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【発明の名称】 電力システムおよび電気自動車
【発明者】 【氏名】田米 正樹

【氏名】近藤 康宏

【氏名】角谷 直之
【要約】 【課題】燃料電池から変動負荷に電力を供給する電力システムの小型軽量化と低コスト化を図る。

【解決手段】比較的大容量の燃料電池１に対し、電力変換器４を介して電力貯蔵・供給手段５を並列接続し、これに電力調整器２を介して変動負荷３を接続し、燃料電池１と電力貯蔵・供給手段５のいずれからも変動負荷３への電源供給を可能に構成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 燃料電池を電力供給源とし変動負荷に電力を供給する電力システムにおいて、燃料電池と電力調整器と変動負荷とが順次直列に接続されると共に、前記燃料電池と電力調整器との間に、電力変換器を介して電力貯蔵・供給手段が燃料電池に並列に接続されていることを特徴とする電力システム。
【請求項２】 前記電力変換器には、電力貯蔵・供給手段から電力調整器の方向にのみ通電する整流器が並列接続されている請求項１に記載の電力システム。
【請求項３】 前記電力変換器と燃料電池との接続点と前記電力調整器との間に、切り替えスイッチが設けられている請求項１または請求項２のいずれかに記載の電力システム。
【請求項４】 前記電力変換器と燃料電池の接続点と燃料電池との間に、更に切り替えスイッチが設けられている、請求項１から３のいずれかに記載の電力システム。
【請求項５】 前記変動負荷がモータであり、前記電力貯蔵・供給手段がバッテリーである、請求項１から４のいずれかに記載の電力システム。
【請求項６】 請求項５に記載の電力システムが搭載されて、前記モータによって走行されるようになっていることを特徴とする電気自動車。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の電力源から変動の大きい変動負荷に電力を供給する電力システムおよびその電力システムを使用した電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】独立の直流電源として電気自動車に使用される燃料電池においては、その出力電力を燃料電池への反応ガスの供給量によって制御するようになっている。しかしながら、このように反応ガスの供給量によって燃料電池の出力電力を制御する場合は、負荷の急変動に対して追従性が遅いという欠点がある。
【０００３】この欠点を解消し、負荷の急変動に対して必要な電流を供給すると共に、燃料電池の過酷な使用を防止するために、例えば特開平５−１５１９８３号公報には燃料電池等の電力供給源と電力貯蔵・供給手段とを備え、両者を併用して変動負荷に対して電力を制御するシステムが開示されている。
【０００４】燃料電池の電力源から変動負荷に電力供給するシステムの他の例を図６に示す。このシステムは、燃料電池２１の出力電流路にコンバータ等の電力変換器２２とインバータ等の電力調整器２３を介してモータ等の変動負荷２４を順次直列接続し、燃料電池２１と電力変換器２２との接続路に対し並列に電力貯蔵・供給手段２５を接続して構成され、モータ等の変動負荷２４は回生制動による発電が可能になっている。
【０００５】この燃料電池システムにおいては、燃料電池２１は常に略一定の電力を出力するように設計されており、変動負荷２４が急激に変化して増大した場合のみ、並列接続された電力貯蔵・供給手段２５により不足分を補うハイブリッド型になっている。そして、負荷が安定してくると、電力貯蔵・供給手段２５からの出力はゼロとなり、燃料電池２１からの出力電力のみが変動負荷２４に供給される。
【０００６】このようなハイブリッド電池システムが電気自動車に利用された場合、平地を一定速度で走行中は燃料電池２１からの電力のみが変動負荷２４に供給されるが、加速時または登坂時には燃料電池２１から供給される電力だけでは十分な動力が得られず、電力貯蔵・供給手段２５が不足分を補い、その場合は、燃料電池２１の出力は略一定に保持された状態となるから、不足分の電力は電力貯蔵・供給手段２５から供給される電力によって補充される。
