JP4870040B2

JP4870040B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP4870040B2
Application number: JP2007191232A
Authority: JP
Inventors: 邦明尾島; 響佐伯
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: JP2009027888A

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

近年、自動車の動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池で発電した電力を蓄電するとともにこの蓄電した電力を出力する蓄電装置と、燃料電池および蓄電装置から出力された電力により駆動するモータと、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、上述の燃料電池に接続されている。このＤＣ／ＤＣコンバータは、蓄電装置から出力される直流電圧を昇圧して出力する。
また、蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータとの間には、蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータとを断続するバッテリコンタクタが設けられている。
さらに、蓄電装置には、ＤＣ／ＤＣコンバータと並列に、補機などの電気負荷が接続され、この電気負荷は、蓄電装置から出力された電力で駆動する。

モータは、インバータを介して燃料電池に接続されている。このモータは、蓄電装置と並列になるように、燃料電池に接続される。インバータは、燃料電池および蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換してモータに供給する。

以上の燃料電池システムの動作は、以下のようになる。
燃料電池は、反応ガスが供給されると発電する。この燃料電池で発電した電力は、インバータで直流から交流に変換されてモータに供給され、この供給された電力により、モータが駆動する。また、燃料電池で発電した電力は、蓄電装置に蓄電され、この蓄電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された後、インバータを介してモータに供給される。
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作を制御することによって、モータに供給する電力を燃料電池と蓄電装置とで配分する。

ところで、このような燃料電池システムでは、モータを含む駆動系に異常が発生すると、インバータの動作を停止するようになっている。この場合、モータの回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電装置に流れるため、蓄電装置が過充電状態となってしまう。

そこで、この問題を解決するため、上述のバッテリコンタクタを開放することで、回生電力が蓄電装置に流れるのを防止する手法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１５９４０１号公報

しかしながら、蓄電装置には電気負荷が接続されているため、バッテリコンタクタを開放するだけでは、回生電力が蓄電装置に流れるのを防止できても、回生電力が電気負荷に流れるのを防止できないため、モータに回生トルクが発生して、車両が減速するおそれがあった。

本発明は、回生電力によるトルクの発生を防止できる車両を提供することを目的とする。

本発明の車両（例えば、後述の車両１）は、電力を蓄電するとともにこの蓄電した電力を出力する蓄電装置（例えば、後述のバッテリ１０）と、当該蓄電装置に接続されて当該蓄電装置から出力された電力を昇圧するコンバータ（例えば、後述のコンバータ２０）と、当該コンバータに接続されて電力を直流から交流に変換するインバータ（例えば、後述のインバータ４０）と、当該インバータに接続されて交流電力により駆動するモータ（例えば、後述のモータ５０）と、前記コンバータと並列になるように前記蓄電装置に接続される電気負荷（例えば、後述の電気負荷３０）と、前記モータを含む駆動系統の異常を検知すると、前記インバータの動作を停止するインバータ停止手段（例えば、後述のインバータ停止手段７１）と、を備えた車両であって、前記インバータ停止手段により前記インバータの動作が停止した場合には、前記コンバータの動作を停止するコンバータ停止手段（例えば、後述のコンバータ停止手段７２）をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、インバータの動作が停止した場合には、コンバータの動作を停止するコンバータ停止手段を設けた。よって、駆動系に異常が生じて、インバータの動作が停止しても、モータの回生電力は、コンバータにより遮断される。よって、回生電力によるトルクの発生を防止できる。

また、コンバータで遮断しない場合、回生電力が電気負荷に流れるのを防止するため、インバータとモータとを接続する三相線などに別途コンタクタを設ける必要があるが、コンバータ停止手段を設けたことにより、コンタクタの設置が不要となる。
また、電気負荷に回生電力が流れるのを防止できるので、電気負荷を構成するデバイスの耐圧性能を低く設定できるうえに、バッテリコンタクタの遮断性能を低く設定できる。

この場合、前記インバータには、前記コンバータと並列に発電装置が接続され、前記発電装置は、反応ガスを反応させて発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池６０）であることが好ましい。

この発明によれば、発電装置を反応ガスを反応させて発電する燃料電池として、燃料電池車両とした。
上述のように、インバータの動作が停止しても、簡易な構成で、回生電力によるトルクの発生を防止できるから、燃料電池車両の車両挙動を安定させつつ、軽量化、小型化、低コスト化を実現できる。

燃料電池車両では、蓄電装置に加えて燃料電池からもモータに電力が供給されるため、蓄電装置のみからモータに電力を供給した場合よりも、モータの回転数が上昇する。よって、インバータの動作が停止した場合、逆起電圧による回生電力は、蓄電装置から出力される電力に比べて、非常に大きくなる場合がある。
この場合、回生電力をバッテリコンダクタで遮断しようとした場合には、バッテリコンダクタに非常に高い遮断性能が要求されることになるが、この発明によれば、コンバータ停止手段を設けたので、バッテリコンダクタを高性能とする必要がなく、燃料電池車両の軽量化、小型化、低コスト化について大きな効果を期待できる。

