JP5751485B2

JP5751485B2 - 燃料電池搭載車両

Info

Publication number: JP5751485B2
Application number: JP2011146104A
Authority: JP
Inventors: 片野　剛司; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: WO2013001341A2; DE112012002683B4; US10220723B2; CN103648825A; WO2013001341A3; US20140113161A1; CN103648825B; DE112012002683T5; WO2013001341A8; JP2013017245A

Description

本発明は、電気化学反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両に関する。

燃料電池搭載車両は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を動力源として用いている。燃料電池搭載車両は、石油燃料を用いない車両として実用化が進められている。

その一方で、電気と石油燃料を併用するハイブリット車は既に実用化されている。このハイブリット車に対し、燃料電池搭載車両は、石油燃料を全く用いない点で有用である。

特開２００４−１２７７４７号公報

ところで、燃料電池搭載車両の実用化を進めるにあたり、生産性を上げ生産コストを抑えるため、ハイブリット車の電気系統の構成を燃料電池搭載車両に流用することを考えている。

しかしながら、燃料電池搭載車両には、燃料電池の他、燃料電池の発電の際に作動する例えば水素ポンプ、冷却水ポンプ、電気ヒータ等の発電用補機を搭載する必要がある。よって、ハイブリット車の電気系統の構成を燃料電池搭載車両に流用するためには、それらの発電用補機を、車両の電力制御装置（Power control unit）に新たに電気的に接続する必要がある。電力制御装置は、車両の電源となるバッテリなどの電力を制御するものである。

かかる場合に、ハーネスにより発電用補機を電力制御装置に接続すると、高電圧のハーネスが多数本必要になり、例えば衝突時の安全性を確保するため、各ハーネスにプロテクターを設けたり、車両内に各ハーネス用の隙間を設ける必要がある。これは、車両の重量の増加やコストの増加を招くことになる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ハイブリット車の電気系統の構成を流用可能であり、高電圧のハーネスの本数の増加を抑えることができる電池搭載車両を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、電気化学反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両であって、畜電池と、少なくとも前記燃料電池と前記畜電池に電気的に接続され、車両内の電力を制御する電力制御装置と、前記畜電池と前記電力制御装置との間の電気流路に設けられ、前記畜電池の電力を分岐する電力分岐装置と、前記電力分岐装置と電気的に接続され、前記電力分岐装置によって分岐された電力が供給され、前記燃料電池の発電のために作動する複数の発電用補機と、を有する、燃料電池搭載車両である。

本発明によれば、前記畜電池と前記電力制御装置との間の電気流路に電力分岐装置が設けられ、当該電力分岐装置によって分岐された電力が、燃料電池の複数の発電用補機に供給されるので、畜電池と電力制御装置が電気的に接続されているハイブリット車の電気系統の構成を流用できる。また、電力分岐装置から各補機に分割された電力を供給できるので、高電圧のハーネスの数の増加を抑えることができる。また、補機の電力源として畜電池を用いることにより、補機に適した電圧の電力を各補機に好適に供給できる。

上記燃料電池搭載車両における前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、ハーネスを介さず直接的に連結されていてもよい。

前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、互いに直接連結し固定するための連結部を備え、前記連結部は、前記電力制御装置の後面側に設けられていてもよい。

前記電力分岐装置と前記電力制御装置を固定するための複数の固定部を有し、前記複数の固定部は、前記連結部に近い固定部よりも前記連結部に遠い固定部の強度が弱くなるように設計されていてもよい。

前記電力分岐装置は、平面から見てＬ字状に形成され、前記電力制御装置の一の側面と後面に沿って形成されていてもよい。

前記電力分岐装置の前面が前記電力制御装置の前面よりも後方に位置していてもよい。

前記電力分岐装置と前記畜電池は、ハーネスによって電気的に接続され、前記ハーネスは、前記電力分岐装置の上面に接続されていてもよい。

前記電力分岐装置のケースの上面には、傾斜部が形成され、前記傾斜部には、前記ハーネスの端子を嵌め込み固定するための嵌め込み穴が形成され、前記ケースの前記傾斜部の高い側に位置する側面には、前記ケース内で前記ハーネスの端子と前記電力分岐装置側の接続端子とを固定するための工具を挿入するための挿入口が形成されていてもよい。

