JP4139294B2 - ハイブリッド電気自動車の冷却システム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、概略的にはハイブリッド電気自動車に関し、より具体的には、モーターの特別なステーター・ハウジングを通って流れる変速機の冷却ループを用いる、一体形スターター発電機のような、ハイブリッド電気自動車のモーターの冷却の必要性を満たすシステムと方法に関する。
自動車など主に内燃機関（internal combustion engine: ICE）により駆動される車両の化石燃料消費量と排出量を低減する必要性は良く知られている。電気モーターにより駆動される車両は、このような必要性に対処するものである。他の解決策は、一つの車両において小型のICEに電気モーターを組合せる、というものである。そのような車両は、内燃機関車両と電気車両の利点を組合せるものであり、一般的にハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle: HEV）と呼ばれている（例えば特許文献１を参照）。
HEVは、各種組合せで記載されてきた。多くのHEV特許は、電気動作と内燃機関動作との間で選択することをドライバーに要求するシステムを開示する。他の構成においては、電気モーターが一組の車輪を駆動し、内燃機関が別の組の車輪を駆動する。
他のより有用な構成も開発されてきた。例えば、シリーズ・ハイブリッド電気自動車（series hybrid electric vehicle: SHEV）構成は、発電機と呼ばれる電気モーターに接続されたエンジン（最も一般的にはICE）を持つ車両である。発電機はそして、電気を、バッテリーと、推進モーターと呼ばれるもう一つのモーターとへ、供給する。SHEVにおいて、推進モーターは、車輪トルクの唯一の供給源である。エンジンと駆動輪との間には、機械的接続はない。パラレル・ハイブリッド電気自動車（parallel hybrid electric vehicle: PHEV）構成は、エンジン（最も一般的にはICE）と電気モーターを持ち、両者が、様々な程度に協働して、車両を駆動するのに必要なトルクを供給する。加えて、PHEV構成においては、モーターをICEが発生したエネルギーによりバッテリーを充電するための発電機として用いることが出来る。
パラレル／シリーズ・ハイブリッド電気自動車（parallel/series hybrid electric vehicle: PSHEV）は、PHEV構成とSHEV構成両方の特性を持ち、「スプリット（split）」構成と呼ばれる場合がある。いくつかのPSHEV構成のうちの一つにおいて、ICEは遊星歯車機構のトランスアクスルにおいて２つの電気モーターへ機械的に結合される。第１電気モーターである発電機が、サンギアに結合される。ICEはキャリア・ギアに結合される。第２の電気モーターである推進モーターが、トランスアクスルの別の歯車を介してリング（出力）ギアに結合される。エンジン・トルクが、バッテリーを充電するために発電機を駆動することが出来る。発電機はまた、システムがワンウェイ・クラッチを持つ場合には、必要な車輪（出力軸）トルクに寄与することが出来る。推進モーターは、車輪トルクに寄与するためと、バッテリーを充電するために制動エネルギーを回収するために、用いられる。この構成において、発電機は、エンジン速度を制御するために用いることの出来る反作用トルクを選択的に供給することが出来る。事実、エンジン、発電機モーター及び推進モーターは、無段変速機（continuous variable transmission: CVT）の作用をすることが出来る。更に、HEVは、エンジン速度を制御するために発電機を用いることにより、通常の車両よりも良好にエンジン・アイドル速度を制御する機会を提供する。
ICEを電気モーターと組合わせることが望ましいことは、明らかである。車両の性能や運転性の低下を示すことなしに、車両の燃料消費量と排出量を低下させる大きな可能性がある。HEVは、小型エンジン、回生制動、電気ブースト、そしてエンジンを停止させての車両の運転さえも、可能とする。そうではあるが、HEVの潜在的な利益を最適化する新たな方法が開発されなければならない。
