JP6702132B2 - 燃料電池車の電源システム - Google Patents

Description

本明細書は、燃料電池車の電源システムを開示する。

特許文献１に、燃料電池車の電源システムの一例が開示されている。燃料電池車の電源システムでは、燃料電池とバッテリが並列に接続されている。燃料電池は出力を急激に変えることが難しいので、モータの出力を急激に変化させるときのためにバッテリが備えられている。モータの出力を急増させる場合には、バッテリの出力を燃料電池の出力に加える。モータの出力を急減させる場合には、燃料電池の余剰の電力をバッテリに蓄える。

モータの駆動電圧がバッテリの出力電圧よりも高い場合、モータ駆動用のインバータとバッテリの間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧機能と降圧機能の双方を有する。昇圧機能は、バッテリの出力電圧を昇圧してインバータへ供給する機能である。降圧機能は、モータが発電し、インバータによって直流電力に変換された回生電力の電圧を降圧してバッテリを充電する機能である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧端の正極と負極の間には、フィルタコンデンサが接続されている。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの間には平滑コンデンサが並列に接続されている。

電源システムは、さらに、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを接続したり遮断したりするシステムメインリレー（スイッチ）を備えている。車両起動時にいきなりバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを接続すると、バッテリからフィルタコンデンサや平滑コンデンサに突入電流が流れる。突入電流を抑えるため、特許文献１のシステムメインリレーには電流制限抵抗付リレーと制限抵抗を備えずにダイレクトにバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとを接続するダイレクトリレーが備えられている。運転者が車両のメインスイッチを入れると、電源システムのコントローラは、まず、電流制限抵抗付リレーを閉じ、フィルコンデンサと平滑コンデンサを徐々にチャージし、フィルタコンデンサの両端電圧を徐々に高める。コントローラは、バッテリの出力電圧とフィルタコンデンサの両端電圧の差が所定の電圧差閾値を下回ったら、ダイレクトリレーを閉じる。なお、ダイレクトリレーを閉じる前にフィルタコンデンサと平滑コンデンサをチャージしてそれらの両端電圧を高めることは、プリチャージと呼ばれている。

特開２００８−０８４６２８号公報

本明細書は、電流制限抵抗付リレーを使わずにプリチャージする技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池車の電源システムは、バッテリ、燃料電池、インバータ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、平滑コンデンサ、スイッチ、コントローラを備える。インバータは、バッテリ又は燃料電池の直流電力を走行用の交流モータの駆動電力に変換する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、その低電圧端がバッテリに接続されており、高電圧端がインバータに接続されている。平滑コンデンサは、インバータと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に並列に接続されている。燃料電池は、インバータと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に並列に接続されている。スイッチは、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に接続されており、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの接続と遮断を切り換える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、２個のトランジスタと、リアクトルと、フィルタコンデンサを備えている。２個のトランジスタは、高電圧端の正極と負極の間に直列に接続されている。リアクトルは、２個のトランジスタの直列接続の中点と、低電圧端の正極の間に接続されている。フィルタコンデンサは、低電圧端の正極と負極の間に接続されている。

電源システムのコントローラは、スイッチを閉じる前に高電位側のトランジスタをオンするとともに燃料電池を動作させ、フィルタコンデンサの両端電圧とバッテリの出力電圧との差が所定の電圧差閾値を下回ったらスイッチを閉じる。この電源システムは、燃料電池を使ってフィルタコンデンサと平滑コンデンサをプリチャージする。それゆえ、スイッチ（システムメインリレー）に電流制限抵抗付リレーが不要となる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電源システムを含む燃料電池車の電力系のブロック図である。 コントローラが実行する起動処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電源システム２を説明する。図１に、電源システム２を含む燃料電池車１００の電力系のブロック図を示す。図１において、モータ２２以外の回路が電源システム２である。図１において、実線は電力線を示しており、矢印破線は信号線を示している。

燃料電池車１００は、モータ２２で走行する。モータ２２は、燃料電池７の電力、あるいはメインバッテリ３の電力で駆動される。なお、図１では、燃料電池７を単純な矩形で示しているが、ここでの「燃料電池７」は、水素を蓄える水素タンク、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック、燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器など、複数のデバイスの集合体である。

一般に、自動車には、運転者のアクセルワークに応答して駆動力をゼロから最大駆動力の間で急激に変化させる能力が要求される。一方、燃料電池は、その出力を急激に変えることが難しい。そのため、燃料電池車は燃料電池に加えてバッテリを備える。実施例の燃料電池車１００も、メインバッテリ３を備えている。メインバッテリ３は、再充電可能な二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池、あるいは、ニッケル水素電池である。