本発明によれば、インバータの動作が停止した場合には、コンバータの動作を停止するコンバータ停止手段を設けた。よって、駆動系に異常が生じて、インバータの動作が停止しても、モータの回生電力は、コンバータにより遮断される。よって、回生電力によるトルクの発生を防止できる。また、コンバータで遮断しない場合、回生電力が電気負荷に流れるのを防止するため、インバータとモータとを接続する三相線などに別途にコンタクタを設ける必要があるが、コンバータ停止手段を設けたことにより、コンタクタの設置が不要となる。また、電気負荷に回生電力が流れるのを防止できるので、電気負荷を構成するデバイスの耐圧性能を低く設定できるうえに、バッテリコンタクタの遮断性能を低く設定できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両１のブロック図である。
車両１は、蓄電装置としてのバッテリ１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、電気負荷３０、インバータ４０、モータ５０、発電装置としての燃料電池６０、および制御装置７０を備える。

バッテリ１０は、電力を蓄電するとともにこの蓄電した電力を出力する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、バッテリ１０に接続されてこのバッテリ１０から出力された電力を昇圧する。
電気負荷３０は、バッテリ１０からの電力で駆動する複数のデバイスであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と並列になるように、バッテリ１０に接続される。電気負荷には、例えば、ダウンバータ、エアポンプ、エアコンが含まれる。

インバータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に接続されて電力を直流から交流に変換する。
モータ５０は、インバータ４０に接続されてこのインバータ４０から出力される交流電力により駆動する。

燃料電池６０は、反応ガスとしての水素ガスおよび空気が供給されると、電気化学反応により直流電力を発生させる。
この燃料電池６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と並列になるように、インバータ４０に接続される。

制御装置７０には、インバータ４０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０が接続され、インバータ停止手段７１と、コンバータ停止手段７２と、を備える。
インバータ停止手段７１は、モータ５０を含む駆動系統の異常を検知すると、インバータ４０の動作を停止する。ここで、駆動系統とは、モータ５０およびこのモータ５０の制御系統を意味する。
コンバータ停止手段７２は、インバータ停止手段７１によりインバータ４０の動作が停止した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作を停止する。

燃料電池６０とインバータ４０とは、コンタクタ２により断続される。また、燃料電池６０からインバータ４０に向かって順方向にダイオード３が設けられている。
また、バッテリ１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２０とは、バッテリコンタクタ４により断続される。

以上の車両１の動作は、以下のようになる。
燃料電池６０は、反応ガスが供給されると発電する。この燃料電池６０で発電した電力は、インバータ４０で直流から交流に変換されてモータ５０に供給され、この交流電力により、モータ５０が駆動する。また、燃料電池６０で発電した電力は、バッテリ１０に蓄電され、この蓄電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ４０を介して、モータ５０に供給される。
ここで、制御装置７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の昇圧動作を制御することによって、モータ５０に供給する電力を燃料電池６０とバッテリ１０とで配分する。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の回路図である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１トランジスタ２１、第２トランジスタ２２、第１ダイオード２３、第２ダイオード２４、リアクタ２５、第１抵抗２６、第２抵抗２７、第１平滑コンデンサ２８、および第２平滑コンデンサ２９を備える。
このＤＣ／ＤＣコンバータ２０には、正極側端子Ｐ１、Ｐ３および負極側端子Ｐ２、Ｐ４が設けられている。

リアクタ２５の一端側は、正極側端子Ｐ１に接続されている。
第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Mode Transistor）で構成される。第１トランジスタ２１のコレクタは、リアクタ２５の他端側に接続され、エミッタは、負極側端子Ｐ２、Ｐ４に接続され、ゲートは、図示しない制御回路に接続される。第２トランジスタ２２のコレクタは、正極側端子Ｐ３に接続され、エミッタは、リアクタ２５の他端側に接続され、ゲートは、図示しない制御回路に接続される。

また、第１トランジスタ２１のエミッタ・コレクタ間には、エミッタからコレクタに向かって順方向に第１ダイオード２３が接続され、第２トランジスタ２２のエミッタ・コレクタ間には、エミッタからコレクタに向かって順方向に第２ダイオード２４が接続される。

第１抵抗２６および第１平滑コンデンサ２８の一端側は、正極側端子Ｐ１に接続され、他端側は、負極側端子Ｐ２に接続される。
第２抵抗２７および第２平滑コンデンサ２９の一端側は、正極側端子Ｐ３に接続され、他端側は、負極側端子Ｐ４に接続される。

このＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、以下のように動作する。
すなわち、まず、第１トランジスタ２１および第２トランジスタ２２をオフ状態とし、正極側端子Ｐ１に直流電力を供給すると、この直流電力に応じた電圧が第１平滑コンデンサ２８に印加され、第１平滑コンデンサ２８の充電が開始される。

次に、第１平滑コンデンサ２８の充電が完了した後、第１トランジスタ２１をオンすると、正極側端子Ｐ１からリアクタ２５および第１トランジスタ２１を介して負極側端子Ｐ２に電流が流れる。この電流により、リアクタ２５は励磁され、磁気エネルギが蓄積される。

