KR101477718B1 - 연료 전지 차량 - Google Patents

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KR101477718B1
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고지 가타노
히로유키 세키네
이쿠히로 나카무라
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 연료 전지 차량(1)은, 전력 입력부(PI1), 리액터(L1, L2, L3, L4), 및 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)에 의해 구성된 DC-DC 컨버터(4)를 구비하고 있고, DC-DC 컨버터(4)에 있어서의 전력 입력부(PI1)와 리액터(L1, L2, L3, L4)의 접속부, 및, 리액터(L1, L2, L3, L4)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 접속부는, 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로, DC-DC 컨버터(4) 중, 차량의 좌측 또는 우측 중 어느 하나에 있어서의 일측면 측에 배치되어 있다.

Description

연료 전지 차량{FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은, 연료 전지 차량에 관한 것이다.
최근, 장래의 석유 고갈이나 지구 온난화에 대한 대책으로서, 연료 전지 시스템으로부터 공급되는 전력에 의해 주행하는 연료 전지 차량의 개발이 진척되고 있다. 이러한 연료 전지 차량은, 연료 전지 시스템의 구성 장치인 연료 전지 스택, 승압 컨버터, 냉각 시스템과 같은 각종 보조 기계류 등을 탑재할 필요가 있다.
하기 특허문헌 1에는, 연료 전지 스택이나 승압 컨버터(DC-DC 컨버터) 등을, 차량의 플로어 패널의 하방에 탑재한 연료 전지 차량이 기재되어 있다. 그러나, 플로어 패널의 하방에 연료 전지 스택 등을 탑재하는 경우, 차 높이의 제한이나 탑승자의 착좌 스페이스를 확보할 필요성 등에 의해, 플로어 패널의 하방에는 넓은 공간을 확보할 수 없다는 제약이 있다. 이 때문에, 한정된 공간 내에 연료 전지 스택 등을 배치하기 위한 연구가 필요해진다.
그래서, 하기 특허문헌 2에 기재된 연료 전지 차량은, 운전석과 조수석 사이에 형성된 센터 터널(센터 콘솔)의 내부에 연료 전지 스택을 탑재하고 있다. 이와 같이, 센터 터널의 내부의 공간을 유효하게 이용함으로써, 플로어 패널 전체의 높이의 상승을 방지하면서, 탑승자의 착좌 스페이스를 확보하고 있다.
일본 특허 공개 제2011-18553호 공보 일본 특허 공개 제2007-15612호 공보
센터 터널의 내부에 연료 전지 스택을 탑재하는 경우, 연료 전지 스택에 인접하여 승압 컨버터도 센터 터널의 내부에 탑재할 수 있으면, 플로어 패널 하방의 공간을 더욱 유효 이용할 수 있음에 더하여, 배선의 설치 거리를 단축할 수 있는 점에서도 바람직하다.
이 경우, 센터 터널의 내부는 차량의 전후 방향으로 연장되는 가늘고 긴 공간이기 때문에, 연료 전지 스택 및 승압 컨버터는, 차량의 전후 방향을 따라 배치되는 것이 된다. 또, 연료 전지 스택 및 승압 컨버터는 모두, 차량의 좌우 방향에 있어서의 치수가 가능한 한 작아지도록 설계하는 것이 요구된다.
그러나, 승압 컨버터는, 내부에 리액터나 스위칭 소자와 같은 대형의 구성 요소를 가지고 있다. 또한, 리액터와 스위칭 소자를 전기적으로 접속시키기 위한 버스 바나, 스위칭 소자를 냉각하기 위하여 냉매를 순환시키는 냉각 배관도 배치할 필요가 있기 때문에, 차량의 좌우 방향에 있어서의 승압 컨버터의 치수를 작게 하는 것은 용이하지 않다.
상기 특허문헌 2에는, 연료 전지 스택을 센터 터널의 내부에 배치하는 것은 기재되어 있지만, 승압 컨버터도 센터 터널의 내부에 배치하는 것에 대해서는 검토되어 있지 않고, 승압 컨버터를 구성하는 버스 바의 구체적인 배치나 냉각 배관의 배치 등은 기재되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 센터 터널의 내부에 연료 전지 스택 및 승압 컨버터를 탑재함으로써, 플로어 패널 전체의 높이의 상승을 방지하여, 탑승자의 착좌 스페이스를 확보할 수 있는 연료 전지 차량을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 관련된 연료 전지 차량은, 차량의 전후 방향으로 연장되는 센터 터널이 형성된 플로어 패널을 가지고, 직류 전원인 연료 전지, 및 상기 연료 전지의 출력 전압을 승압하여 전력을 출력하는 승압 컨버터를, 차량의 전후 방향을 따라 상기 센터 터널 내에 탑재한 연료 전지 차량에 있어서, 상기 승압 컨버터는, 상기 연료 전지가 공급하는 전력을 입력하기 위한 전력 입력부와, 상기 전력 입력부에 일단이 접속된 리액터와, 상기 리액터의 타단에 접속된 스위칭 회로부와, 상기 스위칭 회로부에 접속되며, 전력을 출력하기 위한 전력 출력부를 구비하고, 상기 전력 입력부와 상기 리액터의 접속부, 및, 상기 리액터와 상기 스위칭 회로부의 접속부는, 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로, 상기 승압 컨버터 중, 차량의 좌측 또는 우측 중 어느 하나에 있어서의 일측면 측에 배치되는 것을 특징으로 하고 있다.
승압 컨버터에 탑재되는 리액터는 대형의 코일이기 때문에, 리액터와 전력 입력부의 접속부, 및 리액터와 스위칭 회로부의 접속부는, 모두 소정의 치수로 형성된 버스 바끼리의 접속에 의해 구성된다. 이 때문에, 센터 터널과 같은 좁은 공간 내에 있어서는, 이들 접속부의 배치에 대해서도 문제가 된다.
예를 들면, 승압 컨버터 중 차량의 전방 측의 측면에는, 차량의 최전방에 배치된 라디에이터를 향하여 연장되는 냉각 배관이 존재하기 때문에, 상기 접속부를 배치하기 위한 공간을 확보하는 것이 곤란하다. 한편, 차량의 후방 측의 측면은, 승압 컨버터와 연료 전지 스택을 접속시키기 위한 버스 바 등이 배치되기 때문에, 역시 상기 접속부를 배치하기 위한 공간을 확보하는 것이 곤란하다. 또한, 차량 충돌 시를 고려하여, 승압 컨버터는 가능한 한 차량 후방 측에 배치하고자 하는 안전 설계상의 요구도 있어, 역시 차량의 후방 측의 측면에 상기 접속부를 배치하는 것은 바람직하지 않다.
본 발명에 의하면, 전력 입력부와 리액터의 접속부, 및, 리액터와 스위칭 회로부의 접속부는, 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로, 승압 컨버터 중, 차량의 좌측 또는 우측 중 어느 하나에 있어서의 일측면 측에 배치한다.
이러한 구성으로 함으로써, 냉각 배관이 존재하는 차량 전방 측이나, 승압 컨버터와 연료 전지 스택을 접속시키기 위한 버스 바 등이 배치되는 차량 후방 측을 피하여, 전력 입력부와 리액터의 접속부, 및, 리액터와 스위칭 회로부의 접속부를 배치할 수 있다.