【０００７】他方、電力貯蔵・供給手段２５は、変動負荷２４の回生制動によって発生する回生電力も充電されるが、電力貯蔵・供給手段２５に対する充電は、燃料電池２１の出力範囲内で行われ、その場合、電力変換器２２により燃料電池２１は出力電力が略一定に保持されるように制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このようなハイブリッド燃料電池システムにおいては、モータ等の変動負荷２４には主として燃料電池２１によって電力が供給されているので、比較的大容量の燃料電池２１を必要とし、それに伴い、燃料電池２１と直列接続される電力変換器２２も容量の大きなものが必要になる。また、前記特開平５−１５１９８３号広報に開示されたシステムにおいても、同様に電力変換器が大容量のものが必要になる。
【０００９】しかしながら、電力変換器はトランス等の重量部材を含むため、容量の大きさが直接重量，サイズ，コスト等に影響を及ぼし、電力システム全体の大重量化，大型化さらには高コスト化につながる恐れがある。特に、このような電力システムを電気自動車に搭載する場合、電気自動車の小型化および重量の軽減を達成することは容易でない。
【００１０】また、図６に示す電力システムでは、電力調整器２３や変動負荷２４に故障が発生すると、燃料電池２１や電力変換器２２あるいは電力貯蔵・供給手段２５を損傷したり、逆に燃料電池２１に故障が発生すると、電力変換機２２等の他の構成機器を損傷する恐れもある。
【００１１】本発明はこのような問題を解決するものであり、その目的は、燃料電池を電力供給源とするにも拘わらず、電力変換器の小型軽量化および低コスト化によって、全体が小型軽量化および低コスト化された電力システムを提供することにある。本発明の他の目的は、電力調整器、変動負荷、燃料電池等に故障が発生してもその影響が他の機器に及ばない電力システムを提供することにある。
【００１２】本発明の更に他の目的は、このような電力システムを利用して小型軽量化および低コスト化された電気自動車を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の電力システムは、燃料電池を電力供給源とし変動負荷に電力を供給する電力システムにおいて、燃料電池と電力調整器と変動負荷とが順次直列に接続されると共に、前記燃料電池と電力調整器との間に、電力変換器を介して電力貯蔵・供給手段が燃料電池と並列に接続されていることを特徴とする。
【００１４】電力変換器を更に小型化する手段としては、前記システムにおいて、電力変換器には、電力貯蔵・供給手段から電力調整器の方向にのみ通電する整流器を並列接続することが有効である。
【００１５】また、構成機器の故障時に他の構成機器に影響が及ばないようにするためには、前記電力変換器と燃料電池との接続点と前記電力調整器との間に、切り替えスイッチを設け、または、前記電力変換器と燃料電池の接続点と燃料電池との間に、更に別の切り替えスイッチを設けるなど、いずれの手段も有効である。
【００１６】前記各電力システムにおいては、夫々、変動負荷にはモータ、電力貯蔵・供給手段にはバッテリーを夫々使用した構成にすることも可能である。
【００１７】本発明の電気自動車は、このような電力システムが搭載されて、前記モータにより走行されるようになっていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の電力システムの実施形態の一例を示す主要部のブロック図である。この電力システムでは、燃料電池１の出力電力がインバータ等の電力調整器２を介してモータ等の変動負荷３に供給されるようになっている。また、燃料電池１および電力調整器２には、充電および放電が可能なバッテリ等の電力貯蔵・供給手段５がコンバータ等の電力変換器４を介して接続されている。
【００１９】燃料電池１は、変動負荷３の急変動負荷以外の負荷に対する変動電力を単体で供給することができるように比較的大容量になっている。電力貯蔵・供給手段５は、変動負荷３の急変動分に対する電力を変動負荷３に供給するようになっており、また、変動負荷３の回生制動によって発生した回生電力が充電されて貯蔵される。電力貯蔵・供給手段５から変動負荷３に供給する電力および変動負荷３から電力貯蔵・供給手段５に供給される回生電力は、電力変換器４によって変換される。電力調整器２は、燃料電池１および電力変換器４から変動負荷３に対して供給される電力の調整を行う。
