(57)【要約】【課題】  保守作業員のメンテナンス作業中の感電事故を防止すると共に、２次電池の蓄積電力の浪費を防止すること。【解決手段】  いま、車両運転停止中であるとすると、遮断スイッチ９はオフ状態であるため、平滑コンデンサ３に２次電池６の定格電圧ＶB（例えば４００Ｖ）が印加されることはなく、その両端電圧はゼロとなる。したがって、保守作業員がメンテナンス作業中に感電事故を起こす心配がなく、また、２次電池６の蓄積電力が浪費されることはない。また、運転が開始されると、遮断スイッチ制御手段１２は、電圧検出器１０，１１からの検出信号を入力し、平滑コンデンサ３の電圧が２次電池６の電圧を上回った時点で、遮断スイッチ９をオン状態に切り換える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を発電手段、２次電池を蓄電手段として用い、前記燃料電池及び前記２次電池からの直流電力は、それぞれ燃料電池用コンバータ及び２次電池用コンバータによりＤＣ／ＤＣ変換された後、平滑コンデンサを介してモータ制御用インバータに供給されるハイブリッド車両において、
前記２次電池と前記平滑コンデンサとの間の接続状態をオン状態又はオフ状態にする遮断スイッチと、
前記平滑コンデンサの電圧を検出する平滑コンデンサ用電圧検出手段と、
前記２次電池の電圧を検出する２次電池用電圧検出手段と、
運転停止中は前記遮断スイッチをオフ状態とし、運転中は前記平滑コンデンサ用電圧検出手段からの検出信号のレベルが前記２次電池用電圧検出手段からの検出信号のレベルを上回っていることを条件として前記遮断スイッチをオン状態とする遮断スイッチ制御手段と、
を備えたことを特徴とするハイブリッド車両。
【請求項２】
前記遮断スイッチは、前記２次電池用コンバータと前記平滑コンデンサとの間に介挿されたものである、
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両。
【請求項３】
前記遮断スイッチは、前記２次電池と前記２次電池用コンバータとの間に介挿されたものである、
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両。
【請求項４】
前記遮断スイッチは、前記２次電池用コンバータと前記平滑コンデンサとの間に介挿された第１の遮断スイッチ、及び前記２次電池と前記２次電池用コンバータとの間に介挿された第２の遮断スイッチにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両。
【請求項５】
前記２次電池と前記平滑コンデンサとの間に過電流防止用ヒューズが介挿されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のハイブリッド車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を発電手段、２次電池を蓄電手段として用いるハイブリッド車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応に基づく発電により電気エネルギーを生成しようとするものであり、次世代のエネルギー供給源として近年脚光を浴びている。これは燃料電池が、発電の際には水しか排出せず振動も騒音も発生しないことから環境にやさしく、また燃料となる水素を天然ガスやメタノールなど種々のものから取り出すことができるなど、多くのメリットを有していることによる。
【０００３】
そして、燃料電池をエネルギー供給源に用いるものとしてハイブリッド車両がある。ハイブリッド車両とは、複数種類のエネルギー供給源を搭載した車両であり、よく知られているものとして、ガソリン並びに燃料電池及び２次電池の２種類のエネルギー供給源を用いたハイブリッド自動車がある。更に、最近は燃料電池の性能が大きく向上し、自動車のような小型車両だけではなく、鉄道車両クラスの大型車両についてもハイブリッド化の開発が進められている。
【０００４】
このような大型車両に係るハイブリッド車両は、通常、燃料電池を発電手段、２次電池を蓄電手段とする構成を採用している（例えば、特許文献１参照）。２次電池を蓄電手段として用いているのは、燃料電池だけでは加速時や登坂時等において必要な駆動力を迅速に得ることが困難であり、また回生電力の蓄電に基づく省エネ化を図る必要があるからである。
【０００５】
