JP2008126847A - Cooling structure of fuel cell electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池車両の冷却構造に関する。 The present invention relates to a cooling structure for a fuel cell vehicle.
電気自動車等においては搭載された走行用バッテリを車体前端部から取り入れた外気により冷却するようにしたものがある。このバッテリは車体の左右に前後方向に沿って配置されたサイドフレームを中空状に形成し、このサイドフレームの前端部に外気取り入れ口を設けると共に後端部に排出口を設け、車体中央部に設けた走行用バッテリの収納部にサイドフレームから分岐した通路を接続して、サイドフレームから取り入れた外気により走行用バッテリの収納部内を冷却するものである(特許文献1参照)。
ところで、燃料電池車両においても電気自動車と同様に燃料電池スタックや高圧バッテリ等の熱源部品を備えているため、上述した従来の冷却構造を採用することもできるが、同じ仕様の走行用バッテリを複数搭載した電気自動車とは異なり、異なる熱源部品を備えている燃料電池車両では単純に一箇所で冷却できないという問題がある。
つまり熱源部品は各部品毎に異なる熱負荷を持っているため、それぞれを別個に冷却する必要がある。また、各部品毎に別々に収納部を設けて冷却することも考えられるが、直接外気を熱源部品に当てることにより冷却するだけでは、車体骨格部や各部品の配置が制約を受け、熱源部品の多い燃料電池車両等では設計の自由度が低下するという問題がある。
By the way, since the fuel cell vehicle includes the heat source components such as the fuel cell stack and the high voltage battery as in the case of the electric vehicle, the conventional cooling structure described above can be adopted. Unlike a mounted electric vehicle, a fuel cell vehicle having different heat source components has a problem that it cannot be simply cooled in one place.
That is, since the heat source components have different heat loads for each component, it is necessary to cool each component separately. In addition, it is conceivable to provide a separate storage unit for each part for cooling, but simply cooling by directly applying external air to the heat source part restricts the arrangement of the vehicle body frame and each part, and the heat source part There is a problem that the degree of freedom of design is reduced in a fuel cell vehicle or the like having a large amount of fuel.
そこで、この発明は、異なる熱源部品に対応して効果的に冷却を行うことができる燃料電池車両の冷却構造を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a cooling structure for a fuel cell vehicle capable of effectively performing cooling corresponding to different heat source components.
上記目的を達成するために、請求項1に記載した発明は、車体の左右に前後方向に沿って車体骨格部材である中空のサイドフレーム(例えば、実施形態におけるサイドフレーム8)を設け、このサイドフレームの前端部に吸気口(例えば、実施形態における吸気口18、吸気口15)を後端部に排気口(例えば、実施形態における排気口16)を設け、これら左右のサイドフレーム間に車体骨格部材である中空のクロスメンバ(例えば、実施形態における前フロントクロスメンバ25、斜めクロスメンバ29、後フロアクロスメンバ39、エンドフロアクロスメンバ44)を配置し、このクロスメンバと前記サイドフレームとをジョイントダクト(例えば、実施形態における吸気口ジョイントダクト17、前部ジョイントダクト30、連結ジョイントダクト34、車室ジョイントダクト40、40’)により連通接続して車体フレームを構成し、前記ジョイントダクトは前記サイドフレーム及び前記クロスメンバ内に冷却風を発生させるファン(例えば、実施形態におけるファン24)を備えると共に前記サイドフレーム及び前記クロスメンバへ冷却風を配風するバルブ(例えば、実施形態におけるバルブ22)を有し、前記車体フレームの熱源部品(例えば、実施形態におけるモータ4、燃料電池スタック5、バッテリ6)配置部位と前記車体フレームとの間を伝熱可能に接続する伝熱プレート(例えば、実施形態におけるモータ取り付けブラケット47、スタック取り付けブラケット49、バッテリ取り付けブラケット51)を設け、各熱源部品の温度状況に応じて前記ファンと前記バルブとを制御する制御装置(例えば、実施形態における制御装置54)を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、車体骨格部材としての車体フレームに冷却用のダクトとしての機能を併せ持たせることができる。
In order to achieve the above object, the invention described in
By comprising in this way, the function as a duct for cooling can be given to the body frame as a body frame member.
