JP4386166B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池車両に関し、特に、高電圧配線系統と燃料配管の車載レイアウト技術に関する。

燃料電池発電システムを車上に搭載し、モータの推力で走行する燃料電池車両においては、燃料系統（燃料電池、水素高圧タンク等）と、電気系統（パワーコントロールユニット、モータ、二次電池等）を限られた車載スペースを利用してどのようにレイアウトするかが問題となる。水素ガスは可燃性ガスであるため、水素ガスが高電圧配線系統に漏出しないように車載レイアウトを設計する必要がある。例えば、特開２００１−７１７５３号公報では、車両後部に燃料系統を搭載し、車両前部に電気系統を搭載することにより、車両衝突時の燃料配管と高電圧配線の接近を回避し、漏洩水素ガスへの引火を極力防いでいる。
特開２００１−７１７５３号公報

しかし、特開２００１−７１７５３号公報のように電気系統と燃料系統を車両の前後方向に分離してレイアウトすると、限られた車載スペースでは各装置の設置場所が極度に制限され、レイアウトの自由度を著しく低下させる要因となる。

そこで、本発明は車載装置の配置レイアウトの自由度を高めつつ、高電圧配線系統と燃料配管が近接配置しないレイアウト構造を備えた燃料電池車両を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池車両は、燃料電池から供給される電力を電力変換して負荷に供給する電力制御装置を搭載した燃料電池車両であって、平面から見て車両前方より燃料電池、蓄電手段、燃料ガス供給源がこの順で互いに重ならないように配置され、前記燃料電池又は前記負荷のうち少なくとも何れか一方と前記電力制御装置とを結線する高電圧配線系統が、車両の左右の第１の側面（車両の右側面又は左側面）に偏倚して配索され、前記燃料ガス供給源から前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料配管が、前記高電圧配線系統の配線位置とは反対側の車両の第２の側面に偏倚して敷設されて、前記高電圧配線系統と前記燃料配管とが、車幅方向に互いに分離して配設されている。なお、前記電力制御装置は、前記燃料電池と前記蓄電手段との間に配置されていてもよい。

かかる構成により、高電圧配線系統と燃料配管との近接配置を防ぐことができるため、車両衝突時の安全性を高めることができる。また、燃料系統と電気系統を車両前後方向に分離してレイアウトする必要がないため、車載装置のレイアウトの自由度を高めることができる。

本発明の燃料電池車両において、電力制御装置は高電圧配線系統と電力制御装置を接続するためのコネクタを備えており、このコネクタは前記第１の側面に対向するように車軸方向に沿って配列されていることが好ましい。かかる構成により、高電圧配線系統を車両の第１の側面に偏倚させて配索することが容易となる。

上記燃料電池車両において、前記燃料ガス供給源と前記燃料配管とは、前記第２の側面側において接続されていてもよい。
また、前記電力制御装置のケース形状は略Ｌ字型であり、前記ケースの略Ｌ字型の文字下端に相当する面が、車両の第１の側面に対向するように配置されていてもよい。この場合さらに前記電力制御装置のケースの略Ｌ字型の屈曲部の内側に、前記蓄電手段が配置されていてもよい。
上記燃料電池車両において、前記電力制御装置のケース形状は略Ｔ字型であり、前記ケースの略Ｔ字型の文字上端に相当する面が、車両の第１の側面に対向するように配置されていてもよい。この場合さらに、前記電力制御装置のケースの略Ｔ字型の２つの屈曲部の内側に、前記蓄電手段及び補機がそれぞれ配置されていてもよい。
さらに、上記燃料電池車両において、前記燃料電池と、前記電力制御装置と、前記蓄電手段と、前記燃料ガス供給源とは、車両の車幅方向に並べられた第１のサイドメンバと第２のサイドメンバとの間に、車両前方からこの順に配置されていてもよい。

本発明によれば、高電圧配線系統と燃料配管との近接配置を防ぐことができるため、車両衝突時の安全性を高めることができる。また、燃料系統と電気系統を車両前後方向に分離してレイアウトする必要がないため、車載装置のレイアウトの自由度を高めることができる。

以下、各図を参照して本発明の好適な第１実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両に搭載される各種車載装置のレイアウトを示している。燃料電池車両１０の骨格を構成する車両フレーム１１には、主に、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池５０と、燃料電池５０に水素リッチな燃料ガスを供給するための水素高圧タンク（水素貯蔵器）３１〜３３と、車輪６５〜６８のホイール内に組み込まれたインホイールモータ（三相同期モータ）５５〜５８と、燃料電池５０から出力される直流電力を交流電力に変換してインホイールモータ５５〜５８や、その他の負荷（後述するエアコンプレッサポンプ５２などの補機類）に供給するとともに、燃料電池５０から出力される高電圧を補機類動作用の低電圧にダウンコンバートして二次電池（蓄電手段）２２を充電するためのパワーコントロールユニット（ＰＣＵ：電力制御装置）２０が搭載されている。

