JP2004236384A

JP2004236384A - 燃料電池車両用電源システム

Info

Publication number: JP2004236384A
Application number: JP2003019290A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Deguchi; 慎一出口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータを大形化することなく、良好な燃費を呈する燃料電池車両用電源システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２０と、充放電可能な蓄電手段３０と、蓄電手段３０に直列接続される第１の端子４１、及び、燃料電池２０に直列接続される第２の端子４２を有し、第２の端子の電圧を調整自在なＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、燃料電池２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０の間であって燃料電池２０に並列接続される回生電力回収手段６１と、燃料電池２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０の間であって回生電力回収手段６１に並列接続され、回生電力回収手段６１で回収された回生電力を消費可能な回生電力消費手段７１、８１とを備え、回生電力回収手段６１で回生電力を回収するときに、第２の端子４２の電圧を所定電圧以上に調整することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両に好適に使用することができる燃料電池車両用電源システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池及び二次電池を併用する燃料電池車両においては、燃料電池及び二次電池の間に直列接続したＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、燃料電池及び二次電池の電圧差を調整している。
【０００３】
例えば、従来の燃料電池車両用電源システムにおいては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、二次電池とを直列接続し、補機類をＤＣ／ＤＣコンバータ〜二次電池間であって二次電池に対して並列接続しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１８９８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の燃料電池車両用電源システムにあっては、燃料電池からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータを経由して補機類に供給されるので、常にＤＣ／ＤＣコンバータを作動させなければならず、また、ＤＣ／ＤＣコンバータで電力損失を発生しうるため、燃費が悪化する可能性がある。
【０００６】
そこで、例えば、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、二次電池とを直列接続し、補機類を燃料電池〜ＤＣ／ＤＣコンバータ間であって、燃料電池に対して並列接続することが考えられる。
【０００７】
ところが、このように二次電池〜補機類間にＤＣ／ＤＣコンバータを配置する構成の場合には、回生時の回生電力が大きいと、それにあわせてＤＣ／ＤＣコンバータ自体も大形化しなければならない。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータを大形化することなく、良好な燃費を呈する燃料電池車両用電源システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【００１０】
本発明は、燃料電池（２０）と、充放電可能な蓄電手段（３０）と、前記蓄電手段（３０）に直列接続される第１の端子（４１）、及び、前記燃料電池（２０）に直列接続される第２の端子（４２）を有し、前記第２の端子の電圧を調整自在なＤＣ／ＤＣコンバータ（４０）と、前記燃料電池（２０）及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４０）の間であって前記燃料電池（２０）に並列接続される回生電力回収手段（６１）と、前記燃料電池（２０）及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（４０）の間であって前記回生電力回収手段（６１）に並列接続され、前記回生電力回収手段（６１）で回収された回生電力を消費可能な回生電力消費手段（７１、８１）とを備え、前記回生電力回収手段（６１）で回生電力を回収するときに、前記第２の端子（４２）の電圧を所定電圧以上に調整することを特徴とする。
【００１１】
【作用・効果】
本発明によれば、回生時に、第２端子電圧を燃料電池の開放電圧以上の電圧に調整するので、燃料電池からは電流が流出しない。そして、回生電力回収手段で回収された回生電力の一部は回生電力消費手段で消費されることとなる。そのため、回生電力が大きくてもＤＣ／ＤＣコンバータ自体を大形化しなくてよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の燃料電池車両用電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【００１３】
燃料電池車両用電源システム１０は、燃料電池２０と、二次電池３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０とを直列に接続し、燃料電池２０〜ＤＣ／ＤＣコンバータ４０間にモータ用インバータ６１と、コンプレッサインバータ７１と、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１とを燃料電池２０に対して並列に接続している。
【００１４】
燃料電池車両用電源システム１０は、燃料電池２０から供給される電力と、二次電池３０から供給される電力とを切り替えて、駆動輪モータ６０やコンプレッサモータ７０、ランプ等の車両補機８２等を作動させ、また、燃料電池２０の余剰電気エネルギを二次電池３０に蓄電する。また、燃料電池車両用電源システム１０は、回生時に駆動輪モータ６０の発電電力をモータ用インバータ６１を介して回収する。
【００１５】
燃料電池２０は、この燃料電池２０をシステムと断続する燃料電池用リレー２１及び電流の逆流防止機能を有するダイオード２２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０の第２端子４２に接続されている。また、燃料電池２０は、モータ用インバータ６１の直流側にも接続され、モータ用インバータ６１に対して駆動用のエネルギを供給する。
【００１６】
二次電池３０は、燃料電池２０の余剰電力を蓄える高電圧バッテリである。二次電池３０は、この二次電池３０をシステムと断続するリレーボックス５０を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０に接続されている。このリレーボックス５０は、メインリレー５１で二次電池３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０（第１端子４１）を直列接続している。また、リレーボックス５０は、直列に接続したサブリレー５２及び抵抗５３を、メインリレー５１に対して並列接続している。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、第１端子４１及び第２端子４２を有し、前述の通り、二次電池３０及び燃料電池２０を、それぞれ第１端子４１及び第２端子４２に直列接続する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０には、後述のように、電流計４０８及び電圧計４０９が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、電圧計４０９で測定した電圧に基づいて制御を行う。そして、使用上限電圧又は使用下限電圧を超えたときには、電圧を一定して、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電圧制御を行う。
【００１８】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、上記のような制御以外にも、電流計４０８で測定した電流に基づいて制御を行ってもよい。また、電流計４０８及び電圧計４０９の測定値より算出した電力に基づいて制御を行ってもよい。そして、使用上限電圧又は使用下限電圧を超えたときには、電流を一定して、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電流制御を行ってもよい。また、電力を一定にして、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電力制御を行ってもよい。
【００１９】
燃料電池２０（ダイオード２２）〜ＤＣ／ＤＣコンバータ４０間には、モータ用インバータ６１と、コンプレッサインバータ７１と、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１とが燃料電池２０に対して並列に接続されている。
【００２０】
モータ用インバータ６１は、直流側をダイオード２２〜ＤＣ／ＤＣコンバータ４０間であって燃料電池２０に対して並列に接続し、交流側を駆動輪モータ６０に接続する。モータ用インバータ６１は、直流電力を交流電力に変換し、この交流電力で駆動輪モータ６０を駆動して、タイヤ（不図示）を動かし、車両の駆動源となる。
