JP5198219B2 - ハイブリッド直流電源システム及び燃料電池車両 - Google Patents

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Description

この発明は、機器のメインスイッチをオフ状態にしたとき、直流電源の平滑コンデンサの残電荷を強制的に放電するDC/DCコンバータ装置、燃料電池車両、電気自動車、及びハイブリッド直流電源システム並びに該システムにおけるコンデンサの放電方法に関する。
機器のメインスイッチがオフ状態にされたとき、直流電源の平滑コンデンサの残電荷を強制的に放電するインバータ用平滑コンデンサの放電装置が提案されている(特許文献1)。
この特許文献1に係る技術では、バッテリからの直流電力がメインスイッチを介して入力に平滑コンデンサが配されたインバータに供給され、該インバータによりモータが駆動されるように構成される。
この放電装置では、前記メインスイッチがオフ状態にされたとき、前記インバータを通じてモータ巻線に通電し前記平滑コンデンサの残電荷を放電するように構成されている。この場合、前記残電荷は、前記モータ巻線の抵抗を通じて熱に変換される。
特許第3289567号公報
しかしながら、特許文献1に係る技術では、前記メインスイッチがオフ状態にされ、前記モータ巻線に通電するとき、モータに駆動トルクや振動が発生しないようにするため、電流センサや回転子位置センサを利用した複雑な制御が必要となる。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡単な制御で平滑コンデンサの残電荷を短時間に放電することを可能とするDC/DCコンバータ装置、燃料電池車両、電気自動車、及びハイブリッド直流電源システム並びに該システムにおけるコンデンサの放電方法を提供することを目的とする。
この発明に係るDC/DCコンバータ装置は、第1電力装置が接続される1次側平滑コンデンサと第2電力装置が接続される2次側平滑コンデンサとの間に、電圧変換を行うスイッチング素子が配されたDC/DCコンバータ装置であって、前記スイッチング素子に駆動信号を供給する制御部と、前記制御部に電気を供給する第3電力装置と、を備え、前記制御部は、前記第1電力装置及び前記第2電力装置が非接続とされたとき以降に、前記1次側平滑コンデンサ及び前記2次側平滑コンデンサの電荷を放電するために前記スイッチング素子に前記駆動信号を供給し、前記スイッチング素子をスイッチングさせることを特徴とする。
この発明によれば、第1電力装置及び第2電力装置が非接続とされたとき以降に、1次側平滑コンデンサ及び2次側平滑コンデンサの電荷を放電するためにスイッチング素子に駆動信号を供給し、前記スイッチング素子をスイッチングさせる。この場合、スイッチング素子のオン時に、オンしているスイッチング素子に対して、1次側平滑コンデンサ又は2次側平滑コンデンサから残電荷が電流として通流する。このとき、スイッチング素子は熱を発生し、前記残電荷が熱に変換される。
したがって、自然放電に比較してきわめて短時間に残電荷を放電することができ、1次側平滑コンデンサ及び2次側平滑コンデンサの端子電圧を迅速に低下させることができる。また、放電時にスイッチング素子をスイッチングさせる制御であるので、放電のために特別の制御が不要で、制御がきわめて簡単である。
この発明は、前記DC/DCコンバータ装置の前記第1電力装置を蓄電装置とし、前記第2電力装置を燃料電池としたハイブリッド直流電源システムに適用できる。
ここで、前記ハイブリッド直流電源システムの前記第2電力装置として、前記燃料電池の他、該燃料電池に並列的に接続され回生電力を発生するインバータ駆動のモータが含まれ、前記インバータの入力側の平滑コンデンサが前記2次側平滑コンデンサの一部とされた燃料電池車両にも適用できる。
さらに、この発明は、前記DC/DCコンバータ装置の前記第1電力装置が蓄電装置とされ、前記第2電力装置が回生電力を発生するインバータ駆動のモータを有する電気自動車にも適用できる。
モータを駆動するインバータを備える燃料電池車両又は電気自動車において、平滑コンデンサの残容量の放電時にインバータを駆動する必要がない。
