池の特性曲線における最大仕事率値と飛行体の平均所要仕事率との間の電圧範囲内にある。
本開示の別の実施形態は電力供給装置の電力供給方法を提供する。電力供給装置は飛行体に配置される。電力供給装置は、二次電池、第１の変圧器、および燃料電池を含む。二次電池は、第１の変圧器を介して飛行体に結合される。第１の変圧器は出力電圧設定値を有する。電力供給方法は、次の手順を含む：燃料電池は飛行体に第１の出力電流を提供し、燃料電池の第１の出力端電圧が出力電圧設定値より低い場合、第１の変圧器は飛行体に二次電池の第２の出力電流を供給する。出力電圧設定は、燃料電池の特性曲線の最大仕事率値と飛行体の平均所用仕事率値との間の電圧範囲内にある。
本開示の上記および他の態様をより良く理解するために、添付の図面を参照して以下の特定の実施形態を以下に詳細に説明する。
本開示の実施形態に係る飛行ツールの機能ブロック図である。 図１Ａの飛行ツールが飛行している時の時間と所要仕事率との関係を示す図である。 図１Ａの燃料電池の特性を示すグラフである。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 図１Ａの飛行体が飛行している時の電力供給装置の電力供給モードを示す図である。 本開示の別の実施形態に係る飛行ツールの概略図である。 図３Ａの燃料電池の特性曲線を示す模式図である。 本開示の別の実施形態に係る飛行ツールの概略図である。 図４Ａの第１の変圧器の出力電圧設定値と第２の変圧器の入力電圧設定値の設定モードを示す図である。 図４Ａの第１の変圧器の出力電圧設定値と第２の変圧器の入力電圧設定値の他の設定モードを示す図である。
本開示の上記および他の態様をより良く理解するために、以下に実施形態が挙げられて、図面と合わせて、詳細に以下のように説明する。
図１Ａ〜図１Ｃを参照して、図１Ａは本開示の実施形態に係る飛行ツール１の機能ブロック図であり、図１Ｂは図１Ａの飛行ツール１が飛行している時の時間と所要仕事率との関係を示す図であり、図１Ｃは、図１Ａの燃料電池１１０の特性を示すグラフである。飛行ツール１は、電力供給装置１００と飛行体１０とを含む。電力供給装置１００は、飛行体１０に配置され、飛行体１０に電力を供給する。飛行体１０は、例えば、ドローンであってよいが、乗客または貨物を運ぶための乗り物であってもよい。
図１Ａに示すように、電力供給装置１００は、燃料電池１１０、ダイオード１１５、二次電池１２０、第１の変圧器１３０、制御部１４０、第１のスイッチＲ１、および第２スイッチＲ２を含む。第１の変圧器１３０は、二次電池１２０および飛行体１０に結合される。燃料電池１１０は、飛行体１０に結合され、第１の出力電流Ｉ１を飛行体１０に提供することができる。飛行体１０は、平均所要仕事率値Ｐａｖを有する。平均所要仕事率値Ｐａｖは、飛行体１０の飛行モードによって決められ、本開示はこれを限定しない。第１の変圧器１３０は、出力電圧設定値ＶＳ１を有する。第１の変圧器１３０は、燃料電池１１０の出力端１１０ａにおける第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１よりも低いときに、二次電池１２０の第２の出力電流Ｉ２を飛行体１０に供給する。
図１Ａに示すように、第１のスイッチＲ１および第２のスイッチＲ２は、二次電池１２０の出力端１２０ａおよび燃料電池１１０の出力端１１０ａとの間に（例えば、並列に）電気的に結合される。制御部１４０は、第１のスイッチＲ１と第２スイッチＲ２を同時にオンまたはオフに制御することにより、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電するかどうかを制御することができる。制御部１４０は、第１の出力端電圧Ｖａおよび第２の出力端電圧Ｖｂを検出するように、燃料電池１１０の出力端１１０ａおよび二次電池１２０の出力端１２０ａに電気的に接合される。制御部１４０は、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａおよび二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂの大きさを判断することができる。燃料電池１１０の第１の出力電圧Ｖａが二次電池１２０の出力端１２０ａにおける第２の出力端電圧Ｖｂ以上である場合、制御部１４０は、第１のスイッチＲ１と第２スイッチＲ２を同時にオンに制御して、燃料電池１１０に二次電池１２０を充電させることができる。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂよりも低い場合、制御部１４０は、第１のスイッチＲ１と第２のスイッチＲ２を同時にオフに制御して、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電できないようにすることができる。
加えて、ダイオード１１５は、二次電池１２０の電流が燃料電池１１０に逆流することを阻止するように、燃料電池１１０と第１の変圧器１３０との間に結合される。
