(57)【要約】【課題】モータ駆動システムの体積を小さくして重量を軽くし、さらにシステム内でのエネルギーロスを軽減することができるモータ駆動システムおよびこれを用いた電気自動車を提供することを目的とするものである。【解決手段】駆動用ＡＣモータ１１が組み込まれた動力装置１２と、その動力装置１２にインバータ１３を介して電力を供給する燃料電池１４と、前記燃料電池１４に燃料を供給するガス供給装置１５と、前記ガス供給装置１５の電源電力を供給する電気二重層コンデンサ１６を備え、かつ、前記動力装置１２が前記燃料電池１４の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサ１６から放電される電力で補う手段と、前記燃料電池１４が作動しているときに、必要に応じて前記電気二重層コンデンサ１６に電力を前記燃料電池１４から補う手段とを備えた構成とするものである。【選択図】　図１
2004048872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用ＡＣモータを組み込んでなる動力装置と、その動力装置にインバータを介して電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給するガス供給装置と、前記ガス供給装置の電源電力を供給する電気二重層コンデンサとを備え、かつ、前記動力装置が前記燃料電池の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサからの電力で補うようにする手段と、前記燃料電池が作動しているときに、この燃料電池からの電力を必要に応じて前記電気二重層コンデンサに補うようにする手段を備えたモータ駆動システム。
【請求項２】
電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して一次電池を接続して、前記電気二重層コンデンサの電力を前記一次電池から補うようにする手段を備えた請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池を接続して、前記電気二重層コンデンサの電力を前記二次電池から補うようにする手段を備え、かつ、燃料電池が駆動しているときに、この燃料電池からの電力を必要に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記二次電池に補うようにする手段を備えた請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
電気二重層コンデンサが複数個で構成され、その夫々の電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池を夫々接続して、前記夫々の電気二重層コンデンサの電力を前記二次電池から補うようにする手段を備えた請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
駆動用ＡＣモータがエネルギー回生の機能を有し、前記駆動用モータから発電される電力を電気二重層コンデンサおよび／または二次電池に供給する手段を備えた請求項１または３に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
モータ駆動システムを用いた電気自動車であって、前記モータ駆動システムは、駆動用ＡＣモータを組み込んでなる動力装置と、その動力装置にインバータを介して電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給するガス供給装置と、前記ガス供給装置の電源電力を供給する電気二重層コンデンサとを備え、かつ、前記動力装置が前記燃料電池の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサからの電力で補うようにする手段と、前記燃料電池が作動しているときに、この燃料電池からの電力を必要に応じて前記電気二重層コンデンサに補うためである電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池と、その燃料電池を起動させるガス供給装置とを備えたモータ駆動システムおよびこれを用いた電気自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のモータ駆動システムの構成を図５に示す。同図において、動力装置５２に含まれる駆動用モータ５１を駆動させるには、その動力装置５２にインバータ５３を介して電力を供給する燃料電池５４により駆動することができる。
【０００３】
この燃料電池５４は、燃料改質装置および空気供給装置が組み込まれたガス供給装置５５から燃料ガスが供給されて作動し、このガス供給装置５５はＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介して二次電池５８から電力が供給され作動する構成になっている。
【０００４】
また、前記駆動用モータ５１が前記燃料電池５４の出力を上回る電力が必要なときは、その要求を満たす電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５９を介して前記二次電池５８から供給を受けることができる。
【０００５】
さらに、前記燃料電池５４が作動しているときに、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ５７を介して二次電池５８に電力を前記燃料電池５４から補うような構成を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のモータ駆動システムにおいて、二次電池５８から供給される電力は、二次電池５８の特性上、一定の狭い電圧範囲内の電力が供給されるため、電圧の昇圧もしくは電流を大きくする必要がある。そのためガス供給装置５５に電力を供給するには、二次電池５８の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５６で昇圧もしくは電流を大きくしてから供給しなければならなかった。
