JP2010104169A - 電源装置および燃料電池車両の電源システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源装置10は、電位の異なる第1ラインL1および第2ラインL2および第3ラインL3と、燃料電池スタック11とバッテリ12とが直列に接続されてなる電池回路10aと、第1DC−DCコンバータ13とを備え、電池回路10aの両端は第1ラインL1と第3ラインL3とに接続され、電池回路10aの燃料電池スタック11とバッテリ12との接続点は第2ラインL2に接続され、第1DC−DCコンバータ13の1次側は第2ラインL2と第3ラインL3とに接続され、第1DC−DCコンバータ13の2次側は第1ラインL1と第3ラインL3とに接続され、燃料電池スタック11は第1ラインL1と第2ラインL2とに接続され、バッテリ12は第2ラインL2と第3ラインL3とに接続され、第1ラインL1および第3ラインL3から電力を出力する。
【選択図】図1
Description
また、第1DC−DCコンバータの異常時(例えば、開放故障時など)であっても、電池回路から車両駆動用電動機の駆動回路に電源を供給することができ、燃料電池車両を走行させることができる。
本実施の形態による電源装置10は、例えば図1に示すように、燃料電池スタック(FC)11と、バッテリ12と、第1DC−DCコンバータ13と、エアポンプインバータ14とを備えて構成されている。そして、電源装置10は、例えば駆動モータインバータ15に接続されている。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
なお、第1DC−DCコンバータ13を簡略化して示す図1および図2においては、3相のうち1相分のみのスイッチング素子とチョークコイル32のみを図示している。
3相のチョークコイル32は、各チョークコイル32の一端がブリッジ回路31の各相毎のコレクタ−エミッタ間、つまり各トランジスタAH,ALのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタBH,BLのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタCH,CLのコレクタ−エミッタ間のそれぞれに接続され、各チョークコイル32の他端は互いに1次側正極端子P1に接続されている。
そして、3相のうち何れか1相のチョークコイル32は、矩形のコア41をなす2対の対辺のうち一方の1対の対辺41aに分散して巻回され、3相のうち他の2相のチョークコイル32は、矩形のコア41をなす2対の対辺のうち他方の1対の対辺41bにぞれぞれ集中して巻回されている。
なお、3相の各チョークコイル32は、例えば図5に示すように、矩形のコア41をなす4辺のうち何れか3辺にぞれぞれ集中して巻回されてもよいし、他の巻線構造であってもよい。
そして、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHがオンかつローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLがオフとされ、チョークコイル32に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてチョークコイル32の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生し、チョークコイル32に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が1次側の入力電圧に上積みされて1次側の入力電圧よりも高い昇圧電圧が2次側に印加される。この切換動作に伴って発生する電圧変動は平滑コンデンサ33により平滑化され、昇圧電圧が2次側から出力される。
そして、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHがオンかつローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLがオフとされ、チョークコイル32に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてチョークコイル32の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生する。このチョークコイル32に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHのオン/オフの比率に応じて2次側の入力電圧が降圧された降圧電圧となり、降圧電圧が1次側に印加される。
なお、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHと、ローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLとは、オン/オフの切り換え時に、同時にオンとなることが禁止され、同時にオフとなる適宜のデッドタイムが設けられている。
そして、第1ラインL1および第3ラインL3から負荷(例えば、駆動モータ22など)に電力が出力されるようにして第1ラインL1と第3ラインL3とは駆動モータインバータ15に接続されている。
なお、駆動モータ22は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の3相交流同期モータとされており、駆動モータインバータ15から供給される3相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側から駆動モータ22側に駆動力が伝達されると、駆動モータ22は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
第2DC−DCコンバータ23は、第2ラインL2と第3ラインL3とに接続され、制御装置25から出力される制御指令に応じたチョッピング動作により、第2ラインL2と第3ラインL3との間に印加される電圧を降圧して、第2DC−DCコンバータ23に接続された負荷に供給する。
空調機器24は、第2ラインL2と第3ラインL3とに接続され、第2ラインL2および第3ラインL3から電力が供給される。
制御装置25には、例えば、第1ラインL1と第3ラインL3とに接続されて地絡の発生を検知する地絡センサ26と、燃料電池スタック11の出力電流IFCを検出する出力電流センサ27と、駆動モータインバータ15と駆動モータ22との間において3相の各相電流を検出する相電流センサ28と、駆動モータ22の回転子の回転角(つまり、所定の基準回転位置からの回転子の磁極の回転角度であって、駆動モータ22の回転軸の回転位置)を検出する角度センサ29との各センサから出力される検出信号が入力されている。