燃料電池１１０の動作（稼働）電圧は、例えば、出力電圧設定値ＶＳ１（すなわち、動作下限電圧）と動作上限電圧ＶＦ，ａ（図２Ａに示される）との間にある。実施形態では、燃料電池１１０は、例えば、それぞれ０．６０８ボルト（Ｖ）〜０．６９２Ｖの間にある動作電圧を有する複数の燃料電池セル（例えば、プロトン交換膜）を直列に接続することによって形成される。７２個の燃料電池セルを直列に接続することによって形成された燃料電池１１０を例とする場合、燃料電池１１０は、４３．８Ｖ（例えば、出力電圧設定値ＶＳ１）〜４９．８Ｖ（例えば、動作上限電圧ＶＦ，ａ）の間にある動作電圧を提供することができる。
二次電池１２０は、例えばリチウム電池である。その動作電圧は、動作下限電圧ＶＬ，ｃ（図２Ａに示される）と動作上限電圧ＶＬ，ａ（図２Ａに示される）との間にある。実施形態では、二次電池１２０は、例えば、複数の二次電池セル（リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）セルなど）を直列に接続することによって形成される。各二次電池セルの動作電圧は３．６５Ｖ〜４．１５Ｖの間にある。１２個の二次電池セルを直列に接続することによって形成された二次電池１２０を例とする場合、二次電池１２０は、４３．８Ｖ（例えば、動作下限電圧ＶＬ，ｃ）〜４９．８Ｖ（例えば、動作上限電圧ＶＬ，ａ）を提供することができる。
実施形態では、二次電池１２０の動作上限電圧ＶＬ，ａと燃料電池１１０の動作上限電圧ＶＦ，ａが実質的に等しく、二次電池１２０の動作下限電圧ＶＬ，ｃと燃料電池１１０の出力電圧設定値ＶＳ１（例えば、動作下限電圧）が実質的に等しい。別の実施形態では、二次電池１２０の動作上限電圧ＶＬ，ａと燃料電池１１０の動作上限電圧ＶＦ，ａが異なり、二次電池１２０の動作下限電圧ＶＬ，ｃと燃料電池１１０の出力電圧設定値ＶＳ１が異なる。
第１の変圧器１３０は、燃料電池１１０と飛行体１０との間の接続線にあるノードｃのノード電圧Ｖｃを検出することができる。燃料電池１１０の出力端１１０ａとノードｃとの間の電圧損失が無視できるため、第１の変圧器１３０により検出されたノード電圧Ｖｃは、燃料電池１１０の出力端１１０ａにおける第１の出力端電圧Ｖａと実質的に等しい。言い換えれば、第１の変圧器１３０により検出されたノード電圧Ｖｃが出力電圧設定値ＶＳ１より低い場合、すなわち燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１より低いことに相当する場合、第１の変圧器１３０は、二次電池１２０の第２の出力電流Ｉ２を飛行体１０に供給する。なお、第１の変圧器１３０は例えば降圧器である。そうすると、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂが出力電圧設定値ＶＳ１よりも高い場合、第１の変圧器１３０は、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂを出力電圧設定値ＶＳ１まで降圧することができる。実施形態では、第１の変圧器１３０は、例えば、直流から直流（ＤＣ／ＤＣ）タイプの変圧器である。
一般に、第１の変圧器１３０の効率は１００％未満であるため、第２の出力電流Ｉ２が第１の変圧器１３０を通過した後に、電力損失は必ず引き起こされる。二次電池１２０は、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１より低い場合には第１の変圧器１３０を介して第２の出力電流Ｉ２を飛行体１０に供給するが、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１以上である場合には飛行体１０に電流を供給しない。これによって、第１の変圧器１３０を通る電流の損失量が減るとともに、二次電池１２０の電力消費も減ることができる。
図１Ｂに示すように、曲線Ｃ１は、飛行体１０の動作（例えば、離陸過程、空中での飛行過程、降下過程）の時間と仕事率との関係を表す曲線である。そのうち、Ｐａｖは平均所要仕事率値を表し、ＰＵは最高所要仕事率値を表す。飛行体１０が動作している期間Ｔの間、平均所要仕事率値Ｐａｖは燃料電池１１０によって提供されるが、平均所要仕事率値Ｐａｖと最高所要仕事率値ＰＵとの間の瞬時電力需要は二次電池１２０によって提供される。言い換えれば、二次電池１２０は、飛行体１０に必要な瞬間的な高電力を補完する（飛行体が旋回するときや突風に抵抗するときなどに所要の高電力の場合）。曲線Ｃ１によれば、仕事率（仕事／単位時間）の観点から、燃料電池１１０によって提供される仕事率は、電力供給装置１００によって提供される総電力の約７０％を占めるが、二次電池１２０によって提供される仕事率は、僅かに電力供給装置１００によって提供される総電力の約３０％を占める。一実施形態では、飛行体１０が動作している期間Ｔは、例えば、５００秒である。動作中に電力供給装置１００によって提供される総電力は約２３００ワット（Ｗ）であり、そのうち、燃料電池１１０によって提供される電力が約１６００Ｗであるが、二次電池１２０によって提供される電力が約７００Ｗである。
