JP2013121237A - 電気自動車の電力機器冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力機器の負荷に合わせた必要十分な冷却装置とすることで、より低コスト小型で簡素な冷却装置を提供する。
【解決手段】電力機器冷却装置１は、インバータ６の近傍に配設されインバータ６に設けられたヒートシンク及び、モータ９の近傍に配設されモータ９に設けられたフィンにそれぞれ冷却水を給付する水噴射ノズル１２，１３と、冷却水を貯留するタンク１０と、タンク１０の冷却水を加圧して水噴射ノズル１２，１３へ圧送するポンプ１１と、インバータ６及びモータ９の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して水噴射ノズル１２，１３を開閉制御する制御器１４とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の性能向上に伴う電力機器の冷却能力強化に対応した冷却装置に関する。

従来、電気自動車における電力変換手段のトランジスタ等の冷却は、簡素な構成の空冷によるものが広く採用されてきた。そのような折、電気自動車の性能を向上させるため電力変換手段を大出力化する傾向があり、冷却能力の強化策として空冷手段のヒートシンクやファンを大型化する必要があった。しかしながら、ヒートシンクやファンの大型化は、電力変換手段のサイズや騒音の増大を招くという問題を惹起した。

前記の問題を解決するものとして特許文献１がある。特許文献１に開示された技術は、電気自動車に設けられる各電力変換手段を空冷式冷却よりも効率良く冷却することのできる統一された系統を有する水冷式の冷却装置に関するものである。

空冷式の冷却装置においては個々の電力変換手段に簡素な構成の各々独立した空冷装置を配置するのに対し、特許文献１に開示された技術によれば、全ての電力変換手段の冷却系を統一した循環冷却水による水冷冷却系とするので、一組の循環装置と熱交換器で構成することができ、水冷装置を小型化することができる。

特開平４−２７５４９２号公報

ところで、一般的な車両が様々な走行場面で必要とする出力は、時速６０ｋｍ/ｈでの定速走行時の走行抵抗は１５ｋｗ弱であり、１００ｋｍ/ｈであっても３０ｗ以下程度である。標準的な走行パターンとされる１０，１５モードにおいて最も出力が必要となるのは１５モードにおけるＮｏ.２の５０ｋｍ/ｈまで加速する（１８秒）ときであるが、その場合でも約２０ｋｗである。従来の空冷による最大出力が３０ｋｗ未満のＥＶ車両でも１０，１５モードでの走行は可能であり、時速１００ｋｍ/ｈ走行も可能である。

このように、現実的に一般的な車の運転において１００ｋｗ程度の出力が連続的に必要となることはない。１００ｋｗ程度の出力を出すためアクセルペダルを全開に踏み続けるような場面は、高速道路での追い越し等の極短時間（数秒間）のものに限定される。特許文献１に開示された技術は、このような実際には極短時間しかない最大負荷に連続的に対応できる冷却装置とするため、全ての冷却系を循環させる場合を考慮して十分に余力を有する出力の大きなポンプを必要とする。そのため、特許文献１に開示された冷却装置は、オーバースペックとなり無駄が多く、コスト及びサイズが増大するとともに、配管、バルブ類が多数付加されるため装置は複雑化するのである。また、バルブ制御が複雑になるので制御系の新規開発を必要とする。さらに、冷却水を冷却するラジエータは、走行風の得られない低車速時や停車時などに備えて、より強力かつ十分な風力を有するファンを必要とする。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、電力機器の負荷に合わせた必要十分な冷却装置とすることで、より低コスト小型で簡素な冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、電気自動車の電力機器を気化熱により水冷する冷却装置であって、前記電力機器の近傍に配設され前記電力機器の空冷機構に冷却水を給付する水給付部と、前記冷却水を貯留するタンクと、前記タンクの前記冷却水を加圧して前記水給付部へ圧送する圧送部と、前記電力機器の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して前記水給付部を開閉制御する制御器とからなることを特徴とする。

