JP4540950B2

JP4540950B2 - 電気自動車の電源装置

Info

Publication number: JP4540950B2
Application number: JP2003284018A
Authority: JP
Inventors: 浩清水
Original assignee: 株式会社クリーンクラフト
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005050758A

Description

本発明は電気自動車の電源装置に係り、特に駆動モータ用電源として燃料電池と二次電池とを用いた電源装置に関する。

従来の燃料電池と二次電池よりなる電源装置には次のような問題点があった。
（１）燃料電池と二次電池が一系統で直列に接続されているため、二次電池が故障すると燃料電池の出力が直接駆動用モータに供給されることになり、モータ出力が燃料電池の出力に制限される。通常、燃料電池の出力はモータ出力の平均値に設定されている。
（２）また、二次電池故障時にもモータの大出力を得るようにするためには、燃料電池を大出力化する必要があった。

（３）さらに、燃料電池を搭載するための大きな空間を車内に設ける必要があった。
特開２００２−１８６１０７号公報

上記したように、電気自動車の電源装置の構成及び搭載にあたっては、種々の問題があり、その電源装置の適切な構成及び搭載が望まれていた。
また、二種の電池を搭載するに当たっては、両者の補完関係を的確に構成することが必要であった。
本発明は、上記状況に鑑みて、燃料電池と二次電池の配置を適切に行うとともに、それらの補完関係を的確に構成した電気自動車の電源装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記目的を達成するために、
〔１〕燃料電池と二次電池を具備する電気自動車の電源装置において、燃料電池（１０，１２）及び二次電池（１４，１６）を二系統に分割するとともに、駆動系を右前部前輪、左前部前輪、右後部後輪及び左後部後輪駆動用モータ（３１，３２，３３，３４）の系統と、右前部後輪、左前部後輪、右後部前輪及び左後部前輪駆動用モータ（３５，３６，３７，３８）の系統とに分割し、前記二系統の燃料電池（１０，１２）と前記二系統の二次電池（１４，１６）の間及び前記二系統の二次電池（１４，１６）と前記二系統の駆動系の間の接続を切換える電池の切換装置（１８）を設け、常時は、それぞれの系統別に、燃料電池（１０，１２）で発電した電力により二次電池（１４，１６）を充電して、駆動系を駆動し、前記二次電池（１４，１６）の何れか一系統が故障したときは、前記切換装置（１８）を切換えて前記二系統の燃料電池（１０，１２）の出力を正常な系統の二次電池に供給し、この正常な系統の二次電池により前記両系統の駆動系を駆動することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の電気自動車の電源装置において、車床を構成する第１のセンターフレーム（５１）と第２のセンターフレーム（５２）には第１系統の二次電池と第２系統の二次電池とがそれぞれ搭載され、前記第１のセンターフレーム（５１）側の第１のサイドフレーム（５３）に第１系統の燃料電池を、前記第２のセンターフレーム（５２）側の第２のサイドフレーム（５４）に第２系統の燃料電池をそれぞれ収納することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の電気自動車の電源装置において、前記第１のサイドフレーム（５３）および前記第２のサイドフレーム（５４）が方形中空フレームであることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（Ａ）電気自動車の電源装置において、燃料電池と二次電池の配置を適切に行うとともに、それらでもって、駆動モータへの供給の補完関係を確実にすることができる。
（Ｂ）二次電池を二系統にし、いずれか一系統の二次電池が故障したとき、燃料電池の出力を正常な系統の二次電池に供給することにより、モータの出力を通常通り制御することができる。

（Ｃ）燃料電池を二系統に分割することにより、車床を構成する電気自動車の方形中空フレームに収納することが可能となり、燃料電池の搭載を合理的に行うことができる。
（Ｄ）燃料電池の配置を方形中空フレームのサイドフレームに分散させることにより、安定性のある床下荷重を得ることができる。

二次電池を二系統にし、いずれか一系統の二次電池が故障したとき、燃料電池の出力を正常な系統の二次電池に供給することにより、モータの出力を通常通り制御する。
燃料電池も二系統にし、二次電池との補完を円滑に行うようにする。
燃料電池を二系統に分割することにより、車床を構成する方形中空フレームに収納することが可能となり、燃料電池の搭載を合理的に行うことができる。

