JP2008505010A - ハイブリッド牽引車および不斉地用車両の高温バッテリシステム - Google Patents

Abstract

【課題】広い範囲の温度で動作する、牽引車および不斉地用車両の高温バッテリおよびシステムを提供する。
【解決手段】ハイブリッドエネルギ不斉地用車両に積載される蓄電バッテリシステムであって、車両で生成される電力が、選択された時に蓄電バッテリシステムに貯蔵され、車両を推進するために主電動機への伝達のために蓄電バッテリシステムから放電され、車両およびバッテリシステムが、ある範囲の環境条件にさらされる、蓄電バッテリシステムを提供する。貯蔵バッテリシステムは、電力を貯蔵し、解放する少なくとも１つのバッテリを含み、この少なくとも１つのバッテリは、車両およびこの少なくとも１つのバッテリの最高環境温度と独立であり、これを超える内部バッテリ動作温度を生成する。
【選択図】図１

Description

政府の関与
本開示は、米国エネルギー省認定の契約番号ＤＥ−ＦＣ０４−２００２ＡＬ６８２８４の下で米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は、本開示においてある権利を有する。

本開示は、全般的に、牽引車、大型掘削機、ダンプトラックなどの大型不斉地用車両に関連して使用される制御システムおよび制御方法に関する。具体的には、本開示は、ディーゼル電気牽引車および主電動機によって駆動される他の大型不斉地用車両によって作られる発電制動エネルギまたは過剰な原動機出力などの電気エネルギの貯蔵および転送に使用されるバッテリの温度を制御するシステムおよび方法に関する。

図１は、例示的な従来技術の牽引車１００のブロック図である。具体的に言うと、図１は、全体的に、たとえば両方がＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ社から市販されているＡＣ６０００（商標）またはＡＣ４４００（商標）などの通常の従来技術のディーゼル電気牽引車を反映したものである。図１に示されているように、牽引車１００には、オルタネータ／レクティファイヤ１０４を駆動するディーゼルエンジン１０２が含まれる。当技術分野で一般に理解されるように、オルタネータ／レクティファイヤ１０４は、インバータ１０６に直流電力を供給し、インバータ１０６は、直流電力を交流に変換して、トラックの主エンジンハウジングの下に取り付けられた主電動機１０８による使用に適する形をなす。１つの一般的な牽引車構成には、軸ごとに１つのインバータ／主電動機対が含まれる。図１には、例示のために２つのインバータ１０６が示されている。

厳密に言って、インバータは、直流電力を交流電力に変換する。レクティファイヤは、交流電力を直流電力に変換する。用語コンバータは、時々、インバータおよびレクティファイヤを指すのにも使用される。この形で供給される電力を、原動機電力（ｐｒｉｍｅ ｍｏｖｅｒ ｐｏｗｅｒ）（または主電力）と呼ぶ場合があり、オルタネータ／レクティファイヤ１０４を、原動機電力の供給源と呼ぶ場合がある。通常の交流ディーゼル電気牽引車応用例では、オルタネータからの交流電力が、まず整流される（直流に変換される）。整流された交流は、その後、インバートされて（たとえば、パルス幅変調器として動作する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはサイリスタなどの電力エレクトロニクスを使用して）、めいめいの主電動機１０８用の適当な形の交流電力を供給する。

当技術分野で理解されるとおり、主電動機１０８は、牽引力を供給して、牽引車１００および牽引車１００に取り付けられたロードビークル（ｌｏａｄ ｖｅｈｉｃｌｅ）などの他の車両を移動する。そのような主電動機１０８は、交流電気モーターまたは直流電気モーターとすることができる。直流主電動機を使用する時には、オルタネータの出力が、通常は、適当な直流電力を供給するために整流される。交流主電動機を使用する時には、オルタネータの出力が、通常は、直流に整流され、その後、主電動機１０８に供給される前に、三相交流にインバートされる。

主電動機１０８は、速度を制御するか牽引車１００の速度を下げるために制動力も供給する。これは、一般に発電制動と称し、一般に、当技術分野で理解されている。単純に言って、主電動機が、原動力を供給する必要がない時に、主電動機を再構成し（パワースイッチングデバイスを介して）、その結果、モーターが、発電機として動作するようになる。そのように構成された主電動機は、電気エネルギを生成し、これは、牽引車を低速にするという効果を有する。図１に示された牽引車などの従来技術の牽引車では、発電制動モードで生成されたエネルギが、通常、牽引車ハウジングに取り付けられた抵抗グリッド１１０に転送される。したがって、発電制動エネルギは、熱に変換され、このシステムから放散される。言い換えると、発電制動モードで生成された電気エネルギは、通常は浪費される。

通常の従来技術の直流牽引車では、発電制動グリッドが、主電動機に接続されることに留意されたい。しかし、通常の従来技術の交流牽引車では、発電制動グリッドが、直流トラクションバス１１２に接続される。というのは、各主電動機が、通常は関連するインバータによってバスに接続されるからである（図１を参照されたい）。