HEVの開発の余地のある領域の一つに、HEVに新たに加えられたいくつかの構成部品の冷却の必要性に対処する、というものがある。例えば、より良好な燃料経済性を得るために、HEVは、エンジンを始動そして停止させ、パワートレインをブースト（boost）し、電荷を発生し、そして回生制動を行なうために、一体型スターター発電機（integrated-starter-generator: ISG）を用いることが出来る。あるHEV構成において、ISGは、エンジンと変速機との間に配置することが出来る。エンジン、ISGそして変速機は全て高温で動作するので、信頼性のある効率的な動作を保証するために、注意深く冷却する必要がある。一般的な車両環境において、パワートレインは囲まれているので、適切な冷却を行なうのに十分な空気流を欠いている。それで、積極的な冷媒の管理が必要とされる。
車両冷媒管理は、この分野で公知であり、HEVにおける冷媒管理が公知なのも事実である（例えば特許文献２参照）。いくつかの特許文献はまた、従来の発電機に対する冷却の必要性に対処している（例えば特許文献３及び４参照）。
米国特許第５３４３９７０号明細書 米国特許第６２１３２３３号明細書 米国特許第６０４６５２０号明細書 米国特許第６３２６７０９号明細書
既知の従来技術のISG冷却は、空気流冷却又はセパレート・アクティブ冷却システムのいずれかを用いる。セパレート・アクティブ冷却システムは、別個の電動ポンプ、冷却配管そして熱交換器を含む。空冷方法は、殆どの後輪駆動構成や、パワートレイン回りの空気流が少ない構成においては、不充分である。現時点で、HEVのISGの冷却をコスト的に有利で効率的に行なう従来技術は知られていない。
本発明は、概略的にはハイブリッド電気自動車（HEV）に関し、具体的には、例えば、冷媒がモーターの特別なステーター・ハウジングを通って流れる変速機の冷却ループを用いる、一体形スターター発電機のような、ハイブリッド電気自動車のモーターの冷却の必要性に合致するシステムと方法に関する。
具体的には、本発明は、熱交換器、並びにモーターのステーター・ハウジング、変速機及び熱交換器と熱伝導接触する通路を有する冷却ループを持つ、冷却システムを提供する。冷媒は、機械式変速機ポンプ又は補助ポンプ若しくは両方のいずれかの作動により、冷却ループ内を流れる。エンジンがアイドル中又は動作していないときは特に、補助ポンプが必要とされる。本発明の実施形態の一つにおいて、制御器は、少なくとも一つの車両センサーから入力を受けそして処理し、少なくとも一つの車両センサーの処理された入力が、予め選択された閾値を越えるときに、補助ポンプの作動を命令する。
本発明の代替実施形態において、冷却ループはまた、バイパス通路とバイパス弁を持つ。バイパス弁は、少なくとも一つの車両センサーからの処理後の入力が予め選択された閾値を越えるとき、動作するように制御器により独立して制御可能なアクチュエーターを持つ。そして、補助ポンプは反転可能である。補助ポンプは、電動とすることが出来、そして車両変速機の内部又は外部のいずれかに配置することが出来る。
このシステムは、変速機温度を121℃（華氏250度）未満に、そしてモーター温度を177℃（華氏350度）未満に維持するように、構成することが出来る。
ステーター・ハウジングは、変速機ハウジングと重なり合うか、変速機ハウジングに隣接するように、構成することが出来る。
本発明の他の目的は、本発明が属する分野の当業者には、添付の図面に関連させた以下の詳細な説明から、より明らかとなることになる。
本発明によれば、ハイブリッド電気自動車のモータの冷却をコスト的に有利で効率的に行なうことができる。
本発明は、電気自動車に関し、より具体的には、ハイブリッド電気自動車（HEV）に関する。本発明は、電気自動車のモーターの冷却システムを提供する。本発明はいかなる電気モーターにも適用することが出来るものの、図示の実施形態は、一体型スターター発電機（ISG）として電気モーターを記載する。