또, 이들 접속부는 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로 배치되기 때문에, 리액터를 복수 설치한 다상(多相) 컨버터이어도, 차량의 좌우 방향에 있어서의 승압 컨버터의 폭은, 리액터의 수에 따라서는 증가하지 않는다. 또한, 이들 접속부는 모두, 승압 컨버터 중 차량의 좌측 또는 우측 중 어느 하나에 있어서의 일측면 측에 배치된다. 이 때문에, 양측면 측에 배치되는 경우와 비교하여, 차량의 좌우 방향에 있어서의 승압 컨버터의 폭이 저감되기 때문에, 승압 컨버터를 센터 터널 내에 배치하는 것이 가능해진다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 차량의 상하 방향에 있어서, 상기 리액터는 상기 스위칭 회로부보다 하방에 설치되어 있고, 상기 리액터는, 상기 전력 입력부와 전기적으로 접속시키기 위한 제1 리액터 버스 바와, 상기 스위칭 회로부와 전기적으로 접속시키기 위한 제2 리액터 버스 바를 가지며, 상기 전력 입력부로부터 연장되는 입력 버스 바가, 차량의 상하 방향에 있어서, 상기 스위칭 회로부와 상기 리액터 사이에 배치되는 것으로서, 상기 입력 버스 바와 상기 제1 리액터 버스 바의 접속부의 위치는, 상기 스위칭 회로부와 상기 제2 리액터 버스 바의 접속부의 위치보다 높은 위치에 설치되어 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 전력 입력부로부터 연장되는 입력 버스 바를, 차량의 상하 방향에 있어서, 스위칭 회로부와 리액터 사이에 배치한 후, 입력 버스 바와 제1 리액터 버스 바의 접속부의 위치를, 스위칭 회로부와 제2 리액터 버스 바의 접속부의 위치보다 높은 위치에 설치한다.
이러한 구성으로 함으로써, 리액터보다 상부에 배치되는 스위칭 회로부를 낮은 위치에 배치하는 것이 가능해지기 때문에, 승압 컨버터의 높이가 저감되어, 승압 컨버터를 센터 터널 내에 배치하는 것이 보다 용이한 것이 된다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 리액터를 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류 계측 수단이, 상기 리액터에 접속된 전류 경로 중, 상기 스위칭 회로부가 접속된 측의 전류 경로와는 반대 측에 있어서의 전류 경로 상에 설치되어 있는 것도 바람직하다.
승압 컨버터의 내부에 있어서는, 리액터를 흐르는 전류가 소정의 크기 이 되도록 제어하는 것을 목적으로 하고, 이러한 전류를 계측하기 위한 전류 계측 수단이 배치된다. 그러나, 리액터에 접속된 스위칭 회로의 동작에 의해 전기적인 노이즈가 생겨, 전류 계측 수단에 의한 전류의 계측을 정확하게 행할 수 없는 경우가 있다.
이 바람직한 태양에서는, 전류 계측 수단을, 리액터에 접속된 전류 경로 중, 상기 스위칭 회로부가 접속된 측의 전류 경로와는 반대 측에 있어서의 전류 경로 상에 설치하고 있다. 즉, 전류 계측 수단으로부터 스위칭 회로부에 이르는 전류 경로의 도중에, 리액터가 배치된 상태가 되어 있다. 이 때문에, 스위칭 회로부의 동작에 의해 생긴 전기적인 노이즈는, 리액터를 경유하여 전류 계측 수단에 도달하게 된다. 리액터를 경유함으로써, 전기적인 노이즈는 저감되기 때문에, 전류 계측 수단에 의한 전류의 계측을 더 정확하게 행하는 것이 가능해진다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 스위칭 회로부와 상기 전력 출력부 사이에 배치되며, 상기 승압 컨버터의 출력 전압을 평준화하기 위한 콘덴서와, 상기 스위칭 회로부에 인접하여 배치되고, 상기 스위칭 회로부를 냉각하기 위한 냉매를 유통시키는 냉매 유로와, 상기 냉매 유로에 냉매를 공급하기 위한 배관으로서, 상기 승압 컨버터로부터 차량의 전방 측을 향하여 연장되도록 배치된 제1 배관과, 상기 냉매 유로로부터 냉매를 배출하기 위한 배관으로서, 상기 제1 배관과 이간되고, 상기 승압 컨버터로부터 차량의 전방 측을 향하여 연장되도록 배치된 제2 배관을 구비하고, 상기 콘덴서는, 상기 스위칭 회로부의 근방이고, 또한 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이에 배치되는 것도 바람직하다.
승압 컨버터의 출력 전압을 평준화하기 위하여 배치되는 콘덴서는, 필요한 용량이 크기 때문에 그 외형이 큰 것이 되어, 그 설치 장소가 문제가 된다. 또, 콘덴서는, 승압 컨버터의 동작 중에 있어서 발열되지만, 센터 터널과 같은 좁은 공간 내에 승압 컨버터를 배치한 경우, 내부에서 생긴 열을 방산시키는 경로를 충분히 확보하는 것이 어려워, 상기 콘덴서의 온도가 지나치게 상승한다. 그러나, 공간의 제약에 의해, 콘덴서를 냉각하기 위한 냉각 배관을 별도 설치하는 것은 어렵다.
이들 문제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은, 스위칭 회로부를 냉각하기 위한 냉매를 유통시키는 2개의 배관이, 차량의 좌우 방향에 있어서, 스위칭 회로부의 폭을 따라 서로 이간되어 배치되는 점에 착목하였다. 또한, 이들 배관과 라디에이터를 접속시킬 때, 배관에 가하여지는 힘에 의해 스위칭 회로부가 손상되지 않도록, 이들 배관에는 소정의 길이가 필요한 점에도 착목하였다. 즉, 제1 배관과 제2 배관 사이에는 소정의 폭(차량의 좌우 방향) 및 길이(차량의 전후 방향)를 가지고 공간이 형성되게 된다.
이 바람직한 태양에서는, 승압 컨버터로부터 차량의 전방 측을 향하여 연장되도록, 서로 이간되어 배치된 제1 배관과 제2 배관 사이에 콘덴서를 배치하고 있다. 즉, 상기 공간 내에 콘덴서를 배치하고 있기 때문에, 센터 터널 내에 있어서 승압 컨버터가 차지하는 체적은, 콘덴서를 설치하여도 그것에 의해서는 증가하지 않는다. 또, 콘덴서는, 내부를 유통하는 냉매에 의해 온도가 저하되어 있는 제1 배관, 제2 배관에 끼워져 있던 위치에 설치되기 때문에, 콘덴서의 주위는 이들 배관에 의해 기온이 낮아지게 되어, 콘덴서의 온도가 지나치게 상승하는 것이 방지된다. 또한, 콘덴서는 스위칭 회로부의 근방에 설치되기 때문에, 콘덴서와 스위칭 회로부 사이의 전류 경로가 짧아져, 전력의 손실이 저감됨과 함께, 인덕턴스가 저감 됨으로써 스위칭 회로부의 서지 전압도 저감시킬 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 콘덴서는, 상기 콘덴서의 외주의 적어도 일부를 덮도록 배치된 콘덴서 커버에 대하여 고정되어 있고, 상기 콘덴서 커버는, 상기 제1 배관, 및 상기 제2 배관의 적어도 일방과 접촉하고 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 콘덴서가, 그 외주의 적어도 일부를 덮도록 배치된 콘덴서 커버에 대하여 고정되어 있고, 당해 콘덴서 커버는, 제1 배관, 및 제2 배관의 적어도 일방과 접촉하고 있다. 이와 같이 구성함으로써, 내부를 유통하는 냉매에 의해 온도가 저하되어 있는 제1 배관, 제2 배관의 적어도 일방에 의해, 이와 접촉하고 있는 콘덴서 커버가 직접 냉각된다. 그 결과, 콘덴서 커버에 덮여 있는 콘덴서를 효율적으로 냉각할 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 콘덴서 커버는, 상기 콘덴서의 상면을 덮는 상벽부를 가지고 있고, 상기 상벽부에는, 상기 상벽부를 관통하는 공기통이 형성되어 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 콘덴서 커버가, 콘덴서의 상면을 덮는 상벽부를 가지고 있기 때문에, 콘덴서의 상부를 보호한 상태로 콘덴서를 고정할 수 있다. 또, 콘덴서 커버의 상벽부에는, 이를 관통하는 공기통이 형성되어 있기 때문에, 콘덴서에 있어서 발생한 열이 콘덴서 커버의 외부로 방산되기 위한 경로가 확보되어, 콘덴서를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 콘덴서 커버는, 상기 상벽부에 있어서 방열 핀(fin)이 형성되어 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 콘덴서 커버에는 방열 핀이 형성되어 있기 때문에, 콘덴서 커버로부터 그 주위의 공기로의 방열이 촉진되어, 콘덴서를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 승압 컨버터보다 차량의 전방 측에는, 상기 냉매를 냉각하기 위한 라디에이터를 구비하고, 상기 라디에이터로부터 연장되어 상기 제1 배관에 접속되는 제1 라디에이터 배관과, 상기 라디에이터로부터 연장되어 상기 제2 배관에 접속되는 제2 라디에이터 배관을 구비하고 있고, 상기 제1 배관과 상기 제1 라디에이터 배관을 접속시키는 제1 접속부, 및, 상기 제2 배관과 상기 제2 라디에이터 배관을 접속시키는 제2 접속부의 연직 하방에는, 제1 접속부 및 제2 접속부로부터 상기 냉매가 유출된 경우에 있어서 당해 냉매를 받아들이도록, 액받이 트레이가 설치되어 있는 것도 바람직하다.
