JP7505461B2 - 飛行体 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、運搬対象物を積載可能な飛行体に関する。

特許文献１に、飛行体が開示されている。飛行体は、動力源であるバッテリーと、バッテリーを充電可能な発電機とを含む。

特許国際公開ＷＯ２０１７／０３００３４号公報

上記した飛行体では、発電機によって生成された電力を蓄電池に充電するために、発電機と蓄電池とを、コンバータを介して接続する必要がある。飛行体にコンバータを設けると、飛行体のサイズや重量を無用に増大させてしまう。本明細書では、飛行体を軽量化及び小型化し得る技術を提供する。

本明細書が開示する飛行体は、運搬対象物を積載可能な飛行体であって、プロペラを駆動するモータと、モータに電力を供給する燃料電池と、燃料電池にコンバータを介することなく並列に接続されており、燃料電池の出力電圧に応じて受動的に充電又は放電される二次電池と、を備える。運搬対象物が最大積載量まで積載されたときに、燃料電池の定格運転における出力電圧は第１の電圧値となる。燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値であるときに、二次電池は第１充電率以上の充電率まで充電される。そして、第１充電率まで充電された二次電池には、飛行体が許容された最大高度から着陸するのに要する電力量が蓄電される。

上記した飛行体では、モータに電力を供給する燃料電池と二次電池との両者が、コンバータを介することなく並列に接続されている。これにより、飛行体を軽量化することができると共に、運搬対象物の積載スペースを広く確保することができる。その一方で、燃料電池と二次電池との間が、コンバータを介することなく接続されていると、燃料電池の出力電圧に応じて、二次電池は受動的に充電又は放電されることになる。

燃料電池が定格運転している場合、燃料電池の出力電圧は、運搬対象物の積載量に応じて変化し、積載量が多くなるほど（即ち、モータの消費電力が大きくなるほど）、燃料電池の出力電圧は低くなる。従って、飛行体に運搬対象物が最大積載量まで積載されると、燃料電池の出力電圧は最も低くなり、その結果、二次電池の充電率も最も低くなる。即ち、上記した構成において、第１の電圧値は、燃料電池の出力電圧に想定される最小値を意味し、第１充電率は、二次電池の充電率に想定される最小値を意味する。

飛行体では、例えば意図しない状況に備えて、いつでも着陸可能であることが求められる。この点に関して、上記した飛行体では、二次電池の充電率が、運搬対象物の積載量にかかわらず、第１充電率を下回ることがない。そして、少なくとも第１充電率まで充電された二次電池には、飛行体が許容された最大高度から着陸するのに要する電力量が蓄電される。このような構成によると、二次電池の充放電がコンバータ等で制御される構成でなくても、運搬対象物の積載量や飛行体の飛行高度にかかわらず、飛行体が着陸するのに要する電力量を、二次電池に確保しておくことができる。これにより、飛行体は、例えば燃料電池に異常が発生し、二次電池の電力で着陸動作を実行する場合に、着陸動作を地上まで確実に継続することができる。

上記に加えて、又は代えて、飛行体に運搬対象物が積載されていないときは、燃料電池の定格運転における出力電圧が、前記した第１電圧値よりも大きい第２電圧値となってもよい。この場合、燃料電池の出力電圧が第２電圧値であるときに、二次電池は第２充電率未満の充電率まで充電されてもよい。そして、二次電池は、第２充電率から１００パーセントまで充電されるまでに、所定の電力量をさらに蓄電可能であってもよく、この所定の電力量は、モータの消費電力に想定される変動の幅に、当該想定される変動の継続時間を乗じた電力量よりも大きくてもよい。

前述したように、燃料電池の出力電圧は、運搬対象物の積載量に応じて変化する。従って、飛行体に運搬対象物が積載されていないときに、燃料電池の出力電圧は最も高くなり、その結果、二次電池の充電率も最も高くなる。即ち、上記した構成において、第２電圧値は、燃料電池の出力電圧に想定される最大値を意味し、第２充電率は、二次電池の充電率に想定される最大値を意味する。

