JP2004075050A

JP2004075050A - 電気自動車の冷却システム

Info

Publication number: JP2004075050A
Application number: JP2003204220A
Authority: JP
Inventors: Masanori Takeso; 武曽　當範; Keiji Oda; 小田　圭二; Osamu Koizumi; 小泉　　修; Hiroshi Hamano; 濱野　　宏
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP3914901B2

Abstract

【目的】本発明の目的は季節に関係なく安定した冷却が可能な電気自動車の冷却システムを提供するにある。
【構成】電気自動車用冷却システムであって、パイプを介して強制循環され、かつ強制冷却される不凍液で熱源を冷却することを特徴とした電気自動車用冷却システム。
【効果】本発明によれば、冷却媒体を不凍液としコントローラ及び電動機に強制循環しているので、季節に関係なく安定した冷却が可能な電気自動車の冷却システムが得られる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気自動車の冷却システム特に液体冷媒を循環させて発熱部を冷却するに好適な電気自動車の冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電気自動車の冷暖房は特開昭４７−３１３１７　号公報などで知られているように空冷方式が主流である。また、従来電動機部の冷却に関しては、特開昭４８−６０２０７号公報のように固定子外周に冷媒を通す管を設けたものや、実開平１−
１３１２５６号公報の様に固定子外周のフレームに螺旋状の流路を設ける方法などが知られている。
【０００３】
しかしながら車両の走行特性の向上要求から電動機は高出力大型化の傾向にあると共に、使用環境の拡大に伴って、電動機及びコントローラより発生する熱量の増大が顕著である。
【０００４】
又、電気自動車の電源はバッテリーが主体で、この開発も近年活発になって来ているが、特に、バッテリー特性は低温時に急激に低下するため、バッテリーの保温が必要となってきている。
【０００５】
更には、冬期間の室内の暖房についてもガソリン車と異なって熱源が余りないため、バッテリーの電力を熱線ヒータとして利用することが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、電動機あるいはコントローラは空冷冷却であるため、外気に影響されやすく安定した冷却あるいは暖房が望めない。
【０００７】
本発明の目的は季節に関係なく安定した冷却が可能な電気自動車の冷却システムを提供するにある。
【０００８】
本発明の他の目的は電動機あるいはコントローラより発生する熱量の有効利用により車室内暖房の補助及びバッテリー保温によるバッテリー特性の低減抑制ができる電気自動車の冷却システムを提供するにある。
【０００９】
本発明のさらなる目的は電動機あるいはコントローラの冷却を効果的に行える構造を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的の一つは、冷却媒体に不凍液を用い、これをパイプを介して熱源周囲を強制循環することにより達成される。
【００１１】
本発明の目的の一つは、電動機あるいはコントローラの発生熱をバッテリーを介して循環させると共に、バルブで切り替えられるヒータ加熱通路を並設することにより達成される。
【００１２】
本発明の目的の一つは、電動機あるいはコントローラの発熱部に近接して冷却パイプを設けることにより達成される。
【００１３】
【作用】
冷却パイプを流れる冷媒である不凍液は、コントローラ及び電動機の周囲を流れコントローラ及び電動機の発生する熱を熱交換して冷却する。加熱された不凍液は、ラジエータにより強制冷却されてポンプにより強制循環される再び冷却に供される。
【００１４】
ファンモータはラジエータの冷却のために作動し、外気温度の高い時で電気式ポンプと共に稼働し効果的に冷却する。
【００１５】
【実施例】
本発明の一実施例を以下図面に基づき説明する。
【００１６】
図１は電気自動車用コントローラ及び電動機の冷却システムを示すもので、電動機の出力を制御するコントローラ１と、車輪を駆動する電動機２と、冷却媒体冷却用ラジエータ３と、電動式ポンプ４とをそれぞれ冷却パイプ５で連結している。
