JP3787701B2 - 燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池ハイブリッド車両に係り、より詳しくは、燃料電池、バッテリ及び駆動源であるモータ間の電流の流れを制御するための電源制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに転換させる電気化学的装置（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ）であって、従来のエネルギー源と比較するとエネルギー効率が高いだけでなく、公害物質の排出が全くないため未来のエネルギー源として評価を受けており多様な燃料を用いることができる長所がある。
【０００３】
このような燃料電池は水素などの活性を有する物質、例えばＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノール等を電気化学反応を通じて酸化させ、その過程で放出される化学エネルギーを電気エネルギーに変換させるものであって、主に天然ガスから容易に生産できる水素と空気中の酸素が使用される。
【０００４】
このような燃料電池は、省エネルギーと環境公害問題、そして最近に台頭している地球温暖化問題等を解決するために従来の内燃機関を代替する自動車の動力源として使われようとしている。
【０００５】
前記の燃料電池が車両の動力源として使用される場合、初期冷始動時では燃料電池が活性化されるまでは、モータの駆動に必要な充分な動力を発生できない短所を持っている。
【０００６】
このような燃料電池の短所を補完するために、バッテリと燃料電池が同時に使用されるハイブリッド車両が開発されている。（例えば、特許文献２参照。）
【０００７】
上記のようにバッテリと燃料電池を動力源として有する従来の燃料電池ハイブリッド車両は燃料電池から出力される高電圧を駆動源であるモータに供給する時に特別な電圧パスを管理する別の装置が具備されておらず、ただ燃料電池と車両制御器との間に安全装置としてコンタクタ（Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）を装着して車両内システムのダウンや始動オフ時にモータで発生する逆起電力が燃料電池に流入することを遮断している。
【０００８】
また、電力開閉ユニットが具備されているが、その場合、電源端の陰極（−）と陽極（＋）を同時に制御していて電源端の極性を制御することが難しく、制御プログラムが複雑であり、モータ側に供給される電源が燃料電池の電源であるかバッテリの出力電源であるかを区分して制御できないという短所がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０８−２８９４１０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記従来の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃料電池スタックで発生する電力を駆動源であるモータ及び負荷側に安定的に供給し、バッテリの電力と燃料電池スタックの電力を同時に、あるいは選別してモータ及び負荷側に安定的に供給し、電源出力端の極性を独立的に制御できるようにして電源開閉制御において安定性及び信頼性を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、モータの逆起電力が燃料電池スタック側に流入することを遮断して燃料電池スタックを安定的に保護することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置は、燃料電池スタックとバッテリのＤＣ／ＤＣコンバータの出力端陽極端子（＋）とを並列に一側端子に接続し、他側の端子はインバータに接続する第１スイッチングユニットと、前記インバータと前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端陰極端子（−）とを並列に一側端子に接続し、他側の端子は燃料電池スタックの出力端陰極端子（−）に接続する第２スイッチングユニットと、前記第１、第２スイッチングユニットの接点をスイッチングさせることにより前記燃料電池スタックまたはバッテリ電圧がモータに供給されるように制御する制御ユニットと、前記モータの逆起電力が燃料電池スタックに流入することを遮断するために、前記燃料電池スタックの出力端陽極端子（＋）に順方向に接続するダイオードとを含み、前記第１、第２スイッチングユニットは、それぞれ複数個のオン／オフスイッチング素子を含み、前記複数個のオン／オフスイッチング素子は、前記制御ユニットの制御信号によってオン／オフスイッチング動作をする複数個のリレーであり、前記複数個のリレーは互いに並列に連結されることを特徴とする。
【００１４】
前記制御ユニットは、燃料電池スタックで発生する電力によって前記モータが駆動されるように、前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御するのが好ましい。
また、前記制御ユニットは、前記バッテリから出力される電力によって前記モータが駆動されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御するのが好ましい。
また、前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックで発生する電力が前記バッテリの充電電力として供給されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御するのが好ましい。
また、前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックで発生する電力と前記バッテリから出力される電力とが同時に前記モータに供給されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御するのが好ましい。