本発明の理解の一助とするために、図１は、内燃機関（エンジン）22及び自動変速機（変速機）24を持つ車両のための通常の車両冷却システム20の概略図である。この通常の冷却システム20は、エンジン冷却ループ26及び独立した変速機冷却ループ28を持つ。
エンジン冷却ループ26において、冷媒（不図示）が、ホース、パイプなどこの分野で公知の手段である第１通路32を介して、エンジン22からラジエーター30のような熱交換器へ供給される。冷媒はラジエーター30を出て、第２通路34を介してエンジン22へ戻る。排熱が、冷媒によりエンジン22から移動され、エンジン22により駆動される第１ポンプ36の作動により、通路32及び34を介しエンジン冷却ループ26を通って移送される。
変速機冷却ループ28において、変速機オイル（不図示）が、変速機24から、ホース、パイプなどこの分野で公知の手段である第３通路42を介して、変速機オイルクーラー44のような別の熱交換器へ供給される。変速機オイルは、オイル・クーラー44を出てから、第４通路46を通って変速機24へ戻る。排熱は、変速機オイルにより変速機24から移動され、例えば変速機24により駆動される第２ポンプ48の作動により、通路42と46を介し変速機冷却ループ28を通って輸送される。
別の熱交換器である、空調（A/C）コンデンサー50も図１に示されている。本発明を用いて、これら熱交換器を空気流内に配置する際には、他の多くの配置順序が可能である。例えば、変速機オイル・クーラー44をA/Cコンデンサー50より冷却空気流38の上流に配置することも出来る。
各種図示の熱交換器、つまりラジエーター30、変速機オイル・クーラー44及びA/Cコンデンサー50を冷却空気流38が通り抜ける際に、冷却ループ26及び28を通って進む排熱の全てが冷却空気流38により車両から移動／発散される。冷却空気流38は、車速及び外気温に基づき変化し得て、ファン40の動作により増大され得る。ファン40は、例えばエンジン22により、又は図１に示されるように別の電気モーター52により、駆動され得る。
車両が停止しているとき、又はエンジンが停止しているとき、つまり機械式変速機ポンプである第２ポンプ48が動作していないとき、変速機オイル・システムのオイルを加圧するために、この分野で公知の補助電動オイル・ポンプ（補助ポンプ）49のような補助ポンプを、変速機冷却ループに加えることも出来る。エンジン22が動作中のとき、第２ポンプ48は、それ単独又は補助ポンプ49との組合せで、変速機システムにオイルを供給することが出来る。実施形態の一つにおいて、機械式変速機ポンプは、補助ポンプ49を不作動にすることが出来る。補助ポンプ49は、変速機オイル・パン23の内側を含む変速機冷却ループ28内部の各種の場所に配置され得る。
本発明は、ISGのような電気モーターを持つHEVの熱管理制御を提供する。ISGは、車両パワートレインへの排熱量を大幅に高め、積極的に冷却されるべきである。独立したISG冷却システムは、燃料経済性に悪い影響を与えることになり、そして、車両に、余分なハードウェア、構成部品、維持管理、コストそして重量、を加えることになる。本発明は、既存の変速機冷却システム・ループを用いることにより、車両への変更を最小にして、これらの欠点を解消する。これは、エンジンと変速機が動いていないときでさえも、更にISG冷却ジャケットを通るように配置されている変速機冷却ループを介して変速機オイルを輸送するための、上述のもののような補助ポンプの使用を含む。ISGと変速機とは好ましい動作温度が近いので、ISGと変速機との両方を冷却するための変速機冷却回路の使用が可能である。より大きな変速機オイル・クーラー及び適切な大きさの変速機オイル用補助ポンプを使用することにより、ISGと変速機とのための一体型冷却ループの増大した冷却要求を容易に満たすことが出来る。
