(57)【要約】【課題】  システムの性能及び信頼性、効率を保ちながら、装置の小型軽量化と低コスト化を実現することが可能な電気車を提供する。【解決手段】  燃料電池１と、ＬＣフィルタ５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、ＶＶＶＦインバータ１２と、モータ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とＶＶＶＦインバータ１２との間に接続されたエネルギー蓄積要素１７及び充放電を制御するためのＤＣ／ＤＣコンバータ９１６とを備える。【選択図】      図２
2006340464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続された及び充放電を制御するための第２のコンバータと、
前記第２のコンバータに接続されたエネルギー蓄積要素と、
を具備することを特徴とする電気車。
【請求項２】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記ＬＣフィルタと前記第１のコンバータとの間に接続された補助電源システムと、
前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続された及び充放電を制御するための第２のコンバータと、
前記第２のコンバータに接続されたエネルギー蓄積要素と、
を具備することを特徴とする電気車。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気車において、
前記燃料電池の電力を開放する開閉手段をさらに具備し、
前記開閉手段による前記燃料電池の電力の開放時には、前記エネルギー蓄積要素からの電力及び／又は前記モータからの回生電力を使用して、前記補助電源システムに電力を供給することを特徴とする電気車。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気車において、
前記第１のコンバータは、前記燃料電池と前記エネルギー蓄積要素または前記モータとの電力の変換を行うことを特徴とする電気車。
【請求項５】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換するダイオードと、
前記ダイオードから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記ダイオードと前記インバータとの間に接続されたエネルギー蓄積要素及び充放電を制御するためのコンバータと、
を具備することを特徴とする電気車。
【請求項６】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換するダイオードと、
前記ダイオードから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記ＬＣフィルタと前記ダイオードとの間に接続された補助電源システムと、
前記ダイオードと前記インバータとの間に接続された充放電を制御するためのコンバータと、
前記コンバータに接続されたエネルギー蓄積要素と、
を具備することを特徴とする電気車。
【請求項７】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記ＬＣフィルタと前記第１のコンバータとの間に接続された補助電源システムと、
前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続された充放電を制御するための第２のコンバータと、
前記第２のコンバータに接続されたエネルギー蓄積要素と、
前記燃料電池と前記ＬＣフィルタとの間に接続された開閉手段と、
を具備することを特徴とする電気車。
【請求項８】
請求項７に記載の電気車において、
前記開閉手段は、外部電力源に接続していることを特徴とする電気車。
【請求項９】
請求項１、２、５〜７に記載の電気車において、
前記ＬＣフィルタは、直列リアクトル及び並列キャパシタを備えることを特徴とする電気車。
【請求項１０】
燃料電池と、
前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、
前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換する第１のコンバータと、
前記第１のコンバータから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、
前記ＬＣフィルタと前記第１のコンバータとの間に接続された補助電源システムと、
前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続された充放電を制御するための第２のコンバータと、
前記第２のコンバータに接続されたエネルギー蓄積要素と、
前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続され、かつ外部電力源に接続された開閉手段と、
を具備することを特徴とする電気車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた電気車に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池によりモータを駆動し走行する車両は、自動車・バスをはじめ各種開発がなされており、今後、電車など更なる大容量の分野への応用が期待される。燃料電池によりモータを駆動する車両の開発において、今後は性能及び信頼性に加えて高効率化と低コスト化が重視されると予想される。また、燃料電池をエネルギー源とする車両の駆動システムへの適用を想定すると、ブレーキ時の回生エネルギーを蓄積するための、エネルギー蓄積要素、並びに、充放電を制御するエネルギー制御装置が必要となる。エネルギー蓄積要素としては、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）やリチウムイオウ電池など２次電池の利用が考えられる。  
この燃料電池を搭載した車両システムを、鉄道車両向けに応用する場合、架線等の外部からの電力供給との併用や、ＳＩＶ（補助電源システム)の存在等のため、システム全体の構成は自動車やバスに比べ複雑なものとなる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１３４６０４号公報。
【特許文献２】特開２０００−２３２７０３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した技術であると、システムの信頼性、効率を保ちながらシステム（機器）の小型化と低コスト化が重要となってくる。システム全体の効率化と低コスト化のためには、この主回路システムの構成をより合理的なものとし、またより効率的に動作可能よう制御する課題がある。
【０００４】
