JP2006067735A - 電動車両の冷却装置 - Google Patents

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健児 中土
Yoshio Yamanaka
良夫 山中
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Abstract

【課題】 冷却回路にエアが混入した場合であっても、冷却回路からエアを確実に排出することにより、冷却性能の低下を回避する。
【解決手段】 ジェネレータケース29のウォータジャケット29aや、モータケース40のウォータジャケット40aには、ポンプ72から圧送された冷却液が供給される。ジェネレータケース29やモータケース40には、ウォータジャケット29a,40aの上部に連通する排出ポート75,76が形成され、この排出ポート75,76には排出配管77,78が接続される。排出ポート75,76と排出配管77,78とを介して、ウォータジャケット29a,40aはリザーバタンク73に連通しており、ウォータジャケット29a,40aを流れる冷却液の一部は、リザーバタンク73に排出されて冷却液とエアとに分離される。よって、ウォータジャケット29a,40aからエアを排出することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、電動車両に搭載される冷却装置に関する。
近年、モータ動力によって駆動輪を駆動するようにした電動車両が開発されている。このような電動車両としては、電動モータのみを搭載するようにした電気自動車や、電動モータに加えてエンジンを搭載するようにしたハイブリッド車両がある。これらの電動車両を開発する際には、環境性能や燃費性能を重視することになるが、電動モータの高出力化を図ることにより、動力性能を向上させるようにした電動車両も開発されている。
ところが、モータ出力を上げようとすると、電動モータの発熱量が増大してしまうため、電動モータを冷却液によって積極的に冷却する必要がある。特に、ハイブリッド車両にあっては、電動モータに加えてジェネレータが搭載されるため、発熱量が増大する傾向にあり、電動モータやジェネレータを水冷化することが不可欠となっている。さらに、電動モータやジェネレータを駆動制御するインバータや、高電圧バッテリからの電力を降圧して補機類に供給するコンバータなども通電に伴って発熱するため、電動モータやジェネレータに加えてインバータやコンバータの冷却も必要となる。
そこで、電動モータ、ジェネレータ、インバータ、そしてコンバータを冷却配管によって直列に接続するとともに、この冷却回路に沿って冷却液を循環させるようにした冷却装置が開発されている。ジェネレータや電動モータを収容するケースにはウォータジャケットが形成されており、インバータやコンバータにはウォータジャケットを備えるヒートシンクが取り付けられている。これらのウォータジャケットに冷却液を案内することにより、ジェネレータや駆動モータは効率良く冷却されるようになっている。さらに、ジェネレータや電動モータは、インバータやコンバータに比べて発熱量が多いため、発熱量の少ないインバータやコンバータに冷却液を案内した後に、発熱量の多いジェネレータや駆動モータに冷却液を案内するようにした冷却装置も提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特開平10−238345号公報(第3頁、図2)
しかしながら、ジェネレータ、駆動モータ、インバータ、そしてコンバータなどの発熱部位は車両全体に分散しているため、これらの発熱部位を接続する冷却配管も車両全体に張り巡らされることになる。つまり、冷却回路の回路構造が複雑になっており、このような冷却回路からエア溜まりを排除することは困難となっていた。そして、冷却液と共にエアが冷却回路に流れ込んだ場合には、冷却回路内にエアが滞留してしまうため、冷却性能が著しく低下することになる。
本発明の目的は、冷却回路内に入り込んだエアを確実に排出し、冷却液とエアを分離することにより、冷却性能の低下を回避することにある。
