ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システム
【課題】コンデンサ素子の過熱を防止する。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄとを含んで構成されている。一方のバスバーＢ１には燃料電池の陽極側と接続される入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には燃料電池の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄとを含んで構成されている。一方のバスバーＢ１には燃料電池の陽極側と接続される入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には燃料電池の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、直流電源からの直流電圧を昇圧してモータに供給する昇圧コンバータが開示されている。このような昇圧コンバータに用いられるコンデンサは、一般に、複数のコンデンサ素子を備え、各コンデンサ素子を並列に配置することで、昇圧動作に必要な容量を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０１４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンデンサに含まれる複数のコンデンサ素子は、例えば図８に示すように配置される。図８に示すコンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄと、を有する。一方のバスバーＢ１には入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐおよび出力側端子Ｎの位置から近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されている。したがって、各コンデンサ素子のそれぞれの配線における抵抗成分は、Ｃａ＜Ｃｂ＜Ｃｃ＜Ｃｄの関係になる。
【０００５】
このように構成されているコンデンサに電流を流した場合には、バスバーのインピーダンスが最小となるコンデンサ素子Ｃａに最も電流が流れやすくなるため、コンデンサ素子Ｃａに電流が集中してしまい、コンデンサ素子Ｃａが過熱するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、コンデンサ素子の過熱を防止することができるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコンデンサであって、コンデンサは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と電力消費装置との間に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むコンデンサを有することを特徴とする。
【０００９】
これらの発明によれば、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することができるため、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【００１０】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、コンデンサ素子ごとに入力側の端子部からコンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの配線部のインピーダンスは、コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に設定されていることとしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるインピーダンスを、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能な範囲内に収めることが可能となる。
【００１２】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記それぞれの配線部の長さを略同等にしてもよい。
【００１３】
このようにすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるインピーダンスを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能となる。
【００１４】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記導電部材は、バスバーであることとしてもよい。
【００１５】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、燃料電池と昇圧回路および共振回路との間で燃料電池と並列に接続され、燃料電池の出力電圧を平滑することとしてもよい。
【００１６】
このようにすることで、コンデンサには、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動周波数の電流の他に、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動周波数よりも高い周波数で発信する共振回路からの共振電流が流れ込むため、共振電流が流れ込んだ際の導電部材のインピーダンスも大きくなり、上記コンデンサ素子の過熱防止効果もより増大する。
【００１７】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、昇圧回路に含まれ、電力消費装置側に出力する電圧を平滑することとしてもよい。
【００１８】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、共振回路に含まれ、燃料電池側に出力する電流の供給源となることとしてもよい。
【００１９】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、昇圧回路に含まれ、電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、共振回路に含まれ、燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることとしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、コンデンサ素子の過熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【図３】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図４】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図５】第１変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図６】第１変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図７】第２変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【図８】従来のコンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。
【００２３】
まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。
【００２４】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（以下「燃料電池用コンバータ」という。）、二次電池としてのバッテリ４、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（以下「バッテリ用コンバータ」という。）、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。燃料電池２および燃料電池用コンバータ３の組と、バッテリ４およびバッテリ用コンバータ５の組は、トラクションインバータ６およびトラクションモータ７に対して並列に接続されている。
【００２５】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００２６】
燃料電池用コンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能を有する。この燃料電池用コンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２７】
燃料電池用コンバータ３は、例えば、燃料電池２の出力電圧である直流電圧を平滑する平滑用コンデンサＣ１と、直流電圧を昇圧するための昇圧回路を構成する昇圧用コイルＬ１、昇圧用コンデンサＣ３および昇圧用スイッチＳ１と、昇圧用スイッチＳ１のゼロ電流スイッチングを実現するための共振回路を構成する共振用コンデンサＣ２、共振用コイルＬ２および共振用スイッチＳ２と、を含んで構成される。平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３が、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに該当する。以下、平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３を総称してＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサという。
【００２８】