前記複数の発電用補機には、電気ヒータが含まれ、前記電気ヒータは、前記電力分岐装置よりも低い位置に設けられていてもよい。

前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、車両の左右方向に並列され、前記電気ヒータは、前記電力分岐装置の後方側に配置され、前記電力分岐装置から前記電気ヒータに通じるハーネスは、前記電力分岐装置の前記電力制御装置と反対側の側面から出力されていてもよい。

以上の燃料電池搭載車両は、前記電力分岐装置と前記発電用補機とを互いに固定する固定部材をさらに有していてもよい。

本発明によれば、ハイブリット車の電気系統の構成を流用可能であり、高電圧のハーネスの本数の増加を抑えることができるので、車両の生産性を向上しつつ、コストを大幅に低減できる。

燃料電池搭載車両の電気系統の構成の概略を示す模式図である。車両内における装置の配置例を示す模式図である。車両内の下段における装置の配置例を示す模式図である。電力分岐装置の構成の概略を示す斜視図である。電力分岐装置のケースの上面部の構成を示す断面図である。電力分岐装置と電気ヒータとの高さ方向の位置関係を示す説明図である。リブと切り欠きのある固定部を有する電力分岐装置の構成の概略を示す斜視図である。電力制御装置と補機とを固定部材で接続する例を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる燃料電池搭載車両１の電気系統の構成を模式的に示す図である。

燃料電池搭載車両１は、例えば電力制御装置（ＰＣＵ）１０に対し、燃料電池（ＦＣ）１１、前輪を駆動する駆動用モータ１２、燃料電池１１の発電の際に燃料電池１１に酸素を供給するためのエアコンプレッサ１３、車室内を空調するエアコン１４、燃料電池１１の発電の際に作動する複数の発電用補機（発電用補機類）１５、電力分岐装置１６、及び畜電池１７が電気的に接続された構成を有している。

電力制御装置１０は、車両１内の電力を制御するものであり、燃料電池１１で発電された電力や畜電池１７の電力を駆動用モータ１２などの電力が必要な装置に供給したり、燃料電池１１で発電された電力を畜電池１７に蓄電する。

畜電池１７は、電力分岐装置１６を介して電力制御装置１０に接続されている。電力分岐装置１６には、発電用補機類１５が電気的に接続されている。例えば電力分岐装置１６には、燃料電池１１を温めるための電気ヒータ２０、燃料電池用ポンプ、例えば燃料電池１１を冷却するための冷却水ポンプ２１のインバータ２２、燃料電池１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ポンプ２３のインバータ２４がそれぞれ電気的に接続されている。したがって、畜電池１７の電力は、電力分岐装置１６を介して各補機に供給される。

図２及び図３は、燃料電池搭載車両１における電気系統の搭載例を示す。電力制御装置１０は、例えば方形状に形成され、車両１の前部の中央に設けられている。図２に示すように電力制御装置１０の一の側面（図２の右側側面）には、電力分岐装置１６が配置されている。電気ヒータ２０、畜電池１７及び燃料電池１１は、電力制御装置１０の後方側（図２のＸ方向は前方を示す。）に配置されている。インバータ２２、２４は、電力分岐装置１６の右側に配置されている。駆動用モータ１２、エアコンプレッサ１３、エアコン１４、冷却水ポンプ２１及び水素ポンプ２３は、電力制御装置１０よりも下の階層に設けられ、図３に示すように例えば駆動用モータ１２は、電力制御装置１０の左側、残りのエアコンプレッサ１３、エアコン１４、冷却水ポンプ２１及び水素ポンプ２３は、電力制御装置１０の右側に配置されている。

図２に示すように電力分岐装置１６は、ハーネスを介さず直接的に電力制御装置１０に接続されている。具体的には、電力分岐装置１６は、図２及び図４に示すように平面から見てＬ字状に形成され、電力制御装置１０の一の側面（右側側面）と後面に沿って形成されている。電力制御装置１０の後面側には、電力分岐装置１６と電力制御装置１０を互いに直接連結し固定するための連結部３０が設けられている。連結部３０は、例えば電力制御装置１０側の差し込み孔（図示せず）と、電力分岐装置１６側の差し込み端子３０ａにより構成されている。よって、電力制御装置１０の差し込み孔に電力分岐装置１６の差し込み端子３０ａを差し込むことによって、電力制御装置１０と電力分岐装置１６が互いに固定され通電可能となる。