【００１７】
該冷却パイプ５には冷媒である不凍液が封入され、前記ラジエータ３の側面には冷媒を強制冷却するためのラジエータファンモータ６が取付けられている。
【００１８】
上記構成においてコントローラ１と電動機２から発生する熱量はほぼ同程度であるがコントローラ１を構成しているトランジスター，コンデンサー等の電子部品の発熱が１５０度以上と非常に高く、耐熱性の低い電子部品としては温度環境が非常に厳しい。従って、システムの冷却順序としてはコントローラ１を優先し、次に耐熱性の高い電動機を冷却するように配置し、熱的バランスを良くして効果的に冷却するように構成している。
【００１９】
最大冷却を必要とするときは、夏で通常車両メーカの環境試験スペックによれば、外気温度が４０度以上と高い時で電動機がフルパワーの時に十分冷却できるようにラジエータ３の能力，ラジエータファンモータ６の風量及び電気式ポンプ４の循環流量を設定しておく必要がある。しかしながら外気温度が常温付近に低下して、それほどコントローラ１，電動機２を冷却しなくても良い場合がある。この場合の実施例を図２で説明する。
【００２０】
基本的冷却回路は図１の実施例と同様であるが、電動機２とラジエータ３を結んだ冷却パイプ５の中間接続点ａ，ｂ間に並列にバッテリー７の容器を接続し、前記冷却パイプ５の接続点ｂ点と前記ポンプ４間にバルブＶ_３　を介してヒータ８を接続している。更に前記接続点ａ点とポンプ４間もバルブＶ_１　を介してパイプ接続されている。なおＶ_２　は中間接続点ａ，ｂ間に設けられたバルブである。
【００２１】
図２の機能を下表１を参照し説明する。
【００２２】
【表１】

【００２３】
外気温度変化（夏〜冬）に対する水路は、夏場で外気温度が４０度以上と高い場合は▲１▼バッテリーＢの保温も必要なくコントローラ１と電動機２がラジエータ３でフル冷却される様にバルブＶ_２　が開放される。ここで、冷却パイプ５はバッテリーケースの冷却通路７１と接続され循環路を形成するが通路抵抗が大きいのでバルブＶ_２　を介した短絡回路で冷媒は流れ、バルブＶ_１とバルブＶ_３は閉栓される。常温以下と比較的涼しくとも、状況に応じて強制冷却する場合▲２▼では、バルブの開閉▲１▼と同様でコントローラ１の入り口の水温センサＴ_１　の値を検出し、その値が４５度付近、即ち電子部品の耐熱を補償できる範囲で、強制冷却が不要となるためバルブＶ_２　を開放してラジエータファンモータ６のファンをＯＦＦするようにしてある。
【００２４】
更に、冬場で外気温度が５度程度まで下がった場合▲３▼ではバルブＶ_１を開にしてラジエータ３をショートサーキットとして冷媒をポンプ４に戻す。
【００２５】
この時ラジエータファンモータ６は、基本的にはＯＦＦとなる。但し、入り口水温センサＴ_１が６５度以上になればバルブＶ_１が閉となり冷媒はラジエータ３に循環される。この時ファンモータ６はＯＮとなる。更に外気温が下がった時点▲４▼ではバルブＶ_２を閉じバルブＶ_３を開いて電動機２からの温水をヒータ８に流しポンプ４に循環させる。この場合も水温センサＴ_１　が６５度以上になったらバルブＶ_２　を開いて一部の冷媒をラジエータ３に循環し水温を下げてポンプ４へ戻す。この時も図５に示すようにＴ_１　≧６５度の時にはラジエータファンモータ６を
ＯＮする。
【００２６】
更に外気温度が下がって▲５▼ではバルブＶ_１　を開，バルブＶ_２　を閉，バルブＶ_３　を開にして電動機２からの温水をバッテリーケースの冷却通路７１に通して循環し、規定温度まで上昇した時点でバルブＶ_１　を閉にしてラジエータ３に冷媒を循環させる。これを繰り返すことにより省エネルギーで効率的に冷，暖房される。上記パターン▲３▼▲４▼▲５▼の外気温度に対する順序はバッテリー，ヒータとの容量により順序は異なる。
【００２７】
図３は表１を水路主体にフローで示したもので、その流れ方を▲１▼〜▲５▼で示してある。
【００２８】
図４には外気温センサ値（Ｔ_ａ）の変化時のラジエータファンモータ６のＯＮ，ＯＦＦ制御及び電気式ポンプ４の流量制御及びコントローラ入り口水温センサ値（Ｔ_１）の状態を示しているが、循環流量Ｇ_Ｗ　は、例えば最大３０リットル／ｍｉｎとし低外気温時にその流量を５リットル／ｍｉｎ　程度に低減させることを示している。
【００２９】
図５はこれら冷却システムの制御フローを示したものでここで示す値は一例でシステムの大小により多少異なる。
【００３０】
