JP5115152B2

JP5115152B2 - 燃料電池搭載車両

Info

Publication number: JP5115152B2
Application number: JP2007288482A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: JP2009113623A

Description

本発明は、燃料電池が床下に配置された燃料電池搭載車両に関する。

燃料電池から供給される電力によってモータを駆動し走行する車両が開発されている。また、燃料電池によってアクセサリ機器等の補機を駆動する車両が開発されている。燃料電池は、水素等の燃料に化学反応を起こさせることによって発電する。燃料電池が発電を行うためには、燃料供給ポンプ等の燃料電池用補機を駆動する必要がある。燃料電池用補機は、燃料電池とは別に設けられた二次電池等から供給される電力によって駆動され、燃料電池の発電を促進する。

二次電池は充放電の繰り返しが可能な電池であり、主に走行駆動用モータに電力を供給するものであるが、燃料電池用補機、その他の車両アクセサリ機器にも電力を供給する。燃料電池に加えて二次電池を備えることによって、十分な走行用エネルギーを確保すると共に、燃料電池の発電に必要な機器を駆動することができる。

特開２００５−３０６０７９号公報特開２００５−１２８９０号公報

電動自動車では、モータ、燃料電池、および燃料電池用補機を電動自動車前方のエンジンコンパートメントに配置することで、これらの電気配線を単純化することができる。電動自動車の後方に設けられた二次電池とエンジンコンパートメントに配置された回路とは、電力供給ケーブルで接続される。

ところが、車種によってはエンジンコンパートメントの容積を小さくし車室を広くする必要がある。この場合、モータをエンジンコンパートメントに配置しつつ、燃料電池および燃料電池用補機を床下に設けることが好ましい。しかし、このような構成とすると、エンジンコンパートメントから床下の燃料電池等に至る電気配線数が増加し、電気配線が複雑となるという問題があった。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、燃料電池等を床下に設けた燃料電池搭載車両において、電気配線を単純化することを目的とする。

本発明は、車両駆動モータに電力を供給する二次電池と、前記二次電池から前記モータに供給される電力を調整する二次電池電力調整回路と、前記モータに電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池の発電を補助する燃料電池用補機と、前記二次電池から前記燃料電池用補機に供給される電力を調整する補機用電力調整回路と、を備える燃料電池搭載車両において、前記燃料電池と、前記燃料電池用補機と、前記補機用電力調整回路と、は、前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、前記燃料電池搭載車両は、前記二次電池から引き出された電力供給ケーブルを前記補機用電力調整回路および前記二次電池電力調整回路へと分配する分配回路を床下に備え、さらに、前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、前記燃料電池から前記モータに供給される電力を調整する燃料電池電力調整回路と、前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、前記燃料電池電力調整回路および前記補機用電力調整回路に対して共通の放熱手段と、前記燃料電池搭載車両のエンジンコンパートメントに設けられたインバータ回路と、
を備え、前記燃料電池電力調整回路は、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力し、前記インバータ回路は、前記燃料電池電力調整回路、前記二次電池電力調整回路、および前記車両駆動モータに接続され、前記燃料電池電力調整回路、および前記二次電池電力調整回路から出力された各直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を前記モータに出力することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、前記放熱手段は、冷媒を流通させる冷媒経路を有し、前記冷媒経路は、前記補機用電力調整回路から熱を奪った冷媒が前記燃料電池電力調整回路から熱を奪うよう、配置されることが好適である。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、前記放熱手段は、前記燃料電池を収納する収納ケースであり、さらに、前記燃料電池電力調整回路および前記補機用電力調整回路を収納することが好適である。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、前記収納ケースは、走行風を取り込む走行風取り込み口を有し、前記走行風取り込み口は、前記補機用電力調整回路から熱を奪った走行風によって前記燃料電池電力調整回路が冷却されるよう、前記収納ケースに配置されることが好適である。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、前記燃料電池用補機は、燃料電池用水素ポンプまたは燃料電池用冷却水ポンプのうち少なくともいずれかを含むことが好適である。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、車室内温度調整用のエアコンディショナに用いられるエアコンポンプを備え、前記補機用電力調整回路は、前記二次電池から前記エアコンポンプに供給される電力を調整することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池搭載車両においては、前記二次電池電力調整回路は、前記燃料電池搭載車両の前方に設けられ、前記二次電池は、前記燃料電池搭載車両の後方に設けられることが好適である。