센터 터널 내에 승압 컨버터를 탑재한 연료 전지 차량에 있어서는, 차량의 전방 측에 배치된 라디에이터와 승압 컨버터를 연결하는 냉각 배관이, 차량의 전후 방향을 따라 수평으로 배치된다. 연료 전지 차량의 수리 시나 메인터넌스 시에는, 승압 컨버터로부터 연장되는 제1 배관에 접속된 제1 라디에이터 배관, 및, 승압 컨버터로부터 연장되는 제2 배관에 접속된 제2 라디에이터 배관을 모두 분리할 필요가 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 제1 배관 및 제2 배관은 수평으로 배치되어 있기 때문에, 제1 라디에이터 배관, 제2 라디에이터 배관을 분리하였을 때, 배관 내에 잔류하고 있던 냉매가 제1 접속부, 제2 접속부로부터 유출되어, 낙하하는 경우가 있다.
승압 컨버터의 차량 전방 측에는, 모터로 전력을 출력하기 위한 전류 경로가 배치되어 있다. 이 때문에, 제1 접속부, 제2 접속부로부터 냉매가 유출되어 낙하하면, 이러한 전류 경로를 구성하는 버스 바 등이 냉매에 의해 오염된다는 문제가 생긴다.
이 바람직한 태양에서는, 승압 컨버터로부터 연장되는 제1 배관과 라디에이터로부터 연장되는 제1 라디에이터 배관을 접속시키는 제1 접속부, 및, 승압 컨버터로부터 연장되는 제2 배관과 라디에이터로부터 연장되는 제2 라디에이터 배관을 접속시키는 제2 접속부의 연직 하방에, 액받이 트레이가 설치되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 제1 접속부 및 제2 접속부로부터 냉매가 유출되어도, 액받이 트레이가 당해 냉매를 받아 들이기 때문에, 그 하방에 있는 전류 경로가 오염된다는 문제를 확실히 방지하여, 서비스 시의 수고를 경감할 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 전력 출력부에는, 상기 부하로의 전력 공급 및 차단을 전환하기 위한 릴레이가 접속되어 있고, 상기 액받이 트레이는, 상기 릴레이의 상부에 형성되어 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 승압 컨버터의 차량 전방 측에 형성된 전류 경로 중, 전력 출력부에 접속된 릴레이의 상부에, 상기 액받이 트레이를 형성하고 있다. 기존 부품인 릴레이의 상부에 액받이 트레이가 형성되기 때문에, 액받이 트레이를 추가함에 따른 승압 컨버터의 체적 증가를 억제하면서, 냉매가 유출된 경우의 문제를 방지할 수 있다.
또 본 발명에 관련된 연료 전지 차량에서는, 상기 승압 컨버터는, 수납 케이스 내에 수납된 상태로 상기 센터 터널 내에 탑재되어 있고, 상기 수납 케이스에는, 상기 제1 배관 또는 상기 제1 라디에이터 배관이 관통하기 위한 구멍인 제1 관통 구멍과, 상기 제2 배관 또는 상기 제2 라디에이터 배관이 관통되기 위한 구멍인 제2 관통 구멍이 형성되어 있고, 또한, 상기 승압 컨버터에 접속되는 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍이, 차량의 좌우 방향에 있어서, 상기 제1 관통 구멍과 상기 제2 관통 구멍 사이가 되는 위치에 형성되어 있는 것도 바람직하다.
이 바람직한 태양에서는, 승압 컨버터를 수납하기 위한 수납 케이스에, 냉매를 유통시키는 배관이 관통하는 두 개의 구멍, 즉 제1 관통 구멍과 제2 관통 구멍이 형성되어 있다. 또한, 승압 컨버터에 접속되는 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍이, 차량의 좌우 방향에 있어서, 제1 관통 구멍과 제2 관통 구멍 사이가 되는 위치에 형성되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 스위칭 회로부의 폭에 따라 서로 이간되어 배치되는 제1 관통 구멍과 제2 관통 구멍 사이의 부분을 유효하게 이용하여, 차량의 좌우 방향에 있어서의 수납 케이스의 폭을 확대하지 않고, 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍을 형성할 수 있다. 그 결과, 승압 컨버터의 체적 증가가 억제되어, 승압 컨버터를 센터 터널 내에 배치하는 것이 보다 용이한 것이 된다.
본 발명에 의하면, 센터 터널의 내부에 연료 전지 스택 및 승압 컨버터를 탑재함으로써, 플로어 패널 전체의 높이의 상승을 방지하고, 탑승자의 착좌 스페이스를 확보할 수 있는 연료 전지 차량이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 연료 전지 차량의 구성을, 상면에서 보았을 때에 있어서 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지 차량의 전기적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 상면도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터 중, 리액터 버스 바의 접속 부분에 있어서의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터 중, 스위칭 회로부를 냉각하기 위한 냉매 유로의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 1에 나타낸 연료 전지 차량에 탑재되는 승압 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 설명의 이해를 쉽게 하기 위하여, 각 도면에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.
우선, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 일 실시 형태인 연료 전지 차량의 구성을 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태인 연료 전지 차량의 구성을, 상면에서 보았을 때에 있어서 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 차량(1)은, 연료 전지 장치(2)와, 연료 탱크(3)와, DC-DC 컨버터(4)와, 인버터(5)와, 모터(6)와, 라디에이터(7)에 의해 구성되어 있다.
연료 전지 장치(2)는, 연료 전지 차량(1)을 주행시키기 위한 전력을 발생시키는 장치로서, 연료 전지 차량(1)의 플로어 패널의 하방에서, 또한 운전석(8)과 조수석(9) 사이에 형성된 센터 터널의 내부에 배치되어 있다.
연료 전지 장치(2)는, 예를 들면, 고분자 전해질형 연료 전지이며, 다수의 단(單)셀을 적층한 스택 구조로 되어 있다. 단셀은, 이온 교환막으로 이루어지는 전해질막의 일방의 면에 공기극을 가지고, 타방의 면에 연료극을 가지며, 또한 공기극 및 연료극을 양측으로부터 끼우도록 한 쌍의 세퍼레이터를 가지는 구조로 되어 있다. 이 경우, 일방의 세퍼레이터의 수소 가스 통로에 수소 가스가 공급되고, 타방의 세퍼레이터의 산화 가스 통로에 산화 가스가 공급되며, 이들 반응 가스가 화학 반응함으로써 전력이 발생한다.
연료 탱크(3)는, 연료 전지 장치(2)에 공급하는 수소 가스를 저장하기 위한 탱크로서, 연료 전지 차량(1)의 후방부에 배치되어 있다. 연료 탱크(3)로부터 연료 전지 장치(2)에 공급되는 수소 가스의 유량은, 액셀러레이터 개도(開度) 등에 의해 정해지는 요구 전력에 따라, 도시 생략한 제어 장치 및 유량 조정 밸브 등에 의해 제어되어 있다.