例えば駆動モータ22の駆動時における電力配分は、第1DC−DCコンバータ13のスイッチングデューティー(つまり、PWM信号の1周期におけるローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLのオンの比率)に応じた値となり、スイッチングデューティー(duty)は燃料電池スタック11の電圧(VFC)とバッテリ12の電圧(VB)とにより以下に示すように記述される。
そして、第1DC−DCコンバータ13のスイッチングデューティーの複数の値毎に対して設定された対応関係では、スイッチングデューティーに応じた比率で燃料電池スタック11の動作点の増大に伴いバッテリ12の動作点が増大傾向に変化するように設定されている。
また、負荷の総消費電力の複数の値毎に対して設定された燃料電池スタック11の動作点とバッテリ12の動作点との対応関係では、燃料電池スタック11の動作点に応じた電力とバッテリ12の動作点に応じた電力との和が負荷の総消費電力と等しくなるような動作点の組み合わせが設定されている。
デューティー制御部64は、例えば、電流偏差算出部71と、フィードバック処理部72と、PWM信号生成部73とを備えて構成されている。
フィードバック処理部72は、例えばPID(比例積分微分)動作により、電流偏差算出部71から出力される電流偏差を制御増幅して電圧指令値を算出する。
これに伴い、例えば図9に示すように、バッテリ12の電流(Ib)が減少傾向に変化し、燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)及び目標電流(Ifcコマンド)は増大傾向に変化する。そして、駆動モータインバータ15の1次側の入力電圧(VPIN)はほぼ一定に維持されつつ、バッテリ12の電圧(VB)は増大傾向に変化し、燃料電池スタック11の電圧(VFC)は減少傾向に変化する。
これに伴い、例えば図9に示すように、バッテリ12の電流(Ib)が零から負の値へと減少傾向に変化し、燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)及び目標電流(Ifcコマンド)は増大傾向に変化する。そして、駆動モータインバータ15の1次側の入力電圧(VPIN)はほぼ一定に維持されつつ、バッテリ12の電圧(VB)は増大傾向に変化し、燃料電池スタック11の電圧(VFC)は減少傾向に変化する。
例えば燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)の目標電流が零とされる電源装置10の動作モードは、駆動モータインバータ15の回生電力によりバッテリ12が充電される回生モードとなる。
また、例えば燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)の目標電流が正の値とされる電源装置10の動作モードは、駆動モータインバータ15の回生電力および燃料電池スタック11の出力がエアポンプインバータ14およびバッテリ12に供給されてバッテリ12が充電される(回生+FCによるバッテリ充電)モードとなる。
また、制御装置25は、バッテリ12の残容量SOCなどに応じてコンタクタ12aおよび電流制限回路12bのオン/オフを切り換え、バッテリ12と第2ラインL2および第3ラインL3との接続を制御する。
また、第1DC−DCコンバータ13の異常時(例えば、開放故障時など)であっても、電池回路10aから駆動モータインバータ15に電源を供給することができ、燃料電池車両を走行させることができる。
10a 電池回路
11 燃料電池スタック
12 バッテリ(蓄電装置)
13 第1DC−DCコンバータ
14 エアポンプインバータ(駆動回路)
15 駆動モータインバータ
20 燃料電池車両の電源システム
21 エアポンプ(ポンプ)
22 駆動モータ(車両駆動用電動機)
23 第2DC−DCコンバータ
24 空調機器
25 制御装置
Claims (8)
- 電位の異なる第1ラインおよび第2ラインおよび第3ラインと、
燃料電池スタックと蓄電装置とが直列に接続されてなる電池回路と、
第1DC−DCコンバータとを備え、
前記電池回路の両端は前記第1ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記第1DC−DCコンバータの1次側は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記第1DC−DCコンバータの2次側は前記第1ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記燃料電池スタックは前記第1ラインと前記第2ラインとに接続され、
前記蓄電装置は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記第1ラインおよび前記第3ラインから電力を出力することを特徴とする電源装置。 - 前記燃料電池スタックに反応ガスを供給するポンプおよび冷媒を供給するポンプのうち少なくとも1つのポンプの駆動回路は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 請求項1または請求項2に記載の電源装置と、
前記電源装置から電力が供給される車両駆動用電動機と
を備えることを特徴とする燃料電池車両の電源システム。 - 車両用補機を備え、
前記車両用補機の少なくとも一部は前記第1ラインと前記第2ラインとに接続されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池車両の電源システム。 - 車両用補機を備え、
前記車両用補機の少なくとも一部は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池車両の電源システム。 - 車両用補機を備え、
前記車両用補機の少なくとも一部は前記第1ラインと前記第3ラインとに接続されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池車両の電源システム。 - 前記車両用補機の前記少なくとも一部は第2DC−DCコンバータを介して前記電源装置に接続されていることを特徴とする請求項4から請求項6の何れか1つに記載の燃料電池車両の電源システム。
- 前記車両用補機の前記少なくとも一部は空調機器を備えることを特徴とする請求項4から請求項7の何れか1つに記載の燃料電池車両の電源システム。
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