JP2009225568A - 燃料電池車両システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用モータの電源として機能するバッテリを商用電源で安全に充電可能な燃料電池車両システムを、提供する。
【解決手段】車両用モータ１６の電源として機能するバッテリ１３を備えた燃料電池車両システム１に、商用電源を接続することにより、バッテリ１３を充電できるようにするための、商用電源の接続部分（商用電源用ターミナル２０）が、システム内の高電圧がかかる部分に直接接続されていない構成（商用電源用ターミナル２０、絶縁トランス２１及び充電用インバータ２２）を付加しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用モータの電源として機能するバッテリを備えた燃料電池車両システムに、関する。

燃料電池自動車に用いられている、燃料電池を備えたシステム（以下、燃料電池車両システムと表記する）の中には、車両用モータの電源として機能するバッテリを備えたもの（例えば、特許文献１参照。）が存在しているが、そのような既存の燃料電池車両システムは、いずれも、商用電源を使用してバッテリの充電を行う場合、充電装置を必要とするものとなっている。

なお、電気自動車のバッテリを商用電源で充電するための技術としては、バッテリと直結されているＰＷＭインバータの二次側にトランスを設けておき、当該トランスとＰＷＭインバータとを利用してバッテリを充電すること（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。また、商用電源と接続して使用する，バッテリを充電するための充電器を電気自動車に搭載しておくこと（例えば、特許文献３参照。）や、電気自動車の電気系にダイオードアームや交流リアクトルを追加しておき、バッテリの充電時に、当該電気系に外部電源（商用電源と繋いだトランス）を接続すること（例えば、特許文献４参照。）も提案されている。

特許３９００８１３号公報 特許３３２７６３１号公報 特開平１０−１７８７０１号公報 特開平８−８８９０８号公報

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、車両用モータの電源として機能するバッテリを、充電装置を使用することなく、商用電源で安全に充電できる燃料電池車両システムを、提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の燃料電池車両システムは、燃料電池と、車両用モータと、前記車両用モータを駆動するためのインバータと、その一次側が前記燃料電池と接続され，その二次側が前記インバータと接続された，前記燃料電池の出力電圧を昇圧することが可能な燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記インバータへの電圧の供給源として機能するバッテリと、前記バッテリの充電を行う場合に商用電源と接続される商用電源用ターミナルと、前記商用電源用ターミナルからの電圧を昇圧するための絶縁トランスと、前記絶縁トランスの出力電圧を直流電圧に変換して前記バッテリに供給する充電用インバータとを備える。

すなわち、本発明の第１の態様の燃料電池車両システムは、商用電源用ターミナルに商用電源を接続すれば、絶縁トランス及び充電用インバータによって、商用電源からの電圧が昇圧及び直流化されてバッテリが充電される構成を有している。そして、この燃料電池車両システムの商用電源用ターミナルは、絶縁トランスを介して，システム内の高電圧がかかる部分（燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータの二次側，インバータの一次側）に接続されたものとなっている。従って、本発明の第１の態様の燃料電池車両システムは、車両用
モータの電源として機能するバッテリを、充電装置を使用することなく、商用電源で安全に充電できるシステムであることになる。

また、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムは、燃料電池と、バッテリと、車両用モータと、前記車両用モータを駆動するためのインバータと、その一次側が前記燃料電池と接続され，その二次側が前記インバータと接続された，前記燃料電池の出力電圧を昇圧することが可能な燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータと、その一次側が前記バッテリと接続され，その二次側が前記インバータと接続されたバッテリ用ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記バッテリの充電を行う場合に商用電源と接続される商用電源用ターミナルと、前記商用電源用ターミナルからの電圧を昇圧するための絶縁トランスと、前記絶縁トランスの出力電圧を直流電圧に変換して前記燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側に供給する充電用インバータとを備える。

すなわち、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムは、商用電源用ターミナルに商用電源を接続すれば、バッテリを充電できる構成を有している。また、この燃料電池車両システムの商用電源用ターミナルも、絶縁トランスを介して，システム内の高電圧がかかる部分（燃料電池と燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータの間）に接続されたものとなっている。従って、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムも、車両用モータの電源として機能するバッテリを、充電装置を使用することなく、商用電源で安全に充電できるシステムであることになる。

