JP7192194B2 - ペルチェ式セルを備えた電気駆動車両用の熱調節システム、および、電気駆動車両 - Google Patents

Description

本発明は、電気駆動車両用熱調節システムに関する。

電気車両の推進システムでは、例えばインバータといった電子コンポーネント、および電気エネルギー蓄電池は、それらの温度がある一定の値の範囲内に留まれば、最適に動作する。特に、電子コンポーネントの温度が７０℃を超えないこと、および、バッテリの温度が１５℃から３０℃の範囲内に留まることが適切である。よって、電気駆動車両は通常、電子コンポーネントを冷却するために、および電気駆動モータへの電源供給用として取り付けられた高電圧バッテリの調節（すなわち、冷却／加熱）のために制御される熱調節システムを有する。

電子コンポーネントの温度およびバッテリの温度をそれぞれ調節するための２つの別個の冷却回路を設けることが知られている。

電気モードで車両の自律性を最適化するには、当該２つの冷却回路を特定の温度条件では接続させ、他の動作条件および／または他の温度条件では独立させることが適切である。

そのために、文献欧州特許出願公開第２ ３９２ ４８６号においては、第１の構成では、一方はバッテリの冷却用、他方は電子コンポーネントおよび電気モータの冷却用という２つの異なるループ回線を設け、第２の構成では、当該２つのループ回路が互いに接続されて単一の冷却回路を形成し、単一の冷却回路中にバッテリと電子コンポーネントとが直列に配置されるシステムが記載されている。当該２つの構成間の切り替えは、３方向型または４方向型の２つの制御バルブを制御することによって得られる。

この解決手段は、有効ではあるが、単一の冷却回路を有する第２の構成に欠点がある。実際、バッテリおよび電子コンポーネントには、同じ流量の循環冷却流体が通り抜けるため、係る第２の構成では、熱調節の制御モードの自由度が低い。

本願発明者らはすでに欧州特許出願第１８ ２０５ ５１２号において、本願の出願日においては未公開の、この課題に対する解決手段を提案している。しかしながら、当該解決手段には、特にバッテリ加熱システムの効率に関してまだ改良の余地がある。 さらなる解決手段としては、欧州特許出願公開第２ ８９１ ５６９号および欧州特許出願公開第３ ０７０ ７７２号が知られている。

［発明の目的］
本発明の目的は、上記において説明した欠点を解決可能な電気駆動車両用熱調節システムを実装することであり、より広くは、使用中に直面しうる様々な動作条件に応じた熱調節管理を改善することである。

本発明のさらなる目的は、現在既知の解決手段に対し、システムで使用する加熱手段の効率の向上を可能にする、本説明の冒頭で言及したタイプのシステムを実装することである。

本発明によると、請求項１で規定する電気駆動車両用熱調節システムが実装される。本発明はさらに、請求項１５で規定する電気駆動車両に関する。

本発明をより良く理解するために、これより、添付の図面を参照し、単に非限定的な例として、好適な一実施形態を説明する。
本発明に係る電気駆動車両用熱調節システムの第１の好適な実施形態に関する一構成を備えた図を示す。 本発明に係る電気駆動車両用熱調節システムの第１の好適な実施形態に関する別の構成を備えた図を示す。 図２の類似の図であり、本発明に係る熱調節システムの第２の好適な実施形態を示す。

図１および図２では、参照符号１によって電気駆動車両が全体として示される（部分的かつ概略的に示している）。

車両１は、バッテリパック２と、包括的に参照符号３で示される電気／電子駆動ユニットとを備える。バッテリパック２は、特には、いわゆる「高電圧」タイプ（例えば、４００Ｖの電圧を有するタイプ）のものであり、電気エネルギーを貯蓄し、直流電流として提供する。当該電気／電子駆動ユニットは特に、少なくとも１つの交流電気モータ、インバータ、変圧器、および充電装置というコンポーネントのうちの１または複数を有する。交流電気モータは、当該車輪の駆動のために車両１の１または複数の車輪に直接的または間接的に接続され、好ましくは、電気モータは、オルタネータとしても機能する回転電機として定義され、車両１の運転中に運転者が行う制動操作の少なくとも一部の操作中に力学的エネルギーを電気的エネルギーに変える。インバータは、ＰＩＭまたは「電力変換モジュール（ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅ）」とも称され、電気モータ用に、バッテリパック２の直流電流を交流電流に変える。変圧器は、バッテリパック２の高電圧電流を低電圧電流（すなわち、１２、２４、または４８Ｖの電圧）に変え、そうすることで、車両１に搭載された他のユーティリティに電力供給する。充電装置は、一般的に「車載充電器（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ）」と称され、車両１の電気制動操作中にバッテリパック２を再充電する。