燃料電池７の出力電圧は、例えば、２００〜３００ボルトである。また、メインバッテリ３の出力電圧は、例えば３００ボルトである。一方、走行用のモータ２２の最大駆動電圧は６００ボルトである。電源システム２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を備えており、その双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、メインバッテリ３の直流電力の電圧をモータ駆動に適した電圧まで昇圧し、インバータ６に供給する。電源システム２は、ＦＣ用電圧コンバータ８を備えており、そのＦＣ用電圧コンバータ８が、燃料電池７の直流電力の電圧をモータ駆動に適した電圧まで昇圧し、インバータ６に供給する。メインバッテリ３と燃料電池７は、電圧コンバータ（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、ＦＣ用電圧コンバータ８）を介して並列に接続されている。以下、説明を簡単にするために、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を単純に「ＤＣコンバータ１０」と称することにする。

ＦＣ用電圧コンバータ８は、スイッチング素子を使ったチョッパ型の昇圧コンバータ回路が複数個並列に接続されている多重コンバータである。スイッチング素子への駆動信号（ＰＷＭ信号）のデューティ比を変えることで、出力電圧の高さを調整できる。ＦＣ用電圧コンバータ８を制御するコントローラ９は、燃料電池７の出力に応じて作動させる昇圧コンバータ回路の数を調整する。燃料電池７の出力に応じて作動させる昇圧コンバータ回路の数を調整する多重コンバータについては、例えば特開２０１４−０１４２３５号公報を参照されたい。

モータ２２は、三相交流モータであり、インバータ６は、昇圧されたメインバッテリ３の直流電力、及び／又は、昇圧された燃料電池７の直流電力を、モータ２２の駆動に適した交流電力に変換し、モータ２２に供給する。

ＤＣコンバータ１０とインバータ６の間に、平滑コンデンサ５が並列に接続されている。平滑コンデンサ５は、ＤＣコンバータ１０とインバータ６の間に流れる電流の脈動を抑える目的で接続されている。

ＤＣコンバータ１０（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０）について説明する。ＤＣコンバータ１０は、低電圧端１１に印加された電力を昇圧して高電圧端１２に出力する昇圧機能と、高電圧端１２に印加された電力を降圧して低電圧端１１に出力する降圧機能の両方を備える。降圧機能は、燃料電池７の出力電力のうち、モータ２２の駆動に用いられなかった余剰電力をメインバッテリ３に充電するときに利用される。また、降圧機能は、車両の減速エネルギを使ってモータ２２が発電したとき、発電によって得られた回生電力をメインバッテリ３に充電するときにも利用される。モータ２２が発電して得られる交流電力は、インバータ６によって直流電力に変換されてＤＣコンバータ１０の高電圧端１２に印加される。

ＤＣコンバータ１０は、その低電圧端１１がシステムメインリレー４を介してメインバッテリ３に接続されており、高電圧端１２がインバータ６に接続されている。ＤＣコンバータ１０は、２個のトランジスタ１６ａ、１６ｂ、２個のダイオード１７ａ、１７ｂ、リアクトル１５、フィルタコンデンサ１４、電圧センサ１３を備えている。２個のトランジスタ１６ａ、１６ｂは、高電圧端１２の正極１２ａと負極１２ｂの間で直列に接続されている。トランジスタ１６ａ、１６ｂは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、逆方向には電流が流れない。トランジスタ１６ａにダイオード１７ａが逆並列に接続されており、トランジスタ１６ｂにダイオード１７ｂが逆並列に接続されている。ダイオード１７ａ、１７ｂは、トランジスタの逆方向の電流をバイパスさせるために備えられている。リアクトル１５の一端は、トランジスタ１６ａ、１６ｂの直列接続の中点に接続されている。リアクトル１５の他端は、低電圧端１１の正極１１ａに接続されている。フィルタコンデンサ１４は、低電圧端１１の正極１１ａと負極１１ｂの間に接続されている。高電位側のトランジスタ１６ａのオンオフにより降圧動作が実現し、低電位側のトランジスタ１６ｂのオンオフにより昇圧動作が実現する。図１のＤＣコンバータ１０（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０）の動作はよく知られているので詳しい説明は省略する。フィルタコンデンサ１４と並列に電圧センサ１３が接続されている。電圧センサ１３は、フィルタコンデンサ１４の両端電圧を計測する。電圧センサ１３の計測データは、コントローラ９に送られる。

コントローラ９は、不図示のメインスイッチがオンされると、システムメインリレー４を閉じる。このとき、いきなりシステムメインリレー４を閉じるとメインバッテリ３の電力がフィルタコンデンサ１４と平滑コンデンサ５に流れ込み、突入電流が大きくなる。そこで、コントローラ９は、システムメインリレー４を閉じるのに先立って、燃料電池７を使ってフィルタコンデンサ１４と平滑コンデンサ５をプリチャージする。なお、電源システム２は、メインバッテリ３の出力電圧を計測する電圧センサ２１を備えている。電圧センサ２１の計測値もコントローラ９に入力される。

