(57)【要約】【課題】  異なるバッテリー電圧に合わせて設計された複数の部品が、最少の変更で、ハイブリッド燃料電池バスシステムに適用できるようにしたパワーシステム及び制御方法を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックによって充電されるスーパーキャパシターと、燃料電池スタックまたはスーパーキャパシターから電源を供給されて車両を駆動し、回生制動による電源をスーパーキャパシターに提供する駆動モーターと、電源入力及び電源出力を制御するモーターコントロールユニットと、互いに異なる電圧を使用する第１及び第２電装部品にそれぞれ電源を提供する第１及び第２補助バッテリーと、燃料電池スタックを動作させるスタック始動部品とを備えて構成されることを特徴とする。【選択図】  図１
2008099535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに連結され、前記燃料電池スタックにより充電されるスーパーキャパシターと、
前記燃料電池スタックまたは前記燃料電池スタック及び前記スーパーキャパシター量子から電源を供給されて車両を駆動し、回生制動を介して発生する電源を前記スーパーキャパシターに提供する駆動モーターと、
前記駆動モーターへの電源入力及び前記駆動モーターからの電源出力を制御するモーターコントロールユニットと、
互いに異なる電圧を使う第１及び第２電装部品にそれぞれ電源を提供する互いに異なる電圧の第１及び第２補助バッテリーと、
前記第１及び第２補助バッテリーのうちいずれか一つに電気的に接続され、前記燃料電池スタックを動作させるスタック始動部品と、
を含むことを特徴とするハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項２】
前記第１補助バッテリーは、１２Ｖ補助バッテリーであり、前記第２補助バッテリーは、２４Ｖ補助バッテリーであることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項３】
前記第１補助バッテリーは、燃料電池車両と共用可能な電装部品である第１電装部品に電源を供給し、前記第２補助バッテリーは内燃エンジン車両両と共用可能な電装部品である第２電装部品に電源を供給するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項４】
前記スタック始動部品は、
前記燃料電池スタックの始動の前には、第１補助バッテリーの電源を利用して駆動するように電気的に接続され、
前記燃料電池スタックの始動後、前記燃料電池スタックの電源を利用して駆動するように電気的に接続されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項５】
前記第１補助バッテリーの電圧を前記スタック始動部品の電圧としてコンバーティングするために前記第１補助バッテリーと前記スタック始動部品との間に連結される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記燃料電池スタックの電圧を前記スタック始動部品の電圧にコンバーティングする高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータを含み、
前記高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータによりコンバーティングされた電源を前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに提供可能に電気的に接続することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックは、９００ＶのＤＣ電圧を発生させることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項７】
前記スタック始動部品の駆動電圧は、３５０Ｖであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックの電源を利用して前記第２補助バッテリーを充電するため、前記燃料電池スタックと前記第２補助バッテリー連結との間には第２ＤＣ／ＤＣコンバータが備えることを特徴とする請求項３または請求項５に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックの電源を供給されて補機類を駆動するインバータが前記燃料電池スタックに電気的に接続されることを特徴とする請求項２または請求項５に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項１０】
前記補機類はウォータポンプ、パワーステアリングポンプ及びエアーコンディショナーコンプレッサのいずれか一つを含むことを特徴とする請求項９に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックと前記駆動モーターを電気的に接続するパワーラインと、前記スーパーキャパシターを連結するパワーラインにはチョッパと制動抵抗を経由するパワーラインを含み、
前記スーパーキャパシターの過充電の時、前記チョッパと前記制動抵抗を介してエネルギー消尽がなされるように構成することを特徴とする請求項２または請求項５に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム。
【請求項１２】
第１補助バッテリーの低電圧をスタック始動部品駆動電圧にコンバーティングする第１段階と、
前記スタック始動部品駆動電圧によりスタック始動部品が駆動される第２段階と、
前記スタック始動部品が駆動により燃料電池スタックが動作する第３段階と、
前記燃料電池スタック可動により高電圧電源が発生する第４段階と、
前記スタック始動部品への電源供給経路が切換わって前記高電圧電源がスタック始動部品電圧にコンバーティングされて前記スタック始動部品に供給される第５段階と、
前記高電圧電源が駆動モーターに提供される第６段階と、