構造上は、電気駆動ユニット３のコンポーネントは、本発明の主題に影響を及ぼすことなく、互いに一体化されてもよいし、または別個の位置に配置されてもよい。

車両１は、パッセンジャーコンパートメント（不図示）内の空気を温める電気加熱器７と、当該空気を冷却する空調システム８とを備える。特に、システム８は、パッセンジャーコンパートメント内の空気の冷却に使用するコンプレッサ９、凝縮器１０、および主蒸発器１１を有する。図示しない実施形態においては、最上級車両および／または比較的寸法の大きなパッセンジャーコンパートメントの場合、システム８は、後部座席の同乗者がより快適になるよう追加の蒸発器を有してよい。

システム８は、「チラー」と称される参照符号１２で示される交換器をさらに有し、システム８の冷却剤と、例えば水およびグリコールといった熱伝導流体との間の熱交換を行う。

交換器１２は、蒸発器１１と並列に配置され、以下でより詳細に説明する機能を有する。図１および図２に示す実施形態では、凝縮器１０は空冷式である。すなわち、凝縮器１０は車両の前部領域に配置され、車両１の外部の環境大気の流れによって冷却され、任意選択で、強制換気によって、すなわちファン１３の駆動によって冷却される。

次に、車両１は、熱伝導流体によって電気駆動ユニット３およびバッテリパック２の温度を調節するための熱調節システム１４をさらに備える。システム１４は、２つのループ回路１５および１６と、ループ回路１５および１６中にそれぞれ配置された２つのポンプ１７および１８とを有して、熱伝導流体を循環させる。システム１４は、交換器１２および熱交換器２０をさらに有する。交換器１２および２０は、それぞれループ回路１５および１６中に配置されて、熱伝導流体を冷却する。特に、交換器１２および蒸発器１１は、ロックシステムまたは電子調節システムが備わったバルブと関連付けられて、システム８の２つの異なる分岐における冷却剤の流れを制御する。当該２つの分岐は、パッセンジャーコンパートメントの空気調節専用およびループ回路１５の冷却専用である。

熱交換器２０は、好ましくは車両１の前部領域に配置され、車両１の外部の環境大気の流れによって、さらには強制換気によっても冷却されるラジエータ２１を有する。例えば、ラジエータ２１は凝縮器１０と位置合わせされて、凝縮器１０と同様にファン１３の空気の流れが通り抜ける。

ループ回路１６は、それぞれＡおよびＢで示される２つの接続点または分岐点を有し、それぞれループ回路１５の接続点または分岐点ＣおよびＤに接続される。

接続点ＣおよびＤは、ループ回路１５を２つの連続する分岐２２および２３に分割し、ポンプ１７、交換器１２、およびバッテリパック２は、分岐２２中に配置される。ポンプ１７は、熱伝導流体を分岐２２において接続点Ｄから接続点Ｃに流させるよう配置される。交換器１２およびバッテリパック２は、ポンプ１７の供給口１７ａと接続点Ｃとの間に配置されることが好ましい。

同様に、接続点ＡおよびＢは、ループ回路１６を２つの連続する分岐２４および２５に分割し、熱交換器２０は分岐２４中に配置され、電気駆動ユニット３は分岐２５中に配置される。ポンプ１８は、図１および図２の実施形態のように分岐２４中に配置されてよく、または、図３の実施形態のように分岐２５中に配置されてよい。特に、ポンプ１８は、熱伝導流体を分岐２４において接続点Ａから接続点Ｂに流させ、分岐２５において接続点Ｂから接続点Ａに流させるように配置される。