【０００７】
また、二次電池５８の電力を直接駆動用モータ５１に供給するにはＤＣ／ＤＣコンバータ５９およびインバータ５３を介して供給しなければならないことから、その構成が複雑になり、体積が大きく、重量も重くなるという課題がある。
【０００８】
また、二次電池５８を充電する電力も電圧範囲が限られているため、燃料電池５４から供給される電力を直接二次電池に対して充電することはできないため、燃料電池５４と二次電池５８との間にＤＣ／ＤＣコンバータ５７を介在させる必要がある。
【０００９】
このような構成のモータ駆動システムは、システム全体の体積が大きくなり、重量が重くなる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６，５７におけるエネルギーロスにより、二次電池５８が有効活用されないという課題があった。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決し、モータ駆動システムの体積を小さくし、かつ、重量を軽くして、さらにシステム内でのエネルギーロスを軽減することができるモータ駆動システムおよびこれを用いた電気自動車を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の請求項１に記載の発明は、駆動用ＡＣモータを組み込んでなる動力装置と、その動力装置にインバータを介して電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給するガス供給装置と、前記ガス供給装置の電源電力を供給する電気二重層コンデンサを備え、かつ、前記動力装置が前記燃料電池の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサから放電される電力で補うようにする手段と、前記燃料電池が作動しているときに、この燃料電池からの電力を必要に応じて前記電気二重層コンデンサに補うようにする手段を備えた構成としたものであり、この構成によれば、二次電池と比較して広い電圧範囲および大電流で充放電できるという電気二重層コンデンサの特性を活用することにより、大電流による電力供給が駆動用ＡＣモータもしくはガス供給装置に電気二重層コンデンサから電力を供給することができ、駆動用ＡＣモータを効率良く駆動させることができる。また、システム内にＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要性がないので、システム全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができ、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるエネルギーロスがないために、システム内でのエネルギーロスを軽減することができるという作用を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して一次電池を接続して、前記電気二重層コンデンサの電力を前記一次電池から補うようにする手段を備えた構成としたものであり、この構成によれば、電気二重層コンデンサの自己放電に伴う電力低下を一次電池で補うことができるという作用を有する。
【００１３】
なお、上記ＤＣ／ＤＣコンバータは電気二重層コンデンサの電力低下を一次電池で補うためのものであるから、その重量および体積は小さいものを利用することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池を接続して、前記電気二重層コンデンサの電力を前記二次電池から補うようにする手段を備え、かつ、燃料電池が駆動しているときに、この燃料電池からの電力を必要に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記二次電池に補うようにする手段を備えた構成としたものであり、この構成によれば、長時間システムが作動しないときに自己放電して電力低下した電気二重層コンデンサに二次電池の電力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して補うことができ、また、燃料電池が作動しているときに、この燃料電池の電力を必要に応じて電気二重層コンデンサおよび二次電池に供給することができるため、ガス供給装置を常時動作することができるという作用を有する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、電気二重層コンデンサが複数個で構成され、その夫々の電気二重層コンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池を夫々接続して、前記夫々の電気二重層コンデンサの電力を前記二次電池から補うようにする手段を備えた構成としたものであり、この構成によれば、夫々の電気二重層コンデンサに二次電池が夫々接続されているので、二次電池からの充電電圧を低くすることができ、その間に全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができるものである。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１または３に記載の発明において、駆動用ＡＣモータがエネルギー回生の機能を有し、前記駆動用ＡＣモータから発電される電力を電気二重層コンデンサおよび／または二次電池に供給する手段を備えた構成にしたものであり、この構成によれば、駆動用ＡＣモータから発電される電力の電圧および電流が変動していても、電気二重層コンデンサにはそのまま充電することができ、また、二次電池には一定の電圧範囲および電流範囲を取り出して充電することができるので、電気二重層コンデンサおよび二次電池の特性を活かして効率のよいシステムの構成が可能になるという作用を有する。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５に記載の発明において、請求項１〜５に記載のモータ駆動システムを用いた電気自動車とするものであり、この構成にすることにより、モータ駆動システムを簡素化し、システム全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができることから、エネルギー効率を高めた電気自動車を得ることができるという作用を有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態）
