JP7322352B2 - 電気自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、電気自動車に関するものであって、特に、燃料電池スタックが搭載された電気自動車に関する。
本出願は、２０１７年９月２５日付韓国特許出願第１０－２０１７－０１２３１８６号に基づく優先権の利益を主張し、当該の韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
最近、世界的な環境規制の強化およびエネルギー費用削減の傾向に基づいて、環境にやさしい電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）についての要求が増加している。
特に、電気自動車の車輪にモーターを一体化してタイヤを直接回転させるイン－ホイールモーターシステム（Ｉｎ－Ｗｈｅｅｌ Ｍｏｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）は、次世代電気自動車の核心技術として注目されている。
また、電気自動車のモーターおよび各種電装品に電源を供給するためにバッテリーパックおよび／または燃料電池スタック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ）が搭載される。
一般的に、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料と酸化剤の電気化学反応に応じて電気エネルギーを発生させるエネルギー変換装置であり、燃料が継続的に供給される限り、持続的に発展の可能な長所がある。
例えば、高分子電解質燃料電池は、高分子物質で構成された電解質膜を中心にアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を備える膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）を含む。また、燃料電池は、反応ガスを反応領域の全体にわったて均等に分布させ、アノード電極の酸化反応に応じて発生した電子をカソード電極側に伝達する役割のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）および反応ガスをガス拡散層に供給し、電気化学反応に応じて発生した水を外部に排出させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）を含む。
一方、イン－ホイールモーターシステムの場合、車輪ごとに個別モーターが独立して駆動されるため、動力損失を減少させることができる利点がある一方で、バッテリーパックまたは燃料電池スタックは、単一装置として、大きな空間を占めて車両内部構造設計に影響を及ぼし、空間活用の効率性を落とす問題を発生させる。
本発明は、イン－ホイールモーターシステムで、各車輪に内蔵された駆動モーターに個別に電力を供給でき、個別に制御できる電気自動車を提供することを解決しようとする課題とする。
また、本発明は、並列型、分散型の連結構造を有し、個別運転および個別制御が可能な燃料電池スタックモジュールを搭載した電気自動車を提供することを解決しようとする課題とする。
前記の課題を解決するために、本発明の一側面によると、車両の前方および後方の左右車輪をそれぞれ個別に回転させるように装着された第１から第４モーターと、第１から第４モーターにそれぞれ電源を一対一で供給するように、それぞれのモーターに独立して連結された第１から第４燃料電池スタックモジュールと、第１から第４モーターに電源を供給するためのバッテリーパックと、第１から第４モーター、第１から第４燃料電池スタックモジュール、およびバッテリーパックを制御するための主制御部と、第１から第４燃料電池スタックモジュールに水素ガスを供給するためのタンクと、を含む電気自動車が提供される。
このとき、前記電気自動車において、それぞれの車輪ごとにインバーター、モーター制御部、燃料電池スタックモジュール制御部が独立して備えられ得る。
また、主制御部は、それぞれのモーター制御部および燃料電池スタックモジュール制御部を統合制御するように設けられ得る。すなわち、主制御部は、それぞれのモーター制御部を制御するとともに、燃料電池スタックモジュールを制御できる。また、主制御部は、様々な道路環境や運転状況に応じて、それぞれのモーター制御部および燃料電池スタックモジュールを制御できる。
また、それぞれのモーター制御部および燃料電池スタックモジュール制御部は、主制御部と同期化されるように設けられ得る。
また、それぞれのモーターには、燃料電池スタックモジュールから主電源が供給され、バッテリーパックから選択的に電源が供給されることができる。すなわち、主制御部は、それぞれのモーターに供給される電源を制御でき、燃料電池スタックモジュールから供給される電源を主電源として供給し、バッテリーパックの電源を補助電源として供給するように制御できる。
また、主制御部は、速い負荷応答が必要な場合、またはピーク電源の供給が求められるとき、バッテリーパックを介してそれぞれのモーターに電源を供給するように設けられ得る。
また、バッテリーパックは、モーターの駆動に使用される高電圧バッテリーおよび周辺装置に電源を供給するための低電圧バッテリーを含み得る。
また、主制御部は、バッテリーパックの充電量が所定値以下で低くなると、燃料電池スタックモジュールを介してバッテリーパックの充電を行うように設けられ得る。
また、主制御部は、バッテリーパックの充電量が所定値以下で低くなると、それぞれのモーターの回生制動によってバッテリーパックの充電を行うように設けられ得る。
また、主制御部は、第１から第４モーターの出力を個別に調節するように設けられ得る。
このとき、主制御部は、運転状況や道路環境に応じて、第１から第４モーターの出力を個別に調節するように設けられ得る。特に、主制御部は、燃料電池スタックモジュールの効率を最大にし、燃料消耗量が最小になるように第１から第４モーターの出力を個別に調節するように設けられ得る。