DC-DC 컨버터(4)는, 직류의 전압 변환기이며, 연료 전지 장치(2)로부터 입력된 전력을, 그 직류 전압을 승압하고 나서 인버터(5)에 출력(공급)하는 기능을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서는, DC-DC 컨버터(4)는 연료 전지 장치(2)와 마찬가지로, 연료 전지 차량(1)의 플로어 패널의 하방에서, 또한 운전석(8)과 조수석(9) 사이에 형성된 센터 터널의 내부에 배치되어 있다. DC-DC 컨버터(4)는, 알루미늄 다이캐스트에 의해 형성된 수납 케이스(11)(도 1에 있어서는 도시 생략)의 내부에 수납된 상태로, 연료 전지 장치(2)보다 차량 전방 측에 배치되어 있다. DC-DC 컨버터(4)의 상세한 구조에 대해서는, 나중에 상세하게 설명한다.
인버터(5)는, DC-DC 컨버터(4)로부터 출력된 직류 전력을 삼상(三相) 교류 전력으로 변환하여, 모터(6)에 공급하는 기능을 갖는다. 인버터(5)는, 연료 전지장치(2)의 출력 전압보다 큰 650V의 입력 전압을 받아서 동작하는 사양으로 되어 있다. DC-DC 컨버터(4)는, 연료 전지 장치(2)와 인버터(5) 사이에 배치됨으로써, 연료 전지 장치(2)의 출력 전압과, 인버터(5)가 동작 가능한 입력 전압의 차를 벌충하는 역할을 하고 있다.
모터(6)는, 인버터(5)로부터 출력되는 삼상 교류 전력의 공급을 받아, 연료 전지 차량(1)을 주행시키기 위한 구동력을 발생시키는 전자 모터이다. 모터(6)가 발생시키는 구동력은, 도시 생략한 제어 장치가 액셀러레이터 개도 등에 기초하여 요구 전력을 산출하고, 이러한 요구 전력에 기초하여, 연료 전지 장치(2)의 출력 전력 및 인버터(5)의 출력 전력을 제어함으로써 조정된다.
라디에이터(7)는, 연료 전지 차량(1)을 구성하는 연료 전지 장치(2), DC-DC 컨버터(4), 모터(6) 등의 냉각을 행하기 위한 장치이다. 라디에이터(7)는, 냉각 대상인 각각의 장치와의 사이에서, 도 1에는 도시 생략한 배관을 통하여 냉매를 순환시키는 것이다. 연료 전지 차량(1)의 범퍼 페이스 부분에 설치된 통풍구(10)로부터 도입된 외기(外氣)가, 라디에이터(7)를 통과하는 냉매로부터 열을 빼앗음으로써, 각 장치의 냉각이 행하여진다. 이 때문에, 라디에이터(7)는 차량의 최전방에 배치되어 있다.
계속해서, DC-DC 컨버터(4)의 전기적인 구성에 대하여, 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2는, 연료 전지 차량(1)의 전기적인 구성을 나타낸 도면으로서, 특히 DC-DC 컨버터(4)의 내부에 있어서의 구성을 상세히 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, DC-DC 컨버터(4)는, U상 컨버터(DC1), V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), X상 컨버터(DC4)가 병렬로 접속된, 4상으로 이루어지는 다상 컨버터이다.
U상 컨버터(DC1)의 구성에 대하여 설명한다. U상 컨버터(DC1)는, 리액터(L1)와, 스위칭 회로부(IPM1)를 구비하고 있다. 스위칭 회로부(IPM1)는, 내부에 스위치(SW1), 다이오드(D1)를 가지고 있고, 파워 카드라고 불리는 모듈에 의해 구성되어 있다.
스위치(SW1)의 스위칭 동작(ON/OFF의 전환)이 주기적으로 행하여지면, 리액터(L1)에 있어서의 전기 에너지의 축적, 및 축적 에너지의 해방이 주기적으로 반복된다. 해방된 전기 에너지는, 다이오드(D1)를 경유하여 출력된다. 전기 에너지를 리액터(L1)에 한번 축적하고 나서 해방하기 때문에, U상 컨버터(DC1)의 출력 전압인(P9, P10) 사이의 전압은, 입력 전압인 연료 전지 장치(2)의 출력 전압보다 높은 전압이 된다.
V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), 및 X상 컨버터(DC4)는, 상기의 U상 컨버터(DC1)와 동일한 구성으로 되어 있고, 동일하게 동작한다. 즉, 스위치(SW2, SW3, SW4)의 스위칭 동작을 행함으로써, 리액터(L2, L3, L4)에 있어서의 전기 에너지의 축적, 및 축적 에너지의 해방을 주기적으로 반복함으로써, 입력 전압보다 높은 전압을 출력한다.
스위치(SW1), 스위치(SW2), 스위치(SW3), 및 스위치(SW4)는, 기본적으로는, 서로의 위상차가 90°(π/2)가 되도록 조정된 타이밍으로 스위칭 동작을 행하도록 제어된다.
U상 컨버터(DC1), V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), 및 X상 컨버터(DC4)는, 각각의 리액터(L1, L2, L3, L4)를 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류계(I1, I2, I3, I4)를 구비하고 있다. 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는, 이들 전류계(I1, I2, I3, I4)가 측정하는 각각의 전류값이 서로 동등해지도록, 당해 전류값을 피드백하면서, 각각의 스위칭 동작을 조정하도록 제어된다.
전류계(I1, I2, I3, I4)는, 모두, 리액터(L1, L2, L3, L4)에 접속된 전류 경로 중, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)가 접속된 측의 전류 경로와는 반대측[즉, 연료 전지 장치(2) 측]에 있어서의 전류 경로 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 스위칭 동작에 의해 전기적인 노이즈가 생긴 경우에도, 당해 노이즈는 리액터(L1, L2, L3, L4)를 경유하여 전류계(I1, I2, I3, I4)에 도달하게 된다. 리액터(L1, L2, L3, L4)를 경유함으로써 전기적인 노이즈는 저감되기 때문에, 전류계(I1, I2, I3, I4)에 의한 전류의 계측을 보다 정확하게 행하는 것이 가능하게 되어 있다.
U상 컨버터(DC1), V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), 및 X상 컨버터(DC4)의 각 출력부는, 하나의 콘덴서(C1)에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 콘덴서(C1)는, U상 컨버터(DC1), V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), 및 X상 컨버터(DC4)로부터 출력되는 전압을 평준화하여 출력하기 위한 것이다. 콘덴서(C1)에 의해 전압이 평준화된 후, 전력 출력부(PO1, PO2)로부터 전력이 인버터(5)를 향하여 출력된다.
전력 출력부(PO1, PO2)와 인버터(5) 사이에는, 릴레이(R1, R2)가 배치되어 있다. 릴레이(R1, R2)는, 전력 출력부(PO1, PO2)로부터 인버터(5)에 전력을 출력하는 경로의 접속 및 차단을 전환하는 것이다.
계속해서, DC-DC 컨버터(4)의 구체적인 구성에 대하여, 도 3 내지 5를 참조하면서 설명한다. 도 3은, DC-DC 컨버터(4)의 구성을 나타낸 사시도로서, DC-DC 컨버터(4)가 수납되는 수납 케이스(11)의 상부 덮개(11a)를 분리한 상태를 나타내고 있다. 도 4는, DC-DC 컨버터(4)의 구성을 나타낸 상면도이다. 도 5는, DC-DC 컨버터(4)의 구성을 나타낸 단면도로서, 차량의 전후 방향에 대하여 수직한 면에 있어서 DC-DC 컨버터(4)를 절단한 경우의 단면을 나타내고 있다.