生成されたエネルギの浪費を避けるために、ハイブリッドエネルギ牽引車システムは、牽引車主電動機が発電制動モードで動作する時に生成される発電制動電気エネルギの少なくとも一部を捕獲し、再生成するためにエネルギ捕獲貯蔵システム（ｅｎｅｒｇｙ ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）１１４を含むように開発された。エネルギ捕獲貯蔵システム１１４は、牽引車の発電制動モードで生成される電気エネルギを捕獲し、貯蔵するだけではなく、牽引車活動を援助するために（すなわち、原動機出力を補足し、かつ／または置換するために）貯蔵されたエネルギを供給もする。エネルギ捕獲貯蔵システム１１４は、制動発電モード中に生成される電気エネルギを貯蔵するために、バッテリサブシステム、フライホイールサブシステム、またはウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ）サブシステムのうちの少なくとも１つの貯蔵サブシステム１１６とコンバータ１１８とを含むことが好ましい。他の貯蔵サブシステムが可能である。このエネルギの貯蔵および再利用は、牽引車の性能特性（燃料効率、馬力、エミッションなど）を改善する。例のハイブリッド牽引車と不斉地用車両とシステムとが、米国特許第６，５９１，７５８号、米国特許第６，６１２，２４５号、米国特許第６，６１２，２４６号、米国特許第６，６１５，１１８号、米国仮出願第１０／３７８，３３５号、米国仮出願第１０／３７８，４３１号、および米国仮出願第１０／４３５，２６１号に記載されており、これらのすべてが、本開示の譲受人に譲渡され、これらの内容は、参照によって本明細書に組み込まれている。

これらの車両は、温度変動を含む広い範囲の環境条件で動作しなければならない。外気温度の通常の範囲は、−４０Ｃから＋５０Ｃであり、一部の応用例では−５０Ｃおよび＋６０Ｃに拡張される。そのような車両で使用されるエネルギ貯蔵デバイス１１６の１つは、たとえば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム、リチウムイオン、ニッケル水素など、さまざまなタイプのバッテリである。バッテリ性能は、その内部温度に大きく依存する。たとえば、ニッケルカドミウムバッテリは、バッテリ温度が４０Ｃを超える場合または０Ｃ未満の場合に定格出力を下げる必要があり、−２０Ｃ未満および５５Ｃ超の場合に定格出力の低下を必要とする（いくつかの場合にほとんど動作不能になる場合がある）。牽引車動作のかなりの部分がこの範囲内なので、バッテリサイズを大幅に増やす必要があり、さもなければ、この温度動作中に使用法が劇的に制限される。さらに、バッテリの寿命も、悪影響を受ける。

同様に、他のタイプのバッテリは、異なる温度動作能力を有する。これらのバッテリは、通常、強制空冷によって、時々液冷（たとえば、循環水式システム）によって冷却され、液体自体は、後で空気によって冷却される。周囲温度範囲が、バッテリをその最適性能で動作させるには広いので、冷却空気を調整するか、性能を調整する、たとえば、バッテリの出力低下が必要である。低温動作中には、バッテリを冷却する前に空気を加熱して、バッテリ温度が低くなりすぎるのを防ぐ必要があり、さもなければ出力低下が必要になる。さらに、冷却気流が冷却作用を直接にまたはハイブリッドエネルギ貯蔵バッテリへの中間循環水式冷却液ループを介してもたらすために、気流の温度は、バッテリ温度未満でなければならない。牽引車および他の不斉地用車両が動作しなければならない周囲温度の範囲は、６０Ｃもの大きさになる場合があるので、高外気温度ハイブリッド車両動作は、ほとんどのエネルギ貯蔵テクノロジに関する課題を提示する。冷却空気を予冷する必要があるか、バッテリ性能を低下させるかのいずれかである。これらの冷却／加熱の動作およびシステムは、複雑であり、重量／サイズ／コストのペナルティを追加する。
米国特許第６，５９１，７５８号 米国特許第６，６１２，２４５号 米国特許第６，６１２，２４６号 米国特許第６，６１５，１１８号

したがって、冷却空気の予冷を必要としない、広い範囲の温度で動作する、牽引車および不斉地用車両の高温バッテリおよびシステムであって、前記システムが、最適性能を保証するためにバッテリの温度を制御することができる、高温バッテリおよびシステムの必要が存在する。

ハイブリッドエネルギ不斉地用車両を支持し、移動する車輪と、電力ジェネレータと、車輪を駆動する主電動機とを含むハイブリッドエネルギ不斉地用車両に積載される蓄電バッテリシステムであって、車両で生成される電力が、選択された時に蓄電バッテリシステムに貯蔵され、車両を推進するために主電動機への伝達のために蓄電バッテリシステムから放電され、車両およびバッテリシステムが、ある範囲の環境条件にさらされる、蓄電バッテリシステムを提供する。この貯蔵バッテリシステムは、電力を貯蔵し、解放する少なくとも１つのバッテリを含み、この少なくとも１つのバッテリは、車両の最高環境温度を超える内部バッテリ動作温度を生成する。

