KR101942165B1 - 전동 차량 - Google Patents

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Abstract

전동 차량의 운동 성능을 확보하면서 연료 전지 스택을 안정적으로 지지하기 위해, 연료 전지 스택(10)과, 모터 제너레이터(13)와, 전기 조정기(EA)를, 승객실(2)의 차량 길이 방향(VL) 전방에 형성된 수용실(3) 내에 수용한다. 모터 제너레이터(13) 및 전기 조정기(EA)를 공통의 저부 케이싱(5) 내에 수용하고, 저부 케이싱을 수용실의 저부에 배치한다. 저부 케이싱의 정상부에 대략 수평 방향으로 확장되는 평탄한 스택 지지면(SS)이 형성되어 있다. 연료 전지 스택을 케이싱의 상방에 배치함과 함께 스택 지지면 상에 배치된 마운트(MS)를 통해 저부 케이싱에 의해 지지한다.

Description

전동 차량 {ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은, 전동 차량에 관한 것이다.
전력을 발생하는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로부터의 전력에 의해 구동되는 차량 구동용 전기 모터를, 승객실의 차량 길이 방향 전방에 형성된 수용실 내에 수용한 전동 차량이 공지이다(특허문헌 1 참조). 이 전동 차량에서는 전기 모터의 상방에 연료 전지 스택이 배치된다.
일본 특허 공개 제2003-173790호 공보
특허문헌 1에는, 연료 전지 스택을 어떻게 지지하는 지에 대해 구체적인 개시는 없다. 그러나, 전동 차량의 운동 성능을 확보하면서 연료 전지 스택을 안정적으로 지지하는 것이 반드시 용이한 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 전력을 발생하는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로부터의 전력에 의해 구동되는 차량 구동용 전기 모터와, 연료 전지 스택으로부터의 전압 혹은 전류 또는 전기 모터에의 전압 혹은 전류를 조정하는 전기 조정기를, 승객실의 차량 길이 방향 외측에 형성된 수용실 내에 수용한 전동 차량이며, 상기 전기 모터 및 상기 전기 조정기를 공통의 케이싱 내에 수용함과 함께 케이싱을 수용실의 저부에 배치하고, 케이싱의 정상부에 대략 수평 방향으로 확장되는 평탄한 스택 지지면이 형성되어 있고, 상기 연료 전지 스택을 상기 케이싱의 상방에 배치함과 함께 상기 스택 지지면 상에 배치된 마운트를 통해 상기 케이싱에 의해 지지하도록 한, 전동 차량이 제공된다.
전동 차량의 운동 성능을 확보하면서 연료 전지 스택을 안정적으로 지지할 수 있다.
도 1은 전동 차량의 수용실 내에 있어서의 각종 요소의 레이아웃을 도시하는, 측방으로부터 본 개략도이다.
도 2는 전동 차량의 수용실 내에 있어서의 각종 요소의 레이아웃을 도시하는, 상방으로부터 본 개략도이다.
도 3은 전동 차량의 수용실 내에 있어서의 각종 요소의 레이아웃을 도시하는, 후방으로부터 본 개략도이다.
도 4는 연료 전지 시스템의 전체도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전동 차량(1)은 승객실(2)과, 승객실(2)의 차량 길이 방향(VL) 전방에 형성된 수용실(3)을 구비한다. 도면에 도시되는 실시예에서는, 수용실(3)은 대시보드(4)에 의해 승객실(2)로부터 분리된다. 혹은, 수용실(3)은 후드(3a), 차량 보디(3b) 및 대시보드(4)에 의해 획정된다고 볼 수도 있다. 또한, 도 1 내지 도 3에 있어서, VL은 차량 길이 방향, VW는 차량 폭 방향, VH는 차량 높이 방향을 각각 나타내고 있다. 여기서, 차량 길이 방향(VL) 및 차량 폭 방향(VW)은 수평 방향이고, 차량 높이 방향(VH)은 연직 방향이다. 한편, 전동 차량(1)은 도 4에 도시되는 바와 같은 연료 전지 시스템(A)을 구비하고 있고, 연료 전지 시스템(A)의 요소의 일부 또는 전부가 수용실(3) 내에 수용되어 있다.