本発明によれば、燃料電池等を床下に設けた燃料電池搭載車両において電気配線を単純化することができる。

図１に本発明の実施形態に係る電動自動車の構成を示す。本発明の実施形態に係る電動自動車は、モータ１４をエンジンコンパートメント３８に、燃料電池１０およびその周辺機器を床下に、二次電池１２を後方のトランクルーム１６に、それぞれ配置したものである。

二次電池１２は、電動自動車後方のトランクルーム１６の底面に配置される。燃料電池１０、燃料電池１０の発電を補助する水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０、燃料電池１０からモータ１４に供給される電力を調整する燃料電池コンバータ回路２２、二次電池１２から各ポンプに供給される電力を調整する補機用電力調整回路２４、ならびに二次電池１２から引き出された電力供給ケーブル２６Ａを分配する分配回路２８は防水収納ケース３２に収納される。防水収納ケース３２はシャーシ３０の床下面に取り付けられる。

また、二次電池１２からモータ１４に供給される電力を調整する二次電池コンバータ回路３４、二次電池コンバータ回路３４および燃料電池コンバータ回路２２の各直流出力電圧を交流電圧に変換してモータ１４に出力するインバータ回路３６、ならびにモータ１４は、電動自動車の前方のエンジンコンパートメント３８に配置される。

二次電池１２に接続された１対の電力供給ケーブル２６Ａは、トランクルーム１６からシャーシ３０を通して引き出され、防水収納ケース３２内に入り分配回路２８に接続される。分配回路２８は１対の電極板によって構成することが好適である。また、電力供給ケーブル２６Ａと分配回路２８との接続構造としては、電力供給ケーブル２６Ａの先端に円環状端子を取り付け、円環状端子を通るネジによって電力供給ケーブル２６Ａを電極板に固定する構造が好適である。分配回路２８は電力供給ケーブル２６Ａを２対に分配する。分配された電力供給ケーブル２６Ａの一方の対は、補機用電力調整回路２４に接続される。そして、他方の対は、防水収納ケース３２から引き出され、シャーシ３０を通ってエンジンコンパートメント３８内に入り、二次電池コンバータ回路３４に接続される。このような電気配線によって、二次電池１２の出力電圧を、補機用電力調整回路２４および二次電池コンバータ回路３４に印加することができる。

二次電池コンバータ回路３４は、二次電池１２によって印加された電圧の大きさを調整しインバータ回路３６に出力する。インバータ回路３６は二次電池コンバータ回路３４の直流出力電圧を交流電圧に変換し、モータ１４に出力する。

補機用電力調整回路２４は、二次電池１２によって印加された電圧を調整し、水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０に出力する。水素ポンプ１８は、補機用電力調整回路２４から供給される電力によって燃料電池１０に水素を供給し、冷却水ポンプ２０は、補機用電力調整回路２４から供給される電力によって燃料電池１０に設けられた冷却管に冷却水を循環させる。

燃料電池１０に接続された電力供給ケーブル２６Ｂは、燃料電池コンバータ回路２２の入力端子に接続される。また、燃料電池コンバータ回路２２の出力端子に接続された電力供給ケーブル２６Ｂは防水収納ケース３２からシャーシ３０を通して引き出され、エンジンコンパートメント３８内に入りインバータ回路３６に接続される。

燃料電池１０は、水素ポンプ１８から供給される水素を用いて発電し、発電電圧を燃料電池コンバータ回路２２に出力する。また、冷却水ポンプ２０によって循環する冷却水によって、燃料電池１０の温度は発電に適した温度範囲内に維持される。

燃料電池コンバータ回路２２は、燃料電池１０から出力された電圧の大きさを調整しインバータ回路３６に出力する。インバータ回路３６は燃料電池コンバータ回路２２の直流出力電圧を交流電圧に変換しモータ１４に出力する。

モータ１４は、インバータ回路３６から出力された交流電圧に基づいて車輪４０を回転させ、電動自動車を走行させる。モータ１４の誘導起電力とインバータ回路３６の出力電圧との大小関係に応じ、モータ１４は車両を加速しまたは制動する。モータ１４が電動自動車を制動している場合、モータ１４の制動発電電力は、インバータ回路３６、二次電池コンバータ回路３４、および分配回路２８を介して二次電池１２に供給され、二次電池１２が充電される。

本実施形態に係る電動自動車では、燃料電池１０をエンジンコンパートメント３８ではなく、床下に配置する。これによって、エンジンコンパートメント３８の容積を小さくし、車室の容積を大きくすることができる。