本開示のもう１つの態様では、ハイブリッドエネルギ不斉地用車両を支持し、移動する車輪と、電力ジェネレータと、車輪を駆動する主電動機とを含むハイブリッドエネルギ不斉地用車両に積載される蓄電バッテリシステムであって、車両で生成される電力が、選択された時に蓄電バッテリシステムに貯蔵され、車両を推進するために主電動機への伝達のために蓄電バッテリシステムから放電され、車両およびバッテリシステムが、ある範囲の環境条件にさらされる、蓄電バッテリシステムが提供され、この蓄電バッテリシステムは、電力を貯蔵し、解放する少なくとも１つのバッテリであって、バッテリが、車両およびバッテリシステムの環境温度を超える有効バッテリ温度を構成する、電力の有効な貯蔵および解放のための内部バッテリ温度で動作し、バッテリが、車両が長い時間期間の間に運転休止中である時にバッテリの有効内部動作温度未満の温度まで冷える、少なくとも１つのバッテリと、内部バッテリ温度を示すパラメータを感知するモニタと、車両が動作状態に戻された時にバッテリが効果的に動作する準備ができたままでいるようにするために、内部バッテリ温度が所定のレベル未満になる時にバッテリのその有効バッテリ温度までの加熱を制御するコントローラとを含む。

本開示の上記および他の態様、特徴、および利点は、添付図面と共に解釈される時に、次の詳細な説明に鑑みてより明白になる。

本開示の好ましい実施形態を、下で添付図面を参照して説明する。次の説明では、周知の機能または構造は、不必要な詳細で本開示を不明瞭にすることを避けるために、詳細には説明しない。

牽引車および大型不斉地用車両で使用されるバッテリ、バッテリ制御のシステムおよび方法を提供する。本開示のシステムおよび方法は、たとえば、２７０℃を超える温度で動作する塩化ナトリウムニッケル（Ｓｏｄｉｕｍ Ｎｉｃｋｅｌ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ）バッテリまたはもう１つの例として３５０℃を超える温度で動作するナトリウム硫黄バッテリなど、高い内部温度で動作するバッテリを利用する。これらのバッテリは、電気エネルギまたは電力の貯蔵および解放に、発熱反応などの化学反応を利用する。発熱反応は、車両の最高環境温度と独立でこれを超える内部動作温度を生成する。高温バッテリをハイブリッド不斉地用車両内で利用することによって、ハイブリッドエネルギ貯蔵バッテリに必要な冷却空気の予冷は不要である（最高周囲温度条件の下であっても）。従来のバッテリテクノロジは、最高周囲温度条件の下で出力を低下させなければならないか、最高周囲温度条件の下で熱遮断に使用される空気のある予冷を必要とするかのいずれかである。従来のバッテリは、５０℃の温度で短い時間期間の間に動作することはできるが、製造業者の寿命予測に合致するためには約３５℃未満で動作する必要がある。

これらの高温バッテリは、当初に加熱されることを必要とするが、動作している限り、バッテリは、高温を維持する。これらのバッテリは、動作しているならば、冷却を必要とする。牽引車の動作外気温度を超えて動作するすべてのバッテリは、使用可能な周囲の冷却空気を用いて、直接にまたは液体もしくはヒートシンク界面を介してのいずれかで効果的に冷却することができ、したがって、外気は、予冷を必要としない。有利なことに、空気または液体（たとえば、冷却液）の冷却は不要であり、それと同時に、高動作温度範囲中にバッテリの出力低下は不要である。

本開示のバッテリ制御システムと共に使用される冷却媒体および冷却回路／システムは、車両システムに一体化される。バッテリの冷却は、車両が出力を作っている（たとえば、モータリング、制動）時だけに必要（通常は）であり、他のトラクション機能および制御機能は、その期間中にも働いているので、トラクション／補助システムの冷却要件を一体化することができる。たとえば、冷却空気を、主電動機冷却ブロワから引き出すことができる。本バッテリは、高温（２５０〜３５０Ｃ）で動作するので、本バッテリを、予熱された空気（すなわち、電力エレクトロニクス、トラクションオルタネータ、主電動機、ラジエータ、附属艤装品などの他の構成要素を冷却した空気）によって冷却することができ、したがって、冷却システムを単純にすることができる。冷却媒体として水を使用することによって、バッテリ冷却をエンジンラジエータ水システムと一体化することも可能である。さまざまな可能な空冷／水冷システムを、下で説明する。