수납 케이스(11)는, 알루미늄 다이캐스트에 의해 형성된 케이스로서, 상부 덮개(11a), 하부 용기(11b)에 의해 구성되어 있다. 수납 케이스(11)는, 상부 덮개(11a)와 하부 용기(11b) 사이의 공간 내에 DC-DC 컨버터(4)를 수납한 상태로, 연료 전지 차량(1)의 센터 터널의 내부에 탑재된다. 수납 케이스(11)에는, DC-DC 컨버터(4)를 구성하는 리액터(L1, L2, L3, L4), 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4), 및 콘덴서(C1)에 더하여, 릴레이(R1, R2)도 수납되어 있다.
수납 케이스(11)는 센터 터널 내에 탑재되기 때문에, 가늘고 긴 형상으로 되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 그 길이 방향의 일단 측 측면에는, 연료 전지 장치(2)가 공급하는 전력을 입력하기 위한 전력 입력부(PI1, PI2)를 구비하고 있다. 이미 설명한 바와 같이, DC-DC 컨버터(4)는 연료 전지 장치(2)보다 차량의 전방 측에 배치되기 때문에, DC-DC 컨버터(4)는, 전력 입력부(PI1, PI2)를 차량의 후방 측을 향한 상태로, 수납 케이스(11)에 수납되어 있다.
전력 출력부(PO1, PO2), 및 릴레이(R1, R2)는, 차량의 전방 측에 배치된 인버터(5)와 전기적으로 접속될 필요성으로부터, 수납 케이스(11)의 타단 측(차량의 전방 측) 가까이에 배치되어 있다. 릴레이(R1, R2)로부터 인버터(5)를 향하여 전력을 출력하기 위한 출력 단자(PO3, PO4)는, 수납 케이스(11)의 내부에 있으며, 수납 케이스(11)의 측면(차량의 우측 방향)에 있는 개구부로부터 접속할 수 있도록, 차량의 우측 방향을 향하여 설치되어 있다.
DC-DC 컨버터(4)를 구성하는, 리액터(L1, L2, L3, L4), 및 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 배치에 대하여 설명한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 리액터(L1, L2, L3, L4)는 모두, 수납 케이스(11) 내부의 하방 측에 있어서, 상하 두 개의 계층으로 나누어 배치되어 있다. 각 계층에는, 각각 두 개의 리액터가, 도 5에 있어서 지면(紙面) 속 방향으로 나열되어 배치되어 있다. 리액터(L1, L2, L3, L4)는, 도시 생략한 리액터 수납 케이스에 수납된 상태로 배치되어 있다. 리액터 수납 케이스의 외부에는, 리액터를 냉각하기 위한 냉매 유로가 구비되어 있다.
스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)는, 각각이 복수의 파워 카드(PWC)의 세트로서 구성되어 있다. 각 파워 카드(PWC)는, 차량의 상하 방향에 있어서, 리액터(L1, L2, L3, L4)보다 상부가 되는 위치에 배치되어 있다.
스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)를 구성하는 각 파워 카드 PWC의 상부에는, 각 파워 카드(PWC)의 동작을 제어하는 제어 기판(B1)이 배치되어 있다. 각 파워 카드(PWC)의 상부에는, 각각이 상방을 향하여 연장되는 복수의 핀(20)을 구비하고 있고, 핀(20)에 의해, 제어 기판(B1)과 각 파워 카드(PWC)가 접속되어 있다. 제어 기판(B1)은, 핀(20)을 통하여 각 파워 카드(PWC)에 대한 제어 신호를 보내어, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 스위칭 동작을 제어한다.
각 파워 카드(PWC)의 하부에는, 각각이 하방을 향하여 연장되는 복수의(IPM) 버스 바(IB)를 구비하고 있다. IPM 버스 바(IB)는, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)에 대하여, 리액터(L1, L2, L3, L4)나 연료 전지 장치(2), 및 콘덴서(C1)를 전기적으로 접속시키기 위한 버스 바이다.
계속해서, 리액터(L1, L2, L3, L4)와 전력 입력부(PI1)의 전기적 접속, 및, 리액터(L1, L2, L3, L4)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 전기적 접속에 대하여, 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 6은, DC-DC 컨버터(4)의 구성을 나타낸 측면도로서, DC-DC 컨버터(4)를 차량의 우측으로부터 본 경우의 측면을 나타내고 있다.
리액터(L1, L2, L3, L4)와 전력 입력부(PI1)의 전기적 접속은, 전력 입력부(PI1)에 접속된 분배 버스 바(DB)에 대하여, 리액터(L1, L2, L3, L4)의 일단으로부터 연장되는 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)를 접속시킴으로써 행하여진다.
분배 버스 바(DB)는, 일단이 전력 입력부(PI1)에 접속되고, 수평으로 배치된 금속판이다. 도 6, 도 7에 나타내는 바와 같이, 분배 버스 바(DB)는, DC-DC 컨버터(4) 중 차량 우측의 측면 근방을, 차량의 전후 방향을 따라 배치되어 있다. 또, 분배 버스 바(DB)은, 차량의 상하 방향에 있어서, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)와 리액터(L1, L2, L3, L4) 사이가 되는 높이에 배치되어 있다. 또한, 분배 버스 바(DB)는, 도 2에 나타낸 회로에 있어서, 전력 입력부(PI1)와 P1, P2, P3, P4를 연결하는 범위에 상당하고 있다.
리액터(L1, L2, L3, L4)의 일단에는 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)가 각각 접속되고, 타단에는 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)가 각각 접속되어 있다. 즉, 4개의 리액터에 대하여 각 2개씩, 합계 8개의 리액터 버스 바가 접속되어 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 이들 8개 리액터 버스 바의 단부가, 분배 버스 바(DB)보다 높은 위치에 있어서, 하방으로부터 상방을 향하여 돌출되도록 배치된다. 8개 리액터 버스 바는, 분배 버스 바(DB)와 수납 케이스(11)의 내벽 사이에 있어서, 차량의 전후 방향을 따라 일렬로 나열된 상태로 배치되어 있다. 또한, 차량의 전방 측으로부터 후방 측을 향하여, 제2 리액터 버스 바와 제1 리액터 버스 바가 번갈아 나열되도록 배치되어 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 분배 버스 바(DB)는, 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)와 대향하는 위치에 있어서, 각각 상방을 향하여 굴곡된 굴곡부(30)가 형성되어 있다. 이러한 굴곡부(30)와 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)를, 서로 포갠 상태로 볼트로 체결함으로써, 분배 버스 바(DB)에 대하여 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)가 접속되어 있다. 또, 분배 버스 바(DB)의 굴곡부(30)와 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)의 체결 위치는, 모두 동일한 높이로 되어 있다.
리액터(L1, L2, L3, L4)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 전기적 접속은, 각 파워 카드(PWC)의 하부에 제공된 IPM 버스 바(IB)에 대하여, 리액터(L1, L2, L3, L4)의 일단으로부터 연장되는 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)를 접속시킴으로써 행하여진다. 이들 접속 지점은, 도 2에 있어서의 P5, P6, P7, P8에 해당한다. 또한, IPM 버스 바(IB)와 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)의 접속은, 이들을 직접 접속시키는 경우 이외에, 양자 사이에 다른 중계 버스 바를 개재함으로써 접속해도 된다.
각 IPM 버스 바(IB)는, 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)와 대향하는 위치에 있어서, DC-DC 컨버터(4)로부터 차량 우측을 향하여 돌출 형성되어 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 IPM 버스 바(IB)는, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)로부터 수평이고 또한 차량 우측을 향하여 돌출하는 수평부(31)와, 수평부(31)의 선단으로부터 하방을 향하여 굴곡된 굴곡부(32)를 가지도록 형성되어 있다.