この構成によれば、タンクに貯留された冷却水を加圧して水給付部へ圧送し、制御器が電力機器の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して水給付部を開閉制御することにより、現実的に極短時間だけ高負荷になり空冷では冷却が不十分な電力機器のみに水給付部から冷却水を給付して局所的に冷却することができるという優れた効果を奏する。また、電気自動車の電力機器冷却装置が、既存の空冷機構に簡易で小型な水冷機構を低コストで付加することにより得られるという優れた効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、前記制御器が、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、冷却の要否を判断して制御することを特徴とする。

この構成によれば、必要としない冷却作用を阻止することができ、冷却装置を効率的に使用することができる。

請求項３に記載の発明は、前記制御器が、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、空冷又は水冷を択一的に判断して制御することを特徴とする。

この構成によれば、電力機器の負荷に合わせた必要十分な冷却を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、前記制御器が、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、水冷の可否を判断して制御することを特徴とする。

この構成によれば、電力機器の過熱が予防でき、電気自動車の安全を確保することができる。

請求項５に記載の発明は、運転操作器の操作量に基づいて前記水給付部を開閉することを特徴とする。

この構成によれば、過大負荷を要する運転操作により過大な発熱を予知して予め水冷するので、効果的な冷却を行うことができる。

請求項６に記載の発明は、前記タンクが、ウインドウオッシャー用又はヘッドライトウオッシャー用のものであることを特徴とする。

この構成によれば、タンクを適材適所なものとすることができ、冷却装置の小型化、簡素化、低コスト化を図ることができる。

請求項７に記載の発明は、前記圧送部が、ウインドウオッシャー用ポンプ又はヘッドライトウオッシャー用ポンプであることを特徴とする。

この構成によれば、圧送部を適材適所なものとすることができ、冷却装置の小型化、簡素化、低コスト化を図ることができる。

実施例に係る電力機器冷却装置の構成を電気自動車の主要構成部とともに示す概略構成図である。 実施例の冷却装置の動作を示すフローチャート図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、電力機器冷却装置１は、電気自動車の主要構成部とともに示すので、まず、公知である電気自動車の主要構成部について概要を説明する。

交流電源２は外部に設けられた電源であり、コネクタ３により電気自動車に接続される。電気自動車には交流電源２からの電力供給を受ける充電器４が設けられており、この充電器４は交流電源２からの電力を整流して主電池５を充電する。この主電池５の電力は、インバータ６で三相交流に変換されて、駆動モータである三相モータに供給され電気自動車を駆動する。

また、主電池５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７を介して補機電池８にも接続されており、主電池５の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７によって所定電圧に降下され、補機電池８を充電し、さらにＤＣ−ＤＣコンバータ７から補機系負荷への電力供給が行われている。

そして、電力機器としての充電器４、インバータ６及びＤＣ−ＤＣコンバータ７には、これらの冷却を行うためのファン１５，１６及び１７がそれぞれ設置されている。これら各々の冷却ファン１５，１６及び１７は、それぞれの電力機器のコンポーネントに取り付けられており、それぞれ個別の送風によって冷却作用を行っている。風導入構造１８〜２１は、電力機器に走行風を効果的に導入するためのものである。なお、これらの電力機器は、被水程度の防水構造を有しており、冷却水の噴射には十分耐えられる。

電力機器冷却装置１は、電力機器であるインバータ６の近傍に配設されインバータ６に設けられた空冷機構であるヒートシンク及び、電力機器であるモータ９の近傍に配設されモータ９に設けられた空冷機器であるフィンにそれぞれ冷却水を給付する水給付部である水噴射ノズル１２，１３と、冷却水を貯留するタンク１０と、タンク１０の冷却水を加圧して水噴射ノズル１２，１３へ圧送する圧送部であるポンプ１１と、インバータ６及びモータ９の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して前記水給付部を開閉制御する制御器１４とからなる。

タンク１０は、冷却水を貯留可能なものであればどのような形状や材質のものでもよく、例えば、ウインドウオッシャー用のタンクを共用してもよい。その場合、ウオッシャ液を冷却水として使用することも可能である。また、ウオッシャ液に代えてロングライフクーラントを用いてもよい。さらに、タンク１０にセンサを設けてその信号を制御器１４へ入力し、制御器１４が冷却水の不足を判断して警報するか又はエンジンコントロールユニット２３へ信号を送信して出力を制限するようにしてもよい。