さらに、本実施形態に係る電動自動車では、燃料電池１０と共に水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０を床下に配置する。このような構成によれば、水素ポンプ１８から燃料電池１０に至る水素の配管を短くすることができ、冷却水ポンプ２０から燃料電池１０に至る冷却水管を短くすることができる。これによって、燃料電池１０に供給される水素の温度変動を小さくすることができ、燃料電池１０に供給される水素の温度を発電のために最適な範囲内に維持することができる。さらに、冷却水管での冷却水の温度が低下し過ぎることを回避することができる。

また、本実施形態に係る電動自動車では、燃料電池１０と共に燃料電池コンバータ回路２２を床下に配置する。このような構成によれば、燃料電池コンバータ回路２２と燃料電池１０とを接続する電力供給ケーブル２６Ｂを短くすることができる。燃料電池コンバータ回路２２を昇圧コンバータとする場合、燃料電池コンバータ回路２２のインバータ回路３６側の端子間電圧は、燃料電池１０側の端子間電圧よりも大きい。そして、燃料電池コンバータ回路２２とインバータ回路３６とを接続する電力供給ケーブル２６Ｂに流れる電流よりも、燃料電池コンバータ回路２２と燃料電池１０とを接続する電力供給ケーブル２６Ｂに流れる電流の方が電流値が大きい。したがって、燃料電池コンバータ回路２２と燃料電池１０とを接続する電力供給ケーブル２６Ｂを短くすることによって、燃料電池１０からインバータ回路３６に電力が供給されるまでのジュール熱損失を低減することができる。

従来の電動自動車では、補機用電力調整回路２４がエンジンコンパートメント３８内に配置されていた。そのため、水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０を燃料電池１０と共に床下に配置する場合、エンジンコンパートメント３８と床下との間には、補機用電力調整回路２４から水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０に電力を供給するための導線が設けられることとなる。これによって、エンジンコンパートメント３８と床下との間の電気配線が複雑となるという問題が生ずる。

本実施形態に係る電動自動車では、床下に設けられた防水収納ケース３２内に補機用電力調整回路２４を設けている。そして、二次電池１２から引き出された電力供給ケーブル２６Ａを分配する分配回路２８を防水収納ケース３２内に設け、分配された電力供給ケーブル２６Ａに補機用電力調整回路２４を接続する構成としている。

このような構成によって、補機用電力調整回路２４と水素ポンプ１８との間の電気配線、および補機用電力調整回路２４と冷却水ポンプ２０との間の電気配線を、防水収納ケース３２の内部で行うことができる。これによって、エンジンコンパートメント３８と床下との間の電気配線を単純化することができる。

なお、上記では、燃料電池１０、水素ポンプ１８、冷却水ポンプ２０、燃料電池コンバータ回路２２、補機用電力調整回路２４、および分配回路２８を防水収納ケース３２に収納する構成について説明した。このような構成の他、これらの床下配置機器のいずれかを、床下に配置された別のケースに収納する構成としてもよい。図２に、シャーシ３０の床下面に設けられた電力調整回路用防水ケース４２に補機用電力調整回路２４および分配回路２８を収納した電動自動車の構成を示す。図１に示す構成部と同一の構成部については、同一の符号を付してその説明を省略する。

二次電池１２に接続された１対の電力供給ケーブル２６Ａは、トランクルーム１６からシャーシ３０を通して引き出され電力調整回路用防水ケース４２内に入り分配回路２８に接続される。分配回路２８は電力供給ケーブル２６Ａを２対に分配する。分配された電力供給ケーブル２６Ａの一方の対は、電力調整回路用防水ケース４２内の補機用電力調整回路２４に接続される。そして、他方の対は、電力調整回路用防水ケース４２から引き出され、シャーシ３０を通ってエンジンコンパートメント３８内に入り二次電池コンバータ回路３４に接続される。なお、図２の構成では、分配回路２８が電力調整回路用防水ケース４２に収納されているが、分配回路２８を防水収納ケース３２に収納してもよい。

図３に本発明の応用例に係る防水収納ケース内機器の構成を示す。この応用例は、燃料電池コンバータ回路２２および補機用電力調整回路２４に対して共通の放熱装置４４を設けたものである。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

放熱装置４４は、放熱装置ケース４６、電力回路放熱フィン４８、および冷媒管５０を備える。冷媒管５０内部を流通する冷媒としては、水の他、フロン、アンモニア等の気体を用いることができる。ここでは冷媒として水を用いた場合について説明する。

燃料電池コンバータ回路２２および補機用電力調整回路２４は、放熱装置４４の放熱装置ケース４６に接するよう配置される。例えば、これらの回路がＩＧＢＴ等のスイッチング素子を備える場合には、スイッチング素子を放熱装置４４に固定する構成とすることが好ましい。