이들 굴곡부(32)와 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)를, 서로 포갠 상태로 볼트로 체결함으로써, 각 IPM 버스 바(IB)에 대하여 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)가 접속되어 있다. 또, IPM 버스 바(IB)의 굴곡부(32)와 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)의 체결 위치는, 모두 동일한 높이로 되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관련된 연료 전지 차량(1)에 있어서는, 전력 입력부(PI1)[분배 버스 바(DB)]와 리액터(L1, L2, L3, L4)의 접속부, 및, 리액터(L1, L2, L3, L4)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 접속부는, 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로, DC-DC 컨버터(4) 중, 차량의 우측의 일측면 측에 배치되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 나중에 설명하는 제1 배관(50), 제2 배관(51)이 존재하는 차량 전방 측이나, DC-DC 컨버터(4)와 연료 전지 장치(2)를 접속시키기 위한 버스 바 등이 배치되는 차량 후방 측을 피하여, 전력 입력부(PI1)[분배 버스 바(DB)]와 리액터(L1, L2, L3, L4)의 접속부, 및, 리액터(L1, L2, L3, L4)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 접속부를 배치할 수 있다.
또, 이들 접속부는 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로 배치되기 때문에, 본 실시 형태와 같이 4개의 리액터를 설치한 4상 컨버터이어도, 차량의 좌우 방향에 있어서의 DC-DC 컨버터(4)의 폭은 증가하지 않는다. 또한, 이들 접속부는 모두, DC-DC 컨버터(4) 중 차량의 우측에 있어서의 일측면 측에 배치되어 있다. 이 때문에, 양측면 측에 배치되는 경우와 비교하여, 차량의 좌우 방향에 있어서의 DC-DC 컨버터(4)의 폭이 저감되기 때문에, DC-DC 컨버터(4)를 센터 터널 내에 배치하는 것이 가능하게 되어 있다.
또, 도 6, 도 7에 나타내는 바와 같이, 분배 버스 바(DB)의 굴곡부(30)와 제1 리액터 버스 바(LIB1, LIB2, LIB3, LIB4)의 체결 위치는, IPM 버스 바(IB)의 굴곡부(32)와 제2 리액터 버스 바(LOB1, LOB2, LOB3, LOB4)의 체결 위치보다 높은 위치로 되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, IPM 버스 바(IB)의 각 수평부(31)는, 분배 버스 바(DB)에 대하여 접근한 상태로 배치되어 있다. 그 결과, 리액터(L1, L2, L3, L4)보다 상부에 배치된 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)가 낮은 위치에 배치됨으로써, DC-DC 컨버터(4)의 높이가 저감되어, DC-DC 컨버터(4)를 센터 터널 내에 배치하는 것이 보다 용이한 것으로 되어 있다.
다음으로, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 냉각 기구에 대하여, 도 8 및 도 9를 참조하면서 설명한다. 도 8은, 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)를 구성하는 파워 카드(PWC)를 냉각하기 위한, 냉매 유로의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 9는, DC-DC 컨버터(4) 중 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 근방에 있어서의 구성을 나타낸 단면도로서, 차량의 좌우 방향에 대하여 수직한 면에 있어서 절단한 경우의 단면을 나타내고 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관련된 스위칭 회로부의 냉각 기구는, 13개의 탱크(TA)와, 제1 배관(50)과, 제2 배관(51)을 구비한다. 13개의 탱크(TA)는, 표리 두 개의 편평면(S)을 가지는 중공의 탱크로서, 각각의 편평면(S)이 서로 평행이 되도록 대향하여 배치되어 있다. 각 탱크(TA)는, 인접하는 탱크와의 사이[편평면(S)과 편평면(S) 사이]에, 각각 2매의 파워 카드(PWC)를 끼운 상태로 배치되어 있다.
제1 배관(50), 및 제2 배관(51)은, 단면이 원형으로 형성된 중공의 배관이며, 탱크(TA)의 편평면(S)을 수직으로 관통하도록, 차량의 전후 방향을 따라 수평으로 배치되어 있다. 제1 배관(50)과 제2 배관(51)은, 모두 동일한 높이이며, 서로 평행이 되도록 배치되어 있다.
제1 배관(50)은, 각 탱크(TA)에 있어서 차량의 우측 방향 측 단부를 관통하고, 제2 배관(51)은, 각 탱크(TA)에 있어서 차량의 좌측 방향 측 단부를 관통하고 있다. 그 결과, 각 탱크(TA) 사이에 끼워진 모든 파워 카드(PWC)는, 제1 배관(50)과 제2 배관(51) 사이에 배치되어 있다. 제1 배관(50), 제2 배관(51)의 내부 공간은, 각 탱크(TA)의 내부 공간과 모두 연통되어 있다.
제1 배관(50) 중 차량 전방 측의 단부(50a)는, 라디에이터(7)로부터 연장되는 제1 라디에이터 배관(도시 생략)과 접속되어, 라디에이터(7)로부터 유입되는 냉매를 받아들이는 부분이다. 또, 제2 배관(51) 중 차량 전방 측의 단부(51a)는, 라디에이터(7)로부터 연장되는 제2 라디에이터 배관(도시 생략)과 접속되어, 라디에이터(7)를 향하여 냉매가 유출되는 부분이다.
제1 배관(50)에 대하여, 라디에이터(7)로부터 공급되는 냉매가 단부(50a)로부터 유입되면, 이러한 냉매는 제1 배관(50)의 내부를 차량 후방 측을 향하여 흐른다. 그 후, 제1 배관(50)에 연통하는 각 탱크(TA)의 내부 공간을 통과하여, 제2 배관(51)의 내부로 유입된다. 제2 배관(51)의 내부에 유입된 냉매는, 단부(51a)를 향하여 흘러, 라디에이터(7)를 향하여 유출된다.
냉매는, 각 탱크(TA)의 내부 공간을 통과할 때, 각 탱크(TA)에 끼워져 있는 각 파워 카드(PWC)로부터 열을 빼앗아 냉각한다. 각 파워 카드(PWC)로부터 빼앗긴 열은, 냉매에 의해 라디에이터(7)로 운반되어, 라디에이터(7)에 있어서 외기로 방출된다.
상기한 바와 같이, 제1 배관(50)의 단부(50a)에는 제1 라디에이터 배관이 접속되고, 제2 배관(51)의 단부(51a)에는 제2 라디에이터 배관이 접속된다. 그러나, 연료 전지 차량(1)의 수리 시나 메인터넌스 시에는, 이들 제1 라디에이터 배관 및 제2 라디에이터 배관을 분리할 필요가 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 제1 배관(50) 및 제2 배관(51)은 수평으로 배치되어 있기 때문에, 제1 라디에이터 배관, 제2 라디에이터 배관을 분리했을 때, 제1 배관(50), 제2 배관(51) 내에 잔류하고 있던 냉매가 단부(50a, 51a)로부터 유출되어, 낙하하는 경우가 있다. 이 대책으로서, 본 실시 형태에서는, 단부(50a, 51a)로부터 냉매가 유출, 낙하한 경우에 대비하여, 당해 냉매를 받아들이는 액받이 트레이(61, 62)를 구비하고 있다.
도 4를 다시 참조하면, 제1 배관(50)의 단부(50a)의 연직 하방, 및, 제2 배관(51)의 단부(51a)의 연직 하방에는, 각각 릴레이(R1), 및 릴레이(R2)를 배치하고 있다. 릴레이(R1)의 상면, 및 릴레이(R2)의 상면에는, 그 외주 부분에 있어서 측벽(63, 64)을 구비하고 있다. 따라서, 릴레이(R1), 릴레이(R2)의 상면에 냉매가 낙하하여도, 냉매는 이들 측벽(63, 64)을 넘어 외부로 유출되지 않는다. 즉, 릴레이(R1)의 상면과 측벽(63)이 액받이 트레이(61)를 구성하고, 릴레이(R2)의 상면과 측벽(64)이 액받이 트레이(62)를 구성하고 있다.
