JP2015081089A - 電気自動車の冷却システム、及び、冷却システムを駆動する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関−発電機ユニットを備えた電気自動車のためのコンパクトで効率の良い冷却システムを提供する。
【解決手段】
本発明は、電気自動車の冷却システム、及び、電気自動車の冷却システムを駆動する方法に関する。これについて、本発明は、レンジエクステンダを備えた電気自動車の熱管理のための構想を創出する。その際に、電気自動車の電気駆動システムの構成要素と、レンジエクステンダの内燃機関−発電機ユニットの少なくとも内燃機関とが、別々の冷却回路によって温度調整される。その際に、電気駆動部の冷却回路と、内燃機関の冷却回路とは、熱交換器によって互いに熱的に結合される。従って、一方では、発生した熱を外界へと放出するための共通の放熱装置のみ必要である。さらに、他方では、内燃機関及び電気駆動システムの、異なる最適な作動温度も考慮することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の冷却システム、及び、冷却システムを駆動する方法に関する。特に、本発明は、電気駆動部と内燃機関とを備えた電気自動車の冷却システムに関する。

電動機によって駆動される電気自動車が公知である。その際電気自動車を駆動する電動機の稼働のために必要な電気エネルギーは、好適に、電気自動車内に配置されたバッテリによって提供される。その際に、このバッテリは、定期的に、電気自動車の停止中に外部の電流ネットワークで充電する必要がある。しかしながら、必要な電気エネルギーを蓄えるためのバッテリの容量は限りがある。現在利用可能な電気自動車は、通常では、新たに充電しなければならなくなるまで約５０ｋｍから約２００ｋｍの航続距離を可能にするバッテリを有する。

電気自動車の航続距離の拡張のために、さらに、所謂レンジエクステンダ（Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｒ）が公知である。このレンジエクステンダは、内燃機関−発電機ユニット（Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇｓｍｏｔｏｒ−Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ−Ｅｉｎｈｅｉｔ）である。このようなレンジエクステンダによって、走行区間が比較的長い際に、内燃機関−発電機ユニットを利用して、電気エネルギーを電気自動車に追加的に供給することが可能であり、この電気エネルギーは、バッテリの充電のために利用し又は電動機に直接供給することが可能である。

独国特許出願公開第１０２００９０５４８３９号明細書は、電気自動車のための内燃機関−発電機ユニットを備えたレンジエクステンダを開示しており、ここでは、発電機が最初に交流電流を生成し、この交流電流は続いて整流され、直流電流の電圧が、発電機の回転数の調整によって制御される。

このようなレンジエクステンダでは、レンジエクステンダの稼働中に、内燃機関−発電機ユニットの内燃機関によって熱が発生し、この熱は、レンジエクステンダの冷却のために外界に放出する必要がある。加えて、レンジエクステンダの冷却のために、適切な冷却システムが必要である。

従って、内燃機関−発電機ユニットを備えた電気自動車のためのコンパクトで効率の良い冷却システムが必要となる。

このために、本発明は、第１の観点によれば、電気駆動部と内燃機関と備えた電気自動車の冷却システムであって、電気駆動部を温度調整するよう構成された第１の冷却回路と、内燃機関を温度調整するよう構成された第２の冷却回路と、第１の冷却回路と第２の冷却回路とを互いに熱的に結合するよう構成された熱交換器と、を備える上記冷却システムを創出する。

更なる別の観点によれば、本発明は、電気駆動部と内燃機関とを有する電気自動車の冷却システムを駆動する方法であって、第１の冷却回路によって電気駆動部を温度調整する工程と、第２の冷却回路によって内燃機関を温度調整する工程と、熱交換器によって、第１の冷却回路と第２の冷却回路とを熱的に結合する工程と、を含む上記方法を創出する。

その際に、本発明の根底には、電気自動車の電気駆動部の構成要素と、レンジエクステンダの内燃機関−発電機ユニットの構成要素と、を別々の冷却回路を用いて冷却し又は温度調整するという構想がある。その際に、この２つの別々の冷却回路は熱交換器を介して互いに結合される。熱交換器によるこの２つの冷却回路の熱的結合によって、電気自動車の駆動要素及びレンジエクステンダの、異なる作動温度を考慮することが可能である。