さらに、二次電池および燃料電池は、車床にバランスよく配備することができ、また、安定性のある床下荷重を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す電気自動車の電源システムの全体構成図、図２はその電気自動車の電源装置の模式図、図３はその電気自動車の模式図である。
これらの図において、１は第１の燃料タンク、２はその第１の燃料タンク１への燃料の供給経路、３はその燃料の供給経路２に配置される逆止弁、４は第２の燃料タンク、５はその第２の燃料タンク４への燃料の供給経路、６はその燃料の供給経路５に配置される逆止弁、７は燃料注入口、８は第１の燃料タンク１からの燃料の送出管、９は第２の燃料タンク４からの燃料の送出管、１０は第１の燃料電池、１１は第１の燃料電池１０の監視装置、１２は第２の燃料電池、１３は第２の燃料電池１２の監視装置、１４は第１群の二次電池（リチウムイオン電池）、１５は第１群の二次電池監視装置、１６は第２群の二次電池（リチウムイオン電池）、１７は第２群の二次電池監視装置、１８は電池の切換装置であり、この電池の切換装置１８は第１の切換部１８−１，第２の切換部１８−２，第３の切換部１８−３，第４の切換部１８−４からなる。１９は動力系統制御装置、２０は動力制御監視装置であり、この動力制御監視装置２０は第１の系統のインバータ２１〜２４と、第２の系統のインバータ２５〜２８とを備え、モータ故障検知装置３０を有し、このモータ故障検知装置３０は、第１の系統として、右前部前輪（ＲＦＦ）駆動モータ３１、左前部前輪（ＬＦＦ）駆動モータ３２、右後部後輪（ＲＲＲ）駆動モータ３３、左後部後輪（ＬＲＲ）駆動モータ３４を、第２の系統として、右前部後輪（ＲＦＲ）駆動モータ３５、左前部後輪（ＬＦＲ）駆動モータ３６、右後部前輪（ＲＲＦ）駆動モータ３７、左後部前輪（ＬＲＦ）駆動モータ３８を備えている。

また、図２及び図３において、電気自動車はインホイールモータ型の８輪駆動自動車であり、その車体４０の下部には車床５０を構成する中空フレーム５１〜５４（ＢＢＦ）が配置されている。すなわち、第１のセンターフレーム５１と第２のセンターフレーム５２内には第１群の二次電池１４と第２群の二次電池１６とがそれぞれ搭載され、第１のセンターフレーム５１側の第１のサイドフレーム５３に、第１の燃料タンク（水素タンク）１と第１の燃料電池１０とが、第２のセンターフレーム５２側の第２のサイドフレーム５４に、第２の燃料タンク（水素タンク）４と第２の燃料電池１２とがそれぞれ搭載されている。

このように、本発明の電気自動車は、インホイールモータ型の８輪駆動電気自動車である。すなわち、車体４０の下部にはセンターフレーム５１，５２及びサイドフレーム５３，５４を具備するとともに、タンデムホイール式サスペンションで支持される車輪系を有し、車輪全輪（８個）に各々モータを組み込んだインホイール式ドライブを備えた各駆動輪独立駆動型電気自動車であり、上記したフレーム構成により、各車輪毎の支持荷重を少なくでき、走行安定性を向上させることができる。

また、燃料電池１０，１２の配置を方形中空フレームのサイドフレーム５３，５４に分散させることにより、安定性のある床下荷重を得ることができる。
ここで、タンデムホイール式サスペンションで支持される車輪系には、右前部前輪ＲＦＦ駆動モータ３１、右前部後輪ＲＦＲ駆動モータ３５、左前部前輪ＬＦＦ駆動モータ３２、左前部後輪ＬＦＲ駆動モータ３６、右後部前輪ＲＲＦ駆動モータ３７、右後部後輪ＲＲＲ駆動モータ３３、左後部前輪ＬＲＦ駆動モータ３８および左後部後輪ＬＲＲ駆動モータ３４がそれぞれ組み込まれている。

ここで、重要なことは、二次電池の故障時においても支障のない走行を行わせるために、第１群の二次電池１４は第１の系統に、すなわち、右前部前輪ＲＦＦ駆動モータ３１、左前部前輪ＬＦＦ駆動モータ３２、右後部後輪ＲＲＲ駆動モータ３３および左後部後輪ＬＲＲ駆動モータ３４の駆動系に接続され、第２群の二次電池１６は第２の系統に、すなわち、右前部後輪ＲＦＲ駆動モータ３５、左前部後輪ＬＦＲ駆動モータ３６、右後部前輪ＲＲＦ駆動モータ３７、左後部前輪ＬＲＦ駆動モータ３８の駆動系に接続するように構成されている点である。