本発明を用いることによって、例えば、ISG冷却要求が最小のとき、ISGステーター・ハウジング若しくはジャケット（つまりISGの非回転部分）をバイパスするように流体を変速機の油圧バルブ・ボディ内のバルブに通し、そしてエンジンが動作中のとき、残りの変速機冷却ループを通すように、変速機冷却ループ内の補助電動オイル・ポンプもまた、切換可能とすることが出来る。補助電動オイル・ポンプは、エンジンが停止中又はISG冷却要求が高いとき、ISGステーター・ジャケットを冷却するように元に切換えられ得る。容量の大きいオイル・パンが、この変更された変速機冷却ループの追加された流体容量を受け入れるのに、必要とされ得る。従来の変速機に現在用いられている補助ポンプは、大きくなった冷却流要求を受け入れるために大きくされる必要があり得る。従来技術の補助ポンプは、変速機オイル・パンの内側に配置されるものの、ポンプを駆動するのに必要とされるより大きなモーターを収容するために、補助ポンプを外側に取り付けることも出来る。変速機オイル・クーラーは、同様に大きくする必要があるが、本来比較的小型であるが故に、車両内で適切な収容空間が利用可能なはずである。
図２は、本発明の実施形態を用いるISGを持つHEVの車両冷却システムを示し、冷却システムは全体として符号60で示されている。図示のHEVパワートレイン構成は、内燃機関（エンジン）62（実施形態の一つにおいて、エンジンは、この分野で公知の3.5リッター・エンジンとすることが出来る）、一体型スターター発電機（ISG）63、及びシリーズ配置のHEV変速機64、を持つ。HEV冷却システム60は、HEVエンジン冷却ループ66、一体型ISG／変速機冷却ループ68、A/Cコンデンサー冷却ループ88及び独立インバーター／コンバーター冷却ループ69、を持つ。
HEVエンジン冷却ループ66において、冷媒（不図示）がHEVエンジン62から、ホース、パイプなどの第５通路72を介して、HEVラジエーター70のような熱交換器の入口へ供給される。冷媒は、HEVラジエーター70を出て、第６通路74を経てエンジン62へ戻る。排熱が、HEVエンジン62から冷媒により移動させられ、そして、エンジン62により駆動され得る第３ポンプ76の動作により、通路72及び74を経て、HEVエンジン冷却ループ66を通って伝送される。ISG／変速機冷却ループ68は、ISG 63とHEV変速機64との間で熱伝導性接触する。
内装式のISG／変速機冷却ループ68において、変速機オイル（不図示）が、ISG 63から、ISG／変速機オイル・クーラー78のような熱交換器の入口へ、ホース、パイプなどである第７通路80を介して、供給される。変速機オイルは、ISG／変速機オイル・クーラー78を出て、第８通路82を経てHEV変速機64へ戻る。変速機オイルは、後述のISGステーター・ハウジングを通り流れることにより、ISG 63から出る排熱を出すことが出来る。HEV変速機64から、変速機オイルは、第９通路84を経てISG 63へ流れて戻ることが出来る。排熱は、変速機オイルによりISG 63及び変速機64から移動させられ、ISG／変速機ポンプ86のような補助ポンプ又はHEV機械式変速機ポンプ87のいずれか若しくはそれらの両方の作動により、ISG／変速機冷却ループ68を通り、通路80, 82及び84を介して輸送される。ISG／変速機ポンプ86は、電動とすることが出来、又は上述のように、変速機の外部又は内部に置くことが出来る。
車両システム制御器（vehicle system controller: VSC）91のような制御器が、制御器エリア・ネットワーク（controller are network: CAN）95のような通信ネットワークを通して、各種車両入力93を用いて、ISG／変速機ポンプ86及びHEVファン106の回転数さえも制御することが出来る。車両入力93には、車速、外気温、ISG 63及びHEV変速機64内の冷媒温度、が含まれ得る。VSC 91は、HEV変速機64とISG 63の両方の動作温度を最適に維持するための所定値に基づき、ISG／変速機ポンプ86の速度を制御することが出来る。VSC 91とCAN 95は、一つ又は複数のコンピューター読取可能装置に接続されて動作し通信する、一つ又はそれ以上のマイクロプロセッサー、コンピューター、又はセントラル・プロセッシング・ユニット、一つ又は複数のメモリー・マネージメント・ユニット、そして、この分野で公知の、各種センサー、アクチュエーター及び制御回路と通信する入出力インターフェースを含むことが出来る。制御ロジックのプログラムは、制御器内で実現することが出来、センサー信号（出力）を解釈し、この解釈に基づき、少なくとも一つの車両センサーの入力処理値が予め選択された閾値を越えるときに、ISG／変速機冷却ループ68を制御する命令を発する。例えば、制御器は、少なくとも一つの車両センサーからの入力を受け、処理して、少なくとも一つの車両センサーの処理された入力が予め選択された閾値を越えるとき、補助ポンプへの動作命令を発することが出来る。