また、この発明に係るハイブリッド直流電源システムは、蓄電装置が第1コンタクタを通じて接続される1次側平滑コンデンサと燃料電池が第2コンタクタを通じて接続される2次側平滑コンデンサとの間に、電圧変換を行うスイッチング素子が配されたDC/DCコンバータ装置を備えるハイブリッド直流電源システムであって、当該ハイブリッド直流電源システムをオンオフするメインスイッチと、前記第1及び第2コンタクタの開閉を切り替えるとともに、前記スイッチング素子に駆動信号を供給し、さらに前記燃料電池への反応ガスの供給と停止を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記メインスイッチがオン状態からオフ状態にされたとき、前記第1コンタクタを開に切り替えるとともに前記燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で、前記スイッチング素子をスイッチングさせることで前記燃料電池から電流を引き抜き前記燃料電池に残存する反応ガスを消費させ、その後、前記第2コンタクタを開に切り替え前記スイッチング素子をスイッチングさせることを特徴とする。
このように、燃料電池から電流を引き抜くことで燃料電池に残存する反応ガスを消費させた後、燃料電池がDC/DCコンバータ装置と非接続になるよう制御することで、燃料電池を保護することができる。また、燃料電池の放電抵抗器を省略乃至高抵抗とすることができる。
この発明は、前記ハイブリッド直流電源システムの前記燃料電池に並列的に、回生電力を発生するインバータ駆動のモータが接続され、前記インバータの入力側の平滑コンデンサが前記2次側平滑コンデンサの一部とされた燃料電池車両に適用することができる。
この発明に係るハイブリッド直流電源システムにおけるコンデンサの放電方法は、第1電力装置が接続される1次側平滑コンデンサと第2電力装置が接続される2次側平滑コンデンサとの間に、電圧変換を行うスイッチング素子が配されたDC/DCコンバータを配し、前記スイッチング素子に駆動信号を供給して、前記DC/DCコンバータにより電圧変換させ、前記第1電力装置及び前記第2電力装置を非接続とし、その後、前記1次側平滑コンデンサ及び前記2次側平滑コンデンサの電荷を放電するために前記スイッチング素子に前記駆動信号を供給して前記スイッチング素子をスイッチングさせることを特徴とする。
この発明によれば、第1電力装置及び第2電力装置が非接続とされたとき以降に、1次側平滑コンデンサ及び2次側平滑コンデンサの電荷を放電するためにスイッチング素子に駆動信号を供給し、前記スイッチング素子をスイッチングさせて、1次側平滑コンデンサ又は2次側平滑コンデンサの残電荷を放電する。したがって、自然放電に比較してきわめて短時間に残電荷を放電することができ、1次側平滑コンデンサ及び2次側平滑コンデンサの端子電圧を短時間に低下させることができる。また、放電時にスイッチング素子をスイッチングさせる制御であるので放電のために特別の制御が不要で、制御がきわめて簡単である。
この発明によれば、DC/DCコンバータの入出力側に設けられた1次側及び2次側の平滑コンデンサの残電荷を、簡単な制御で、且つ短時間に放電することができる。
以下、この発明に係るDC/DCコンバータ装置の一実施形態、この発明に係るハイブリッド直流電源システムの一実施形態、及びこの発明の燃料電池車両の一実施形態が適用され、さらに、この発明に係るコンデンサの放電方法を実施する一実施形態の燃料電池車両について図面を参照して説明する。
図1に示すこの実施形態に係る燃料電池車両20は、基本的には、燃料電池22(FC)と蓄電装置(バッテリという。)24とから構成されるハイブリッド直流電源システム10と、このハイブリッド直流電源システム10からの電流(電力)がインバータ34を通じて供給される負荷としての走行用のモータ26と、バッテリ24が接続される1次側1Sと、燃料電池22とモータ26(インバータ34)とが接続される2次側2Sとの間で昇降圧の電圧変換を行うDC/DCコンバータ36と、これらを制御するECU(Electronic Control Unit)である制御部54とから構成される。
