JP2011178348A - 車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力発生源と、バッテリと、電力発生源の電圧を昇圧する第１の電圧変換器と、バッテリの電圧を昇圧する第２の電圧変換器と、第１および第２の電圧変換器で変換された電圧を車両負荷に供給する電力変換器を備える車両用電源システムにおいて、車室および車両後部の荷物収納スペースを広くするとともに、車両重量の増加を回避する。
【解決手段】第１の電圧変換器、第２の電圧変換器および電力変換器を含むパワーコントロールユニット７と、バッテリ１６とが、ユニット化されつつ車室５とは隔絶されて車両前部に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力発生源と、バッテリと、前記電力発生源の電圧を昇圧する第１の電圧変換器と、前記バッテリの電圧を昇圧する第２の電圧変換器と、第１および第２の電圧変換器で変換された電圧を車両負荷に供給する電力変換器を備える車両用電源システムに関する。

パワーコントロールユニットがエンジンルーム内に配置され、バッテリユニットが後部座席の下またはトランクルーム内に配置されるようにしたハイブリッド車両が、特許文献１および特許文献２で知られており、パワーコントロールユニットおよびバッテリを後部座席の後ろもしくは後方下部に配置するようにしたハイブリッド車両が特許文献３で知られている。一方、燃料電池車や電気自動車では、エンジンが装備されないので、パワーコントロールユニットはモータルーム内に配置される場合が殆どであるが、バッテリは車室下やトランクルームに配置されることが多い。またパワーコントロールユニットの構成によっては、モータルームに配置されずに車室下のスペースに配置されることもある。

特開２００６−３４５６０６号公報 特開２００８−１９３８６４号公報 特開平２００７−３９０２０号公報

ところで、商品性を高めるためには車室内のスペースを広くし、車両後部の荷物収納スペースも広くすることが望まれるのであるが、上記特許文献１および２で開示されるように、バッテリユニットが後部座席の下またはトランクルーム内に配置されたり、上記特許文献３で開示されるように、パワーコントロールユニットおよびバッテリが後部座席の後ろもしくは後方下部に配置されるようにしたものでは、車室内のスペースおよび車両後部の荷物収納スペースを広くするには限界がある。またパワーコントロールユニットおよびバッテリが別配置となった構成では、パワーコントロールユニットおよびバッテリ間間を結ぶ電気配線や冷却配管を通すためのスペースを床下に確保することが必要であり、これらの電気配線や冷却配管の配置スペースが車室のスペースを広く確保する上で障害となる可能性があり、しかも電気配線や冷却配管を路面上の突起物等から保護するための保護カバーが必要となって車両重量の増加を招くことになる。さらに電気安全性を確保する上では電気配線および冷却配管の保護カバーにはより一層の安全対応が必要とされるものであり、パワーコントロールユニットおよびバッテリが別配置の場合には、それぞれが強固な別ケース内に収納される等の配慮をする必要があり、これによっても車両重量の増加を招くことになる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、車室および車両後部の荷物収納スペースを広くするとともに、車両重量の増加を回避し得るようにした車両用電源システムを提供することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電力発生源と、バッテリと、前記電力発生源の電圧を昇圧する第１の電圧変換器と、前記バッテリの電圧を昇圧する第２の電圧変換器と、第１および第２の電圧変換器で変換された電圧を車両負荷に供給する電力変換器を備える車両用電源システムにおいて、第１の電圧変換器、第２の電圧変換器および前記電力変換器を含むパワーコントロールユニットと、前記バッテリとが、ユニット化されつつ車室とは隔絶されて車両前部に配置されることを第１の特徴とする。

また本発明は、第１の特徴の構成に加えて、前記電力発生源である燃料電池を含む燃料電池ユニットが、前記バッテリおよび前記パワーコントロールユニットの側方に近接するとともに前記車室とは隔絶した位置に配置されることを第２の特徴とする。

なお実施の形態のモータ１７が本発明の車両負荷に対応する。

本発明の第１の特徴によれば、第１の電圧変換器、第２の電圧変換器および前記電力変換器を含むパワーコントロールユニットと、バッテリとがユニット化されており、車室とは隔絶されるようにして車両前部に配置されるので、パワーコントロールユニットおよびバッテリ間を結ぶ電気配線および冷却配管を短縮することが可能であり、車室および車両後部の荷物収納スペースを広くすることができ、電気配線および冷却配管の保護が容易となるとともに、保護に要する部品の増大を回避し、保護に要するスペースを小さくすることができる。また電気配線の短縮によって通電時に生じる放射ノイズを低減してシールド対策の簡便化を図ることができ、床下に電気配線および冷却配管が存在しないことから、電気配線および冷却配管が接地したり、路面上の突起物等に電気配線および冷却配管が衝突する心配がない。

また本発明の第２の特徴によれば、パワーコントロールユニットおよびバッテリに加えて、燃料電池ユニットを近接して集約、配置することができ、燃料電池ユニットの作動音が車室内に侵入するのを抑制することができる。

車両を透視して車両用電源システムの配置を示す側面図である。 車両を透視して車両用電源システムの配置を示す斜視図である。 パワーコントロールユニットの構成を示す回路図である。 冷却装置の構成を示す図である。 冷却装置での冷却水の温度変化の一例を示す図である。 燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明すると、先ず図１および図２において、燃料電池車である車両Ｖの前部のモータルーム４内には、バッテリ１６と、該バッテリ１６の上部に配置されるパワーコントロールユニット７がユニット化されつつ配置され、バッテリ１６およびパワーコントロールユニット７は共通のケース８内に収納される。また前記バッテリ１６および前記パワーコントロールユニット７の前方にはラジエータ９が配置され、前記バッテリ１６の下方には、駆動輪たとえば左右の前輪ＷＦ…を駆動する動力を発揮するモータ１７が配置される。

また電力発生源である燃料電池１５を含む燃料電池ユニット１０が、前記バッテリ１６および前記パワーコントロールユニット７の側方に近接して配置されるものであり、この実施の形態では前後方向に延びる支持架台１１上に支持された前記燃料電池ユニット１０が、前記バッテリ１６および前記パワーコントロールユニット７に後方から近接配置される。

しかも前記バッテリ１６、前記パワーコントロールユニット７、前記ラジエータ９および前記モータ１７は、車両Ｖの車室５とは隔絶されたモータルーム４内に配置され、前記支持架台１１および前記燃料電池ユニット１０は、前記車室５との間に隔壁１２を介在させることで前記車室５とは隔絶されて車室５の下方に配置され、たとえば車室５内の運転席および助手席間に配置される。

また前記燃料電池ユニット１０に接続される空気供給装置１３が、前記バッテリ１６および前記パワーコントロールユニット７と、前記ラジエータ９との間に介在するようにして前記モータルーム４内に配置され、前記燃料電池ユニット１０に接続される高圧水素タンク１４が、前記車室５の後方のトランクルーム６内に配置される。

図３において、前記パワーコントロールユニット７は、前記燃料電池１５の電圧を昇圧する第１の電圧変換器１８と、前記バッテリ１６の電圧を昇圧する第２の電圧変換器１９と、第１および第２の電圧変換器１８，１９で変換された電圧をモータ１７に供給する電力変換器２０と、それらの電圧変換器１７，１９および電力変換器２０の周辺回路である直流リンクコンデンサユニット２１とを備える。

第１の電圧変換器１８は、第１入力コンデンサ２２と、第１インダクタ２４と、一次巻線２６Ａ、二次巻線２６Ｂおよび三次巻線２６Ｃを有する三相トランス２６と、第１、第２および第３スイッチング素子モジュール２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃとを備える。

燃料電池１５のマイナス側端子には、第１の電圧変換器１８、第２の電圧変換器１９および電力変換器２０に共通であるグランドライン２８が接続されており、第１入力コンデンサ２２は、燃料電池１５のプラス側端子に接続される第１入力側プラスライン２９および前記グランドライン２８間に設けられ、第１インダクタ２４の一端は第１入力側プラスライン２９に接続される。また三相トランス２６における一次巻線２６Ａ、二次巻線２６Ｂおよび三次巻線２６Ｃの一端は第１インダクタ２４の他端に並列接続される。

第１スイッチング素子モジュール２７Ａは、第１の電圧変換器１８、第２の電圧変換器１９および電力変換器２０に共通である共通プラスライン３０および三相トランス２６の一次巻線２６Ａ間に配設される第１プラス側スイッチング素子３１Ａと、前記一次巻線２６Ａおよび前記グランドライン２８間に配設される第１マイナス側スイッチング素子３２Ａとを備え、第２スイッチング素子モジュール２７Ｂは、前記共通プラスライン３０および三相トランス２６の二次巻線２６Ｂ間に配設される第２プラス側スイッチング素子３１Ｂと、前記二次巻線２６Ｂおよび前記グランドライン２８間に配設される第２マイナス側スイッチング素子３２Ｂとを備え、第３スイッチング素子モジュール２７Ｃは、前記共通プラスライン３０および三相トランス２６の三次巻線２６Ｃ間に配設される第３プラス側スイッチング素子３１Ｃと、前記三次巻線２６Ｃおよび前記グランドライン２８間に配設される第３マイナス側スイッチング素子３２Ｃとを備える。