前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされた電源が前記第１補助バッテリー電圧にコンバーティングされる第７段階と、
前記高電圧電源がスーパーキャパシターに充電される第８段階を含む始動モードを有することを特徴とするハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１３】
前記第１段階は、互いに異なる電圧を有する第１及び第２補助バッテリーそれぞれが車両の始動と同時に前記補助バッテリーそれぞれに連結される第１及び第２電装部品に電源を供給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１４】
前記第１段階で、前記第１補助バッテリーは、１２Ｖ補助バッテリーであり、前記第２補助バッテリーは、２４Ｖ補助バッテリーであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１５】
前記第１段階と、
前記第７段階は、同一ＤＣ／ＤＣコンバータを使用することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１６】
前記第５段階は、９００Ｖ電圧を３５０Ｖコンバーティングする段階であることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１７】
前記第５段階または前記第６段階は、
前記第２補助バッテリーを充電するため前記高電圧電源をコンバーティングする段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１８】
前記第７段階は、補機類インバータに前記高電圧電源を提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【請求項１９】
前記第８段階遂行後、走行モードを遂行する第９段階をさらに含み、
前記走行モードは、前記燃料電池スタックの高電圧が前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階及び前記高電圧が前記駆動モーター及び前記インバータに提供される段階を含む一般走行モードと、
前記燃料電池スタックの高電圧が前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階と、
前記高電圧が前記駆動モーター及び前記インバータに提供される段階及び、
前記スーパーキャパシターの充電電源が前記駆動モーターに提供される段階を含む加速または登板モード及び、
前記駆動モーターの回生制動により回生電源が発生する段階と、
前記回生電源を前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングする段階と、
前記回生電源がインバータに提供される段階と、
前記スーパーキャパシターの過充電可否を判断する段階及び、
前記スーパーキャパシターが過充電された場合、前記スーパーキャパシターに提供される電気エネルギーを消尽させる段階及び、
前記スーパーキャパシターが過充電されない場合、回生電源によりスーパーキャパシターを充電する段階とを含む回生制動モードのうちいずれか一つのモードに選択されることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及びその制御方法に係り、詳細には、パワーソースとして燃料電池及び燃料電池に連結されるエネルギー貯蔵装置であるスーパーキャパシターを利用するハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギーに変換する装置である。このような燃料電池は、従来の内燃エンジンに比して效率が高く、騷音、排気ガスなどの問題点が少ないため、車両のパワーソースとして燃料電池を利用する燃料電池車両が開発されている。
【０００３】
車両の燃料電池は、水素ガスを燃料として利用するが、水素ガスは酸化電極（ａｎｏｄｅ）で水素イオン（ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｐｒｏｔｏｎＳ）と電子に分解される。水素イオンは電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）を通過し、外部回路を移動する電子と共に還元電極（ｃａｔｈｏｄｅ）で酸素と反応して水を生成する。外部回路を移動する電子の流れが電力に利用される。
【０００４】
多くの燃料電池車両は、燃料電池と共に高電圧バッテリーまたはスーパーキャパシターのようなエネルギー貯蔵装置をパワーソースと共に利用するハイブリッド車両である。近来、スーパーキャパシターは、様々な長所を有するため、エネルギー貯蔵装置として使用される。
【０００５】
また、燃料電池車両は、補助パワーソースとして低電圧補助バッテリーを備える。補助バッテリーは、燃料電池の始動などのような車両を始動する始動関連部品にエネルギーを供給する。燃料電池が正常作動して電力を生産するためには、水素及び酸素の供給システムなどの燃料供給システムと各種制御機などが先に作動しなければならない。
【０００６】
従来、ハイブリッド燃料電池車両は、乗用車のような小型車両を中心に開発されてきた。しかし、近来、バスのような高出力を要する大型車両にも、このようなハイブリッド燃料電池システムを適用する試みがなされている。
【０００７】
しかし、これまでに開発された燃料電池車両またはハイブリッド燃料電池車両は、小型車両用が中心で、燃料電池の運営に係る電装部品は小型車両に搭載された１２Ｖ補助バッテリー（自動電圧基準）を利用するようにされており、複数の制御機の制御ロジックもこれに合わせられている。
【０００８】
しかし、従来の内燃エンジンバスは、２４Ｖ補助バッテリー（自動電圧基準）を使用するので、車両の複数の電装部品が２４Ｖ補助バッテリーを利用するようにされている。
【０００９】
