JP2005353327A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機を効果的に行う。
【解決手段】インバータ１４，モータジェネレータ１８などに循環した冷媒を切替弁２０を介し、蓄熱槽２２に導入する。蓄熱槽２２内の熱媒は、燃料電池用の熱交換器２６などに循環されており、これによって、インバータ１４などの排熱を利用して燃料電池を暖機することができる。
【選択図】図１

Description

燃料電池において発生された電力を利用して動作する電力消費機器を搭載する電気自動車に関する。

従来から、電気自動車に搭載する電池として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、一方の電極に燃料ガスとしての水素を供給し、他方の電極に酸化剤ガスとしての酸素を供給し、両者の反応により水を生成することで電力を発生させる。

従って、燃料電池を利用するシステムの場合には、水を取り扱うことになる。水の凝固点は０℃であり、冬季の気温が０℃となる地域も多く、凍結に対する処置や、凍結した場合における融解のための機構などが必要になる。また、燃料電池を効率よく使用するためには、常温より高い温度に設定する必要があり、起動時においては加熱が必要になる。一方、燃料電池はその使用時に発熱するため、温度が必要以上に上昇するのを防止するために、冷却手段も必要としている。

例えば、特許文献１では、冷却水をヒータによって加熱することで、燃料電池を加熱し燃料電池の動作を確保している。

なお、特許文献２には、動作停止時に燃料電池の冷却水を酸素ガスが供給される極に満たし、次回始動時における燃料電池の暖機を軽減することが記載されている。さらに、車両に搭載される各種電力消費機器の排熱を他用途に利用することについては、特許文献３，４などに記載されている。

特開２０００−１４９９７０号公報 特開２０００−３２４６１７号公報 特開平５−２３８２４５号公報 特開平６−５４４０９号公報

上記特許文献１によれば、燃料電池の暖機を行うことができる。しかし、暖機のために電力を消費してしまい、効率的でないという問題がある。また、特許文献２によれば、熱媒体の排熱を利用することができるが、再始動までの時間が長い場合には、意味がない。

本発明は、燃料電池を効果的に暖機することを目的とする。

本発明は、燃料電池および電力消費機器を搭載する電気自動車であって、前記電力消費機器の排熱を利用して前記燃料電池を暖機する暖機手段を有することを特徴とする。

なお、燃料電池からの電力は、車載の各種電力機器に供給され、また車両にバッテリまたはコンデンサなどの蓄電手段が搭載されており、この蓄電手段から電力の供給を受ける電力消費機器もある。また、燃料電池からの電力は、通常の場合蓄電手段へも供給される。

また、前記電力消費機器は、駆動用モータまたはこの駆動用モータに電力を供給するために使用される電力変換器を含む電気自動車の走行に関わる機器であることが好適である。

さらに、電気自動車の車室内を暖房する暖房手段を有し、前記電力消費機器の排熱をこの暖房手段の熱源に利用することが好適である。すなわち、この構成によれば、電力消費機器の排熱を暖機手段および暖房手段の両方に利用される。

また、前記電力消費機器の排熱を蓄熱媒体に蓄える蓄熱手段を有することが好適である。

また、前記電力消費機器の熱を前記蓄熱手段に伝導する熱媒体の温度が蓄熱手段の温度より高い場合に、電力消費機器から蓄熱手段への熱伝導を行うことが好適である。

また、前記電力消費機器から蓄熱手段への熱伝導の制御は、所定の不感帯を設け、熱伝導を開始するしきい値温度に比べ、熱伝導を停止するしきい値温度の方を低く設定することが好適である。すなわち、熱伝導の許可状態から不許可状態への切り替えの判定のためのしきい値温度と、熱伝導の不許可状態から許可状態への切り替え判定のためのしきい値温度を異なる温度に設定し、不感帯を設けることが好適である。

さらに、電力を蓄える蓄電装置を含み、前記暖機手段は、当該蓄電装置から供給される電力によって動作する電力消費機器の排熱を利用して前記燃料電池を暖機することが好適である。

本発明によれば、電力消費機器の排熱を利用して、燃料電池の暖機が行える。従って、電力消費を抑えて、効率的な燃料電池の暖機が行える。また、蓄熱槽を設けたり、制御において不感帯を設けることによって、暖機のためのシステムの安定化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、実施形態にかかる電気自動車における冷却および暖機に関するシステムを示している。

電気自動車には、各種発熱機器があり、これらを冷却するための構成を有している。図１に示すように、ラジエター１０において熱交換によって、冷却された冷却媒体（例えば、水やオイル）は、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１２によって、各種の発熱機器に循環される。この例では、インバータ（ＩＮＶ）１４、リザーブタンク（Ｒ／Ｔ）１６、モータジェネレータ１８へ循環され、ラジエター１０に戻る。

