JP2017216092A - 燃料電池システムに用いられるバスバー - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムに用いられるバスバーのサイズが大きくなってしまうことうを抑制する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池から出力される電圧を昇圧するDC−DCコンバータであるFC昇圧コンバータと、FC昇圧コンバータに接続されるインバータと、を備える燃料電池システムに用いられるバスバーは、燃料電池の負極端子に接続される第1のバスバーと、FC昇圧コンバータの負極端子に接続される第2のバスバーと、インバータの負極端子に接続される第3のバスバーと、を備える。第2のバスバーは第1のバスバーと直接連結されており、第3のバスバーは第1のバスバーと直接連結されている。第2のバスバーの断面積は第1のバスバーの断面積に比べて小さい。
【選択図】図1

Description

この発明は、燃料電池システムに用いられるバスバーに関する。
特許文献1には、車両に搭載される燃料電池システムとして、燃料電池と、燃料電池から出力される電圧を昇圧するFC昇圧コンバータ(以下、単に「昇圧コンバータ」とも呼ぶ)と、昇圧コンバータから出力される昇圧電圧が供給されるインバータと、を備える燃料電池システムが開示されている。
特開2015−220961号公報
上記燃料電池システムにおいて、燃料電池の負極端子と昇圧コンバータの負極端子との間の電気的な接続はバスバーを用いて行われる。また、昇圧コンバータの負極端子とインバータの負極端子との間の電気的な接続も、バスバーを用いて行われる。バスバーの許容電流はその断面積に比例する。例えば、バスバーの厚さが一定の場合、バスバーの許容電流が大きいほどバスバーの幅が大きくなる。従来、燃料電池の負極端子と昇圧コンバータの負極端子との間を接続するバスバーとしては、通常、昇圧コンバータの負極端子を流れる電流と、インバータの負極端子を流れる電流とを合計した電流を許容する電流容量のバスバーを利用する。このため、燃料電池の負極端子と昇圧コンバータの負極端子との間のバスバーは、断面積が大きくなってサイズが大きくなってしまう、という問題がある。また、バスバーのサイズが大きくなった場合、燃料電池や昇圧コンバータに含まれる各種の部品や部材とバスバーとが干渉する可能性が大きくなるため、これを防止するために、部品や部材の配置間隔を大きくしなければならなくなり、燃料電池システムの配置に要するスペースが大きくなってしまう、という問題がある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムに用いられるバスバーが提供される。前記燃料電池システムは、燃料電池と;前記燃料電池から出力される電圧を昇圧するDC−DCコンバータであるFC昇圧コンバータと;前記FC昇圧コンバータに接続されるインバータと;を備える。バスバーは、前記燃料電池の負極端子に接続される第1のバスバーと;前記FC昇圧コンバータの負極端子に接続される第2のバスバーと;前記インバータの負極端子に接続される第3のバスバーと、を備える。前記第2のバスバーは前記第1のバスバーと直接連結されており、前記第3のバスバーは前記第1のバスバーと直接連結されており、前記第2のバスバーの断面積は前記第1のバスバーの断面積に比べて小さい。
第2のバスバーを流れる電流は、燃料電池からFC昇圧コンバータへ供給され、FC昇圧コンバータの負極端子から第2のバスバー及び第1のバスバーを流れて燃料電池の負極端子に戻る電流と、FC昇圧コンバータからインバータへ供給され、インバータの負極端子から第3のバスバー及び第2のバスバーを流れてFC昇圧コンバータの負極端子に戻る電流との差分、すなわち、第1のバスバーを流れる電流と第3のバスバーを流れる電流の差分となる。このため、FC昇圧コンバータに接続される第2のバスバーの断面積を、燃料電池に接続される第1のバスバーの断面積に比べて小さくできるので、バスバーのサイズを小さくすることができる。これにより、燃料電池やFC昇圧コンバータに含まれる各種部品や部材とバスバーとが干渉して、部品や部材の配置間隔が大きくなって、燃料電池システムの配置に要するスペースが大きくなってしまうことを抑制することが可能である。
(2)上記形態のバスバーにおいて、前記第3のバスバーの断面積は前記第1のバスバーの前記断面積に比べて小さい、としてもよい。
この形態によれば、バスバーのサイズをさらに小さくすることができる。
(3)上記形態のバスバーにおいて、前記第1のバスバーと前記第2のバスバーは一体に成形されている、としてもよい。