本実施形態では、エネルギー（仕事、すなわち曲線Ｃ１より下の積分面積）の観点から、燃料電池１１０によって提供される仕事は、電力供給装置１００によって提供される総仕事の約９３．７５％を占めるが、二次電池１２０によって提供される仕事は、電力供給装置１００によって提供される総仕事の約６．２５％を占める。一実施形態では、飛行体１０の動作期間における総仕事は約３２０Ｗｈであり、そのうち、燃料電池１１０によって提供される仕事が約３００Ｗｈであるが、二次電池１２０によって提供される仕事が約２０Ｗｈである。例えば、第１の変圧器１３０の効率が９５％である場合、二次電池１２０によって提供される仕事は、第１の変圧器１３０によって消費された後、１９Ｗｈ（２０Ｗｈ×０．９５）に減少する。燃料電池１１０によって提供される仕事は、第１の変圧器１３０を通過しないため、消費されないと見なされることができる（効率１００％と見なされる）、つまり、燃料電池１１０によって飛行体１０に提供される仕事は、概ね３００Ｗｈと見なされることができる。そのように、電力供給装置１００全体の観点から、全体の電力伝送効率は９９．７％と高い（計算式：（３００×１００％＋２０×９５％）／３２０＝９９．７％）。
要するに、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１以下である場合のみ、二次電池１２０が飛行体１０に第２の出力電流Ｉ２を供給し、同時に燃料電池１１０が第１の出力電流Ｉ１を飛行体１０に供給する。一方、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１以上である場合は、二次電池１２０が飛行体１０に電流を供給しない（第１の変圧器１３０に流れることによる電流の損失が発生しない）ため、電力供給装置１００の全体的な電力伝送効率が向上する。
本実施形態では、基本負荷率が高い場合に適用される。例えば、基本負荷率が５０％より高い場合、燃料電池１１０は、エネルギー密度が高いという利点があるため、主電源として基本負荷の電力供給需要を提供するように使用されることができる。しかしながら、燃料電池１１０は、電力を瞬時にプルアップして供給できないという欠点があるため、負荷需要が瞬時に増加すると、仕事率密度の高い二次電池１２０により追加の電力需要が提供される。
以下、出力電圧設定値ＶＳ１の決定方法について説明する。
図１Ｃは、燃料電池１１０の特性曲線を示し、電流と電圧との関係（例えば、電圧曲線により示されるもの）および仕事率曲線を含む。図に示すように、出力電圧設定値ＶＳ１は、特性曲線における電圧曲線の１点値である。出力電圧設定値ＶＳ１は、例えば、燃料電池１１０の特性曲線の最大仕事率値Ｐｍａｘと飛行体１０の平均所要仕事率値Ｐａｖとの間の範囲ΔＰ以内に対応する電圧値である。燃料電池の出力仕事率ＰＳ１が飛行体１０の平均所要仕事率値Ｐａｖよりも大きい場合、飛行体１０の飛行仕事率需要が特定の時点で平均所要仕事率値Ｐａｖよりも低い時、燃料電池１１０は、飛行需要を供給する以外、余剰電力を残して二次電池１２０に再充電し、飛行体１０の電力需要が燃料電池出力電力ＰＳ１よりも大きい時の二次電池１２０の電力消費を補足することができる。これによって、その後の飛行時間において、飛行体１０の瞬間的な仕事率需要が再度、燃料電池の出力仕事率ＰＳ１よりも大きくなる場合、二次電池１２０は、十分な蓄電量を持ち、燃料電池１１０に足りない仕事率を提供する。
図１Ｃに示すように、垂直線Ｌ１は最大仕事率値Ｐｍａｘを通る垂直線である。この動作は燃料電池の出力電圧ＶＰおよび出力電流ＩＰに対応する。出力電圧設定値ＶＳ１が右側へ垂直線Ｌ１に近づくほど、燃料電池１１０の消費量が大きくなり、効率が低下する。平均所要仕事率値Ｐａｖにあるとき、燃料電池１１０の出力電圧はＶＱであり、出力電流はＩＱであり、上記出力電圧設定値ＶＳ１は電圧ＶＰと電圧ＶＱとの間にある。出力電圧設定値ＶＳ１が左側へ垂直線Ｌ１から離れるほど、出力電圧が高くなり、燃料電池の効率が高くなるが、出力電流が低くなり、出力仕事率ＰＳ１も低くなる。この特徴では、燃料電池１１０が飛行体１０の仕事率要求を提供した後に残った二次電池１２０を再充電できる電力が少なくなり、二次電池１２０が飛行体１０に電力を供給した後、二次電池１２０の電力を所望の安全レベルまで補足するには、より長い時間がかかってしまう。二次電池１２０が飛行期間における環境および状況の変化に対処できるように、飛行体１０の高仕事率需要（例えば、連続上昇または加速飛行）を継続的に供給するために、一定のマージンを維持しなければならない必要性を鑑みて、燃料電池１１０の出力仕事率ＰＳ１が小さいほど、電力貯蔵が遅くなるので、燃料電池１１０がより長い時間で二次電池１２０を所望の安全レベルに再充電できるように、より大きい二次電池１２０を使用する他はない。
図２Ａ〜図２Ｆを参照して、図１Ａに示す飛行体１０の飛行中における電力供給装置１００の電力供給モードが示される。図に示す横軸は、二次電池１２０の電圧状態を表し、縦軸は、燃料電池１１０の電圧状態を表す。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａの変化を太い破線で示し、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂの変化を太い実線で示す。