昇圧回路を構成する昇圧用コンデンサＣ３は、電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する電圧を平滑する機能を有する。共振回路を構成する共振用コンデンサＣ２は、燃料電池２側に出力する共振電流を供給する供給源としての機能を有する。
【００２９】
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示した図である。図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２（導電部材）と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄとを含んで構成されている。バスバーＢ１、Ｂ２は、端子部と配線部とを有する。一方のバスバーＢ１には燃料電池２の陽極側と接続される入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には燃料電池２の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。
【００３０】
このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。図２を参照して具体的に説明すると、コンデンサ素子Ｃａの配線部の長さは、Ｐ−ａ部分とｂ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｂの配線部の長さは、Ｐ−ｃ部分とｄ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｃの配線部の長さは、Ｐ−ｅ部分とｆ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｄの配線部の長さは、Ｐ−ｇ部分とｈ−Ｎ部分とを合算した長さとなる。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さは略同等となる。
【００３１】
各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスも略同等にすることができる。これにより、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流を均一化することができるため、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【００３２】
図３および図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。図３および図４に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される８個のコンデンサ素子とを含んで構成されている。図２に示す内部構成と対応させて説明する便宜上、以下では、このＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサが、図３および図４に示す４個のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄからなるものとして説明する。図３および図４に示す各コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄは、バスバーＢ１の入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００３３】
なお、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスは略同等にすることが望ましいが、各インピーダンス間に多少のばらつきが存在しても、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に各インピーダンスが収まっていればよい。
【００３４】
図１に示すバッテリ４は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ用コンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ用コンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
【００３５】
制御部８は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ７等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ７の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００３６】
制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電流センサや電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３７】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００３８】
制御部８は、例えば、昇圧用スイッチＳ１や共振用スイッチＳ２のオン／オフを制御することで、ゼロ電流スイッチング制御を行う。以下において、ゼロ電流スイッチング制御について説明する。
【００３９】
ゼロ電流スイッチング制御は、スイッチのオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するためのスイッチング手法である。本実施形態におけるゼロ電流スイッチング制御は、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するものである。以下に、図１を参照してその手順を説明する。
【００４０】
まず、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに切り換える場合に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに徐々に切り換える（手順１）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が減少していくため、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２側に電流が集中することになる。
【００４１】
その後、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに完全に切り換える（手順２）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れていないときに昇圧用スイッチＳ１をオフにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
【００４２】
一方、電流が共振用コンデンサＣ２に流れ込むことによって、共振用コンデンサＣ２には電荷が蓄積されていくことになる。
【００４３】
続いて、共振用コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放出するために、共振用スイッチＳ２をオフからオンに切り換える（手順３）。これにより、共振用コンデンサＣ２からダイオードＤ２および共振用コイルＬ２を介して平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、共振回路から平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。
【００４４】
その後、共振用コンデンサＣ２から全ての電荷が放出され、共振用コンデンサＣ２の電圧が０になると、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２からなる直列回路の両端の電位差が０になり、昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差も０になる。
【００４５】
昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオフからオンに切り換える（手順４）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れないときに昇圧用スイッチＳ１をオンにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
【００４６】
このようなゼロ電流スイッチング制御を実行する場合には、上記手順３を実行したときに、共振用コンデンサＣ２から出力される共振電流が、平滑用コンデンサＣ１に流れ込むことになる。つまり、平滑用コンデンサＣ１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の駆動周波数の電流の他に、駆動周波数よりも数十倍程高い周波数の共振電流が流れ込むことになる。
【００４７】
一般に、バスバーのインピーダンスは、周波数が高くなるほど大きくなるため、平滑用コンデンサＣ１のバスバーＢ１、Ｂ２のインピーダンスは、駆動周波数の電流が流れ込むときよりも、高周波数の共振電流が流れ込むときの方が大きくなる。バスバーのインピーダンスが大きくなるほど、インピーダンスの不均衡によって生じ得るコンデンサ素子の過熱度合いが高まる。言い換えると、本発明をコンデンサに適用した際に得られるコンデンサ素子の過熱防止効果は、バスバーＢ１、Ｂ２のインピーダンスが大きいほど効果が増大する。したがって、本発明を平滑用コンデンサＣ１に適用した場合には、本発明を共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３に適用した場合に比べて、より大きなコンデンサ素子の過熱防止効果を得ることが可能となる。
