JP2005310789A - 電気的散逸要素を有する、燃料電池車両用のエレクトリック・パワー・トレーン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車両用のエレクトリック・パワー・トレーン。
【解決手段】電線路61と、この電線路61に接続された燃料電池３（この燃料電池３は第１熱-移動液体材料を用いて冷却され且つ第１ラジエータ10を有する第１冷却回路１を有する）と、この燃料電池３の制御モジュールを有する電気エネルギー管理ユニット６と、この管理ユニットに接続され且つ減速制御のために車両のドライバーが操作可能な制御装置と、電子制御モジュールを介して電線路61に接続され且つ少なくとも１つの駆動輪40に接続された少なくとも１つの電気機械４と、電気的散逸要素８と、減速が要求された場合および電線路61に送られた電力よりも補助的負荷によって吸収される電力のほうが小さいことを管理ユニット60が検出したときに燃料電池の制御モジュールに電気エネルギー発生プロセスの停止命令を出し且つ電気的散逸要素８を電線路61に接続する手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池を有する自動車に関するものである。
本発明は特に、所定の過渡期での電気エネルギーの管理方法に関するものである。

車両に搭載して電気エネルギーを発生させる手段の一つが燃料電池の使用であるということはよく知られている。しかし、残念なことに、燃料電池で発生した電力を急速にキャンセルするのが構造的に難しいため、ある過渡的段階、特に車両に急ブレーキをかけた時に大きな問題が生じるおそれがある。

燃料電池に純酸素を直接供給するのではなく、使用時にリアルタイムで周囲空気を圧縮して燃料電池に酸素を供給する場合には特に問題が生じるおそれがある。事実、燃料電池の構造によっては電力変化に対する反応がダイナミックでなく、内燃機関よりもはるかに劣ることが分かっている。

このことは電力要求の増加時および減少時のいずれにも当てはまる。例えば、直前に最大加速を要求していたドライバーが急に減速をした場合、直列ハイブリッド車両や燃料電池を搭載した直列ハイブリッド車両によって吸収できる電力は極めて急激に低下し、この低下度合いは燃料電池が発生する電力よりもはるかに急激である。しかし、車両に電気アキュムレータが存在しない場合にはこの電気エネルギーを蓄積することができない。また、アキュムレータのバッテリが取付けられている場合でも、充電量が既に最大充電量である等の理由で上記の過剰に発生した電気エネルギーを蓄積できないことがある。

さらに、電気機械が可逆的であることもよく知られている。すなわち、電気駆動モータ式車両では駆動輪に機械的に連結された電気モータを電気機械として用い、この電気機械に電気エネルギーを供給して車両を駆動することができ、また、車両の制動期にこの電気モータを電気ゼネレータ（発電機）としても用いることができる。この場合には機械的制動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それを車両が吸収しなければならないが、熱で放散することもある。この運転モードは「電気的ブレーキ」ともよばれる。

車両制動時のエネルギーをできるだけ多く回収することは当然の目的であるが、現在知られている電気エネルギー蓄積装置の特性ではこの回収が困難であるということが知られている。すなわち、電気機械が発電機の役目をするように作られている場合、その最大トルク時に極めて強い電流が電線路に送られるが、大部分のバッテリは大きな充電電流を吸収できない。放電電流と同じ大きさの充電電流を吸収できるのはコンデンサのみであるが、その蓄積容量は低い。スーパーコンデンサ（supercapacitors）の技術は単位重量当たりの蓄積容量（すなわちエネルギー密度）がコンデンサよりも大きく、バッテリよりも大きな充電電流を吸収でき、自動車に応用するのが有利であろう。
しかし、いずれにせよ、蓄電器を取付けると、その蓄積容量に比例してその分だけ必ず重量が増える。さらに、どのような電気エネルギーの蓄積技術を用いても、装置の最大充電状態で電気エネルギーの蓄積を続けることは不可能であるという問題に必ず直面する。