接続点Ａは、Ｔ字形接続部材によって画定され、接続点Ｃは、電子コマンドおよび車両１の制御ユニット２７によって切り替え可能な３方向２位置バルブ２６によって画定される。好適な実施形態では、接続点Ｃは、ダクト３２、および接続点Ｃに対応して配置されたバルブ２６のみによって接続点Ａに接続される。より詳細に言うと、バルブ２６は、ポンプ１７の供給口１７ａによって供給される熱伝導流体の流量Ｅを受ける分岐２２に接続される入口２８と、ダクト３２によって接続点Ａと連通する出口３１と、分岐２３に接続され、接続点Ｄによってポンプ１７の吸い上げ口１７ｂと連通する出口３３とを有する。

本発明の好適な一実施形態によると、恒久的に、すなわち、いかなる作動構成または作動条件下においても、接続点Ｄは接続点Ｂと連通している。特に、接続点ＢおよびＤは、ダクト３８のみによって直接互いに接続される、それぞれのＴ字形接続部材によって画定される。

分岐２４は、ダクト４２によって膨張タンクまたは補正タンク４１に接続される。タンク４１は、熱交換器２０と接続点Ｂとの間に配置されるのが好ましい。接続点ＢおよびＤは恒久的に互いに連通しているので、タンク４１だけでループ回路１６のみならずループ回路１５に対してもその補正機能を行い、さらなる専用タンクは必要ない。

接続点Ａから接続点Ｂに向う流束を防ぐ（すなわち、逆行する流れ、または「逆流」の状態を防ぐ）ために、一方向バルブ４３が分岐２５中に設けられるのが好ましい。以下においてもまた説明するが、当該バルブは絶対に必要というわけではない。図３の実施形態では、バルブ４３は、接続点Ａとポンプ１８の供給口との間に配置される。

本発明の好適な一実施形態によると、電気駆動ユニット３は、ループ回路１６の分岐２５中に配置され、通常の作動状態下では、ポンプ１８による加圧の下で送出される熱伝導流体の少なくとも一部によって冷却される。

システム１４は、バルブ２６の切り替えに応答して、２つの異なる構成で動作してよい。第１の構成（図１）では、入口２８は出口３３と連通しており、ポンプ１７によって汲み上げられた流量Ｅの熱伝導流体が吸い上げ口１７ｂに向かって循環する。一方、ポンプ１８は、流量保存則からループ回路１５に流入することなく接続点Ｂから分岐２５の中へと流れる流量Ｆの熱伝導流体を供給し、その結果、２つのループ回路１５と１６との間で流体が混ざり合うことはない。言い換えると、２つのループ回路１５および１６は、それぞれのポンプ１７および１８によって与えられたそれぞれの流量ＥおよびＦで、互いに独立に動作する。ポンプ１７および交換器１２は、バッテリパック２の温度が第１の事前設定閾値（例えば３０℃）より高いときに作動し／使用されて、流量Ｅの熱伝導流体が、交換器１２によって冷却され、バッテリパック２から熱を除去する。一方、ポンプ１８および熱交換器２０は、電気駆動ユニット３の温度が第２の事前設定閾値（例えば７０℃）より高いときに作動し、流量Ｆの熱伝導流体は、熱交換器２０によって冷却され、電気駆動ユニット３から熱を除去する。一方、ダクト３２および３８では、実質的に流体の動きはなく、その結果、ループ回路１５および１６においてそれぞれ循環する流束間で実質的に熱の伝達はない。

電気駆動ユニット３の温度がさらなる事前設定閾値（任意選択で、上述の第２の閾値に等しい閾値）を下回っている場合、エネルギーの無駄をなくすべく、ループ回路１５の方は作動させたまま、例えばポンプ１８を停止することによって、ループ回路１６の作動を停止することができる。