したがって、ハイブリッド燃料電池バスを開発するためには、燃料電池システムのみではなく、多様な電装部品を新たに設計しなければならない問題点がある。すなわち、すでに開発された燃料電池車両に使用される１２Ｖ電装部品を新たに設計するとか、従来の内燃エンジンバスの２４Ｖ電装部品を変更しなければならない問題点が発生する。
【特許文献１】特表２００４−５１４３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、互いに異なるバッテリー電圧に合わせて設計された複数の部品が、最少の変更で、ハイブリッド燃料電池バスシステムに適用できるようにしたハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及び制御方法を提供することにその目的がある。
【００１１】
本発明の他の目的は、互いに異なるバッテリー電圧に合わせて設計された燃料電池車両の１２Ｖ電装部品と、内燃エンジンバスの２４Ｖ電装部品を変更して使用し、ハイブリッド燃料電池バスシステムの開発に要する時間及び費用を最小にできるハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及び制御方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、スーパーキャップと燃料電池のハイブリッドシステムの效率的な運用が可能なハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及び制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によるハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに連結され、前記燃料電池スタックによって充電されるスーパーキャパシターと、前記燃料電池スタックまたは前記燃料電池スタック及び前記スーパーキャパシター量子から電源を供給されて車両を駆動し、回生制動により発生した電源を前記スーパーキャパシターに提供する駆動モーターと、前記駆動モーターへの電源入力及び前記駆動モーターからの電源出力を制御するモーターコントロールユニットと、互いに異なる電圧を使用する第１及び第２電装部品にそれぞれ電源を提供する互いに異なる電圧の第１及び第２補助バッテリーと、前記第１及び第２補助バッテリーのうちいずれか一つに電気的に接続され、前記燃料電池スタックを動作させるスタック始動部品とを備えて構成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、前記第１補助バッテリーは、１２Ｖ補助バッテリーであり、前記第２補助バッテリーは、２４Ｖ補助バッテリーであることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、前記第１補助バッテリーは、燃料電池車両と共用可能な電装部品である第１電装部品に電源を供給し、前記第２補助バッテリーは内燃エンジン車両両と共用可能な電装部品である第２電装部品に電源を供給するように構成されることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、前記スタック始動部品は、前記燃料電池スタックの始動の前には、第１補助バッテリーの電源を利用して駆動するように電気的に接続され、前記燃料電池スタックの始動後、前記燃料電池スタックの電源を利用して駆動するように電気的に接続されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、前記第１補助バッテリーの電圧を前記スタック始動部品の電圧としてコンバーティングするために前記第１補助バッテリーと前記スタック始動部品との間に連結される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池スタックの電圧を前記スタック始動部品の電圧にコンバーティングする高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータを含み、前記高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータによりコンバーティングされた電源を前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに提供可能に電気的に接続することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、前記燃料電池スタックの電源を利用して前記第２補助バッテリーを充電するため、前記燃料電池スタックと前記第２補助バッテリー連結との間には第２ＤＣ／ＤＣコンバータが備えられることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、前記燃料電池スタックと前記駆動モーターを電気的に接続するパワーラインと、前記スーパーキャパシターを連結するパワーラインにはチョッパと制動抵抗を経由するパワーラインを含み、前記スーパーキャパシターの過充電の時、前記チョッパと前記制動抵抗によりエネルギー消尽されるよう構成されることを特徴とする。
【００２０】
本発明によるハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法は、第１補助バッテリーの低電圧をスタック始動部品駆動電圧にコンバーティングする第１段階と、前記スタック始動部品駆動電圧によりスタック始動部品が駆動される第２段階と、前記スタック始動部品が駆動により燃料電池スタックが動作する第３段階と、前記燃料電池スタック可動により高電圧電源が発生される第４段階と、前記スタック始動部品への電源供給経路が切換わって前記高電圧電源がスタック始動部品電圧にコンバーティングされて前記スタック始動部品に供給される第５段階と、前記高電圧電源が駆動モーターに提供される第６段階と、前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされた電源が前記第１補助バッテリー電圧にコンバーティングされる第７段階と、前記高電圧電源がスーパーキャパシターに充電される第８段階を含む始動モードを有することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、前記第１段階は、互いに異なる電圧を有する第１及び第２補助バッテリーそれぞれが車両の始動と同時に前記補助バッテリーそれぞれに連結される第１及び第２電装部品に電源を供給する段階をさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、前記第１段階で、前記第１補助バッテリーは、１２Ｖ補助バッテリーであり、前記第２補助バッテリーは、２４Ｖ補助バッテリーであることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、前記第５段階または前記第６段階は、前記第２補助バッテリーを充電するため前記高電圧電源をコンバーティングする段階をさらに含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、前記第８段階遂行後、走行モードを遂行する第９段階をさらに含み、前記走行モードは、前記燃料電池スタックの高電圧が前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階及び前記高電圧が前記駆動モーター及び前記インバータに提供される段階を含む一般走行モードと、前記燃料電池スタックの高電圧が前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階と、前記高電圧が前記駆動モーター及び前記インバータに提供される段階及び、前記スーパーキャパシターの充電電源が前記駆動モーターに提供される段階を含む加速または登板モード及び、前記駆動モーターの回生制動により回生電源が発生する段階と、前記回生電源を前記スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階と、前記回生電源がインバータに提供される段階と、前記スーパーキャパシターの過充電可否を判断する段階及び、前記スーパーキャパシターが過充電された場合、前記スーパーキャパシターに提供される電気エネルギーを消尽させる段階及び、前記スーパーキャパシターが過充電されない場合、回生電源によりスーパーキャパシターを充電する段階とを含む回生制動モードのうちいずれか一つのモードに選択されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、１２Ｖ補助バッテリーと２４Ｖ補助バッテリーを使用することが可能なハイブリッド燃料電池バスのパワーシステム及び制御方法を提供することが可能で、既存の燃料電池車両の１２Ｖ電装部品と、内燃エンジンバスの２４Ｖ電装部品を使用してハイブリッド燃料電池バスシステムの開発に要する時間及び費用を最小にすることができる。
【００２６】
また、本発明によれば、ハイブリッド燃料電池バスでスポケブと燃料電池のハイブリッドシステムの效率的な運用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムを示した構成図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係るハイブリッド燃料電池
バスのパワーシステムは、燃料電池スタック１０を含む。燃料電池ス
タック１０は、バスのＤＣパワーライン１に約９００Ｖ程度の高電圧
電源を提供する。また、燃料電池スタック１０が正常動作して約９０
０Ｖの高電圧電源を確立するためには、先に、水素供給装置、空気ま
たは酸素供給装置、冷却装置などの燃料電池スタック可動と係わる
スタック始動部品２０を駆動する必要がある。
【００２９】
このようなスタック始動部品２０はバスのＤＣパワーライン（１）
に連結され、燃料電池スタック１０の始動後、燃料電池スタック１０
からパワーが供給できるように構成され、燃料電地スタック１０の始動の前には１２Ｖ補助バッテリー５０から電源を供給されて始動する。
【００３０】
本発明の実施形態に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、エネルギー貯蔵装置としてスーパーキャパシター３０を含む。スーパーキャパシター３０は、バスのＤＣパワーライン（１）に電気的に接続されて燃料電池スタック１０で供給されるエネルギーを貯蔵する。スーパーキャパシター３０に貯蔵されるエネルギーは、駆動モーター（４０：ｔｒａｃｔｉｏｎ  ｍｏｔｏｒ）が高負荷運転する場合、例えば、燃料電池バスが加速または登板運行をする場合、駆動モーター４０にアシストパワーソースとして作用してエネルギーを供給する。
【００３１】
スーパーキャパシター３０は、燃料電池スタック１０と並列で連結され、駆動モーター４０にアシストパワーを提供するように充電する必要がある。スーパーキャパシター３０には、燃料電池スタック１０の始動後、９００Ｖの高電圧が確立される状態で充電を行う。
【００３２】
また、スーパーキャパシター３０と燃料電池スタック１０の間には、チョッパ３２（ｃｈｏｐｐｅｒ）と制動抵抗３４（ｂｒａｋｉｎｇ  ｒｅＳｉＳｔａｎｃｅ）が連結されるパワーラインが含まれる。よって、燃料電池スタック１０とモーターコントロールユニット４５との間に連結されるパワーラインと、スーパーキャパシター３０との間にはチョッパ３２、制動抵抗３４が連結されるパワーラインと、チョッパ３２、制動抵抗３４がないパワーラインとがそれぞれ連結され、作動モードによって電源流れ経路を制御する。
【００３３】
チョッパ３２と制動抵抗３４は、燃料電池スタック１０から発生する電源がスーパーキャパシター３０に充電される時に利用されるが、燃料電池スタック１０のエネルギーがスーパーキャパシター３０に急激に流入することを防止し、燃料電池スタック１０のショットダウンまたはスーパーキャパシター３０の損傷を防止する。
【００３４】
本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、駆動原として駆動モーター４０（ｔｒａｃｔｉｏｎ  ｍｏｔｏｒ）を含む。
【００３５】