図１に本発明の実施の形態によるモータ駆動システムの系統図を示す。同図において駆動用ＡＣモータ１１が組み込まれた動力装置１２と、その動力装置１２にインバータ１３を介して電力を供給する燃料電池１４と、前記燃料電池１４に燃料を供給するガス供給装置１５と、前記ガス供給装置１５の電源電力を供給する電気二重層コンデンサ１６を備え、かつ、前記動力装置１２が前記燃料電池１４の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサ１６から放電される電力で補う手段と、前記燃料電池１４が作動しているときに、必要に応じて前記電気二重層コンデンサ１６に電力を前記燃料電池１４から補う手段とを備えた構成としたものである。
【００１９】
なお、駆動用ＡＣモータ１１に駆動車輪を取り付けることにより電気自動車の駆動システムとして用いることができる。
【００２０】
前記システムは、二次電池と比較して広い電圧範囲および大電流で充放電できるという電気二重層コンデンサ１６の特性を活用することにより、ガス供給装置１５もしくは動力装置１２に大電流の電力を直接電気二重層コンデンサ１６から供給することができ、駆動用ＡＣモータ１１を効率良く駆動させることができる。
【００２１】
このことから、システム内にＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要性がなくなり、システム全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができ、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるエネルギーロスがないために、システム内でのエネルギーロスを軽減することができる。
【００２２】
上記電気二重層コンデンサ１６は、厚さ２０〜５０μｍのエッチングされたアルミニウム箔に外部引き出しリード線を取り付け、このアルミニウム箔上に活性炭粉末に所望の結合剤及び導電剤を混合した混合粉末からなるペーストを塗布して導電層を形成し、その上に活性炭を主成分とした活性炭素層の分極性電極を形成した一対の電気二重層電極を、セパレータを介して対面するように巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子に電解液を含浸させた後、アルミニウムケースに挿入し、その開口部をシールした構成を有するものである。
【００２３】
また、上記ガス供給装置１５は都市ガス、メタンを燃料ガスとする場合は燃料改質装置を用いるが、酸素や水素を燃料とする場合は燃料改質装置を用いなくても構わない。
【００２４】
また、燃料電池１４はリン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等があるが、本発明はこれらを限定するものではないが、特に固体高分子型は出力密度が高く、小型化が可能であり、他のタイプの燃料電池に比べて低温で作動することができるので好ましい。
【００２５】
また、前記インバータ１３は燃料電池１４および電気二重層コンデンサ１６の直流電力を交流電力に変換し、動力装置１２の駆動用ＡＣモータ１１に供給するものである。
【００２６】
図２は電気二重層コンデンサ２１に電力を補う手段の一部分を示したものである。同図においてＤＣ／ＤＣコンバータ２３を介して一次電池２４からの電力を電気二重層コンデンサ２１に供給して、電気二重層コンデンサ２１の電力を補うことができるものである。
【００２７】
モータ駆動システムの通常運転の場合、電気二重層コンデンサ２１の電力によりガス供給装置２５が作動し、その燃料ガスである酸素ガスおよび／または水素ガスが燃料電池２６に供給されて、その電力により動力装置の駆動用モータが駆動する。
【００２８】
しかしながら前記システムが長時間駆動しないときは、電気二重層コンデンサ２１が自己放電による電力低下をしてしまう。この状態ではガス供給装置２５を作動させることができなくなるので、電気二重層コンデンサ２１の電力を一次電池２４で補うようにしたものである。
【００２９】
前記構成において、電気二重層コンデンサ２１の電力低下をスイッチング回路２２が判断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を介して一次電池２４から必要な電力を電気二重層コンデンサ２１に供給するシステムの構成としているため、モータ駆動システムが長期間駆動しないときでも、ガス供給装置２５を作動させることができるものである。
【００３０】
また、燃料電池２６が作動しているときに、電気二重層コンデンサ２１に必要に応じて電力を供給するので、モータ駆動システムを長時間放置したとしても充分な電力を電気二重層コンデンサ２１に蓄えることもできる。
【００３１】
なお、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は電気二重層コンデンサ２１の電力低下を一次電池２４で補うためのものであるから、その重量および体積は小さいものを利用することができる。
【００３２】
