(57)【要約】  【課題】昇圧コンバータに備えられたリアクトルで発生するジュール損を低減する。  【解決手段】バッテリー１からの直流電力を昇圧コンバータ１４で電圧上昇させた上でインバータ２により交流に変換してモータ３に給電すると共に、液体水素を燃料として貯留する液体水素タンク１１を搭載するハイブリッド自動車１０であって、昇圧コンバータ１４は磁気コア２７、２８にコイル２９を外嵌したリアクトル１５を有し、リアクトル１５のコイル２９を断熱冷媒容器２３に収容していると共に、断熱冷媒容器２３には液体水素タンク１１からの液体水素Ｈを供給する冷媒供給管２１を接続している。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーからの直流電力を昇圧コンバータで電圧上昇させた上でインバータにより交流に変換してモータに給電すると共に、液体水素を燃料として貯留する液体水素タンクを搭載する車両であって、
前記昇圧コンバータは磁気コアにコイルを外嵌配置したリアクトルを有し、前記リアクトルのコイルを断熱冷媒容器に収容していると共に、前記断熱冷媒容器には前記液体水素タンクからの液体水素を供給する冷媒供給管を接続していることを特徴とする水素燃料車。
【請求項２】
前記液体水素タンクからの水素により燃料電池で発電して駆動源とし、あるいは、該水素を水素エンジンで燃焼して駆動源としており、
前記断熱冷媒容器には冷媒排出管を接続しており、前記冷媒供給管から前記断熱冷媒容器に導入されて前記コイルとの熱交換により昇温気化した水素を前記冷媒排出管を介して前記燃料電池あるいは水素エンジンに供給している請求項１に記載の水素燃料車。
【請求項３】
前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアを収容せずに前記コイルを収容している請求項１または請求項２に記載の水素燃料車。
【請求項４】
前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアおよび前記コイルをまとめて収容している請求項１または請求項２に記載の水素燃料車。
【請求項５】
前記リアクトルのコイルを超電導線材で形成している請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素燃料車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素燃料車に関し、詳しくは、液体水素タンクからの水素により燃料電池で発電して或いは該水素を水素エンジンで燃焼して駆動源を得る車両であって、バッテリーからの直流電力を昇圧コンバータで電圧上昇させているものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、ガソリンエンジンと併用して電気エネルギーによるモータで駆動して走行するハイブリッド自動車の開発が進められている（特開平１１−１６４４９４号公報等）。
図９は当初のハイブリッド自動車を示し、バッテリー１からの直流電力をインバータで交流に変換して車両駆動用のモータ３に給電している。一方、エンジン４からの回転動力は動力分配機５を介して車輪側に伝達している。また、エンジン４からの回転動力は動力分配機５を介して発電機６にも伝達され、そこで生成された電力をインバータ２に戻している。
【０００３】
ハイブリッド自動車においても低燃費・低環境負荷を追及するためには、モータ３の小型高出力化を実現する必要があり、モータ３を高速回転させて駆動することが求められる。高速回転域においてはモータ３から発生する逆起電力以上の電圧を発生させる必要があるが、単純にバッテリー１の数を増加させて高圧化させることはスペースやコスト面からみて現実的ではない。そこで最近は、図１０に示すように、バッテリー１とインバータ２の間に昇圧コンバータ７（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介設して高電圧化するものが現れている。これにより、モータ３の高速回転を行いたい時には、昇圧コンバータ７を利用することで、バッテリー１を大きくする事なく、また、弱め界磁制御する事なく高速回転を実現することができる。
【０００４】
昇圧コンバータ７には昇圧動作時のエネルギーを貯めておくリアクトルが備えられており、該リアクトルのコイルには最大数１００Ａ相当の大電流が通電される。該コイルは断面積の大きな銅線で形成されているが、高出力時には大電流を流す必要があり、該コイルに発生するジュール熱は入力電力の数％に相当する場合もある。この損失分は熱となるだけであるので、可能な限りジュール損を抑制することが走行燃費改善およびＣＯ2削減に役立つ。
【特許文献１】特開平１１−１６４４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、昇圧コンバータに備えられたリアクトルで発生するジュール損を低減することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、バッテリーからの直流電力を昇圧コンバータで電圧上昇させた上でインバータにより交流に変換してモータに給電すると共に、液体水素を燃料として貯留する液体水素タンクを搭載する車両であって、
前記昇圧コンバータは磁気コアにコイルを外嵌配置したリアクトルを有し、前記リアクトルのコイルを断熱冷媒容器に収容していると共に、前記断熱冷媒容器には前記液体水素タンクからの液体水素を供給する冷媒供給管を接続していることを特徴とする水素燃料車を提供している。
【０００７】
前記構成とすると、車載された極低温の液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータに備えられたリアクトルのコイルを冷却しているので、コイルの導電率が改善してジュール損を低減することができる。また、リアクトルコイルを冷却する冷媒には、燃料として既に車載されている液体水素を利用しているので、別途、冷媒を自動車に搭載する必要がなくなり、車両重量や車載スペースの増加を抑制することができる。