以上の点を鑑み本発明の目的は、システムの性能及び信頼性、効率を保ちながら、装置の小型軽量化と低コスト化を実現することが可能な電気車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的達成するために、本願発明の一態様によれば、燃料電池と、前記燃料電池から出力される直流電流が入力されるＬＣフィルタと、前記ＬＣフィルタから出力される直流電流を変換する第１のコンバータと、前記第１のコンバータから出力される直流電流を交流電流に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電流により駆動されるモータと、前記第１のコンバータと前記インバータとの間に接続されたエネルギー蓄積要素及び充放電を制御するための第２のコンバータと、を具備することを特徴とする電気車が提供される。このため、システムの性能及び信頼性、効率を保ちながら、装置の小型軽量化と低コスト化を実現することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、システムの性能及び信頼性、効率を保ちながら、装置の小型軽量化と低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電気車を示した外観図である。
【０００９】
図１に示すように、電気車１０は、架線２１からパンタグラフ２４を介して電気を取り込む。また、燃料電池、蓄電手段等を含む電気車制御装置２０からの電力も利用する。
【００１０】
図２は、電気車１０の主回路の構成を示したブロック図である。
【００１１】
電気車１０の主回路は、燃料電池１の出力端に、ＬＣフィルタ５が接続される。このＬＣフィルタ５には、第１のコンバータとしてＤＣ／ＤＣコンバータ９が接続される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のモータ側、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とモータ３０との間にＳＩＶ(補助電源システム)２０が接続される。また、またＤＣ／ＤＣコンバータ９の燃料電池側、すなわち、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ９との間に充放電を制御する第２のコンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ１６が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ１６にはエネルギー蓄積要素１７が接続されている。
【００１２】
また、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ９との間にＳＩＶ２０が接続されているが、電力の開閉手段１９を介して接続されている。
【００１３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とモータ３０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１６が接続されているが、電力の開閉手段２９を介して接続されている。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とモータ３０との間にも電力の開閉手段１１を備えている。
【００１４】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とエネルギー蓄積要素１７との間にも電力の開閉手段１８を備えている。
【００１５】
そして、ＳＩＶ２０は、変圧器２１を介して負荷２２と接続されている。
【００１６】
ＬＣフィルタ５は、燃料電池１と開閉手段２を介して接続されている（第１の経路）フィルタリアクトル３と、燃料電池１と開閉手段２を介さずに接続されている（第２の経路）フィルタキャパシタ４とを備えている。
【００１７】
ＬＣフィルタ５の第１の経路の出力（フィルタリアクトル３からの出力）は、開閉手段１９を介してＳＩＶ２０が備える半導体スイッチに接続されている。一方、ＬＣフィルタ５の第２の経路の出力（フィルタキャパシタ４からの出力）は、ＳＩＶ２０が備える半導体スイッチに接続されている。
【００１８】
また、ＬＣフィルタ５の第１の経路の出力（フィルタリアクトル３からの出力）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が備えるリアクトル６を介して半導体スイッチ７、８に接続されている。一方、ＬＣフィルタ５の第２の経路の出力（フィルタキャパシタ４からの出力）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が備える半導体スイッチ８に接続されている。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第１の経路の出力（半導体スイッチ７からの出力）と、第２の経路の出力（半導体スイッチ８からの出力）とは、キャパシタ１０で並列に接続されている。また、第１の経路の出力（半導体スイッチ７からの出力）は、開閉手段１１を介してＶＶＶＦインバータ１２が備える半導体スイッチ１２に接続され、第２の経路の出力（半導体スイッチ８からの出力）は、ＶＶＶＦインバータ１２が備える半導体スイッチ１２に接続されている。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第１の経路の出力（半導体スイッチ７からの出力）は、開閉手段２９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１６が備える半導体スイッチ１３、リアクトル１４に接続されており、さらに、開閉手段１８を介してエネルギー蓄積要素１７の正極側に接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第２の経路の出力（半導体スイッチ８からの出力）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６が備える半導体スイッチ１５、リアクトル１４に接続されている。さらに、開閉手段１８を介してエネルギー蓄積要素１７の負極側に接続されている。
【００２１】
以上のような構成とすることにより、ＬＣフィルタ５が燃料電池1出力端における電圧及び電流のりプルを低減するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ９のスイッチング周波数を低く設定することが可能となる。また、電気車等で用いられる大容量の燃料電池を用いたシステムでは、スイッチング素子のスイッチング損失が大きく、スイッチング周波数を高くできないが、ＬＣフィルタを備えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子の周波数を下げて用いることが可能で、機器の小型化、あるいは、大容量化システムへの適用が可能となる。
【００２２】
さらに、ＳＩＶ(補助電源システム)２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ９より燃料電池側に接続されることにより、燃料電池１からＳＩＶ２０への電力供給において、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介さず、損失が低減し、効率が向上する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作異常や故障によって、動作停止した場合においても、燃料電池１からＳＩＶ２０への電力供給が可能であり、システムの信頼性が向上する。