図１０は、燃料電池を発電手段、２次電池を蓄電手段とする従来のハイブリッド車両の構成図である。この図において、発電手段としての燃料電池１で生成された直流電力は燃料電池用コンバータ２に出力されるようになっている。燃料電池用コンバータ２は、昇圧チョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、リアクトルＬ1、ダイオードＤ1、及びダイオードＤ2が逆並列接続されたスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）Ｓ1を有している。
【０００６】
燃料電池用コンバータ２から出力される直流電力は、平滑コンデンサ３を介してモータ制御用インバータ４に供給され、可変電圧可変周波数制御された交流電力に変換されるようになっている。そして、モータ制御用インバータ４から出力される交流電力は、車輪駆動用のモータ５に供給されるようになっている。
【０００７】
また、蓄電手段としての２次電池６からの直流電力は２次電池用コンバータ７に出力されるようになっている。２次電池用コンバータ７は、昇降圧チョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、リアクトルＬ2、ダイオードＤ3が逆並列接続されたスイッチング素子Ｓ2、及びダイオードＤ4が逆並列接続されたスイッチング素子Ｓ3を有している。そして、２次電池用コンバータ７から出力される直流電力も、平滑コンデンサ３を介してモータ制御用インバータ４に供給されるようになっている。
【０００８】
更に、運転制御部８は、燃料電池用コンバータ２及び２次電池用コンバータ７のスイッチング素子Ｓ1〜Ｓ3、並びにモータ制御用インバータ４を構成する半導体スイッチング素子に対して制御信号（ゲート信号）を出力し、モータ５の運転制御を行うようになっている。
【０００９】
次に、図１０の動作につき説明する。いま、ハイブリッド車両は運転停止中であり、スイッチング素子Ｓ1〜Ｓ3はオフになっている。このとき、２次電池６は定格電圧ＶB（例えば４００Ｖ）に充電されていたとすると、ハイブリッド車両が運転停止中であるにもかかわらず、平滑コンデンサ３の両端には電圧ＶBが印加されている。
【００１０】
運転員が、操作盤の運転開始ボタン（図示せず）をオンに操作すると、燃料電池１は所定の起動シーケンスプログラムに基づいて水素と酸素との電気化学反応を開始させる。これにより、燃料電池１から直流電力が出力され始め、しばらくすると平滑コンデンサ３の電圧は２次電池６の定格電圧ＶBを超え、リアクトルＬ1及びダイオードＤ1を経由して平滑コンデンサ３側に電力供給され、燃料電池１の定格電圧ＶFC（例えば５００Ｖ）となる。
【００１１】
運転制御部８では、運転員の操作に基づいて制御信号を出力してモータ制御用インバータ４に可変電圧可変周波数制御を行わせ、モータ５の速度制御を行う。このとき、定格運転速度に対応する平滑コンデンサ３の電圧は燃料電池１の定格電圧より大きく（例えば６００Ｖ）、運転員が加速操作を行ったとすると、運転制御部８は燃料電池用コンバータ２に対して昇圧チョッパ制御を行う。すなわち、運転制御部８はスイッチング素子Ｓ1をオンオフ動作させ、スイッチング素子Ｓ1のオン時にリアクトルＬ1に蓄積された電気エネルギーを、スイッチング素子Ｓ1のオフ時に還流ダイオードとしてのダイオードＤ1を通して放出することにより平滑コンデンサ３の電圧を６００Ｖに上昇させる。
【００１２】
更に、モータ５が高出力で運転されている場合、燃料電池出力が足りず、燃料電池用コンバータ２だけの昇圧チョッパ制御では平滑コンデンサ３の電圧を６００Ｖに維持することができないため、運転制御部８は２次電池用コンバータ７に対しても昇圧チョッパ制御を行うようにする。すなわち、運転制御部８はスイッチング素子Ｓ3をオンオフ動作させ、スイッチング素子Ｓ3のオン時にリアクトルＬ2に蓄積された電気エネルギーを、スイッチング素子Ｓ3のオフ時に還流ダイオードとしてのダイオードＤ3を通して放出することにより平滑コンデンサ３の電圧を６００Ｖに上昇させる。
【００１３】
負荷変動が大きい場合においても、燃料電池１の反応速度が遅く、平滑コンデンサ３の電圧を６００Ｖに維持できないため、上記と同様の制御を行う。
【００１４】
また、車両減速時や下り坂走行時等に回生運転を行う場合、運転制御部８は２次電池用コンバータ７に対して降圧チョッパ制御を行うようにする。すなわち、運転制御部８はスイッチング素子Ｓ2をオンオフ動作させ、スイッチング素子Ｓ2のオン時にリアクトルＬ2に蓄積された電気エネルギーを、スイッチング素子Ｓ2のオフ時に還流ダイオードとしてのダイオードＤ4を通して２次電池６側へ放出することにより、モータ制御用インバータ４側からの回生電力を２次電池６に蓄電させる。
【００１５】
