JP7077342B2 - 電力モジュールを伴う燃料電池車両 - Google Patents
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Description
燃料電池車両(FCV)100は、図1に、代表的な電動車両として示されている。FCV100は燃料電池車両であるが、本開示は、原則として、他の電動車両に大部分が適用可能であることが理解されるであろう。本明細書では、「front」、「forward」等の使用、及び、「rear」、「rearward」等の使用は、FCV100の縦方向を指す。「front」、「forward」等は、FCV100の前面(前方)を指し、「rear」、「rearward」等は、FCV100の背面(後方)を指す。「side」、「sideways」、「transverse」等の使用は、FCV100の横方向を指す。「運転者側」等はFCV100の左側を指し、「乗客側」等はFCV100の右側を指す。
車両システム120は、シャーシ110の一部である、シャーシ110に取り付けられている、別な方法では、シャーシ110により支持される。車両システム120は、乗客区画104、エンジン区画106又はFCV100の他の場所の任意の組合せに、全体的又は部分的に、収容されてよい。各車両システム120は、一以上の車両要素を含む。それが属する車両システム120を代表して、各車両要素は、車両システム120が関連する車両機能の任意の組合せを、全体的に又は部分的に、実行するように動作可能である。車両要素及びそれらが属する車両システム120は、必要ではないが、相互に明確であってよいと理解されるであろう。
FCV100は、センサシステム122の一部として、一以上のオンボードセンサを含む。センサは、リアルタイムで、FCV100を監視する。センサは、センサシステム122を代表して、ユーザ要求についての情報及びFCV100の操作についての情報を含むFCV100に関する情報を検出するように動作可能である。
上述のように、プロセッサ124、メモリ126及び制御モジュール128は共に、その制御モジュール128が、FCV100の動作を指揮する一以上のコンピューティングデバイスとして機能する。制御モジュール128は、グローバル制御モジュール128Gを含む。関連して、FCV100は、中央制御システムの一部として、グローバル制御モジュール128Gが属するグローバル制御ユニット(GCU)を含む。図示するように、FCV100は一つのグローバル制御モジュール128Gを含むが、本開示は、原則として、複数のグローバル制御モジュール128Gを含む他の同様の車両に適用可能であることが理解されるであろう。制御モジュール128は、一以上の電力制御モジュール128Pも含む。関連して、FCV100は、電力制御モジュール128Pに属する一以上の電力制御ユニット(PCUs)を含む。プロセッサ124及びメモリ126は、GCU及びPCUsに共通であるように図示されているが、GCU及びPCUsの一つ、いくつか又は全てが、一以上の専用のプロセッサ124及び専用のメモリ126を伴うスタンドアロンコンピューティングデバイスである可能性が考慮される。
上述のように、車両システム120は、FCV100を代表して、車両機能を実行し、それによりFCV100を代表して、対応する車両需要を満たすように動作可能である。具体的には、エネルギスーパシステム130は、エネルギ機能を実行し、それにより対応するエネルギ需要を満たすように動作可能であり、推進スーパシステム132は、推進機能を実行し、それにより対応する推進需要を満たすように動作可能であり、補機システム134は、補機機能を実行し、それにより対応する補機需要を満たすように動作可能である。
上述のように、各電力モジュール150は、エネルギシステム152及び推進システム154を含む。追加的に参照する図2A及び2Bに示されるように、燃料電池システム160、バッテリシステム162及び燃料タンクシステム164に加えて、各エネルギシステム152と、エネルギシステム152が属する電力モジュール150とは、ジャンクションボックス200及び付随するエネルギ要素を含む。各電力モジュール150の内部では、モータシステム166は、ジャンクションボックス200を介して、燃料電池システム160に電気的に接続されている。さらに、バッテリシステム162及び燃料電池システム160は、ジャンクションボックス200を介して互いに電気的に接続されており、モータシステム166及びバッテリシステム162は、ジャンクションボックス200を介して互いに電気的に接続されている。