ECUは、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)やメモリの他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時手段等を有しており、CPUがメモリに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部として動作する。
モータ26の回転は、トランスミッション12及びシャフトを通じて車輪16に伝達され、車輪16を回転させる。
燃料電池22は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造である。燃料電池22には、燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、空気)の両反応ガスを供給する反応ガス供給システム30が配管を介して接続されている。
燃料電池22内で両反応ガスの電気化学反応により生成され流し出される発電電流は、インバータ34及び(又は)DC/DCコンバータ36側に供給される。
インバータ34は、直流/交流変換を行いモータ26にモータ電流を供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後のモータ電流を2次側2SからDC/DCコンバータ36を通じて1次側1Sに供給する。
この場合、回生電圧又は発電電圧である2次電圧V2がDC/DCコンバータ36により低電圧に変換された1次電圧V1によりバッテリ24に充電電流が流し込まれる。
1次側1Sに接続されるバッテリ24は、例えばリチウムイオン2次電池又はキャパシタを利用することができる。
その一方、バッテリ24は、DC/DCコンバータ36を通じてインバータ34にモータ電流を供給するための放電電流を流し出す。
バッテリ24と1次側平滑コンデンサC1aとの間には連動の第1コンタクタ61が挿入され、燃料電池22と2次側平滑コンデンサC2aとの間にも連動の第2コンタクタ62が挿入される。
第1及び第2コンタクタ61、62は、それぞれ制御部54により開閉される。
DC/DCコンバータ36の1次側1S及び2次側2Sには、それぞれ、1次側平滑コンデンサC1bと2次側平滑コンデンサC2bとが接続されている。
1次側平滑コンデンサC1aと1次側平滑コンデンサC1bとを合わせて1次側平滑コンデンサC1(C1a、C1b、及びC1をそれぞれ静電容量と考えれば、C1=C1a+C2b)といい、2次側平滑コンデンサC2aと2次側平滑コンデンサC2bとを合わせて2次側平滑コンデンサC2(同様に、C2=C2a+C2b)という。
1次電圧V1を検出する電圧センサ71が1次側1Sに接続され、2次電圧V2を検出する電圧センサ72が2次側2Sに接続され、検出された1次電圧V1及び2次電圧V2は、制御部54で検出される。
燃料電池車両20のイグニッションスイッチとしてのメインスイッチ80が制御部54に接続される。
DC/DCコンバータ36は、バッテリ24と、燃料電池22又は回生電源(インバータ34とモータ26)との間に接続される上アーム素子(上アームスイッチング素子81とダイオード83)と下アーム素子(下アームスイッチング素子82とダイオード84)とからなる相アームUAと、リアクトル90とから構成される。
上アームスイッチング素子81と下アームスイッチング素子82は、それぞれ例えばMOSFET又はIGBT等で構成される。
DC/DCコンバータ36により1次電圧V1と2次電圧V2との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する上記リアクトル90は、相アームUAの中点とバッテリ24の正極との間に挿入されている。
上アームスイッチング素子81は、制御部54から出力されるゲート駆動信号のハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子82は、ゲート駆動信号のハイレベルによりそれぞれオンにされる。
2次側2Sには、燃料電池22の放電抵抗器85が接続されている。
1次側平滑コンデンサC1aには、ダウンバータ92が接続され1次電圧V1が低圧にされ低圧バッテリ94が1次電圧V1により充電される。