そして、前述した操作盤の運転開始ボタンを運転員がオフに操作し、ハイブリッド車両の運転を停止させると、燃料電池１への水素の供給が停止されるので、燃料電池１の出力電圧は次第に低下しやがてゼロとなる。したがって、平滑コンデンサ３の電圧も２次電池６による印加電圧ＶBすなわち４００Ｖまで低下する。
【特許文献１】特開２００３−１９９２０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、図１０の構成では、車両の運転停止中であっても平滑コンデンサ３には常に２次電池６の定格電圧ＶBが印加された状態となっている。この電圧ＶBの値は、自動車のような小型ハイブリッド車両の場合にはシステムがユニットで構成されているため、保守作業員が誤って荷電部に触れるようなことはない。しかし、鉄道車両のような大型ハイブリッド車両になると、それぞれのパーツが各所に散在して配置されているため、荷電部が多く存在する。したがって、保守作業員がメンテナンス作業中にうっかり電圧印加個所に身体を触れて感電事故が発生する虞がある。
【００１７】
また、運転停止中であっても常に平滑コンデンサ３に２次電池６の定格電圧ＶBが印加されている状態は、２次電池６に蓄電されている電力が、回路中に存在するいくつかの電気部品により無駄に消費されていることを意味している。このような消費電力は大きなものではないけれども、長期間の間には無視できないレベルとなり、省エネ化の要求に反することになる。
【００１８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、保守作業員のメンテナンス作業中の感電事故を防止すると共に、２次電池の蓄積電力の浪費を防止することが可能なハイブリッド車両を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、燃料電池を発電手段、２次電池を蓄電手段として用い、前記燃料電池及び前記２次電池からの直流電力は、それぞれ燃料電池用コンバータ及び２次電池用コンバータによりＤＣ／ＤＣ変換された後、平滑コンデンサを介してモータ制御用インバータに供給されるハイブリッド車両において、前記２次電池と前記平滑コンデンサとの間の接続状態をオン状態又はオフ状態にする遮断スイッチと、前記平滑コンデンサの電圧を検出する平滑コンデンサ用電圧検出手段と、前記２次電池の電圧を検出する２次電池用電圧検出手段と、運転停止中は前記遮断スイッチをオフ状態とし、運転中は前記平滑コンデンサ用電圧検出手段からの検出信号のレベルが前記２次電池用電圧検出手段からの検出信号のレベルを上回っていることを条件として前記遮断スイッチをオン状態とする遮断スイッチ制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記遮断スイッチは、前記２次電池用コンバータと前記平滑コンデンサとの間に介挿されたものである、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記遮断スイッチは、前記２次電池と前記２次電池用コンバータとの間に介挿されたものである、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記遮断スイッチは、前記２次電池用コンバータと前記平滑コンデンサとの間に介挿された第１の遮断スイッチ、及び前記２次電池と前記２次電池用コンバータとの間に介挿された第２の遮断スイッチにより構成されている、ことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記２次電池と前記平滑コンデンサとの間に過電流防止用ヒューズが介挿されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、運転停止中は遮断スイッチ制御手段が遮断スイッチをオフ状態としているので、保守作業員のメンテナンス作業中の感電事故、及び２次電池の蓄積電力の浪費を防止することができる。そして、運転を行う場合、遮断スイッチ制御手段は、平滑コンデンサの電圧が２次電池の電圧を上回らなければ遮断スイッチをオン状態としないので、遮断スイッチ投入時に突入電流が平滑コンデンサ側に流入する虞を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図である。なお、図１０と同様の構成要素については同一符号を付して重複した説明を省略する。
【００２６】