この形態によれば、第1のバスバーと第2のバスバーが一体に成形されているので、別々の第1のバスバーと第2のバスバーとがボルト等の締結手段を介して連結される場合に比べて、第1のバスバーと第2のバスバーとの間の接続インピーダンスを小さくすることができる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、燃料電池システムに用いられるバスバー、燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。
一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 比較例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 比較例の燃料電池システムにおいて第1〜第3のバスバーを流れる電流について示す説明図である。 実施形態の燃料電池システムにおいて第1〜第3のバスバーを流れる電流について示す説明図である。 第1〜第3のバスバーの実装配置の一例を示す説明図である。
A.実施形態:
図1は、一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された燃料電池システムを例に示している。但し、これに限定されるものではなく定置型の燃料電池システムであってもよい。
燃料電池システムは、燃料電池(図には「FC」と記載)10と、FC昇圧コンバータ(図には「FCDC」と記載)20と、インバータ(図には「INV」と記載)30と、駆動モータ40と、を備えている。
燃料電池10は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって電力を発生する発電体としての膜電極接合体(不図示)を備えた単セルを複数個直列に積層したスタック構造を有する発電装置である。なお、燃料電池システムとしては、燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置、冷却装置等の燃料電池10を発電装置として機能させるための各種装置を備えるが、本発明とは特に関係がないので、図示及び説明を省略する。
FC昇圧コンバータ20は、例えば、複数の駆動相(例えば4相)と平滑コンデンサCsとを有する多相昇圧DC−DCコンバータであり、燃料電池10から出力される電圧を昇圧する回路である。但し、1つの駆動相の単相昇圧DC−DCコンバータであっても良い。1つの駆動相はリアクトルLrとスイッチングデバイスSDとを有する昇圧チョッパ回路で構成される。各駆動相のリアクトルLrとしては、1つのリアクトルユニット(図には「LU」と記載)22に含まれる複数のリアクトルが用いられる。各駆動相のスイッチングデバイスSD及び平滑コンデンサCsとしては、はIPM(Intelligent Power Module)と呼ばれる電力用半導体素子モジュール24に含まれる複数のスイッチングデバイス及び平滑コンデンサが用いられる。以下では、電力用半導体素子モジュール24を「IPM24」と呼ぶ。
インバータ(図には「INV]と記載)30は、FC昇圧コンバータ20から供給される直流電力を交流電力へ変換し、駆動モータ40へ供給する駆動回路である。駆動モータ40は、インバータ30からの交流電力を受けて不図示の車輪を駆動する。なお、インバータ30は、駆動モータ40に用いられるモータの種類に応じた相数の交流電力を駆動モータ40に供給する。例えば、駆動モータ40が三相コイルを備える同期モータの場合、インバータ30は三相の交流電力を駆動モータ40に供給する。
燃料電池10の正極端子P1は、FC昇圧コンバータ20の入力側の正極端子P2iに電気的に接続される。正極端子P2iには、リアクトルユニット22の各リアクトルLrが電気的に並列に接続される。FC昇圧コンバータ20の出力側の正極端子P2oは、第1のコネクタK1の正極端子KP1、ケーブルLC、及び、第2のコネクタK2の正極端子KP2を介して、インバータ30の正極端子P3に電気的に接続される。
燃料電池10の負極端子N1とFC昇圧コンバータ20の負極端子N2とインバータ30の負極端子N3とは、以下で説明するように電気的に接続されている。すなわち、燃料電池10の負極端子N1は、第1のバスバーB1の一方の端部の接続点TB1で第1のバスバーB1に電気的に接続されている。FC昇圧コンバータ20の負極端子N2は、第2のバスバーB2の一方の端部の接続点TB2で第2のバスバーB2に電気的に接続されている。インバータ30の負極端子N3は、第2のコネクタK2の負極端子KN2、ケーブルLC、及び、第1のコネクタK1の負極端子KN1を介して、第3のバスバーB3の一方の端部に電気的に接続されている。
