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公開番号2021090307
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210610
出願番号2019220347
出願日20191205
発明の名称パワートレーンの冷却装置
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H02K 9/19 20060101AFI20210514BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】回転電機と電力制御ユニットとを効率的に冷却できるようにしたパワートレーンの冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置は、回転電機を含む回転電機ユニットと、回転電機を駆動する電力制御ユニットとを備えるパワートレーンに搭載されている。冷却装置は、冷媒を冷却するラジエータと、ラジエータから出た冷媒を、電力制御ユニットの被冷却部である第1被冷却部を経由して回転電機の被冷却部である第2被冷却部に供給するように構成された冷媒循環回路と、第2被冷却部をバイパスするように冷媒循環回路に接続されたバイパス流路と、第1被冷却部に流れる冷媒の流量である第1冷媒流量に対する、第2被冷却部に流れる冷媒の流量である第2冷媒流量の比率を調整する調量弁と、調量弁を制御する制御装置とを備える。調量弁の制御モードは、第2冷媒流量が第1冷媒流量よりも少なくなるように調量弁を制御して比率を調整する流量制限モードを含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
回転電機を含む回転電機ユニットと、前記回転電機を駆動する電力制御ユニットとを備えるパワートレーンの冷却装置であって、
冷媒を冷却するラジエータと、
前記ラジエータから出た前記冷媒を、前記電力制御ユニットの被冷却部である第1被冷却部を経由して前記回転電機の被冷却部である第2被冷却部に供給するように構成された冷媒循環回路と、
前記第2被冷却部をバイパスするように前記冷媒循環回路に接続されたバイパス流路と、
前記第1被冷却部に流れる前記冷媒の流量である第1冷媒流量に対する、前記第2被冷却部に流れる前記冷媒の流量である第2冷媒流量の比率を調整する調量弁と、
前記調量弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置による前記調量弁の制御モードは、前記第2冷媒流量が前記第1冷媒流量よりも少なくなるように前記調量弁を制御して前記比率を調整する流量制限モードを含む
ことを特徴とするパワートレーンの冷却装置。
続きを表示(約 360 文字)【請求項2】
前記回転電機は、永久磁石を含み、
前記制御装置は、前記流量制限モードの実行中に、前記永久磁石の温度が、前記永久磁石の耐熱温度よりも低い前記永久磁石の制御上限温度を超えずに、かつ前記永久磁石の前記制御上限温度に近づくように、前記調量弁を制御して前記比率を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載のパワートレーンの冷却装置。
【請求項3】
前記回転電機は、コイルを含み、
前記制御装置は、前記流量制限モードの実行中に、前記コイルの温度が、前記コイルの耐熱温度よりも低い前記コイルの制御上限温度を超えずに、かつ前記コイルの前記制御上限温度に近づくように、前記調量弁を制御して前記比率を調整する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のパワートレーンの冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この発明は、パワートレーンの冷却装置に関し、より詳細には、回転電機を含む回転電機ユニットと当該回転電機を駆動する電力制御ユニットとを備えるパワートレーンの冷却装置に関する。
続きを表示(約 7,200 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、車両を駆動する電動モータと、この電動モータに電力を供給する電力変換器(インバータ)とを一体的に備えた機電一体型駆動装置が開示されている。この駆動装置では、電力変換器は、電動モータよりも車両前後方向後方に位置する変速機出力軸の上方において、下向きに傾斜させて車両前後方向後方に延在するように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2015−008595号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、回転電機を含む回転電機ユニットと当該回転電機を駆動する電力制御ユニットとを備えるパワートレーンにおいて、回転電機と電力制御ユニットとを同一の冷媒で冷却するように冷却装置を構成することが考えられる。このような構成を採用する場合には、回転電機の構成部品と電力制御ユニットの構成部品との間での耐熱温度の違いを考慮しつつ、回転電機と電力制御ユニットとを効率的に冷却できることが求められる。