図２は、本開示のバッテリ制御システム２００の諸態様を示すシステムレベルブロック図である。具体的に言うと、図２には、図１に示されたハイブリッドエネルギ牽引車システム１００などのハイブリッドエネルギ牽引車システムと共に使用するのに適するバッテリ制御システム２００が示されている。しかし、図２に示されたバッテリ制御システム２００が、他の大型不斉地用車両と共に使用するのにも適することを理解されたい。そのような車両には、たとえば、大型掘削機、掘削ダンプトラック、および類似物が含まれる。さらなる例として、そのような大型掘削ダンプトラックは、ＧＥＢ２３（商標）などのモーター付き車輪、ＧＥ１５０ＡＣ（商標）駆動システムを使用する交流モーター付き車輪を使用することができる（この両方が、本発明の譲受人から販売されている）。したがって、図２を、一般に牽引車システムに関して説明するが、図２に示されたバッテリ制御システム２００を、牽引車応用例に限定されるものと考えてはならない。

図２に示されているように、ディーゼルエンジン１０２は、原動機電源１０４（たとえば、オルタネータ／レクティファイヤコンバータ）を駆動する。原動機電源１０４は、インバータ１０６に直流電力を供給することが好ましく、インバータ１０６は、三相交流電力を牽引車主電動機１０８に供給する。しかし、図２に示されたシステム２００を変更して、直流主電動機を動作させることもできることを理解されたい。複数の主電動機（たとえば、１軸あたり１つ）があり、各軸に複数の牽引車車輪１０９が結合されることが好ましい。言い換えると、各牽引車主電動機には、車輪に牽引力を供給する、関連する軸に結合された回転可能シャフトが含まれることが好ましい。したがって、各牽引車主電動機１０８は、牽引車に移動させるのに必要なモータリング力を、関連する複数の牽引車車輪１０９に供給する。

主電動機１０８が、発電制動モードで動作する時に、生成される電力の少なくとも一部が、バッテリ２０４などのエネルギ貯蔵媒体に送られる。バッテリ２０４が、発電制動エネルギのすべてを受け取り、かつ／または貯蔵できない範囲まで、過剰エネルギが、熱エネルギとしての放散のために制動グリッド１１０に送られることが好ましい。また、エンジン１０２が、主電動機１０８を駆動するのに必要なものより多いエネルギを供給するように動作している期間中に、過剰容量（過剰原動機電力とも称する）を、適宜、バッテリ２０４に貯蔵することができる。したがって、バッテリ２０４を、主電動機１０８が発電制動モードで動作している時以外の時に充電することができる。このシステムのこの態様は、図２では、破線２０１によって示され、ここで、インバータ１０６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図２には図示せず）として制御される。

図２のバッテリ２０４は、主電動機１０８に供給される電力を選択的に補うか、適宜、別々のエネルギ給仕車両またはロードビークルに関連する別々の主電動機に電力を与えるように構成され、配置されることが好ましい。そのような電力は、副電力と呼ぶことができ、バッテリ２０４に貯蔵された電気エネルギから引き出される。したがって、図２に示されたシステム２００は、オンボードエネルギ貯蔵媒体を有し、かつ／または別々のエネルギ給仕車両を伴う牽引車に関連する使用に適する。

システム２００には、バッテリの温度および／またはバッテリの充電／放電の制御など、バッテリ２０４に関連するさまざまな動作を制御するバッテリ制御システム２０２が含まれる。図２には、好ましくはバッテリ制御システム２０２によって制御されるオプションのエネルギ源２０３も示されている。オプションのエネルギ源２０３は、第２エンジン（たとえば、充電用エンジンまたは別の牽引車）またはバッテリ２０４充電用の完全に別々の電源（たとえば、バッテリ充電器などの路傍電源）とすることができる。１つの好ましい実施形態で、オプションのエネルギ源２０３は、原動機電源１０４からの主電力をも担持するトラクションバス（図２には図示せず）に接続される。

図３に示されているように、バッテリ制御システム２０２には、バッテリ制御プロセッサ２０６およびデータベース２０８が含まれることが好ましい。バッテリ制御プロセッサ２０６は、さまざまな環境条件、たとえばバッテリの外気温度を判定し、この環境情報を使用して、バッテリの内部温度を推定するためのデータベース２０８内のデータを突き止める。そのようなデータベース情報を、プロセッサ２０６に関連するオンボードデータベース、中央ソースから情報を供給する通信システム（たとえば、無線通信システム）、手動オペレータ入力、１つまたは複数の路傍シグナリングデバイスを介する、そのようなソースの組合せ、および類似物を含むさまざまなソースによって供給できることを理解されたい。最後に、車両のサイズおよび重量、原動機に関連する電力容量、効率レーティング、現在速度および予想される速度、現在のおよび予想される電気的負荷などの他の車両情報も、データベースに含め（またはリアルタイムもしくはほぼリアルタイムで供給し）、バッテリ制御プロセッサ２０６によって使用することができる。