図２Ａに示すように、飛行体１０が離陸していないとき、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａは点Ａの初期状態にあり、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂは点Ａにある。初期状態では、燃料電池１１０がまだ起動されていないため、燃料電池１１０ａの第１の出力端電圧Ｖａはゼロである。図に示すように、二次電池１２０の初期電圧はＶＬ，ａである。そのうち、初期電圧ＶＬ，ａは、例えば、二次電池１２０の全電圧または全電圧の９０％以上である。
図２Ａに示すように、起動段階（１）では、飛行体１０が動作を開始し、二次電池１２０が第２の出力電流Ｉ２を飛行体１０に供給し、飛行体１０の初期動作（ブレードの回転を開始するなど）に必要な電力（負荷）を提供する。これは、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂの低下（蓄電（ＳＯＣ）の低下）を起こす。例えば、状態点Ａにおける電圧ＶＬ，ａから状態点Ｂにおける電圧ＶＬ，ｂまで低下する。起動段階（１）では、燃料電池１１０が動作を開始するため、その第１の出力端電圧Ｖａが上昇し続け、例えば、状態点Ａの初期ゼロ付近における電圧が状態点Ｂにおける電圧ＶＳ１まで上昇する。しかし、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａ（初期動作電圧）が第１の変圧器１３０のノード電圧（出力電圧）Ｖｃより低い時、ダイオード１１５は逆バイアス状態にある。そのため、第１の出力電流Ｉ１はダイオード１１５を通過不能となる（飛行体１０に供給されることができない）。すなわち、起動段階（１）では、飛行体１０に必要な電力は、二次電池１２０によってしか供給されない。
図２Ｂに示すように、二次電池１２０の非給電段階（２）では、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１（状態点Ｂに対応）を超えるまで上昇し続けると、第１の変圧器１３０は、飛行体１０への第２の出力電流Ｉ２の供給を停止することで、二次電池１２０から飛行体１０への電流出力を停止し、第１の変圧器１３０を通過することによって引き起こされる電流消費を回避する。二次電池１２０の非給電段階（２）では、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂは状態点Ｂにおける電圧ＶＬ，ｂに維持され、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａは飛行体１０に必要な電力の高低変化（例えば、二次電池の非給電段階（２）で示される上向きと下向きの矢印の変化）によって変化することができる。
例えば、図２Ｂの二次電池の非給電段階（２）における上向き矢印によって示されるように、飛行体１０に必要な電力が大きくない（例えば、まだ暖機している）ので、燃料電池１１０によって発生された電力は、飛行体１０に必要な電力を提供することに加えて、それ自身の第１の出力端電圧Ｖａが上昇することを維持することも可能である。図２Ｂの二次電池の非給電段階（２）における下向き矢印によって示されるように、飛行体１０に必要な電力が増加すると（例えば、離陸準備の時、ブレードが急速に回転する）、燃料電池１１０によって飛行体１０に提供される第１の出力電流Ｉ１が増加し、これにより燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが低下する。
図２Ｃの二次電池の補助電力供給段階（３）に示すように、飛行体１０に必要な電力が増加するため（例えば、旋回または突風に抵抗するために空中で大きな瞬間的な電力が必要となるなど）、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａは、出力電圧設定値ＶＳ１まで低下する。このとき、燃料電池１１０の電力供給が飛行体１０の使用に足りないため、二次電池１２０によって発生された第２の出力電流Ｉ２は、燃料電池１１０の電力供給不足を補足するために、第１の変圧器１３０を介して飛行体１０に供給される。二次電池の補助電力供給段階（３）では、燃料電池１１０と二次電池１２０は、飛行体１０に必要な電力を提供するように、同時に飛行体１０に電力を供給する。
図２Ｄに示すように、二次電池の非給電段階（４）では、飛行体１０に必要な電力が上昇した後に低下して基本電力（空中での安定飛行など）に戻ると、燃料電池１１０によって飛行体１０に供給される第１の出力電流Ｉ１は減少し、図２Ｄの上向き矢印で示されるように、それ自身の第１の出力端電圧Ｖａを上昇させる。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが上昇して二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂと同じになる（すなわち、状態点Ｃ）と、図２Ｅの充電段階（５）に示すように、燃料電池１１０は二次電池１２０の充電を開始する。図２Ｄに示すように、曲線Ｃ２は、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂと同じであることを示しており、状態点Ｃは曲線Ｃ２上にある。