第3の電力装置としての低圧バッテリ94は、ランプ等の補機95に電気を供給するとともに、制御部54に電気を供給する。低圧バッテリ94と高圧のバッテリ24とは絶縁されている(直流的に接続されていない)。
ここで、バッテリ24の1次電圧V1を2次電圧V2に昇圧する作用並びに燃料電池22等の2次電圧V2を1次電圧V1に降圧する作用については周知であるので簡単に説明する。
バッテリ電圧である1次電圧V1を2次電圧V2に昇圧する際には、制御部54からの駆動信号により、まず、下アームスイッチング素子82が所定時間オン状態とされ、上アームスイッチング素子81はオフ状態とされる。その所定時間にバッテリ24からの1次電流がリアクトル90にエネルギとして蓄えられる。次いで、下アームスイッチング素子82が所定時間オフ状態とされ、その間、リアクトル90に蓄えられていたエネルギがダイオード83を通じ2次電流として2次側2Sの2次側平滑コンデンサC2及びインバータ34に供給される。なお、2次電圧V2が所定電圧となるように、前記所定時間の駆動デューティが制御部54を通じてフィードバック制御される。以降、下アームスイッチング素子82のオンオフが繰り返される。
降圧する際には、制御部54からの駆動信号により、まず、上アームスイッチング素子81が所定時間オン状態とされ、下アームスイッチング素子82はオフ状態とされる。その所定時間に2次側2Sから流れ込む2次電流がリアクトル90にエネルギとして蓄えられる。次いで、上アームスイッチング素子81が所定時間オフ状態とされ、その間、リアクトル90に蓄えられていたエネルギがダイオード84を通じ1次電流として1次側1Sのバッテリ24及び1次側平滑コンデンサC1等に供給される。以降、上アームスイッチング素子81のオンオフが繰り返される。
上記昇圧動作及び降圧動作の際、1次側平滑コンデンサC1(C1aとC1b)と2次側平滑コンデンサC2(C2aとC2b)は、1次電圧V1及び2次電圧V2の脈動分を減少させる、すなわち平滑するように作用し充放電を繰り返す。
次に、燃料電池車両20のメインスイッチ80がオン状態からオフ状態にされたとき、すなわち燃料電池システムも停止されるときの1次側及び2次側平滑コンデンサC1、C2の放電処理について図2のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップS1において、燃料電池車両20が走行を停止し、メインスイッチ80がオン状態からオフ状態にされたことが制御部54により検出されると、制御部54は、ステップS2において、バッテリ24側の1次側1Sの第1コンタクタ61を開状態にするとともに、ステップS3において、反応ガス供給システム30を通じて燃料電池22に対する反応ガスの供給を停止する。
次いで、ステップS4において、1次側及び2次側コンデンサC1、C2の残電荷を放電するためにDC/DCコンバータ36を任意デューティ、たとえば50[%]でスイッチングする。
図3は、スイッチング動作のタイムチャートを示している。
例えば、時点t1〜t2間で、下アームスイッチング素子82がオフ状態にされ、上アームスイッチング素子81がオン状態にされているとき、2次側平滑コンデンサC2(C2aとC2b)の残電荷に電流及び燃料電池22に残っている反応ガスによる発電電流が図4に示す2次電流i2として上アームスイッチング素子81及びリアクトル90を通じて放電され1次側平滑コンデンサC1(C1aとC1b)に充電される。このとき、上アームスイッチング素子81及びリアクトル90が放熱することで2次電流i2が熱に変換され、2次側平滑コンデンサC2の残電荷が減少する。
次に、時点t2〜t3の間で、下アームスイッチング素子82がオン状態にされ、上アームスイッチング素子81がオフ状態にされているとき、1次側平滑コンデンサC1(C1aとC1b)の残電荷による図4に示す1次電流i1が下アームスイッチング素子82を通じて放電され、その際、リアクトル90及び下アームスイッチング素子82が放熱することで1次電流i1が熱に変換され、残電荷が減少する。
なお、この時点t2〜t3間では、上アームスイッチング素子81はオフ状態にされているので、2次側平滑コンデンサC2の残電荷及び燃料電池22に残っている反応ガスによる発電電流が放電抵抗器85を通じて放電される。