電力分岐装置１６には、図４に示すように電力分岐装置１６と電力制御装置１０を締結するための複数、例えば３つの固定部３５、３６、３７が設けられている。固定部３５〜３７は、例えば貫通孔のある板状部材により構成されており、固定部材３５〜３７の貫通孔と、電力制御装置１０の孔にボルトを通して電力分岐装置１６と電力制御装置１０を締結できる。

また、電力分岐装置１６は、図２に示すように電力分岐装置１６の前面が電力制御装置１０の前面よりも後方に位置するように固定される。

電力分岐装置１６の長辺部（電力制御装置１０の右側側面に沿った部分）の上面には、畜電池１７に通じるハーネス４０が接続されている。図４及び図５に示すように電力分岐装置１６のケースの上面には、傾斜部としての傾斜面５０が形成されており、傾斜面５０には、ハーネス４０の端子４０ａを嵌め込み固定するための嵌め込み穴５１が形成されている。電力分岐装置１６のケースの傾斜面５０の高い側にある側面（前面）には、ケース内でハーネス４０の端子４０ａと電力分岐装置１６側のハーネス６０の接続端子６０ａとを固定するための工具Ａを挿入する挿入口５２が形成されている。挿入口５２には、通常蓋５３が設けられており、蓋５３を開くことによって工具Ａを挿入口５２に挿入できる。

ハーネス４０の端子４０ａは、先端にリング状のＯ端子を有し、当該Ｏ端子にボルト６１を通し、ハーネス６０の接続端子６０ａをナット６２でＯ端子に固定することにより、ハーネス４０の端子４０ａとハーネス６０の接続端子６０ａを電気的に接続できる。なお、ハーネス４０の端子４０ａとハーネス６０は、電力分岐装置１６のケースに支持されている。

電力分岐装置１６の電力制御装置１０と反対側（右側）には、図２に示すように接続端子５４が設けられ、電気ヒータ２０、インバータ２２、２４に通じる各ハーネス７０、７１、７２が接続されている。

電力制御装置１０の後方面には、接続端子８０、８１、８２、８３が設けられ、各接続端子８０〜８３には、駆動用モータ１２、燃料電池１１、エアコン１４、エアコンプレッサ１３に通じる各ハーネス９０、９１、９２、９３がそれぞれ接続されている。これらの接続端子８０〜８３は、電力分岐装置１６の連結部３０の並びに設けられている。

電気ヒータ２０は、例えば電力制御装置１０及び電力分岐装置１６の後方側において、図６に示すように電力分岐装置１６と高さが重ならないように電力分岐装置１６よりも低い位置に設置され、仮に電力分岐装置１６と電気ヒータ２０が水平に移動しても衝突しないようになっている。

本実施の形態によれば、畜電池１７と電力制御装置１０との間の電気流路に電力分岐装置１６が設けられ、当該電力分岐装置１６によって分岐された電力が、燃料電池１１の発電用補機類１５に供給されるので、畜電池と電力制御装置が電気的に接続されているハイブリット車の電気系統の構成を流用できる。また、電力分岐装置１６を設け、その電力分岐装置１６から各発電用補機に電力を供給できるので、高電圧のハーネスの数の増加を抑えることができる。また、発電用補機の電力源として畜電池１７を用いることにより、補機に適した電圧の電力を各補機に好適に供給できる。

また、本実施の形態では、電力分岐装置１６と電力制御装置１０は、ハーネスを介さず直接的に連結されているので、例えばハーネスを用いた場合のようにハーネスが外れたことを検出するインターロック等の機構が不要になりコストを低減できる。また、ハーネスを設けるスペースが不要であり、電気系統をコンパクト化できる。

また、電力分岐装置１６と電力制御装置１０は、互いに直接連結し固定するための連結部３０を備え、連結部３０は、電力制御装置１０の後面側に設けられているので、車両１の衝突時における連結部３０の破損を抑制できる。また、高電圧の電流が流れる連結部３０が破損しにくくなるので、安全性も向上する。