一実施形態では、二次電池１２０を充電するステップは、制御部１４０によって決定されてもよい。例えば、制御部１４０（図１Ａに示される）は、（１）燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂ以上であるかどうかを判定する；（２）そうである場合、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電するように、第１のスイッチＲ１と第２スイッチＲ２を同時にオンに制御するのに用いられる。
図２Ｅに示すように、充電段階（５）では、飛行体１０に必要な電力が低いため（空中で安定した飛行を維持するなど）、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａおよび二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂは、二次電池１２０の電力が飽和状態に達するまで、例えば状態点Ｅに達するまで上昇し続ける。その時、燃料電池１１０は二次電池１２０の充電を停止する。または、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂが状態点Ｄに達すると、飛行体１０に必要な電力が瞬時に上昇する場合（例えば、旋回または空中の突風に抵抗するために大きな電力が必要となるなど）、燃料電池１１０は、飛行体１０への電流供給を増加させなければならない。よって、図２Ｆの二次電池の非給電段階（６）における下向き矢印で示すように、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａは低下する。二次電池の非給電段階（６）では、燃料電池１１０は、より多くの電流を飛行体１０に供給するように、二次電池１２０への電力供給を停止する。
一実施形態では、二次電池１２０の充電を停止するステップは、制御部１４０によって完成されてもよい。例えば、制御部１４０（図１Ａに示す）は、（１）第２のスイッチＲ２の電流方向がＶｂからＶａに向かう方向（二次電池が放電される方向）であるかどうかを判定する；（２）そうである場合、二次電池１２０の充電を停止するように、第１のスイッチＲ１および第２スイッチＲ２を同時にオフに制御するのに用いられる。
図２Ｆの二次電池の非電力供給段階（６）における上向き矢印によって示されるように、飛行体１０に必要な電力が再度低下すると（例えば、飛行体１０が空中での安定したサスペンションまたは着陸に戻る）、燃料電池１１０によって飛行体１０に供給される電流は減少し、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａを上昇させる。
要するに、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１と実質的に等しいかそれよりも高い場合、二次電池１２０は、飛行体１０に電流を供給せず、それにより二次電池１２０の電力の消費を回避するとともに、第１の変圧器１３０を通る電流の消費も減らすことができる。二次電池１２０は、燃料電池１１０の出力仕事率が飛行体１０の需要に足りなくなるまでに、飛行体１０に電力を供給する。例えば、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１よりも低い場合、二次電池１２０は、飛行体１０に必要な電力を補足するように、第２の出力電流Ｉ２を飛行体１０に供給する。飛行体１０に必要な電力の高低変化に伴って、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａも高低変化する。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが上昇して二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂとほぼ等しくなると、燃料電池１１０は、二次電池１２０の蓄電量が所定の蓄電量（例えば、二次電池１２０の全容量の９０％を超える場合、本実施形態はこれに限定されない）に達するまで二次電池１２０を充電する。或いは、飛行体１０に必要な電力が瞬間的に増加すると、燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが低下する場合は、燃料電池１１０は二次電池１２０への充電を停止する。
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、図３Ａは本開示の別の実施形態に係る飛行ツール２を示す概略図であり、図３Ｂは図３Ａの燃料電池１１０の特性曲線を示す概略図である。飛行ツール２は、電力供給装置２００と飛行体１０とを含む。電力供給装置２００は、飛行体１０に配置され、飛行体１０に電力を供給する。
図３Ａに示すように、電力供給装置２００は、燃料電池１１０、ダイオード１１５、二次電池１２０、第１の変圧器１３０、および第２の変圧器２３０を含む。第１の変圧器１３０は、飛行体１０と二次電池１２０の出力端１２０ａとの間に結合される。第２の変圧器２３０は、燃料電池１１０の出力端１１０ａと二次電池１２０の出力端１２０ａとの間に結合される。飛行体１０は、燃料電池１１０の出力端１１０ａおよび第１の変圧器１３０の出力端１３０ａに結合され、燃料電池１１０および第１の変圧器１３０からの電力を受け取る。