図２に、車両のメインスイッチがオンされてからシステムメインリレー４を閉じるまでの処理（起動処理）のフローチャートを示す。図２の処理は、車両のメインスイッチ（不図示）がオンされると開始される。コントローラ９は、まず、ＤＣコンバータ１０の高電位側のトランジスタ１６ａをオンする（Ｓ２）。次にコントローラ９は、燃料電池７を起動する（Ｓ３）。次にコントローラ９は、ＦＣ用電圧コンバータ８を起動する（Ｓ４）。ＦＣ用電圧コンバータ８から出力される電力の一部は平滑コンデンサ５に蓄えられ、残りはオンに保持されているトランジスタ１６ａを通じてフィルタコンデンサ１４に蓄えられる。

ここで、コントローラ９は、ＦＣ用電圧コンバータ８の目標出力を徐々に大きくする。より具体的には、コントローラ９は、フィルタコンデンサ１４の両端電圧（電圧ＶＬ）を電圧センサ１３でモニタしつつ、ＦＣ用電圧コンバータ８の目標出力を電圧ＶＬよりもわずかに高い値に設定する。そうすると、平滑コンデンサ５とフィルタコンデンサ１４に徐々に電荷が蓄積されることになり、突入電流が抑えられる。すなわち、燃料電池７とＦＣ用電圧コンバータ８によって、フィルタコンデンサ１４と平滑コンデンサ５がプリチャージされる。

コントローラ９は、電圧センサ２１によってメインバッテリ３の出力電圧ＶＢも計測している。コントローラ９は、フィルタコンデンサ１４の両端電圧（電圧ＶＬ）とメインバッテリ３の出力電圧ＶＢの差の絶対値が所定の電圧差閾値ｄＶを下回るまで、ＦＣ用電圧コンバータ８の目標電力を徐々に上げていく（Ｓ５：ＮＯ）。

コントローラ９は、フィルタコンデンサ１４の両端電圧（電圧ＶＬ）とメインバッテリ３の出力電圧ＶＢの差の絶対値が所定の電圧差閾値ｄＶを下回ると、システムメインリレー４を閉じる（Ｓ６）。このとき、フィルタコンデンサ１４と平滑コンデンサ５には十分な電荷が蓄えられており、電圧差｜ＶＢ−ＶＬ｜は電圧差閾値ｄＶよりも小さくなっているので、大きな突入電流は流れない。

最後にコントローラ９は、燃料電池７の出力を絞る（Ｓ７）。燃料電池７から出力される残余の電力はメインバッテリ３に蓄えられる。

以上の通り、電源システム２は、システムメインリレー４に電流制限抵抗付リレーを備えることなく、平滑コンデンサ５とフィルタコンデンサ１４をプリチャージすることができ、システムメインリレー４を閉じる際の突入電流を抑制する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のシステムメインリレー４が請求項の「スイッチ」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電源システム
３：メインバッテリ
４：システムメインリレー
５：平滑コンデンサ
６：インバータ
７：燃料電池
８：ＦＣ用電圧コンバータ
９：コントローラ
１０：ＤＣコンバータ（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１３、２１：電圧センサ
１４：フィルタコンデンサ
１５：リアクトル
１６ａ、１６ｂ：トランジスタ
１７ａ、１７ｂ：ダイオード
２２：モータ
１００：燃料電池車

Claims (1)

1. バッテリと、
   直流電力を走行用の交流モータの駆動電力に変換するインバータと、
   低電圧端が前記バッテリに接続されており、高電圧端が前記インバータに接続されている双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記インバータと前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に並列に接続されている平滑コンデンサと、
   前記インバータと前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に並列に接続されている燃料電池と、
   前記バッテリと前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に接続されており、前記バッテリと前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの接続と遮断を切り換えるスイッチと、
   コントローラと、
   を備えており、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記高電圧端の正極と負極の間に直列に接続されている２個のトランジスタと、
   前記２個のトランジスタの直列接続の中点と、前記低電圧端の正極の間に接続されているリアクトルと、
   前記低電圧端の正極と負極の間に接続されているフィルタコンデンサと、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記スイッチを閉じる前に、直列接続の高電位側の前記トランジスタをオンするとともに前記燃料電池を動作させ、前記フィルタコンデンサの両端電圧と前記バッテリの出力電圧との差が所定の電圧差閾値を下回ったら前記スイッチを閉じる、燃料電池車の電源システム。

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