再び図2A及び2Bを参照して、FCV100は、制動システム140の一部として、一以上の補機要素を含む。制動システム140の補機要素の中で、FCV100は、エアコンプレッサ250と、車輪114の一つ、いくつか又は全てでの一以上の摩擦ブレーキを含む。エアコンプレッサ250は、エネルギスーパシステム130に電気的に接続されている。摩擦ブレーキは、エアコンプレッサ250に空気的に接続されており、車輪114は、摩擦ブレーキに機械的に接続されている。エアコンプレッサ250は、エネルギスーパシステム130からの電気エネルギを使用して、空気をブレーキに圧送するように動作可能である。摩擦ブレーキは、エアコンプレッサ250からの空気を使用して、車輪114で、FCV100を摩擦的に制動するように動作可能である。
上述のように、各電力モジュール150では、FCV100は、バッテリシステム162毎に複数のバッテリ210を含む。各電力モジュール150では、バッテリシステム162の観点から、バッテリ210は、一以上のモータバッテリ210M、つまり、モータシステム166からのバッテリシステム160上の電気的負荷を処理することに専念するバッテリ210を含む。モータシステム166からの電気的負荷は、モータ206からの電気的負荷を含む。関連して、バッテリ210は、バッテリシステム162上の残りの電気的負荷を処理することに専念する一以上の補完バッテリ210Cも含む。バッテリシステム162上の残りの電気的負荷は、モータシステム166の他にも、燃料電池システム160からの電気的負荷や、割当補機要素からの電気的負荷が含まれるエネルギシステム152の残りからの電気的負荷を含む。
上述のように、各電力モジュール150では、FCV100は、モータシステム166毎に一以上のモータ206を含む。とりわけ、FCV100は複数のモータ206を含むということになる。追加的に参照する図4に示すように、FCV100では、モータ206は、共通のモータアセンブリ400に属し、ドライブトレインは、FCV100のための電動パワートレインの一部としてのモータアセンブリ400に機械的に接続されている。
上述のように、各電力モジュール150では、FCV100は、バッテリシステム162毎に、一以上のモータバッテリ210Mを含む複数のバッテリ210を含む。さらに、各電力モジュール150では、FCV100は、燃料タンクシステム164毎に一以上の燃料タンク300を含む。とりわけ、FCV100は、複数のバッテリモータ210M及び複数の燃料タンク300を含むことになる。追加的に参照する図5に示すように、モータバッテリ210M及び燃料タンク300の任意の組合せに関し、FCV100は、共通の支持ラック500を含む。支持ラック500は、シャーシ110に取り付けられているか、さもなければ、シャーシ110により支持されている。異なる電力モジュール150に属しているにもかかわらず、複数のモータバッテリ210Mは、互いに隣接して支持ラック500に取り付けられている。従って、複数のモータバッテリ210Mと、エネルギスーパシステム130の一以上の付随するエネルギ要素とは、パッケージングの目的のためにFCV100において局所化される。同様に、異なる電力モジュール150に属しているにもかかわらず、複数の燃料タンク300も、互いに隣接して支持ラック500に取り付けられている。従って、複数の燃料タンク300と、燃料タンク300のための配管網302とは、パッケージングの目的のためにFCV100において局所化される。
一般的に言えば、電力モジュール150の観点から、資源の使用は、グローバル車両需要の満足と釣り合っている。グローバル車両需要を寄与的に満足する一つの目標は、資源均衡、つまり、複数の電力モジュール150間の燃料、電気エネルギ及び他の資源の均衡をとることである。具体的には、資源均衡は、負荷均衡の結果、つまり、複数の電力モジュール150間の電気的な及び他の負荷の均衡をとることである。負荷均衡は、グローバル車両需要を寄与的に満たした結果である。
FCV100は、動作時に、FCV100を代表して、車両機能を実行し、それによりFCV100を代表して、対応する車両需要を満たすように装備されている。上述のように、グローバル制御モジュール128G及び電力制御モジュール128P、並びに、FCV100のグローバル動作の統合の観点から、車両要求は、グローバル車両要求を含む。電力制御モジュール128P及び電力モジュール150の動作の統合の観点から、車両需要は、一以上のローカル車両需要、つまり、グローバル車両需要に続くが、FCV100に共通ではなく、電力モジュール150に個々の車両需要を、追加的に含む。具体的には、エネルギ需要の一以上は、ローカルエネルギ需要であり、推進需要の一以上はローカル推進需要である。各電力制御モジュール128P及び割当電力モジュール150について、ローカルエネルギ需要は、燃料タンクシステム164からの燃料及び空気を使用した電気エネルギを生成する一以上の需要、燃料電池スタック202からの電気エネルギを貯蔵する一以上の需要、電気エネルギを調整さもなければ処理する一以上の需要、燃料電池スタック202を冷却する一以上の需要、燃料電池スタック202に付随する車両要素を冷却する一以上の需要、燃料を貯蔵する、別な方法では処理する一以上の需要、の任意の組合せを含んでよい。ローカル推進要求は、燃料電池スタック202及びバッテリ210の任意の組合せからの電気エネルギを使用して、車輪114に動力を供給する一以上の需要を含んでよい。