도 4를 참조하면, 연료 전지 시스템(A)은 연료 전지 스택(10)을 구비한다. 연료 전지 스택(10)은 적층 방향으로 서로 적층된 복수의 연료 전지 단셀을 구비한다. 각 연료 전지 단셀은, 막 전극 접합체(20)를 포함한다. 막 전극 접합체(20)는 막 형상의 전해질과, 전해질의 일측에 형성된 애노드극과, 전해질의 타측에 형성된 캐소드극을 구비한다. 또한, 각 연료 전지 단셀 내에는, 애노드극에 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 유통로와, 캐소드극에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 유통로와, 연료 전지 단셀에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 유통로가 각각 형성된다. 복수의 연료 전지 단셀의 연료 가스 유통로, 산화제 가스 유통로 및 냉각수 유통로를 각각 직렬로 접속함으로써, 연료 전지 스택(10)에는 연료 가스 통로(30), 산화제 가스 통로(40) 및 냉각수 통로(50)가 각각 형성된다.
연료 가스 통로(30)의 입구에는 연료 가스 공급로(31)가 연결되고, 연료 가스 공급로(31)는 연료 가스원(32)에 연결된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 연료 가스는 수소로 형성되고, 연료 가스원(32)은 수소 탱크로 형성된다. 연료 가스 공급로(31) 내에는 연료 가스 공급로(31) 내를 흐르는 연료 가스의 양을 제어하는 연료 가스 제어 밸브(33)가 배치된다. 한편, 연료 가스 통로(30)의 출구에는 애노드 오프 가스 통로(34)가 연결된다. 연료 가스 제어 밸브(33)가 개방되면, 연료 가스원(32) 내의 연료 가스가 연료 가스 공급로(31)를 통해 연료 전지 스택(10) 내의 연료 가스 통로(30) 내에 공급된다. 이때 연료 가스 통로(30)로부터 유출되는 가스, 즉, 애노드 오프 가스는 애노드 오프 가스 통로(34) 내에 유입된다. 애노드 오프 가스 통로(34) 내에는 애노드 오프 가스 통로(34) 내를 흐르는 애노드 오프 가스의 양을 제어하는 애노드 오프 가스 제어 밸브(35)가 배치된다.
또한, 산화제 가스 통로(40)의 입구에는 산화제 가스 공급로(41)가 연결되고, 산화제 가스 공급로(41)는 산화제 가스원(42)에 연결된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 산화제 가스는 공기로 형성되고, 산화제 가스원(42)은 대기로 형성된다. 산화제 가스 공급로(41) 내에는, 에어 클리너(42a)와, 산화제 가스를 압송하는 산화제 가스 공급기 내지 컴프레서(43)가 순차 배치된다. 또한, 컴프레서(43) 하류의 산화제 가스 공급로(41) 내에는 컴프레서(43)로부터 연료 전지 스택(10)으로 보내지는 산화제 가스를 냉각하기 위한 인터쿨러(44)가 배치된다. 본 발명에 따른 실시예에서는, 인터쿨러(44)는 공기 통로를 가짐과 함께 공기 통로 내에 공기가 유통함으로써 산화제 가스를 냉각하는 공냉식 인터쿨러로 구성된다. 한편, 산화제 가스 통로(40)의 출구에는 캐소드 오프 가스 통로(45)가 연결된다. 컴프레서(43)가 구동되면, 산화제 가스원(42) 내의 산화제 가스가 산화제 가스 공급로(41)를 통해 연료 전지 스택(10) 내의 산화제 가스 통로(40) 내에 공급된다. 이때 산화제 가스 통로(40)로부터 유출되는 가스, 즉, 캐소드 오프 가스는 캐소드 오프 가스 통로(45) 내에 유입된다. 캐소드 오프 가스 통로(45) 내에는 캐소드 오프 가스 통로(45) 내를 흐르는 캐소드 오프 가스의 양을 제어하는 캐소드 오프 가스 제어 밸브(46)가 배치된다.