【００１５】
また、上記目的を達成するためになされた本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置は、過電流から前記バッテリを保護し、逆起電力が前記バッテリ側に流入することを遮断するために、前記第１スイッチングユニットとＤＣ／ＤＣコンバータとの間に連結されるヒューズをさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に示すように、本発明に係る燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置１００は、制御部１１０、第１リレーコンタクタ１２０、第２リレーコンタクタ１３０、ダイオード（Ｄ）１４０及びヒューズ（Ｆｕｓｅ）１５０を含む。
【００１８】
制御部１１０は、イグニションキー１０から印加される始動オン／オフの信号によってイネーブル／ディスエーブルになり、イグニションキー１０始動オン接点を通じて動作電力が供給される場合に、上位制御器７０から印加される制御信号によって燃料電池スタック２０で発生する電力あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ４０を通じて供給されるバッテリ３０の電力がモータ６０に供給されるように制御する。
【００１９】
また、燃料電池スタック２０で発生する電力をバッテリ３０側に供給してバッテリ３０が充電されるようにし、また、モータ６０の制動時に発生する回生制動エネルギーをバッテリ３０に充電電力として供給するようにする動作を制御する。
【００２０】
第１リレーコンタクタ１２０は、燃料電池スタック２０及びこれと並列に連結されたＤＣ／ＤＣコンバータ４０とインバータ５０の間の陽極（＋）側に接続され、制御部１１０の制御信号によって接点がオン／オフスイッチングされる第１リレー（ＭＣ＿１１）１２１と第２リレー（ＭＣ＿１２）１２３を含む。図面に示すように第１リレー１２１と第２リレー１２３は互いに並列に連結される。
【００２１】
第１リレー１２１及び第２リレー１２３は、制御部１１０から印加される制御信号によってスイッチングされ燃料電池スタック２０の出力電力をインバータ５０に供給したりバッテリ３０の出力電力をインバータ５０に供給する役割を遂行する。
【００２２】
第２リレーコンタクタ１３０は、燃料電池スタック２０及びこれと並列に連結されたＤＣ／ＤＣコンバータ４０とインバータ５０の間の陰極（−）側を接続され、制御部１１０の制御信号によって接点がオン／オフスイッチングされる第３リレー（ＭＣ＿２１）１３１と第４リレー（ＭＣ＿２２）１３３を含む。
【００２３】
第３リレー１３１と第４リレー１３３は、制御部１１０から印加される制御信号によってスイッチングされ燃料電池スタック２０の出力電力をインバータ５０に供給したりバッテリ３０の出力電力をインバータ５０に供給する役割を遂行する。
【００２４】
ダイオード（Ｄ）１４０は、大容量ダイオードが好ましく、燃料電池スタック２０の陽極（＋）出力端に順方向に接続し、モータ６０で発生する高電圧の逆起電力が燃料電池スタック２０側に流入することを遮断する。
【００２５】
ヒューズ（Ｆｕｓｅ）１５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力端陽極（＋）側に具備され、負荷端の過電流発生または逆起電力の流入時にオープンされてバッテリ３０及び全体システムを保護する。
【００２６】
上述のような構成を有する本発明の電源制御装置の動作は次の通りである。まず、燃料電池スタック２０の電力だけでモータ６０を駆動する場合、図２に示すように、イグニションキー１０のオン接点を通じて始動オンに関する情報が制御部１１０側に入力された状態で上位制御器７０から燃料電池スタック２０で発生した電力だけでモータ６０を駆動させるという命令の制御信号が検出されると、制御部１１０は燃料電池スタック２０で発生する電力によってモータ６０が駆動されるように第１リレーコンタクタ１２０及び第２リレーコンタクタ１３０の接点をスイッチングする。
【００２７】
即ち、図２に示すように、制御部１１０は第１リレーコンタクタ１２０内の第１リレー（ＭＣ＿１１）１２１の接点をオフ（ｏｆｆ）させ、第２リレー（ＭＣ＿１２）１２３の接点をスイッチングオン（ｏｎ）させ、第２リレーコンタクタ１３０内の第３リレー（ＭＣ＿２１）１３１接点をオフ（ｏｆｆ）させ、第４リレー（ＭＣ＿２２）１３３接点をスイッチングオン（ｏｎ）させる。
【００２８】
したがって、燃料電池スタック２０とインバータ５０に連結される電圧／電流の経路が形成されインバータ５０のＰＷＭスイッチングによってモータ６０の駆動が遂行される。
【００２９】
次に、初期冷始動時等の条件などで使用されるバッテリ３０の電力だけでモータ６０を駆動させる場合、図３に示すように、イグニションキー１０のオン接点を通じて始動オンに関する情報が制御部１１０側に入力される状態で上位制御器７０から、バッテリ３０から出力される電力だけでモータ６０を駆動することを命令する制御信号が検出されると、制御部１１０はバッテリ３０で発生する電力がモータ６０に供給されるように第１リレーコンタクタ１２０及び第２リレーコンタクタ１３０の接点をスイッチングする。
【００３０】
即ち、図３に示すように、制御部１１０は第１リレーコンタクタ１２０内の第１リレー（ＭＣ＿１１）１２１接点をオフ（ｏｆｆ）させ、第２リレー（ＭＣ＿１２）１２３の接点をスイッチングオン（ｏｎ）させ、第２リレーコンタクタ１３０内の第３リレー（ＭＣ＿２１）１３１及び第４リレー（ＭＣ＿２２）１３３の接点をオフ（ｏｆｆ）させる。
【００３１】
したがって、バッテリ３０とインバータ５０に連結される電圧／電流の経路が形成されインバータ５０のＰＷＭスイッチングによってモータ６０の駆動が遂行される。
【００３２】