駆動モーター４０は、燃料電池スタック１０からエネルギーを提供されるか、燃料電池スタック１０及びスーパーキャパシター３０量子からエネルギーを提供されて駆動しながら車両を駆動する。
【００３６】
本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、駆動モーター４０の駆動を制御するモーターコントロールユニット（ｍｏｔｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）であるＭＣＵ４５を含む。
【００３７】
ＭＣＵ４５は，燃料電池スタック１０が始動して正常動作に達する時、すなわち、９００Ｖ高電圧のパワーを提供することができる状態に達する時、燃料電池スタック１０から駆動モーター４０にパワーが入力されるように制御する。
【００３８】
本発明の駆動モーター４０には、ＡＣ電源を用いる３相モーターが使用される。ＭＣＵ４５は、燃料電池スタック１０から提供される９００Ｖの直流電源によってモーター駆動を行うようにＤＣ電源をＡＣ電源にコンバーティングするインバータ（図示せず）を含む。
【００３９】
また、本発明によれば、駆動モーター４０は、車両制動時、回生制動して発電機として作動し電源を発生する。この発生電源をバスのＤＣパワーライン（１）に提供する。
【００４０】
駆動モーター４０の回生制動によって発生する電源、即ち、回生電源は、補機類のインバータ７０、スタック始動部品２０の駆動エネルギー及びスーパーキャパシター３０の貯蔵エネルギーとして提供される。このために、ＭＣＵ４５内部のインバータは、回生制動時、電源変換方向が転換され駆動モーターのＡＣ電源をＤＣ電源に変換してＤＣパワーライン（１）に提供し、回生制動によるエネルギーを９００Ｖ電圧で確立するため複数の部品（図示せず）を含む。このようにＭＣＵ４５は、駆動モーター４０への電源入力及び駆動モーターからの電源出力を制御して駆動モーター４０を制御する。
【００４１】
本発明の実施形態に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、ハイブリッド燃料電池バスに搭載する１２Ｖ電装部品（図示せず）と、２４Ｖ電装部品（図示せず）を駆動するために二つの低電圧補助バッテリーとして、１２Ｖ補助バッテリー５０と、２４Ｖ補助バッテリー６０を備える。
【００４２】
１２Ｖ補助バッテリー５０は、乗用車両に搭載する低電圧バッテリーであり、２４Ｖ補助バッテリーは、内燃エンジンバスに搭載する低電圧バッテリーである。ここで、１２Ｖ電装部品は、既存の燃料電池車両（ハイブリッド燃料電池車両を含む）の部品を含み、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスに制限されるわけではなく、燃料電池をパワーソースで利用する様々な燃料電池車両と共用で使用できる電装部品を意味する。１２Ｖ電装部品を２４Ｖ電装部品と区別するために第１電装部品と称する。
【００４３】
１２Ｖ電装部品は、燃料電池スタック制御機、駆動モーター制御機、車両制御機のような各種の制御機を含む。２４Ｖ電装部品は、内燃エンジンバスの部品を含む。したがって、２４Ｖ電装部品は、ハイブリッド燃料電池バスと内燃エンジンバス何れにも使用可能な電装部品を意味する。複数の２４Ｖ電装部品を１２Ｖ電装部品と区別するために第２電装部品と称する。２４Ｖ電装部品は、ラジエータファン、ラジオ、ヘッドライト、方向指示燈、ドアー開閉電動機構など一般的な常用内燃エンジンバスの電装部品を含む。
【００４４】
本発明によれば、複数のスタック始動部品２０は、１２Ｖ補助バッテリー５０を用いて駆動する。
【００４５】
１２Ｖ補助バッテリー５０は、複数のスタック始動部品の制御機に電源を供給する一方、始動初期モードで、燃料電池スタック１０から９００Ｖ電圧が確立される前、複数のスタック始動部品２０を駆動するパワーソースとして使用される。複数のスタック始動部品２０は、３５０Ｖ電源を駆動電源として使用するようにされる。したがって、複数のスタック始動部品２０と１２Ｖ補助バッテリー５０との間のＤＣパワーラインには、１２Ｖ補助バッテリー５０の電圧をスタック始動部品２０の駆動電圧である３５０Ｖに変換する第１ＤＣ／ＤＣ  コンバータ５５が連結される。
【００４６】
また、燃料電池スタック１０が正常駆動して９００Ｖ電圧が確立された後、スタック始動部品２０が燃料電池スタック１０から電源供給を受けることができるように、スタック始動部品２０と燃料電池スタック１０との間のパワーラインには、９００Ｖ電圧を３５０Ｖに変換する高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２５が設置される。
【００４７】
１２Ｖ補助バッテリー５０は、燃料電池スタック１０始動後、消耗されたエネルギーを燃料電池スタックからＤＣパワーラインにより供給されて充電される。この時、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２５から３５０Ｖに変換された電源が、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５５によって１２Ｖ補助バッテリー電圧に変換され、１２Ｖ補助バッテリー５０の充電が可能になるようにパワーラインが連結される。
【００４８】
第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５５は、両方向にＤＣ／ＤＣコンバーティングが可能になるようにされ、車両始動時、１２Ｖ補助バッテリー電圧を３５０Ｖのスタック始動部品２０駆動電圧に変換し、燃料電池スタック１０の９００Ｖ電圧確立後には、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータに変換された３５０Ｖ電源を１２Ｖ補助バッテリー電源に変換して１２Ｖ補助バッテリー５０に提供する。
【００４９】