FCV100において、電力制御モジュール128Pは、マスタ/スレーブ制御関係を有する。具体的には、一の電力制御モジュール128Pは、マスタ電力制御モジュール128Pとして確立され、残りの電力制御モジュール128Pは、スレーブ電力制御モジュール128Pとして確立される。
グローバル推進需要に関して、ドライブトレインが各推進システム154に機械的に接続されている場合、それらが属する電力モジュール150を代表して、推進システム154は、推進機能を実行するように動作可能であり、それにより、グローバル推進需要を寄与的に満たす。上述のように、グローバル推進需要は、車輪114に動力を供給するための要求及び車輪114を減速するための要求を含んでよい。推進システム154が、車輪114に動力を供給するように動作可能である場合、推進システム154は、車輪114に動力を供給するための需要を寄与的に満たす。さらに、推進システム154が、車輪114を減速するように動作可能である場合、推進システム154は、車輪114を減速するための需要を寄与的に満たすように動作可能である。
Claims (18)
- 少なくとも一つの車輪を含むドライブトレインと、
複数の電力モジュールと、
を備える車両であって、
各電力モジュールは、
燃料を使用して電気エネルギを生成するように動作可能なエネルギシステムと、
前記ドライブトレインに機械的に接続された推進システムと、
当該車両内に対となるものがなく、当該車両全体の異なる補機需要を満たすように動作可能であり、各電力モジュールに割り当てられた、アプリケーション非依存の複数の補機要素と、
を含み、
前記推進システムは、前記エネルギシステムに電気的に接続されており、且つ、前記エネルギシステムからの高電圧電気エネルギを使用して、前記少なくとも一つの車輪に寄与的に動力を供給するように動作可能であり、
各電力モジュールでは、前記割り当てられた補機要素は、前記エネルギシステムに電気的に接続されるとともに、前記エネルギシステムからの低電圧電気エネルギを使用して、当該車両全体の補機需要を満たすように動作可能である
ことを特徴とする車両。 - 前記複数の電力モジュール夫々の前記推進システムは、前記ドライブトレインが機械的に接続される共通の出力カップリングを支持していることを特徴とする請求項1に記載の車両。
- 各電力モジュールは、エネルギシステム毎の燃料タンク及び燃料電池スタックを含み、
各電力モジュールにおいて、前記燃料タンクは燃料を貯蔵するように動作可能であり、前記燃料電池スタックは、前記燃料タンクに流体的に接続されるとともに、前記燃料タンクからの燃料を使用して電気エネルギを生成するように動作可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の車両。 - 各電力モジュールは、推進システム毎に前記ドライブトレインが機械的に接続されるモータを含み、
各電力モジュールにおいて、前記モータは、前記エネルギシステムからの高電圧電気エネルギを使用して、前記少なくとも一つの車輪に寄与的に動力を供給するように動作可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の車両。 - 各電力モジュールは、エネルギシステム毎のバッテリを含み、
各電力モジュールでは、前記割り当てられた補機要素は、前記バッテリに電気的に接続されるとともに、前記バッテリからの低電圧電気エネルギを使用して、当該車両全体の補機需要を満たすように動作可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の車両。 - 接続/切替部を更に備え、
前記接続/切替部は、前記複数の電力モジュール間に電気的に接続されるとともに、周期的に、前記複数の電力モジュール夫々のバッテリ間で、前記複数の電力モジュールに割り当てられた前記各補機要素からの電気的負荷を切り替えるように動作可能である
ことを特徴とする請求項5に記載の車両。 - 電力モジュール毎の電力制御モジュールを更に備え、
各電力制御モジュールは、電力モジュールを割り当て、前記割り当てられた電力モジュールと通信可能に接続され、且つ、前記割り当てられた電力モジュールの前記エネルギシステム及び前記推進システムを操作するように構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の車両。 - 前記ドライブトレインを支持するとともに、連結部を含むシャーシを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の車両。