また、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムは、絶縁トランスによって昇圧された商用電源電圧が、充電用インバータによって直流化された後、さらに、燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧されて、バッテリが充電されるシステムとなっている。換言すれば、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムは、燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータによる昇圧比分、絶縁トランスの昇圧比を下げられるシステムとなっている。そして、昇圧比が比較的に小さな絶縁トランスは、昇圧比がより大きな昇圧可能な絶縁トランスよりも安価なものである。従って、本発明の第２の態様の燃料電池車両システムは、安価に実現（製造）可能なシステムであることにもなる。

なお、本発明の第２の燃料電池車両システムのバッテリ用ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧コンバータ，昇降圧コンバータのいずれであっても良い。ただし、バッテリ用ＤＣ−ＤＣコンバータを、昇降圧コンバータとしておけば、バッテリ用ＤＣ−ＤＣコンバータも商用電源からの電圧の昇圧に利用できるので、より安価な（より昇圧比の小さな）絶縁トランスを使用できることになる。

本発明によれば、バッテリを商用電源で安全に充電可能な燃料電池車両システムを、実現することが出来る。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両システム１の構成を示す。

図から明らかなように、燃料電池車両システム１は、自動車（いわゆる燃料電池自動車）に搭載されるシステムである。また、燃料電池車両システム１は、燃料電池１１，ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ１３，バッテリ昇降圧コンバータ１４，インバータ１５，車両用モータ（図では、“モータ”）１６，ＥＣＵ１７，商用電源用ターミナル２０，絶
縁トランス２１，充電用インバータ（図では、ＩＮＶ）２２を備えたシステムとなっている。

この燃料電池車両システム１が備える車両用モータ１６は、図示せぬ車輪を回転させるための三相交流モータである。インバータ１５は、直流電力を，車両用モータ１６を駆動するための交流電力に変換する回路である。

燃料電池１１（以下、ＦＣ１１とも表記する）は、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う電池である。このＦＣ１１には、図示せぬ水素タンク及びエアーコンプレッサが接続されている。

ＦＣ１１とインバータ１５との間に設けられているＦＣ昇圧コンバータ１２は、ＦＣ１１の出力電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。このＦＣ昇圧コンバータ１２は、スイッチング素子，コイル，ダイオード等からなる通常構成の昇圧コンバータ（昇圧チョッパ回路）となっている。

バッテリ１３は、ＦＣ１１からインバータ１５へ所望の電力が供給できない場合に、不足分の電力の供給源として機能する蓄電池である。

バッテリ１３とインバータ１５との間に設けられているバッテリ昇降圧コンバータ１４は、バッテリ１３の出力電圧を昇降圧することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータである。このバッテリ昇降圧コンバータ１４は、スイッチング素子，コイル，ダイオード等からなる通常構成の昇降圧コンバータ（昇降圧チョッパ回路）となっている。以下、一般的な表記法に従い、バッテリ昇降圧コンバータ１４のバッテリ１３と接続されている側，他方の側のことを，それぞれ，一次側，二次側と表記し、ＦＣ昇圧コンバータ１２のＦＣ１１と接続されている側，他方の側のことを，それぞれ，一次側，二次側と表記することにする。

商用電源用ターミナル２０は、バッテリ１３の充電を行う際に、商用電源と接続されるターミナル（コネクタ）である。

絶縁トランス２１は、その一次側が，商用電源用ターミナル２０と接続されているトランスである。充電用インバータ２２は、絶縁トランス２１の出力電圧（交流電圧）を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣインバータ（本実施形態では、ＡＣ−ＤＣ変換に外部装置による制御が必要なもの）である。この充電用インバータ２２の二次側（出力側）は、バッテリ昇降圧コンバータ１４の二次側（非充電時における出力側）と接続されている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）１７は、アクセル開度（アクセルペダルセンサ１８からの信号），車両用モータ１６の回転数，図示していない各種センサによって検出される各所の電圧値や電流値に基づき、燃料電池車両システム１内の各部（ＦＣ昇圧コンバータ１２，バッテリ昇降圧コンバータ１４，インバータ１５等）を統合的に制御するユニットである。

このＥＣＵ１７は、既存のＥＣＵと同じハードウェア構成を有するユニットである。また、ＥＣＵ１７は、基本的には、当該ＥＣＵと同内容の制御を各部に対して行うものとなっている。