또한 도 4를 참조하면, 냉각수 통로(50)의 입구에는 냉각수 공급로(51)의 일단부가 연결되고, 냉각수 공급로(51)의 출구에는 냉각수 공급로(51)의 타단부가 연결된다. 냉각수 공급로(51) 내에는 냉각수를 압송하는 냉각수 펌프(52)와, 라디에이터(53)가 배치된다. 라디에이터(53) 상류의 냉각수 공급로(51)와, 라디에이터(53)와 냉각수 펌프(52) 사이의 냉각수 공급로(51)는 라디에이터 바이패스 통로(54)에 의해 서로 연결된다. 또한, 라디에이터 바이패스 통로(54) 내를 흐르는 냉각수량을 제어하는 라디에이터 바이패스 제어 밸브(55)가 설치된다. 도 4에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는 라디에이터 바이패스 제어 밸브(55)는 삼방 밸브로 형성되고, 라디에이터 바이패스 통로(54)의 입구에 배치된다. 냉각수 펌프(52)가 구동되면, 냉각수 펌프(52)로부터 토출된 냉각수는 냉각수 공급로(51)를 통해 연료 전지 스택(10) 내의 냉각수 통로(50) 내에 유입되고, 이어서 냉각수 통로(50)를 통과하여 냉각수 공급로(51) 내에 유입되고, 라디에이터(53) 또는 라디에이터 바이패스 통로(54)를 통해 냉각수 펌프(52)로 복귀된다.
또한, 연료 전지 단셀의 애노드극 및 캐소드극은 각각 직렬로 전기적으로 접속되고, 연료 전지 스택(10)의 전극을 구성한다. 연료 전지 스택(10)의 전극은 도 4에 도시되는 바와 같이, DC/DC 컨버터(11)에 전기적으로 접속된다. DC/DC 컨버터(11)는 한쪽에서는 인버터(12)를 통해 모터 제너레이터(13)에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽에서는 DC/DC 컨버터(14)를 통해 축전기(15)에 전기적으로 접속된다. DC/DC 컨버터(11)는 연료 전지 스택(10)으로부터의 전압을 높여 인버터(12)로 보내기 위한 것이고, 인버터(12)는 DC/DC 컨버터(11)로부터의 직류 전류를 교류 전류로 변환하기 위한 것이다. DC/DC 컨버터(14)는 연료 전지 스택(10) 또는 모터 제너레이터(13)로부터의 전압을 낮게 하거나, 또는 모터 제너레이터(13)로의 전압을 높게 하기 위한 것이다. 또한, 도 4에 도시되는 연료 전지 시스템(A)에서는 축전기(15)는 배터리로 구성된다.
또한, 연료 전지 시스템(A)은 컴퓨터를 포함하는 제어 유닛(60)을 구비한다. 제어 유닛(60)은 모터 제너레이터(13)나 제어 밸브(33) 등에 접속되고, 모터 제너레이터(13) 등은 제어 유닛(60)으로부터의 신호에 기초하여 제어된다.
연료 전지 스택(10)에서 발전해야 할 때에는 연료 가스 제어 밸브(33)가 개방되어, 연료 가스가 연료 전지 스택(10)에 공급된다. 또한, 컴프레서(43)가 구동되어, 산화제 가스가 컴프레서(43)로부터 토출된다. 이 산화제 가스는 이어서 인터쿨러(44)로 보내져 냉각되고, 이어서 연료 전지 스택(10)에 공급된다. 그 결과, 연료 전지 단셀에 있어서 전기 화학 반응이 일어나, 전기 에너지가 발생된다. 이 발생된 전기 에너지는 모터 제너레이터(13)로 보내진다. 그 결과, 모터 제너레이터(13)가 차량 구동용 전기 모터로서 작동되어, 차량이 구동된다. 혹은, 연료 전지 스택(10)에서 발생된 전기 에너지는 축전기(15)로 보내져, 축적된다. 한편, 예를 들어 차량 제동 시에는 모터 제너레이터(13)가 회생 장치로서 작동하고, 이때 회생된 전기 에너지는 축전기(15)에 축적된다.