車両の減速または制動のために一つまたは複数の電気機械を発電機（ゼネレータ）として使用し続けることができることは、車両の機械的ブレーキに加わる応力を軽減するためだけとしても有利である。事実、通常使用時の過熱を避けるためには緊急操作または急ブレーキ時にのみ電気機械を用いるのが有利である。さらに、従来の車両の運転に慣れた反射神経を有するドライバーにとっては電気的ブレーキが与える運転のし易すさは従来車両でエンジンブレーキが与える感覚に匹敵するので車両の制御が容易になる。

上記の全ての理由から、燃料電池が電気エネルギーの生産を一時的に続けながら電気的ブレーキを維持できることが有用である。

下記文献には燃料電池の冷却回路の液体中に電気的要素を浸漬した車両用燃料電池が記載されている。
国際特許第９６／４１３９３号公報

この特許の目的は燃料電池を急速に加熱するためである。この電気要素には必要に応じて電流が供給され、車両の制動中は電気要素が電気エネルギーを発生してバッテリの加熱を促進し、バッテリの温度を維持する。
下記文献にも燃料電池の一次冷却回路の液体中に電気要素を浸漬した車両用燃料電池が記載されている。
米国特許第６，４４８，５３５号明細書

この特許の目的は液体の凍結を防ぐことにある。この文献では液体は必ず脱イオン水でなければならない。この一次冷却回路は液体を介して熱的に二次冷却回路に接続されて熱交換が行われる。二次冷却回路のみに設けられたラジエータが外部雰囲気と熱交換し、さらに電気モータの冷却にも使用されている。

特許文献２（米国特許第６，４４８，５３５号明細書）が提案する液冷式のエレクトリック・トラクション・モータでは液体は車両上の熱-移動液体によって冷却回路内で熱を交換する。従って、この場合には冷却回路内に浸漬された電気要素によって冷却回路内で熱が散逸される場合に過熱状態になるおそれがある。従って、車両のある種の制動期、特に強い急ブレーキがかけられた時に効果的に管理できないという問題が生じる。

本発明の目的は、燃料電池車両の急ブレーキ期のあらゆる状況下での処理に適した電力管理方法を提供することにある。

本発明は車両のエレクトリック・パワー・トレーンを提供する。本発明のエレクトリック・パワー・トレーンは電線路と、この電線路に接続された燃料電池（この燃料電池は第１熱-移動液体材料を用いて冷却される第１冷却回路を有し、この第１冷却回路は周囲大気に熱を放散するための第１ラジエータを有する）と、この燃料電池の制御モジュールを有する電気エネルギー管理ユニットと、の管理ユニットに接続され且つ減速制御のために車両のドライバーが操作可能な制御装置と、電子制御モジュールを介して電線路に接続され且つ少なくとも１つの駆動輪に接続された少なくとも１つの電気機械と、電気的散逸要素と、減速が要求された場合および電線路に送られた電力よりも補助的負荷によって吸収される電力のほうが小さいことを管理ユニットが検出したときに、燃料電池の制御モジュールに電気エネルギー発生プロセスの停止命令を出し且つ電気的散逸要素を電線路に接続する手段とを有する。

すなわち、本発明は、電気的ブレーキを生じるように制御されている電気駆動機械が発生する過剰な電気エネルギーと燃料電池のオペレーティング上の慣性に起因して生じる一定の時間の過剰な電気エネルギーとの両方を電気的要素の内部で散逸させる方法を提案する。
過剰な電気エネルギーを極めて効率的に散逸するためには、冷却回路の熱-移動液体中に浸漬された電気的要素を使用するのが好ましい。
本発明者はさらに、電気的ブレーキの場合には、燃料電池が急速に利用されなくなるということを見出した。従って、本発明では２つの別体の冷却回路、すなわち燃料電池を冷却する冷却液体を有する第１冷却回路と、この第１冷却回路とは独立した冷却液体を有する第２冷却回路とを使用し、第２冷却回路は駆動輪に接続された電気機械と電子制御モジュール（特に電気機械を制御する電子制御モジュール）とを冷却し、第２冷却回路の電気散逸要素を第１冷却回路に浸漬する。