【0005】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、回転電機と電力制御ユニットとを効率的に冷却できるようにしたパワートレーンの冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る冷却装置は、回転電機を含む回転電機ユニットと、回転電機を駆動する電力制御ユニットと、を備えるパワートレーンの制御装置である。
冷却装置は、ラジエータと、冷媒循環回路と、バイパス流路と、調量弁と、制御装置とを備える。ラジエータは、冷媒を冷却する。冷媒循環回路は、ラジエータから出た冷媒を、電力制御ユニットの被冷却部である第1被冷却部を経由して回転電機の被冷却部である第2被冷却部に供給するように構成されている。バイパス流路は、第2被冷却部をバイパスするように冷媒循環回路に接続されている。調量弁は、第1被冷却部に流れる冷媒の流量である第1冷媒流量に対する、第2被冷却部に流れる冷媒の流量である第2冷媒流量の比率を調整する。制御装置は、調量弁を制御する。
制御装置による調量弁の制御モードは、第2冷媒流量が第1冷媒流量よりも少なくなるように調量弁を制御して比率を調整する流量制限モードを含む。
【0007】
回転電機は、永久磁石を含んでいてもよい。そして、制御装置は、流量制限モードの実行中に、永久磁石の温度が、永久磁石の耐熱温度よりも低い永久磁石の制御上限温度を超えずに、かつ永久磁石の制御上限温度に近づくように、調量弁を制御して比率を調整してもよい。
【0008】
回転電機は、コイルを含んでいてもよい。そして、制御装置は、流量制限モードの実行中に、コイルの温度が、コイルの耐熱温度よりも低いコイルの制御上限温度を超えずに、かつコイルの制御上限温度に近づくように、調量弁を制御して比率を調整してもよい。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係るパワートレーンの冷却装置によれば、流量制限モードを有するため、電力制御ユニットの構成部品と比べて耐熱温度が相対的に高い回転電機ユニットの構成部品の過剰な(無駄な)冷却に起因する冷媒の温度上昇を抑制できる。これにより、冷媒循環回路内の冷媒の温度を低く保持できるようになるので、ラジエータの大型化に頼ることなく、低温の冷媒を電力制御ユニットに供給できるようになる。このように、本発明によれば、回転電機と電力制御ユニットとを効率的に冷却できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本発明の実施の形態1に係る冷却装置及びこれが適用されるパワートレーンの構成例を示す模式図である。
本発明の実施の形態1に係る調量弁の制御の動作例を概念的に表したタイムチャートである。
本発明の実施の形態1に係る調量弁の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。
本発明の実施の形態1に係る冷媒循環回路及びバイパス流路の他の構成例を示す模式図である。
本発明の実施の形態2に係る冷却装置の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【0012】
1.実施の形態1
1−1.パワートレーン及び冷却装置の構成例
図1は、実施の形態1に係る冷却装置10及びこれが適用されるパワートレーン100の構成例を示す模式図である。図1に示す冷却装置10は、パワートレーン100に搭載されている。パワートレーン100は、電動車両を駆動するためのモータジェネレータ(MG)102を含むトランスアクスル(T/A)104と、MG102を駆動する電力制御ユニット(PCU)106とを備えている。
【0013】
本電動車両は、例えば、MG102とともに内燃機関(図示省略)を動力源として備えるハイブリッド車両であるが、これに代え、例えば、内燃機関を備えないバッテリ電気自動車であってもよい。MG102及びT/A104は、それぞれ、本発明に係る「回転電機」及び「回転電機ユニット」の一例に相当する。回転電機とは、電動機及び発電機のうちの少なくとも一方の機能を有するものをいい、MG102は、電動機及び発電機の双方の機能を有している。
【0014】