このように構成することにより、いずれか片方だけの駆動系の駆動によっても、車両の走行を継続させることができる。
また、第１群の二次電池１４および第２群の二次電池１６は二次電池監視装置１５，１７によって監視されており、また、第１の燃料電池１０と第２の燃料電池１２は燃料電池監視装置１１，１３により監視されており、それぞれの異常時には、それらの監視装置１１，１３，１５，１７がその異常を検知して、その状態に応じて動力系統制御装置１９は、電池が適切な組み合わせとなるように、切換装置１８の切り換えのための切換信号を送る。したがって、二次電池と燃料電池との適切な組み合わせを実現でき、走行に支障のない最適な電源を構築できるように構成されている。

このように、二次電池１４，１６及び燃料電池１０，１２は、各モータ３１〜３８への駆動電力供給源であり、第１の系統の場合は、その出力はインバータ２１を介して右前部前輪ＲＦＦ駆動モータ３１へ、インバータ２２を介して左前部前輪ＬＦＦ駆動モータ３２へ、インバータ２３を介して右後部後輪ＲＲＲ駆動モータ３３へ、インバータ２４を介して左後部後輪ＬＲＲ駆動モータ３４へ、第２の系統の場合は、その出力はインバータ２５を介して右前部後輪ＲＦＲ駆動モータ３５へ、インバータ２６を介して左前部後輪ＬＦＲ駆動モータ３６へ、インバータ２７を介して右後部前輪ＲＲＦ駆動モータ３７へ、インバータ２８を介して左後部前輪ＬＲＦ駆動モータ３８へ、それぞれ給電されている。このように、各インバータ２１〜２８は各車輪毎に備えられるようになっている。

また、インバータ２１〜２８は動力系統制御装置１９によって制御され、そのインバータ２１〜２８の動作状態は、動力制御監視装置２０によって監視されている。
以下、実施例を具体的に詳細に説明する。
図４は本発明の第１態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。ここでは、二次電池の異常時に、二つの燃料電池からのバックアップで全ての駆動モータを駆動する例を説明する。

例えば、第１群の二次電池１４が異常状態になると、第１群の二次電池監視装置１５がこれを検知して、動力系統制御装置１９へ信号を送り、これを受けた動力系統制御装置１９の指示で第１の切換部１８−１のスイッチＳ₁₃が閉じて、第１の燃料電池１０の出力が第２群の二次電池１６の出力側へ供給されるとともに、第３の切換部１８−３のスイッチＳ₂₃が閉じて第２の燃料電池１２の出力が第２群の二次電池１６の出力側へ供給される。つまり、第１の燃料電池１０と第２の燃料電池１２とが第２群の二次電池１６をバックアップする。

そこで、第１の燃料電池１０と第２の燃料電池１２と第２群の二次電池１６との電力が各インバータ２１〜２８へ供給される。つまり、第２の切換部１８−２のスイッチＳ₁₆と第４の切換部１８−４のスイッチＳ₂₆とが閉じられて、インバータ２１〜２８は駆動され、全ての駆動モータ３１〜３８が駆動されて、車両は走行を持続させることができる。
図５は本発明の第２態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。ここでは、二次電池の異常時に、二つの燃料電池からのバックアップで一つの系統の駆動モータを駆動する例を説明する。

そして、第１の燃料電池１０と第２の燃料電池１２と第２群の二次電池１６との電力が第２の系統のインバータ２５〜２８に供給される。つまり、第３の切換部１８−３のスイッチＳ₂₃と第４の切換部１８−４のスイッチＳ₂₄が閉じられて、インバータ２５〜２８が駆動され、右前部後輪ＲＦＲ駆動モータ３５、左前部後輪ＬＦＲ駆動モータ３６、右後部前輪ＲＲＦ駆動モータ３７、左後部前輪ＬＲＦ駆動モータ３８が駆動される。これらの駆動モータは、右前部、左前部、右後部、左後部にそれぞれ配置された車輪の駆動モータであるため、車両は走行を持続させることができる。

図６は本発明の第３態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。ここでは、二次電池の異常時に、一つの燃料電池からのバックアップで全ての駆動モータを駆動する例を説明する。
例えば、第１群の二次電池１４が異常状態になると、第１群の二次電池監視装置１５がこれを検知して、動力系統制御装置１９へ信号を送り、これを受けた動力系統制御装置１９の指示で第３の切換部１８−３のスイッチＳ₂₁が閉じて、第２の燃料電池１２の出力が第２群の二次電池１６の出力側へ供給されるようになる。つまり、第２群の二次電池１６を第２の燃料電池１２がバックアップする。

そこで、第２の燃料電池１２と第２群の二次電池１６との電力が各インバータ２１〜２８へ供給される。つまり、第２の切換部１８−２のスイッチＳ₁₆と第４の切換部１８−４のスイッチＳ₂₆とが閉じられて、インバータ２１〜２８は駆動され、全ての駆動モータ３１〜３８が駆動されて、車両は走行を持続させることができる。
このように、二次電池を適切に燃料電池でバックアップすることにより、二次電池の異常時にも円滑な車両の走行を継続させることができる。