本発明の電動車両の冷却装置は、冷却液が流れる内部流路を備え、駆動輪を駆動する駆動モータと、冷却液の熱を外気に放出するラジエータと、前記駆動モータと前記ラジエータとを接続し、前記駆動モータと前記ラジエータとの間で冷却液を循環させる冷却回路と、前記冷却回路に組み込まれ、冷却液を貯留するリザーバタンクと、前記駆動モータと前記リザーバタンクとの間に設けられ、前記内部流路の上部から前記リザーバタンクに冷却液を案内する排出流路とを有することを特徴とする。
本発明の電動車両の冷却装置は、冷却液が流れる内部流路を備えるとともに前記冷却回路に組み込まれ、エンジンに駆動されるジェネレータと、前記ジェネレータと前記リザーバタンクとの間に設けられ、前記内部流路の上部から前記リザーバタンクに冷却液を案内する排出流路とを有することを特徴とする。
本発明の電動車両の冷却装置は、前記排出流路にオリフィス部を設け、前記排出流路に案内される冷却液の流量を制限することを特徴とする。
本発明の電動車両の冷却装置は、前記駆動モータが組み込まれる駆動ユニットを縦置きに搭載し、前記排出流路を前記内部流路の車両前方側に連通させることを特徴とする。
本発明によれば、内部流路とリザーバタンクとを排出流路を介して連通するようにしたので、冷却回路内にエアが流れ込んだ場合であっても、内部流路の上部にエアを留めてしまうことがなく、排出流路を介して冷却液とともにエアをリザーバタンクに排出し、リザーバタンク内で冷却液とエアとを分離することができる。これにより、冷却回路を冷却液によって満たすことができ、冷却性能を高レベルに維持することが可能となる。
また、排出流路にオリフィス部を設けることにより、排出される冷却液の流量を制限することができるため、冷却回路を流れる冷却液の流量低下を抑制することができ、冷却性能の低下を回避することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態である冷却装置10が組み込まれたハイブリッド車両の駆動ユニット11を示す概略図であり、図2は駆動ユニット11を示すスケルトン図である。
図1に示すように、車両前部にはエンジンルーム12が形成されており、車両後部にはトランクルーム13が形成されている。エンジンルーム12とトランクルーム13との間には車室14が形成されており、エンジンルーム12と車室14とはダッシュパネル15やフロアパネル16によって区画され、トランクルーム13と車室14とはシートバックサポート17やシェルフパネル18によって区画されている。また、フロアパネル16にはエンジンルーム12から車両後方に延びるフロアトンネル19が形成されており、エンジンルーム12からフロア
トンネル19にかけて駆動ユニット11が縦置きに搭載されている。
図2に示すように、駆動ユニット11は2つの動力源としてエンジン20と駆動モータ21とを備えており、エンジン20と駆動モータ21との間には、ジェネレータ22、フロントディファレンシャル機構23、そして変速機24が設けられている。ギヤケース25に組み込まれる変速機24は、相互に平行となる変速入力軸26と変速出力軸27とを備えており、変速入力軸26には入力クラッチ28とジェネレータ22とを介してエンジン20が連結される一方、変速出力軸27にはフロントディファレンシャル機構23と駆動モータ21とが連結されている。
ギヤケース25の前方側に組み付けられるジェネレータケース29には、ロータ22aとステータ22bとが組み込まれており、ジェネレータケース29、ロータ22a、ステータ22bによってジェネレータ22が形成されている。ロータ22aはエンジン20のクランク軸20aに連結され、ステータ22bはロータ22aを囲むようにジェネレータケース29に固定されており、ジェネレータ22はエンジン動力によって発電駆動されるだけでなく、スタータモータとしてエンジン20を回転駆動させることが可能となっている。
また、ジェネレータ22と変速入力軸26との間には入力クラッチ28が設けられており、入力クラッチ28を締結することによってエンジン動力が変速機24に対して伝達され、入力クラッチ28を締結することによって変速機24に対するエンジン動力の伝達が解除されることになる。なお、入力クラッチ28は、電磁コイル28aを励磁することによって締結状態に切り換えられ、励磁を解除することにより遮断状態に切り換えられる電磁クラッチとなっている。