燃料電池５０の補機類として、車両前部に配置されたエアクリーナ５１を介してエア配管６１から導入したエアを高圧に圧縮し、燃料電池５０の酸素極に供給するためのエアコンプレッサポンプ５２と、車両の左側面に沿って車軸方向に敷設された燃料配管（水素配管）３０を介して水素高圧タンク３１〜３３から燃料電池５０の水素極へ供給される燃料ガスの流量を制御する水素ポンプ５４と、冷却水配管６０を通じて燃料電池５０内に冷却水を循環させるためのウォータポンプ５３と、昇温した冷却水を冷却するための熱交換装置５９が車両前部に搭載されている。

燃料電池５０から出力される直流電力は高電圧配線（電気配線）４１を介してパワーコントロールユニット２０の入力コネクタ７１に供給され、交流電力に変換される。この交流電力は出力コネクタ７２〜７８に接続する高電圧配線（電気配線）４２〜４８を介してエアコンプレッサポンプ５２、ウォータポンプ５３、水素ポンプ５４、及びインホイールモータ５５〜５８に供給される。さらに、パワーコントロールユニット２０は燃料電池５０から供給される直流電力をダウンコンバートし、出力コネクタ７９を介して二次電池２２を充電するように構成されており、車両制動時には回生エネルギーを二次電池２２に充電することも可能である。

車両フレーム１１は、車両の両側面に沿って配置された２本のサイドメンバ１１ａと、両側面のサイドメンバ１１ａを連結する２本のクロスメンバ１１ｂから構成されている。車両客室のフロア下には、上述した燃料電池５０、パワーコントロールユニット２０、二次電池２２、及び水素高圧タンク３１〜３３が車両前方よりこの順序で配置されている。さらに、パワーコントロールユニット２０と二次電池２２は２本のクロスメンバ１１ｂの間にレイアウトされており、剛性の高いフレーム構造によって保護されている。

パワーコントロールユニット２０のコネクタ配列構造としては、高電圧配線系統に接続する全てのコネクタ７１〜７８が車両の右側面又は左側面（燃料配管３０の敷設位置とは反対側の側面）を向くように形成するのが好ましい。コネクタ配置構造をこのように工夫すれば、高電圧配線４１〜４８から成る高電圧配線系統（電気配線系統）４０を、燃料配管３０の敷設位置とは反対側に偏倚させて車軸方向に配索することが可能となる。このようなコネクタ配列構造を得るには、パワーコントロールユニット２０のケース形状を「文字」に見立てて、コネクタ７１〜７８の配列位置を「文字下端」とし、車幅方向と平行な方向に「文字中心線」を設定した場合に、当該ケース形状を「略Ｌ字型」にするのが望ましい。パワーコントロールユニット２０のケース形状を略Ｌ字型とすることで、上述のコネクタ７１〜７８を全て車両の一側面に向けて車軸方向に延設するための十分な長さを確保することができる。同図に示す例では、高電圧配線系統４０は車両の右側面に偏倚して車軸方向に配索され、燃料配管３０は車両の左側面に偏倚して車軸方向に延設されており、高電圧配線系統４０と燃料配管３０との車幅方向の距離ができるだけ長くなるようにレイアウトされている。

尚、パワーコントロールユニット２０を略Ｌ字型の形状に屈曲させることで、屈曲部付近に二次電池２２を搭載するためのスペースを確保することができ、車載スペースの有効活用に資する。本明細書において「略Ｌ字型」には、文字中心線を中心に左右反転した文字を含むものとする。

図２はパワーコントロールユニット２０の回路構成図である。燃料電池５０の出力電力を受給する入力コネクタ７１には整流ダイオード１１１を介して一対の電源線Ｌ１，Ｌ２が結線されている。直流電力を交流電力（三相交流）に変換してインホイールモータ５５〜５８や、各種の補機類（エアコンプレッサポンプ５２など）に交流電力を供給するためのインバータ８２〜８８と、直流電力をダウンコンバートして二次電池２２を充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータ９０は電源線Ｌ１，Ｌ２に並列接続している。インバータ８２〜８８の出力端子は上述した出力コネクタ７２〜７８に接続している。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、インバータ８１と、リアクトル１１０と、整流器８９とを含んで構成されるダウンコンバータであり、その出力端子は出力コネクタ７９に接続している。

尚、９１〜９２及び９５〜９９は平滑コンデンサ、１００〜１０２及び１０５〜１０８は電流センサ、１１２はヒューズ、１１５及び１１９は放電抵抗を示している。電流センサ１０２，１０５〜１０８のセンサ信号からインホイールモータ５５〜５８などのモータ回転子の角度位置を検出することにより、運転状態に応じて車輪６５〜６８やエアコンプレッサポンプ５２などの補機類を駆動制御できるように構成されている。