なお、上記では、第１群の二次電池が異常状態となった例を示したが、第２群の二次電池が異常状態となった場合にも、同様である。また、上記第２態様では、第２の系統の駆動モータのみを駆動する例を示したが、同様に、第１の系統の駆動モータのみを駆動するようにしてもよい。
さらに、燃料電池の一方が異常である場合には、その異常状態をその燃料電池監視装置で検出して、動力系統制御装置の動作により切換装置を切り換えて、異常状態の燃料電池を除外した他の燃料電池のみを二次電池のバックアップのために用いるようにすることができる。

また、最悪の事態で、二系統の二次電池の両方が異常である場合には、その異常状態をその二次電池監視装置で検出して、動力系統制御装置の動作により切換装置を切り換えて、二系統の燃料電池のみで、駆動モータを駆動して、緊急避難的に車両を走行させることができる。
また、二次電池および燃料電池は車床に合理的に配置することができ、実装空間の利用度を高めることができる。

さらに、二次電池および燃料電池は、車床にバランスよく配備することができ、また、安定性のある床下荷重を得ることができ、安定な車両の走行に資することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の電気自動車の電源装置は、電源の異常時にも的確に対応することができ、走行の信頼性の高い電気自動車の電源装置として適している。

本発明の実施例を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。本発明の実施例を示す電気自動車の電源装置の模式図である。本発明の実施例を示す電気自動車の模式図である。本発明の第１態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。本発明の第２態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。本発明の第３態様を示す電気自動車の電源システムの全体構成図である。

１第１の燃料タンク
２，５燃料の供給経路
３，６逆止弁
４第２の燃料タンク
７燃料注入口
８，９燃料の送出管
１０第１の燃料電池
１１第１の燃料電池の監視装置
１２第２の燃料電池
１３第２の燃料電池の監視装置
１４第１群の二次電池（リチウムイオン電池）
１５第１群の二次電池監視装置
１６第２群の二次電池（リチウムイオン電池）
１７第２群の二次電池監視装置
１８電池の切換装置
１８−１第１の切換部
１８−２第２の切換部
１８−３第３の切換部
１８−４第４の切換部
１９動力系統制御装置
２０動力制御監視装置
２１〜２４第１の系統のインバータ
２５〜２８第２の系統のインバータ
３０モータ故障検知装置
３１右前部前輪（ＲＦＦ）駆動モータ
３２左前部前輪（ＬＦＦ）駆動モータ
３３右後部後輪（ＲＲＲ）駆動モータ
３４左後部後輪（ＬＲＲ）駆動モータ
３５右前部後輪（ＲＦＲ）駆動モータ
３６左前部後輪（ＬＦＲ）駆動モータ
３７右後部前輪（ＲＲＦ）駆動モータ
３８左後部前輪（ＬＲＦ）駆動モータ
４０車体
５０車床
５１第１のセンターフレーム
５２第２のセンターフレーム
５３第１のサイドフレーム
５４第２のサイドフレーム

Claims

燃料電池と二次電池を具備する電気自動車の電源装置において、燃料電池及び二次電池を二系統に分割するとともに、駆動系を右前部前輪、左前部前輪、右後部後輪及び左後部後輪駆動用モータの系統と、右前部後輪、左前部後輪、右後部前輪及び左後部前輪駆動用モータの系統とに分割し、前記二系統の燃料電池と前記二系統の二次電池の間及び前記二系統の二次電池と前記二系統の駆動系の間の接続を切換える電池の切換装置を設け、常時は、それぞれの系統別に、燃料電池で発電した電力により二次電池を充電して、駆動系を駆動し、前記二次電池の何れか一系統が故障したときは、前記切換装置を切換えて前記二系統の燃料電池の出力を正常な系統の二次電池に供給し、該正常な系統の二次電池により前記両系統の駆動系を駆動することを特徴とする電気自動車の電源装置。
請求項１記載の電気自動車の電源装置において、車床を構成する第１のセンターフレームと第２のセンターフレームには第１系統の二次電池と第２系統の二次電池とがそれぞれ搭載され、前記第１のセンターフレーム側の第１のサイドフレームに第１系統の燃料電池を、前記第２のセンターフレーム側の第２のサイドフレームに第２系統の燃料電池をそれぞれ収納することを特徴とする電気自動車の電源装置。
請求項２記載の電気自動車の電源装置において、前記第１のサイドフレームおよび前記第２のサイドフレームが方形中空フレームであることを特徴とする電気自動車の電源装置。