- 少なくとも一つの車輪を含むドライブトレインと、
複数の電力モジュールと、
を備える車両であって、
各電力モジュールは、
燃料を貯蔵するように動作可能な燃料タンクと、
前記燃料タンクに流体的に接続されるとともに、前記燃料タンクからの燃料を使用して電気エネルギを生成するように動作可能な燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックからの電気エネルギを貯蔵するように動作可能なモータバッテリと、
前記燃料電池スタックに電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックからの電気エネルギを貯蔵するように動作可能な補完バッテリと、
前記ドライブトレインが機械的に接続され、且つ、前記燃料電池スタック及び前記モータバッテリに電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタック及び前記モータバッテリの任意の組合せからの高電圧電気エネルギを使用して、前記少なくとも一つの車輪に寄与的に動力を供給するように動作可能であるモータと、
当該車両内に対となるものがなく、当該車両全体の異なる補機需要を満たすように動作可能であり、各電力モジュールに割り当てられた、アプリケーション非依存の複数の補機要素と、
を含み、
各電力モジュールでは、前記割り当てられた補機要素は、前記補完バッテリに電気的に接続されるとともに、前記補完バッテリからの低電圧電気エネルギを使用して、当該車両全体の補機需要を満たすように動作可能である
ことを特徴とする車両。 - 各電力モジュールにおいて、前記燃料電池スタックは水素を燃料にしており、前記燃料タンクは水素タンクであることを特徴とする請求項9に記載の車両。
- 前記複数の電力モジュールの前記各モータは、前記ドライブトレインが機械的に接続される共通の出力カップリングを支持していることを特徴とする請求項9に記載の車両。
- 接続/切替部を更に備え、
前記接続/切替部は、前記複数の電力モジュール間に電気的に接続されるとともに、前記複数の電力モジュールの前記各モータバッテリ間で等しく、前記複数の電力モジュールの前記各モータから、複数の結合された電気的負荷の少なくとも一つを選択的に共有するように動作可能である
ことを特徴とする請求項9に記載の車両。 - 接続/切替部を更に備え、
前記接続/切替部は、前記複数の電力モジュール間に電気的に接続されるとともに、周期的に、前記複数の電力モジュール夫々のバッテリ間で、前記複数の電力モジュールに割り当てられた前記各補機要素からの電気的負荷を切り替えるように動作可能である
ことを特徴とする請求項9に記載の車両。 - 前記各補機要素は、夫々が制動システム、操舵システム、加熱/冷却システム及びアクセサリシステムの少なくとも一つに属する前記複数の電力モジュールに割り当てられていることを特徴とする請求項9に記載の車両。
- 電力モジュール毎の電力制御モジュールを更に備え、
各電力制御モジュールは、電力モジュールを割り当て、前記割り当てられた電力モジュールと通信可能に接続されており、且つ、前記割り当てられた電力モジュールの前記燃料電池スタック及び前記モータを操作するように構成されている
ことを特徴とする請求項9に記載の車両。 - セミトラクタシャーシを更に備え、
前記シャーシは、前記ドライブトレインを支持するとともに、セミトレーラを連結するための連結部を含む
ことを特徴とする請求項9に記載の車両。 - シャーシと、
前記シャーシにより支持されたモータアセンブリと、
を更に備え、
前記モータアセンブリは、前記複数の電力モジュールの前記各モータ及び共通の出力カップリングを含み、
前記複数のモータは相互に依存する回転動作のために軸方向に統合されるとともに、回転のための前記出力カップリングを支持し、
前記ドライブトレインは、前記シャーシにより支持され、且つ、前記出力カップリングに機械的に接続され、
前記複数の電力モジュールの前記各モータは、前記複数の電力モジュールの前記各燃料電池スタックからの高電圧電気エネルギを使用して、前記出力カップリングを寄与的に回転し、それにより、前記少なくとも一つの車輪に寄与的に動力を供給するように動作可能である
ことを特徴とする請求項9に記載の車両。 - 前記シャーシは、セミトラクタシャーシであり、セミトラクタを結合するための結合部を含むことを特徴とする請求項17に記載の車両。
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