電気的ブレーキ段階では燃料電池は利用されなくなるので、車両のこの部分の冷却回路の冷却力は燃料電池の慣性の作用を超えると急速に利用されなくなる。従って、電気的ブレーキエネルギーを散逸させるための電気的要素の最適場所が燃料電池の冷却回路内であるということは理解できよう。すなわち、車両の駆動輪に接続された電気機械は、駆動時か制動時かの運転状態とは無関係に、その電気機械およびその全ての制御装置の最大能力まで要求されるが、効率はエネルギー変換の方向（電気エネルギーから運動エネルギーへの方向またその逆方向）とは無関係にほぼ同じである。従って、熱放散の役目をする損失は常にほぼ同じである。

車輪に機械的に連結された電気機械の冷却回路を用いて電気的散逸要素をさらに冷却すると、この冷却回路により大きな要求が加わり、冷却回路の大きさをそれに見合ったものにしなければならなくなるが、電気的ブレーキ期の冷却は燃料電池の慣性に応じた短時間でしか要求されないので、電気的散逸要素を燃料電池の冷却回路内に設けることによって、この制約（問題）は解決する。すなわち、この冷却回路の冷却能力を利用しては電気的散逸要素で発生する熱を放散することができる。

２つの別体の冷却回路を提供することは別の理由でも賢明である。両回路の温度レベルは相違させることができる。熱機関の冷却回路では例えば約９０℃で、燃料電池の冷却回路では７０℃〜８０℃で、電気機械とそれと組み合わされた制御装置では例えば５０℃、またはそれ以下で動作するのが有利である。
以下、本発明の全ての観点を明確に理解できるように、本発明の冷却回路を燃料電池車両に取り付けた実施例を添付図面を参照して説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。

［図１］には燃料電池（ＦＣ）３が示してある。この燃料電池３は電線路６０を介して電気エネルギー管理ユニット（ＰＣ）６に接続されている。燃料電池は高分子メンブレン電池（ＰＥＦＣ）またはアルカリ電池（ＡＦＣ）であるのが好ましい。図にはトラクション（牽引）モータまたは制動時のゼネレータ（発電機）として用いられる電気機械（Ｍ）４も示してある。この電気機械４は少なくとも一つの駆動輪４０に連結されている。この電気機械４の電子制御モジュールはインバータ（ＩＮＶ）５である。このインバータ５は電線路６１を介して電気エネルギー管理ユニット６に接続され、また、電線路６２を介して電気機械４に接続されている。電線路６１にはその他の電気的負荷（図示せず）が接続されていることは理解できよう。この電気的負荷には例えば車両の空調装置、照明装置等の車両の各種周辺機能、従来は主に機械的に行っていた制御が電気制御に替わったその他の主要機能、例えばステアリング、ブレーキ、車両のサスペンション等がある。

本発明のパワー・トレイン（power tain)は電線路６３を介して電気エネルギー管理ユニット６に接続され且つこの電気エネルギー管理ユニット６を介して電線路６１に接続された電気エネルギー蓄積装置を有するのが好ましい。この電気エネルギー蓄積装置はスーパーコンデンサ（ＳＣ）７のベンチであるのが有利である。

燃料電池３の冷却は第１冷却液体が循環する第１冷却回路１によって行われる。この第１冷却回路１は周囲大気に熱を放散させるための第１ラジエータ１０と、液圧ポンプ１３と、第１ラジエータ１０から燃料電池３へ冷却液体を供給する管路１２とを有する。冷却液体は燃料電池の内部を循環するので、導電性にならないように脱イオン液、例えば水または脱イオン水と脱イオングリコールとの混合液にすることができる（これは電気的な観点の重要性に応じて決まり、冷却回路から成るアームの電気インピーダンスを上げるのが重要な場合にそうする）。図には熱−移動（heat-transfer）液体の循環方向が示してある。図には加熱された冷却液体を燃料電池３から第１ラジエータ１０へ戻して周囲空気と熱交換する管路１４も見える。周知のように、ラジエータ１０はそれを通って周囲空気を強制循環させるファン１１の作用で効果的に冷却される。