MG102の具体例は、特に限定されないが、例えば三相交流同期型のモータジェネレータである。MG102は、ロータ108とステータ110とを備えている。ロータ108は、ロータコア108aと、ロータコア108aを貫通する回転軸108bと、ロータコア108aに埋め込まれた永久磁石108cとを含む。ロータコア108a及び回転軸108bは、例えば鉄製である。ステータ110は、ロータ108を覆うように配置されたステータコア110aと、ステータコイル110bとを含む。ステータコア110aは、例えば鉄製である。ステータコイル110bは、エナメル線(すなわち、銅線をエナメルの皮膜で被覆した電線)を用いて形成されている。ステータコイル110bには、MG102(ロータ108)を回転駆動させる電流がPCU106から供給される。なお、ステータコイル110bは本発明に係る「コイル」の一例に相当する。また、本発明に係る「回転電機」の他の構成例では、コイルはロータ側に配置され、永久磁石はステータ側に配置されてもよい。
【0015】
T/A104は、MG102を収容するトランスアクスルケース(T/Aケース)104aを備えている。T/Aケース104aは、例えばアルミニウム等の金属製である。T/Aケース104aは、一例として、MG102だけでなく、MG102から出力されるトルクを車輪に伝達するギヤ類(図示省略)をも収容している。このような例に代え、本発明に係る「回転電機ユニット」は、ギヤ類を備えずにMG102等の回転電機を備えていてもよい。
【0016】
PCU106は、MG102とバッテリ(図示省略)との間に電気的に接続された電力変換器である。PCU106は、電力制御ユニットケース(PCUケース)106aを備えている。PCUケース106aは、アルミニウム等の金属製である。PCUケース106aには、PCU106の構成部品が収容されている。当該構成部品は、例えば、電力変換用のパワー半導体モジュール112と、コンデンサ114とを含む。パワー半導体モジュール112は、基板と、当該基板に取り付けられたパワー半導体素子とを含む。コンデンサ114は、上記バッテリから供給される電圧を平滑化させる。これらの構成部品の材料は樹脂を含んでいる。
【0017】
パワートレーン100は、PCU106とT/A104とがボルト等の締結具によって直接的に締結された機電一体構造を有している。このような例に代え、PCU106は、例えば、T/A104の上にブラケット(図示省略)を介して搭載されてもよい。また、PCU106は、例えば、T/A104の上部以外の位置においてT/A104に接して或いは離れて配置されてもよい。
【0018】
上述のパワートレーン100に搭載された冷却装置10は、冷媒循環回路12と、ポンプ14と、ラジエータ16と、バイパス流路18と、調量弁20と、制御装置22とを備えている。
【0019】
具体的には、冷媒循環回路12及びバイパス流路18の内部には、冷媒が充填されている。冷媒は、一例として、クーラント(冷却水)である。ポンプ14は、冷媒循環回路12に配置され、冷媒を循環させる。ポンプ14は、例えば電動式である。ポンプ14の位置は特に限定されない。ラジエータ16は、冷媒循環回路12に配置され、冷媒を冷却する。なお、冷媒循環回路12及びバイパス流路18を流れる冷媒として、クーラントに代え、例えばオイルが用いられてもよい。
【0020】
冷媒循環回路12は、図1に示すように、ラジエータ16から出た冷媒を、PCU106の被冷却部である「第1被冷却部」を経由してMG102の被冷却部である「第2被冷却部」に供給するように構成されている。冷却装置10における第1被冷却部の例は、上述のパワー半導体モジュール112及びコンデンサ114である。一方、第2被冷却部の例は、永久磁石108cを含むロータ108と、ステータコイル110bを含むステータ110である。
【0021】
冷媒循環回路12は、T/A104及びPCU106の外部に配置された冷媒配管12aと、冷媒配管12aに接続される内部配管12b及び内部流路12cとによって構成されている。内部配管12bは、PCUケース106aの内部に配置され、その一部は、第1被冷却部であるパワー半導体モジュール112及びコンデンサ114と接している。このため、パワー半導体モジュール112及びコンデンサ114は、内部配管12bを流れる冷媒によって冷却される。内部流路12cは、T/Aケース104a自体に形成され、MG102(ステータ110)の周囲を覆っている。内部流路12cにおいてMG102と対向する部位は、ウォータジャケットとして機能する。すなわち、MG102は、内部流路12cを流れる冷媒(第2被冷却部の周囲を流れる冷媒)によって冷却される。なお、このような例に代え、第2被冷却部ロータコア及びステータコアに冷媒流路を形成しておき、冷媒が当該冷媒流路(つまり、第2被冷却部の内部)を流れるように冷媒循環回路が構成されてもよい。
