JP2006312422A - Hydrogen fuel vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素燃料車に関し、詳しくは、液体水素タンクからの水素により燃料電池で発電して或いは該水素を水素エンジンで燃焼して駆動源を得る車両であって、バッテリーからの直流電力を昇圧コンバータで電圧上昇させているものに関する。 The present invention relates to a hydrogen fuel vehicle, and more particularly to a vehicle that generates power in a fuel cell using hydrogen from a liquid hydrogen tank or burns the hydrogen in a hydrogen engine to obtain a drive source, and that uses DC power from a battery. It relates to a voltage booster that raises the voltage.
近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、ガソリンエンジンと併用して電気エネルギーによるモータで駆動して走行するハイブリッド自動車の開発が進められている(特開平11−164494号公報等)。
図9は当初のハイブリッド自動車を示し、バッテリー1からの直流電力をインバータで交流に変換して車両駆動用のモータ3に給電している。一方、エンジン4からの回転動力は動力分配機5を介して車輪側に伝達している。また、エンジン4からの回転動力は動力分配機5を介して発電機6にも伝達され、そこで生成された電力をインバータ2に戻している。
In recent years, in order to improve the exhaustion of fossil fuels such as gasoline and the deterioration of the environment due to exhaust gas, development of hybrid vehicles that are driven by electric energy motors in combination with gasoline engines has been developed (Japanese Patent Laid-Open No. 11-1990). 164494 gazette).
FIG. 9 shows an initial hybrid vehicle, in which direct current power from the battery 1 is converted into alternating current by an inverter and supplied to the motor 3 for driving the vehicle. On the other hand, the rotational power from the engine 4 is transmitted to the wheel side via the
ハイブリッド自動車においても低燃費・低環境負荷を追及するためには、モータ3の小型高出力化を実現する必要があり、モータ3を高速回転させて駆動することが求められる。高速回転域においてはモータ3から発生する逆起電力以上の電圧を発生させる必要があるが、単純にバッテリー1の数を増加させて高圧化させることはスペースやコスト面からみて現実的ではない。そこで最近は、図10に示すように、バッテリー1とインバータ2の間に昇圧コンバータ7(DC−DCコンバータ)を介設して高電圧化するものが現れている。これにより、モータ3の高速回転を行いたい時には、昇圧コンバータ7を利用することで、バッテリー1を大きくする事なく、また、弱め界磁制御する事なく高速回転を実現することができる。
In order to pursue low fuel consumption and low environmental load even in a hybrid vehicle, it is necessary to realize a small and high output of the motor 3, and it is required to drive the motor 3 by rotating it at high speed. In the high-speed rotation range, it is necessary to generate a voltage higher than the counter electromotive force generated from the motor 3, but simply increasing the number of batteries 1 to increase the voltage is not realistic from the viewpoint of space and cost. Therefore, recently, as shown in FIG. 10, there has been an increase in voltage by providing a boost converter 7 (DC-DC converter) between the battery 1 and the
昇圧コンバータ7には昇圧動作時のエネルギーを貯めておくリアクトルが備えられており、該リアクトルのコイルには最大数100A相当の大電流が通電される。該コイルは断面積の大きな銅線で形成されているが、高出力時には大電流を流す必要があり、該コイルに発生するジュール熱は入力電力の数%に相当する場合もある。この損失分は熱となるだけであるので、可能な限りジュール損を抑制することが走行燃費改善およびCO2削減に役立つ。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、昇圧コンバータに備えられたリアクトルで発生するジュール損を低減することを課題としている。 This invention is made | formed in view of the said problem, and makes it a subject to reduce the Joule loss which generate | occur | produces in the reactor with which the boost converter was equipped.
前記課題を解決するため、本発明は、バッテリーからの直流電力を昇圧コンバータで電圧上昇させた上でインバータにより交流に変換してモータに給電すると共に、液体水素を燃料として貯留する液体水素タンクを搭載する車両であって、
前記昇圧コンバータは磁気コアにコイルを外嵌配置したリアクトルを有し、前記リアクトルのコイルを断熱冷媒容器に収容していると共に、前記断熱冷媒容器には前記液体水素タンクからの液体水素を供給する冷媒供給管を接続していることを特徴とする水素燃料車を提供している。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a liquid hydrogen tank for storing direct supply of liquid hydrogen as a fuel while increasing the voltage of DC power from a battery with a boost converter, converting the DC power into an AC with an inverter and supplying power to the motor. A vehicle to be mounted,
The boost converter has a reactor in which a coil is externally disposed on a magnetic core, the coil of the reactor is accommodated in a heat insulating refrigerant container, and liquid hydrogen from the liquid hydrogen tank is supplied to the heat insulating refrigerant container. A hydrogen fuel vehicle characterized by connecting a refrigerant supply pipe is provided.