さらに電力分岐装置１６は、平面から見てＬ字状に形成され、電力制御装置１０の一の側面と後面に沿って形成されているので、電力制御装置１０と電力分岐装置１６をコンパクトに一体化できる。

また、電力分岐装置１６の前面が電力制御装置１０の前面よりも後方に位置しているので、車両１の衝突時に電力分岐装置１６への直接入力が避けられ、電力分岐装置１６が保護される。また、電力制御装置１０には、一般的に衝突に対する補強が施されているため、結果的にその補強によって電力分岐装置１６も保護することができる。よって、電力分岐装置１６に新たに衝突対応の補強を施す必要がなく、車両１の軽量化、コストの低減を図ることができる。

電力分岐装置１６と畜電池１７は、ハーネス４０によって接続されており、ハーネス４０は、電力分岐装置１６の上面に接続されているので、車両１の衝突時における高電圧のハーネス４０の接続部が保護される。また、電力分岐装置１６の他の部分にハーネス４０を接続する場合に比べて作業員のアクセスが容易になり、車両１の製造性、組み付け性を向上できる。

電力分岐装置１６のケースの上面には、傾斜面５０が形成され、傾斜面５０には、ハーネス４０の端子４０ａを嵌め込み固定するための嵌め込み穴５１が形成され、ケースの傾斜面５０の高い側に位置する側面には、ケース内でハーネス４０の端子４０ａと電力分岐装置１６側のハーネス６０の接続端子６０ａとを固定するための工具Ａを挿入可能とする挿入口５２が形成されている。このため、通常電力分岐装置１６の前方にある部材、例えばラジサポアッパーなどと干渉することなく、工具Ａを斜め上方から好適に挿入することができる。また、前方の部材に干渉せずに水平に工具が挿入可能になるまで、ハーネス４０の端子４０ａとハーネス６０の接続端子６０ａとの接続位置を上げる必要がないので、その分電力分岐装置１６の高さを抑えることができる。この結果、歩行者保護や車両の低重心化を図ることができる。

発電用補機類１５には、電気ヒータ２０が含まれ、電気ヒータ２０は、電力分岐装置１６よりも低い位置に設けられているので、車両１の衝突時に電気ヒータ２０と電力分岐装置１６が移動し衝突することを防止できる。また、電気ヒータ２０が低い位置にあるので、ヒータ内にエアが溜まることが防止されヒータの動作が適正に行われる。

電力分岐装置１６と電力制御装置１０は、車両１の左右方向に並列され、電気ヒータ２０は、電力分岐装置１６と電力制御装置１０の後方側に配置され、電力分岐装置１６から電気ヒータ２０に通じるハーネス７０は、電力分岐装置１６の電力制御装置１０と反対側の側面の接続端子５４から出力されている。このため、車両１の衝突時にハーネス７０の出力部の破損を防止できる。また、電力分岐装置１６と電気ヒータ２０との距離を確保できるので、ハーネス７０を適正に接続できる。また、電気ヒータ２０が電力分岐装置１６の後方に配置されているので、衝突時の直接入力により電気ヒータ２０が破損することを抑制できる。これにより、車両の安全性が向上する。

以上の実施の形態における、電力分岐装置１６と電力制御装置１０を固定する固定部３５〜３７は、図７に示すように連結部３０に近い固定部３６、３７よりも連結部３０に遠い固定部３５の強度が弱くなるように設計されていてもよい。例えば固定部３６、３７の板上にリブ１００が形成され、固定部３５の板に切り欠き１０１が形成されている。こうすることにより、車両１の衝突時に連結部３０から遠い部分の固定部３５が先に破断し、その周囲で例えば電力分岐装置１６が変形して衝突エネルギを消費することによって、高電圧の電流が流れる連結部３０を保護することができる。なお、連結部３０に近い固定部と遠い固定部の強度を変える手段については適宜変更でき、例えば固定部の数を変えてもよいし、固定部の形状や材質を変えてもよい。