放熱装置ケース４６内に入った冷媒管５０は、補機用電力調整回路２４の近傍を通った後、燃料電池コンバータ回路２２の近傍を通り、放熱装置ケース４６の外側へと引き出される。冷媒管５０の入口５０Ａに流れ込んだ冷却水は、補機用電力調整回路２４の近傍を通過して補機用電力調整回路２４から熱を奪う。これによって、補機用電力調整回路２４を冷却することができる。補機用電力調整回路２４の近傍を通過した冷却水は、燃料電池コンバータ回路２２の近傍を通過して燃料電池コンバータ回路２２から熱を奪う。これによって、燃料電池コンバータ回路２２を冷却することができる。燃料電池コンバータ回路２２の近傍を通過した冷却水は、冷媒管５０の出口５０Ｂから放出される。

放熱装置ケース４６および電力回路放熱フィン４８は、補機用電力調整回路２４および燃料電池コンバータ回路２２から熱を奪い周囲の空気に放出する。

本応用例では、放熱装置４４が燃料電池コンバータ回路２２および補機用電力調整回路２４の放熱を促す。放熱手段を燃料電池コンバータ回路２２および補機用電力調整回路２４に対して共通化することにより、防水収納ケース３２を小型化し、電動自動車の床下のスペースを節約することができる。

さらに、本応用例では、補機用電力調整回路２４が冷媒管５０の入口５０Ａ側に配置され、燃料電池コンバータ回路２２が冷媒管５０の出口５０Ｂ側に配置される。電動自動車では、水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０の消費電力の方がモータ１４の消費電力よりも小さい。そのため、補機用電力調整回路２４の発熱量は燃料電池コンバータ回路２２の発熱量よりも小さい。したがって、補機用電力調整回路２４を冷媒管５０の入口５０Ａ側に配置したとしても、燃料電池コンバータ回路２２近傍に至るまでの冷却水の温度上昇は小さい。これによって、補機用電力調整回路２４および燃料電池コンバータ回路２２に対する放熱効果を高めることができる。

また、応用例に係る図３の構成では、走行中に風が当たる電動自動車の部位に防水収納ケース３２を配置し、防水収納ケース３２そのものを放熱器とすることができる。この場合、防水収納ケース３２には図３に示すように防水収納ケース用放熱フィン５２を取り付けることが好ましい。

防水収納ケース３２を放熱器とする場合、さらに、図４に示すように防水収納ケース３２に走行風取り込み口５４および走行風送り出し口５６を設けることが好適である。図４に示される図３の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。図４において、走行風取り込み口５４は防水収納ケース３２の左側に設けられ、走行風送り出し口５６は防水収納ケース３２の右側に設けられている。

防水収納ケース３２は、走行風取り込み口５４が設けられている側が電動自動車の前方を向くよう電動自動車に取り付けられる。補機用電力調整回路２４は走行風取り込み口５４の近傍に配置され、燃料電池コンバータ回路２２は補機用電力調整回路２４の走行風送り出し口５６側に配置される。

電動自動車が前進走行すると、走行風は走行風取り込み口５４から防水収納ケース３２内に入り込む。走行風は、補機用電力調整回路２４から熱を奪った後、燃料電池コンバータ回路２２が配置されている位置まで送り込まれ、燃料電池コンバータ回路２２から熱を奪う。燃料電池コンバータ回路２２から熱を奪った走行風は、走行風送り出し口５６から送出される。

このような構成では、走行風取り込み口５４から防水収納ケース３２に入った走行風は、先に補機用電力調整回路２４から熱を奪った後に、燃料電池コンバータ回路２２から熱を奪う。上述のように、補機用電力調整回路２４の発熱量は燃料電池コンバータ回路２２の発熱量よりも小さい。したがって、補機用電力調整回路２４を走行風取り込み口５４の近傍に設けたとしても、燃料電池コンバータ回路２２近傍に至るまでの走行風の温度上昇は小さい。これによって、補機用電力調整回路２４および燃料電池コンバータ回路２２に対する放熱効果を高めることができる。

上記では、補機用電力調整回路２４が水素ポンプ１８および冷却水ポンプ２０に電力を供給する構成について説明した。補機用電力調整回路２４は、電動自動車が備えるウインカ、ヘッドライト、ルームライト、エアコンディショナ、オーディオ機器等のアクセサリ機器に電力を供給することができる。例えば、車室内温度調整用のエアコンディショナを備えている場合には、エアコンディショナの冷媒を循環させるエアコンポンプを床下に配置し、補機用電力調整回路２４からエアコンポンプに電力を供給することができる。