バッテリ内部温度は、充電限界および放電限界を含むさまざまな制御判断、再加熱のためにエンジンを始動するか凍結させておくかの判断などに使用される。一般に、内部バッテリ温度は、センサのコストおよび複雑さに起因して測定が困難である。したがって、本開示のバッテリ制御プロセッサ２０６は、データベース２０８に保管された熱モデルを使用して内部バッテリ温度を推定する。この熱モデルは、潜在的なバッテリケース温度、外気温度／圧力、バッテリ充電／放電電流の時刻歴、およびバッテリ冷却ファン動作（冷却液温度／流量）の時刻歴を含むさまざまな入力に基づく。これらの入力は、バッテリモジュール内のバッテリセルの内部温度を推定するのに使用される。すべてのバッテリモジュールからの見積もられた内部バッテリ温度を使用して、熱モデルとの比較のために、少なくとも１つの選択されたモジュール内の実際の温度測定値と比較することができる。見積もられた温度が測定された温度からＸＸ℃だけ逸脱する場合に、適当な処置（出力低下、オペレータ布告、スケジュール保守など）を講じることができる。見積もられた温度が測定された温度からＹＹ℃だけ逸脱する場合に（ただし、ＹＹ＞ＸＸ、（たとえば、ＸＸの値を約５℃とすることができ、ＹＹの値を約１０℃とすることができる）、さらなる制限的段階を講じることができる。これには、バッテリ動作を使用不能にすることを含めることができる。バッテリ熱モデルは、バッテリ電流、バッテリ電圧、および正味積分アンペア時から計算されるＳＯＣの外部から感知された値を使用する。さらに、車両内のバッテリ充電中およびバッテリ放電中の最近のバッテリ使用の履歴および傾向が、現在のバッテリ温度を見積もるためにモデルの一部として使用される。さらに、バッテリの端子にまたがる抵抗を使用して、特定のＳＯＣでの温度モデルおよび／または抵抗を判定することができる。研究室でのさまざまな温度でのセルテストに基づく特性が、初期モデルを開発するのに使用される。初期熱モデルからの結果は、代表的な充電サイクルおよび放電サイクルについて、実際に感知されたバッテリ温度と比較される。モデルの洗練は、研究室テスト結果に基づいて行われる。

バッテリの熱モデルを決定したならば、バッテリ制御プロセッサ２０６は、たとえば、循環水式冷却システム２２２および空冷システム２２４から、さまざまなシステムパラメータを獲得し、バッテリ２０４の温度を制御するためにこれらのシステム内のさまざまなデバイスを制御する。冷却媒体は、複数の並列バッテリユニットを有するシステムで、各構成要素の温度が所定の限度内に制御される形で制御することができる。個々のバッテリユニットの並列動作は、一般に、牽引車応用例および不斉地用車両応用例に十分なバッテリ放電電力およびバッテリ再充電電力を得るために必要である。これは、下で説明するように、独立の温度／冷却システムレギュレータを含むさまざまな技法によって達成することができる。

図４Ａを参照すると、従来の循環水式エンジン冷却システム４００が示されている。そのようなシステムには、一般に、水またはたとえば冷却液などの他の冷却媒体を保持するウォータータンク４０２と、システムを通じて冷却液をポンピングするウォーターポンプ４０４と、エンジンの回りで冷却液を循環させることによってエンジンを冷却するエンジンウォータージャケット４０６とが含まれる。ウォータージャケットのディスチャージライン内に配置された温度センサ４１２は、冷却液が所定の温度を超えているかどうかを判定し、そうである場合には、弁４０８を、ラジエータ４１０を介して冷却液を循環させる位置にする。そうでない場合には、冷却液は、ウォータータンク４０２に直接に戻るように流れることを許される。

図４Ｂから４Ｄに、本開示の原理による循環水式冷却システムを示す。この循環水式冷却システムでは、高温バッテリ２０４に、バッテリを冷却するすなわちバッテリの温度を下げるためにウォータージャケットを含めることができる。図４Ｂでは、バッテリプロセッサ２０６が、バッテリの内部温度を判定したならば、プロセッサ２０６は、センサ４１２での冷却液の温度を獲得する。バッテリ２０４が冷却を必要とする場合に、プロセッサは、第１制御信号を弁４０８に、第２制御信号を弁４１４にそれぞれ送って、冷却液の流れの一部をバッテリにそらす。弁４０８および４１２を、単一の３方弁とすることができることを諒解されたい。バッテリ２０４が満足な温度に達した時に、プロセッサ２０６は、ラジエータ４１０への冷却液の十分な流れを有するように弁４０８および４１４を制御する。

図４Ｃは、本開示のバッテリ制御システムと共に使用される循環水式冷却システムのもう１つの実施形態である。図４Ｃでは、冷却液が、エンジンウォータージャケット４０６を介してエンジンを冷却する前に、弁４１４によってバッテリ２０４にそらされる。この場合に、バッテリに接触する冷却液は、図４Ｂに示された冷却液より低い温度であり、より多くの冷却をもたらすことができる。さらに、図４Ｃの循環水式システムには、冷却液がバッテリの冷却に使用可能であるかを判定するのにプロセッサ２０６によって使用される温度センサ４１６が含まれる。