第２の電圧変換器１９は、第２入力コンデンサ２３と、第２インダクタ２５と、一次巻線３３Ａおよび二次巻線３３Ｂを有する二相トランス３３と、第４および第５スイッチング素子モジュール２７Ｄ，２７Ｅとを備える。

第２入力コンデンサ２３は、バッテリ１６のプラス側端子に接続される第２入力側プラスライン３４と、バッテリ１６のマイナス側端子に接続されるグランドライン２８との間に設けられ、第２インダクタ２５の一端は第２入力側プラスライン３４に接続される。また二相トランス３３における一次巻線３３Ａおよび二次巻線３３Ｂの一端は第２インダクタ２５の他端に並列接続される。

第４スイッチング素子モジュール２７Ｄは、前記共通プラスライン３０および二相トランス３３の一次巻線３３Ａ間に配設される第４プラス側スイッチング素子３１Ｄと、前記共通プラスライン３０および前記グランドライン２８間に配設される第４マイナス側スイッチング素子３２Ｄとを備え、第５スイッチング素子モジュール２７Ｅは、前記共通プラスライン３０および二相トランス３３の二次巻線３３Ｂ間に配設される第５プラス側スイッチング素子３１Ｅと、前記共通プラスライン３０および前記グランドライン２８間に配設される第５マイナス側スイッチング素子３２Ｅとを備える。

電力変換器２０は、第６、第７および第８スイッチング素子モジュール２７Ｆ，２７Ｇ，２７Ｈを備える。

第６スイッチング素子モジュール２７Ｆは、前記共通プラスライン３０ならびに三相の交流モータである電動モータ１７に連なるＵ相の電源ライン３５Ｕ間に配設される第６プラス側スイッチング素子３１Ｆと、Ｕ相の電源ライン３５Ｕおよび前記グランドライン２８間に配設される第６マイナス側スイッチング素子３２Ｆとを備え、第７スイッチング素子モジュール２７Ｇは、前記共通プラスライン３０ならびに電動モータ１７に連なるＶ相の電源ライン３５Ｖ間に配設される第７プラス側スイッチング素子３１Ｇと、Ｖ相の電源ライン３５Ｖおよび前記グランドライン２８間に配設される第７マイナス側スイッチング素子３２Ｇとを備え、第８スイッチング素子モジュール２７Ｈは、前記共通プラスライン３０ならびに電動モータ１７に連なるＷ相の電源ライン３５Ｗ間に配設される第８プラス側スイッチング素子３１Ｈと、Ｗ相の電源ライン３５Ｗおよび前記グランドライン２８間に配設される第８マイナス側スイッチング素子３２Ｈとを備える。

ところで第１〜第８スイッチング素子モジュール２７Ａ〜２７Ｈにおける第１〜第８プラス側スイッチング素子３１Ａ〜３１Ｈおよび第１〜第８マイナス側スイッチング素子３２Ａ〜３２Ｈは、この実施の形態では、ＩＧＢＴ（Insulatead Gate Bipolar Transistor）と、エミッタからコレクタに向かう側を順方向として各ＩＧＢＴに並列接続されるダイオードとから成るものである。

直流リンクコンデンサユニット２１は、共通プラスライン３０およびグランドライン２８間に設けられる平滑コンデンサ３６…を有する。なお図３では簡略化のために１個の平滑コンデンサ３６しか図示されていないが、直流リンクコンデンサユニット２１は、三相の交流モータである電動モータ１７のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相にそれぞれ対応して共通プラスライン３０およびグランドライン２８間に設けられる平滑コンデンサ３６…を有するものである。

また共通プラスライン３０およびグランドライン２８間には、一対の放電抵抗３７，３７から成る直列回路が接続される。

図４において、前記パワーコントロールユニット７は、冷媒たとえば冷却水を循環させる冷却装置４０で冷却されるものであり、この冷却装置４０は、冷却水を循環させるポンプ４１と、冷却水を放冷によって冷却する前記ラジエータ９を含んでおり、ラジエータ９から前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６および前記モータ１７をこの順に冷却水が順次通過するように構成されており、ポンプ４１の吸入側は前記ラジエータ９の出口に接続され、前記ポンプ４１の吐出側および前記パワーコントロールユニット７間にはヒータ４２が介設される。