図３は前記電気二重層コンデンサ３１に電力を補う手段の他の方法を示した系統図である。同図において、電気二重層コンデンサ３１にＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して二次電池３４から電力を供給して、電気二重層コンデンサ３１の電力を補うようにするものであり、さらに、燃料電池３６が作動しているときに、この燃料電池３６の電力を必要に応じて電気二重層コンデンサ３１およびＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して二次電池３４に供給するようにしたものである。
【００３３】
この構成にすることにより、電気二重層コンデンサ３１の自己放電による電力低下をＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して二次電池３４で補うことができ、また、燃料電池３６が作動しているときは、この燃料電池３６の電力を必要に応じて電気二重層コンデンサ３１および二次電池３４に供給することができるため、駆動用ＡＣモータ３８が長期間駆動しないときでも、ガス供給装置３５を作動させることができる。
【００３４】
また、駆動用ＡＣモータ３８にエネルギー回生の機能を持たせることにより、駆動用ＡＣモータ３８の減速時に発電する電力を優先的に電気二重層コンデンサ３１へ供給させ、さらにスイッチング回路３２により二次電池３４にも供給することができる。
【００３５】
前記電気二重層コンデンサ３１は大電流での充電が可能であり、電気二重層コンデンサ３１の電力が充満した後は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して、二次電池３４を充電することができる。
【００３６】
このことにより、電気二重層コンデンサ３１および二次電池３４の夫々の特性を活かして効率の高いシステム構成が可能となるものである。
【００３７】
図４は複数のユニットで構成された電気二重層コンデンサ４１を用いたときのモータ駆動システムの一部分を示した系統図である。同図は、複数のユニットで構成された電気二重層コンデンサ４１と、複数のユニットで構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ４３及び複数のユニットで構成された二次電池４４で構成され、電気二重層コンデンサの夫々にＤＣ／ＤＣコンバータ及び二次電池が夫々接続させたものである。
【００３８】
この構成にすることにより、１個の電気二重層コンデンサを充電させる電圧を低くすることができ、二次電池と電気二重層コンデンサの間の電圧差が小さくなることから、ＤＣ／ＤＣコンバータを簡素化することができ、二次電池の体積も小さくすることができる。
【００３９】
このことにより、モータ駆動システム全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができる。また、複数のユニットで構成された電気二重層コンデンサ４１に対して充電速度などをコントロールすることができる。
【００４０】
以上のようなモータ駆動システムを用いた電気自動車は、従来の燃料電池と二次電池を主電力とした電気自動車に比べて、体積および重量を軽量化でき、電力効率の高い電気自動車を提供することができる。また、二次電池の寿命によるメンテナンスも低減することができることから、低メンテナンスで電力効率の高い電気自動車を提供することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、駆動用ＡＣモータが組み込まれた動力装置と、その動力装置にインバータ装置を介して電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給するガス供給装置と、前記ガス供給装置の電源電力を供給する電気二重層コンデンサを備え、かつ、前記動力装置が前記燃料電池の出力を上回る電力を必要とするとき、その要求を前記電気二重層コンデンサから放電される電力で補う手段と、前記燃料電池が作動しているときに、必要に応じて前記電気二重層コンデンサに電力を前記燃料電池から補う手段とを備えた構成とすることにより、二次電池と比較して広い電圧範囲および大電流で充放電できるという電気二重層コンデンサの特性を活用することにより、大電流による電力供給が駆動用ＡＣモータもしくはガス供給装置に電気二重層コンデンサから電力を供給することができ、駆動用ＡＣモータを効率良く駆動させることができる。
【００４２】
また、システム内にＤＣ／ＤＣコンバータを用いる必要性がないので、システム全体の重量を軽く、かつ、体積を小さくすることができ、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるエネルギーロスがないために、システム内でのエネルギーロスを低減することができるので、電力効率の高い電気自動車を提供することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるモータ駆動システムを示す系統図
【図２】同実施の形態における電気二重層コンデンサに電力を供給する手段の部分を示す系統図
【図３】同実施の形態における電気二重層コンデンサおよび二次電池に電力を供給する手段の部分を示す系統図
【図４】同実施の形態における複数のユニットで構成された電気二重層コンデンサを用いたモータ駆動システムの一部分を示す系統図
【図５】従来のモータ駆動システムを示す系統図
【符号の説明】
１１　駆動用ＡＣモータ
１２　動力装置
１３　インバータ
１４　燃料電池
１５　ガス供給装置
１６　電気二重層コンデンサ
【図１】
2004048872.tif 000003
【図２】
2004048872.tif 000004
【図３】
2004048872.tif 000005
【図４】
2004048872.tif 000006
【図５】
2004048872.tif 000007