図４Ｄに、本発明のバッテリ制御システムと共に使用される循環水式冷却システムのもう１つの実施形態を示す。第２ウォーターポンプ４１８は、バッテリ２０４に余分の容量を提供するように構成される。温度センサ４２０は、温度信号をプロセッサ２０６に送って、このプロセッサが、冷却液が冷却に使用可能であるかどうかを判定できるようにする。温度センサ４２２は、バッテリ２０４から排出された後の冷却液の温度を感知し、プロセッサは、この温度を使用して、排出冷却液を、ラジエータ４１０を介して冷却する必要があるか、あるいはウォータータンク４０２に送り返すことができるかを判定する。この判定に基づいて、プロセッサ２０６は、弁４１４を適当な位置に制御する。

図５Ａを参照すると、従来の強制空冷システム５００が示されている。そのようなシステムには、一般に、戸外の、周囲の、または調整された空気をシステム５００のさまざまな構成要素に向ける複数のエアダクト５００が含まれる。ブロワ５０４が、戸外の空気ＯＡを複数のスクリーンおよびフィルタ５０６を介して引き込み、戸外の空気ＯＡを電力エレクトロニクス５０８、オルタネータ５１０などのさまざまなシステム構成要素に供給して、これらの構成要素を冷却する。追加のフィルタ５１２は、戸外の空気ＯＡがオペレータの運転室または敏感なエレクトロニクス５１４に供給されている時に使用することができる。さらに、対応するスクリーンおよびフィルタ５１６を有する追加のブロワ５１８が、モーター５２０を直接に冷却するために空気を供給する。

図５Ｂから５Ｉに、本開示の原理による強制空冷システムを示す。図５Ｂでは、空気は、オルタネータ５１０の排気管からバッテリ２０４にダクトで送られる。図５Ｃでは、空気は、ブロワ５０４の排出側からバッテリ２０４に直接にダクトで送られ、図５Ｄでは、バッテリ２０４から排出された空気が、再生され、オルタネータ５１０を冷却するためにダクトで送り返される。図５Ｅでは、バッテリ２０４は、電力エレクトロニクス５０８とオルタネータ５１０との間にダクトでつながれ、図５Ｆでは、バッテリ２０４は、図５Ｅのように電力エレクトロニクスから排出された空気を受け取るが、バッテリ冷却後にその空気を単純に排出する。

図５Ｇに、戸外ＯＡまたは外気がバッテリ２０４に直接に供給される構成を示す。この構成は、たとえばより暖かい気候で最大の冷却が望まれる場合に有益である。バッテリ２０４に達する空気は、予熱されないので、バッテリは、最大の温度差を達成する。類似する構成を、図５Ｈに示す。この図では、並列バッテリボックスが、単一のブロワ５３０から供給され、バッテリ制御システムを介して独立に制御される。バッテリプロセッサは、上で説明したようにバッテリ温度を判定し、温度センサ５３２を介してブロワ排出温度を獲得する。バッテリ温度およびブロワ排出温度に基づいて、バッテリプロセッサは、ダンパ５３４および５３６を制御して、バッテリを冷却するのに適当な量の空気を供給する。

図５Ｉに示されたもう１つの実施形態では、バッテリによって加熱された空気を使用して、牽引車キャビンを加熱することができる。バッテリプロセッサ２０６は、空間温度センサ５４０を介してオペレータのキャビン内の温度を獲得し、温度センサ５４２を介してバッテリの排出温度を獲得する。次に、バッテリプロセッサ２０６は、バッテリ排出空気を使用してオペレータのキャビンを加熱できるかどうかを判定し、そうである場合には、ダンパ５４４を制御して、排出空気を適当なスクリーンおよびフィルタを介してオペレータのキャビンにそらす。代替案では、排出空気は、循環水式加熱システムに結合された熱交換器に向けられ、したがって、直接の空気転送は行われない。

図５Ｂから５Ｉが、バッテリの温度を制御するのにバッテリ制御システムと共に使用される空冷システムの単なる例示的構成であることと、多数の他の構成が可能であることを諒解されたい。バッテリ冷却システムを、独立型の循環水式冷却システム、独立型の空冷システム、または循環水式冷却と空冷の組合せシステムとすることができることも諒解されたい。