ただし、ＥＣＵ１７は、商用電源用ターミナル２０に商用電源が接続されている状態で、ダッシュボードに設けられている所定のスイッチが押下されると、ＡＣ−ＤＣ変換を行うように充電用インバータ２２を制御すると共に、バッテリ昇降圧コンバータ１４の一次側（バッテリ１３側）の電圧がバッテリ１３の充電に必要な電圧となるようにバッテリ昇
降圧コンバータ１４を制御する処理を開始するユニットとなっている。なお、この処理をＥＣＵ１７が行うのは、燃料電池１１の動作が停止しているときに限られている。また、このＥＣＵ１７の制御内容から明らかなように、上記した絶縁トランス２１は、商用電源電圧を、バッテリ昇降圧コンバータ１４の昇圧結果がバッテリ１３の充電に必要な電圧となる電圧までしか昇圧しないものとなっている。すなわち、本燃料電池車両システム１の絶縁トランス２１は、バッテリ昇降圧コンバータ１４の，二次側からの入力電圧に対する昇圧性能（昇圧可能範囲）から、その仕様を決定したものとなっている。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池車両システム１は、絶縁トランス２１及び充電用インバータ２２により、商用電源からの電圧を昇圧，直流化した後、さらに、バッテリ昇降圧コンバータ１４で昇圧することにより、バッテリ１３の充電を行うシステムとなっている。そして、バッテリ１３の充電が可能な電圧まで昇圧しない絶縁トランス２１は、バッテリ１３の充電が可能な電圧まで昇圧するトランスや、バッテリ１３を充電するための充電器よりも、安価なものである。しかも、この燃料電池車両システム１の商用電源用ターミナル２０は、絶縁トランス２１を介して，システム内の高電圧がかかる部分に接続されたものとなっている。従って、この燃料電池車両システム１は、バッテリ１３を商用電源で安全に充電することが可能なシステムであると共に、安価に実現（製造）できるシステムであることになる。

《第２実施形態》
図２に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池車両システム２の構成を示す。

この図２と図１とを比較すれば明らかなように、燃料電池車両システム２は、燃料電池車両システム１におけるバッテリ昇降圧コンバータ１４，ＥＣＵ１７を，それぞれ，バッテリ昇圧コンバータ２５，ＥＣＵ２６に置換したシステムとなっている。また、燃料電池車両システム２は、商用電源用ターミナル２０，絶縁トランス２１，充電用インバータ２２にそれぞれ相当する商用電源用ターミナル２０ｂ，絶縁トランス２１ｂ，充電用インバータ（図では、ＩＮＶ）２２ｂが、ＦＣ昇圧コンバータ１２の二次側（バッテリ昇圧コンバータ２５の二次側，インバータ１５の一次側）ではなくＦＣ昇圧コンバータ１２の一次側に設けられたシステムとなっている。

この燃料電池車両システム２に用いられているバッテリ昇圧コンバータ２５は、ＦＣ昇圧コンバータ１２と同様に、一次側からの入力電圧に対する昇圧機能、及び、二次側からの入力電圧に対する降圧機能だけを有するＤＣ−ＤＣコンバータである。

商用電源用ターミナル２０ｂは、商用電源用ターミナル２０ｂと同目的のターミナルである。すなわち、商用電源用ターミナル２０ｂは、バッテリ１３の充電を行う際に、商用電源と接続されるターミナルとなっている。

絶縁トランス２１ｂも、絶縁トランス２１と同様に、その一次側に入力された電圧（商用電源用ターミナル２０ｂに入力された商用電源電圧）を、バッテリ１３の充電に必要な電圧よりも低い電圧まで昇圧して二次側に出力するトランスである。ただし、絶縁トランス２１ｂは、バッテリ昇圧コンバータ２５（バッテリ昇降圧コンバータ１４）の昇圧性能からではなく、ＦＣ昇圧コンバータ１２の，一次側からの入力電圧に対する昇圧性能から、その仕様（昇圧比）が定められたものとなっている。