また、燃料電池スタック２０で発生する電力を他の負荷に使用せずただバッテリ３０の充電だけに使用する場合、図４に示すように、イグニションキー１０のオン接点を通じて始動オンに関する情報が制御部１１０側に入力される状態で上位制御器７０から燃料電池スタック２０で発生する電力を他の負荷には使用せずバッテリ３０に充電電力としてのみ供給することを命令する制御信号が検出されると、制御部１１０は燃料電池スタック２０で発生する電力がバッテリ３０の充電にだけ使われるように第１リレーコンタクタ１２０及び第２リレーコンタクタ１３０の接点をスイッチングする。
【００３３】
即ち、図４に示すように、制御部１１０は、第１リレーコンタクタ１２０内の第１リレー（ＭＣ＿１１）１２１の接点と第２リレー（ＭＣ＿１２）１２３の接点をオフ（ｏｆｆ）させ、第２リレーコンタクタ１３０内の第３リレー（ＭＣ＿２１）１３１接点をオフ（ｏｆｆ）させ、第４リレー（ＭＣ＿２２）１３３接点をスイッチングオン（ｏｎ）させる。
【００３４】
したがって、燃料電池スタック２０とバッテリ３０に連結される電圧／電流の経路が形成され、燃料電池スタック２０で発生する電力はバッテリ３０側の充電電力として供給されてバッテリ３０の充電が遂行される。
【００３５】
上記の説明ではモータ６０の駆動電源供給についてのみ説明したが、燃料電池ハイブリッド車両に具備される各種負荷装置も上記のような電源供給源が選択的に連結されることによって安定的な動作が維持される。
【００３６】
尚、本発明は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明は負荷側に供給しようとする電力を燃料電池スタックあるいはバッテリ電力として同時に供給するようにしたり選別供給するようにすることによって負荷の動作において安定性が提供され、電圧の制御において各電極別に独立的な制御が行われることによって制御に便利性が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置に関する構成ブロック図である。
【図２】本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置において燃料電池の電力だけでモータの駆動電力を供給する電流の流れを示す構成ブロック図である。
【図３】本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置においてバッテリ電力だけでモータの駆動電力を供給する電流の流れを示す構成ブロック図である。
【図４】本発明による燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置において燃料電池の電力でバッテリを充電する時の電流の流れを示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
１０ イグニションキー
２０ 燃料電池スタック
３０ バッテリ
４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０ インバータ
６０ モータ
７０ 上位制御器
１００ 電源制御装置
１１０ 制御部
１２０ 第１リレーコンタクタ
１３０ 第２リレーコンタクタ
１４０ ダイオード
１５０ ヒューズ
１２１ 第１リレー
１２３ 第２リレー
１３１ 第３リレー
１３３ 第４リレー

Claims (6)

  1. 燃料電池スタックとバッテリのＤＣ／ＤＣコンバータの出力端陽極端子（＋）とを並列に一側端子に接続し、他側の端子はインバータに接続する第１スイッチングユニットと、
    前記インバータと前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端陰極端子（−）とを並列に一側端子に接続し、他側の端子は燃料電池スタックの出力端陰極端子（−）に接続する第２スイッチングユニットと、
    前記第１、第２スイッチングユニットの接点をスイッチングさせることにより前記燃料電池スタックまたはバッテリ電圧がモータに供給されるように制御する制御ユニットと、
    前記モータの逆起電力が燃料電池スタックに流入することを遮断するために、前記燃料電池スタックの出力端陽極端子（＋）に順方向に接続するダイオードとを含み、
    前記第１、第２スイッチングユニットは、それぞれ複数個のオン／オフスイッチング素子を含み、前記複数個のオン／オフスイッチング素子は、前記制御ユニットの制御信号によってオン／オフスイッチング動作をする複数個のリレーであり、前記複数個のリレーは互いに並列に連結されることを特徴とする燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
  2. 前記制御ユニットは、燃料電池スタックで発生する電力によって前記モータが駆動されるように、前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
  3. 前記制御ユニットは、前記バッテリから出力される電力によって前記モータが駆動されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
  4. 前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックで発生する電力が前記バッテリの充電電力として供給されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
  5. 前記制御ユニットは、前記燃料電池スタックで発生する電力と前記バッテリから出力される電力とが同時に前記モータに供給されるように前記第１、第２スイッチングユニットのスイッチングを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
  6. 過電流から前記バッテリを保護し、逆起電力が前記バッテリ側に流入することを遮断するために、前記第１スイッチングユニットとＤＣ／ＤＣコンバータとの間に連結されるヒューズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド車両の電源制御装置。
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