この構造形態によって、簡素なサーモスタットによる内燃機関の温度調整を実現することが可能となる。加えて、内燃機関をその停止時間の間に、電気駆動システムからの駆動構成要素の排熱を用いて温度調整し、内燃機関の全効率を向上させ、さらに耐用年数を伸ばすという可能性が生まれる。

内燃機関の冷却回路は、熱交換器を介して、その熱を最初に電気駆動システムの主冷却回路へと放出するため、当該内燃機関の冷却回路のためには、熱を外界へと放出するための追加的なラジエータ等が必要ではない。従って、この冷却回路のために必要な構成要素が削減され、冷却システムのコンパクトで安価な構造形態が可能となる。

電気駆動部とレンジエクステンダとは別々の冷却回路を介して駆動されるため、さらに、システム全体の保守も簡素化される。従って、故障したレンジエクステンダと新しいレンジエクステンダとの交換、及び、レンジエクステンダの完全な解体、及び、レンジエクステンダが無い状態での電気自動車の更なる駆動が、特に容易に可能である。

一実施形態において、第１の冷却回路を第１の冷却媒体が貫流し、第２の冷却回路を第２の冷却媒体が貫流する。その際に、第１の冷却媒体及び／又は第２の冷却媒体は、好適に水である。場合によっては、例えば、腐食からの保護を保証し又は水の沸点を上げるために、この水に更なる別の添加物を加えてもよい。さらに、他の冷却媒体、特に他の液体冷却媒体も同様に可能である。

一実施形態において、第１の冷却回路は、第１の冷却回路の熱を外界へと放出するよう構成された放熱装置をさらに有する。この放熱装置は、例えば、熱交換器であってもよく、この熱交換器を第１の冷却回路の冷却媒体が貫流し、その際に熱を外気へと放出する。従って、この放熱装置によって、熱が第１の冷却回路から直接的に外界へと放出されうる。さらに、この放熱装置によって間接的に、第１の冷却回路と第２の冷却回路との間の熱交換器の中間段階を介して、内燃機関の排熱が外界へと放出されうる。これにより、レンジエクステンダの内燃機関−発電機ユニットの内燃機関を、内燃機関−発電機ユニットの冷却回路内の別の液体−気体−冷却装置無しで冷却することが可能である。このようにして、レンジエクステンダのために必要な構成要素の数が低減され、レンジエクステンダの寸法及び重量も最小化されうる。

本発明の更なる別の観点は、電気駆動部と、内燃機関と、本発明に係る冷却システムと、を備えた電気自動車に関する。

一実施形態において、電気自動車は、内燃機関と機械的に結合され電気エネルギーを提供するよう構成された発電機と、発電機により提供された電気エネルギーを変換するよう構成されたパワーエレクトロニクスと、をさらに有する。特に、パワーエレクトロニクスは、発電機により提供される電気エネルギーを電気自動車のトラクションバッテリの充電のために変換し又は電気エネルギーを直接電気エネルギーの駆動システムのために変換してもよい。

一実施形態において、第１の冷却回路はさらに、発電機及び／又はパワーエレクトロニクスを温度調整するよう構成される。従って、内燃機関−発電機ユニットのパワーエレクトロニクスは、第１の冷却回路によって直接的に、必要な作動温度に加熱され又は冷却されうる。

代替的な実施形態において、第２の冷却回路はさらに、発電機及び／又はパワーエレクトロニクスを温度調整するよう構成される。レンジエクステンダの内燃機関も冷却する第２の冷却回路に、発電機及び／又はパワーエレクトロニクスも含めることによって、内燃機関−発電機ユニットと第１の冷却回路との間には、熱交換器による１個のインタフェースのみ必要である。このことによって、内燃機関−発電機ユニットの冷却システムと、電気駆動部の冷却システムと、の間の特に簡素な結合が可能となる。