ポンプ１１は、ウインドウオッシャー用ポンプやヘッドライトウオッシャー用ポンプが好適に採用できる。なお、圧送部としては、ウインドウオッシャー用ポンプやヘッドライトウオッシャー用ポンプのような電動のものではなく、人がペダルを踏んで電動機の出力を上げる動作を簡易ポンプ機構に連動させる蓄圧機構としてもよい。また、タンクと水給付部との水頭差を利用するものであってもよい。その場合には、水給付部は水噴射ノズル１２ではなく単純な管路の端末状とし、冷却水を噴射ではなく滴下させ、冷却水を供給又は遮断させる開閉バルブのみを備えるものとなる。さらに、インバータ装置は基本密閉構造で出力の変化により内部素子などが発熱し温度の上昇下降がある。この時圧力も同時に変化するのでこの作用を利用して、ワンウェイポンプを作動させ簡易的に蓄圧力を生成することで新たな電力や動力を不要とする構成にすることもできる。

水噴射ノズル１２，１３は、制御器１４から送信される信号を受信して冷却水を供給又は遮断する機能を備え、信号がＯＮのときにその先端から冷却水を比較的広い範囲に拡散して噴射するものである。しかしながら、前記したように、圧送部の圧力が十分ではないときなどでは、水噴射ノズルは冷却水を噴射せず滴下させるべく単純な管路の端末状とすることがある。

制御器１４は、図２のフローチャート図に示すような演算と判断を行って水噴射ノズル１２，１３を制御する。制御器１４は、単独で独立して設けたものであってもよいし、補機等の他の機器の制御部と共用にしてもよい。

図２に基づいて、電力機器冷却装置１の作動を説明する。

インバータ６とモータ９からそれぞれの温度情報を受信する（Ｓ１）。次のステップ以降は、インバータ６とモータ９の各電力機器毎に実行される。温度情報に基づいて冷却要求能力を算出する（Ｓ２）。冷却要求能力はトルク値又は電流値で表わされるものであり、周囲温度で補正した電力機器の温度と出力との相関関係のマップ等から求められる。算出した冷却要求能力に基づいて冷却の必要性を判断し（Ｓ３）、冷却が不要又は小と判断したときは何もせず、自然空冷か又は走行風冷却を行う（Ｓ４）。すなわち、一般に車両の走行では約５０ｋｍ/ｈ程度の定速度走行では１０ｋｗ程度の出力であり、その程度であれば十分に走行風による空冷で対応できる。Ｓ３で冷却が必要と判断したときはさらに上のレベルの冷却要求能力に基づいて冷却の必要性を判断し（Ｓ５）、冷却が中程度に必要と判断したときには制御器１４が電力機器に対応した冷却ファンを駆動させる（Ｓ６）。すなわち、車両が停車状態から一般的に加速する場合や高速道路を一定速度で巡航する場合など数十ｋｗ程度であればファンによる冷却能力を増強して冷却を補助するのである。Ｓ５で冷却が大いに必要と判断したときは水噴射で対応可能か否かを判断し（Ｓ７）、水噴射で対応可能と判断したときには水噴射を開始する（Ｓ８）。すなわち、高速走行中において更なる加速等１００ｋｗ以上必要とするような場合に、電力機器の発熱状況に応じて冷却水を噴射して短時間の高負荷の冷却に対応するのである。Ｓ７で水噴射での対応は不可能と判断したときには制御器１４はエンジンコントロールユニット２３へ信号を送信して出力制限を開始する（Ｓ９）。

ここで、上記判断の根拠ともなる水噴射での冷却性能について述べる。

水の気化熱は、２０℃ ２４５４ＫＪ／ｋｇ（５８６．２ｋｃａｌ／ｋｇ）である。これに基づいて、出力１００ｋｗでの水噴射冷却での能力を、高速走行時の追い越しなどを想定してシミュレーションする。