本実施形態において、第２の変圧器２３０は、入力電圧設定値ＶＳ２を有する。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが第１の変圧器１３０の出力電圧設定値ＶＳ１より低い場合、二次電池１２０の第２の出力電流Ｉ２は、第１の変圧器１３０を介して飛行体１０に供給される。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが第２の変圧器２３０の入力電圧設定値ＶＳ２以上になると、燃料電池１１０は二次電池１２０を充電する。実施形態では、入力電圧設定値ＶＳ２は、出力電圧設定値ＶＳ１より高くてもよい。
本実施形態において、二次電池１２０の動作電圧が燃料電池１１０の動作電圧よりも高いため、第２の変圧器２３０は、例えば、燃料電池１１０の第１の出力端の電圧Ｖａを昇圧して二次電池１２０に充電させることができるブースターである。第１の変圧器１３０は、例えば、二次電池１２０の第２の出力端電圧Ｖｂを降圧して第１の変圧器１３０の出力電圧設定値ＶＳ１に適合させるための降圧器である。実施形態では、第２の変圧器２３０は、例えば、直流から直流（ＤＣ／ＤＣ）タイプの変圧器である。
本実施形態では、燃料電池１１０の出力電圧設定値ＶＳ１（すなわち、動作下限電圧）は、概ねに二次電池１２０の動作下限電圧以下であり、二次電池１２０の動作上限電圧は、燃料電池１１０の動作上限電圧より高い。例えば、燃料電池１１０は、複数の燃料電池セルを直列に接続することによって形成される。各燃料電池セルの動作電圧は、０．６２５Ｖ〜０．６５Ｖの間にある。７２個の燃料電池セルを直列に接続することによって形成された燃料電池１１０を例として、燃料電池１１０は、４５Ｖ（出力電圧設定値ＶＳ１）〜４６．８Ｖ（動作上限電圧）の間にある動作電圧を提供することができる。二次電池１２０は、例えば、複数の二次電池セルを直列に接続することによって形成される。各二次電池セルの動作電圧は３．２Ｖ〜４．１５Ｖの間にある。１４個の二次電池セルを直列に接続することによって形成された二次電池１２０を例として、二次電池１２０は、４４．８Ｖ（動作下限電圧）〜５８．１Ｖ（動作上限電圧など）の間にある動作電圧を提供することができる。
本実施形態の第１の変圧器１３０の出力電圧設定値ＶＳ１は、前述の出力電圧設定値ＶＳ１と同様に決定されるので、詳細な説明は省略する。以下、第２の変圧器２３０の入力電圧設定値ＶＳ２の決定方法について説明する。
図３Ｂに示すように、入力電圧設定値ＶＳ２は、特性曲線の電圧曲線における１点値である。入力電圧設定値ＶＳ２は、例えば、燃料電池１１０の特性曲線における最大仕事率値Ｐｍａｘと飛行体１０の平均所要仕事率値Ｐａｖとの間にある範囲ΔＰ以内であり、入力電圧設定値ＶＳ２が出力電圧設定値ＶＳ１よりも大きい。燃料電池１１０の第１の出力端電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１と入力電圧設定値ＶＳ２との間で変化する場合、飛行体１０に必要な電力は、燃料電池１１０によってのみ提供され、二次電池１２０は飛行体に電力を供給しない。燃料電池１１０の第１出力端電圧Ｖａが入力電圧設定値ＶＳ２まで上昇すると、飛行体１０に必要な電力（負荷）が低下することを表し、この時は、燃料電池１１０側は二次電池１２０を充電する。燃料電池１１０の第１出力電圧Ｖａが出力電圧設定値ＶＳ１まで低下すると、燃料電池１１０の電力供給が飛行体１０に必要な電力よりも少ないことを表し、この時、二次電池１２０は、燃料電池１１０の不十分な電力を補足するように、飛行体１０に電力を供給する。
図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、図４Ａは本開示の別の実施形態に係る飛行ツール３を示す概略図であり、図４Ｂは図４Ａの第１の変圧器１３０の出力電圧設定値ＶＳ１および第２の変圧器２３０の入力電圧設定値ＶＳ２を示す設定モード図である。飛行ツール３は、電力供給装置３００と飛行体１０とを含む。電力供給装置３００は、飛行体１０に電力を供給するために飛行体１０に配置されている。
図４Ａに示すように、電力供給装置３００は、燃料電池１１０、ダイオード１１５、二次電池１２０、第１の変圧器１３０、第２の変圧器２３０、および制御部３４０を含む。第１の変圧器１３０は、飛行体１０と二次電池１２０の出力端１２０ａとの間に結合される。第２の変圧器２３０は、燃料電池１１０の出力端１１０ａと二次電池１２０の出力端１２０ａとの間に結合される。飛行体１０は、燃料電池１１０の出力端１１０ａおよび第１の変圧器１３０の出力端１３０ａに結合され、燃料電池１１０および第１の変圧器１３０からの電力を受け取る。制御部３４０は、二次電池１２０、第１の変圧器１３０、および第２の変圧器２３０に電気的に結合されている。本実施形態では、制御部３４０は、二次電池１２０の蓄電量に応じて、出力電圧設定値ＶＳ１および入力電圧設定値ＶＳ２を変更することができる。