ここで、インバータ１４は、モータジェネレータ１８への電流供給を制御するもので、駆動用バッテリから直流電力をモータジェネレータ１８のトルク指令に応じた交流電流に変換し、モータジェネレータ１８に供給する。インバータ１４は、通常６つのパワートランジスタを有し、これらのスイッチングによって、モータ駆動電流を発生する。

モータジェネレータ１８は、インバータ１４からのモータ駆動電流によって駆動され、車両の駆動力を発生する。なお、回生制動時には、発電機として機能し、発電電力は駆動用バッテリに回収される。すなわち、燃料電池で発生された電力は、一旦駆動用バッテリに蓄えられ、ここからインバータ１４等に電力が供給される。

なお、駆動用バッテリに代えて、コンデンサを利用することも可能である。さらに、駆動用バッテリやコンデンサなどの蓄電装置からの電力を各種の車載電力消費機器に供給することもできる。これによって、燃料電池を搭載した車両の始動時に、駆動用バッテリからの電力供給により走行する場合において、迅速に燃料電池の暖機を行うことが可能となる。

また、インバータ１４に供給する電圧を上昇するためにコンバータを設ける場合もあり、この場合にはコンバータにも冷媒を循環させて、コンバータの排熱も回収することが好適である。すなわち、モータジェネレータ１８に電力を供給する機器としては、インバータやコンバータなどの電力変換装置があり、これら電力変換装置の排熱を回収利用することが好適である。

さらに、モータジェネレータ１８は、前輪駆動用と後輪駆動用の２つの独立したモータジェネレータを設けてもよく、また回生制動を行わない駆動専用のモータであってもかまわない。

そして、モータジェネレータ１８からラジエター１０への経路には、切替弁２０が配置され、この切替弁２０により蓄熱槽２２へ冷媒が循環できるようになっている。すなわち、切替弁２０には、バイパス経路２４が接続され、このバイパス経路２４は蓄熱槽２２の内部を通って、モータジェネレータ１８からラジエター１０への経路に戻る。従って、切替弁２０の切り替えによって、冷媒を蓄熱槽２２へ循環させるかどうかが制御できる。この例では、切替弁２０の切り替えに冷媒の全量が蓄熱槽２２へ循環するか否かが変更されるが、冷媒の一部のみの流路を切り替えるようにしてもよい。また、切替弁２０には、モータ弁など電気的に制御が可能なものが利用される。

さらに、モータジェネレータ１８からラジエター１０に至る経路には、温度計４０が設けられており、また蓄熱槽２２には、温度計４２が設けられている。これら温度計４０、４２の出力によって切替弁２０が制御される。なお、温度計４０は、切替弁２０の上流側に設定することが好適であるが、下流側でもよい。

蓄熱槽２２は、内部に熱媒が収容されており、外気から内部を密閉する槽本体は真空断熱材で構成されている。そして、上述のバイパス経路２４は、槽本体内部を通過することで、熱媒と接触し熱交換する。なお、真空室を形成する真空断熱材はその断熱効果が高いが、他の断熱材でもよい。また、熱媒は、比熱が大きく、０℃程度では凍結しないものが好適であり、例えば不凍液入りの水や、オイルなどが採用可能である。

蓄熱槽２２の内部には、放熱側の配管３２の一部が配置されている。この配管３２内には、オイルや水などの熱媒体が充填され、これが複数の機器との熱交換を行う。図示の例では、配管３２は、燃料電池との熱交換器２６，車室内との熱交換器２８，駆動バッテリとの熱交換器３０の３カ所において、熱交換を行う。なお、図示はしていないが、熱媒の循環には、ポンプなどを使用する。

ここで、燃料電池の熱交換器２６は、図２に蓄熱槽２２からの配管３２との熱交換だけでなく、電熱型ヒータとの熱交換も行う。すなわち、蓄熱槽２２からの熱だけで不十分な場合には、電熱型ヒータからの熱により、熱量の不足を補う。また、車室内との熱交換器２８は、図３に蓄熱槽２２からの配管３２との熱交換だけでなく、コンプレッサ型のヒートポンプとの熱交換も行う。すなわち、蓄熱槽２２からの熱を車室内暖房用のヒートポンプの熱媒の加熱に利用する。なお、熱交換器２６〜３０としては、従来より知られている各種のものが利用できる。また、この例では、３つの熱交換器２６〜３０のすべてに熱媒が必ず循環する構成としたが、その中の１つを選択して循環できるようにすることも好適である。この場合、燃料電池用の熱交換器２６を優先するのがよい。

このようなシステムによって、電力消費機器である、インバータ１４、モータジェネレータ１８において発生した熱が一旦蓄熱槽２２に蓄えられる。この蓄熱槽２２は断熱構造であって、ある程度の熱容量があり、所定の熱量をその温度変化を吸収して保持することができる。そして、この蓄熱槽２２に保持された熱が駆動バッテリ、燃料電池、車室内の暖房などに利用できる。