前記構成とすると、車載された極低温の液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータに備えられたリアクトルのコイルを冷却しているので、コイルの導電率が改善してジュール損を低減することができる。また、リアクトルコイルを冷却する冷媒には、燃料として既に車載されている液体水素を利用しているので、別途、冷媒を自動車に搭載する必要がなくなり、車両重量や車載スペースの増加を抑制することができる。 With the above configuration, since the cryogenic liquid hydrogen mounted on the vehicle is effectively used as a refrigerant and the reactor coil provided in the boost converter is cooled, the coil conductivity is improved and Joule loss is reduced. Can do. In addition, since liquid hydrogen already mounted on the vehicle is used as the coolant for cooling the reactor coil, there is no need to separately mount the coolant on the vehicle, thereby suppressing an increase in vehicle weight and in-vehicle space. Can do.
前記液体水素タンクからの水素により燃料電池で発電して駆動源とし、あるいは、該水素を水素エンジンで燃焼して駆動源としており、
前記断熱冷媒容器には冷媒排出管を接続しており、前記冷媒供給管から前記断熱冷媒容器に導入されて前記コイルとの熱交換により昇温気化した水素を前記冷媒排出管を介して前記燃料電池あるいは水素エンジンに供給していると好ましい。
The fuel cell generates power with hydrogen from the liquid hydrogen tank as a drive source, or the hydrogen is burned with a hydrogen engine as a drive source,
A refrigerant discharge pipe is connected to the heat insulating refrigerant container, and hydrogen introduced into the heat insulating refrigerant container from the refrigerant supply pipe and heated and evaporated by heat exchange with the coil is supplied to the fuel via the refrigerant discharge pipe. It is preferable to supply it to a battery or a hydrogen engine.
前記構成とすると、コイル冷却用に用いた冷媒としての水素を燃料用に再利用することができ、資源の有効活用が図られる。また、コイルとの熱交換により気化した水素を用いているので、燃料電池あるいは水素エンジンに供給する際の水素気化工程を省略することができる利点もある。 If it is set as the said structure, hydrogen as a refrigerant | coolant used for coil cooling can be reused for fuels, and effective utilization of resources is achieved. Further, since hydrogen vaporized by heat exchange with the coil is used, there is an advantage that the hydrogen vaporization step when supplying the fuel cell or the hydrogen engine can be omitted.
前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアを収容せずに前記コイルを収容していると好ましい。
前記構成とすると、磁気コアは液体水素により冷却されないので、磁気コアの過冷却による渦電流損の増大を防ぐことができる。
It is preferable that the heat insulation refrigerant container accommodates the coil without accommodating the magnetic core.
With this configuration, since the magnetic core is not cooled by liquid hydrogen, an increase in eddy current loss due to overcooling of the magnetic core can be prevented.
あるいは、前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアおよび前記コイルをまとめて収容しても好ましい。
前記構成とすると、断熱冷媒容器の構造を簡単なボックス状で形成することができ、生産性が向上する。この際、磁気コアを圧粉磁性体で形成すれば、個々の磁性粉末の間が絶縁されるため、磁気コアを冷却しても渦電流損失が低減されて良好な磁気特性を得ることができる。なお、圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成とする。
Alternatively, the heat insulating refrigerant container preferably accommodates the magnetic core and the coil together.
If it is the said structure, the structure of a heat insulation refrigerant | coolant container can be formed in a simple box shape, and productivity improves. At this time, if the magnetic core is formed of a powdered magnetic material, the individual magnetic powders are insulated from each other. Therefore, even if the magnetic core is cooled, eddy current loss is reduced and good magnetic properties can be obtained. . The dust magnetic body has a configuration in which magnetic powder is bonded with an insulating resin, or magnetic powder covered with a coating is bonded with an insulating resin.
前記リアクトルのコイルを超電導線材で形成していると好ましい。
即ち、コイルを超電導線材で形成すれば、所要の超電導性能を発揮させるための冷媒として前記液体水素が利用され、ジュール損はほとんど無視できるレベルに低減することができる。
The reactor coil is preferably formed of a superconducting wire.
That is, if the coil is formed of a superconducting wire, the liquid hydrogen is used as a refrigerant for exerting the required superconducting performance, and the Joule loss can be reduced to a level that can be almost ignored.
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、燃料として既に車載された極低温の液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータに備えられたリアクトルのコイルを冷却しているので、車両重量や車載スペースを増加することなくコイルの導電率を改善してジュール損を低減することが可能となる。 As is clear from the above description, according to the present invention, the cryogenic liquid hydrogen already mounted on the vehicle as the fuel is effectively used as the refrigerant, and the reactor coil provided in the boost converter is cooled. It is possible to improve the coil conductivity and reduce Joule loss without increasing the weight or on-vehicle space.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1乃至図5は第1実施形態を示す。
図1はハイブリッド自動車10(水素燃料車)を示し、極低温(約20ケルビン)まで冷却して液化した液体水素が液体水素タンク11に貯留されており、液体水素タンク11からの液体水素は気化装置12で気化されて燃料電池13に供給され、燃料電池13で発電された電力はバッテリー1に蓄電される。なお、燃料電池13は、公知の水素と酸素を反応させて発電するものである。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 show a first embodiment.