変速入力軸26には2つの駆動歯車31a,32aが回転自在に設けられており、変速出力軸27には2つの従動歯車31b,32bが固定されている。駆動歯車31a,32aと従動歯車31b,32bとにより、低速段と高速段の変速歯車列31,32が形成されており、変速入力軸26には変速歯車列31,32のいずれかを動力伝達状態に切り換える切換機構33が設けられている。この切換機構33はシンクロメッシュ機構となっており、変速入力軸26に固定されるシンクロハブ33aと、これに常時噛み合うシンクロスリーブ33bとを備えている。シンクロスリーブ33bを駆動歯車31aに噛み合わせると変速歯車列31が動力伝達状態となり、駆動歯車32aに噛み合わせると変速歯車列32が動力伝達状態となる。
入力クラッチ28を締結するとともに、変速歯車列31,32のいずれかを動力伝達状態に切り換えることにより、変速出力軸27はエンジン動力によって駆動される。このような変速出力軸27の一端には、フロントディファレンシャル機構23のリングギヤ34に噛み合うドライブピニオンギヤ35が固定されており、変速出力軸27を経たエンジン動力は、フロントディファレンシャル機構23を介して左右の前輪(駆動輪)に分配されるようになっている。
また、ギヤケース25内には変速出力軸27に平行となって連結軸36が回転自在に収容されている。連結軸36には伝達歯車37が固定されており、この伝達歯車37に噛み合う伝達歯車38が変速出力軸27に固定されている。なお、変速出力軸27と連結軸36とは車幅方向にずれており、作図の便宜上、図2において連結軸36と伝達歯車37とは破線で示されている。
このように様々な歯車列を収容するギヤケース25には、駆動モータ21を収容するモータケース40が取り付けられている。駆動モータ21はロータ21aとステータ21bとを備えており、ステータ21bはロータ21aを囲むようにモータケース40に固定されている。ロータ21aに固定されるモータ駆動軸21cは、ロータ21aの両端からそれぞれ突出するようになっており、モータ駆動軸21cの一端は連結軸36にスプライン結合されている。このように、変速出力軸27とモータ駆動軸21cとは連結されており、変速出力軸27にはエンジン動力だけでなくモータ動力が伝達されることになる。
また、モータケース40の車両後方側にはトランスファケース41が取り付けられており、トランスファケース41内には後輪53に対して動力を分配するトランスファ機構42が組み込まれている。トランスファ機構42は、モータ駆動軸21cの他端にスプライン結合されるトランスファ入力軸43と、これに平行に配置されるトランスファ出力軸44とを備えている。トランスファ入力軸43とトランスファ出力軸44とは歯車列45を介して連結されており、モータ駆動軸21cからの動力がトランスファ出力軸44に伝達されるようになっている。
トランスファケース41から突出するトランスファ出力軸44の端部には、ジョイント50がスプライン結合されており、図1に示すように、このジョイント50に連結されるプロペラシャフト51から、リヤディファレンシャル機構52を介して後輪53に動力が伝達されるようになっている。そして、トランスファケース41内には電子制御式のカップリング54が収容されている。電磁コイル54aを励磁することにより、カップリング54は締結状態に切り換えられ、前輪だけでなく後輪(駆動輪)53に対しても動力を伝達すること可能となる。しかも、電磁コイル54aに対する供給電流の大きさに応じて、カップリング54の締結力を制御することができるため、前後輪のトルク分配比を100:0〜50:50の範囲で設定することができ、車両の動力性能を向上させることができる。
この駆動ユニット11に組み込まれた駆動モータ21を制御するため、図2に示すように、駆動モータ21と高電圧バッテリ60とはインバータ61を介して接続されている。このインバータ61を介して、高電圧バッテリ60からの直流電流は交流電流に変換され、駆動モータ21のステータコイル21dに供給されることになる。インバータ61によって電力の周波数や電圧を制御することにより、走行状況に応じて駆動モータ21の駆動状態を制御することが可能となる。また、ジェネレータ22と高電圧バッテリ60ともインバータ61を介して接続されており、ジェネレータ22によって発電される交流電流は、インバータ61を介して直流電流に変換され、高電圧バッテリ60に充電されるようになっている。