본 실시 형태에 관련된 연료 전지 차량(1)은, 상기와 같이 액받이 트레이(61, 62)를 구비한다. 이것에 의해, 제1 배관(50), 제2 배관(51) 내에 잔류하고 있던 냉매가 단부(50a, 51a)로부터 유출되어, 낙하한 경우에도, 그 하방에 있는 전류 경로가 오염된다는 문제를 확실히 방지하여, 서비스 시의 수고를 경감시킬 수 있다. 또, 기존 부품인 릴레이(R1, R2)의 상부에 액받이 트레이(61, 62)가 형성되기 때문에, 액받이 트레이를 추가하는 것에 의한 DC-DC 컨버터(4)의 체적 증가를 억제하면서, 냉매가 유출된 경우의 문제를 방지할 수 있다.
다음으로, 콘덴서(C1)의 배치에 대하여, 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다. 이미 설명한 바와 같이, 콘덴서(C1)는, U상 컨버터(DC1), V상 컨버터(DC2), W상 컨버터(DC3), 및 X상 컨버터(DC4)로부터 출력되는 전압을 평준화하여 출력하기 위한 것이다. 이 때문에, 전력의 손실을 저감시키기 위하여, 콘덴서(C1)와 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 거리는 가능한 한 짧은 편이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 콘덴서(C1)는 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)와 인접하는 위치에 배치되어 있다. 콘덴서(C1)를 이러한 위치에 배치함으로써, 전력의 손실이 저감됨과 함께, 인덕턴스가 저감됨으로써 스위칭 회로부(IPM1, IPM2, IPM3, IPM4)의 서지 전압도 저감시킬 수 있다.
도 10은, DC-DC 컨버터(4)의 구성을 나타낸 단면도로서, 차량의 전후 방향에 대하여 수직한 면에 있어서 콘덴서(C1)를 절단한 경우의 단면을 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 콘덴서(C1)는, 이를 보호하기 위한 콘덴서 커버(70)에 수납된 상태로, 제1 배관(50)과 제2 배관(51) 사이에 배치되어 있다.
콘덴서 커버(70)는, 콘덴서(C1)의 측면을 덮는 측벽부(71)와, 콘덴서(C1)의 상면을 덮는 상벽부(72)를 구비하고 있고, 콘덴서(C1)의 바닥면에 대응하는 부분이 개구되어 있다. 이 때문에, 콘덴서(C1)는, 콘덴서 커버(70)에 대하여 하방으로부터 삽입된 후, 콘덴서 커버(70)에 고정되어 있다.
콘덴서(C1)는, DC-DC 컨버터(4)의 동작 중에 있어서 발열하지만, 센터 터널과 같은 좁은 공간 내에 DC-DC 컨버터(4)를 배치한 경우, 내부에서 생긴 열을 방산시키는 경로를 충분히 확보하는 것이 어려워, 콘덴서(C1)의 온도가 지나치게 상승하는 경우가 있다.
본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이, 콘덴서(C1)를 냉각하기 위한 냉각 배관을 별도 형성하지 않고, 콘덴서(C1)를 제1 배관(50)과 제2 배관(51) 사이에 배치하고 있다. 제1 배관(50)과 제2 배관(51)은, 내부를 유통하는 냉매에 의해 그 온도가 저하되어 있기 때문에, 콘덴서(C1)의 주위는 이들 배관에 의해 기온이 낮아지게 되어, 콘덴서(C1)의 온도가 지나치게 상승하는 것이 방지되어 있다.
또한, 도 8을 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, 제1 배관(50)과 제2 배관(51)은, 파워 카드(PWC)를 사이에 끼우도록 서로 이간시킬 필요가 있는 것이다. 또한, 제1 배관(50), 제2 배관(51)에 대하여, 각각 제1 라디에이터 배관, 제2 라디에이터 배관을 접속시킬 때, 배관에 가하여지는 힘에 의해 스위칭 회로부가 손상되지 않도록, 제1 배관(50), 제2 배관(51)은 소정의 길이를 필요로 하는 것이다.
즉, 제1 배관(50)과 제2 배관(51)은, 당초부터 서로 이간시킬 필요가 있고, 또한 소정의 길이가 필요했기 때문에, 제1 배관(50)과 제2 배관(51) 사이에는 필연적으로 공간이 형성되어 있었다고 할 수 있다. 본 실시 형태에 관련된 콘덴서(C1)의 배치는, 이러한 기존의 공간을 유효하게 이용하는 것이기 때문에, 콘덴서(C1)를 배치하는 것에 의해서는, DC-DC 컨버터(4)가 차지하는 체적은 증가하지 않는다.
콘덴서 커버(70)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 콘덴서 커버(70)의 측벽부(71)의 중, 차량 우측의 측벽부(71a)는, 제1 배관(50)과 근접한 상태가 되어 있다. 또한, 콘덴서 커버(70)의 측벽부(71) 중, 차량 좌측의 측벽부(71b)는, 제2 배관(51)과 근접한 상태가 되어 있다.
이와 같이 구성함으로써, 내부를 유통하는 냉매에 의해 온도가 저하되어 있는 제1 배관(50) 및 제2 배관(51)에 의해, 이들과 근접하고 있는 콘덴서 커버(70)가 냉각된다. 그 결과, 콘덴서 커버(70)에 덮여 있는 콘덴서(C1)를 효율적으로 냉각하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 측벽부(71a)의 일부를 제1 배관(50)을 향하여 돌출시켜, 콘덴서 커버(70)와 제1 배관(50)을 접촉시켜도 된다. 이러한 구성으로 하면, 콘덴서 커버(70)를 제1 배관(50)에 의해 직접 냉각할 수 있다.
콘덴서 커버(70)의 상벽부(72)에는, 복수의 관통 구멍(90)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(90)은, 콘덴서(C1)의 주위에 존재하는 공기가, 상벽부(72)의 상방의 공간으로 빠져나가기 위한 공기통으로서 기능하는 것이다. 이 때문에, 콘덴서(C1)에 있어서 발생한 열이 콘덴서 커버(70)의 외부로 방산되기 위한 경로가 확보되어, 콘덴서(C1)을 보다 효율적으로 냉각하는 것이 가능하게 되어 있다.
콘덴서 커버(70)의 상벽부(72), 및, 차량 전방 측의 측벽부(71c)에는, 각각 방열 핀(80, 81)이 형성되어 있다. 방열 핀(80, 81)을 형성함으로써, 콘덴서 커버(70)로부터 그 주위의 공기로의 방열이 촉진되어, 콘덴서(C1)를 보다 효율적으로 냉각하는 것이 가능하게 되어 있다.
계속해서, 도 3을 다시 참조하면서, 수납 케이스(11)에 형성된 관통 구멍의 배치에 대하여 설명한다. 수납 케이스(11)의 상부 덮개(11a)에는, 차량 전방 측의 측면이고 또한 제1 배관(50)에 대응하는 위치에 있어서, 제1 관통 구멍(95)이 형성되어 있다. 제1 관통 구멍(95)은, 제1 배관(50)에 접속되는 제1 라디에이터 배관이 관통되기 위하여 형성된 구멍이다.
또, 수납 케이스(11)의 상부 덮개(11a)에는, 차량 전방 측의 측면이고 또한 제2 배관(51)에 대응하는 위치에 있어서, 제2 관통 구멍(96)이 형성되어 있다. 제2 관통 구멍(96)은, 제2 배관(51)에 접속되는 제2 라디에이터 배관이 관통되기 위하여 형성된 구멍이다.