図には第１冷却回路１から独立して冷却液体が循環する第２冷却回路２も見える。この第２冷却回路２では第１冷却回路で用いた第１の熱−移動材料とは独立した別の熱−移動材料が用いられる。必要な場合には両方の回路で同じ種類の熱−移動液体材料を用いることもできるが、いずれの場合でも熱−移動液体材料は分離され、従って、両方の液体が混ざることはない。第２冷却回路は熱的にも第１冷却回路１から独立しており、周囲大気に熱を放散させるための第１ラジエータ１０とは異なる第２ラジエータ２０と、液圧ポンプ２３と、冷却液体を冷却すべき各部品へ供給するための配管系とを有している。この熱−移動液体の循環方向も図に示してある。第２冷却回路２は複数の電気部品における一つの冷却液体循環路を成している。この冷却液体は例えば普通の水または水とグリコールとの混合液である。

本発明のパワー・トレイン（より一般的には本発明のパワー・トレインで駆動される車両）は上記インバータ５以外の各種電子管理モジュールを有することができる。これらの電子管理モジュールにおける冷却液体の循環は上記第２冷却回路２で行われる。冷却液体で冷却される電子管理モジュールの全てを第２冷却回路２に連結するのが好ましい。

すなわち、一つの冷却液体で冷却される全ての電気部品をこの第２冷却回路２に連結するのが好ましい。車両の駆動輪４０に機械的に連結された電気機械４もこの第２冷却回路２に連結するのが有利である。

図示した管路のネットワーク２２は低温の冷却液体を電気機械４、インバータ５および電気エネルギー管理ユニット６へ供給する。また、管路のネットワーク２４は加熱後の冷却液体を電気エネルギー管理ユニット６、インバータ５および電気機械４から第２ラジエータ２０へ戻す。周知のように、第２ラジエータ２０の熱交換の効率は第２ラジエータ２０を通して周囲空気を強制循環させるファン２１の作用によって上がる。
一つの冷却液体で冷却される電気部品は全て第２冷却回路２に連結するのが有利である。

第１冷却回路１内には電気的散逸要素（electrical dissipation element）８が配置されている。この散逸要素８は電気エネルギー管理ユニット６によって制御される電子スイッチ８１を介して電線路６１に接続されている。

電気エネルギー管理ユニット６はドライバーからの情報と移動速度のような車両の運動状態に関する情報とを受ける。電気駆動期には電気エネルギー管理ユニット６が燃料電池３をインバータ５に直接接続させる。このインバータ５はモータとして機能するのに適した形態の電気エネルギーを電気機械４へ送る。また、モータとして運転される期間（電気駆動期）に電気エネルギー管理ユニット６がスーパーコンデンサ７のベンチを電線路６１に接続してスーパーコンデンサのベンチ７に蓄積されている電気エネルギーを取出し、それを燃料電池３からくるエネルギーに追加する場合もある。

２つの冷却回路の各々を例えばサーモスタット（図示せず）で温度調整するのが好ましい。各冷却回路は互いに独立しているので、それぞれの調整温度も相違する。例えば、燃料電池３の理想的な調整温度は電気機械４およびそれと組合わされた電気部品の冷却回路の理想的調整温度よりも少し高い。例えば、ポリマーメンブレン電池（ＰＥＦＣ）の調整温度は約６０℃〜９０℃であるが、電気機械４およびそれと組合わされた電気部品の冷却回路の調整温度は約４５℃〜６５℃である。

電気エネルギー管理ユニット６によって制御される車両の運転モードが電気的制動期に入ると、インバータ５は電気機械４をゼネレータとして制御して電線路６１へ電気エネルギーを戻す。こうして電線路６１に戻された電気エネルギーが車両の要求値よりも大きい場合（すなわち、電線路６１に接続された上記の電気的負荷が吸収するエネルギーよりも大きい場合）には燃料電池３を制御してその動作を停止させる。この場合、燃料電池の慣性は極めて小さいので、燃料電池３は直ちに第１冷却回路１内を循環する冷却液体に熱を伝達しなくなる。電気的ブレーキとして運転されているときは電線路６１に接続された全ての電気的負荷が電気エネルギーの一部を吸収する。また、電気エネルギー管理ユニット６はスーパーコンデンサのベンチ７へ優先的に電気エネルギーを送る（最大充電量に達していない限り）。