第1のバスバーB1と第2のバスバーB2とは、第2のバスバーB2の接続点TB2を有する端部とは反対側の端部と、第1のバスバーB1の接続点TB1を有する端部とは反対側の端部とが、連結部分C12で直接連結されることにより、電気的に接続されている。第3のバスバーB3は、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2の連結部分C12の第1のバスバーB1側の近傍の接続点TB3で第1のバスバーB1と直接連結されて電気的に接続されている。これにより、燃料電池10の負極端子N1とFC昇圧コンバータ20の負極端子N2とインバータ30の負極端子N3とは電気的に接続されている。第1のバスバーB1と第2のバスバーB2の連結は、第1のバスバーB1及び第2のバスバーB2を一体に成形することによって実行されている。第1のバスバーB1と第3のバスバーB3の連結は、接続点TB3でボルト等の締結部材(不図示)を介して実行されている。
3つのバスバーB1,B2,B3の断面は、それぞれ矩形形状である。以下では、各バスバーB1,B2,B3の断面の辺の長さの寸法のうち、より小さな寸法を「厚さ」と呼び、より大きな寸法を「幅」と呼ぶ。図1では、図の紙面に垂直な方向の大きさが「厚さ」に相当し、図の紙面に平行な方向の大きさが「幅」に相当する。
本実施形態では、第1のバスバーB1の厚さHB1と第2のバスバーB2の厚さHB2と第3のバスバーB3の厚さHB3を同じとして、第2のバスバーB2の幅WB2及び第3のバスバーB3の幅WB3は、それぞれ、第1のバスバーB1の幅WB1よりも小さくなっている。すなわち、第2のバスバーB2は、第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さい断面積(WB2・HB2)の形状となっている。また、第3のバスバーB3も、第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さい断面積(WB3・HB3)の形状となっている。
図2は、比較例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。比較例の燃料電池システムは、燃料電池10の負極端子N1とFC昇圧コンバータ20の負極端子N2とインバータ30の負極端子N3の間の電気的な接続が、以下で説明するように、実施形態とは異なっている。実施形態では、図1に示すように、第3のバスバーB3は、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2の連結部分C12の近傍の第1のバスバーB1との接続点TB3で、第1のバスバーB1に直列連結されて電気的に接続されている。これに対して、比較例では、図2に示すように、第3のバスバーB3は、FC昇圧コンバータ20の負極端子N2との接続点TB2に対して、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2の連結部分C12とは反対側の第2のバスバーB2の端部B2eとの接続点TB3で、第2のバスバーB2に直接連結されて電気的に接続されている。そして、FC昇圧コンバータ20の負極端子N2に接続される第2のバスバーB2の幅WB2及び厚さHB2が、燃料電池10の負極端子N1に接続される第1のバスバーB1の幅WB1及び厚さHB1に等しく、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2とが一体に形成されている。すなわち、比較例の第2のバスバーB2の幅WB2が第1のバスバーB1の幅WB1と同じであるのに対して、実施形態の第2のバスバーB2の幅WB2は第1のバスバーB1の幅WB1よりも小さくなっている点が異なっている。
図3は、比較例の燃料電池システムにおいてバスバーを流れる電流について示す説明図である。図4は、実施形態の燃料電池システムにおいてバスバーを流れる電流について示す説明図である。なお、図3,図4において、説明の便宜上、第3のバスバーB3とインバータ30との間のコネクタK1,K2及びケーブルLCを省略し、各バスバーを実線で示している。また、各回路内での損失は無いものとして説明する。