【００２３】
また、燃料電池１を開放する開閉手段を有することによって、エネルギー蓄積要素１７の電力、あるいは、モータ３０からの回生電力のいずれか一方、または両方から、ＳＩＶ２０への電力供給が可能となる。燃料電池１の故障時においても、燃料電池１を開放してＳＩＶ(補助電源システム)２０を動作させることが可能となり、システム全体の信頼性が向上する。
【００２４】
（第２実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
【００２５】
図３は、本発明の第２実施形態に係る電気車を示した外観図である。なお、第１実施形態と同様の構成は同符号を付し、詳細な説明を上述に譲る。
【００２６】
第２実施形態の第１実施形態との相違点は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の変わりにダイオード２３を用いている点である。
【００２７】
本実施形態における基本的な電力フローは、燃料電池１での発電電力をＶＶＶＦインバータへ供給するものである。ＶＶＶＦインバータで出力される電力と、前記燃料電池１からの供給電力との差分は、エネルギー蓄積要素から供給される。以上のように、電力フローの観点では、ＤＣ/ＤＣコンバータ９をダイオード２３に置き換えることが可能である。
【００２８】
このような構成とすることにより、第１実施形態で示したようにＤＣ／ＤＣコンバータ９を用いた場合、スイッチング動作を行うことから、リカバリーの早い高速ダイオードが用いられる。本実施形態では、スイッチング動作を行わないことから、高速スイッチング性の不要な電力用ダイオードを適用できる。一般に、電力用ダイオードは、高速ダイオードに比べ、定常的な通電損失が小さい。よって、高効率なシステムが構築可能で、システムの小型・軽量化を図ることができる。
【００２９】
なお、ＶＶＶＦインバータの入力電圧は、高域で高い電圧を印加する方が高い出力が得られる。従来のシステムでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９がこの高い直流電圧を作り出す役割を担っていた。本実施形態においても、このような必要性がある場合、エネルギー蓄積要素に付随するＤＣ／ＤＣコンバータ１６が直流電圧を制御すればよい。
【００３０】
（第３実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
【００３１】
図４は、本発明の第３実施形態に係る電気車を示した外観図である。なお、第１実施形態と同様の構成は同符号を付し、詳細な説明を上述に譲る。
【００３２】
第３実施形態の第１実施形態との相違点は、主回路システムが燃料電池１とＬＣフィルタ５の間に外部の電力源（パンタグラフ２４から取り込む電力）を有することである。
【００３３】
第３実施形態では、燃料電池１によって電力供給し、駆動用モータ３０を駆動する電気車において、外部から電力給電も可能である。なお、外部電源とは、架線システム、あるいは、エネルギー蓄積要素へのエネルギー補充を想定する充電設備等が考えられる。さらに、他の構成としては、電気車が一つの車両内に構成され、複数の車両によって、一つの編成を構成するような場合、編成内で、電力融通が可能であるように、構成することも想定される（つまり、自車両から見て、他車両が外部電源）。このような、外部電源との接続点を燃料電池１とＬＣフィルタ５の間にして、燃料電池からの電力供給を行う場合、外部電源を開閉装置によって切り離し、逆に、外部からの電力供給を行う場合、燃料電池を切り離すように構成する。
【００３４】
このような構成とすることにより、外部電源との接続において、ＬＣフィルタ５を共有することが可能となる。外部電源との接続において、電圧の安定化、あるいは、逆に、自身から外部へと不要な高調波を流出することを抑制するため、フィルタ回路が必要となる。これを燃料電池への接続用と共有することで、主回路システムの構成の簡単化が可能で、システムの効率化と低コスト化が実現される。
【００３５】
さらに、ＳＩＶ２０がＤＣ／ＤＣコンバータ９の燃料電池側に接続されている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を双方向の電力融通が可能な変換器とすることで、燃料電池１の故障時においても、エネルギー蓄積要素１７の電力とモータ３０からの回生電力のいずれか一方、または両方をＳＩＶ(補助電源システム)２０に供給することが可能となり、システム全体の信頼性が向上する。
【００３６】
（第４実施形態）
以下図面を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
【００３７】
図５は、本発明の第４実施形態に係る電気車を示した外観図である。なお、第３実施形態と同様の構成は同符号を付し、詳細な説明を上述に譲る。
【００３８】
第４実施形態の第３実施形態との相違点は、主回路システムがインバータ１２の直流端において外部の電力源と接続する点である。
【００３９】
第３実施形態では、外部電源との接続をＬＣフィルタ５の入力端としている。この場合、燃料電池１と外部電源との併用はできなくなる。本実施形態では、外部電源を直接、インバータ１２の直流端にて行うことで、燃料電池１との併用したエネルギー供給が可能となる。このため、燃料電池１が故障した場合にも、インバータ１２の動作を停止することなく、運転継続が可能となり、システムの信頼が向上する。
【００４０】
また、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気車制御装置を備えたで電気車を示した外観図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電気車の主回路の構成を示したブロック図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る電気車の主回路の構成を示したブロック図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る電気車の主回路の構成を示したブロック図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る電気車の主回路の構成を示したブロック図。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・燃料電池、３・・・フィルタリアクトル、４・・・フィルタリキャパシタ、５・・・ＬＣフィルタ、６、２８・・・リアクトル、７、８、１３、１５・・・半導体スイッチ、９、１６・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２・・・ＶＶＶＦインバータ、１７・・・エネルギー蓄積要素、２、１１、１８、１９、２９・・・開閉手段、２０・・・ＳＩＶ、２１・・・変圧器、２２・・・負荷、２３・・・ダイオード、２４・・・パンタグラフ、２５・・・車輪、３０・・・モータ
【図１】
2006340464.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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