本発明の実施形態によれば、２４Ｖ補助バッテリー６０は、パワーラインを介して燃料電池スタック１０に連結され、燃料電池スタック１０の発生電源を利用して２４Ｖ補助バッテリー６０が充電されるようにされる。このために２４Ｖ補助バッテリー６０と燃料電池スタック１０を連結するパワーラインとの間には、９００Ｖ電圧を２４Ｖ補助バッテリー電圧に変換する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６５が設置される。したがって、車両の始動後、２４Ｖ電装部品駆動のためにエネルギーを消耗する２４Ｖ補助バッテリー６０は、燃料電池スタック１０の正常可動後に再び充電される。
【００５０】
本発明の実施形態に係る燃料電池ハイブリッドバスのパワーシステムでは、燃料電池スタック１０の電源が補機類に駆動電源として供給できるようにパワーラインが連結される。このような補機類は、ウォータポンプ７２、パワーステアリングポンプ７４及びエアーコンディショナーコンプレッサ７６のうちいずれか一つを含む。
【００５１】
本発明に係るハイブリッド燃料電池バスは、内燃エンジンバスとこのようなウォータポンプ７２、パワーステアリングポンプ７４及びエアーコンディショナーコンプレッサ７６などの補機類を共用することが可能なようにされ、このために燃料電池スタック１０の電源を変換するインバータ７０を備える。インバータ７０は、燃料電池スタック１０の９００Ｖ高電圧電源を変換制御しながら、ウォータポンプ７２、パワーステアリングポンプ７４及びエアーコンディショナーコンプレッサ７６を駆動する。
【００５２】
図２は、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法を説明する順序図で、図３乃至図６は、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスの始動モードの電源流れを示した図面である。
【００５３】
図２乃至図６に示すように、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法は、第１補助バッテリーの低電圧をスタック始動部品駆動電圧にコンバーティングする第１段階（Ｓ１０）と、スタック始動部品駆動電圧によってスタック始動部品が駆動される第２段階（Ｓ２０）と、スタック始動部品が駆動によって燃料電池スタックが動作する第３段階（Ｓ３０）と、燃料電池スタック可動によって高電圧電源が発生する第４段階（Ｓ４０）と、スタック始動部品への電源供給経路が切換わって高電圧電源がスタック始動部品電圧にコンバーティングされてスタック始動部品に供給される第５段階（Ｓ５０）と、高電圧電源が駆動モーターに提供される第６段階（Ｓ６０）と、スタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる電源が第１補助バッテリー電圧にコンバーティングされる第７段階（Ｓ７０）と、高電圧電源がスーパーキャパシターに充電される第８段階（Ｓ８０）を含む始動モード（Ｓ１）及びハイブリッド走行モードを遂行する第９段階（Ｓ９０）とを含む。
【００５４】
図２及び図３に示すように、車両が始動すれば、車両制御機によってＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータなどの各種制御機がモニタリングされて、これと共に車両の動作が始まる。
【００５５】
先ず、第１段階（Ｓ１０）として、第１補助バッテリーである１２Ｖ補助バッテリーの電圧がスタック始動部品駆動電圧である３５０Ｖに昇圧される。このような昇圧のために第１補助バッテリーである１２Ｖ補助バッテリー５０とスタック始動部品２０との間には第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５５が連結される。また、車両を始動すれば、第１補助バッテリーである１２Ｖ補助バッテリー５０と第２補助バッテリー６０は、それぞれ第１及び第２電装部品に電源を供給するが、第１及び第２電装部品は、それぞれ上述したように、燃料電池車両何れにも使用可能な電装部品と、内燃エンジンバスと共通して使用可能な電装部品である。
【００５６】
また、車両を始動すれば、補助バッテリーの電源によって各種制御機を含む電装部品が駆動される。
【００５７】
一方、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムの制御方法は、スタック始動部品を駆動するパワーソースとして、第１補助バッテリーである１２Ｖ補助バッテリー電源を利用する。以後、第２段階（Ｓ２０）として、スタック始動部品２０、即ち、水素供給装置、酸素または空気供給装置、冷却装置などが駆動される。
【００５８】
図２及び図４に示すように、このようにスタック始動部品を駆動すれば、第３段階（Ｓ３０）として、燃料電池スタック１０が可動する。  そして、第４段階（Ｓ４０）として、燃料電池スタック１０では、約９００Ｖ電圧の高電圧電源が発生し、バスのＤＣパワーラインに高電圧電源を提供する。
【００５９】
燃料電池スタック１０が動作して高電圧電源が発生し、第５段階（Ｓ５０）として、スタック始動部品への電源供給経路が切換わって、１２Ｖ補助バッテリー電圧を３５０Ｖ電圧に昇圧することが中断され、ＤＣパワーラインに提供される９００Ｖ電圧が高電圧ＤＣ／Ｄ  コンバータ２５により３５０Ｖに変圧されてスタック始動部品に供給される。  そして、第６段階（Ｓ６０）として、高電圧電源は、ＤＣパワーライン（１）に連結する駆動モーター４０に供給される。
【００６０】
駆動モーター４０は、モーター制御機ユニットであるＭＣＵ４５の制御によって燃料電池スタック１０の電源を提供される。ＭＣＵ４５は、インバータなどを備えて燃料電池スタック１０が提供するＤＣ電源をＡＣ電源に変換し、車両制御機を介して提供される信号によって車両が駆動されるように駆動モーター４０の動作を制御する。
【００６１】
一方、車両の始動初期、内燃エンジンバスと共通して使用できる電装部品である２４電装部品、即ち、複数の第２電装部品が２４Ｖ補助バッテリー６０電源を用いるので、２４Ｖ補助バッテリー６０の充電が必要である。
【００６２】