システム１４は、高温側４４ａおよび低温側４４ｂを有するペルチェ式セル４４をさらに有する点で有利である。好適な実施形態では、ペルチェ式セルは、ループ回路１５中に配置され、電子ユニット２７に命令されて、バッテリパック２の温度が第３の事前設定閾値（例えば０℃）を下回っているとき、流量Ｅの熱伝導流体を高温側４４ａを用いて加熱する。このようにしてペルチェ式セル４４の高温側４４ａによって加熱された熱伝導流体がバッテリパック２を通過するとき、熱伝導流体はバッテリパック２を温めて温度を許容値まで戻す。

ペルチェ式セル４４が分岐２３中に配置されて、システム１４が先刻説明した第１の構成で動作するときだけバッテリパック２を加熱するのが好ましい。しかしながら、ペルチェ式セルが分岐２２中に配置される実施形態もまた、本発明の保護範囲に含まれる。

好適な実施形態では、ペルチェ式セル４４の低温側４４ｂは、電気駆動３の電気／電子ユニットの温度が、すでに言及した第２の事前設定閾値より高いとき、当該ユニットを冷却するために使用する。

ペルチェ式セル４４の構造の詳細は、本説明の目的から外れるため、図１～図３には表していない。意図するところは、ペルチェ式セル４４が、既知のあらゆるタイプのペルチェ式セルの構造の詳細を示してよいということである。また、より多くのペルチェ式セルを直列接続で有することが可能であることも明らかである。

第２の構成（図２）において、入口２８は出口３１と連通しており、ポンプ１７によって汲み上げられた流量Ｅの熱伝導流体は、ダクト３２の中を接続点Ａに向かって流れ、ダクト３８を通ってポンプ１７の吸い上げ口１７ｂに戻る。その結果、２つのループ回路１５および１６はもはや独立ではなくなり、一体となってただ１つの冷却回路を形成する。特に、ポンプ１７によって吸い上げられた熱伝導流体は分岐２３には流れ込まず、この第２の構成においては、ペルチェ式セル４４による圧力低下は起こらない。

図２の実施形態では、接続点Ａに対応して、ポンプ１７によって供給される流量Ｅは、ループ回路１６の分岐２５からもたらされる流量Ｇの熱伝導流体と共に分岐２４に流れ込む。

これより明らかなことは、システム１４では、電気駆動ユニット３は、バッテリパック２と並列に配置されており、例えば電子ユニット２７に実装される制御ロジックに基づいたコマンドを用いるなどしてポンプ１７および１８の回転速度に作用することによって流量ＥおよびＦを変化させて調節できる、バッテリパック２を冷却する流量とは異なる値（Ｇ）の流量によって冷却されるということである。

図３に表した実施形態では、上述したように、ポンプ１８が、分岐２５中に、好ましくは電気駆動ユニット３と接続点Ｂとの間に、配置される。この場合、第２の構成では、接続点Ａに対応して、ポンプ１７および１８によって供給される流量ＥおよびＦの熱伝導流体が共に分岐２４に流れ込んで総流量Ｈを成し、流量Ｈは、熱交換器２０の中を通り、その後接続点Ｂに対応して再び流量ＥおよびＦに分割される。またこの場合では、電気駆動ユニット３は、ポンプ１８の回転速度を変化させることによって調節できる、バッテリパック２を冷却する流量とは異なる値（Ｆ）の流量によって冷却される。

再び図３の好適な実施形態を考えると、（ＢからＡに向う流束の方向で見て）ポンプ１８の供給口の下流の点Ｌに対応して、分岐２５は、互いに並列に配置される２つの部分４５および４６に分割または分岐し、バルブ４３および接続点Ａの上流の点Ｍにおいて再び結合する。一方、凝縮器１０は、いわゆる水冷式の凝縮器１０ａによって置き換えられており、凝縮器１０ａは分割部分４５中に配置されて、分岐２５を循環する流量Ｆの熱伝導流体の一部Ｆａによって冷却され、電気駆動ユニット３は分割部分４６中に配置されて、流量Ｆの残りの部分Ｆｂによって冷却される。特に、ポンプ１８によって汲み上げられた流量Ｆは、２つの分割部分４５および４６で起こる圧力低下に応じて、部分ＦａおよびＦｂに分割される。