充電用インバータ２２ｂは、絶縁トランス２１ｂの出力電圧（交流電圧）を直流電圧に変換するための、充電用インバータ２２と同じ回路である。

ＥＣＵ２６は、商用電源によるバッテリ１３の充電時に，異なる処理を行うように，Ｅ
ＣＵ１７をソフトウェア的に改造したユニットである。

具体的には、ＥＣＵ２６は、商用電源用ターミナル２０ｂに商用電源が接続されている状態で、所定の指示が入力されると、ＡＣ−ＤＣ変換を行うように充電用インバータ２２ｂを制御すると共に、バッテリ昇圧コンバータ２５の一次側（バッテリ１３側）の電圧がバッテリ１３の充電に必要な電圧となるようにＦＣ昇圧コンバータ１２及びバッテリ昇圧コンバータ２５を制御する処理を開始するユニットとなっている。なお、この処理時に、ＥＣＵ２６がバッテリ昇圧コンバータ２５に対して行う制御は、バッテリ昇圧コンバータ２５をスルー状態に維持するための制御である。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池車両システム２は、絶縁トランス２１ｂ及び充電用インバータ２２ｂにより、商用電源からの電圧を、昇圧、直流化した後、さらに、ＦＣ昇圧コンバータ１２で昇圧することにより、バッテリ１３の充電を行う構成を有している。そして、バッテリ１３の充電が可能な電圧まで昇圧しない絶縁トランス２１ｂは、バッテリ１３の充電が可能な電圧まで昇圧するトランスや、バッテリ１３を充電できる充電器よりも、安価なものである。また、この燃料電池車両システム２の商用電源用ターミナル２０ｂは、絶縁トランス２１ｂを介して高電圧がかかる部分に接続されたものとなっている。従って、本実施形態に係る燃料電池車両システム２も、バッテリ１３を商用電源で安全に充電可能なシステムであると共に、安価に実現（製造）できるシステムであることになる。

《変形形態》
上記した各実施形態に係る燃料電池車両システム１，２は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、燃料電池車両システム１，２を、バッテリ１３がＦＣ昇圧コンバータ１２の二次側に直結されているシステム（バッテリ昇降圧コンバータ１４，バッテリ昇圧コンバータ２５を備えないシステム）に変形することが出来る。また、燃料電池車両システム２を、バッテリ昇圧コンバータ２５の代わりに昇降圧コンバータを備え，当該昇降圧コンバータも商用電源からの電圧の昇圧に利用するシステムに変形することも出来る。

さらに、絶縁トランス２１及び充電用インバータ２２、或いは、絶縁トランス２１ｂ及び充電用インバータ２２ｂの代わりに、絶縁トランスが用いられていない同機能の回路（交流電圧に基づき、比較的に高電圧の直流電圧を生成する回路；例えば、整流器＋ＤＣ−ＤＣコンバータ）を設けておくことも出来る。

燃料電池車両システム１，２を、バッテリ１３の充電時に，２００Ｖの商用電源に接続することが必要なシステムや、バッテリ１３の充電時に，１００Ｖの商用電源，２００Ｖの商用電源のいずれにも接続可能なシステムに変形することも出来る。また、燃料電池車両システム１，２を、バッテリ１３の代わりに、他の充電可能な補助電源（キャパシタ等）が用いられたシステムに変形しても良いことなどは、当然のことである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両システムの構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池車両システムの構成図である。

符号の説明

１，２・・・燃料電池車両システム
１１・・・燃料電池（ＦＣ）
１２・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１３・・・バッテリ
１４・・・バッテリ昇降圧コンバータ
１５・・・インバータ
１６・・・車両用モータ
１７，２６・・・ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１８・・・アクセルペダルセンサ
２０，２０ｂ・・・商用電源用ターミナル
２１，２１ｂ・・・絶縁トランス
２２，２２ｂ・・・充電用インバータ
２５・・・バッテリ昇圧コンバータ

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   車両用モータと、
   前記車両用モータを駆動するためのインバータと、
   その一次側が前記燃料電池と接続され，その二次側が前記インバータと接続された，前記燃料電池の出力電圧を昇圧することが可能な燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記インバータへの電圧の供給源として機能するバッテリと、
   前記バッテリの充電を行う場合に商用電源と接続される商用電源用ターミナルと、
   前記商用電源用ターミナルからの電圧を昇圧するための絶縁トランスと、
   前記絶縁トランスの出力電圧を直流電圧に変換して前記バッテリに供給する充電用インバータと
   を備えることを特徴とする燃料電池車両システム。
2. 燃料電池と、
   バッテリと、
   車両用モータと、
   前記車両用モータを駆動するためのインバータと、
   その一次側が前記燃料電池と接続され，その二次側が前記インバータと接続された，前記燃料電池の出力電圧を昇圧することが可能な燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   その一次側が前記バッテリと接続され，その二次側が前記インバータと接続されたバッテリ用ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記バッテリの充電を行う場合に商用電源と接続される商用電源用ターミナルと
   前記商用電源用ターミナルからの電圧を昇圧するための絶縁トランスと、
   前記絶縁トランスの出力電圧を直流電圧に変換して前記燃料電池用ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側に供給する充電用インバータと
   を備えることを特徴とする燃料電池車両システム。

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