【００４８】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することができる。これにより、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの構成は、図２〜図４に示す構成には限定されない。各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能な構成であればよい。
【００５０】
例えば、図５および図６に示す構成であってもよい。図５および図６は、上述した実施形態における平滑用コンデンサＣ１と共振用コンデンサＣ２とを一体化したＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。図５および図６に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、３本のバスバーＢ１１、Ｂ１２、Ｂ２と、平滑用コンデンサＣ１を構成する９個のコンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉと、共振用コンデンサＣ２を構成する６個のコンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆと、を含んで構成されている。
【００５１】
バスバーＢ１１、Ｂ１２には、燃料電池２の陽極側と接続される入力側端子Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ設けられている。バスバーＢ２には燃料電池２の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。
【００５２】
平滑用コンデンサＣ１を構成するコンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉは、バスバーＢ１１とバスバーＢ２との間に配置されている。共振用コンデンサＣ２を構成するコンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆは、バスバーＢ１２とバスバーＢ２との間に配置されている。
【００５３】
平滑用コンデンサＣ１を構成する各コンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉは、バスバーＢ１１の入力側端子Ｐ１から近い順に、Ｃ１ａ、Ｃ１ｉ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ、Ｃ１ｈ、Ｃ１ｄ、Ｃ１ｅ、Ｃ１ｇ、Ｃ１ｆの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃ１ｆ、Ｃ１ｇ、Ｃ１ｅ、Ｃ１ｄ、Ｃ１ｈ、Ｃ１ｃ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｉ、Ｃ１ａの順に配置されている。このように構成することで、平滑用コンデンサＣ１に含まれる各コンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉのそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００５４】
共振用コンデンサＣ２を構成する各コンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆは、バスバーＢ１２の入力側端子Ｐ２から近い順に、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃ、Ｃ２ｄ、Ｃ２ｅ、Ｃ２ｆの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃ２ｆ、Ｃ２ｅ、Ｃ２ｄ、Ｃ２ｃ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ａの順に配置されている。このように構成することで、共振用コンデンサＣ２に含まれる各コンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆのそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００５５】
ここで、複数のコンデンサを一体化したＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、上記平滑用コンデンサＣ１と共振用コンデンサＣ２とを一体化したものには限定されない。上述した実施形態における平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３のうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであってもよい。複数のコンデンサを一体化することで、ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化に寄与することが可能となる。
【００５６】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの構成は、例えば、図７に示す構成であってもよい。図７に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄと、各コンデンサ素子を並列に接続する電線部（導電部材）と、を含んで構成されている。このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部における電線部のインピーダンスも略同等にすることができる。これにより、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流を均一化することができ、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、Ｃ１…平滑用コンデンサ、Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｃ３…昇圧用コンデンサ、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄ…コンデンサ素子、Ｂ１、Ｂ２…バスバー、Ｌ１…昇圧用コイル、Ｌ２…共振用コイル、Ｎ…出力側端子、Ｐ…入力側端子、Ｓ１…昇圧用スイッチ、Ｓ２…共振用スイッチ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、直流電源からの直流電圧を昇圧してモータに供給する昇圧コンバータが開示されている。このような昇圧コンバータに用いられるコンデンサは、一般に、複数のコンデンサ素子を備え、各コンデンサ素子を並列に配置することで、昇圧動作に必要な容量を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０１４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンデンサに含まれる複数のコンデンサ素子は、例えば図８に示すように配置される。図８に示すコンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄと、を有する。一方のバスバーＢ１には入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐおよび出力側端子Ｎの位置から近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されている。したがって、各コンデンサ素子のそれぞれの配線における抵抗成分は、Ｃａ＜Ｃｂ＜Ｃｃ＜Ｃｄの関係になる。
【０００５】
このように構成されているコンデンサに電流を流した場合には、バスバーのインピーダンスが最小となるコンデンサ素子Ｃａに最も電流が流れやすくなるため、コンデンサ素子Ｃａに電流が集中してしまい、コンデンサ素子Ｃａが過熱するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、コンデンサ素子の過熱を防止することができるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコンデンサであって、コンデンサは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と電力消費装置との間に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むコンデンサを有することを特徴とする。
【０００９】
これらの発明によれば、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することができるため、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【００１０】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、コンデンサ素子ごとに入力側の端子部からコンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの配線部のインピーダンスは、コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に設定されていることとしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるインピーダンスを、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能な範囲内に収めることが可能となる。
【００１２】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記それぞれの配線部の長さを略同等にしてもよい。
【００１３】
このようにすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるインピーダンスを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能となる。