以下、上アームスイッチング素子81と下アームスイッチング素子82のオンオフスイッチングを繰り返して、1次側及び2次側平滑コンデンサC1、C2の残電荷を放電し、ステップS5において、2次電圧V2が第1閾値電圧Vth1となったときに、燃料電池22に残存する反応ガスが消費されたものとみなし、ステップS6において、燃料電池22側の第2コンタクタ62を開状態にする。
この状態においても、ステップS4の処理による1次側及び2次側平滑コンデンサC1、C2の放電処理は継続されている。
次いで、ステップS7において、1次側及び2次側平滑コンデンサC1、C2の残電荷、換言すれば、1次電圧V1及び2次電圧V2が所定の低電圧である第2閾値電圧Vth2(Vth2<Vth1)以下の値になったかどうかが判断され、第2閾値電圧Vth2以下の値になったときに、ステップS8において、放電のためのスイッチング動作が停止される。
図5A、図5Bは、それぞれ図4に方向を示した放電電流としての1次電流i1及び2次電流i2の時間変化減衰特性、及び1次電圧V1及び2次電圧V2の時間変化低下特性を示している。ちなみに、図3の時点t1〜t4に示す波形は、図5A、図5Bに縦方向の点線で示した時点に対応する波形を示している。
以上説明したように上述した実施形態によれば、バッテリ24が第1コンタクタ61を通じて接続される1次側平滑コンデンサC1と燃料電池22が第2コンタクタ62を通じて接続される2次側平滑コンデンサC2との間に、電圧変換を行う上下アームスイッチング素子81、82と逆接続のダイオード83、84が配されたDC/DCコンバータ装置23を備えるハイブリッド直流電源システム10によりモータ26が駆動される燃料電池車両20であって、当該燃料電池システムをオンオフするメインスイッチ80と、前記第1及び第2コンタクタ61、62の開閉を切り替えるとともに、前記上下アームスイッチング素子81、82に駆動信号を供給し、さらに前記燃料電池22への反応ガスの供給と停止を制御する制御部54と、を備える。
制御部54は、前記メインスイッチ80がオン状態からオフ状態にされたとき、第1コンタクタ61を開に切り替えるとともに反応ガス供給システム30を介して燃料電池22への反応ガス(水素ガスと酸化剤ガスである圧縮空気)の供給を停止した状態で、上下アームスイッチング素子81、82をスイッチングさせることで燃料電池22から電流を引き抜き燃料電池22に残存する反応ガスを消費させ、その後、第2コンタクタ62を開に切り替え上下アームスイッチング素子81、82をスイッチングさせる。
この上下アームスイッチング素子81、82のオンオフ時に、オンしているスイッチング素子に対して、1次側平滑コンデンサC1又は2次側平滑コンデンサC2から残電荷が電流として通流する。このとき、スイッチング素子は熱を発生し、前記残電荷が熱に変換される。スイッチング動作を繰り返せば繰り返す程、残電荷を減らすことができる。
したがって、スイッチング動作を高速に繰り返すことで、1次側平滑コンデンサC1又は2次側平滑コンデンサC2の自然放電に比較してきわめて短時間に残電荷を放電することができ、結果、1次側平滑コンデンサC1及び2次側平滑コンデンサC2の端子電圧を迅速に低下させることができる。また、放電時に上下アームスイッチング素子81、82をスイッチングさせる制御であるので、制御部54の昇降圧処理に準じた制御であり、放電のために特別の制御が不要で、制御がきわめて簡単である。
そして、燃料電池車両20の停止時に、燃料電池22から電流を引き抜くことで燃料電池22に残存する反応ガスを消費させた後、燃料電池22がDC/DCコンバータ36に対して非接続になるよう制御しているので、燃料電池22を保護することができる。また、燃料電池22の放電抵抗器85を省略乃至高抵抗とすることができる。
なお、この発明は燃料電池車両20に限らず、図6に示すDC/DCコンバータ装置23の第1電力装置をバッテリ24とし、第2電力装置を回生電力を発生するインバータ34駆動のモータ26とする電気自動車21にも適用できる。なお、図6において、図1に示したものと同一のもの及び対応するものには同一の符号を付け、その説明を省略する。