FIG. 1 shows a hybrid vehicle 10 (hydrogen fuel vehicle) in which liquid hydrogen cooled to a very low temperature (about 20 Kelvin) is stored in a
バッテリー1からの直流電力は昇圧コンバータ14で200V程度から500V程度まで電圧上昇された後にインバータ2により三相交流に変換され、該交流をモータ3に給電することで車輪24の回転駆動力を得ている。
一方、ガソリンを燃料としたエンジン4からの回転動力は動力分配機5により車輪24側に伝達することで車輪24の駆動力を得ている。また、エンジン4からの回転動力は動力分配機5で発電機6にも伝達し、該発電機6で生成された電力はインバータ2に戻されている。
The DC power from the battery 1 is increased in voltage from about 200 V to about 500 V by the
On the other hand, the rotational power from the engine 4 using gasoline as fuel is transmitted to the
昇圧コンバータ14は、図2に示すように、リアクトル15、コンデンサ16、20、IGBT17、ダイオード18、抵抗19により構成されている。
リアクトル15は、図3乃至図5に示すように、一対の銅線からなる巻線29a、29bを対向配置して直列接続したコイル29が断熱冷媒容器23に収容され、一対の断面コ字状の磁気コア27、28を断熱冷媒容器23の外部でコイル29の中空部に貫通させている。詳しくは、断熱冷媒容器23は、図3および図5に示すように、ボックス状の外壁部23aと、隣接する一対の貫通孔25、26を形成する一対の内周壁部23b、23cとを備え、外壁部23aと一対の内周壁部23b、23cとの間で液体水素Hおよびコイル29を収容する空間が形成されている。外壁部23aおよび内周壁部23b、23cは、二重壁の間に真空層を形成した真空断熱構造を採用している。断熱冷媒容器23は、ステンレスやFRP等で形成されているが、コイル29に生じるリップル電流(直流電流に付加される高調波脈動電流)による渦電流の発生を回避するためには、FRP等の非導電性材料を用いることが好ましい。
As shown in FIG. 2,
As shown in FIGS. 3 to 5, the
図5に示すように、断熱冷媒容器23内にはコイル29が収容され、一方の巻線29aが一方の内周壁部23bに巻き付けられ、他方の巻線29bが他方の内周壁部23cに巻き付けられている。なお、コイル29には図示しない電力入出力線が接続されている。この電力入出力線は超電導線材を用いた電流リードを採用することで熱伝導率を低減し、断熱冷媒容器23内への外部からの熱侵入を防止していると好適である。
一対の断面コ字状の磁気コア27、28は鉄等の磁性材料からなり、互いの先端部27a、27b、28a、28b同士がギャップGをあけて対向するように断熱冷媒容器23の貫通孔25、26に先端部27a、27b、28a、28bを挿入している。このようにすることで、コイル29の巻線29a、29bの各中空部に磁気コア27、28が配置されると共に、コイル29のみが液体水素Hで冷却され磁気コア27、28は冷却されない構成を実現している。
As shown in FIG. 5, a
The pair of U-shaped
断熱冷媒容器23には液体水素タンク11からの冷媒供給管21が接続されていると共に、燃料電池13へ導出する冷媒排出管22が接続されている。即ち、液体水素タンク11からの液体水素Hが断熱冷媒容器23内を循環し、コイル29を冷却することで昇温気化した水素は冷媒排出管22より燃料電池13へと導かれる。
A
以上の構成とすると、燃料電池13への燃料として既に車載された液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータ14に内蔵されたリアクトル15のコイル29を冷却しているので、車両重量や車載スペースを増加することなくコイル29の導電率を改善してジュール損を低減することが可能となる。即ち、図6は銅線の温度と抵抗率との関係を示すグラフであるが、20ケルビンまで冷却した場合は、抵抗率は1桁下がる(導電率は1桁上がる)ため、結果としてコイル29で発生する銅損は1桁低減させることができる。
また、コイル29を冷却した後の気化水素を燃料用に再利用することができ、資源の有効活用が図られると共に、燃料電池13に供給する際の水素気化工程を省略することも可能となる。さらに、磁気コア27、28は液体水素Hにより冷却されない構成としているので、磁気コア27、28の過冷却による渦電流損の増大も防止される。
With the above configuration, liquid hydrogen already mounted on the vehicle as fuel to the
In addition, the hydrogen vapor after cooling the
図7は第2実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、液体水素タンク11に貯留された液体水素を水素エンジン30への燃料として搭載している点である。
即ち、液体水素タンク11からの液体水素は気化装置12で気化された上で水素エンジン30に供給されている。また、液体水素タンク11からの液体水素は冷媒供給管21を介して昇圧コンバータ14内のリアクトル15に冷媒として供給されている。リアクトル15でコイル29を冷却することにより昇温気化した水素は冷媒排出管22を介して水素エンジン30に供給している。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
FIG. 7 shows a second embodiment.