図示しない一実施形態によると、適切な所望の流量値ＦａおよびＦｂを得るべく、点Ｌに対応して調節バルブが設けられる。

図示しない、（図２および図３の両方に適用可能な）さらなる実施形態によると、バルブ４３は存在しない。この場合、ポンプ１８が故障のために作動を停止しているか、または動作しないとき、接続点Ａに対応して、ポンプ１７によって汲み上げられた流量Ｅが２つの部分に分割され、そのうちの１つが（通常の作動状態とは逆行する流れで）分岐２５に流入し、電気駆動ユニット３を冷却する。この作動モードによって、一方面では、（熱伝導流体を接続点Ｄに向けて再循環させる目的で）ポンプ１８をオンに切り替える必要なくバッテリ充電段階中における電気駆動ユニット３の冷却が可能になり、他方面では、ポンプ１８の動作の故障または中断の際の安全機能を提供することによって冗長のレベルが上がる。

上記より明らかなことは、バルブ２６が点ＡとＢとを接続して単一の冷却回路を形成すると、電気駆動ユニット３を冷却する流量を、バッテリパック２を冷却する流量Ｅとは異ならせることが可能なので、システム１４の動作の自由度が極めて高いということである。特に、バッテリパック２および電気駆動ユニット３は、直列ではなく並列に配置されており、この第２の構成においても同様に、ポンプ１７、１８の回転速度に作用することで調節可能なそれぞれ異なる流量の流体が通り抜けることができる。

さらに、上述したように、単一の冷却回路を備えたこの構成では、例えば、外部環境条件に応じて、および／またはエネルギー消費量の最適化を考えて、様々なモードに従って動作することが可能である。

通常、第２の構成では、２つの回路１５、１６は互いに接続して単一の冷却回路を形成しており、コンポーネント数は同一であるため、交換器２１（ラジエータ）への熱伝導流体の流量はより高い。

さらに、出願人によって行われた研究および試験から、バッテリパック２の加熱に、および任意選択で電気／電子駆動ユニット３の冷却に、ペルチェ式セル４４を使用することで、非常に高い効率で動作させることが可能となり、それにより、高電圧の電気抵抗を有する従来型の加熱器によって提供されるものと比べて大幅に良好な性能が達成されることが示された。

最後に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、添付の図を参照してここに説明したシステム１４および車両１に対して、変形および変更を加えることができるということは明らかである。

概して、第１の構成と第２の構成との間でのシステム１４の切り替えのために、および／または、第２の構成での動作の制御のために、使用するバルブの数および／または位置および／またはタイプが上述の好適な実施形態と異なっていてもよい。適切な手段を講じることにより、任意選択で、ポンプ１８によって与えられる流束の方向が、示されたものとは逆であってもよい。

さらに、システム１４は、熱伝導流体を引き出すために、および車両１の（バッテリパック２、電気駆動ユニット３、および任意選択的な凝縮器１０ａ以外の）他のコンポーネントを冷却するために、ループ回路１５または１６に接続される１または複数の補助の分岐を有してよい。さらに、図３の凝縮器１０ａの代わりに、異なる冷却対象コンポーネントが設けられてもよい。

Claims (17)