図3に示すように、比較例の場合、燃料電池10の正極端子P1からFC昇圧コンバータ20へ供給される電池出力電流Ifcは、FC昇圧コンバータ20の入力側の正極端子P2i及び負極端子N2を介して、接続点TB2から第2のバスバーB2及び第1のバスバーB1へ流れ、接続点TB1から燃料電池10の負極端子N1へ戻る。FC昇圧コンバータ20の出力側の正極端子P2oからインバータ30へ供給されるコンバータ出力電流Ihは、インバータ30の正極端子P3及び負極端子N3を介して第3のバスバーB3へ流れ、第2のバスバーB2との接続点TB3から第2のバスバーB2の端部B2eへ流れ、接続点TB2からFC昇圧コンバータ20の負極端子N2へ戻る。このため、第2のバスバーB2から第1のバスバーB1へ向けて流れる第2のバスバー電流IB2、及び、第1のバスバーB1を流れる第1のバスバー電流IB1は、電池出力電流Ifcとなる。従って、比較例の場合には、第2のバスバーB2の断面積(WB2・HB2)を第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)と等しくすべく、第2のバスバーB2の幅WB2及び厚さHB2を、第1のバスバーB1の幅WB1及び厚さHB1に等しくすることが要求される。
これに対して、図4に示すように、実施形態の場合、FC昇圧コンバータ20の出力側の正極端子P2oからインバータ30へ供給されるコンバータ出力電流Ihは、インバータ30の正極端子P3及び負極端子N3を介して第3のバスバーB3へ流れる。第3のバスバーB3を流れるコンバータ出力電流Ihは、第1のバスバーB1との接続点TB3から第2のバスバーB2へ向けて、電池出力電流Ifcとは逆向きに流れ、接続点TB2からFC昇圧コンバータ20の負極端子N2へ戻る。このため、第2のバスバーB2を流れる第2のバスバー電流IB2は、電池出力電流Ifcとコンバータ出力電流Ihの差分(Ifc−Ih)、すなわち、第1のバスバー電流IB1と第3のバスバー電流IB3の差分(IB1−IB3)となる。これにより、第2のバスバーB2の断面積(WB2・HB2)は、第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さくすることができる。本例では、図1に示したように、その厚さHB2を第1のバスバーB1の厚さHB1と同じとし、その幅WB2を第1のバスバーB1の幅WB1よりも小さくすることにより、第2のバスバーB2の断面積(WB2・HB2)を第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さくしている。なお、図3(図2)の比較例では、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2とは実質的に1つのバスバーで構成されるので、図の比較からは、図4(図1)の実施形態の方がバスバーの数が多くなっているように見られ得る。また、図の比較からは、実施形態の第3のバスバーB3の方が、比較例の第3のバスバーB3に比べて長くなっているように見られ得る。しかしながら、これはあくまでも図示の便宜上によるものである。実際には、比較例の状態において、接続点TB2,TB3の位置を変えるだけで、第2のバスバーB2の部分の断面積を小さくして、実施形態の状態とすることができ、バスバーの数や第3のバスバーB3の長さに実質的な差異はない。
また、第3のバスバーB3を流れる第3のバスバー電流IB3は、コンバータ出力電流Ih、すなわち、第1のバスバー電流IB1と第2のバスバー電流IB2の差分(IB1−IB2)である。従って、第3のバスバーB3の断面積(WB3・HB3)も、第2のバスバーB2と同様に、第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さくすることができる。本例では、図1に示したように、その厚さHB3を第1のバスバーB1の厚さHB1と同じとし、その幅WB3を第1のバスバーB1の幅WB1よりも小さくすることにより、第3のバスバーB3の断面積(WB3・HB3)を第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)よりも小さくしている。
図5は、バスバーの実装配置の一例を示す説明図である。図5に示すように、FC昇圧コンバータ20を構成するリアクトルユニット22やIPM24の配置の隙間のスペースに、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2の連結部分C12、燃料電池10の負極端子N1に相当する端子Tfcと第1のバスバーB1との接続点TB1、及び、第1のバスバーB1と第3のバスバーB3との接続点TB3が配置されている。そして、第2のバスバーB2は、隙間のスペースに沿って折り曲げ形成されて配置され、接続点TB2でFC昇圧コンバータ20のIPM24に電気的に接続されている。