始動スイッチがＯＦＦの状態ではタイマークリアし、ラジエータファンモータ６をＯＦＦし、ポンプ４をＯＦＦにする。
【００３１】
始動スイッチがＯＮの状態ではタイマーカウントアップし、外気温センサ値
（Ｔ_ａ　）が所定の外気温度値２０度付近より大きいとき、ポンプ４をＯＮにし、最大である所定値３０リットル／ｍｉｎ　の流量を循環させ、又同時にラジエータファンモータ６をＯＮし、水温センサ値（Ｔ_１）を下げる。（▲１▼のパターン）
【００３２】
外気温センサ値（Ｔ_ａ　）が所定の外気温度値５度より大きいとき、ポンプ４をＯＮにし最大である所定値３０リットル／ｍｉｎ　の流量を循環させ、水温センサ値（Ｔ_１）が所定値４５度より大きいとき、ラジエータファンモータ６をＯＮし水温センサ値（Ｔ_１）を下げる。その後前記水温センサ値が所定値４５度より小さくなったときにはラジエータファンモータ６をＯＦＦにし消費電力の消費を抑える。（▲２▼のパターン）
【００３３】
又、外気温センサ値（Ｔ_ａ　）が所定の外気温度値５度より小さいとき、ポンプ４をＯＮにし循環流量を最小の所定値５リットル／ｍｉｎにし、水温センサ値（Ｔ_１）が所定の値６５度より大きいときには、ラジエータファンモータ６をＯＮし水温センサ値（Ｔ_１）を下げる。その後前記水温センサ値（Ｔ_１）が所定値６５度より小さくなったらラジエータファンモータ６をＯＦＦにし水温センサ値を上げ温度の高い冷却水を他の回路に利用して熱利用を図る。（▲３▼▲４▼▲５▼のパターン）
【００３４】
上記何れのパターンの場合にも所定の値にはいくらかのデファレンシャルを設けラジエータファンモータ６のＯＮ−ＯＦＦ切り換え頻度を低減させている。これは循環流量の場合も同様である。
【００３５】
本発明の冷却システムによれば水冷式は空冷式に比較してスペースが小さく　（５％），重量低減（１０％），メンテナンス良好（エアクリーナ目詰り），廃熱利用大，レイアウト性が良好等トータル的に非常にすぐれている。又ラジエータファンモータ，電気式ポンプの省エネ及びヒータ補助機能，バッテリー性能向上等の廃熱利用効果大である。
【００３６】
図６，図７，図８にコントローラ１の主要部品であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ）１０を、ＩＧＢＴ取付板１１（Ｕ相），ＩＧＢＴ取付板１２（Ｖ相），ＩＧＢＴ取付板１３（Ｗ相）にそれぞれ複数個取付ネジ１４で取付けた状態を示す。このＩＧＢＴは冷却板１５を図６に示す様に接合ネジ１６で取付け、前記ＩＧＢＴ取付板１１，１２，１３が冷却板１５に密着するようにしてある。そして冷却板１５には冷却パイプ１７が接合されて前記冷却板を冷却する。図９は、ＩＧＢＴ取付板１１，１２，１３と冷却板１５の取付け状態を示したもので冷却板１５に接合ネジ１６で取付けられる。また、ＩＧＢＴ取付板に取付けられているＩＧＢＴ１０は取付ネジ１４で締付けられており、その下部の冷却板には取付ネジ１４の逃げ穴が複数個設けられている。
【００３７】
尚、ＩＧＢＴ１０を冷却板１５にダイレクトに取付ネジ１４で締付ければ、一段と冷却性を向上させることができる。
【００３８】
又、冷却パイプ１７は取付ネジ１６のネジに干渉しない様に配置されている。図１０は冷却板１５に接合されている冷却パイプ１７の形状及び配列を示したもので、パイプは図１０（ｂ）Ａ−Ａ断面の様に楕円に成形され、その長円が冷却板１５に接合して接触面積を拡大している。又、冷却パイプ１７の配列は取付ネジ１４の干渉をさけながら蛇行してそのパイプ長を大きくし冷却パイプとの接触面積を拡大せしめている。
【００３９】
図１１は冷却パイプ１７の圧損を低減させるために冷却パイプ１７ａ，１７ｂに２パス化して、各パイプを平行して配列させたもので、これにより冷却板全面が冷却パイプにより冷却される事になる。冷却パイプ１７ａ，１７ｂはディストリビュータ１８により接合して、入口パイプ１９ａ，出口パイプ１９ｂに接続される。
【００４０】
図１２，図１３，図１４は、さらに圧力損失を低減させるとともに冷却伝熱面積を拡大するために多数のパスを有する冷却チューブ１９（例えば押出し成形）にＩＧＢＴ１０の取付ネジ穴２０を設けるとともに冷却チューブ１９の両端に入口側ヘッダ２１，出口側ヘッダ２２を設け、各ヘッダには入口パイプ２３，出口パイプ２４が接続される。これにより、冷却伝熱面積が冷却パイプに比較して４倍に増大するとともに圧力損失が１／５に低減でき、大幅な性能向上がはかれる。又、冷却チューブそのものがかなりの強体となり、その他の部品を取付けるベースにもなりうる。