【００１４】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記導電部材は、バスバーであることとしてもよい。
【００１５】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、燃料電池と昇圧回路および共振回路との間で燃料電池と並列に接続され、燃料電池の出力電圧を平滑することとしてもよい。
【００１６】
このようにすることで、コンデンサには、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動周波数の電流の他に、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動周波数よりも高い周波数で発信する共振回路からの共振電流が流れ込むため、共振電流が流れ込んだ際の導電部材のインピーダンスも大きくなり、上記コンデンサ素子の過熱防止効果もより増大する。
【００１７】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、昇圧回路に含まれ、電力消費装置側に出力する電圧を平滑することとしてもよい。
【００１８】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、共振回路に含まれ、燃料電池側に出力する電流の供給源となることとしてもよい。
【００１９】
上記ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサまたは燃料電池システムにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、コンデンサは、燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、昇圧回路に含まれ、電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、共振回路に含まれ、燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることとしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、コンデンサ素子の過熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【図３】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図４】実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図５】第１変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図６】第１変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。
【図７】第２変形例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【図８】従来のコンデンサの内部構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサおよび燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。
【００２３】
まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。
【００２４】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（以下「燃料電池用コンバータ」という。）、二次電池としてのバッテリ４、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（以下「バッテリ用コンバータ」という。）、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。燃料電池２および燃料電池用コンバータ３の組と、バッテリ４およびバッテリ用コンバータ５の組は、トラクションインバータ６およびトラクションモータ７に対して並列に接続されている。
【００２５】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００２６】
燃料電池用コンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能を有する。この燃料電池用コンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２７】
燃料電池用コンバータ３は、例えば、燃料電池２の出力電圧である直流電圧を平滑する平滑用コンデンサＣ１と、直流電圧を昇圧するための昇圧回路を構成する昇圧用コイルＬ１、昇圧用コンデンサＣ３および昇圧用スイッチＳ１と、昇圧用スイッチＳ１のゼロ電流スイッチングを実現するための共振回路を構成する共振用コンデンサＣ２、共振用コイルＬ２および共振用スイッチＳ２と、を含んで構成される。平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３が、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに該当する。以下、平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３を総称してＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサという。
【００２８】
昇圧回路を構成する昇圧用コンデンサＣ３は、電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する電圧を平滑する機能を有する。共振回路を構成する共振用コンデンサＣ２は、燃料電池２側に出力する共振電流を供給する供給源としての機能を有する。
【００２９】
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの内部構成を模式的に示した図である。図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２（導電部材）と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄとを含んで構成されている。バスバーＢ１、Ｂ２は、端子部と配線部とを有する。一方のバスバーＢ１には燃料電池２の陽極側と接続される入力側端子Ｐが設けられ、他方のバスバーＢ２には燃料電池２の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。各コンデンサ素子は、入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。
【００３０】
このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。図２を参照して具体的に説明すると、コンデンサ素子Ｃａの配線部の長さは、Ｐ−ａ部分とｂ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｂの配線部の長さは、Ｐ−ｃ部分とｄ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｃの配線部の長さは、Ｐ−ｅ部分とｆ−Ｎ部分とを合算した長さとなり、コンデンサ素子Ｃｄの配線部の長さは、Ｐ−ｇ部分とｈ−Ｎ部分とを合算した長さとなる。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さは略同等となる。
【００３１】
各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることで、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスも略同等にすることができる。これにより、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流を均一化することができるため、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【００３２】
図３および図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。図３および図４に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、一対のバスバーＢ１、Ｂ２と、バスバーＢ１、Ｂ２間に並列に接続される８個のコンデンサ素子とを含んで構成されている。図２に示す内部構成と対応させて説明する便宜上、以下では、このＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサが、図３および図４に示す４個のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄからなるものとして説明する。図３および図４に示す各コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄは、バスバーＢ１の入力側端子Ｐから近い順に、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｂ、Ｃａの順に配置されている。このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００３３】
なお、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスは略同等にすることが望ましいが、各インピーダンス間に多少のばらつきが存在しても、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に各インピーダンスが収まっていればよい。