図5に示したように、実施形態のバスバーは、第2のバスバーB2のサイズを小さくすることにより、バスバーの全体としてのサイズを小さくすることが可能である。また、第2のバスバーB2のサイズを小さくすることにより、第2のバスバーの配置の自由度を高めることができるので、従来行っていた、バスバーが周辺に配置される部品や部材と干渉しないように部品間の配置寸法を大きくすること、を抑制することができる。また、第3のバスバーB3のサイズも小さくすることができるので、さらにバスバーの全体としてのサイズを小さくすることが可能である。また、第3のバスバーB3のサイズを小さくすることにより、第3のバスバーB3の配置の自由度を高めることができるので、これによっても、従来行っていた、バスバーが周辺に配置される部品や部材と干渉しないように部品間の配置寸法を大きくすること、を抑制することができる。
B.変形例:
(1)上記実施形態では、3つのバスバーB1〜B3の厚さHB1〜HB3を同じとして、第1のバスバーB1の幅WB1に対して、第2のバスバーB2の幅WB2を小さく、また、第3のバスバーB3の幅WB3を小さくした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。それぞれの幅WB1〜WB3を同じとして、第1のバスバーB1の厚さHB1に対して、第2のバスバーB2の厚さHB2を小さく、また、第3のバスバーB3の厚さHB3を小さくするようにしてもよい。また、第1のバスバーB1の幅WB1及び厚さHB1に対して、第2のバスバーB2の幅WB2及び厚さHB2の両方を小さく、第3のバスバーB3の幅WB3及び厚さHB3の両方を小さくするようにしてもよい。要するに、第1のバスバーB1の断面積(WB1・HB1)に対して、第2のバスバーB2の断面積(WB2・HB2)を小さく、また、第3のバスバーB3の断面積(WB3/HB3)を小さくするようにすればよい。但し、厚さを同一として、幅を変更する構成とする方が、一つの板材から3つのバスバーB1〜B3を容易に形成することができる点で好ましい。
(2)また、上記実施形態では、第1のバスバーB1と第2のバスバーB2を一体に形成したバスバーとした場合を例に説明したが、それぞれを独立した別のバスバーとし、それぞれの端部をボルト等の締結部材で連結して電気的に接続する構成としてもよい。
(3)また、上記実施形態では、第3のバスバーB3は第1のバスバーB1と独立した別のバスバーとした場合を例に説明したが、第2のバスバーB2と同様に第1のバスバーと一体に形成されていてもよい。すなわち、3つのバスバーB1〜B3の全てを一体に成形するようにしてもよい。こうすれば、第1のバスバーB1と第3のバスバーB3との間の接続インピーダンスを低減することができる。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池
20…燃料電池用昇圧コンバータ(FCDC)
22…リアクトルユニット(LU)
24…電力用半導体素子モジュール(IPM)
30…インバータ(INV)
40…駆動モータ
Cs…平滑コンデンサ
SD…スイッチングデバイス
LC…ケーブル
Lr…リアクトル
K1,K2…コネクタ
KP1…正極端子
KN1…負極端子
KP2…正極端子
KN2…負極端子
P1…燃料電池の正極端子
N1…燃料電池の負極端子
P2i…入力側の正極端子
P2o…出力側の正極端子
N2…昇圧コンバータの負極端子
P3…インバータの正極端子
N3…インバータの負極端子
B1〜B3…バスバー
B2e…第2のバスバーの端部
TB1〜TB3…接続点
C12…連結部分
Tfc…燃料電池の負極端子
WB1〜WB3…幅
HB1〜HB3…厚さ
IB1〜IB3…バスバー電流
Ifc…電池出力電流
Ih…コンバータ出力電流

Claims (3)

  1. 燃料電池システムに用いられるバスバーであって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される電圧を昇圧するDC−DCコンバータであるFC昇圧コンバータと、
    前記FC昇圧コンバータに接続されるインバータと、
    を備え、
    前記バスバーは、
    前記燃料電池の負極端子に接続される第1のバスバーと、
    前記FC昇圧コンバータの負極端子に接続される第2のバスバーと、
    前記インバータの負極端子に接続される第3のバスバーと、を備え、
    前記第2のバスバーは前記第1のバスバーと直接連結されており、
    前記第3のバスバーは前記第1のバスバーと直接連結されており、
    前記第2のバスバーの断面積は前記第1のバスバーの断面積に比べて小さい、バスバー。
  2. 請求項1に記載のバスバーであって、
    前記第3のバスバーの断面積は前記第1のバスバーの前記断面積に比べて小さい、バスバー。
  3. 請求項1または請求項2に記載のバスバーであって、
    前記第1のバスバーと前記第2のバスバーは一体に成形されている、バスバー。
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