【００２０】このような構成の電力システムの作用を説明する。変動負荷３が急変動でない定常状態の場合、変動負荷３に対する電力は燃料電池１から供給される。そして、変動負荷３に対する必要電力が、燃料電池１によって供給される最大電力よりも小さく且つ電力貯蔵・供給手段５の電力貯蔵量が所定の状態に達していない場合には、燃料電池１から変動負荷３へ供給された電力の残りの余剰電力が、電力変換器４により電力貯蔵・供給手段５へと供給され、電力貯蔵・供給手段５に貯蔵される。
【００２１】一方、変動負荷３の必要電力が、燃料電池１から供給可能な最大電力よりも大きくなった場合には、電力貯蔵・供給手段５から電力変換器４を介して変動負荷３へ電力が供給される。即ち、燃料電池１から供給される電力では追従できない急激な負荷変動が変動負荷３に生じた場合、或いは、燃料電池１の容量が、変動負荷３にて必要とされている電力の全量を供給できない場合には、電力貯蔵・供給手段５に貯蔵された電力が電力変換器４および電力調整器２を介して、変動負荷３に供給される。
【００２２】このような電力システムでは、変動負荷３に対して、電力貯蔵・供給手段５が電力変換器４を介して比較的大容量の燃料電池１に並列に接続されているので、変動負荷３の必要電力に応じて燃料電池１と電力貯蔵・供給手段５との間での電力の調整が行える。しかも、電力変換器４は、比較的小容量なものにすることができる。
【００２３】次に本発明の実施形態の他の例を図２に基づいて説明する。電力貯蔵・供給手段５と電力調整器２との間には、電力変換器４と並列にダイオードなどの整流器６が設けられている。整流器６は電力貯蔵・供給手段５から電力調整器２に向かっての電流を流す。その他の構成は図１に示す電力システムと同様である。
【００２４】このような構成の電力システムでは、電力変換器４によって処理することができない程の大容量の急変動が変動負荷３に発生した場合でも、電力貯蔵・供給手段５からの電力を整流器６および電力調整器２を介して変動負荷３へスム−ズに供給できる。
【００２５】次に本発明の実施形態の他の例を図３に基づいて説明する。図３に示す電力システムでは、図２に示す電力システムにおける並列接続の電力変換器４と整流器６との接続点と電力調整器２との間に切り替えスイッチ７が設けられている。その他の構成は図２に示す電力システムと同様である。
【００２６】この切り替えスイッチ７をオフ（遮断）状態にすると、電力貯蔵・供給手段５および並列接続された電力変換器４と整流器６が、電力変換器２とは電気的に切り離されると共に，燃料電池１と電力調整器２とが電気的に切り離される。このため、電力調整器２および電力調整器２に接続された変動負荷３のいずれかが故障した場合には、燃料電池１，電力変換器４および電力貯蔵・供給手段５を電力調整器２および変動負荷３に対して電気的に切り離すことができ、燃料電池１，電力変換器４，電力貯蔵・供給手段５をそれぞれ保護することができ、その逆に、燃料電池１，電力変換器４，電力貯蔵・供給手段５のいずれかが故障した場合には、電力調整器２および変動負荷３がこれらと電気的に切り離されて電力調整器２および変動負荷３を保護することができる。
【００２７】次に本発明の実施形態の更に他の例を図４に基づいて説明する。図４は、図３に示すシステムにおいて、並列接続の電力変換器２および整流器６と切り替えスイッチ７との接続点と燃料電池１との間に、別の切り替えスイッチ８が設けられている。その他の構成は図３に示す電力システムと同様である。
【００２８】このような構成の電力システムでは、燃料電池１が故障した場合には、切り替えスイッチ８をオフ（遮断）状態にすることにより、電力調整器２，変動負荷３，電力変換器４，整流器６および電力貯蔵・供給手段５と燃料電池１とを電気的に切り離すことができる。このため、電力調整器２，変動負荷３，電力変換器４，整流器６および電力貯蔵・供給手段５のいずれかが故障した場合には、切り替えスイッチ８をオフ状態にすることにより、燃料電池１を電気的に切り離し、燃料電池１を保護することができる。その逆に、燃料電池１が故障した場合には、燃料電池１を電気的に切り離すことにより、電力調整器２，変動負荷３，電力変換器４，整流器６および電力貯蔵・供給手段５などを保護することができる。