【００３４】
図１に示すバッテリ４は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ用コンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ用コンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
【００３５】
制御部８は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ７等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ７の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００３６】
制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電流センサや電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３７】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００３８】
制御部８は、例えば、昇圧用スイッチＳ１や共振用スイッチＳ２のオン／オフを制御することで、ゼロ電流スイッチング制御を行う。以下において、ゼロ電流スイッチング制御について説明する。
【００３９】
ゼロ電流スイッチング制御は、スイッチのオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するためのスイッチング手法である。本実施形態におけるゼロ電流スイッチング制御は、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するものである。以下に、図１を参照してその手順を説明する。
【００４０】
まず、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに切り換える場合に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに徐々に切り換える（手順１）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が減少していくため、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２側に電流が集中することになる。
【００４１】
その後、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに完全に切り換える（手順２）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れていないときに昇圧用スイッチＳ１をオフにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
【００４２】
一方、電流が共振用コンデンサＣ２に流れ込むことによって、共振用コンデンサＣ２には電荷が蓄積されていくことになる。
【００４３】
続いて、共振用コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放出するために、共振用スイッチＳ２をオフからオンに切り換える（手順３）。これにより、共振用コンデンサＣ２からダイオードＤ２および共振用コイルＬ２を介して平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、共振回路から平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。
【００４４】
その後、共振用コンデンサＣ２から全ての電荷が放出され、共振用コンデンサＣ２の電圧が０になると、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２からなる直列回路の両端の電位差が０になり、昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差も０になる。
【００４５】
昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオフからオンに切り換える（手順４）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れないときに昇圧用スイッチＳ１をオンにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
【００４６】
このようなゼロ電流スイッチング制御を実行する場合には、上記手順３を実行したときに、共振用コンデンサＣ２から出力される共振電流が、平滑用コンデンサＣ１に流れ込むことになる。つまり、平滑用コンデンサＣ１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の駆動周波数の電流の他に、駆動周波数よりも数十倍程高い周波数の共振電流が流れ込むことになる。
【００４７】
一般に、バスバーのインピーダンスは、周波数が高くなるほど大きくなるため、平滑用コンデンサＣ１のバスバーＢ１、Ｂ２のインピーダンスは、駆動周波数の電流が流れ込むときよりも、高周波数の共振電流が流れ込むときの方が大きくなる。バスバーのインピーダンスが大きくなるほど、インピーダンスの不均衡によって生じ得るコンデンサ素子の過熱度合いが高まる。言い換えると、本発明をコンデンサに適用した際に得られるコンデンサ素子の過熱防止効果は、バスバーＢ１、Ｂ２のインピーダンスが大きいほど効果が増大する。したがって、本発明を平滑用コンデンサＣ１に適用した場合には、本発明を共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３に適用した場合に比べて、より大きなコンデンサ素子の過熱防止効果を得ることが可能となる。
【００４８】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれの配線部におけるバスバーのインピーダンスを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することができる。これにより、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの構成は、図２〜図４に示す構成には限定されない。各コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化することが可能な構成であればよい。
【００５０】
例えば、図５および図６に示す構成であってもよい。図５および図６は、上述した実施形態における平滑用コンデンサＣ１と共振用コンデンサＣ２とを一体化したＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの外部構成を例示する斜視図である。図５および図６に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、３本のバスバーＢ１１、Ｂ１２、Ｂ２と、平滑用コンデンサＣ１を構成する９個のコンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉと、共振用コンデンサＣ２を構成する６個のコンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆと、を含んで構成されている。
【００５１】
バスバーＢ１１、Ｂ１２には、燃料電池２の陽極側と接続される入力側端子Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ設けられている。バスバーＢ２には燃料電池２の陰極側と接続される出力側端子Ｎが設けられている。
【００５２】
平滑用コンデンサＣ１を構成するコンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉは、バスバーＢ１１とバスバーＢ２との間に配置されている。共振用コンデンサＣ２を構成するコンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆは、バスバーＢ１２とバスバーＢ２との間に配置されている。
【００５３】
平滑用コンデンサＣ１を構成する各コンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉは、バスバーＢ１１の入力側端子Ｐ１から近い順に、Ｃ１ａ、Ｃ１ｉ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃ、Ｃ１ｈ、Ｃ１ｄ、Ｃ１ｅ、Ｃ１ｇ、Ｃ１ｆの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃ１ｆ、Ｃ１ｇ、Ｃ１ｅ、Ｃ１ｄ、Ｃ１ｈ、Ｃ１ｃ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｉ、Ｃ１ａの順に配置されている。このように構成することで、平滑用コンデンサＣ１に含まれる各コンデンサ素子Ｃ１ａ〜Ｃ１ｉのそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００５４】
共振用コンデンサＣ２を構成する各コンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆは、バスバーＢ１２の入力側端子Ｐ２から近い順に、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃ、Ｃ２ｄ、Ｃ２ｅ、Ｃ２ｆの順に配置されているとともに、バスバーＢ２の出力側端子Ｎから近い順に、Ｃ２ｆ、Ｃ２ｅ、Ｃ２ｄ、Ｃ２ｃ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ａの順に配置されている。このように構成することで、共振用コンデンサＣ２に含まれる各コンデンサ素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆのそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができる。