여기서, 도면에 도시되는 실시예의 인터쿨러(44)에 대해 간단하게 설명한다. 인터쿨러(44)는, 케이싱과, 산화제 가스가 유통하는 산화제 가스 통로와, 공기가 유통하는 공기 통로를 구비한다. 산화제 가스 통로는 상술한 산화제 가스 공급로(41)에 연통된다. 한편, 공기 통로는 케이싱 내에 배치된 격벽에 의해 획정된다. 이 격벽은 허니콤 구조를 이루고 있다. 또한, 격벽은 그 길이 방향으로 공기 입구로부터 공기 출구까지 연장되어 있고, 공기 입구 및 공기 출구는 수용실(3)에 연통된다. 상술한 산화제 가스관은 격벽을 관통하여 연장되어 있다. 공기 입구에 공기가 유도되면, 이 공기는 공기 통로 내를 유통하고, 따라서 산화제 가스 통로 내를 유통하는 산화제 가스가 공기에 의해 냉각된다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 수용실(3)의 저부에는 저부 케이싱(5)이 수용된다. 저부 케이싱(5)은 트랜스액슬 수용 부분(5t)과, 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 일측에 설치된 모터 수용 부분(5m)과, 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 타측에 설치된 조정기 수용 부분(5a)을 갖는다. 이들 트랜스액슬 수용 부분(5t), 모터 수용 부분(5m) 및 조정기 수용 부분(5a)은 일체적으로 형성된다. 트랜스액슬 수용 부분(5t)에는 트랜스액슬(7)이 수용되고, 모터 수용 부분(5m)에는 상술한 모터 제너레이터(13)가 수용된다. 또한, 조정기 수용 부분(5a)에는 후술하는 전기 조정기(EA)가 수용된다. 모터 제너레이터(13)의 입출력 축은 상술한 트랜스액슬(7)을 통해 프론트 드라이브 샤프트(DS)에 연결된다. 전동 차량(1)의 드라이브 샤프트(DS)는 트랜스액슬 수용 부분(5t)을 관통하여 차량 폭 방향(VW)으로 연장되어 있고, 프론트 드라이브 샤프트(DS)의 양단부에는 차륜(W)이 장착된다. 특히, 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 트랜스액슬 수용 부분(5t)은 수용실(3)의 차량 폭 방향(VW)의 대략 중앙에, 차량 길이 방향(VL)을 대략 따라 배치된다. 따라서, 모터 수용 부분(5m)은 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 차량 폭 방향(VW)의 일측에 위치하고, 조정기 수용 부분(5a)은 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 차량 폭 방향(VW)의 타측에 위치하게 된다. 이 경우, 저부 케이싱(5)은 예를 들어 고무제의 저부 마운트(MB)를 통해 서스펜션 멤버(6)에 의해 지지된다. 도면에 도시되는 실시예에서는, 저부 마운트(MB)는, 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 하방이며 또한 차량 길이 방향(VL) 방향으로 이격된 2개의 위치와, 모터 수용 부분(5m)의 하방의 3개소에 배치된다.
전기 조정기(EA)는 연료 전지 스택(10)으로부터의 전압 혹은 전류 또는 모터 제너레이터(13)에의 전압 혹은 전류를 조정하는 것이다. 도면에 도시되는 실시예에서는, 전기 조정기(EA)는 DC/DC 컨버터(11), 인버터(12) 및 DC/DC 컨버터(14)로 구성된다. 다른 실시예에서는 전기 조정기(EA)는 DC/DC 컨버터(11), 인버터(12) 및 DC/DC 컨버터(14) 중 적어도 하나로 구성된다.