一実施形態において、第１の冷却回路は、第１の冷却回路内の冷却媒体を暖めるよう構成された加熱装置をさらに有する。この加熱装置は、例えば、電気的な補助ヒータであってもよい。この補助的な加熱装置によって、第１の冷却回路を、所望の作動温度へと急速に加熱することが可能である。このことは、例えば寒い日に乗員室を温めるために第１の冷却回路も同時に利用する場合には特に有利である。従って、第１の冷却回路の急速加熱によって、電気自動車の全ての駆動構成要素も、最適な作動温度に急速に温められ、構成要素の耐用年数、及び、システム全体の効率が改善する。

一実施形態において、熱交換器は、冷却媒体の流れ方向に見て加熱装置の後ろに配置される。従って、熱交換器は、加熱装置の加熱出力に特に良好に寄与し、加熱装置により提供される熱も、第２の冷却回路内で特に効果的に構成要素を暖めるために利用されうる。

本発明の更なる別の実施形態及び利点は、添付の図面に関する以下の明細書の記載から明らかとなろう。
第１の実施例に係る冷却システムのトポロジの概略図を示す模式図である。 第２の実施例に係る冷却システムのトポロジの概略図を示す模式図である。 第３の実施例に係る冷却システムの概略図を示す模式図である。 更なる別の実施例に基づく方法の概略図を示す模式図である。

図１は、第１の実施例に係る冷却システムのトポロジの概略図を示す。その際に、第１の冷却回路は、電気駆動部１１の構成要素と、これに付属するパワーエレクトロニクス１２、例えば、駆動インバータの対応する構成要素と、を冷却する。このために、好適に液体冷却媒体が、ポンプ１３によって冷却回路を通って圧送される。その際に、放熱装置１４によって、この第１の冷却回路内で発生する熱が、外界へと、特に外気へと放出される。例えば、放熱装置１４は、水−気体熱交換器であってもよい。さらに、当然のことながら、第１の冷却回路１から外界へと熱を放出しうる他の放熱装置も同様に可能である。さらに、第１の冷却回路１に、加熱装置１５が組み込まれてもよい。例えば、この加熱装置１５は電気ヒータであってもよい。このような電気ヒータは、例えば、正の温度係数を持つ抵抗線を備えるＰＴＣヒータであってもよい。さらに、第１の冷却回路１内には、乗員室を温めるための更なる別の放熱装置１６もさらに配置されてもよい。好適に、このさらなる別の放熱装置１６は、冷却媒体の流れ方向に、加熱装置１５の後ろに配置される。第１の冷却回路１内の冷却媒体の流れを制御するために、第１の冷却回路１はさらに複数の制御弁１７を備える。

冷却システムは、第２の冷却回路２をさらに備える。この第２の冷却回路２によって、特に、レンジエクステンダの内燃機関−発電機ユニットの内燃機関２１が冷却される。このために、第２の冷却媒体、例えば、水又は液体冷却媒体がポンプ２２によって、第２の冷却回路２を通って圧送される。その際に、この第２の冷却回路２内の温度は、サーモスタット弁２７によって制御されうる。その際に、第２の冷却回路２は、熱交換器３によって第１の冷却回路１と結合されている。このために、熱交換器３は２つの接続側を有する。その際に、熱交換器３の第１の接続側、例えば一次側は、第１の冷却回路１と結合される。熱交換器３の第２の接続側、例えば二次側は、第２の冷却回路２と接続される。従って、第１の冷却回路１と第２の冷却回路２との熱的結合は、当該２つの冷却回路１、２の冷却媒体が互いに接触することなく可能である。

その際に、図１に示すように、熱交換器３は、冷却媒体の流れ方向に見て、電気的駆動システムの構成要素１１及び１２と、放熱装置１４と、の間に配置される。従って、暖機段階に、電気駆動システムの排熱を、内燃機関２１を温めるために利用することが可能である。これに対して、内燃機関２１が作動温度にある場合には、内燃機関２１の排熱が、熱交換器３を介して第１の冷却回路１へと放出され、その際に、この排熱が、電気駆動システムの構成要素１１及び１２を暖め過ぎることはないであろう。第２の冷却回路の排熱が第１の冷却回路１の冷却媒体に与えられた後で、冷却媒体は、放熱装置１４を貫流し当該放熱装置１４で再び冷却され、冷却された冷却媒体はさらに、電気駆動システムの構成要素へと圧送される。