上記定数より、水１ｇを効率よくインバータ等のヒートシンクへ噴射し、蒸発させて冷却に利用すれば２．４５ＫＪ＝２．４５ｋｗ×１秒分の冷却が可能である。平均的な出力１００ｋｗクラスインバータの効率は約９５％以上であるので、仮に１００ｋｗ出力中では５ｋｗの損失となり、約２ｇ／秒の水噴射で冷却が可能となる。追い越しに約５秒程度１００ｋｗの出力状態が必要になるとすれば、１０ｇの水が１回の追い越しで必要となる。仮に水タンクの容量をウインドウオッシャー液容量相当の約２Ｌとすると、２００回の追い越し分相当の冷却に対応可能であるから、現実的にも頻繁に冷却水の補給は必要ないと考えられる。毎秒２ｇ程度の水噴射装置はウインドウオッシャーより噴射量の少ない、ヘッドライトウオッシャー程度のポンプシステムで十分対応可能なレベルである。

制御器１４は、上記のように、電力機器の発熱状態に応じて水給付部を開閉制御する。しかしながら、制御器１４は電力機器の発熱状態を予測して水給付部を開閉制御することもできる。すなわち、アクセルやブレーキのような運転操作器２２を急激に操作して所定値以上の操作量を与えた場合、制御器１４はそれを判断して所定値を超えた超過量に応じた時間の間水給付部を開くように制御するのである。なお、インバータ６はアクセルを操作して加速する際に発熱するとともに、ブレーキを操作して停止する際には回生制動による電流で発熱する。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の電力機器冷却装置１は、電力機器であるインバータ６の近傍に配設されインバータ６に設けられた空冷機構であるヒートシンク及び、電力機器であるモータ９の近傍に配設されモータ９に設けられた空冷機器であるフィンにそれぞれ冷却水を給付する水給付部である水噴射ノズル１２，１３と、冷却水を貯留するタンク１０と、タンク１０の冷却水を加圧して水噴射ノズル１２，１３へ圧送する圧送部であるポンプ１１と、インバータ６及びモータ９の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して前記水給付部を開閉制御する制御器１４とからなる。このように構成したので、本実施形態の電力機器冷却装置１は、現実的に極短時間だけ高負荷になり空冷では冷却が不十分なインバータ６等のみを局所的に冷却することができ、電力機器の負荷に合わせた必要十分な冷却を小型、簡素かつ低コストで実現するという優れた効果を奏するのである。

尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。例えば、電力機器としてインバータ６とモータ９を挙げたが、ＤＣ−ＤＣコンバータ７等にも適用できることは言うまでもない。

１ 電力機器冷却装置
５ 主電池
６ インバータ
９ モータ
１０ タンク
１１ ポンプ（圧送部）
１２，１３ 水噴射ノズル（水給付部）
１４ 制御器
１５〜１７ ファン
２２ 運転操作器
２３ エンジンコントロールユニット

Claims (7)

1. 電気自動車の電力機器を気化熱により水冷する冷却装置であって、
   前記電力機器の近傍に配設され前記電力機器の空冷機構に冷却水を給付する水給付部と、
   前記冷却水を貯留するタンクと、
   前記タンクの前記冷却水を加圧して前記水給付部へ圧送する圧送部と、
   前記電力機器の発熱状態に応ずるか又は発熱状態を予測して前記水給付部を開閉制御する制御器とからなることを特徴とする電気自動車の電力機器冷却装置。
2. 前記制御器は、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、冷却の要否を判断して制御することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。
3. 前記制御器は、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、空冷又は水冷を択一的に判断して制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。
4. 前記制御器は、前記電力機器から発信される温度情報に基づいて、水冷の可否を判断して制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。
5. 前記制御器は、運転操作器の操作量に基づいて前記水給付部を開閉することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。
6. 前記タンクは、ウインドウオッシャー用又はヘッドライトウオッシャー用のものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。
7. 前記圧送部は、ウインドウオッシャー用ポンプ又はヘッドライトウオッシャー用ポンプであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気自動車の電力機器冷却装置。

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