請求項1に記載した発明によれば、車体骨格部材としての車体フレームに冷却用のダクトとしての機能を併せ持たせることができるため、車両全体での冷却能力の向上を図ることができるという効果がある。したがって、既存の冷却システムの小型化を図ることができるため、小型、軽量化が可能となる効果がある。 According to the first aspect of the present invention, since the vehicle body frame as the vehicle body skeleton member can be provided with a function as a cooling duct, the cooling capacity of the entire vehicle can be improved. There is. Therefore, since the existing cooling system can be reduced in size, it is possible to reduce the size and weight.
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1に示すように、燃料電池車両1は、ダッシュパネル2の前側に隔成された車体前部のパワープラントルーム3に走行用のモータ(ドライブモータ(DM))4が、車室内にはフロアトンネル下に燃料電池スタック(FC)5が、燃料電池スタック5の後方にはバッテリ(BAT)6が配置されている。
ここで、燃料電池スタック5は、供給される水素と酸素との電気化学反応によって発電を行うものであり、この発電により生じた電力でモータ4を駆動して走行する。燃料電池スタック5は、車体後部のリヤフロアのフロアトンネル部下に配置され、車体後部に設けた水素タンクから供給される水素ガスと、車体前部に設けたコンプレッサから供給される空気中の酸素により発電を行う。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a
Here, the
図2、図3に示すように、燃料電池車両1は車体の左右に前後方向に沿って車体骨格部材である中空のサイドフレーム8,8を備えている。各サイドフレーム8は、パワープラントルーム3の下部に配置された前部フレーム9と、車室内に前後に配置された車室前フレーム10と車室後フレーム11と、ラゲッジルーム下の後部フレーム12とを備えている。尚、これら前部フレーム9、車室前フレーム10、車室後フレーム11、及び後部フレーム12は中空のアルミニウム材料から形成されている。
車室前フレーム10は前端部が段差部13を介して立ち上がり前部フレーム9に連通し、後部フレーム12は前端部が段差部14を介して前側に下がり、車室後フレーム11に連通している。
左右の前部フレーム9の前端部には吸気口15が形成され、左右の後部フレーム12の後端部には排気口16が形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
The
An
左右の前部フレーム9の前端部には吸気口ジョイントダクト17が取り付けられている。図4に示すように、吸気口ジョイントダクト17は前側に吸気口18を後側に後開口部19を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、吸気口18にはこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット20がボルト21により固定され、吸気口18がバルブ22により開閉可能に構成されている。また、後開口部19にはファンユニット23がボルト21により固定され、ファン24により冷却風を発生して後開口部19から下流に配風できるようになっている。ここで、左右の前部フレーム9の前端部の吸気口ジョイントダクト17間には、両者に跨り車体骨格部材である中空のアルミニウム材からなる前フロントクロスメンバ25が接合されている。尚、ファンユニット23とバルブユニット20とは吸気口ジョイントダクト17の上部差し込み口26から挿入されて組み付けられている。ここで、ファンユニット23にはファン24を駆動するファンモータ27が設けられ、バルブユニット20にはバルブ22を駆動するバルブ駆動モータ28が設けられている(以下同様)。
An
左右の前部フレーム9,9間には、前部フレーム9の後端部に車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の斜めクロスメンバ29,29が斜め前方内側に向かって各々配置され、各斜めクロスメンバ29の前端部は前部ジョイントダクト30に各々連通接続されている。尚、各斜めクロスメンバ29の後端部は車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のサポートクロスメンバ31により連結されている。
Between the left and
