JP2005335680A - 冷却液体で冷却される電気的散逸要素を有する車両用のエレクトリック・パワー・トレーン - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液体で冷却される電気的散逸要素を有する、車両用エレクトリック・パワー・トレーン。
【解決手段】電線路61と、この電線路61に接続された車載の電気エネルギーを発生させる設備（この設備は第１冷却回路１を有し、この第１冷却回路１は第１の熱−移動材料によって設備を冷却し且つ熱を周囲大気へ放散する第１ラジエータ10を有する）と、電気エネルギー管理ユニット６と、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（この電気機械４はそれを制御する電子モジュールを介して上記電線路61に接続され且つ周囲大気に熱を放散する第２ラジエータ20に接続され、この第２冷却回路２では第１冷却回路１の第１の熱−移動材料とは独立した別の熱−移動材料を用い且つ第２冷却回路は熱的にも第１冷却回路１から切り離されている）と、第１冷却回路１中に漬された上記電線路61に電気的に接続可能な電気的散逸要素８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蓄積するだけでなく、電気エネルギーを発生させる可能性の一つが燃料電池の使用であるということが広く言われている。別の可能性は化石燃料を用いた原動機（例えば内燃機関）で電気機械を駆動することである。後者の場合にはいわゆる「直列ハイブリッド」構造と「並列ハイブリッド」構造が知られている。このうように車両に搭載して電気エネルギーを発生させるための設備は多様である。

しかし、これらの設備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場合もある。特に、燃料電池を用いた場合である。すなわち、燃料電池では一般に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が供給されるので、圧縮機の慣性に起因した一定量の慣性が必要である。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、この低下度合いは上記の設備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、車両の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。こうした場合には、上記設備で過剰に発生した電気エネルギーを散逸（放散）する必要がある。

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、過剰な電気エネルギーを電気要素内で散逸（放散）できることが有用である。電気散逸要素（electrical dissipation element）の使用方法は周知である。この場合、電気エネルギーの散逸は電気要素内で電気エネルギーを熱に変換して（すなわちジュール効果で）行われる。問題は電気的散逸要素をいかに効率的に冷却できるかという点にある。

空気の循環で効率的に冷却されるように電気散逸要素を取付けたものは公知である。この場合には液冷式の熱機関を有する全ての車両でのラジエータの冷却の場合と同様に、電気散逸要素を車体から突出させるか、車体と一体化の場合には一定の空気流を取り込み、それを電気散逸要素中を通過させた後に外部へ排出する。従って、そのための開口部を電気散逸要素に設ける必要がある。しかし、残念なことに、いずれの場合も車両の空気力学な特性を必然的に低下させる。

下記文献には別の配置が記載されている。
「Hybrid III」(DISS.ETH No.11672、21頁） 「Hybrid III」(DISS.ETH No.11784、30頁、60頁)

これらの配置では電気-熱の放散効率を改善し、熱機関に動力が供給されていない時でも熱機関を理想的な動作温度に維持するために、熱機関の冷却システムの液体中に電気要素を浸漬したハイブリッド・パワート・レインを用いている。
さらに、電気機械およびそれと組み合わされた電子制御モジュールの効率も１００％ではないので、これら自体をできるだけ効率的に冷却しなければならない。このことはこれらの電気機械および／または電子モジュールの比出力（specific powder）が増加した時に特に重要になる。しかし、電気機械または電子モジュールの材料および構造をどんなに注意して選択したとしても、これらの機械の固定子に大きな電流が流れた時に損失（ジュール効果等）によって熱を放散しなければならないということは知られている。

熱をできるだけ効率的に放散するためには空冷するよりも熱−移動液体（hear-transfer liquid）を用いて冷却する方が効率的であるということは周知である。大抵の場合、この冷却回路は内部を熱−移動液体が循環する閉回路であり、被冷却部品と接触しており、ラジエータを用いて熱を放散させている。この方法は効率が極めて良く、電気エネルギー発生システムの部品の動作温度をかなり細かく調整できるという利点がある。

また、一般には車両の駆動輪を駆動する電気機械とこの電気機械の電子制御モジュールの大部分も冷却液体によって冷却されている。そうすることによってこれら電気部品全ての信頼性を高くでき、コンパクトにすることができる。

例えば、下記文献には電気機械の外部シース中に冷却液体の循環管路を有する電気機械が記載されている。
米国特許第２００３／０００１４４０号明細書 米国特許第６，０８７，７４４号明細書

下記文献には電気駆動機械、燃料電池および電気駆動機械を制御する電子モジュールに共通な冷却回路が記載されている。
米国特許第２００２／００２７０２７号明細書

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。

以上のように、これまでに種々の方法が提案されているということは、ドライバーの要求、特に急ブレーキ時の要求に可能な限り動的かつ完全に安全な状態で応答でき、しかも、部品の信頼性を損なわずに全ての部品の操作温度を維持することができ、コンパクトな部品を用いて高電力を管理することができる車両用のエレクトリック・パワー・トレーンを設計することは簡単なことではないということを示している。

本発明の目的は、供給された電力を迅速に減少できないとき、および／または、車両の電気ブレーキ中に、燃料電池のような電気エネルギー発生設備によって発生した過剰な電気エネルギーを必要に応じて散逸するという自動車における解決策を提供することにある。