以上で説明したように、本発明の一実施例と関連した電気自動車は、次のような効果を有する。
本発明は、電気自動車の車体形状（デザイン）の変更なしに適用が可能である。
また、単一燃料電池スタックの構造よりも車体空間活用の効率性が増大される。
また、電力供給源（燃料電池スタックモジュール）とモーター（電気モーター）間の距離を最小化できるため、電力損失を最小化できる。
また、複数の燃料電池スタックモジュールを介して、燃料電池スタックモジュールに隣接する低容量の周辺装置に電力を供給できる。
また、燃料電池スタックモジュールの小型化によって制御と応答特性が向上する。
また、大容量の単一の燃料電池スタックモジュールよりも高いエネルギー効率を有する。
本発明の一実施例と関連した電気自動車の構成図である。 本発明の一実施例と関連した電気自動車の一部構成図である。 本発明の一実施例と関連した電気自動車の一部構成図である。 本発明の一実施例と関連した電気自動車の制御系統を示す構成図である。
以下、本発明の一実施例による電気自動車を添付された図面を参考して具体的に説明する。
また、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同一または類似の参照番号を付与し、これについての重複説明は、省略することとし、説明の便宜のために図示された各構成部材の大きさおよび形状は、誇張されたり、縮小され得る。
図１は、本発明の一実施例と関連した電気自動車の構成図であり、図２および図３は、本発明の一実施例と関連した電気自動車の一部構成図であり、図４は、本発明の一実施例と関連した電気自動車の制御系統を示す構成図である。
本発明の一実施例と関連した電気自動車１００は、車体１０１を含む。また、電気自動車１００は、車両の前方および後方の左右車輪、例えば４つの車輪１１１、１１２、１１３、１１４を含む。
前記電気自動車１００は、駆動のための複数の車輪と、それぞれの車輪を独立駆動させるため、当該の車輪に一体に装着される複数のモーターと、それぞれのモーターに電源を供給するため、当該のモーターに個別に連結された複数の燃料電池スタックモジュールと、を含む。例えば、それぞれの車輪にモーターが内蔵されている場合には、車輪、モーター、燃料電池スタックモジュールの数はすべて同一であり得る。これとは異なり、車両が前輪駆動または後輪駆動の場合、車輪の数よりもモーターおよび燃料電池スタックモジュールの数が少ないことがあり得る。
一例として、電気自動車１００は、車両の前方および後方の左右車輪１１１、１１２、１１３、１１４をそれぞれ個別に回転させるように装着された第１から第４モーター１２１、１２２、１２３、１２４を含む。それぞれのモーター１２１、１２２、１２３、１２４は、対応する車輪に一体化し、各車輪を個別に駆動させる。
また、電気自動車１００は、第１から第４モーター１２１、１２２、１２３、１２４にそれぞれ電源を一対一で供給するように、それぞれのモーター１２１、１２２、１２３、１２４に独立して連結された第１から第４燃料電池スタックモジュール１３１、１３２、１３３、１３４を含む。それぞれの燃料電池スタックモジュール１３１、１３２、１３３、１３４は、同一の出力および大きさを有し得る。また、本発明による電気自動車は、すべての車輪側に電力を供給するための単一の燃料電池スタックを使用せず、小型、小容量の燃料電池スタックをそれぞれの車輪側に独立して連結して、電力を供給する構造を有する。また、それぞれの燃料電池スタックモジュール１３１、１３２、１３３、１３４は、並列的に連結される。
また、電気自動車１００は、第１から第４モーター１２１、１２２、１２３、１２４および第１から第４燃料電池スタックモジュール１３１、１３２、１３３、１３４を制御するための主制御部１４０を含む。
また、電気自動車１００は、第１から第４モーターに電源を供給するためのバッテリーパック１６０および第１から第４燃料電池スタックモジュール１３１、１３２、１３３、１３４に水素ガスを供給するためのタンク１７０を含む。
また、電気自動車１００は、それぞれの車輪１１１、１１２、１１３、１１４ごとにインバーター、モーター制御部、燃料電池スタックモジュール制御部が独立して備えられ得る。すなわち、主制御部１４０とは別に、第１から第４車輪側のそれぞれには、インバーター（例えば、ＤＣ／ＡＣインバーター）、モーター制御部、および燃料電池スタックモジュール制御部が独立して備えられる。
例えば、図２および図３を参照すると、第１モーター１２１側には、第１モーター１２１と電気的に連結された第１インバーター、第１モーター１２１を個別に制御するための第１モーター制御部１４１、および第１燃料電池スタックモジュール１３１を個別に制御するための第１燃料電池スタックモジュール制御部（図示せず）が設けられ得る。
このとき、主制御部１４０は、それぞれのモーター制御部（例えば、１４１）および燃料電池スタックモジュール制御部を統合制御するように設けられ得る。具体的に、それぞれのモーター制御部および燃料電池スタックモジュール制御部は、主制御部１４０と同期化されるように設けられ得る。
それぞれの燃料電池スタックモジュールごとに独立的な制御部が設けられることによって、各燃料電池スタックモジュール別の作動温度、気体流量などの制御が容易になり、燃料電池を構成する周辺装置（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｕｎｉｔｓ）の小型化が可能となる。
一方、インバーターは、モーター制御部から受信された信号に応じて、燃料電池スタックモジュール１３１またはバッテリーパック１６０から伝達されたＤＣ電力を調節してモーターに伝達する機能を行う。
それぞれのモーター１２０：１２１、１２２、１２３、１２４には、燃料電池スタックモジュール１３０：１３１、１３２、１３３、１３４から主電源が供給され、バッテリーパック１６０から選択的に電源が供給されるように設けられ得る。