【０００８】
前記液体水素タンクからの水素により燃料電池で発電して駆動源とし、あるいは、該水素を水素エンジンで燃焼して駆動源としており、
前記断熱冷媒容器には冷媒排出管を接続しており、前記冷媒供給管から前記断熱冷媒容器に導入されて前記コイルとの熱交換により昇温気化した水素を前記冷媒排出管を介して前記燃料電池あるいは水素エンジンに供給していると好ましい。
【０００９】
前記構成とすると、コイル冷却用に用いた冷媒としての水素を燃料用に再利用することができ、資源の有効活用が図られる。また、コイルとの熱交換により気化した水素を用いているので、燃料電池あるいは水素エンジンに供給する際の水素気化工程を省略することができる利点もある。
【００１０】
前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアを収容せずに前記コイルを収容していると好ましい。
前記構成とすると、磁気コアは液体水素により冷却されないので、磁気コアの過冷却による渦電流損の増大を防ぐことができる。
【００１１】
あるいは、前記断熱冷媒容器は、前記磁気コアおよび前記コイルをまとめて収容しても好ましい。
前記構成とすると、断熱冷媒容器の構造を簡単なボックス状で形成することができ、生産性が向上する。この際、磁気コアを圧粉磁性体で形成すれば、個々の磁性粉末の間が絶縁されるため、磁気コアを冷却しても渦電流損失が低減されて良好な磁気特性を得ることができる。なお、圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成とする。
【００１２】
前記リアクトルのコイルを超電導線材で形成していると好ましい。
即ち、コイルを超電導線材で形成すれば、所要の超電導性能を発揮させるための冷媒として前記液体水素が利用され、ジュール損はほとんど無視できるレベルに低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、燃料として既に車載された極低温の液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータに備えられたリアクトルのコイルを冷却しているので、車両重量や車載スペースを増加することなくコイルの導電率を改善してジュール損を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図５は第１実施形態を示す。
図１はハイブリッド自動車１０（水素燃料車）を示し、極低温（約２０ケルビン）まで冷却して液化した液体水素が液体水素タンク１１に貯留されており、液体水素タンク１１からの液体水素は気化装置１２で気化されて燃料電池１３に供給され、燃料電池１３で発電された電力はバッテリー１に蓄電される。なお、燃料電池１３は、公知の水素と酸素を反応させて発電するものである。
【００１５】
バッテリー１からの直流電力は昇圧コンバータ１４で２００Ｖ程度から５００Ｖ程度まで電圧上昇された後にインバータ２により三相交流に変換され、該交流をモータ３に給電することで車輪２４の回転駆動力を得ている。
一方、ガソリンを燃料としたエンジン４からの回転動力は動力分配機５により車輪２４側に伝達することで車輪２４の駆動力を得ている。また、エンジン４からの回転動力は動力分配機５で発電機６にも伝達し、該発電機６で生成された電力はインバータ２に戻されている。
【００１６】
昇圧コンバータ１４は、図２に示すように、リアクトル１５、コンデンサ１６、２０、ＩＧＢＴ１７、ダイオード１８、抵抗１９により構成されている。
リアクトル１５は、図３乃至図５に示すように、一対の銅線からなる巻線２９ａ、２９ｂを対向配置して直列接続したコイル２９が断熱冷媒容器２３に収容され、一対の断面コ字状の磁気コア２７、２８を断熱冷媒容器２３の外部でコイル２９の中空部に貫通させている。詳しくは、断熱冷媒容器２３は、図３および図５に示すように、ボックス状の外壁部２３ａと、隣接する一対の貫通孔２５、２６を形成する一対の内周壁部２３ｂ、２３ｃとを備え、外壁部２３ａと一対の内周壁部２３ｂ、２３ｃとの間で液体水素Ｈおよびコイル２９を収容する空間が形成されている。外壁部２３ａおよび内周壁部２３ｂ、２３ｃは、二重壁の間に真空層を形成した真空断熱構造を採用している。断熱冷媒容器２３は、ステンレスやＦＲＰ等で形成されているが、コイル２９に生じるリップル電流（直流電流に付加される高調波脈動電流）による渦電流の発生を回避するためには、ＦＲＰ等の非導電性材料を用いることが好ましい。
【００１７】
図５に示すように、断熱冷媒容器２３内にはコイル２９が収容され、一方の巻線２９ａが一方の内周壁部２３ｂに巻き付けられ、他方の巻線２９ｂが他方の内周壁部２３ｃに巻き付けられている。なお、コイル２９には図示しない電力入出力線が接続されている。この電力入出力線は超電導線材を用いた電流リードを採用することで熱伝導率を低減し、断熱冷媒容器２３内への外部からの熱侵入を防止していると好適である。
一対の断面コ字状の磁気コア２７、２８は鉄等の磁性材料からなり、互いの先端部２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ同士がギャップＧをあけて対向するように断熱冷媒容器２３の貫通孔２５、２６に先端部２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂを挿入している。このようにすることで、コイル２９の巻線２９ａ、２９ｂの各中空部に磁気コア２７、２８が配置されると共に、コイル２９のみが液体水素Ｈで冷却され磁気コア２７、２８は冷却されない構成を実現している。
【００１８】
断熱冷媒容器２３には液体水素タンク１１からの冷媒供給管２１が接続されていると共に、燃料電池１３へ導出する冷媒排出管２２が接続されている。即ち、液体水素タンク１１からの液体水素Ｈが断熱冷媒容器２３内を循環し、コイル２９を冷却することで昇温気化した水素は冷媒排出管２２より燃料電池１３へと導かれる。