このHEV冷却システム60の概念に含まれるものに、HEV A/Cコンデンサー88及びインバーター／コンバーター冷却ループ69がある。インバーター／コンバーター冷却ループ69は、インバーター90及びDC/DCコンバーター92を通って流れる排熱を、電気モーターにより駆動されるインバーター／コンバーター冷媒ポンプ96の作動により、追加通路98, 100, 102を介して電子モジュール・クーラー94へ輸送する、他の冷却ループと同様のものである。
概略的には、冷却空気流104が、各種熱交換器、つまりHEVラジエーター70、ISG/変速機オイル・クーラー78、HEV A/Cコンデンサー88及び電子モジュール・クーラー94を通り進むとき、冷却ループ66, 68及び69を通り進む全ての排熱は、冷却空気流104により車両から移動／排出される。冷却空気流104は、車速と外気温に基づき変化し、HEVファン106の作動により増大され得る。実施形態の一つにおいて、ファン106は、この分野で公知の42ボルトの電気ファン107により、駆動され得る。繰り返しになるが、空気流内での熱交換器の配置順序については、多くの可能性がある。
本発明を用いる実施形態の一つはまた、冷媒バイパス・システムをHEV変速機64又はISG 63の回りに配置することが出来る。バイパスは、HEV変速機64とISG 63のそれぞれが始動時に最適動作温度に到達するまで、それらへ変速機オイルが流れるのを制限するように制御され得る。適切な弁と制御器も、加えられる必要がある場合もある（後述の図３を参照）。例えば、変速機の最適動作温度は、121℃（華氏250度）をピークとして、82℃（華氏180度）とすることが出来る。ISG 63の最適動作温度は、176℃（華氏350度）をピークとして、176℃（華氏350度）とすることが出来る。それでシステムは、ISG／変速機クーラー78を持つ、又は、少なくともHEVファン106及びISG／変速機クーラー78を、変速機オイルの温度が121℃（華氏250度）を越えるのを許容せず、ISG 63におけるオイルの温度が176℃（華氏350度）を越えるのを許容しない大きさに構成され得る。ISG変速機ポンプ86は、ISG／変速機冷却ループ68全体の自由度を高めるために、可逆ポンプとすることも出来る。例えば、ISG／変速機冷却ループ68は、ISG 63起動時に、HEV変速機64の最適動作温度に到達するまで、ISG 63からの排熱をHEV変速機64へ戻すように、流れを逆転させることが出来る。それで、この自由度の増加は、車両性能と効率を高めることが出来る。
図３は、本発明の代替実施形態の一例を示す。図３は、この分野で公知のVSC 91により制御可能なアクチュエーターを持つバルブを追加し、ISG変速機ポンプ86が可逆であり、そして変速機オイル流路（バイパス通路）が追加されている。具体的には、この代替実施形態は、独立して制御可能なバルブ81, 83及び85を追加するものである。少なくとも一つの車両センサーからの処理された入力VSC 91が予め選択された閾値を越えるときに、バルブを制御して、HEV変速機64、ISG 63又はバイパス通路99及び89へ変速機オイルを導くことが出来る。
図４及び５は、本発明を用いるISG 63のステーター・ハウジングの各実施形態を示す。図４において、ISG 63は、その中に変速機オイルが流れ、部分的に変速機ハウジング110により覆われている、一体型ステーター・ハウジング108を持つ。