飛行体では、モータの消費電力が、運搬対象物の積載量だけでなく、例えば風向きや風速といった外乱によっても変動する。この場合、二次電池の充電率は、第２充電率を上回ることがあり、外乱の程度によっては、二次電池が過充電されるおそれがある。この点に関して、上記した飛行体では、二次電池が、第２充電率から１００パーセントまで充電されるまでに、所定の電力量をさらに蓄電可能に構成されており、その所定の電力量は、モータの消費電力に想定される変動の幅に、当該想定される変動の継続時間を乗じた電力量よりも大きい。このような構成によると、飛行体に運搬対象物が積載されていない状態で、モータの消費電力に変動が生じた場合であっても、二次電池の過充電を回避することができる。

実施例の飛行体の構成を示すブロック図。 二次電池及び燃料電池の電流－電圧曲線を示す。

本技術一実施形態において、飛行体の着陸に要する電力量は、運搬対象物が最大積載量まで積載された状態で燃料電池が定格運転したときの出力電力に、着陸に必要とされる所要時間を乗じた値であってよい。このような構成によると、運搬対象物が最大積載量まで積載された状態で、二次電池の着陸動作を実行する場合であっても、着陸動作を地上まで確実に継続することができる。

本技術の一実施形態において、着陸に必要とされる所要時間は、許容された最大高度を、飛行体に許容された最大降下速度で除した値であってよい。このような構成によると、二次電池による着陸動作を、飛行体に許容された最大降下速度以下で実行することができる。

図面を参照して、本実施例の飛行体１０について説明する。飛行体１０は、運搬対象物を積載することができると共に、運搬対象物を積載した状態で飛行することができる。飛行体１０は、いわゆるマルチコプタである。但し、飛行体１０は、マルチコプタに限定されず、プロペラによって揚力を得るヘリコプタであればよい。また、飛行体１０は、人が搭乗しない無人の飛行体であってもよく、人が搭乗する有人の飛行体であってもよい。

図１に示すように、飛行体１０は、燃料電池１２と、二次電池１４と、プロペラ１６と、モータ１８と、電源コントローラ２０と、を備える。

プロペラ１６は、モータ１８に接続されており、モータ１８によって駆動する。プロペラ１６がモータ１８の動作に応じて回転することによって、飛行体１０に揚力が発生する。プロペラ１６の数は限定されない。

燃料電池１２は、不図示の燃料容器から供給された燃料ガスを使用することによって、電気を生成する。燃料電池１２は、電力線２４を通ってモータ１８に接続されている。燃料電池１２によって生成された電力は、電力線２４を通ってモータ１８に供給される。

二次電池１４は、電力線２４に接続されている。二次電池１４は、電力線２４を介して燃料電池１２に並列に接続され、燃料電池１２と共にモータ１８に接続されている。燃料電池１２と二次電池１４との間には、燃料電池１２に向かう電流を遮断するためのダイオード２２が挿入されている。二次電池１４で生成された電流は、ダイオード２２によって燃料電池１２へ流れることが禁止されるとともに、電力線２４を通ってモータ１８に供給される。二次電池１４は、燃料電池１２が生成した電力を充電することもできる。

電源コントローラ２０は、燃料電池１２に電気的に接続されている。電源コントローラ２０は、燃料電池１２に供給される燃料ガスの量を制御することによって、燃料電池１２の出力電力を制御することができる。電源コントローラ２０は、燃料電池１２から供給された電力によって駆動可能に構成される。

前述したように、モータ１８に電力を供給する燃料電池１２と二次電池１４との両者は、コンバータを介することなく並列に接続されている。これにより、飛行体１０を軽量化することができると共に、運搬対象物の積載スペースを広く確保することができる。その一方で、燃料電池１２と二次電池１４との間が、コンバータを介することなく接続されていると、燃料電池１２の出力電圧に応じて、二次電池１４は受動的に充電又は放電されることになる。