なお、各種電装品62にはDC/DCコンバータ63(以下、コンバータという。)を介して高電圧バッテリ60が接続されており、各種電装品62に供給される電力はコンバータ63によって所定の電圧(たとえば、12V)に降圧される。そして、図1に示すように、インバータ61、高電圧バッテリ60、コンバータ63は、車両後部に集約されている。
続いて、駆動ユニット11に組み付けられる冷却装置10について説明する。図3は冷却装置10の構成を示す概略図である。図3に示すように、冷却装置10はエンジン冷却系10aとモータ冷却系10bとを備えており、エンジン冷却系10aによってエンジン20が冷却され、モータ冷却系10bによって、駆動モータ21、ジェネレータ22、インバータ61、およびコンバータ63が冷却されるようになっている。エンジン冷却系10aとモータ冷却系10bとに形成される冷却回路65,66はそれぞれ別系統となっており、冷却回路65に沿ってエンジン20に冷却液が案内される一方、冷却回路66に沿って駆動モータ21やジェネレータ22等に冷却液が案内されるようになっている。
図1および図3に示すように、エンジンルーム12の前部には、エンジン用ラジエータ70とモータ用ラジエータ71とが設けられている。これらのラジエータ70,71は複数の放熱フィンを備えており。この放熱フィンの間に冷却風を流すことにより、エンジン20や駆動モータ21などから吸収した熱を外気に放出することが可能となっている。なお、図1および図3において、ラジエータ70,71に冷却風を送り込む冷却ファンは省略して図示している。
図3に破線の矢印で示すように、エンジン20とラジエータ70とは冷却配管65a,65bによって接続されており、これらの冷却配管65a,65bによってエンジン冷却系10aの冷却回路65が形成されている。冷却配管65aには図示しないポンプが設けられており、ポンプを駆動することによってエンジン20とラジエータ70との間で冷却液を強制的に循環させるようになっている。エンジン20内を通過する際に冷却液によって吸収された熱は、冷却液がラジエータ70を通過する際に冷却風に放出されるため、冷却液を所定の温度範囲に保つことができ、エンジン20を所定の温度範囲に保つことができる。なお、エンジン20を形成するシリンダヘッドやシリンダブロックには、冷却液を案内するための図示しないウォータジャケットが形成されている。
次いで、図3に実線の矢印で示すように、コンバータ63、インバータ61、駆動モータ21、ジェネレータ22、およびラジエータ71は、冷却配管66a〜66eを介して直列に接続されており、これらの冷却配管66a〜66eによってモータ冷却系10bの冷却回路66が形成されている。また、ラジエータ71とコンバータ63とを接続する冷却配管66aには、ポンプ72とリザーバタンク73とが組み込まれており、このリザーバタンク73に一時的に貯留される冷却液は、ポンプ72を介して吐出されることによって冷却回路66を強制的に循環するようになっている。ポンプ72から吐出される冷却液は、コンバータ63を介してインバータ61に供給され、これらの部位を冷却した後に駆動モータ21を介してジェネレータ22に供給される。そして、冷却液はラジエータ71を通過することによって放熱した後に、リザーバタンク73を介して再びポンプ72に供給されることになる。
リザーバタンク73は膨張室73aを備えており、この膨張室73aに流入した冷却液にエアが含まれていた場合には、膨張室73a内で冷却液とエアとが分離されるようになっている。そして、冷却液のみが膨張室73aの下部からポンプ72に供給されることになる。なお、冷却液が注水されるリザーバタンク73は冷却回路66の中で最も高い位置に搭載されており、リザーバタンク73からモータ冷却系10bの冷却回路66に冷却液を充填することができる。
循環する冷却液によって発熱部位21,22,60,63を冷却するため、図2に示すように、ジェネレータ22を形成するジェネレータケース29や、駆動モータ21を形成するモータケース40には、内部流路であるウォータジャケット29a,40aが形成されている。また、インバータ61やコンバータ63には図示しないヒートシンクが組み付けられ、このヒートシンクにもウォータジャケットが形成されている。これらのウォータジャケット29a,40aに冷却液を案内することにより、通電によって発熱するコンバータ63、インバータ61、駆動モータ21およびジェネレータ22を冷却して所定の温度範囲に保つことができ、安定した性能を発揮させることが可能となっている。なお、ジェネレータケース29やモータケース40は放熱性の良いアルミニウム製となっている。