【００２１】
また、モータ用インバータ６１は、回生時には、駆動輪モータ６０から交流電力を回収する回生電力回収手段として機能する。そして、この回収した交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、後述のように、コンプレッサインバータ７１や１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１で消費される。すなわち、このコンプレッサインバータ７１や１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１等が回生電力消費手段として機能する。
【００２２】
コンプレッサインバータ（以下「ＣＯＭＰインバータ」という）７１は、直流側をダイオード２２〜ＤＣ／ＤＣコンバータ４０間であって燃料電池２０に対して並列に接続し、交流側をコンプレッサのモータ（以下「ＣＯＭＰモータ」という）７０に接続する。ＣＯＭＰインバータ７１は、直流電力を交流電力に変換し、この交流電力でコンプレッサ（ＣＯＭＰモータ７０）を駆動して燃料電池２０に圧縮空気を供給する。
【００２３】
１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１は、高電圧側をダイオード２２〜ＤＣ／ＤＣコンバータ４０間であって燃料電池２０に対して並列に接続し、低電圧側を１２Ｖバッテリ８０に接続する。１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１は、車両補機８２への電力供給や１２Ｖバッテリ８０の充電を行う。
【００２４】
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、上述の通り、第１端子４１及び第２端子４２を備え、第１端子４１は二次電池３０に接続され、第２端子４２は燃料電池２０に接続される。また、第１端子４１にはコンデンサ４０１が接続されており、第２端子４２にはコンデンサ４０２が接続されている。コンデンサ４０１〜コンデンサ４０２の間には、順方向降圧コンバータ４０６、逆方向降圧コンバータ４０４、順方向昇圧コンバータ４０５及び逆方向昇圧コンバータ４０３が並列接続されている。
【００２６】
図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図であり、図２のブロック図を具体的な回路図として示すものである。
【００２７】
各コンバータ４０３〜４０６には、それぞれ１つずつのリアクトル４０７が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０全体としては４個のリアクトル４０７を有する。さらにＤＣ／ＤＣコンバータ４０全体として、６個のダイオードと６個のＳＷ素子（ＩＧＢＴ等）とを有する。また、各端子４１、４２には、電流を測定するための電流計４０８が接続されている。また、端子間の電圧を測定するための電圧計４０９が、コンデンサ４０１、４０２と並列接続されている。
【００２８】
図４は、第１実施形態の燃料電池車両用電源システムの回生モードの制御を示すフローチャートである。
【００２９】
ステップＳ１１０においては、回生モードであるか否かを判断し、回生モードであればステップＳ１２０へ進んで回生モード制御を行い、回生モードでなければステップＳ１５０へ進んで制御を行わない。
【００３０】
ステップＳ１２０においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生モード制御を行う。具体的な内容については後述する。
【００３１】
ステップＳ１３０においては、回生モードが終了するまでその状態を維持する。
【００３２】
ステップＳ１４０においては、終了処理（逆方向昇圧コンバータ４０３のスイッチング素子の開放）を行う。
【００３３】
図５は、回生モード制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【００３４】
ステップＳ１２１においては、第２端子４２の電圧が燃料電池２０の開放電圧以上であるか否かを判断し、開放電圧以上のときはステップＳ１２２へ進んで制御を行うが、開放電圧未満であればステップＳ１２４へ進んで制御を行わない。
【００３５】
ステップＳ１２２においては、「第１端子４１の電圧＜第２端子４２電圧」であれば、逆方向昇圧コンバータ４０３のスイッチング素子を動作させ、「第１端子４１の電圧≧第２端子４２電圧」であれば、逆方向降圧コンバータ４０４のスイッチング素子を動作させる。そして、ステップＳ１２３において、第２端子４２の電圧が燃料電池２０の開放電圧以上になるまでその状態を維持し、開放電圧以上になったらメインフローチャートに戻る（ステップＳ１２４）。
【００３６】
本実施形態によれば、回生時には第２端子電圧を燃料電池の開放電圧以上にするので、回生電力はＤＣ／ＤＣコンバータには流れず、コンプレッサインバータ７１や１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ８１の駆動に利用されることとなる。そのため、回生電力が大きくてもＤＣ／ＤＣコンバータ自体を大形化しなくてもよい。
【００３７】
（ＤＣ／ＤＣコンバータの第２実施形態）
図６は、ＤＣ／ＤＣコンバータの第２実施形態を示す回路図であり、図２のブロック図に対する回路図の第２実施形態を示すものである。
【００３８】
なお、以下に示す各実施形態では、前述の実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００３９】
本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、２個のリアクトル４０７と、４個のダイオードと、４個のＳＷ素子（ＩＧＢＴ等）とで構成されている。また、各端子４１、４２には、電流を測定するための電流計４０８が接続されている。また、端子間の電圧を測定するための電圧計４０９が、コンデンサ４０１、４０２と並列接続されている。このような回路であっても、図２のブロック図を実現することができる。
【００４０】
本実施形態によれば、第１実施形態に比べて、リアクトル４０７、ダイオード、ＳＷ素子（ＩＧＢＴ等）の数を減らすことができ、コストの低減化、ユニットの小型化を図ることができる。
【００４１】
（ＤＣ／ＤＣコンバータの第３実施形態）
図７は、ＤＣ／ＤＣコンバータの第３実施形態の構成を示すブロック図である。図８は、ＤＣ／ＤＣコンバータの第３実施形態を示す回路図であり、図７のブロック図を具体的な回路図として示すものである。
【００４２】
本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４０には、コンデンサ４０１〜コンデンサ４０２の間に、順方向降圧コンバータ４０６、逆方向昇圧コンバータ４０３、順方向昇圧コンバータ４０５及び逆方向降圧コンバータ４０４が直列接続されている（図７）。
【００４３】
具体的な回路は、図８に示す通りであり、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、１個のリアクトル４０７と、４個のダイオードと、４個のＳＷ素子（ＩＧＢＴ等）とで構成されている。また、各端子４１、４２には、電流を測定するための電流計４０８が接続されている。また、端子間の電圧を測定するための電圧計４０９が、コンデンサ４０１、４０２と並列接続されている。
【００４４】
本実施形態によれば、第２実施形態に比べても、さらに、リアクトル４０７の数を減らすことができ、一層のコスト低減化、ユニットの小型化を図ることができる。
【００４５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００４６】
例えば、上記実施形態では、蓄電手段として二次電池を例示して説明したが、キャパシタ等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の燃料電池車両用電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図
である。
【図２】
ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。
【図３】
ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池車両用電源システムの回生モードの制御を示すフローチャートである。
【図５】回生モード制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】ＤＣ／ＤＣコンバータの第２実施形態を示す回路図である。
【図７】ＤＣ／ＤＣコンバータの第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】ＤＣ／ＤＣコンバータの第３実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
１０燃料電池車両用電源システム
２０燃料電池
３０二次電池（蓄電手段）
４０ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１第１端子
４２第２端子
５０リレーボックス
５１メインリレー
５２サブリレー
５３抵抗
６０駆動輪モータ
６１モータ用インバータ（回生電力回収手段）
７０コンプレッサモータ
７１コンプレッサインバータ（回生電力消費手段）
８０１２Ｖバッテリ
８１１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ（回生電力消費手段）
８２車両補機