また前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６、前記モータ１７および前記ラジエータ９には、それぞれ個別のパイパス回路４３，４４，４５，４６が接続されている。しかも前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６、前記モータ１７および前記ラジエータ９への冷却水の流通、ならびに各バイパス回路４３〜４６への冷却水の流通は、前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６、前記モータ１７および前記ラジエータ９を流通する冷媒の温度に応じて制御装置５１によって制御される制御弁手段４７，４８，４９，５０の作動によって切換え制御される。

而してパワーコントロールユニット７に対応した制御弁手段４７は、バイパス回路４３の入口および出口にそれぞれ設けられる三方電磁切換弁Ｖ１，Ｖ２から成り、前記バッテリ１６に対応した制御弁手段４８は、バイパス回路４４の入口および出口にそれぞれ設けられる三方電磁切換弁Ｖ３，Ｖ４から成り、前記モータ１７に対応した制御弁手段４９は、バイパス回路４５の入口および出口にそれぞれ設けられる三方電磁切換弁Ｖ５，Ｖ６から成り、ラジエータ９に対応した制御弁手段５０は、バイパス回路４６の入口および出口にそれぞれ設けられる三方電磁切換弁Ｖ７，Ｖ８から成る。

なお各制御弁手段４７〜５０を、制御装置５１の制御によらずに自動的に作動するサーモスタットとすることも可能である。

ところで前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６、前記モータ１７および前記ラジエータ９には、保持すべき温度範囲が設定されており、パワーコントロールユニット７では、温度Ｔが温度ＴＡ（たとえば４０度Ｃ）よりも大きく、温度ＴＢ（たとえば１００度Ｃ）未満である温度範囲（ＴＡ＜Ｔ＜ＴＢ）が設定され、バッテリ１６では、温度Ｔが温度ＴＣ（たとえば０度Ｃ）よりも大きく、温度ＴＤ（たとえば６０度Ｃ）未満である温度範囲（ＴＣ＜Ｔ＜ＴＤ）が設定され、モータ１７では、温度Ｔが温度ＴＥ（たとえば０度Ｃ）よりも大きく、温度ＴＦ（たとえば１００度Ｃ）未満である温度範囲（ＴＥ＜Ｔ＜ＴＦ）が設定され、ラジエータ１７では、導入される冷却水の温度Ｔが温度ＴＧ（たとば７０度Ｃ）であるように設定され、制御弁手段４７〜５０が、前記パワーコントロールユニット７、前記バッテリ１６、前記モータ１７および前記ラジエータ９の設定温度範囲を保持するように制御されることになる。

このような温度範囲の設定によって、冷却装置４０における冷却水の温度はたとえば図５で示すように変化する。而して冷間始動時には、図５の破線で示すように冷却水の温度が変化し、通常走行時には図５の実線で示すように冷却水の温度が変化し、さらに高温時には、図５の鎖線で示すように冷却水の温度が変化する。

またポンプ４１の作動も制御装置５１によって制御されるものであり、この制御装置５１は、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６およびおモータ１７でそれぞれ設定される保持すべき最低温度すなわちＴＢ，ＴＤ，ＴＦが個別に設定されており、制御装置５１は、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６およびモータ１７のいずれでも冷却水の温度が前記最低温度以下にあるときにポンプ４１の作動を停止する。

図６において、前記燃料電池１５には、空気供給装置１３からの加圧空気が加湿器５３を介して供給されるとともに高圧水素タンク１４から高圧水素がレギュレータ５４を介して供給され、燃料電池１５から循環ポンプ５５で吸引された水素は、チェック弁５６を介して前記レギュレータ５４の下流側に戻される。また循環ポンプ５５および前記チェック弁５６間には開閉弁５７が接続される。

このような燃料電池システムにおいて、前記加湿器５３、レギュレータ５４、前記循環ポンプ５５および前記チェック弁５６は、補記類５２として纏められてユニット化され、前記燃料電池１５とともに燃料電池ユニット１０を構成し、図１および図２で示すように、燃料電池１５の後方に配置されて支持架台１１に支持される。