また、切替弁２０がバイパス経路２４に冷媒を循環するか否かを制御する。例えば、温度計４２で計測した蓄熱槽２２内の熱媒の温度を計測しておき、温度計４０で計測した冷媒の温度がそれ以上の場合にのみ、蓄熱槽２２に冷媒を循環するように、切替弁２０を制御する。例えば、蓄熱槽２２内の熱媒の温度がＳＰであった場合、冷媒の温度がＳＰ以上であった場合に、切替弁２０により冷媒を蓄熱槽２２に循環する。なお、切替弁２０の制御などは、公知の制御装置で行われる。

ここで、車両の走行時において、インバータ１４や、モータジェネレータ１８における発熱量は、その走行条件（出力）に応じて大きく変化する。従って、ここに循環する冷媒の温度も変化する。例えば、この温度が、図４に示すように、蓄熱槽２２の熱媒温度ＳＰの近辺で上下すると、切替弁２０の制御がハンチングして、不安定になってしまう。

そこで、本実施形態においては、図５に示すように、バイパス経路２４側へ冷媒を循環する（オンする）しきい値温度Ｔｏｎに対し、冷媒の循環をやめる（オフする）温度Ｔｏｆｆを所定値だけ低い温度に設定し、不感帯を設ける。これによって、図示のように、冷媒温度が低下してきて、Ｔｏｆｆに至った場合に、切替弁２０によって蓄熱槽２２への循環がオフされ、その後冷媒温度が上昇して、Ｔｏｆｆになっても、切替弁２０は動作せず、冷媒温度がＴｏｎになったときに初めて切替弁２０が動作して循環がオンする。オンオフの時間間隔に所定の動作幅を設定することができ、制御におけるハンチングの発生を防止することができる。

このように、本実施形態によれば、車載機器において発生した熱を回収して、燃料電池の暖機に使用できる。このため、低温時において、電力消費量の大きな上昇を抑制しながら、燃料電池搭載車両の走行を確保できる。特に、燃料電池では、反応により水が生じるため、氷点下条件での使用が困難であるが、本実施形態のシステムによれば、燃料電池の加熱を効率的に行って、走行が可能になる。

また、回収した熱を暖房などにも利用することにさらなる省エネ化を図れ、さらに車両停止時に駆動用電池や、燃料電池の温度が低くなるのを防止して、効率的な始動、走行が可能になる。

さらに、真空断熱の蓄熱槽２２の設定位置によっては、遮音効果も得られ、さらにオイルを使用した機器の近傍に蓄熱槽２２や配管を設ければ、オイルの加温による潤滑性を増加させるという効果も得られる。

実施形態の構成を示すブロック図である。 燃料電池用の熱交換器２６の構成を示す図である。 車室内用の熱交換器２８の構成を示す図である。 冷媒の温度変化状態を示す図である。 切替弁２０の制御を示す図である。

符号の説明

１０ ラジエター、１４ インバータ、１８ モータジェネレータ、２０ 切替弁、２２ 蓄熱槽、２４ バイパス経路、２６，２８，３０ 熱交換器、３２ 配管、４０，４２ 温度計。

Claims (7)

1. 燃料電池および電力消費機器を搭載する電気自動車であって、
   前記電力消費機器の排熱を利用して前記燃料電池を暖機する暖機手段を有することを特徴とする電気自動車。
2. 請求項１に記載の電気自動車において、
   前記電力消費機器は、駆動用モータまたはこの駆動用モータに電力を供給するために使用される電力変換器を含む電気自動車の走行に関わる機器であることを特徴とする電気自動車。
3. 請求項１または２に記載の電気自動車において、
   さらに、
   電気自動車の車室内を暖房する暖房手段を有し、
   前記電力消費機器の排熱をこの暖房手段の熱源に利用することを特徴とする電気自動車。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気自動車において、
   前記電力消費機器の排熱を蓄熱媒体に蓄える蓄熱手段を有することを特徴とする電気自動車。
5. 請求項４に記載の電気自動車において、
   前記電力消費機器の熱を前記蓄熱手段に伝導する熱媒体の温度が蓄熱手段の温度より高い場合に、電力消費機器から蓄熱手段への熱伝導を行うことを特徴とする電気自動車。
6. 請求項５に記載の電気自動車において、
   前記電力消費機器から蓄熱手段への熱伝導の制御は、所定の不感帯を設け、熱伝導を開始するしきい値温度に比べ、熱伝導を停止するしきい値温度の方を低く設定することを特徴とする電気自動車。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の電気自動車において、
   さらに、電力を蓄える蓄電装置を含み、
   前記暖機手段は、当該蓄電装置から供給される電力によって動作する電力消費機器の排熱を利用して前記燃料電池を暖機することを特徴とする電気自動車。
   

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