図１の構成が図１０の構成と異なる点は、スイッチング素子Ｓ2のコレクタ側と平滑コンデンサ３の一端側との間に遮断スイッチ９が介挿されている点、平滑コンデンサ３に平滑コンデンサ用電圧検出手段としての電圧検出器１０が並列接続されている点、２次電池６に２次電池用電圧検出手段としての電圧検出器１１が並列接続されている点、及び運転制御部８Ａが遮断スイッチ制御手段１２を有している点である。但し、電圧検出器１０，１１は従来のハイブリッド車両にも備えられていたものであり、図１０では図示が省略されていたものである。
【００２７】
遮断スイッチ制御手段１２は、運転停止中においては遮断スイッチ９をオフ状態とし、また、運転中においては、電圧検出器１０からの検出信号のレベルが電圧検出器１１からの検出信号のレベルを上回っている場合にのみ遮断スイッチ９をオン状態とする制御を行うようになっている。
【００２８】
次に、図１の動作につき説明する。いま、ハイブリッド車両が運転停止中であるとすると、遮断スイッチ９はオフ状態であるため、平滑コンデンサ３に２次電池６の定格電圧ＶB（例えば４００Ｖ）が印加されることはなく、その両端電圧はゼロとなる。したがって、保守作業員がメンテナンス作業中に感電事故を起こす心配がなく、また、２次電池６の蓄積電力が浪費されることが防止される。
【００２９】
そして、図１０において既述したように、運転員が操作盤の運転開始ボタン（図示せず）をオンに操作すると、燃料電池１は所定の起動シーケンスプログラムに基づき直流電力の出力を開始し、これがリアクトルＬ1及びダイオードＤ1を経由して平滑コンデンサ３側に供給される。したがって、平滑コンデンサ３の両端電圧は次第に上昇していく。
【００３０】
このとき、遮断スイッチ制御手段１２は、電圧検出器１０，１１からの検出信号を入力し、平滑コンデンサ３の電圧レベルと２次電池６の電圧レベルとの比較を行っている。そして、平滑コンデンサ３の電圧レベルが２次電池６の電圧レベルを上回った時点で、遮断スイッチ制御手段１２は遮断スイッチ９をオン状態に切り換える。
【００３１】
平滑コンデンサ３の電圧は２次電池６の電圧レベルを上回っているため、遮断スイッチ９がオン状態に切り換わったとしても、これにより平滑コンデンサ３の電圧が変化することはない。しかし、遮断スイッチ９がオン状態に切り換わったことにより、図１０の場合と同様に、以後の２次電池用コンバータ７の昇圧チョッパ制御に基づき平滑コンデンサ３の電圧を急上昇させることが可能な態勢が整ったことになる。
【００３２】
ここで、仮に、平滑コンデンサ３の電圧が２次電池６の電圧を上回る前に遮断スイッチ９が投入されてしまった場合を考えてみる。例えば、燃料電池１の発電が開始されて間もない場合は、平滑コンデンサ３の電圧は２次電池６の電圧を大きく下回っているために、２次電池６からの突入電流が平滑コンデンサ３側に流入するため、ダイオードＤ3等の半導体素子が破壊されることになる。また、燃料電池１の発電が開始されてある程度の時間が経過した後は、平滑コンデンサ３の電圧と２次電池６の電圧との差は小さくなるため、２次電池６から大きな突入電流が平滑コンデンサ３側に流入することはなく、半導体素子が破壊されることはないが、それでもある程度の電流が流入するため、２次電池６の蓄積電力が浪費されることに変わりはない。
【００３３】
しかし、図１の構成では、上記のように遮断スイッチ制御手段１２が、平滑コンデンサ３の電圧レベルが２次電池６の電圧レベルを上回った時点で遮断スイッチ９をオン状態とする制御を行っているので、２次電池６から突入電流が平滑コンデンサ３側に流入することや２次電池６の蓄積電力が浪費されることなどを確実に防止することができる。
【００３４】
上記のように、遮断スイッチ９がオン状態に切り換えられた後、しばらくすると平滑コンデンサ３の電圧は燃料電池１の定格電圧ＶFC（例えば５００Ｖ）となる。この後の動作は図１０の場合と同様であるため説明を省略する。
【００３５】
そして、運転員が車両の運転を停止させるべく操作盤の運転開始ボタンをオフに操作すると、遮断スイッチ制御手段１２は遮断スイッチ９が再びオフ状態になるように切換を行う。また、運転開始ボタンのオフ操作により、燃料電池１への水素の供給が停止されるので、燃料電池１の出力電圧は次第に低下しやがてゼロとなる。したがって、平滑コンデンサ３の電圧もゼロとなる。
【００３６】
このように、図１の構成によれば、運転停止中は遮断スイッチ制御手段１２が遮断スイッチ９をオフ状態としているので、保守作業員のメンテナンス作業中の感電事故、及び２次電池６の蓄積電力の浪費を防止することができる。そして、運転を行う場合、遮断スイッチ制御手段１２は、平滑コンデンサ３の電圧が２次電池６の電圧を上回らなければ遮断スイッチ９をオン状態としないので、遮断スイッチ９投入時に突入電流が平滑コンデンサ３側に流入することや、運転中に２次電池６の蓄積電力が浪費されることなどを防止することができる。
【００３７】