특히 도 1에 도시되는 바와 같이, 조정기 수용 부분(5a)은 드라이브 샤프트(DS)의 차량 높이 방향(VH) 상방으로 대략 수평 방향으로 확장되는 확장 부분(5ae)을 갖고 있다. 상술한 전기 조정기(EA)는, 이 확장 부분(5ae)에 수용된다. 또한, 도면에 도시되는 실시예에서는, 전기 조정기(EA) 하방의 조정기 수용 부분(5a)에 상술한 제어 유닛(60)이 수용된다.
또한, 저부 케이싱(5)의 정상부에는 대략 수평 방향으로 확장되는 평탄한 스택 지지면(SS)이 형성된다. 도면에 도시되는 실시예에서는, 스택 지지면(SS)은 모터 수용 부분(5m)의 정상부 및 조정기 수용 부분(5a)의 정상부에 형성된다. 이 경우, 확장 부분(5ae)의 정상부에도 스택 지지면(SS)이 형성된다. 다른 실시예에서는, 스택 지지면(SS)은 트랜스액슬 수용 부분(5t)의 정상부, 모터 수용 부분(5m)의 정상부 및 조정기 수용 부분(5a)의 정상부 중 적어도 2개에 형성된다.
저부 케이싱(5)의 차량 높이 방향(VH) 상방에는 상술한 연료 전지 스택(10)이 배치된다. 이 경우, 연료 전지 스택(10)은 스택 지지면(SS) 상에 배치된, 예를 들어 고무제의 스택 마운트(MS)를 통해 저부 케이싱(5)에 의해 지지된다. 도면에 도시되는 실시예에서는, 스택 마운트(MS)는, 모터 수용 부분(5m)의 정상면 상과, 조정기 수용 부분(5a)의 정상면 상이며, 또한 차량 길이 방향(VL)으로 이격된 2개의 위치의 3개소에 배치된다. 또한, 연료 전지 스택(10)의 길이 방향이 차량 폭 방향(VW)을 지향하고, 또한 연료 전지 스택(10)의 폭 방향이 차량 길이 방향(VL)을 지향하도록 연료 전지 스택(10)이 배치된다. 이 경우, 특히 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지 스택(10)은 차량 폭 방향(VW)의 대략 중앙에 배치된다. 또한, 도면에 도시되는 실시예에서는, 연료 전지 스택(10)의 길이 방향은 단셀의 적층 방향과 일치한다.
또한, 연료 전지 스택(10)의 차량 길이 방향(VL) 전방에는, 인터쿨러(44) 외에, 상술한 컴프레서(43) 및 에어 클리너(42a)가 배치된다. 이들 컴프레서(43) 및 에어 클리너(42a)는 차량 폭 방향(VW)으로 배열되어 배치된다. 에어 클리너(42a)의 공기 입구에는 도시하지 않은 공기 덕트가 설치된다. 또한, 인터쿨러(44), 컴프레서(43) 및 에어 클리너(42a)의 차량 길이 방향(VL) 전방에는, 라디에이터(53)가 배치된다.
또한, 도 1 내지 도 3은 개략도이며, 예를 들어 도 3에 있어서 드라이브 샤프트(DS)의 도시가 생략되어 있다.
그런데, 상술한 본 발명에 따른 실시예에서는, 비교적 중량이 큰 모터 제너레이터(13)가 수용실(3)의 저부에 배치되고, 연료 전지 스택(10)이 저부 케이싱(5)에 의해 직접적으로 지지되므로, 차량(1)의 무게 중심이 낮아진다. 그 결과, 차량(1)의 운동 성능 내지 안정성이 높아진다. 동시에, 연료 전지 스택(10)이 대략 수평 방향으로 확장되는 스택 지지면(SS) 상에 지지되므로, 연료 전지 스택(10)이 안정적으로 지지된다. 게다가, 연료 전지 스택(10)이 스택 마운트(MS)를 통해 저부 케이싱(5)에 의해 지지되므로, 연료 전지 스택(10)을 지지하기 위한 특별한 구성을 필요로 하지 않는다. 또한, 연료 전지 스택(10)의 장착이 용이해진다.