バッテリの内部温度は、伝統的な充電状態（ＳＯＣ）に加えて、充電速度および放電速度の制御にも使用される。バッテリ内部温度が、定義された動作温度範囲内である、たとえば、内部温度＞Ｔ１だが内部温度＜Ｔ２である場合に、バッテリプロセッサは、バッテリ端子電圧および充電状態（ＳＯＣ）が所定の限度を超えているならば、放電を許可する。同様に、内部温度＞Ｔ３だが内部温度＜Ｔ４である場合に、バッテリプロセッサは、バッテリ端子電圧および充電状態（ＳＯＣ）が所定の限度未満であるならば、再充電電流を許可する。一例は、バッテリプロセッサが、それぞれＴ１が２７０℃でありＴ２が３５０℃である場合に放電を許可することである。もう１つの例では、所定の高レートまでの再充電は、それぞれＴ３が２７０℃であり、Ｔ４が３２０℃であり、ＳＯＣの値がバッテリ満充電の７０％未満である場合に許可される。もう１つの例では、所定の低レートでの再充電は、それぞれＴ３が２７０℃であり、Ｔ４が３４０℃であり、ＳＯＣが１００％未満である場合に許可される。これらの例では、ＳＯＣは、バッテリに出入りする正味アンペア時を判定するためのバッテリ電流の積分を含む通常の形によって計算される。

牽引車および不斉地用車両は、日／年のかなりの部分の間に使用される。しかし、停止の期間中に、内部バッテリ温度は、所定の限度を超えたままでなければならない。本開示のバッテリ制御システム２０２は、さまざまなサブシステムと相互作用して、バッテリが暖かいままである、すなわち、所定の温度限度を超えたままであることを保証する。エンジンが停止している期間中に、バッテリ温度が所定の低温限度に達する場合に、バッテリ制御システムは、バッテリがそれ自体を暖かく保つことができるようにするために、バッテリが定義された高充電状態まで充電されるまで、エンジンを再始動する信号を送ることができる。牽引車は、通常は短い時間期間の間だけ停止されるので、バッテリのこの再加熱方法は、めったに期待されない。バッテリ制御システムは、バッテリを充電するために電力を供給するようにエンジン／オルタネータまたは補助電力源２０３に指示することができ、電力をバッテリ内部の電気加熱要素に供給するようにエンジン／オルタネータまたは補助源２０３に指示することができ、あるいは、一連のスイッチを介して、電気加熱要素に電力を与えるためにバッテリ自体の直流電力端子を使用することができる。さらに、エンジンの熱い排気ガスは、バッテリに熱を供給することができる。

スケジューリングされていない事象（たとえば、長い保守）に起因する長い停止の後に、バッテリを、外部手段を使用して加熱することができる。たとえば、バッテリを、バッテリプロセッサを介する適当な制御を用いて外部直流／交流電力によって熱く保つこともできる。もう１つの例として、バッテリ内に組み込まれた電気ヒーター要素を使用することができ、あるいは、車両自体の中のヒーター要素、たとえば発電制動グリッドを利用することができる。さらなる代替案として、バッテリを加熱する、バッテリ内の大量の内部損失を生じる形で、たとえば、急速充電とおそらくはそれに続く急速放電を介して、バッテリ端子に電力を印加することができる。上で述べた断熱／熱管理技法／冷却液温度制御を用いてバッテリを暖かく保つこの時間期間を延長することも可能である。

たとえば待避線での、牽引車および高温バッテリの長期間の休止中に、バッテリ温度がその内部電解質凍結温度の近くまで低下する可能性がある場合に、バッテリプロセッサ２０６は、たとえば温度センサなどの獲得された変数またはたとえば停止の時間などのオペレータが入力した情報に基づいて、バッテリを加熱するのにバッテリ内部エネルギを使用するか、あるいはバッテリを凍結させるかを判断する。牽引車が、７日など、指定された時間より以前には動作しないことがわかっている場合には、バッテリプロセッサは、バッテリを凍結させる。牽引車が、指定された時間より以前に動作すると期待される場合には、バッテリプロセッサは、たとえば追加のエネルギ源２０３が、バッテリを動作温度に保つためにバッテリを電気的に加熱することを可能にする。

本開示を、通常の実施形態で図示し、説明したが、本開示の趣旨からいかなる形でも逸脱せずに多数の変更および置換を行うことができるので、示された詳細に限定されることは意図されていない。したがって、本明細書で開示された開示のさらなる修正形態および同等物を、当業者は単に通常の経験を使用して思い浮かべることができ、そのような修正形態および同等物のすべてが、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨および範囲に含まれると考えられる。

従来のハイブリッド牽引車推進システムを示すブロック図である。 本開示のハイブリッドエネルギ推進システムの実施形態を示すブロック図である。 バッテリ制御システムを示すブロック図である。 従来の循環水式エンジン冷却システムを示すブロック図である。 本開示の原理による循環水式冷却システムを示すブロック図である。 本開示の原理による循環水式冷却システムを示すブロック図である。 本開示の原理による循環水式冷却システムを示すブロック図である。 従来の空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。 本開示の原理による空冷システムを示すブロック図である。

Claims (20)