図２は、本発明の第２の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図である。図２が図１と異なる点は、遮断スイッチ１３が、２次電池６の正側と、２次電池用コンバータ７を構成するリアクトルＬ2の一端側との間に介挿されている点である。
【００３８】
図１の構成では、運転停止中は遮断スイッチ９がオフ状態となっているので、２次電池６及び２次電池用コンバータ７は主回路側とは完全に切り離された状態となっている。しかし、リアクトルＬ2、スイッチング素子Ｓ3及びダイオードＤ4には２次電池６の電圧が印加されているため、僅かではあるけれども２次電池６の蓄積電力が浪費された状態となっている。そこで、この第２の実施形態では、遮断スイッチ１３を２次電池６と２次電池用コンバータ７との間に介挿することにより、このような僅かな蓄積電力の浪費についても防止することが可能な構成を採用している。なお、図２の動作は、図１の場合と略同様であるため説明を省略する。
【００３９】
図３は、本発明の第３の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図である。この図３の構成は、図１における遮断スイッチ９、図２における遮断スイッチ１３の２つのスイッチを備えたものとなっている。図１又は図２の構成では、遮断スイッチ９又は遮断スイッチ１３に、接点が溶着される短絡故障が発生した場合は、メンテナンス作業時の安全を確保することや蓄積電力の浪費を防止することが不可能な事態になる。
【００４０】
そこで、本実施形態では２つの遮断スイッチ９，１３を設けることにより、上記のような事態に陥る可能性が小さくなる構成を採用している。本実施形態によれば、遮断スイッチ９，１３のうちのいずれか一方に短絡故障が発生しても、他方が正常であればメンテナンス作業時の安全を確保し、且つ蓄積電力の浪費を防止することが可能である。
【００４１】
図４は、本発明の第４の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図である。図４が図１と異なる点は、遮断スイッチ９に過電流防止用ヒューズＦ1が接続されている点である。この図４の構成によれば、スイッチング素子Ｓ2に短絡故障が発生した場合に、２次電池６が過電流により破壊されるのを防止することが可能になる。
【００４２】
上記のように、図１の構成に過電流防止用ヒューズを付加した構成は、図４以外にも種々の構成が考えられる。図５乃至図９は、本発明の第５乃至第９の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図であり、遮断スイッチ９を設けた図１の構成に対して、ヒューズＦ1〜Ｆ3のうちの少なくとも１つ以上を付加したものである。
【００４３】
また、図４乃至図９は、遮断スイッチ９を設けた図１の構成に過電流防止用ヒューズＦ1〜Ｆ3を付加した種々の態様を示したものであるが、勿論、遮断スイッチ１３を設けた図２の構成、あるいは遮断スイッチ９，１３の２つの遮断スイッチを設けた図３の構成に対して、過電流防止用ヒューズを種々の態様で付加するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図７】本発明の第７の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図８】本発明の第８の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図９】本発明の第９の実施形態に係るハイブリッド車両の構成図。
【図１０】従来のハイブリッド車両の構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池
２  燃料電池用コンバータ
３  平滑コンデンサ
４  モータ制御用インバータ
５  モータ
６  ２次電池
７  ２次電池用コンバータ
８，８Ａ  運転制御部
９  遮断スイッチ
１０  電圧検出器（平滑コンデンサ用電圧検出手段）
１１  電圧検出器（２次電池用電圧検出手段）
１２  遮断スイッチ制御手段
１３  遮断スイッチ
Ｌ1，Ｌ2  リアクトル
Ｓ1〜Ｓ3  スイッチング素子
Ｄ1〜Ｄ4  ダイオード
【図１】
2006340419.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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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