本発明の対象は下記（ａ）〜（ｅ）を有するエレクトリック・パワー・トレーン、（電気伝導機構）にある：
（ａ）電線路、
（ｂ）この電線路に接続された車載の電気エネルギーを発生させる設備であって、この設備は第１冷却回路を有し、この第１冷却回路は第１の熱−移動材料によって設備を冷却し且つ熱を周囲大気へ放散する第１ラジエータを有する設備、
（ｃ）電気エネルギー管理ユニット、
（ｄ）少なくとも１つの駆動輪に接続された少なくとも１つの電気機械であって、この電気機械はそれを制御する電子モジュールを介して上記電線路に接続され且つ周囲大気に熱を放散する第２ラジエータに接続されに第２冷却回路を有し、この第２冷却回路では第１冷却回路の第１の熱−移動材料とは独立した別の熱−移動材料を用い且つ第２冷却回路は熱的にも第１冷却回路から切り離されている、電気機械、
（ｅ） 第１冷却回路中に漬された、上記電線路に電気的に接続可能な電気的散逸要素（electrical dissipation element）。

本発明の特に有利な適用例では、上記設備が燃料電池から成る。この燃焼電池には酸化剤として圧縮大気が供給し、酸素の比率を下げた過剰ガスを燃料電池の下流で放出するか、燃焼電池に純酸素が供給される。後者の方法の方が利点であり、特に、電流要求に対する応答がよりダイナミックである。このことは静止状態で利用する場合と違って、断続的な運転条件が要求される自動車のような輸送機械で利用する場合に特に有利である。さらに、燃料電池に純酸素を供給すると効率および出力密度がより良くなるという利点が挙げられる。

本発明者は、電気ブレーキ時には車両が必要とする電気エネルギーのかなりの部分が車両の減速で生じるので車両に搭載した電気エネルギー発生設備に対するニーズ（要求）が無くなるか、少なくともほとんど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。

電気ブレーキ期には電気エネルギー発生システムへの要求はないか、低負荷した要求されないので、車両のこの部分の冷却回路の冷却力は要求されない。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電気エネルギー発生システムに対する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、その能力およびその全ての制御装置の最大値までストレスを受けるが、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ストレスが加わり、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、電気的ブレーキ期には電力の供給は実質的に要求されないので、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用いることは別の理由でも正当化される。すなわち、２つの回路の温度レベルを相違させることができ、例えば熱機関の冷却回路は約９０℃、燃料電池の冷却回路は７０℃〜８０℃、電気機械とそれと組み合わされた制御装置は例えば５０℃以下で運転できるという利点がある。

以下では上記設備が燃料電池から成る特定の実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。この実施例は燃料電池に圧縮酸素を収容したタンクから酸素が供給される場合および燃料電池に周囲空気の圧縮によって酸素が供給される場合にも適用できる。
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電気トラクション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。

本発明の伝導機構（より一般的には本発明の伝導機構で駆動される車両）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。
以上、本発明を燃料電池に関して説明してきたが、本発明は直列ハイブリッド車両または並列ハイブリッド車両にも利用できる。

電気トラクション車両に設置した本発明の冷却回路を示す図。

Claims (8)

1. 下記の（ａ）〜（ｅ）を有するエレクトリック・パワー・トレーン（electric power train)：
   （ａ）電線路（６１）、
   （ｂ）この電線路（６１）に接続された車載の電気エネルギーを発生させる設備であって、この設備は第１冷却回路（１）を有し、この第１冷却回路（１）は第１の熱−移動材料によって設備を冷却し且つ熱を周囲大気へ放散する第１ラジエータ（１０）を有する、設備、
   （ｃ）電気エネルギー管理ユニット（６）、
   （ｄ）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）であって、この電気機械（４）はそれを制御する電子モジュールを介して上記電線路（６１）に接続され且つ周囲大気に熱を放散する第２ラジエータ（２０）に接続された第２冷却回路（２）を有し、この第２冷却回路（２）では第１冷却回路（１）の第１の熱−移動材料とは独立した別の熱−移動材料を用い且つ第２冷却回路は熱的にも第１冷却回路（１）から切り離されている、電気機械（４）、
   （ｅ） 第１冷却回路（１）中に漬された、上記電線路（６１）に電気的に接続可能な電気的散逸要素（electrical dissipation element）（８）。
2. 上記設備が純酸素が供給される燃料電池（３）である請求項１に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
3. 上記設備が周囲空気の圧縮によって純酸素が供給される燃料電池（３）を有する請求項１に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
4. 燃料電池がポリマーのメンブレンを有する電池およびアルカリ電池からなる群の中から選択される請求項２または３に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
5. 電気機械（４）を制御する電子モジュールがインバータ（５）である請求項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。
6. 複数の電子管理モジュールを有し、これら複数の電子管理モジュールでの冷却液の循環を上記第２冷却回路（２）が行う請求項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。
7. 一つの冷却液で冷却される全ての電子管理モジュールが上記第２冷却回路（２）に接続されている請求項６に記載のエレクトリック・パワー・トレーン。
8. 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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