1. 電気駆動車両用の熱調節システムであって、
   熱伝導流体を循環させるための第１のループ回路および第２のループ回路であって、前記第１のループ回路は、前記第１のループ回路を第１の分岐および第２の分岐に分割する第１の接続点および第２の接続点を有し、前記第２のループ回路は、前記第２のループ回路を第３の分岐および第４の分岐に分割する第３の接続点および第４の接続点を有し、前記第１の接続点および第２の接続点は、それぞれ前記第３の接続点および第４の接続点に接続可能である、第１のループ回路および第２のループ回路と、
   前記第１の分岐中に配置されて、前記熱伝導流体を前記第２の接続点から前記第１の接続点に流させる第１のポンプと、
   前記第２のループ回路中に配置された第２ポンプと、
   前記熱伝導流体を冷却可能な、前記第１のループ回路中に配置された第１の熱交換器および前記第２のループ回路中に配置された第２の熱交換器と、
   前記熱伝導流体によって冷却される、前記第１のループ回路中に配置されたバッテリパックおよび前記第２のループ回路中に配置された電気／電子駆動ユニットと、
   第１の構成と第２の構成とを切り替え可能な制御バルブであって、前記第１の構成では、前記第１のループ回路および前記第２のループ回路が、互いに独立なそれぞれの流束を伝え、前記第２の構成では、前記第１の接続点が前記第３の接続点と連通し、前記第２の接続点が前記第４の接続点と連通して単一の冷却回路が形成される、制御バルブと
   を備え、
   前記第２の構成の前記単一の冷却回路では、前記電気／電子駆動ユニットおよび前記バッテリパックは、互いに並列に配置されて、互いに異なる流量の前記熱伝導流体による冷却が可能であり、
   高温側および低温側を有する少なくとも１つのペルチェ式セルが前記第１のループ回路中に配置されて、前記第１のループ回路を通り抜ける前記熱伝導流体を前記高温側によって加熱する、
   熱調節システム。
2. 前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、前記第２の構成の前記単一の冷却回路中に配置される、
   請求項１に記載の熱調節システム。
3. 前記第１の接続点は、第１のダクトおよび前記制御バルブのみによって前記第３の接続点に接続され、前記制御バルブは、前記第１の接続点に対応して配置され、
   前記第２の接続点は第２のダクトのみによって直接前記第４の接続点に接続される、
   請求項１または２に記載の熱調節システム。
4. 前記バッテリパックおよび前記第１の熱交換器は前記第１の分岐中に配置される、
   請求項１から３の何れか一項に記載の熱調節システム。
5. 前記バッテリパックは前記第１の分岐中に配置され、前記電気／電子駆動ユニットは前記第４の分岐中に配置される、
   請求項１から３の何れか一項に記載の熱調節システム。
6. 前記第１の熱交換器は前記第１の分岐中に配置され、前記第２の熱交換器は前記第３の分岐中に配置される、
   請求項５に記載の熱調節システム。
7. 前記ペルチェ式セルは、前記第１のループ回路の前記第２の分岐中に配置される、
   請求項１から６の何れか一項に記載の熱調節システム。
8. 前記ペルチェ式セルの前記低温側は、前記第４の分岐中に配置された前記電気／電子駆動ユニットを冷却するよう設計される、
   請求項７に記載の熱調節システム。
9. 前記熱調節システムは、前記第３の分岐に接続されるタンクを備える、
   請求項１から８の何れか一項に記載の熱調節システム。
10. 前記第２ポンプは、前記熱伝導流体を、前記第３の分岐においては前記第３の接続点から前記第４の接続点に向かって流させ、前記第４の分岐においては前記第４の接続点から前記第３の接続点に向かって流させるよう配置される、
    請求項１から９の何れか一項に記載の熱調節システム。
11. 前記第４の分岐中に配置された逆流防止バルブをさらに備えることにより、前記第３の接続点から前記第４の接続点に向かう流束を防ぐ、
    請求項１０に記載の熱調節システム。
12. 前記第２ポンプは、前記第３の分岐中に配置される、
    請求項１０または１１に記載の熱調節システム。
13. 前記第２ポンプは、前記第４の分岐中に配置される、
    請求項１０または１１に記載の熱調節システム。
14. 前記第２ポンプは、前記電気／電子駆動ユニットと前記第４の接続点との間に配置される、
    請求項１３に記載の熱調節システム。
15. 前記第４の分岐は、互いに並列に配置された第１のダクト部および第２のダクト部を有し、前記電気／電子駆動ユニットは、前記第１のダクト部および前記第２のダクト部のうちの一方のダクト中に配置され、前記第１のダクト部および前記第２のダクト部のうちの他方のダクト部中に追加の冷却対象コンポーネントが配置される、
    請求項１から１４の何れか一項に記載の熱調節システム。
16. 前記追加の冷却対象コンポーネントは、水冷式凝縮器によって規定され、前記水冷式凝縮器はパッセンジャーコンパートメント内の空調システムの一部である、
    請求項１５に記載の熱調節システム。
17. 請求項１から１６の何れか一項に記載の熱調節システムを備える電気駆動車両。

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