또한, 수납 케이스(11)의 상부 덮개(11a)에는, DC-DC 컨버터(4)로부터 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍(97)이 형성되어 있다. 제3 관통 구멍(97)은, 차량의 좌우 방향에 있어서, 제1 관통 구멍(95)과 제2 관통 구멍(96)의 사이가 되는 위치이고, 또한, 제1 관통 구멍(95) 및 제2 관통 구멍(96)보다 높은 위치에 있어서 형성되어 있다. 제3 관통 구멍(97)은, 전기 배선을 보호하기 위하여, 도시 생략한 그로밋 캡이 장착되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 파워 카드(PWC)의 폭에 따라 서로 이간되어 배치되는 제1 관통 구멍(95)과 제2 관통 구멍(96) 사이의 부분을 유효하게 이용하여, 차량의 좌우 방향에 있어서의 수납 케이스의 폭을 확대하지 않고, 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍(97)을 형성할 수 있다. 그 결과, DC-DC 컨버터(4)의 체적 증가가 억제되어, DC-DC 컨버터(4)를 센터 터널 내에 배치하는 것이 보다 용이한 것이 되어 있다.
이상, 구체예를 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이들 구체예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이들 구체예에, 당업자가 적절히 설계 변경을 가한 것도, 본 발명의 특징을 구비하고 있는 한, 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들면, 상기 서술한 각 구체예가 구비하는 각 요소 및 그 배치, 재료, 조건, 형상, 사이즈 등은, 예시한 것에 한정되는 것은 아니며 적절히 변경할 수 있다. 또, 상기 서술한 각 실시 형태가 구비하는 각 요소는, 기술적으로 가능한 한 조합시킬 수 있고, 이들을 조합시킨 것도 본 발명의 특징을 포함하는 한 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 연료 전지 차량 2: 연료 전지 장치
3: 연료 탱크 4: 컨버터
5: 인버터 6: 모터
7: 라디에이터 8: 운전석
9: 조수석 10: 통풍구
11: 수납 케이스 11a: 상부 덮개
11b: 하부 용기 20: 핀
30: 굴곡부 31: 수평부
32: 굴곡부 50: 제1 배관
50a: 단부 51: 제2 배관
51a: 단부 61, 62: 트레이
63, 64: 측벽 70: 콘덴서 커버
71, 71a, 71b, 71c: 측벽부 72: 상벽부
80: 방열 핀 90: 관통 구멍
95: 제1 관통 구멍 96: 제2 관통 구멍
97: 제3 관통 구멍 B1: 제어 기판
C1: 콘덴서 D1, D2, D3, D4: 다이오드
DB: 분배 버스 바 DC1: U상 컨버터
DC2: V상 컨버터 DC3: W상 컨버터
DC4: X상 컨버터 IB: IPM 버스 바
IPM1, IPM2, IPM3, IPM4: 스위칭 회로부
L1, L2, L3, L4: 리액터 PI1, PI2: 전력 입력부
PO1, PO2, PO3, PO4: 전력 출력부 PWC: 파워 카드
TA: 탱크 R1, R2: 릴레이
S: 편평면 SW1, SW2, SW3, SW4: 스위치

Claims (10)

  1. 차량의 전후 방향으로 연장되는 센터 터널이 형성된 플로어 패널을 가지고, 직류 전원인 연료 전지, 및 상기 연료 전지의 출력 전압을 승압하여 전력을 출력하는 승압 컨버터를, 차량의 전후 방향을 따라 상기 센터 터널 내에 탑재한 연료 전지 차량에 있어서,
    상기 승압 컨버터는,
    상기 연료 전지가 공급하는 전력을 입력하기 위한 전력 입력부와,
    상기 전력 입력부에 일단이 접속된 리액터와,
    상기 리액터의 타단에 접속된 스위칭 회로부와,
    상기 스위칭 회로부에 접속되며, 전력을 출력하기 위한 전력 출력부를 구비하고,
    상기 전력 입력부와 상기 리액터의 접속부, 및, 상기 리액터와 상기 스위칭 회로부의 접속부는, 모두, 차량의 전후 방향을 따라 나열된 상태로, 상기 승압 컨버터 중, 차량의 좌측 또는 우측 중 어느 하나에 있어서의 일측면 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    차량의 상하 방향에 있어서, 상기 리액터는 상기 스위칭 회로부보다 하방에 설치되어 있고,
    상기 리액터는, 상기 전력 입력부와 전기적으로 접속시키기 위한 제1 리액터 버스 바와, 상기 스위칭 회로부와 전기적으로 접속시키기 위한 제2 리액터 버스 바를 가지며,
    상기 전력 입력부로부터 연장되는 입력 버스 바가, 차량의 상하 방향에 있어서, 상기 스위칭 회로부와 상기 리액터 사이에 배치되는 것으로서,
    상기 입력 버스 바와 상기 제1 리액터 버스 바의 접속부의 위치는,
    상기 스위칭 회로부와 상기 제2 리액터 버스 바의 접속부의 위치보다 높은 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리액터를 흐르는 전류를 계측하기 위한 전류 계측 수단이, 상기 리액터에 접속된 전류 경로 중, 상기 스위칭 회로부가 접속된 측의 전류 경로와는 반대 측에 있어서의 전류 경로 상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 회로부와 상기 전력 출력부 사이에 배치되며, 상기 승압 컨버터의 출력 전압을 평준화하기 위한 콘덴서와,
    상기 스위칭 회로부에 인접하여 배치되며, 상기 스위칭 회로부를 냉각하기 위한 냉매를 유통시키는 냉매 유로와,
    상기 냉매 유로에 냉매를 공급하기 위한 배관으로서, 상기 승압 컨버터로부터 차량의 전방 측을 향하여 연장되도록 배치된 제1 배관과,
    상기 냉매 유로로부터 냉매를 배출하기 위한 배관으로서, 상기 제1 배관과 이간되며, 상기 승압 컨버터로부터 차량의 전방 측을 향하여 연장되도록 배치된 제2 배관을 구비하고,
    상기 콘덴서는, 상기 스위칭 회로부의 근방이고, 또한 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 콘덴서는, 상기 콘덴서의 외주의 적어도 일부를 덮도록 배치된 콘덴서 커버에 대하여 고정되어 있고,
    상기 콘덴서 커버는, 상기 제1 배관, 및 상기 제2 배관의 적어도 일방과 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 콘덴서 커버는, 상기 콘덴서의 상면을 덮는 상벽부를 가지고 있고, 상기 상벽부에는, 상기 상벽부를 관통하는 공기통이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 콘덴서 커버에는 방열 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 승압 컨버터보다 차량의 전방 측에는, 상기 냉매를 냉각하기 위한 라디에이터를 구비하고,
    상기 라디에이터로부터 연장되어 상기 제1 배관에 접속되는 제1 라디에이터 배관과,
    상기 라디에이터로부터 연장되어 상기 제2 배관에 접속되는 제2 라디에이터 배관을 구비하고 있고,
    상기 제1 배관과 상기 제1 라디에이터 배관을 접속시키는 제1 접속부, 및, 상기 제2 배관과 상기 제2 라디에이터 배관을 접속시키는 제2 접속부의 연직 하방에는, 제1 접속부 및 제2 접속부로부터 상기 냉매가 유출된 경우에 있어서 당해 냉매를 받아들이도록, 액받이 트레이가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 출력부에는, 부하로의 전력 공급 및 차단을 전환하기 위한 릴레이가 접속되어 있고, 상기 액받이 트레이는, 상기 릴레이의 상부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 승압 컨버터는, 수납 케이스 내에 수납된 상태로 상기 센터 터널 내에 탑재되어 있고,
    상기 수납 케이스에는,
    상기 제1 배관 또는 상기 제1 라디에이터 배관이 관통하기 위한 구멍인 제1 관통 구멍과,
    상기 제2 배관 또는 상기 제2 라디에이터 배관이 관통하기 위한 구멍인 제2관통 구멍이 형성되어 있고,
    또한, 상기 승압 컨버터에 접속되는 전기 배선을 외부로 인출하기 위한 제3 관통 구멍이, 차량의 좌우 방향에 있어서, 상기 제1 관통 구멍과 상기 제2 관통 구멍 사이가 되는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량.
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