また、本発明は、エンジンコンパートメント３８にモータ１４のみならずエンジンを設け、走行状態に応じてモータ１４またはエンジンの少なくともいずれかの駆動力で走行するハイブリッド自動車に用いることができる。また、エンジン駆動力のみによって走行するエンジン駆動自動車では、アクセサリ機器等を燃料電池の電力で駆動する場合がある。燃料電池１０、水素ポンプ１８、冷却水ポンプ２０、燃料電池コンバータ回路２２等を床下に配置する上記の構成は、エンジン駆動自動車に用いることができる。

本発明の実施形態に係る電動自動車の構成を示す図である。電力調整回路用防水ケースに補機用電力調整回路および分配回路を収納した電動自動車の構成を示す図である。応用例に係る防水収納ケース内機器の構成を示す図である。走行風取り込み口および走行風送り出し口を設けた防水収納ケース、およびその内部機器の構成を示す図である。

符号の説明

１０燃料電池、１２二次電池、１４モータ、１６トランクルーム、１８水素ポンプ、２０冷却水ポンプ、２２燃料電池コンバータ回路、２４補機用電力調整回路、２６Ａ，２６Ｂ電力供給ケーブル、２８分配回路、３０シャーシ、３２防水収納ケース、３４二次電池コンバータ回路、３６インバータ回路、３８エンジンコンパートメント、４０車輪、４２電力調整回路用防水ケース、４４放熱装置、４６放熱装置ケース、４８電力回路放熱フィン、５０冷媒管、５０Ａ入口、５０Ｂ出口、５２防水収納ケース用放熱フィン、５４走行風取り込み口、５６走行風送り出し口。

Claims

車両駆動モータに電力を供給する二次電池と、
前記二次電池から前記モータに供給される電力を調整する二次電池電力調整回路と、
前記モータに電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の発電を補助する燃料電池用補機と、
前記二次電池から前記燃料電池用補機に供給される電力を調整する補機用電力調整回路と、
を備える燃料電池搭載車両において、
前記燃料電池と、前記燃料電池用補機と、前記補機用電力調整回路と、は、
前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、
前記燃料電池搭載車両は、
前記二次電池から引き出された電力供給ケーブルを前記補機用電力調整回路および前記二次電池電力調整回路へと分配する分配回路を床下に備え、さらに、
前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、前記燃料電池から前記モータに供給される電力を調整する燃料電池電力調整回路と、
前記燃料電池搭載車両の床下に設けられ、前記燃料電池電力調整回路および前記補機用電力調整回路に対して共通の放熱手段と、
前記燃料電池搭載車両のエンジンコンパートメントに設けられたインバータ回路と、
を備え、
前記燃料電池電力調整回路は、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記インバータ回路に出力し、
前記インバータ回路は、前記燃料電池電力調整回路、前記二次電池電力調整回路、および前記車両駆動モータに接続され、前記燃料電池電力調整回路、および前記二次電池電力調整回路から出力された各直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を前記モータに出力することを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項１に記載の燃料電池搭載車両において、
前記放熱手段は、
冷媒を流通させる冷媒経路を有し、
前記冷媒経路は、
前記補機用電力調整回路から熱を奪った冷媒が前記燃料電池電力調整回路から熱を奪うよう、配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項１に記載の燃料電池搭載車両において、
前記放熱手段は、
前記燃料電池を収納する収納ケースであり、さらに、前記燃料電池電力調整回路および前記補機用電力調整回路を収納することを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項３に記載の燃料電池搭載車両において、
前記収納ケースは、
走行風を取り込む走行風取り込み口を有し、
前記走行風取り込み口は、
前記補機用電力調整回路から熱を奪った走行風によって前記燃料電池電力調整回路が冷却されるよう、前記収納ケースに配置されることを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池搭載車両において、
前記燃料電池用補機は、
燃料電池用水素ポンプまたは燃料電池用冷却水ポンプのうち少なくともいずれかを含むことを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池搭載車両において、
車室内温度調整用のエアコンディショナに用いられるエアコンポンプを備え、
前記補機用電力調整回路は、
前記二次電池から前記エアコンポンプに供給される電力を調整することを特徴とする燃料電池搭載車両。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池搭載車両において、
前記二次電池電力調整回路は、
前記燃料電池搭載車両の前方に設けられ、
前記二次電池は、
前記燃料電池搭載車両の後方に設けられることを特徴とする燃料電池搭載車両。