ここで、図２に、燃料電池１２の電流－電圧曲線（以下、「ＩＶ曲線」と称することがる）Ｌ１と、二次電池１４のＩＶ曲線Ｌ２と、を示す。ＩＶ曲線Ｌ１が示すように、燃料電池１２の出力電圧は、燃料電池１２の出力電流に応じて変化し、出力電流が小さくなるほど出力電圧は大きくなる。

燃料電池１２が定格運転している場合、燃料電池１２の出力電圧は、運搬対象物の積載量に応じて変化し、その積載量が多くなるほど（即ち、モータ１８の消費電力が大きくなるほど）、燃料電池１２の出力電圧は低くなる。従って、飛行体１０に運搬対象物が最大積載量まで積載されると、図２の点ａ１に示されるように、燃料電池１２の出力電圧は、最も低い値である電圧値Ｖ１になる。以下では、この電圧値を第１電圧値Ｖ１と称する。その結果、燃料電池１２の出力電圧（即ち第１電圧値Ｖ１）に応じて受動的に充電又は放電される二次電池１４の充電率も、最も低くなる。この場合の二次電池１４の充電率を、第１充電率ＣＲ１と称する。即ち、第１電圧値Ｖ１は、燃料電池１２の出力電圧に想定される最小値を意味し、第１充電率ＣＲ１は、二次電池１４の充電率に想定される最小値を意味する。

飛行体１０では、例えば意図しない状況に備えて、いつでも着陸可能であることが求められる。この点に関して、上記した飛行体１０では、二次電池１４の充電率が、運搬対象物の積載量にかかわらず、第１充電率ＣＲ１を下回ることがない。そして、少なくとも第１充電率ＣＲ１まで充電された二次電池１４には、飛行体１０が許容された最大高度から着陸するのに要する電力量が蓄電されるように設計されている。このような構成によると、二次電池１４の充放電がコンバータ等で制御される構成でなくても、運搬対象物の積載量や飛行体１０の飛行高度にかかわらず、飛行体１０が着陸するのに要する電力量を、二次電池１４に確保しておくことができる。これにより、飛行体１０は、例えば燃料電池１２に異常が発生し、二次電池１４の電力で着陸動作を実行する場合に、着陸動作を地上まで確実に継続することができる。

従って、二次電池１４の第１充電率ＣＲ１は、飛行体１０の着陸動作に要する電力量に基づいて決定される。飛行体１０の着陸に要する電力量は、運搬対象物が最大積載量まで積載された状態で燃料電池１２が定格運転したときの出力電力Ｖ１に、着陸動作に必要とされる所要時間を乗じた値であってよい。このような構成によると、運搬対象物が最大積載量まで積載された状態で、例えば、燃料電池１２に異常が発生し、二次電池１４の電力で着陸動作を実行する場合であっても、着陸動作を地上まで確実に継続することができる。

また、上述の着陸動作に必要とされる所要時間［ｓ］は、飛行体１０が許容された最大高度［ｍ］を、飛行体１０に許容された最大降下速度［ｍ／ｓ］で除した値であってよい。このような構成によると、飛行体１０は、飛行体１０に許容された最大降下速度以下で着陸動作を実行することができる。ここで、飛行体１０に許容された最大降下速度は、飛行体１０の構成や運搬対象物等に応じて適宜定められていてよい。