第１の冷却回路１を利用してさらに乗員室の暖房も行われる場合には、熱交換器は、第１の冷却回路内で、冷却媒体の流れ方向に見て、乗員室を暖めるための更なる別の放熱装置１６の前に配置されてもよい。この場合には、第２の冷却回路からの排熱も、追加的に乗員室を温めるために利用されうる。

レンジエクステンダの他の構成要素、例えば発電機２３、パワーエレクトロニクス２４等は、図１の実施例では、第１の冷却回路１と接続されている。その際に、第１の冷却回路の冷却媒体は、別のポンプ２５によって、レンジエクステンダのこれら追加的な構成要素２３及び２４を通って圧送される。

図１から更に分かるように、バッテリシステムの構成要素は、更なる別の熱交換器４１により同様に第１の冷却回路１と結合された別の冷却システム４を有する。さらに、この冷却回路４は、空調装置又は適切な冷却装置に接続された更なる別の熱交換器４２を備える。この別の冷却回路４の冷却媒体は、ポンプ４３によって冷却回路４を通って圧送され、その際に、バッテリシステムのバッテリ４４及びパワーエレクトロニクス４５を冷却する。さらに、この別の冷却回路４は固有の放熱装置４６を有し、この放熱装置４６によって、更なる別の冷却回路４の熱が外界へと放出されうる。

図２は、冷却システムのトポロジの代替的な実施例を示す。この実施例は、以前に記載された図１の実施例と大部分は同じである。図２の実施例は、レンジエクステンダの全構成要素が第２の冷却回路２により温度調整されるという趣旨で、図１の実施例と異なっている。第２の冷却回路２の冷却媒体は、１個のポンプ２２によって、第２の冷却回路２を通って圧送され、その際に、内燃機関２１、パワーエレクトロニクス２４、及び、発電機２３を冷却する。先の実施例のように、第２の冷却回路２は、熱交換器３によって、第１の冷却回路１と熱的に結合される。

本実施例ではレンジエクステンダのパワーエレクトロニクス２４及び発電機２３も第２の冷却回路２に一緒に組み込まれるため、レンジエクステンダと第１の冷却回路１との追加的な接続は必要ではない。従って、冷却回路１と第２の冷却回路２との間には、熱交換器３による１個の熱的インタフェースのみが存在する。

その際に、バッテリシステムの分岐に属する構成要素の温度調整は、図１の実施例と同様に別の冷却回路４を利用して行われる。

図３は、冷却システムのトポロジの更なる別の実施例を示す。その際に、図３の実施例は、熱交換器３が第１の冷却媒体の流れ方向に見て加熱装置１５と放熱装置１４との間に配置されるという趣旨で、図１の実施例とは異なっている。従って特に、電気自動車の始動時及び暖機段階の間に、加熱装置１５により提供された熱を、熱交換器３を利用して直接的に第２の冷却回路２にも与えることが可能である。このようにして、第２の冷却回路２も暖機段階の間に急速に暖めることが可能である。従って、レンジエクステンダの内燃機関２１は所望の作動温度に非常に速く到達し、これにより、内燃機関２１の効率が向上し、前もって暖められた構成要素の摩耗が低減し、耐用年数が長くなる。

図３では、発電機２２、パワーエレクトロニクス２４のようなレンジエクステンダの更なる構成要素が第１の冷却回路１と直接的に結合されているが、さらに、図３の実施例と図２の実施例とを組み合わせることも同様に可能である。この場合には、レンジエクステンダの全ての構成要素が第２の冷却回路２に組み込まれ、その際に、第１の冷却回路１と第２の冷却回路２とを結合する熱交換器が、第１の冷却回路１の冷却媒体の流れ方向に見て、加熱装置１５の後ろに配置される。