1. ハイブリッドエネルギ不斉地用車両を支持し、移動する車輪と、電力ジェネレータと、前記車輪を駆動する主電動機とを含む前記ハイブリッドエネルギ不斉地用車両に積載される蓄電バッテリシステムであって、前記車両で生成される電力が、選択された時に前記蓄電バッテリシステムに貯蔵され、前記車両を推進するために前記主電動機への伝達のために前記蓄電バッテリシステムから放電され、前記車両およびバッテリシステムが、ある範囲の環境条件にさらされ、前記貯蔵バッテリシステムが、
   電力を貯蔵し、解放する少なくとも１つのバッテリ
   を含み、前記少なくとも１つのバッテリが、前記車両の最高環境温度を超える内部バッテリ動作温度を生成する
   システム。
2. 前記車両が、鉄道牽引車である、請求項１記載のシステム。
3. 前記バッテリ貯蔵システムが、前記牽引車に結合された牽引車給仕車内に配置される、請求項２記載のシステム。
4. 前記内部バッテリ動作温度が、約２７０℃から約３５０℃までである、請求項１記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つのバッテリが、塩化ナトリウムニッケルバッテリまたはナトリウム硫黄バッテリからなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つのバッテリに関連する少なくとも１つのパラメータを判定するプロセッサと、
   前記少なくとも１つのバッテリの複数の熱モデルを保管するデータベースであって、前記プロセッサが、前記バッテリに前記関連する少なくとも１つのパラメータに基づいて少なくとも１つの熱モデルを選択する、データベースと
   をさらに含む、請求項１記載のシステム。
7. 前記熱モデルが、前記バッテリの内部温度を示す、請求項６記載のシステム。
8. 前記バッテリに関連する前記少なくとも１つのパラメータが、潜在的なバッテリ内部ケース温度、外気温度／圧力、バッテリ充電／放電電流の時刻歴、およびバッテリ冷却ファン動作（冷却液温度／流量）の時刻歴である、請求項６記載のシステム。
9. 前記バッテリが、複数のバッテリセルを含む、請求項７記載のシステム。
10. 前記複数のバッテリセルのうちの少なくとも１つの温度を感知する少なくとも１つの温度センサをさらに含む、請求項９記載のシステム。
11. 前記プロセッサが、前記少なくとも１つの温度センサからの感知された前記温度を前記選択された熱モデルと比較する、請求項１０記載のシステム。
12. 前記車両が、さらに、前記車両上の装備の動作から生成される熱を放散する冷却システムを含み、前記少なくとも１つのバッテリが、前記少なくとも１つのバッテリからの熱を放散するために前記車両冷却システムの一部になるように位置決めされる、請求項１記載のシステム。
13. 前記冷却システムが、冷却空気を前記バッテリに送る、請求項１２記載のシステム。
14. 前記冷却システムが、冷却液を前記バッテリに送る、請求項１２記載のシステム。
15. 前記少なくとも１つのバッテリから生成された熱が、オペレータキャビンに加熱用空気を送る、請求項１記載のシステム。
16. ハイブリッドエネルギ不斉地用車両を支持し、移動する車輪と、電力ジェネレータと、前記車輪を駆動する主電動機とを含む前記ハイブリッドエネルギ不斉地用車両に積載される蓄電バッテリシステムであって、前記車両で生成される電力が、選択された時に前記蓄電バッテリシステムに貯蔵され、前記車両を推進するために前記主電動機への伝達のために前記蓄電バッテリシステムから放電され、前記車両およびバッテリシステムが、ある範囲の環境条件にさらされ、前記蓄電バッテリシステムが、
    電力を貯蔵し、解放する少なくとも１つのバッテリであって、前記バッテリが、前記車両およびバッテリシステムの環境温度を超える有効バッテリ温度を構成する、電力の有効な貯蔵および解放のための内部バッテリ温度で動作し、前記バッテリが、前記車両が長い時間期間の間に運転休止中である時に前記バッテリの有効内部動作温度未満の温度まで冷える、少なくとも１つのバッテリと、
    内部バッテリ温度を示すパラメータを感知するモニタと、
    前記車両が動作状態に戻された時に前記バッテリが効果的に動作する準備ができたままでいるようにするために、前記内部バッテリ温度が所定のレベル未満になる時に前記バッテリのその有効バッテリ温度までの加熱を制御するコントローラと
    を含む蓄電バッテリシステム。
17. 前記バッテリに接続された電力の源をさらに含み、前記コントローラが、前記バッテリを所望の内部温度まで加熱するために前記バッテリへの電力の配布を指示する、請求項１６記載の蓄電バッテリシステム。
18. 前記バッテリの少なくとも一部を囲む外部ヒーターをさらに含み、前記コントローラが、前記バッテリを所望の内部温度まで加熱するために前記ヒーターを制御する、請求項１６記載の蓄電バッテリシステム。
19. 前記バッテリの前記監視されるパラメータが、バッテリ外側温度、バッテリ充電状態、気温履歴、およびバッテリ充電放電履歴からなる群から選択される、請求項１６記載の蓄電バッテリシステム。
20. 前記少なくとも１つのバッテリから生成された熱が、オペレータキャビンに加熱用空気を送る、請求項１６記載の蓄電バッテリシステム。

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