第５段階（Ｓ５０）または第６段階（Ｓ６０）で、燃料電池スタック１０に連結されるＤＣパワーラインを介して９００Ｖ電圧電源が提供される第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６５が作動して、９００Ｖ電圧を第２補助バッテリーである２４Ｖ補助バッテリー電圧に変圧して第２補助バッテリーである２４Ｖ補助バッテリー６０を充電する段階（Ｓ５５）が遂行される。
【００６３】
図２及び図５に示すように、第７段階（Ｓ７０）として、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５５が充電モードに転換されながら、燃料電池スタック１０の９００Ｖ高電圧が１２Ｖ補助バッテリー５０の充電電圧に転換され、第１補助バッテリーである１２Ｖ補助バッテリー５０が充電され始める。そして、第８段階（Ｓ８０）は、補機類駆動のために補機類のインバータ７０に燃料電池スタック１０の高電圧電源を提供する段階（Ｓ８５）を含む。
【００６４】
第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５５は、始動初期、１２Ｖ補助バッテリー５０の電圧を３５０Ｖに昇圧してスタック始動部品２０に供給しながら、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して燃料電池スタック１０の電源がスタック始動部品２０に供給し始めると、充電モードに転換して高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の３５０Ｖ出力を１２Ｖ補助バッテリー５０の電圧に変圧して充電し始める。
【００６５】
また、燃料電池スタック１０の高電圧電源がＤＣパワーラインを介して補機類のインバータ７０に供給され、ウォータポンプ７２、パワーステアリングポンプ７４及びエアーコンディショナーコンプレッサ７６などの補機類が可動する。
【００６６】
図２及び図６に示すように、第８段階（Ｓ８０）として、  チョッパ３２と制動抵抗３４を用いてスーパーキャパシター３０が充電される。  上述したようにように、チョッパ３２の使用は、スーパーキャパシター３０に注入される電流の量を調節して燃料電池スタック１０のショットダウン及びスーパーキャパシター３０損傷を防止する。
【００６７】
このような始動モード（Ｓ１）が遂行されると、第９段階（Ｓ９０）として、ハイブリッド燃料電池バスは、ハイブリッド走行モードに進入する（Ｓ９０）。走行モードには、一般走行モードＳ２、登板または加速モードＳ４、回生制動モードＳ６がある。
【００６８】
スーパーキャパシター３０の充電によって、駆動モーター４０は、バスの登板及び加速の時のように高負荷運転が必要な場合、燃料電池スタック１０及びスーパーキャパシター３０から電源を受けることができる。
【００６９】
図７は、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムによる走行モードを示した順序図である。走行モードには、一般走行モードＳ２、登板または加速モードＳ４、回生制動モード（Ｓ６）があり、各モードによる電源流れ経路を有する。
【００７０】
図８乃至図１１は、本発明によるハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムによる走行モードの電源流れを示す図である。
【００７１】
図４７び図８に示すように、一般走行モードＳ２は、燃料電池スタックの高電圧がスタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階（Ｓ９１）と高電圧が駆動モーター及びインバータに提供される段階（Ｓ９２）とを含む。一般走行モードＳ２では、車両駆動エネルギー及び補機類駆動エネルギーを燃料電池スタック１０が提供する。従って、駆動モーター４０、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、補機類インバータ７０に燃料電池スタック１０の電源が提供される。
【００７２】
この時、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５５、６５は、１２Ｖと２４Ｖ補助バッテリーの充電量によって作動が制御され、１２Ｖと２４Ｖ補助バッテリーの充電が必要な場合、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５５、６５が作動して補助バッテリーを充電する。そして、スーパーキャパシター３０の充電が必要な場合、スーパーキャパシター３０の充電を行なう。
【００７３】
図８は、１２Ｖ、１４Ｖ補助バッテリー５０、６０とスーパーキャパシター  ３０との充電が完了する場合のパワー流れを示す。
【００７４】
図７及び図９に示すように、登板または加速走行モードＳ４は、燃料電池スタック１０の高電圧がスタック始動部品駆動電圧にコンバーティングされる段階（Ｓ９３）と、高電圧が駆動モーター４０及びインバータ７０に提供される段階（Ｓ９４）、及び、スーパーキャパシター３０の充電電源が駆動モーター４０に提供される段階（Ｓ９５）とを含む。
【００７５】
加速または登板走行と共に駆動モーター４０が高負荷状態での運転を要する場合、パワーソースとして燃料電池スタック１０及びスーパーキャパシター３０が同時に利用される。加速及び登板走行モードが実質的な意味のハイブリッドモードを意味する。スーパーキャパシター３０に貯蔵されるエネルギーがアシストパワーとして駆動モーター４０に供給される。スーパーキャパシター３０に貯蔵されるエネルギーが駆動モーター４０に供給される際は、チョッパ３２及び制動抵抗３４を経由せずに駆動モーター４０に供給される。加速または登板走行モードＳ４を一般走行モードＳ２と比較すると、スーパーキャパシター３０の電源が駆動モーター４０に供給されることを除いては同一である。
【００７６】