すなわち、本発明の一実施例と関連した電気自動車１００は、燃料電気スタックモジュール１３０：１３１、１３２、１３３、１３４とバッテリーパック１６０のハイブリッドパワー供給システムによって駆動できる。例えば、バッテリーパック１６０は、速い負荷応答が必要な場合、またはピーク電源の供給が求められるとき、それぞれのモーターに電源を供給するように設けられ得る。
具体的に、燃料電池スタックモジュール１３０は、各車輪に動力を供給する主電源として使用され、バッテリーパック１６０は、ピークパワー（Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ）またはスタートアップ（Ｓｔａｒｔ－Ｕｐ）時のような速い負荷応答特性が必要なときのみ使用されて全体的な電力供給の効率性を高めることができる。
図４を参照すると、主制御部１４０は、燃料電池スタックモジュール１３０ およびバッテリーパック１６０のハイブリッド使用の程度を決定し、コンバータ１６１に伝達される信号で制御し、主制御部１４０は、モーターを制御するためのトルク（Ｔｏｒｑｕｅ）を決定し、制御信号を伝達することができる。
また、バッテリーパック１６０は、モーターの駆動に使用される高電圧バッテリーおよび周辺装置に電源を供給するための低電圧バッテリーを含み得る。
また、バッテリーパック１６０の充電量が所定値以下で低くなると、燃料電池スタックモジュール１３０によってバッテリーパック１６０の充電が行われる。
また、バッテリーパック１６０の充電量が所定値以下で低くなると、動的負荷（Ｌ）に応じてそれぞれのモーター１２０の回生制動（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｂｒａｋｉｎｇ）によってバッテリーパック１６０の充電が行われる。
以上で説明した本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明についての通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更および付加は、下記の特許請求範囲に属するものと理解すべきである。
本発明の一実施例と関連した電気自動車によると、単一の燃料電池スタック構造よりも車体の空間活用の効率性が増大し、複数の燃料電池スタックモジュールを介して、燃料電池スタックモジュールに隣接する低容量の周辺装置に電力を供給できる。

Claims (8)

  1. 車両の前方および後方の左右車輪をそれぞれ個別に回転させるように装着された第１から第４モーターと、
    前記第１から前記第４モーターにそれぞれ電源を一対一で供給するように、それぞれの前記モーターに独立して連結された第１から第４燃料電池スタックモジュールと、
    前記第１から前記第４モーターに電源を供給するためのバッテリーパックと、
    前記第１から前記第４モーター、前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュール、および前記バッテリーパックを制御するための主制御部と、
    前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュールに水素ガスを供給するためのタンクと、を含み、
    前記第１から前記第４モーターのそれぞれのモーターには、前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュールのそれぞれの燃料電池スタックモジュールから電源が供給され、前記バッテリーパックから選択的に電源が供給され、
    前記主制御部は、速い負荷応答が必要な場合、またはピーク電源の供給が求められるとき、前記バッテリーパックを介してそれぞれの前記モーターに電源を供給するように設けられ、
    前記主制御部は、前記バッテリーパックの充電量が所定値以下で低くなると、それぞれのモーターの回生制動によって前記バッテリーパックの充電を行うように設けられ、
    それぞれの車輪ごとにインバーター、モーター制御部、燃料電池スタックモジュール制御部が独立して備えられ、
    前記主制御部は、前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュールおよび前記バッテリーパックのハイブリッド使用の程度を決定し、
    前記主制御部は、前記第１から前記第４モーターを制御するためのトルクを決定し、制御信号を伝達する、
    電気自動車。
  2. 前記主制御部は、それぞれの前記モーター制御部および前記燃料電池スタックモジュール制御部を統合制御するように設けられた請求項１に記載の電気自動車。
  3. それぞれの前記モーター制御部および前記燃料電池スタックモジュール制御部は、前記主制御部と同期化されるように設けられた請求項２に記載の電気自動車。
  4. 前記バッテリーパックは、前記モーターの駆動に使用される高電圧バッテリーおよび周辺装置に電源を供給するための低電圧バッテリーを含む請求項１から３のいずれか一項に記載の電気自動車。
  5. 前記主制御部は、前記バッテリーパックの充電量が所定値以下で低くなると、前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュールによって前記バッテリーパックの充電を行うように設けられた請求項１から４のいずれか一項に記載の電気自動車。
  6. 前記主制御部は、前記第１から前記第４モーターの出力を個別に調節するように設けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の電気自動車。
  7. 前記主制御部は、運転状況や道路環境に応じて、前記第１から前記第４モーターの出力を個別に調節するように設けられた請求項６に記載の電気自動車。
  8. 前記主制御部は、前記第１から前記第４燃料電池スタックモジュールの効率を最大にし、燃料消耗量が最小になるように前記第１から前記第４モーターの出力を個別に調節するように設けられた請求項６または７に記載の電気自動車。
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