【００４１】
冷却チューブ１９は図１４の様に断面矩形で複数の通路２５を有している。
【００４２】
図１５は出口パイプ２４と出口ヘッダ２２の接合部にスペーサ２６で、気密，耐圧を維持できる構造を示したものである。
【００４３】
図１６はスペーサ２６を省いて出口パイプ２４を拡管により出口ヘッダ２２と接合した状態を示したものである。
【００４４】
図１７以降は電動機の冷却を示す。図１７，図１８において、誘導電動機は交流電力を受け回転磁界を発生する固定子３１，回転磁界により回転させられる回転子３２，回転子を支持する軸３３，軸を支持する軸受け３４，軸受けを支持するブラケット３５から構成される。前記固定子外周には別途製作され、冷媒用通路を形成した外輪３６が取付けられている。
【００４５】
前記外輪３６は板状の引き抜き加工材を固定子外周寸法に合わせて丸めたもので冷媒通路を環状に形成している。
【００４６】
前記外輪３６の固定子３１への取付けは圧入とする。これにより外輪３６と固定子３１は密着させることができ、熱伝導性が良くなり冷却効果が向上する。また、外輪の材質はアルミや銅などの固定子に使われる電磁鋼板より軟らかい材質のものを使用することが効果的である。これは、外輪を固定子へ圧入する際の圧入力により外輪が歪み固定子への密着度を高める効果がある。さらに、図１９のように固定子３１の外周に細かな凹凸を形成し外輪３６を圧入することにより固定子外周を外輪に食い込ませることでさらに密着度を上昇させることができ、かつ、接触面積を大きくすることが可能となる。
【００４７】
図２０に示すように外輪３６に軸方向の分割面を設け、この分割面の幅をネジなどの機構３６ｃにより変化可能な構造とすることにより、外輪３６の固定子接触面の寸法をラフに設定することができる上、簡単な構造で密着性を向上させることが可能となる。
【００４８】
図２１に外輪３６の一実施例を示す。本図の外輪へ形成される通路は１つの入り口３６ａから分配部３６ｄを通り平行に形成される通路３６ｂへ分配され、出口前の集合部で１つにまとめられる構造となっている。これにより、冷媒の通路抵抗を低くすることができ、冷媒と通路の接触面積を大きく取ることができるため効率よく冷却することが可能となる。
【００４９】
冷媒の通路抵抗をあまり考慮しなくても良い場合には、固定子の外周へ直接螺旋状もしくはジグザグに通路管を巻き付ける方法が考えられる。この場合の通路管は、楕円または四角形が有効であろう。管を固定子へ取付けた場合にはどうしても隙間を生じるため、この隙間には熱伝導の良い樹脂３６ｅなどを充填する必要がある。また、管をあらかじめ螺旋状，ジグザグ状に整形し、管の固定子との接触面の内径を固定子外周より小さくしておけば組立後の密着性が良くなり良好な冷却性能が得られる。
【００５０】
以上、本発明を上記実施例により説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変形が可能であり、それらが本発明の範囲に含まれることは容易に推測されるところである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却媒体を不凍液としコントローラ及び電動機に強制循環しているので、季節に関係なく安定した冷却が可能な電気自動車の冷却システムが得られる。
【００５２】
又、電動機あるいはコントローラより発生する熱量の有効利用により車室内暖房の補助及びバッテリー保温によるバッテリー特性の低減抑制ができる効果がある。
【００５３】
更には、構造を簡単にして効果的に電動機あるいはコントローラを冷却できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における水冷システムの概略図。
【図２】本発明の他の実施例における水冷システムの概略図。
【図３】本発明の実施例における冷却水路のフロー図。
【図４】本発明に用いられるコントローラ入り口センサ（Ｔ_１）の温度状態図。
【図５】本発明の実施例における制御フロー図。
【図６】同コントローラの平面図。
【図７】図６の側面図。
【図８】図６の下面図。
【図９】本発明の実施例における冷却パイプの配置図及び断面図。
【図１０】本発明の他の実施例における冷却パイプの配置図及び断面図。
【図１１】本発明の更に他の実施例における冷却パイプの配置図。
【図１２】本発明の更に他の実施例における冷却パイプの配置図。
【図１３】図１２の右側面図。
【図１４】図１２の一部断面図。