【００２９】本発明の電力システムでは、電力変換器４にて処理される電力は、大容量の燃料電池１から出力される電力の全量ではなく，電力貯蔵・供給手段５から変動負荷３に供給される電力、燃料電池１から電力貯蔵・供給手段５へ供給される貯蔵電力、変動負荷３から電力貯蔵・供給手段５へ供給される貯蔵電力（回生電力）であり、これらは、燃料電池１の出力電力の全量に比べ小量であるため，電力変換器４を小型軽量化することができる。特に図２から図４に示すように、電力変換器４と並列に整流器６を接続した場合には、整流器６を介して電力調整器２に直接電力が供給されるために，電力変換器４によって処理される電力が更に低減され、電力変換器４を更に小型軽量化できる。
【００３０】本発明の電力システムでは、通常、変動負荷３としてモータ、電力貯蔵・供給手段５としてバッテリー、電力変換器４としてＤＣ／ＤＣコンバータ、電力調整器２としてインバータが夫々使用される。
【００３１】図５は、本発明の電力システムを搭載した本発明の電気自動車１０の概略構成図である。
【００３２】この電気自動車は、車体の前後に設けられた車軸の一方の各端部に駆動車輪９が夫々設けられており、他方の車軸の各端部に従動輪が夫々設けられている。駆動輪９が設けられた車軸には、変動負荷３としてのモータが連結されており、車体上には、前記変動負荷３としてのモータ，燃料電池１，電力調整器２としてのインバータ，電力変換器４としてのＤＣ／ＤＣコンバータ，電力貯蔵・供給手段５としてのバッテリによって構成される電力システムが搭載されている。この電力システムは、図１に示す電力システムと同様の構成になっている。
【００３３】なお、上記電気自動車１０のモ−タとしては、回生制動によって発電可能であり、しかも電力変換効率や制御性の面で優れている交流モータが使用されるが、回生制動によって発電可能であれば直流モ−タを使用してもよい。
【００３４】このような構成の電気自動車１０では、加速時または登坂時には、燃料電池１から供給される電力だけでは十分な動力が得られないために、電力貯蔵・供給手段５から供給される電力によりその不足分が補われる。そして、燃料電池１および電力貯蔵・供給手段５から供給される全電力が、電力調整器２にて直流電力から交流電力に変換され、その交流電力により変動負荷３である交流モ−タが回転されて電気自動車１０が走行される。
【００３５】電気自動車１０が下り坂を走行したり減速したりする場合には、変動負荷３である交流モ−タが回生制動を行い発電機として機能し、電力が発生する。変動負荷３である交流モータにて発生する回生電力は、電力調整器２にて交流電力から直流電力に変換され、その直流電力が電力変換器４にて制御されて電力貯蔵・供給手段５に貯蔵される。
【００３６】また燃料電池１の燃料がゼロになった場合には、電力貯蔵・供給手段５からのみ電力が供給され、その電力は電力調整器２にて直流電力から交流電力に変換される。そしてその交流電力により変動負荷３である交流モ−タが回転されて、電気自動車１０が走行する。
【００３７】このように本発明の電力システムを電気自動車に搭載することによって、電力変換器４が小型軽量化および低コスト化されているため、電気自動車１０自体の重量を軽量化することができる。その結果、電気自動車１０自体を安価にて提供することが可能となる。しかも電気自動車１０は燃料電池１に対する１回当たりの充電による走行距離が延びる。
【００３８】
【発明の効果】以上の記載から明らかなように、本発明は、変動負荷に対し電力貯蔵・供給手段と電力変換器とを直列に接続して、これを燃料電池に対して並列に接続しているため、変動負荷に対して燃料電池と電力貯蔵・供給手段との間で電力の調整が可能であり、しかも、電力変換器にて変換される電気量が低減されるため、電力貯蔵・供給手段を小容量なものにすることができる。
【００３９】その結果、電力変換器を小型軽量化および低コスト化することができ，これにより、電力システム自体も小型軽量化および低コスト化することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成１２年１月１８日（２０００．１．１８）
【代理人】 【識別番号】１０００７８２８２
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
【公開番号】 特開２００１−２０４１０６（Ｐ２００１−２０４１０６Ａ）
【公開日】 平成１３年７月２７日（２００１．７．２７）
【出願番号】 特願２０００−９５５３（Ｐ２０００−９５５３）