図6に示すように、前部ジョイントダクト30は前側に前開口部32を両側部に側部開口部33,33を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、各側部開口部33には、これらを開閉するバタフライ型のバルブユニット20が各々ボルト21により固定され、各側部開口部33がバルブ22により開閉可能に構成されている。また、前部ジョイントダクト30の前開口部32にはファンユニット23がボルト21により固定され、ファン24により冷却風を発生して側部開口部33から下流に配風できるようになっている。尚、上記ファンユニット23とバルブユニット20とは前部ジョイントダクト30の上部差し込み口26から挿入されて組み付けられている。
各斜めクロスメンバ29の後端部と前部フレーム9の後端部と車室前フレーム10の前端部との間には連結ジョイントダクト34l,34rが連通接続されている。
As shown in FIG. 6, the
図5は左側の連結ジョイントダクト34lを示している。尚、右側の連結ジョイントダクト34rと左側の連結ジョイントダクト34lとは勝手反対であるので、左側の連結ジョイントダクト34lを例にして説明する。
図5に示すように、連結ジョイントダクト34lは前側に前開口部35を、内側に側部開口部36を、後側に後開口部37を各々備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、側部開口部36には、これを開閉するバタフライ型のバルブユニット20がボルト21により固定され、側部開口部36がバルブ22により開閉可能に構成されている。
FIG. 5 shows the left connection joint duct 34l. Since the right connecting
As shown in FIG. 5, the connecting joint duct 34l is a member made of a hollow aluminum material provided with a
また、連結ジョイントダクト34lの前開口部35にもこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット20がボルト21により固定され、前開口部35がバルブ22により開閉可能に構成されている。連結ジョイントダクト34lの前開口部35が前部フレーム9の後端部に接続され、側部開口部36が斜めクロスメンバ29の後端部に接続され、後開口部37が車室前フレーム10の前端部に接続されている。尚、ファンユニット23とバルブユニット20とは連結ジョイントダクト34lの上部差し込み口26から挿入されて組み付けられている。
Also, a butterfly
左右の車室前フレーム10,10間には、前端部の段差部13の後部に、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の前フロアクロスメンバ38が接続されている。
各車室前フレーム10,10間には、各々の後端部に車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空の後フロアクロスメンバ39が配置され、後フロアクロスメンバ39の各端部と、車室前フレーム10の後端部と、車室後フレーム11の前端部との間には車室ジョイントダクト40l,40rが連通接続されている。
A hollow front
A hollow rear
図7は左側の車室ジョイントダクト40lを示している。尚、右側の車室ジョイントダクト40rと左側の車室ジョイントダクト40lとは勝手反対であるので、左側の車室ジョイントダクト40lを例にして説明する。
図7に示すように、車室ジョイントダクト40lは前側に前開口部41を、内側に側部開口部42を、後側に後開口部43を備えた中空のアルミニウム材からなる部材であって、側部開口部42には、これを開閉するバタフライ型のバルブユニット20がボルト21により固定され、側部開口部42がバルブ22により開閉可能に構成されている。
FIG. 7 shows the left-hand compartment joint duct 40l. Since the right side
As shown in FIG. 7, the passenger compartment joint duct 40l is a member made of a hollow aluminum material having a front opening 41 on the front side, a side opening 42 on the inside, and a
また、車室ジョイントダクト40の後開口部43にはこれを開閉するバタフライ型のバルブユニット20がボルト21により固定され、側部開口部42がバルブ22により開閉可能に構成されている。車室ジョイントダクト40の前開口部41が車室前フレーム10の後端部に接続され、側部開口部42が後フロアクロスメンバ39の端部に接続され、後開口部43が車室後フレーム11の前端部に接続されている。尚、上記ファンユニット23とバルブユニット20とは車室ジョイントダクト40の上部差し込み口26から挿入されて組み付けられている。
A butterfly-