또한, 스택 지지면(SS)이 평탄하므로, 연료 전지 스택(10)과 저부 케이싱(5) 사이의 간극이 작아진다. 따라서, 수용실(3)을 유용하게 이용할 수 있다.
또한, 저부 케이싱(5)에 드라이브 샤프트(DS)의 차량 높이 방향(VH) 상방으로 확장되는 확장 부분(5ae)이 설치되고, 이 확장 부분(5ae)에 전기 조정기(EA)가 수용된다. 따라서, 수용실(3)을 더욱 유용하게 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 수용실(3)은 승객실(2)의 차량 길이 방향(VL) 후방에 형성된다. 따라서, 본 발명에서는, 수용실(3)이 승객실(2)의 차량 길이 방향(VL) 외측에 형성된다고 하는 것이 된다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예에서는, 인터쿨러(44)는 수랭식 인터쿨러로 구성된다. 즉, 상술한 공기 통로는 냉각수 통로를 구성하고, 냉각수 통로의 냉각수 입구 및 냉각수 출구는 상술한 냉각수 공급로(51)에 연결되고, 냉각수 통로 내를 냉각수가 유통한다.
본원은 일본 특허 출원 제2014-034544호의 이익을 주장하고, 그 개시 전체는 여기에 원용된다.
1 : 전동 차량
2 : 승객실
3 : 수용실
5 : 저부 케이싱
10 : 연료 전지 스택
13 : 모터 제너레이터
EA : 전기 조정기
SS : 스택 지지면

Claims (4)

  1. 전력을 발생하는 연료 전지 스택과, 당해 연료 전지 스택으로부터의 전력에 의해 구동되는 차량 구동용 전기 모터와, 연료 전지 스택으로부터의 전압 혹은 전류 또는 전기 모터에의 전압 혹은 전류를 조정하는 전기 조정기를, 승객실의 차량 길이 방향 외측에 형성된 수용실 내에 수용한 전동 차량이며,
    상기 전기 모터 및 상기 전기 조정기를 공통의 케이싱 내에 수용함과 함께 당해 케이싱을 수용실의 저부에 배치하고,
    당해 케이싱의 정상부에 수평 방향으로 확장되는 평탄한 스택 지지면이 형성되어 있고,
    상기 연료 전지 스택을 상기 케이싱의 상방에 배치함과 함께 상기 스택 지지면 상에 배치된 마운트를 통해 상기 케이싱에 의해 지지하도록 한, 전동 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전동 차량의 트랜스액슬도 상기 케이싱 내에 수용되어 있고, 상기 케이싱이, 상기 트랜스액슬을 수용하는 트랜스액슬 수용 부분과, 상기 전기 모터를 수용하는 모터 수용 부분과, 상기 전기 조정기를 수용하는 조정기 수용 부분을 구비하고, 상기 트랜스액슬 수용 부분이 상기 수용실의 차량 폭 방향의 중앙에 배치되고, 상기 모터 수용 부분이 상기 트랜스액슬 수용 부분의 차량 폭 방향의 일측에 배치되고, 상기 조정기 수용 부분이 상기 트랜스액슬 수용 부분의 차량 폭 방향의 타측에 배치되고, 상기 모터 수용 부분의 정상부 및 상기 조정기 수용 부분의 정상부에 상기 스택 지지면이 형성되어 있는, 전동 차량.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전동 차량이 상기 케이싱을 관통하여 상기 수용실 내를 차량 폭 방향으로 연장하는 드라이브 샤프트를 갖고 있고, 상기 조정기 수용 부분이 상기 드라이브 샤프트의 상방을 수평 방향으로 확장하는 확장 부분을 포함하고, 당해 확장 부분의 정상부에 상기 스택 지지면이 형성되어 있는, 전동 차량.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 조정기가, 상기 연료 전지 스택에서 발생된 전압을 높이기 위한 컨버터와, 상기 연료 전지 스택에서 발생된 직류 전류를 교류 전류로 변환하기 위한 인버터 중 한쪽 또는 양쪽을 포함하는, 전동 차량.
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