The difference from the first embodiment is that liquid hydrogen stored in the
That is, liquid hydrogen from the
図8は第3実施形態を示す。
第1実施形態との相違点は、リアクトルの磁気コア27、28およびコイル29をまとめて断熱冷媒容器31で囲繞している点である。
FIG. 8 shows a third embodiment.
The difference from the first embodiment is that the
本実施形態のリアクトルは、ギャップGを設けた状態で対向配置された磁気コア27、28に一対の巻線29a、29bからなるコイル29を直接巻き付けている。この磁気コア27、28およびコイル29をボックス状の断熱冷媒容器31に収容している。断熱冷媒容器31の壁面は二重壁の間に真空層を形成した真空断熱構造としている。また、断熱冷媒容器31の材料は、ステンレスやFRP等が挙げられるが、コイル29に生じるリップル電流による渦電流の発生を回避するためには、FRP等の非導電性材料を用いるよい。
磁気コア27、28は、磁性粉末(鉄粉等)を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜(燐酸化合物被膜等)で覆った磁性粉末(鉄粉等)を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。
In the reactor according to the present embodiment, a
The
以上の構成とすると、断熱冷媒容器31の構造を簡単なボックス状で形成できるため生産性が良好となる。また、磁気コア27、28を圧粉磁性体で形成しているので、個々の磁性粉末の間が絶縁され、磁気コア27、28を冷却しても渦電流損失が低減されて良好な磁気特性を得ることができる。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
If it is set as the above structure, since the structure of the heat insulation refrigerant |
また、前述の第1〜第3実施形態はリアクトルのコイル29を銅線等からなる常電導線材としているが、各実施形態においてビスマス系あるいはイットリウム系等の超電導線材でコイル29を形成しても好適である。
コイル29を超電導線材で形成すれば、所要の超電導性能を発揮させるための冷媒として液体水素Hが利用され、ジュール損はほとんど無視できるレベルに低減することが可能となる。また、液体水素温度(約20ケルビン)であれば、例えば銅(常温)と比較してビスマス系超電導線材は100倍以上の電流密度を確保することができるため、コイルを大幅に小型化することも可能となる。
In the first to third embodiments described above, the
If the
1 バッテリー
2 インバータ
3 モータ
4 エンジン
5 動力分配機
6 発電機
10 ハイブリッド自動車(水素燃料車)
11 液体水素タンク
12 気化装置
13 燃料電池
14 昇圧コンバータ
15 リアクトル
21 冷媒供給管
22 冷媒排出管
23、31 断熱冷媒容器
25、26 貫通孔
27、28 磁気コア
29 コイル
30 水素エンジン
H 水素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記昇圧コンバータは磁気コアにコイルを外嵌配置したリアクトルを有し、前記リアクトルのコイルを断熱冷媒容器に収容していると共に、前記断熱冷媒容器には前記液体水素タンクからの液体水素を供給する冷媒供給管を接続していることを特徴とする水素燃料車。 It is a vehicle equipped with a liquid hydrogen tank for storing liquid hydrogen as fuel, while DC power from the battery is increased in voltage by a boost converter, converted to alternating current by an inverter and supplied to the motor,
The boost converter has a reactor in which a coil is externally disposed on a magnetic core, the coil of the reactor is accommodated in a heat insulating refrigerant container, and liquid hydrogen from the liquid hydrogen tank is supplied to the heat insulating refrigerant container. A hydrogen fuel vehicle characterized by connecting a refrigerant supply pipe.
前記断熱冷媒容器には冷媒排出管を接続しており、前記冷媒供給管から前記断熱冷媒容器に導入されて前記コイルとの熱交換により昇温気化した水素を前記冷媒排出管を介して前記燃料電池あるいは水素エンジンに供給している請求項1に記載の水素燃料車。 The fuel cell generates power with hydrogen from the liquid hydrogen tank as a drive source, or the hydrogen is burned with a hydrogen engine as a drive source,
A refrigerant discharge pipe is connected to the heat insulating refrigerant container, and hydrogen introduced into the heat insulating refrigerant container from the refrigerant supply pipe and heated and evaporated by heat exchange with the coil is supplied to the fuel via the refrigerant discharge pipe. The hydrogen fuel vehicle according to claim 1, wherein the hydrogen fuel vehicle is supplied to a battery or a hydrogen engine.
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