以上、説明したように、本実施形態によれば、高電圧配線系統４０に接続する全てのコネクタ７１〜７８が一方向（車軸方向）に配列されるようにパワーコントロールユニット２０のケース形状を略Ｌ字型に構成することで、高電圧配線系統４０の配線位置として、燃料配管３０の敷設位置とは反対側の位置に選定することができ、高電圧配線系統４０と燃料配管３０を車幅方向に分離してレイアウトすることができる。これにより、車両が側突した場合でも水素爆発による二次災害の発生を回避できる。また、従来技術のように燃料系統と電気系統を車両の前後方向に分離して搭載する必要がないため、車載レイアウトの自由度を高めることができる。

次に、本発明の好適な第２実施形態について説明する。
図３は燃料電池車両に搭載される各種車載装置のレイアウトを示している。図１に示した符号と同一符号の装置については同一の装置を示すものとして詳細な説明を省略する。本実施形態においては、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：電力制御装置）２１のケース形状を「文字」に見立てて、コネクタ７１〜７８の配列位置を「文字上端」とし、車幅方向と平行な方向に「文字中心線」を設定した場合に、当該ケース形状を「略Ｔ字型」とし、上述したコネクタ７１〜７８が全て燃料配管３０とは反対側の車両の一側面に対向するように車軸方向に沿って配列している。このように略Ｔ字型とすることで、コネクタ配置スペースを必要かつ十分に確保できる上に、屈曲部が二箇所できるため、車載装置の配置スペースを二箇所確保できる。この配置スペースの一方には二次電池２２を搭載し、他方にはパワーコントロールユニット２１を冷却するためのラジエータ、ウォータポンプなどの各種の補機類２３を搭載できる。

尚、上述の説明においては、水素高圧タンク３１〜３３に貯蔵した燃料ガスを燃料配管３０を通じて燃料電池５０に供給する構成を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、メタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、アセトン、ガソリン、軽油などの原燃料を車上で水素リッチガスに改質し、燃料配管３０を通じて燃料電池５０に供給する構成としてもよい。

第１実施形態の各種車載装置のレイアウト図である。 ＰＣＵの回路構成図である。 第２実施形態の各種車載装置のレイアウト図である。

符号の説明

１０…燃料電池車両 ２０…パワーコントロールユニット ２２…二次電池 ３０…燃料配管 ３１〜３３…水素高圧タンク ４０…電圧配線系統 ４１〜４８…高電圧配線 ５０…燃料電池 ５１…エアクリーナ ５２…エアコンプレッサポンプ ５３…ウォータポンプ ５４…水素ポンプ ５５〜５８…インホイールモータ ５９…熱交換装置 ７１…入力コネクタ ７２〜７８…出力コネクタ

Claims (9)

1. 燃料電池から供給される電力を電力変換して負荷に供給する電力制御装置を搭載した燃料電池車両であって、
   平面から見て車両前方より燃料電池、蓄電手段、燃料ガス供給源がこの順で互いに重ならないように配置され、
   前記燃料電池又は前記負荷のうち少なくとも何れか一方と前記電力制御装置とを結線する高電圧配線系統が、車両の左右の第１の側面に偏倚して配索され、前記燃料ガス供給源から前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料配管が、前記高電圧配線系統の配線位置とは反対側の車両の第２の側面に偏倚して敷設されて、前記高電圧配線系統と前記燃料配管とが、車幅方向に互いに分離して配設されていることを特徴とする、燃料電池車両。
2. 前記電力制御装置は、前記燃料電池と前記蓄電手段との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池車両であって、前記電力制御装置は前記高電圧配線系統と前記電力制御装置を接続するためのコネクタを備えており、前記コネクタは前記第１の側面に対向するように車両の前後方向に沿って配列されている、燃料電池車両。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両であって、前記燃料ガス供給源と前記燃料配管とは、前記第２の側面側において接続されている、燃料電池車両。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両であって、前記電力制御装置のケース形状は略Ｌ字型であり、前記ケースの略Ｌ字型の文字下端に相当する面が、車両の第１の側面に対向するように配置されている、燃料電池車両。
6. 請求項５に記載の燃料電池車両であって、前記電力制御装置のケースの略Ｌ字型の屈曲部の内側に、前記蓄電手段が配置される、燃料電池車両。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両であって、前記電力制御装置のケース形状は略Ｔ字型であり、前記ケースの略Ｔ字型の文字上端に相当する面が、車両の第１の側面に対向するように配置されている、燃料電池車両。
8. 請求項７に記載の燃料電池車両であって、前記電力制御装置のケースの略Ｔ字型の２つの屈曲部の内側に、前記蓄電手段及び補機がそれぞれ配置される、燃料電池車両。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池車両であって、前記燃料電池と、前記電力制御装置と、前記蓄電手段と、前記燃料ガス供給源とは、車両の車幅方向に並べられた第１のサイドメンバと第２のサイドメンバとの間に、車両前方からこの順に配置されている、燃料電池車両。

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