このようなウォータジャケット29a,40aに案内される冷却液は、ラジエータ71を経て冷却された後に、まず、発熱量の少ないコンバータ63やインバータ61に供給され、続いて、発熱量の多い駆動モータ21やジェネレータ22に供給されることになる。このため、コンバータ63やインバータ61の温度とこれらを冷却する冷却液温との温度差を適切に設定することができるとともに、駆動モータ21やジェネレータ22の温度とこれらを冷却する冷却液温との温度差を適切に設定することができ、コンバータ63、インバータ61、駆動モータ21、そしてジェネレータ22のそれぞれを効率良く冷却することができる。
このように、冷却回路66に沿って冷却液を強制的に循環させることにより、駆動モータ21やジェネレータ22の温度を適切な範囲に保つようにしているが、図1および図3に示すように、モータ冷却系10bにあっては、多くの発熱部位を備えており、冷却回路66が車両全体に渡って張り巡らされるようになっている。このように複雑な冷却回路66を循環する冷却液に対して、万一、エアが混入した場合には、冷却回路66内のエア溜まりにエアが滞ることになり、冷却装置10の冷却性能を低下させることになる。
ここで、図4はジェネレータケース29のウォータジャケット29aを概略的に示す断面図である。図4に示すように、ウォータジャケット29aはステータ22bを周方向に囲うように環状に形成されており、冷却配管66dが接続される入力ポート29bと、冷却配管66eが接続される出力ポート29cとは、ジェネレータケース29の側部に形成されている。つまり、入力ポート29bを介して供給される冷却液は、ウォータジャケット29a内で上下方向に分かれて流れた後に、再び合流して出力ポート29cから冷却配管66eに流れ込むようになっている。このようなウォータジャケット29aを流れる冷却液に対して、万一、エアが混入していた場合には、ウォータジャケット29aの上部にエアが溜まることになる。なお、モータケース40のウォータジャケット40aも同様の形状を有している。
そこで、図2に示すように、ジェネレータケース29とモータケース40とには、ウォータジャケット29a,40aの上部に連通する排出ポート75,76が形成されている。この排出ポート75,76には排出配管77,78の一端が接続されており、排出配管77,78の他端はリザーバタンク73に接続されている。つまり、ウォータジャケット29a,40aとリザーバタンク73とは、排出ポート75,76と排出配管77,78とにより形成される排出流路を介して連通するようになっており、ウォータジャケット29a,40aの上部を流れる冷却液の一部は、排出配管77,78を介してリザーバタンク73に流出することになる。また、排出ポート75,76には流路を絞るオリフィス部75a,76aが形成されており、排出配管77,78を流れる冷却液の流量が制限されるようになっている。なお、オリフィス部75a,76aを形成する部位としては、排出ポート75,76に限られることはなく、排出配管77,78にオリフィス部を形成しても良い。
このように、ウォータジャケット29a,40aとリザーバタンク73とを排出配管77,78を介して連通することにより、冷却液にエアが混入していた場合であっても、ウォータジャケット29a,40aの上部にエアが溜まってしまうことがなく、排出配管77,78を介して冷却液と共にエアをリザーバタンク73に排出し、冷却液とエアとを分離することができるため、冷却性能を高レベルに維持することが可能となる。また、ウォータジャケット29a,40aとリザーバタンク73とは排出配管77,78を介して常に連通することになるが、排出ポート75,76に形成されるオリフィス部75a,76aを介して冷却液の流量は制限されるため、冷却回路66を流れる冷却液の流量が低下してしまうことはなく、冷却装置10の冷却性能を低下させてしまうことはない。さらに、オリフィス部75a,76aを形成することにより、流量を増大させることなく排出配管77,78の配管抵抗を抑制することができるため、エアを含む冷却液を確実に排出することが可能となる。