次にこの実施の形態の作用について説明すると、第１の電圧変換器１８、第２の電圧変換器１９および電力変換器２０を含むパワーコントロールユニット７と、バッテリ１６とが、ユニット化されつつ車室５とは隔絶されて車両前部に配置されるので、パワーコントロールユニット７およびバッテリ１６間を結ぶ電気配線および冷却配管を短縮することが可能であり、車室５および車両後部の荷物収納スペースを広くすることができ、電気配線および冷却配管の保護が容易となるとともに、保護に要する部品の増大を回避し、保護に要するスペースを小さくすることができる。また電気配線の短縮によって通電時に生じる放射ノイズを低減してシールド対策の簡便化を図ることができ、床下に電気配線および冷却配管が存在しないことから、電気配線および冷却配管が接地したり、路面上の突起物等に電気配線および冷却配管が衝突する心配がない。

また燃料電池１５を含む燃料電池ユニット１０が、バッテリ１６およびパワーコントロールユニット７の側方（この実施の形態では後方）に近接するとともに車室５とは隔絶した位置に配置されるので、パワーコントロールユニット７およびバッテリ１６に加えて、燃料電池ユニット１０を近接して集約、配置することができ、燃料電池ユニット１０の作動音が車室５内に侵入するのを抑制することができる。

また冷却水を循環させてパワーコントロールユニット７を冷却する冷却装置４０は、冷却水を循環させるポンプ４１と、冷却水を放冷によって冷却するラジエータ９とを含んでおり、ラジエータ９からパワーコントロールユニット７、バッテリ１６およびモータ１７をこの順に冷媒が順次通過するように構成されるので、パワーコントロールユニット７に加えて、モータ１７およびバッテリ１６を冷却することができ、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９をまとめてユニット化した冷却装置４０を構成し、冷却装置４０のコンパクト化を図ることが可能であり、冷却装置４０の一部を構成する配線・配管類を短くすることができる。

またラジエータ９から冷却水を吸引するポンプ４１の吐出側およびパワーコントロールユニット７間にヒータ４２が介設されるので、ヒータで冷却水を加熱することで、低温時のバッテリ１６を昇温させることができる。

またパワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９に、それぞれ個別のパイパス回路４３，４４，４５，４６が接続されるので、それらのパイパス回路４３〜４６に冷却水を流通させることができるようにして、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９に必要時にのみ冷媒を流通させることができる。

また冷却装置４０は、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９を流通する冷媒の温度に応じて各バイパス回路４３，４４，４５，４６への冷却水の流通を制御する制御弁手段４７，４８，４９，５０をパワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９毎に備えるので、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９に個別に対応したバイパス回路４３〜４６に流す冷媒量を、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９を流通する冷却水の温度に応じて制御弁手段４７〜５０によって制御することで、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６、モータ１７およびラジエータ９の状態に応じた最適な冷却を行うことができる。

さらにパワーコントロールユニット７、バッテリ１６およびモータ１７には、保持すべき最低温度が個別に設定されており、ポンプ４１の作動を制御する制御装置５１が、パワーコントロールユニット７、バッテリ１６およびモータ１７のいずれでも冷却水の温度が前記最低温度以下にあるときにポンプ４１の作動を停止するので、冷却不要時にポンプ４１を作動せしめることによって無駄なエネルギー損失が生じることを回避することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

たとえば上記実施の形態では、燃料電池１５を電力発生源とした場合について説明したが、ハイブリッド車両においてエンジンで駆動される発電機を電力発生源として用いる場合にも本発明を適用することができる。

５・・・車室
７・・・パワーコントロールユニット
１０・・・燃料電池ユニット
１５・・・電力発生源である燃料電池
１６・・・バッテリ
１７・・・車両負荷であるモータ
１８・・・第１の電圧変換器
１９・・・第２の電圧変換器
２０・・・電力変換器

Claims (2)

1. 電力発生源（１５）と、バッテリ（１６）と、前記電力発生源（１５）の電圧を昇圧する第１の電圧変換器（１８）と、前記バッテリ（１６）の電圧を昇圧する第２の電圧変換器（１９）と、第１および第２の電圧変換器（１８，１９）で変換された電圧を車両負荷（１７）に供給する電力変換器（２０）を備える車両用電源システムにおいて、第１の電圧変換器（１８）、第２の電圧変換器（１９）および前記電力変換器（２０）を含むパワーコントロールユニット（７）と、前記バッテリ（１６）とが、ユニット化されつつ車室（５）とは隔絶されて車両前部に配置されることを特徴とする車両用電源システム。
2. 前記電力発生源である燃料電池（１５）を含む燃料電池ユニット（１０）が、前記バッテリ（１６）および前記パワーコントロールユニット（７）の側方に近接するとともに前記車室（５）とは隔絶した位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。

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