図４は、更なる別の実施例に基づく、電気駆動部１１と内燃機関２１とを備えた電気自動車の冷却システムを駆動する方法１００を示す。工程１１０では、第１の電気駆動部１１が第１の冷却回路１によって温度調整される。その際に、電気駆動部は、必要な作動温度に達するために、駆動状態に従って冷却され又は加熱される。工程１２０では、内燃機関２１が第２の冷却回路２によって温度調整される。この場合にも、内燃機関と、場合により、当該冷却回路内に配置された更なる別のアセンブリと、が駆動状態に従って冷却され又は加熱されうる。工程１３０では、第１の冷却回路１と第２の冷却回路２とが、熱交換器３によって互いに熱的に結合される。この熱的結合によって、熱エネルギーが制御されて、第１の冷却回路１と第２の冷却回路２との間で伝達されうる。従って、特に、第１の冷却回路１を、第２の冷却回路の温度範囲とは異なる温度範囲内で作動させることも可能である。

以上、本発明は、レンジエクステンダを備えた電気自動車の熱管理の構想に関する。本発明では、電気自動車の電気駆動システムの構成要素と、レンジエクステンダの内燃機関−発電機ユニットの少なくとも内燃機関が、別々の冷却回路によって温度調整される。その際に、電気的駆動部の冷却回路と内燃機関の冷却回路とは、熱交換器によって互いに熱的に結合される。従って、一方では、発生した熱を外界へと放出するための共有の放熱装置のみ必要である。さらに、他方では、内燃機関と電気的駆動部との、異なる最適な作動温度も考慮することが可能である。

Claims (10)

1. 電気駆動部（１１）と内燃機関（２１）と備えた電気自動車の冷却システムであって、
   前記電気駆動部（１１）を温度調整するよう構成された第１の冷却回路（１）と、
   前記内燃機関（２１）を温度調整するよう構成された第２の冷却回路（２）と、
   前記第１の冷却回路（１）と前記第２の冷却回路（２）とを互いに熱的に結合するよう構成された熱交換器（３）と、
   を備える冷却システム。
2. 前記第１の冷却回路（１）を第１の冷却媒体が貫流し、前記第２の冷却回路（２）を第２の冷却媒体が貫流し、前記第１の冷却媒体及び／又は前記第２の冷却媒体は水である、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記第１の冷却回路（１）は、前記第１の冷却回路（１）の熱を外界へと放出するよう構成された放熱装置（１４）をさらに有する、請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 電気駆動部（１１）と、
   内燃機関（２１）と、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却システムと、
   を備えた電気自動車。
5. 前記内燃機関（２１）と機械的に結合され、電気エネルギーを提供するよう構成された発電機（２３）と、
   前記発電機（２３）により提供された前記電気エネルギーを変換するよう構成されたパワーエレクトロニクス（２４）と、
   を備えた、請求項４に記載の電気自動車。
6. 前記第１の冷却回路（１）はさらに、前記発電機（２３）及び／又は前記パワーエレクトロニクス（２４）を温度調整するよう構成される、請求項５に記載の電気自動車。
7. 前記第２の冷却回路（２）はさらに、前記発電機（２３）及び／又は前記パワーエレクトロニクス（２４）を温度調整するよう構成される、請求項５に記載の電気自動車。
8. 前記第１の冷却回路（１）は、前記第１の冷却回路（１）内の前記冷却媒体を暖めるよう構成された加熱装置（１５）をさらに有する、請求項４〜７のいずれか１項に記載の電気自動車。
9. 前記熱交換器（３）は、前記冷却媒体の流れ方向に見て前記加熱装置（１６）の後ろに配置される、請求項８に記載の電気自動車。
10. 電気駆動部（１１）と内燃機関（２１）とを備えた電気自動車の冷却システムを駆動する方法（１００）であって、
    第１の冷却回路（１）によって前記電気駆動部（１１）を温度調整する工程（１１０）と、
    第２の冷却回路（２）によって前記内燃機関（２１）を温度調整する工程（１２０）と、
    熱交換器（３）によって、前記第１の冷却回路（１）と前記第２の冷却回路（２）とを熱的に結合する（１３０）工程と、
    を含む方法（１００）。
    

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