左右の車室後フレーム11,11間には、後端部に、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のエンドフロアクロスメンバ44が接続されている。このエンドフロアクロスメンバ44の各端部と、車室後フレーム11の後端部と、後部フレーム12の前端部との間には前述した車室ジョイントダクト40と同様の構成の車室ジョイントダクト40’(40l’、40r’)が連通接続されている。この車室ジョイントダクト40’の各前開口部41が各車室後フレーム11の後端部に接続され、各側部開口部42がエンドフロアクロスメンバ44の各端部に接続され、各後開口部43が各後部フレーム12の前端部に接続されている。
左右の後部フレーム12,12間には、両者に跨り車体骨格部材であるアルミニウム材からなる中空のリヤクロスメンバフロント45とリヤクロスメンバリヤ46が前後に接続されている。そして、後部フレーム12,12の後端部には、排気口16が形成されている。
A hollow end
Between the left and right rear frames 12, 12, a hollow rear
ここで、斜めクロスメンバ29には前側に延出する一対のモータ取り付けブラケット47,47が接合され、このモータ取り付けブラケット47,47の前端部がボルト孔48を備えたモータ設置部として構成されている。また、前フロアクロスメンバ38には前側に延出する一対のスタック取り付けブラケット49,49が接合され、このスタック取り付けブラケット49の前端部がボルト孔50を備えたスタック設置部として構成されている。そして、後フロアクロスメンバ39には前側に延出する一対のバッテリ取り付けブラケット51,51が接合され、このバッテリ取り付けブラケット51の前端部がボルト孔52を備えたバッテリ設置部として構成されている。
Here, a pair of
これらモータ取り付けブラケット47,47にモータ4が、スタック取り付けブラケット49,49に燃料電池スタック5が、バッテリ取り付けブラケット51,51にバッテリ6が熱伝導率を高めるために各々図示しないボルトにより各ボルト孔48,50,52に直付けされている。尚、これらモータ取り付けブラケット47、スタック取り付けブラケット49及びバッテリ取り付けブラケット51は共に熱伝導率の高い材質、例えばアルミニウム材料で形成されている。
The
図8に示すように、モータ4、燃料電池スタック5及びバッテリ6には温度センサ53が各々取り付けられ、各温度センサ53の検出信号は制御装置(ECU)54に入力されるようになっている。また、制御装置54にはワイパースイッチ(WS)55が接続され、ワイパーの作動非作動を検出するようになっている。
そして、前述した吸気口ジョイントダクト17、前部ジョイントダクト30、連結ジョイントダクト34l,34r、車室ジョイントダクト40l,40r、40l’,40r’、のファンユニット23のファンモータ27及びバルブユニット20のバルブ駆動モータ28は制御装置54により駆動制御可能に接続されている。尚、56はラジエータを示す(図9〜図12においては図示略)。
As shown in FIG. 8,
And the
ここで、制御装置54には燃料電池車両1の熱源部品の冷却に関して複数のモードが設定され、車両の運転状態等に応じた冷却運転モードを採用することにより最大の冷却効果を発揮できるようになっている。ここで、熱源部品は、モータ4、燃料電池スタック5及びバッテリ6である。尚、熱源部品としてのモータ4には駆動回路を含めてもよい。
この冷却運転モードには、燃料電池システム停止時や、雨天時(ワイパー作動時)に外気温が著しく低くなる場合において過剰な冷却が行われないようにしたオーバークール回避モード、通常走行時等の燃料電池スタックに対する負荷が大きい通常モード、長い上り坂等モータ負荷が大きい場合のモータ負荷大モード、始動直後等の燃料電池スタック負荷が小さくバッテリ負荷が大きい場合の始動モードが設定されている。
Here, a plurality of modes are set in the
This cooling operation mode includes an overcool avoidance mode in which excessive cooling is not performed when the fuel cell system is stopped or when the outside air temperature is extremely low during rainy weather (when the wiper is activated), normal driving, etc. A normal mode in which the load on the fuel cell stack is large, a motor load large mode in the case where the motor load is large such as a long uphill, and a start mode in which the fuel cell stack load is small and the battery load is large, such as immediately after starting, are set.