次いで、飛行体１０に運搬対象物が積載されていない場合について説明する。前述したように、燃料電池１２の出力電圧は、運搬対象物の積載量に応じて変化する。従って、図２の点ａ２に示されるように、飛行体１０に運搬対象物が積載されていないときの燃料電池１２の出力電圧は、最も高い値である電圧Ｖ２になる。以下では、この電圧値を、第２電圧値Ｖ２と称する。その結果、燃料電池１２の出力電圧（即ち第２電圧値Ｖ２）に応じて受動的に充電又は放電される二次電池１４の充電率も、最も高くなる。この場合の二次電池１４の充電率を、第２充電率ＣＲ２と称する。即ち、第２電圧値Ｖ２は、燃料電池１２の出力電圧に想定される最大値を意味し、第２充電率ＣＲ２は、二次電池１４の充電率に想定される最大値を意味する。

飛行体１０では、モータ１８の消費電力が、運搬対象物の積載量だけでなく、例えば風向きや風速といった外乱によっても変動する。この場合、二次電池１４の充電率は、第２充電率ＣＲ２を上回ることがあり、外乱の程度によっては、二次電池１４が過充電されるおそれがある。この点に関して、本実施例の飛行体１０では、二次電池１４が、第２充電率ＣＲ２から１００パーセントまで充電されるまでに、所定の電力量をさらに蓄電可能に構成されている。この所定の電力量は、モータ１８の消費電力に想定される変動の幅に、当該想定される変動の継続時間を乗じた電力量よりも大きい。

即ち、第２充電率ＣＲ２は、モータ１８の消費電力に想定される変動を考慮して、１００％に一定の余裕（即ちマージン）を与えて設定されている。このマージンの最小値は、モータ１８の消費電力に想定される変動の幅［ｋＷ］に、当該想定される変動の継続時間［ｈ］を乗じた値を、二次電池１４の充電率１％当たりのエネルギー量［ｋＷｈ／％］で除することによって算出される。従って、第２充電率ＣＲ２は、１００％から、上記のマージンを減じた値よりも小さい。このような構成によると、飛行体１０に運搬対象物が積載されていない状態で、モータ１８の消費電力に変動が生じた場合であっても、二次電池１４の過充電を回避することができる。

以上、本技術の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：飛行体
１２：燃料電池
１４：二次電池
１６：プロペラ
１８：モータ
２０：電源コントローラ
２２：ダイオード
２４：電力線

Claims (4)

1. 運搬対象物を積載可能な飛行体であって、
   プロペラを駆動するモータと、
   前記モータに電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池にコンバータを介することなく並列に接続されており、前記燃料電池の出力電圧に応じて受動的に充電又は放電される二次電池と、
   を備え、
   前記運搬対象物が最大積載量まで積載されたときに、前記燃料電池の定格運転における前記出力電圧は第１電圧値となり、
   前記燃料電池の前記出力電圧が前記第１電圧値であるときに、前記二次電池は第１充電率以上の充電率まで充電され、
   前記第１充電率まで充電された前記二次電池には、前記飛行体が許容された最大高度から着陸するのに要する電力量が蓄電され、
   前記運搬対象物が積載されていないときに、前記燃料電池の定格運転における前記出力電圧は、前記第１電圧値よりも大きい第２電圧値となり、
   前記燃料電池の出力電圧が前記第２電圧値であるときに、前記二次電池は、第２充電率未満の充電率まで充電され、
   前記第２充電率は、前記第１充電率以上であって、かつ、１００パーセントよりも小さい、飛行体。
2. 前記飛行体の着陸に要する電力量は、前記運搬対象物が最大積載量まで積載された状態で前記燃料電池が定格運転したときの出力電力に、前記着陸に必要とされる所要時間を乗じた値である、請求項１に記載の飛行体。
3. 前記着陸に必要とされる所要時間は、前記許容された最大高度を、前記飛行体に許容された最大降下速度で除した値である、請求項２に記載の飛行体。
4. 前記二次電池は、前記第２充電率から１００パーセントまで充電されるまでに、所定の電力量をさらに蓄電可能であり、
   前記所定の電力量は、前記モータの消費電力に想定される変動の幅に、当該想定される変動の継続時間を乗じた電力量よりも大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の飛行体。

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