図４Ｂに示すように、第２の所定電量Ｐ２は第１の所定電量Ｐ１よりも高く、二次電池１２０の蓄電量が第１の所定電量Ｐ１よりも低い場合、二次電池１２０が低い蓄電量の状態にあることを表す。二次電池の電力消費率を下げるために、制御部３４０は、出力電圧設定値ＶＳ１を引き下げることによって、二次電池１２０が飛行体１０に電力を供給する頻度を下げる。すなわち、二次電池１２０が飛行体１０に電力を供給する確率または時間は減少し、ひいては二次電池１２０の使用時間は延長される。さらに、制御部３４０は、出力電圧設定値ＶＳ１を引き下げることによって、燃料電池１１０が飛行体１０に電力を供給する頻度を増加させることができる。すなわち、燃料電池１１０が飛行体１０に電力を供給する確率または時間を増加させ、燃料電池１１０が飛行体１０により高い電力を出力させる。これによって、二次電池１２０により飛行体１０に供給される電力の減少を補償することができる。二次電池１２０の蓄電量が第２の所定電量Ｐ２よりも高い場合、二次電池１２０が十分なまたは高い蓄電量の状態にあることを表す。そこで、制御部３４０は、入力電圧設定値ＶＳ２を増加させ、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電する頻度を減少させることができる。つまり、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電する確率または時間は減少し、燃料電池１１０が比較的高い効率（高出力電圧）の期間で動作する確率または時間は増加する。
一実施形態では、二次電池１２０の蓄電量が第２の所定電量Ｐ２にあるとき、入力電圧設定値ＶＳ２は、例えば４６．８Ｖであり、二次電池１２０の蓄電量が１００％であるとき、入力電圧設定値ＶＳ２は、例えば、４７．８Ｖである。４６．８Ｖと４７．８Ｖとの間の変化は線形変化であり得る。また、二次電池１２０の蓄電量が０％〜第２の所定電量Ｐ２の間にある場合、入力電圧設定値ＶＳ２は定数に維持されることができる。
一実施形態では、二次電池１２０の蓄電量が第１の所定電量Ｐ１にあるとき、出力電圧設定値ＶＳ１は、例えば４５Ｖであり、二次電池１２０の蓄電量が０％であるとき、出力電圧設定値ＶＳ１は、例えば４４Ｖである。４５Ｖと４４Ｖとの間の変化は線形変化であり得る。また、二次電池１２０の蓄電量が第１の所定電量Ｐ１〜１００％の間にある場合、出力電圧設定値ＶＳ１は定数に維持されることができる。
図４Ｃを参照すると、図４Ａの第１の変圧器の出力電圧設定値ＶＳ１および第２の変圧器の入力電圧設定値ＶＳ２の別の設定モードを示す図である。なお、図４Ｃの設定モードでは、二次電池１２０の蓄電量が第２の所定電量Ｐ２〜１００％の間にある場合、蓄電量が増加するにつれて出力電圧設定値ＶＳ１が上昇する。具体的には、二次電池１２０の蓄電量が概ね第２の所定電量Ｐ２以上である場合、二次電池１２０の蓄電量が十分に多くあるため、第１の変圧器１３０から二次電池１２０への電力供給の頻度を増加させることができる。つまり、二次電池１２０が飛行体１０に電力を供給する確率または時間は増加し、二次電池１２０の蓄電量が多いほど、出力電圧設定値ＶＳ１が高くなり、二次電池１２０が飛行体１０に電力を供給する頻度は、二次電池１２０の蓄電量が増加するにつれて増加する。
また、図４Ｃの設定モードでは、二次電池１２０の蓄電量が０％〜第１の所定電量Ｐ１の間にある場合、入力電圧設定値ＶＳ２は蓄電量の減少に伴って減少する、ということは注意されるべきである。具体的には、二次電池１２０の蓄電量が概ねに第１の所定電量Ｐ１以下である場合は、二次電池１２０が低い蓄電量の状態にあることを表す。そのため、制御部３４０は、入力電圧設定値ＶＳ２を引き下げて、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電する頻度を増加させることができる。すなわち、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電する確率または時間は増加し、二次電池１２０の蓄電量が低いほど、入力電圧設定値ＶＳ２が低くなり、燃料電池１１０が二次電池１２０を充電する頻度は、二次電池１２０の蓄電量の減少に伴って増加する。
一実施形態では、第１の所定電量Ｐ１は例えば３０％であり、第２の所定電量Ｐ２は例えば７０％であるが、開示された実施形態はこれに限定されない。二次電池１２０の特性により、二次電池１２０の蓄電量が低すぎるかまたは高すぎることは、いずれも二次電池１２０のライフタイムを損なうことがある。本発明の実施形態に係る二次電池１２０の蓄電量は、上記の方式によって、第１の所定電量Ｐ１と第２の所定電量Ｐ２との間などの適切な範囲内に制御することができるため、二次電池１２０のライフタイムを延長させることができる。
要するに、本開示は例として上記に開示されているが、本開示を限定することを意図するものではない。当業者は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および修正を行うことができる。したがって、本開示の保護範囲は、添付した特許請求の範囲により特定されるものによる。
１、２、３：飛行ツール
１０：飛行体
１００、２００、３００：電力供給装置
１１０：燃料電池