図9〜図12に基づいて、冷却運転モードについて説明する。
図9はオーバークール回避モードを示している。このモードが選択される条件としては、燃料電池スタック5が発電を停止している時や、雨天時(ワイパースイッチ55がオン)であって、かつ外気温が著く低い場合である。
このような場合に冷却運転を行うと過冷却となるためこれを防止する必要から、吸気口ジョイントダクト17の吸気口18をバルブ22で閉鎖することでサイドフレーム8の吸気口15を閉塞する。また、吸気口ジョイントダクト17及び前部ジョイントダクト30の各ファンユニット23のファン24を停止する。また、前部ジョイントダクト30のバルブ22により側部開口部33を閉塞する。これにより、冷却風がサイドフレーム8に流れ込むことはなく、モータ4、燃料電池スタック5及びバッテリ6の過冷却は防止される。
The cooling operation mode will be described based on FIGS.
FIG. 9 shows the overcool avoidance mode. The conditions for selecting this mode are when the
In such a case, if the cooling operation is performed, it is overcooled, and this needs to be prevented. Therefore, the
図10は通常モードを示している。このモードが選択される条件としては、燃料電池スタック5に対する負荷が大きい通常運転時である。この場合には、右側の吸気口ジョイントダクト17ではバルブ22により吸気口18を開放してファン24を駆動し、前部ジョイントダクト30のバルブ22により各側部開口部33を閉塞し、連結ジョイントダクト34rのバルブ22により前開口部35を開放し、側部開口部36を閉塞しておく。尚、このとき左側の吸気口ジョイントダクト17ではバルブ22により吸気口18を閉塞しておく。
FIG. 10 shows the normal mode. The condition for selecting this mode is during normal operation when the load on the
また、右側の車室ジョイントダクト40rではバルブ22により側部開口部42を開放し、バルブ22により後開口部43を閉塞する。更に、左側の車室ジョイントダクト40lではバルブ22により側部開口部42を開放し、バルブ22により後開口部43を開放している。
更に、後側の左側の車室ジョイントダクト40l’ではバルブ22により側部開口部42を閉塞し、バルブ22により後開口部43を開放している。
したがって、この通常モードでは、前側から取り入れた走行風により後フロアクロスメンバ39を冷却し、これによりスタック取り付けブラケット49,49を介して負荷が大きいため高温となっている燃料電池スタック5を効果的に冷却できる。このとき、モータ4とバッテリ6が燃料電池スタック5の放熱雰囲気に晒されることはない。
尚、後フロアクロスメンバ39の左から右へ流れる冷却風により燃料電池スタック5を冷却するようにしてもよい。
Further, in the right side joint
Further, in the left-side compartment joint duct 40 l ′ on the rear side, the
Therefore, in this normal mode, the rear
Note that the
図11はモータ負荷大モードを示している。このモードが選択されるのはモータ4に著しく大きな負荷がかかる場合である。この場合には、モータ4を効果的に冷却する必要があるため、左右の吸気口ジョイントダクト17のバルブ22により吸気口18を閉塞して各サイドフレーム8の吸気口15を閉塞する。また、前部ジョイントダクト30のファン24を駆動しバルブ22により側部開口部33を開放し、左右の連結ジョイントダクト34l,34rのバルブ22により側部開口部36を開放する。そして、左右の車室ジョイントダクト40l,40rではバルブ22により側部開口部42を閉塞し、バルブ22により後開口部43を開放する。更に、左右の後側の車室ジョイントダクト40l’,40r’でもバルブ22により側部開口部42を閉塞し、バルブ22により後開口部43を開放する。
FIG. 11 shows the motor load large mode. This mode is selected when a very large load is applied to the