【００５５】
ここで、複数のコンデンサを一体化したＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、上記平滑用コンデンサＣ１と共振用コンデンサＣ２とを一体化したものには限定されない。上述した実施形態における平滑用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２および昇圧用コンデンサＣ３のうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであってもよい。複数のコンデンサを一体化することで、ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化に寄与することが可能となる。
【００５６】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサの構成は、例えば、図７に示す構成であってもよい。図７に示すＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサは、複数のコンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄと、各コンデンサ素子を並列に接続する電線部（導電部材）と、を含んで構成されている。このように構成することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサに含まれる各コンデンサ素子のそれぞれの配線部の長さを略同等にすることができるため、各コンデンサ素子のそれぞれの配線部における電線部のインピーダンスも略同等にすることができる。これにより、コンデンサ素子Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄのそれぞれに流れる電流を均一化することができ、一部のコンデンサ素子に電流が集中することで生じ得るコンデンサ素子の過熱を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、Ｃ１…平滑用コンデンサ、Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｃ３…昇圧用コンデンサ、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄ…コンデンサ素子、Ｂ１、Ｂ２…バスバー、Ｌ１…昇圧用コイル、Ｌ２…共振用コイル、Ｎ…出力側端子、Ｐ…入力側端子、Ｓ１…昇圧用スイッチ、Ｓ２…共振用スイッチ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコンデンサであって、
前記コンデンサは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項２】
前記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、前記コンデンサ素子ごとに入力側の端子部から前記コンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの前記配線部のインピーダンスは、前記コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項３】
それぞれの前記配線部の長さが略同等であることを特徴とする請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項４】
前記導電部材は、バスバーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池と前記昇圧回路および前記共振回路との間で前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項６】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項８】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、
前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むコンデンサを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、前記コンデンサ素子ごとに、入力側の端子部から前記コンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの前記配線部のインピーダンスが、前記電流を均一化するために設けられた所定の範囲内にあることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
それぞれの前記配線部の長さが略同等であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記導線部材は、バスバーであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池と前記昇圧回路および前記共振回路との間で前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
直流電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるコンデンサであって、
前記コンデンサは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項２】
前記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、前記コンデンサ素子ごとに入力側の端子部から前記コンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの前記配線部のインピーダンスは、前記コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流が均一化されていると判定可能な所定の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項３】
それぞれの前記配線部の長さが略同等であることを特徴とする請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項４】
前記導電部材は、バスバーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池と前記昇圧回路および前記共振回路との間で前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項６】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項８】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を昇圧させ、電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用コンデンサ。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、
前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のコンデンサ素子および当該コンデンサ素子のそれぞれに流れる電流を均一化する導電部材を含むコンデンサを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記導電部材は、入力側の端子部と、出力側の端子部と、前記コンデンサ素子ごとに、入力側の端子部から前記コンデンサ素子を介して出力側の端子部までをそれぞれ接続する配線部と、を有し、それぞれの前記配線部のインピーダンスが、前記電流を均一化するために設けられた所定の範囲内にあることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
それぞれの前記配線部の長さが略同等であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記導線部材は、バスバーであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池と前記昇圧回路および前記共振回路との間で前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧回路および共振回路をさらに備え、
前記コンデンサは、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサ、前記昇圧回路に含まれ、前記電力消費装置側に出力する電圧を平滑するコンデンサ、前記共振回路に含まれ、前記燃料電池側に出力する電流の供給源となるコンデンサのうちの少なくとも二種類以上のコンデンサを一体化したものであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５０２１０（Ｐ２０１１−５０２１０Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９８３９２（Ｐ２００９−１９８３９２）
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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