しかし、これらの全ての電気的負荷によっても電線路上の電気エネルギーを吸収できない場合（これは例えば電線路６１の電圧上昇として電気エネルギー管理ユニット６が検出できる）には、電気エネルギー管理ユニット６がスイッチ８１を閉じて電気的散逸要素８を電気的負荷として追加する。この電気的散逸要素８は電気機械４によって電線路６１上に供給された最大電流を吸収できる。電気的散逸要素８は加熱され、その熱は冷却液体によって徐々に放散され、第１ラジエータ１０へ運ばれてさらに放散される。当然ながら、電気的散逸要素８を流れる電流が最大の場合でも、冷却回路１内の冷却液体の加熱量が燃料電池３の正しい動作を阻害しないように電気的散逸要素８の寸法を決めるということは理解できよう。

空冷される電気的散逸要素に比較して、電気的散逸要素８はそれによって発生した熱の放散効率ははるかに高いので、極めてコンパクトな電気的散逸要素８を使用することができる。さらに、車両の空気中への浸漬係数（coefficient of penetration）も低下しない。これは燃料電池が運転停止のため利用されなった時にラジエータ１０の能力（容量）を熱の放散に用いるためである。従って、この能力（容量）が最大限使用できるように冷却回路を配置でき、また、燃料電池の最大充電量で運転し、しかも、電気的散逸要素８を最大負荷で使用するという互いに相容れない特性を有効に利用することができる。

燃料電池車両に設置した本発明の冷却回路を示す図。

Claims (9)

1. 下記（ａ）〜（ｇ）を有するエレクトリック・パワー・トレーン：
   （ａ） 補助的負荷が接続された電線路（６１）、
   （ｂ） この電線路（６１）に接続された燃料電池（３）であって、この燃料電池（３）は第１熱-移動液体材料を用いて冷却される第１冷却回路（１）を有し、この第１冷却回路（１）は周囲大気に熱を放散するための第１ラジエータ（１０）を有する燃料電池（３）、
   （ｃ） この燃料電池（３）の制御モジュールを有する電気エネルギー管理ユニット（６）、
   （ｄ） この管理ユニットに接続され且つ減速制御のために車両のドライバーが操作可能な制御装置、
   （ｅ） 電子制御モジュールを介して電線路（６１）に接続され且つ少なくとも１つの駆動輪（４０）に接続された少なくとも１つの電気機械（４）、
   （ｆ） 電気的散逸要素（８）、
   （ｇ） 減速が要求された場合および電線路（６１）に送られた電力よりも補助的負荷によって吸収される電力のほうが小さいことを管理ユニット（６０）が検出したときに、燃料電池の制御モジュールに電気エネルギー発生プロセスの停止命令を出し且つ電気的散逸要素（８）を電線路（６１）に接続する手段。
2. 電気機械（４）が周囲大気に熱を放散するための第２ラジエータ（２０）を有する第２冷却回路（２）に接続され、この第２冷却回路（２）は第１冷却回路とは独立した別の熱-移動液体材料を用いて冷却され、第２冷却回路は熱的にも第１冷却回路（１）から分離されている請求項１に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
3. 電気的散逸要素（８）が第１冷却回路（１）中に浸漬されている請求項１に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
4. 燃料電池に周囲空気の圧縮によって酸素が供給される請求項１または２に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
5. 燃料電池に純酸素が供給される請求項１または２に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
6. 燃料電池がポリマーメンブレン電池およびアルカリ電池の中から選択される請求項１〜４のいずれか一項に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
7. 電気機械用の電子制御モジュールがインバータ（５）である請求項１〜５のいずれか一項に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
8. 複数の電子管理モジュールを有し、第２冷却回路（２）が複数の電子管理モジュール内を循環するで冷却液体で冷却される請求項１〜５のいずれか一項に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
9. 電気エネルギー蓄積装置が電気エネルギー管理ユニット（６）を介して電線路（６１）に接続されている請求項１に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。

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