Claims

燃料電池と、
充放電可能な蓄電手段と、
前記蓄電手段に直列接続される第１の端子、及び、前記燃料電池に直列接続される第２の端子を有し、前記第２の端子の電圧を調整自在なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記燃料電池及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間であって前記燃料電池に並列接続される回生電力回収手段と、
前記燃料電池及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間であって前記回生電力回収手段に並列接続され、前記回生電力回収手段で回収された回生電力を消費可能な回生電力消費手段と、
を備え、
前記回生電力回収手段で回生電力を回収するときに、前記第２の端子の電圧を所定電圧以上に調整する、
ことを特徴とする燃料電池車両用電源システム。
前記所定電圧は、前記燃料電池の開放電圧である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは電力に基づいて制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは電流に基づいて制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは電圧に基づいて制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、使用上限電圧又は使用下限電圧を超えたときには、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電圧制御を行う、
ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、使用上限電圧又は使用下限電圧を超えたときには、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電流制御を行う、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、使用上限電圧又は使用下限電圧を超えたときには、その使用上限電圧又は使用下限電圧になるように定電力制御を行う、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池車両用電源システム。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、順方向昇圧部、順方向降圧部、逆方向昇圧部及び逆方向降圧部を備える回路であって、リアクトルが共用されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池車両用電源システム。