次に、第１トランジスタ２１をオフし、第２トランジスタ２２をオンすると、リアクタ２５に、蓄積された磁気エネルギにより逆起電力が発生する。この逆起電力は、第１平滑コンデンサ２８の電圧に重畳され、正極側端子Ｐ３から出力される。
このようにして、正極側端子Ｐ１の電圧が昇圧されて、正極側端子Ｐ３から出力される。

図３は、車両１の動作のタイミングチャートである。
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対して、バッテリ１０および電気負荷３０側を１次側とし、インバータ４０および燃料電池６０側を２次側と呼ぶ（図１参照）。

時刻ｔ０からｔ１までは、制御装置７０によりＤＣ／ＤＣコンバータ２０を駆動することで、２次側電圧は、目標電圧Ｖ２となるように制御されている。このとき、１次側電圧は、Ｖ０となっている。
その後、時刻ｔ１において、駆動系に異常（フェイル）が発生してインバータが停止したときに、回生電力により逆起電圧が発生すると、２次側電圧は上昇を開始する。このとき、２次側電圧が目標電圧Ｖ２よりも高くなるため、２次側電圧を低下させようとして、１次側に充電電流が流れる。その結果、時刻ｔ１において、１次側電圧も上昇を開始する。

一方、時刻ｔ２において、制御装置７０は、フェイルが発生したことを、フェイル情報として検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作の停止指令を出力する。

その後、時刻ｔ３において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が停止する。すると、１次側に充電電流が流れなくなり、１次側電圧の上昇が停止し、Ｖ１となる。
時刻ｔ４において、２次側電圧はＶ３となるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が停止したため、１次側電圧は、依然としてＶ１となっている。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）インバータ４０の動作が停止した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止するコンバータ停止手段７２を制御装置７０に設けた。よって、駆動系に異常が生じて、インバータ４０の動作が停止しても、モータ５０の回生電力は、コンバータ２０により遮断される。よって、回生電力によるトルクの発生を防止できる。

また、コンバータで遮断しない場合、回生電力が電気負荷に流れるのを防止するため、インバータとモータとを接続する三相線などに別途にコンタクタを設ける必要があるが、コンバータ停止手段７２を設けたことにより、コンタクタの設置が不要となる。
また、電気負荷３０に回生電力が流れるのを防止できるので、電気負荷３０を構成するデバイスの耐圧性能を低く設定できるうえに、バッテリコンタクタ４の遮断性能を低く設定できる。

（２）燃料電池車両１を、反応ガスを反応させて発電する燃料電池を含んで構成した。よって、上述のように、インバータ４０の動作が停止しても、簡易な構成で、回生電力によるトルクの発生を防止でき、燃料電池車両１の車両挙動を安定させつつ、軽量化、小型化、低コスト化を実現できる。

また、燃料電池車両１では、バッテリ１０に加えて燃料電池６０からもモータ５０に電力が供給されるため、バッテリのみからモータに電力を供給した場合よりも、モータ５０の回転数が上昇する。よって、インバータ４０の動作が停止した場合、逆起電圧による回生電力は、バッテリから出力される電力に比べて、非常に大きくなる場合がある。
この場合、回生電力をバッテリコンダクタで遮断しようとした場合には、バッテリコンダクタに非常に高い遮断性能が要求されることになるが、この発明によれば、コンバータ停止手段を設けたので、バッテリコンダクタ４を高性能とする必要がなく、燃料電池車両１の軽量化、小型化、低コスト化について大きな効果を期待できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る車両のブロック図である。前記実施形態の車両を構成するコンバータの回路図である。前記実施形態の動作のタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池車両（車両）
１０バッテリ（蓄電装置）
２０コンバータ
３０電気負荷
４０インバータ
５０モータ
６０燃料電池
７１インバータ停止手段
７２コンバータ停止手段

Claims

電力を蓄電するとともにこの蓄電した電力を出力する蓄電装置と、
当該蓄電装置に接続されて当該蓄電装置から出力された電力を昇圧して出力するコンバータと、
当該コンバータに接続されて電力を直流から交流に変換するインバータと、
当該インバータに接続されて交流電力により駆動するモータと、
前記コンバータと並列になるように前記蓄電装置に接続される電気負荷と、
前記モータを含む駆動系統の異常を検知すると、前記インバータの動作を停止するインバータ停止手段と、
前記インバータに、前記コンバータと並列に接続された燃料電池と、
前記燃料電池から前記インバータに向かって順方向に設けられたダイオードと、を備え、
前記燃料電池と前記蓄電装置からの電力をモータに供給し駆動される燃料電池車両であって、
前記インバータ停止手段により前記インバータの動作が停止した場合には、前記コンバータの動作を停止するコンバータ停止手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池車両。
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記コンバータ停止手段は、前記モータ側から前記蓄電装置および前記電気負荷側に電流が流れなくなるように前記コンバータの動作を停止することを特徴とする燃料電池車両。