【００１９】
以上の構成とすると、燃料電池１３への燃料として既に車載された液体水素を冷媒として有効活用し、昇圧コンバータ１４に内蔵されたリアクトル１５のコイル２９を冷却しているので、車両重量や車載スペースを増加することなくコイル２９の導電率を改善してジュール損を低減することが可能となる。即ち、図６は銅線の温度と抵抗率との関係を示すグラフであるが、２０ケルビンまで冷却した場合は、抵抗率は１桁下がる（導電率は１桁上がる）ため、結果としてコイル２９で発生する銅損は１桁低減させることができる。
また、コイル２９を冷却した後の気化水素を燃料用に再利用することができ、資源の有効活用が図られると共に、燃料電池１３に供給する際の水素気化工程を省略することも可能となる。さらに、磁気コア２７、２８は液体水素Ｈにより冷却されない構成としているので、磁気コア２７、２８の過冷却による渦電流損の増大も防止される。
【００２０】
図７は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、液体水素タンク１１に貯留された液体水素を水素エンジン３０への燃料として搭載している点である。
即ち、液体水素タンク１１からの液体水素は気化装置１２で気化された上で水素エンジン３０に供給されている。また、液体水素タンク１１からの液体水素は冷媒供給管２１を介して昇圧コンバータ１４内のリアクトル１５に冷媒として供給されている。リアクトル１５でコイル２９を冷却することにより昇温気化した水素は冷媒排出管２２を介して水素エンジン３０に供給している。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００２１】
図８は第３実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、リアクトルの磁気コア２７、２８およびコイル２９をまとめて断熱冷媒容器３１で囲繞している点である。
【００２２】
本実施形態のリアクトルは、ギャップＧを設けた状態で対向配置された磁気コア２７、２８に一対の巻線２９ａ、２９ｂからなるコイル２９を直接巻き付けている。この磁気コア２７、２８およびコイル２９をボックス状の断熱冷媒容器３１に収容している。断熱冷媒容器３１の壁面は二重壁の間に真空層を形成した真空断熱構造としている。また、断熱冷媒容器３１の材料は、ステンレスやＦＲＰ等が挙げられるが、コイル２９に生じるリップル電流による渦電流の発生を回避するためには、ＦＲＰ等の非導電性材料を用いるよい。
磁気コア２７、２８は、磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜（燐酸化合物被膜等）で覆った磁性粉末（鉄粉等）を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。圧粉磁性体の結合用樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドや可溶性ポリイミド等の樹脂が好適に用いられる。
【００２３】
以上の構成とすると、断熱冷媒容器３１の構造を簡単なボックス状で形成できるため生産性が良好となる。また、磁気コア２７、２８を圧粉磁性体で形成しているので、個々の磁性粉末の間が絶縁され、磁気コア２７、２８を冷却しても渦電流損失が低減されて良好な磁気特性を得ることができる。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００２４】
また、前述の第１〜第３実施形態はリアクトルのコイル２９を銅線等からなる常電導線材としているが、各実施形態においてビスマス系あるいはイットリウム系等の超電導線材でコイル２９を形成しても好適である。
コイル２９を超電導線材で形成すれば、所要の超電導性能を発揮させるための冷媒として液体水素Ｈが利用され、ジュール損はほとんど無視できるレベルに低減することが可能となる。また、液体水素温度（約２０ケルビン）であれば、例えば銅（常温）と比較してビスマス系超電導線材は１００倍以上の電流密度を確保することができるため、コイルを大幅に小型化することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態の水素燃料車を示すブロック図である。
【図２】昇圧コンバータを示す回路図である。
【図３】断熱冷媒容器および磁気コアを示す斜視図である。
【図４】コイルを示す斜視図である。
【図５】リアクトルの水平断面図である。
【図６】銅線の温度と抵抗率との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の水素燃料車を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態のリアクトルの水平断面図である。
【図９】従来例を示す図面である。
【図１０】別の従来例を示す図面である。
【符号の説明】
【００２６】
１      バッテリー
２      インバータ
３      モータ
４      エンジン
５      動力分配機
６      発電機
１０    ハイブリッド自動車（水素燃料車）
１１    液体水素タンク
１２    気化装置
１３    燃料電池
１４    昇圧コンバータ
１５    リアクトル
２１    冷媒供給管
２２    冷媒排出管
２３、３１    断熱冷媒容器
２５、２６    貫通孔
２７、２８    磁気コア
２９    コイル
３０    水素エンジン
Ｈ      水素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006312422.tif 000009
【図８】
2006312422.tif 000010
【図９】
2006312422.tif 000011
【図１０】
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