１１０ａ、１２０ａ：出力端
１１５：ダイオード
１２０：二次電池
１３０：第１の変圧器
１３０ａ：出力端
１４０、３４０：制御部
２３０：２番目の変圧器
（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、（６）：段階
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ａ：状態点
ｃ：ノード
Ｃ１、Ｃ２：曲線
Ｉ１：第１の出力電流
Ｉ２：第２の出力電流
Ｉｐ、ＩＱ：出力電流
Ｌ１：垂直線
Ｒ１：第１のスイッチ
Ｒ２：第２のスイッチ
ＶＳ１：出力電圧設定値
ＶＳ２：入力電圧設定値
Ｖａ：第１の出力端電圧
Ｖｂ：第２の出力端電圧
ＶＦ，ａ、ＶＬ，ａ：動作上限電圧
ＶＬ，ｃ：動作下限電圧
Ｖｐ、ＶＱ、ＶＰ：出力電圧
ΔＰ：範囲
Ｔ：時間帯
Ｖｃ：ノード電圧
ＶＬ，ｂ：電圧
Ｐ１：第１の所定電量
Ｐ２：第２の所定電量
Ｐａｖ：平均所要仕事率値
ＰＵ：最高所要仕事率値
Ｐｍａｘ：最大仕事率値
ＰＳ１：燃料電池の出力仕事率

Claims (11)

  1. 平均所要仕事率値を有する飛行体に電力を供給するために、前記飛行体に配置される電力供給装置であって、
    二次電池と、
    前記二次電池と前記飛行体の間に結合された第１の変圧器と、
    前記飛行体に結合され、前記飛行体に第１の出力電流を供給するための燃料電池と、
    を含み、
    前記第１の変圧器は出力電圧設定値を有し、前記燃料電池の第１の出力端電圧が前記出力電圧設定値より低い場合、前記第１の変圧器は前記二次電池の第２の出力電流を前記飛行体に供給し、
    前記出力電圧設定値は、前記燃料電池の特性曲線の最大仕事率値と前記飛行体の前記平均所要仕事率値の間の範囲内にある、
    電力供給装置。
  2. 前記飛行体が起動段階にある時は、前記燃料電池が前記飛行体に電流を供給せず、前記二次電池が前記第２の出力電流を前記飛行体に供給する、請求項１に記載の電力供給装置。
  3. 前記燃料電池によって供給された前記第１の出力端電圧が前記出力電圧設定値より低くない場合、前記二次電池は電流を前記飛行体に供給しない、請求項１または２に記載の電力供給装置。
  4. 前記燃料電池の出力端における前記第１の出力端電圧が前記二次電池の出力端における第２の出力端電圧よりも高い場合、前記燃料電池は前記二次電池を充電する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力供給装置。
  5. 前記二次電池の前記出力端と前記燃料電池の前記出力端との間に結合されたスイッチをさらに含み、
    前記第１の出力端電圧が前記第２の出力端電圧以上になると、前記燃料電池に前記二次電池を充電させるように、前記スイッチをオンにする、請求項４に記載の電力供給装置。
  6. 前記二次電池の蓄電量が所定蓄電量に達すると、前記燃料電池が前記二次電池への充電を停止するように、前記スイッチをオフにする、請求項５に記載の電力供給装置。
  7. 前記燃料電池の前記第１の出力端電圧が前記出力電圧設定値以下になると、前記二次電池が前記第２の出力電流を供給し、同時に前記燃料電池が前記飛行体に前記第１の出力電流を供給する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力供給装置。
  8. 第２の変圧器をさらに含み、
    前記第２の変圧器は、前記燃料電池と前記二次電池との間に結合され、入力電圧設定値を有し、前記入力電圧設定値は前記第１の変圧器の前記出力電圧設定値よりも高く、
    前記燃料電池の前記第１の出力端電圧が前記入力電圧設定値以上になると、前記燃料電池は前記二次電池を充電する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の電力供給装置。
  9. 前記二次電池の蓄電量が第１の所定電量より低い場合、前記第１の変圧器の前記出力電圧設定値を引き下げ、前記二次電池の蓄電量が第２の所定電量より高い場合、前記第２の変圧器の前記入力電圧設定値を引き上げ、前記第２の所定電量は前記第１の所定電量よりも高い、請求項８に記載の電力供給装置。
  10. 飛行ツールであって、
    飛行体と、
    前記飛行体に電力を供給するために、前記飛行体に配置される請求項１から９のいずれか１項に記載の電力供給装置と、
    を含む飛行ツール。
  11. 飛行体に配置される請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力供給装置の電力供給方法であって、
    前記燃料電池は前記飛行体に前記第１の出力電流を提供し、
    前記燃料電池の前記第１の出力端電圧が前記出力電圧設定値より低い場合、前記第１の変圧器は前記二次電池の前記第２の出力電流を前記飛行体に供給する、
    ことを含み、
    前記出力電圧設定値は、前記燃料電池の特性曲線における最大仕事率値と前記飛行体の前記平均所要仕事率値の間の範囲内にある、
    電力供給方法。
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