したがって、このモータ負荷大モードでは、モータ4の熱がモータ取り付けブラケット47,47により伝達された斜めクロスメンバ29内を冷却風が流れ、かつモータ4の周囲の雰囲気をファン24が積極的に取り込んで後方に流すため、モータ4を効果的に冷却することができる。尚、このとき燃料電池スタック5、バッテリ6はこの冷却風に晒されることがないため、モータ4の放熱雰囲気の影響を受けることはない。
Therefore, in this motor load large mode, the cooling air flows through the
図12は始動モードを示している。このモードが選択される条件としては、始動直後等の燃料電池スタック負荷が小さくバッテリ負荷が大きい場合である。この場合には、右側の吸気口ジョイントダクト17ではバルブ22により吸気口18を開放してファン24を駆動し、前部ジョイントダクト30のバルブ22により各側部開口部33を閉塞し、連結ジョイントダクト34rのバルブ22により前開口部35を開放し、側部開口部36を閉塞しておく。尚、このとき左側の吸気口ジョイントダクト17ではバルブ22により吸気口18を閉塞しておく。
また、右側の車室ジョイントダクト40rではバルブ22により側部開口部42を閉塞し、バルブ22により後開口部43を開放する。
FIG. 12 shows the start mode. The condition for selecting this mode is when the fuel cell stack load is small, such as immediately after startup, and the battery load is large. In this case, in the right inlet
Further, in the right side joint
そして、後側の右側の車室ジョイントダクト40r’ではバルブ22により側部開口部42を開放し、バルブ22により後開口部43を閉塞する。更に、左側の車室ジョイントダクト40l’ではバルブ22により側部開口部42を開放し、バルブ22により後開口部43を開放している。
したがって、この始動モードでは、前側から取り入れた走行風によりエンドフロアクロスメンバ44を冷却し、これによりバッテリ取り付けブラケット51,51を介して負荷が大きいため高温となっているバッテリ6を効果的に冷却できる。このとき、モータ4と燃料電池スタック5がバッテリ6の放熱雰囲気に晒されることはない。
尚、エンドフロアクロスメンバ44の左から右へ流れる冷却風によりバッテリ6を冷却するようにしてもよい。
Then, in the right-side compartment
Therefore, in this starting mode, the end
The
上記実施形態によれば、車体フレームである車体骨格部材としての、サイドフレーム8、斜めクロスメンバ29、後フロアクロスメンバ39、エンドフロアクロスメンバ44を冷却風を流過させるダクトとして有効利用し、かつ、モータ取り付けブラケット47,スタック取り付けブラケット49,バッテリ取り付けブラケット51により熱源部品であるモータ4、燃料電池スタック5、バッテリ6を個別に他に影響を与えないで冷却することができるため、各部品を効果的に冷却することができる。したがって、サイドフレーム8、斜めクロスメンバ29、後フロアクロスメンバ39、エンドフロアクロスメンバ44の配置自由度にも影響を与えず、ラジエータ56を小型化しても十分に冷却性能を確保できので、冷却システムの小型、軽量化を図ることができる。
According to the above-described embodiment, the
4 モータ(熱源部品)
5 燃料電池スタック(熱源部品)
6 バッテリ(熱源部品)
8 サイドフレーム
15 吸気口
16 排気口
17 吸気口ジョイントダクト
18 吸気口
22 バルブ
24 ファン
25 前フロントクロスメンバ
29 斜めクロスメンバ
30 前部ジョイントダクト
34 連結ジョイントダクト
39 後フロアクロスメンバ
40 車室ジョイントメンバ
44 エンドフロアクロスメンバ
47 モータ取り付けブラケット(伝熱プレート)
49 スタック取り付けブラケット(伝熱プレート)
51 バッテリ取り付けブラケット(伝熱プレート)
54 制御装置
4 Motor (heat source parts)
5 Fuel cell stack (heat source parts)
6 Battery (heat source component)
8
49 Stack mounting bracket (heat transfer plate)
51 Battery mounting bracket (heat transfer plate)
54 Control device
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