以上の実施の形態において、図８に示すように電力分岐装置１６と、その電力供給先の発電用補機類１５の例えばインバータ２２、２４とが固定部材１１０により互いに固定されていてもよい。固定部材１１０は、例えば電力分岐装置１６からインバータ２２、２４に亘って延伸し、電力分岐装置１６とインバータ２２、２４のそれぞれに連結されている。こうすることにより、衝突時の電力分岐装置１６と補機の相対的な変位が抑制され、それらの衝突を防止できる。なお、本実施の形態のように発電用補機類１５の一部が電力分岐装置１６と固定されていてもよいし、全部が固定されていてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態において電力制御装置は、畜電池及び燃料電池以外のエアコン、駆動用モータ、エアコンプレッサと電気的に接続されていたが、それに限られず、車両内の他の装置と電気的に接続されていてもよい。また、当該他の装置には、エアコンプレッサのように発電時に作動する発電用補機の一部が含まれていてもよい。また、上記実施の形態では、電力分岐装置に接続される発電用補機が、電気ヒータ、インバータを含む水素ポンプや冷却用ポンプであったが、発電用補機の種類や数も適宜変更できる。さらに、上記実施の形態では、電力制御装置と電力分岐装置が直接接続されていたが、ハーネスで接続されている場合も本発明は適用できる。

１車両
１０電力制御装置
１１燃料電池
１２駆動用モータ
１５発電用補機類
１６電力分岐装置
１７畜電池
２０電気ヒータ
２２、２４インバータ

Claims

電気化学反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両であって、
畜電池と、
少なくとも前記燃料電池と前記畜電池に電気的に接続され、車両内の電力を制御する電力制御装置と、
前記畜電池と前記電力制御装置との間の電気流路に設けられ、前記畜電池の電力を分岐する電力分岐装置と、
前記電力分岐装置と電気的に接続され、前記電力分岐装置によって分岐された電力が供給され、前記燃料電池の発電のために作動する複数の発電用補機と、を有し、
前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、ハーネスを介さず直接的に連結され、
前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、互いに直接連結し固定するための連結部を備え、
前記連結部は、前記電力制御装置の後面側に設けられ、
前記電力分岐装置と前記電力制御装置を固定するための複数の固定部を有し、
前記複数の固定部は、前記連結部に近い固定部よりも前記連結部に遠い固定部の強度が弱くなるように設計されている、燃料電池搭載車両。
電気化学反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池搭載車両であって、
畜電池と、
少なくとも前記燃料電池と前記畜電池に電気的に接続され、車両内の電力を制御する電力制御装置と、
前記畜電池と前記電力制御装置との間の電気流路に設けられ、前記畜電池の電力を分岐する電力分岐装置と、
前記電力分岐装置と電気的に接続され、前記電力分岐装置によって分岐された電力が供給され、前記燃料電池の発電のために作動する複数の発電用補機と、を有し、
前記電力分岐装置と前記畜電池は、ハーネスによって電気的に接続され、
前記ハーネスは、前記電力分岐装置の上面に接続され、
前記電力分岐装置のケースの上面には、傾斜部が形成され、
前記傾斜部には、前記ハーネスの端子を嵌め込み固定するための嵌め込み穴が形成され、
前記ケースの前記傾斜部の高い側に位置する側面には、前記ケース内で前記ハーネスの端子と前記電力分岐装置側の接続端子とを固定するための工具を挿入するための挿入口が形成されている、燃料電池搭載車両。
前記電力分岐装置は、平面から見てＬ字状に形成され、前記電力制御装置の一の側面と後面に沿って形成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池搭載車両。
前記電力分岐装置の前面が前記電力制御装置の前面よりも後方に位置している、請求項３に記載の燃料電池搭載車両。
前記複数の発電用補機には、電気ヒータが含まれ、
前記電気ヒータは、前記電力分岐装置よりも低い位置に設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池搭載車両。
前記電力分岐装置と前記電力制御装置は、車両の左右方向に並列され、
前記電気ヒータは、前記電力分岐装置又は前記電力制御装置の後方側に配置され、
前記電力分岐装置から前記電気ヒータに通じるハーネスは、前記電力分岐装置の前記電力制御装置と反対側の側面から出力されている、請求項５に記載の燃料電池搭載車両。
前記電力分岐装置と前記発電用補機を互いに固定する固定部材を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池搭載車両。