図７、図１０及び図１１に示すように、回生制動モードＳ６は、駆動モーター４０の回生制動によって回生電源が発生する段階（Ｓ９６）と、回生電源をスタック始動部品２０の駆動電圧にコンバーティングする段階（Ｓ９７）と、回生電源がインバータ７０に提供される段階（Ｓ９８）と、スーパーキャパシター３０の過充電可否を判断する段階（Ｓ９９）、及び、スーパーキャパシターが過充電される場合、スーパーキャパシター３０に提供される電気エネルギーを消尽させる段階（Ｓ１００）と、スーパーキャパシター３０が過充電されない場合、回生電源によってスーパーキャパシター３０を充電させる段階（Ｓ１０１）とを含む。
【００７７】
回生走行モードＳ６においては、駆動モーター４０が発電機で作動して回生制動によって回生電源を発生させ、この時のエネルギーは、ＤＣパワーライン（１）を介してスタック始動部品２０、補機類のインバータ７０、及び、スーパーキャパシター３０に供給される。すなわち、回生走行モードにおいては、パワーソースとして駆動モーター４０が利用される。しかし、スーパーキャパシター３０が過充電される場合、スーパーキャパシター３０への電源供給は、スーパーキャパシター３０の寿命短縮などの損傷を発生させる恐れがある。
【００７８】
したがって、スーパーキャパシターの過充電可否を判断して（Ｓ９９）、スーパーキャパシター３０が過充電されない場合、すなわち、充電が要する場合には、スーパーキャパシター３０を充電して（Ｓ１０１）、スーパーキャパシター（Ｓ３０）が過充電される場合、スーパーキャパシター３０に供給されるエネルギーを消尽させる（Ｓ１００）。
【００７９】
スーパーキャパシター３０に充電が可能な場合には、図１０に示すように、駆動モーター４０の回生電源が供給されてスーパーキャパシター３０が充電される。回生電源がスーパーキャパシター３０に充電される場合には、スーパーキャパシター３０が部分的に充電される状態であり、また、急激なエネルギー変化がないので、チョッパ３２及び制動抵抗３４の経由なしに電源が供給される。もし、スーパーキャパシター３０が過充電される場合、図１１に示すように、駆動モーター４０の発生電源がチョッパ４２と制動抵抗４４を経由して消尽される。図１２は、駆動モーター４０から発生する電源が制動抵抗３４を経て消尽され、スーパーキャパシター３０の過充電を防止することを示した図面である。
【００８０】
チョッパ３２は、二つのスイッチングトランジスタを備えてスィッチとして作用する。スーパーキャパシター３０の初期充電時及び回生エネルギー消去時、電流を調節して突然の電流の流れによる事態、例えば、燃料電池スタックのショットダウン、スーパーキャパシターの損傷などが防備できるようにする。このようなエネルギー流れ制御によってスーパーキャパシター３０の過充電が防止される。
【００８１】
このような構成によって、本発明に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムは、１２Ｖ補助バッテリー電圧を利用する燃料電池車両の複数の部品と、内燃エンジンバスに使用される２４Ｖ補助バッテリーを用いる電装部品が使用出来るようになる。
即ち、既存の複数の電装部品と他車両の複数の電装部品を共通に使用することができるようなる。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッド燃料電池バスのパワーシステムを示した構成図である。
【図２】本発明の制御方法で始動モードを説明する順序図である。
【図３】本発明のパワーシステム始動モードの電源流れを示した図面である。
【図４】本発明のパワーシステム始動モードの電源流れを示した図面である。
【図５】本発明のパワーシステム始動モードの電源流れを示した図面である。
【図６】本発明のパワーシステム始動モードの電源流れを示した図面である。
【図７】本発明のパワーシステムによる走行モードを示した図面である。
【図８】本発明のハイブリッド燃料電池バスで、一般走行モードの場合の電源流れを示した図面である。
【図９】本発明のハイブリッド燃料電池バスで、加速または登板モードの場合のパワーシステムの電源流れを示した図面である。
【図１０】本発明のハイブリッド燃料電池バスで、回生制動によりスーパーキャパシターの充電が起こる場合のハイブリッド燃料電池バスパワーシステムの電源流れを示した図面である。
【図１１】本発明のハイブリッド燃料電池バスで、回生制動によりスーパーキャパシターが過充電となる場合のハイブリッド燃料電池バスパワーシステムの電源流れを示した図面である。
【図１２】図１１に示した回生制動モードで、制動抵抗によるエネルギー消尽時の電源流れを詳細に示した図面である。
【符号の説明】
【００８４】
１０    燃料電池スタック
２０    スタック始動部品
２５    高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０    スーパーキャパシター
３２    チョッパ
３４    制動抵抗
４０    駆動モーター
４５    モーターコントロールユニット（ＭＣＵ）
５０    １２Ｖ補助バッテリー
５５    第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０    ２４Ｖ補助バッテリー
６５    第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
７０    インバータ
７２    ウォータポンプ
７４    パワーステアリングポンプ
７６    エアーコンディショナーコンプレッサ
【図１】
2008099535.tif 000003
【図２】
2008099535.tif 000004
【図３】
2008099535.tif 000005
【図４】
2008099535.tif 000006
【図５】
2008099535.tif 000007
【図６】
2008099535.tif 000008
【図７】
2008099535.tif 000009
【図８】
2008099535.tif 000010
【図９】
2008099535.tif 000011
【図１０】
2008099535.tif 000012
【図１１】
2008099535.tif 000013
【図１２】
2008099535.tif 000014