図５において、別の実施形態のISG 63は、その中に変速機オイルが流れ、変速機ハウジング114に隣接する、一体型ステーター・ハウジング112を持つ。図４に示されたハウジングは、フロア・パンのクリアランスを大きくすることが出来るので、サイズの観点から好ましい。本発明の上述の実施形態は、純粋に例示目的のものである。本発明については、他の多くの、変形、改良そして応用をなすことが出来る。
従来技術の車両冷却システムを示す図である。 本発明のISG車両冷却システムを示す図である。 本発明の代替実施形態のISG車両冷却システムを示す図である。 本発明のISGステーター・ハウジングの実施形態を示す図である。 本発明のISGステーター・ハウジングの代替実施形態を示す図である。
符号の説明
63 モーター
64 変速機
68 冷却ループ
80 熱交換器
86 補助ポンプ
87 機械式変速機ポンプ
91 制御器
108, 112 ステーター・ハウジング

Claims (9)

  1. モーター及び変速機を持つ車両パワートレインの冷却システムであって、
    ステーター・ハウジングを持つ上記モーター、及び
    上記モーター・ステーター・ハウジング及び上記変速機と熱伝導性接触する冷却ループ、を有し、
    上記冷却ループが、熱交換器、及び
    上記モーター・ステーター・ハウジング、上記変速機及び上記熱交換器の間を直列に流体接続する通路、を有し、
    上記冷却ループが更に、機械式変速機ポンプ及び、可逆の補助ポンプを有し、
    上記冷却ループは、通常時は、上記機械式変速機ポンプ及び補助ポンプの少なくとも一方の作動により、上記熱交換器、上記変速機、及び上記モーター・ステーター・ハウジングの順に冷媒を圧送する一方、上記変速機の温度が所定温度に到達するまでは、上記補助ポンプを逆転作動させることにより、上記モーター・ステーター・ハウジング、及び上記変速機の順に冷媒を圧送する、冷却システム。
  2. 少なくとも一つの車両センサーからの入力を受けそして処理し、該少なくとも一つの車両センサーの処理された入力が予め選択された閾値を越えるとき、上記補助ポンプへ作動を命令する制御器を更に有する、請求項１の冷却システム。
  3. 上記冷却ループが更に、バイパス通路、及び
    上記少なくともひとつの車両センサーの処理された入力が予め選択された閾値を越えるとき、上記制御器により作動するように独立して制御され得るアクチュエーターを持つバイパス弁、を有する、請求項２の冷却システム。
  4. 上記モーターが、一体型スターター発電機である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。
  5. 上記冷却ループが、変速機温度を121℃未満に維持し、上記モーターの温度を176℃を超えない温度に維持するように、構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却システム。
  6. 上記機械式変速機ポンプ及び補助ポンプは、直列に配設されている、請求項１に記載の冷却システム。
  7. モーター及び変速機を持つ車両パワートレインを冷却する方法であって、
    通常時に、機械式変速機ポンプ及び可逆の補助ポンプの少なくとも一方の作動により、上記モーターのモーター・ステーター・ハウジング及び上記変速機と、熱伝導性接触する冷却ループを通して、直列に流体接続された熱交換器、上記変速機、及び上記モーター・ステーター・ハウジングに対し、この順番で冷媒を圧送する工程、及び、
    上記変速機の温度が所定温度に到達するまでは、上記補助ポンプを逆転作動させることにより、上記モーター・ステーター・ハウジング、及び上記変速機の順番で、冷媒を圧送する工程、を有する方法。
  8. 少なくともひとつの車両センサー出力を受信そして処理する工程、及び
    該少なくともひとつの車両センサーの処理された入力が、予め選択された閾値を越えるとき、補助ポンプに作動を命令する工程、を更に有する、請求項７の方法。
  9. 上記機械式変速機ポンプ及び補助ポンプは、直列に配設されている、請求項７に記載の方法。
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