しかも、ジェネレータケース29やモータケース40の排出ポート75,76は、エンジン側つまり車両前方側に寄って形成されるため、ウォータジャケット29a,40aに溜まるエアを確実に排出することができる。つまり、図1に示すように、縦置きに配置される駆動ユニット11にあっては、エンジン20がトランスファケース41よりも高くなるように傾斜した状態で搭載されるため、ウォータジャケット29a,40aにおいても最上部の車両前方側にエアが集まることになる。したがって、エアの集まるウォータジャケット29a,40aの車両前方側に排出ポート75,76を連通することにより、確実に排出ポート75,76からエアを排出することが可能となっている。
さらに、ウォータジャケット29a,40aからエアが容易に排出される回路構造であるため、組立ラインにおいて冷却液を充填する際にも、真空充填などを行う必要はなく、簡易な定量充填によって冷却回路66内を冷却液で満たすことができる。これにより、製造コストを抑えながら車両品質を向上させることが可能となる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図示する駆動ユニット11は、シリーズ・パラレル式のハイブリッド車両に搭載される駆動ユニット11であるが、シリーズ式やパラレル式のハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットに本発明の冷却装置を適用するようにしても良い。
また、ハイブリッド車両に限られることはなく、駆動モータ21のみを備えた電気自動車の駆動ユニットに対して、本発明の冷却装置を適用するようにしても良い。さらに、四輪駆動用の駆動ユニット11に限られることはなく、二輪駆動用の駆動ユニットに対して本発明を冷却装置を適用しても良い。
本発明の一実施の形態である冷却装置が組み込まれたハイブリッド車両の駆動ユニットを示す概略図である。 駆動ユニットを示すスケルトン図である。 冷却装置の構成を示す概略図である。 ジェネレータケースのウォータジャケットを概略的に示す断面図である。
符号の説明
10 冷却装置
11 駆動ユニット
20 エンジン
21 駆動モータ
22 ジェネレータ
29a ウォータジャケット(内部流路)
40a ウォータジャケット(内部流路)
66 冷却回路
71 モータ用ラジエータ(ラジエータ)
73 リザーバタンク
75 排出ポート(排出流路)
75a オリフィス部
76 排出ポート(排出流路)
76a オリフィス部
77 排出配管(排出流路)
78 排出配管(排出流路)

Claims (4)

  1. 冷却液が流れる内部流路を備え、駆動輪を駆動する駆動モータと、
    冷却液の熱を外気に放出するラジエータと、
    前記駆動モータと前記ラジエータとを接続し、前記駆動モータと前記ラジエータとの間で冷却液を循環させる冷却回路と、
    前記冷却回路に組み込まれ、冷却液を貯留するリザーバタンクと、
    前記駆動モータと前記リザーバタンクとの間に設けられ、前記内部流路の上部から前記リザーバタンクに冷却液を案内する排出流路とを有することを特徴とする電動車両の冷却装置。
  2. 請求項1記載の電動車両の冷却装置において、
    冷却液が流れる内部流路を備えるとともに前記冷却回路に組み込まれ、エンジンに駆動されるジェネレータと、
    前記ジェネレータと前記リザーバタンクとの間に設けられ、前記内部流路の上部から前記リザーバタンクに冷却液を案内する排出流路とを有することを特徴とする電動車両の冷却装置。
  3. 請求項1または2記載の電動車両の冷却装置において、前記排出流路にオリフィス部を設け、前記排出流路に案内される冷却液の流量を制限することを特徴とする電動車両の冷却装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電動車両の冷却装置において、前記駆動モータが組み込まれる駆動ユニットを縦置きに搭載し、前記排出流路を前記内部流路の車両前方側に連通させることを特徴とする電動車両の冷却装置。

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