【図１５】図１２の要部拡大断面図。
【図１６】図１２の他の実施例における要部拡大断面図。
【図１７】本発明に用いられる電動機の側面図。
【図１８】図１７の半縦断面図。
【図１９】図１７の固定子部分の側面図。
【図２０】図１７の固定子部品の側面図。
【図２１】図１７の他の実施例における固定子部品の正面図及び側面図。
【符号の説明】
１…コントローラ、２…電動機、３…ラジエータ、４…電気式ポンプ、６…
ラジエータファンモータ、８…ヒータ、７…バッテリー、Ｖ_１　，Ｖ_２　，Ｖ_３　…開閉バルブ、（Ｔ_１）…コントローラ入り口水温センサ、（Ｔ_ａ）…外気温センサ。

Claims

電気自動車用冷却システムであって、パイプを介して強制循環され、かつ強制冷却される不凍液で熱源を冷却することを特徴とした電気自動車用冷却システム。
不凍液は駆動力を発生する電動機及びこれを制御するコントローラより発生する熱を冷却するとともに、ポンプで循環され、ラジエータ及びラジエータファンモータで冷却されることを特徴とした請求項１記載の電気自動車用冷却システム。
前記発生熱はバッテリーを介して循環されると共に、ヒータ加熱通路を備え任意にバルブで切り替えられる様に構成されていることを特徴とした請求項２記載の電気自動車の冷却システム。
電気自動車用冷却システムであって、車両用駆動電動機と、該電動機を制御するコントローラとにラジエータ及びポンプを介して不凍液を強制循環させる主冷却回路と、該主冷却回路の発熱側回路に並設されるバッテリー保温回路と、前記主冷却回路に並設され前記ポンプに加熱液を供給する加熱回路とからなり、外気温に応じて前記回路を切り替え制御してなることを特徴とした電気自動車用冷却システム。
主冷却回路において、電動機をコントローラの下流側に位置させたことを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
ポンプとラジエータファンモータは、外気温センサ値（Ｔ_ａ　）が所定の外気温値２０度付近より大きいとき作動して最大流量を循環させると共に水温センサ値（Ｔ_１）を下げることを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
コントローラは外気温センサ値（Ｔ_ａ　）が所定の外気温度値５度付近より大きいときポンプを作動させて最大である所定流量の冷媒を循環させ、水温センサ値（Ｔ_１）が所定値４５度付近より大きいとき、ラジエータファンモータを作動させて水温センサ値（Ｔ_１）を下げ、その後前記水温センサ値が所定値４５度付近より小さくなったときにラジエータファンモータの作動を停止させて消費電力の消費を抑えることを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
コントローラは外気温センサ値（Ｔ_ａ　）が所定の外気温度値５度付近より小さいとき、ポンプを作動させて循環流量を最小所定値にし、水温センサ値（Ｔ_１）が所定の値６５度付近より大きいときには、ラジエータファンモータを作動させて水温センサ値（Ｔ_１）を下げ、その後前記水温センサ値（Ｔ_１）が所定値６５度付近より小さくなったらラジエータファンモータの作動を停止させることを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
一方面に冷却パイプを接合した冷却板に、取付板を介して半導体部品を配置したコントローラを備えてなることを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
半導体部品を３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に分割して取付板に取付けたコントローラとしてなることを特徴とした請求項４記載の電気自動車の冷却制御システム。
固定子外周に冷媒を循環させるための通路を形成する回転電機であって、前記通路は固定子外周に圧入される外輪へ形成されていることを特徴とした回転電機。
前記外輪の材質は固定子鉄心より軟質であることを特徴とした請求項１１記載の回転電機。
前記固定子鉄心はその外周に凹凸を設けたことを特徴とした請求項１１記載の回転電機。
前記外輪は軸方向に分割されており、その分割面の幅を調整可能な構造としたことを特徴とした請求項１１記載の回転電機。
前記通路は入口から入ってきた冷媒を平行する幾つかの通路へ分配し出口において一つにまとめる構造としたことを特徴とした請求項１記載の回転電機。