この場合、制御部54は、メインスイッチ80がオフ状態にされると、直ちに、第1コンタクタ61を開状態にして、インバータ34を通じてのモータ26への電力の供給を停止し、もちろんインバータ34もオフ状態として、バッテリ24及びインバータ34駆動のモータ26を非接続する。次いで、1次側平滑コンデンサC1及び2次側平滑コンデンサC2の電荷を短時間に放電するために、換言すれば、1次電圧V1及び2次電圧V2を短時間に低下させるために、直ぐに、上下アームスイッチング素子81、82に図3に示したようにオンオフさせる駆動信号を供給し、上下アームスイッチング素子81、82をスイッチングさせる。
この場合にも、上述したように、上下アームスイッチング素子81のオン時に、オンしているスイッチング素子に対して、1次側平滑コンデンサC1又は2次側平滑コンデンサC2から残電荷が電流として通流する。このとき、オン状態にあるスイッチング素子は熱を発生し、残電荷が熱に変換されることで、1次電圧V1及び2次電圧V2が低下する。
よって、自然放電に比較してきわめて短時間に残電荷を放電することができ、1次側平滑コンデンサC1及び2次側平滑コンデンサC2の端子電圧を迅速に低下させることができる。また、放電時にスイッチング素子をスイッチングさせる制御であるので、放電のために特別の制御が不要で、制御がきわめて簡単である。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、単相アームUAのDC/DCコンバータ36に限らず、U相、V相、W相を有する3相アームのDC/DCコンバータを備えるハイブリッド直流電源システムを備える燃料電池車両や電気自動車に適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 コンデンサの放電処理の動作説明に供されるフローチャートである。 コンデンサの放電処理の動作説明に供されるタイムチャートである。 コンデンサの放電処理の時の動作説明に供される回路説明図である。 図5Aは、放電電流の時間変化減衰特性を示す波形図、図5Bは、放電時における1次電圧と2次電圧の時間変化低下特性を示す波形図である。 この発明の一実施形態に係る電気自動車の回路図である。
符号の説明
10…ハイブリット直流電源システム 20…燃料電池車両
21…電気自動車 22…燃料電池
23…DC/DCコンバータ装置 24…蓄電装置(バッテリ)
26…モータ 34…インバータ
36…DC/DCコンバータ 54…制御部
81…上アームスイッチング素子 82…下アームスイッチング素子

Claims (2)

  1. 蓄電装置が第1コンタクタを通じて接続される1次側平滑コンデンサと燃料電池が第2コンタクタを通じて接続される2次側平滑コンデンサとの間に、電圧変換を行うスイッチング素子が配されたDC/DCコンバータ装置を備えるハイブリッド直流電源システムであって、
    当該ハイブリッド直流電源システムをオンオフするメインスイッチと、
    前記第1及び第2コンタクタの開閉を切り替えるとともに、前記スイッチング素子に駆動信号を供給し、さらに前記燃料電池への反応ガスの供給と停止を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記メインスイッチがオン状態からオフ状態にされたとき、前記第1コンタクタを開に切り替えるとともに前記燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で、前記スイッチング素子をスイッチングさせることで前記燃料電池から電流を引き抜き前記燃料電池に残存する反応ガスを消費させ、その後、前記第2コンタクタを開に切り替え前記スイッチング素子をスイッチングさせる
    ことを特徴とするハイブリッド直流電源システム。
  2. 請求項記載のハイブリッド直流電源システムの前記燃料電池に並列的に回生電力を発生するインバータ駆動のモータが接続され、前記インバータの入力側の平滑コンデンサが前記2次側平滑コンデンサの一部とされている
    ことを特徴とする燃料電池車両。
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