【0022】
バイパス流路18は、第2被冷却部であるロータ108及びステータ110をバイパスするように冷媒循環回路12に接続されている。バイパス流路18は、第1被冷却部(パワー半導体モジュール112及びコンデンサ114)を通過した冷媒が第2被冷却部(の周囲)を通過することなくラジエータ16に戻るように構成されている。図1に示す例では、バイパス流路18は、T/A104の外部に配置されている。
【0023】
PCU106側の第1被冷却部に流れる冷媒の流量を「第1冷媒流量Qp、又は単に冷媒流量Qp」と称する。また、MG102側の第2被冷却部に流れる冷媒の流量を「第2冷媒流量Qm、又は単に冷媒流量Qm」と称する。調量弁20は、第1冷媒流量Qpに対する第2冷媒流量Qmの比率Rを制御するように構成されている。具体的には、調量弁20は、一例としてバイパス流路18の上流側の端部に配置されている。調量弁20は、例えば、ステップモータ等の電動モータ(図示省略)により駆動される弁体20aを備えている。
【0024】
弁体20aの開度は、全閉状態と全開状態との間で連続的に又はステップ的に変更される。この全閉状態では、弁体20aが内部流路12cの入口を閉塞した状態となり、したがって、比率Rは0%となる。一方、全開状態では、弁体20aがバイパス流路18の入口を閉塞した状態となり、したがって、比率Rは100%となる。このため、調量弁20によれば、0%以上100%以下の範囲内で比率Rを連続的に又はステップ的に変化させることができる。なお、調量弁の配置場所及び構造は、比率Rを所望の制御範囲(例えば、0%以上100%以下の範囲)内で変化させられるものであれば、上述の例に限定されず、他の公知の調量弁を任意に用いることができる。
【0025】
制御装置22は、プロセッサとメモリとを備える電子制御ユニット(ECU)であり、ポンプ14及び調量弁20を制御するように構成されている。T/Aケース104aには、当該T/Aケース104aの温度を検出する温度センサ24が取り付けられている。温度センサ24の信号は、制御装置22に入力される。
【0026】
制御装置22は、温度センサ24から取得された温度情報に基づいて、永久磁石108cの温度T1及びステータコイル110bの温度T2を推定する。具体的には、磁石温度T1の推定は、例えば、事前に実験等を行って温度センサ24の検出値と磁石温度T1との関係を取得しておき、そのような関係から温度センサ24の検出値に対応する磁石温度T1を取得することにより行うことができる。このことは、コイル温度T2の推定についても同様である。また、ステータコイル110bに流れる電流を検出する電流センサ(図示省略)も備えておき、コイル温度T2は、温度センサ24からの温度情報とともに当該電流センサからの電流情報を利用して推定されてもよい。さらに、温度T1、T2は、それぞれ、専用の温度センサを用いて実測されてもよい。
【0027】
1−2.調量弁の制御
上述した構成を有する冷却装置10によれば、PCU106及びMG102の冷却は、同一(共通)の冷媒を用いて実行される。PCU106の構成部品であって第1被冷却部に相当するパワー半導体モジュール112及びコンデンサ114は、樹脂材料を含んで構成されている。一方、MG102の構成部品であって第2被冷却部に相当するロータ108及びステータ110は、永久磁石108c及びステータコイル110bを含めて金属材料によって構成されている。このため、PCU106の構成部品の耐熱温度は、MG102の構成部品のそれよりも低い。なお、本明細書でいう部材の耐熱温度とは、これを超えると、当該部材に不具合(磁力の低下、変形、歪み又は割れ等)が生じ始める温度をいう。
【0028】
したがって、同一の冷媒を用いてPCU106とMG102とを冷却する場合において相対的に低いPCU106の構成部品の耐熱温度を守るためには、PCU106に流入する冷媒の温度を低くする必要がある。この点に関し、冷却装置10とは逆に、ラジエータ16を通過することによって冷却された冷媒がPCU106よりも先にMG102に流入する比較例では、MG102との熱交換によって温度上昇した冷媒がPCU106に供給されてしまう。これに対し、冷却装置10によれば、ラジエータ16を通過した冷媒がMG102よりも先にPCU106に供給される。これにより、上記の比較例と比べて、PCU106に冷温の冷媒を供給できるようになる。
【0029】
そのうえで、耐熱温度が相対的に高いMG102の構成部品に対して常にPCU106の構成部品と同じ流量の冷媒を供給することは、次の理由により妥当ではない。すなわち、冷媒による被冷却部の冷却性能は、基本的には、冷媒と被冷却部との温度差と冷媒流量の積に比例する。このため、耐熱温度が相対的に高いMG102の構成部品に流れる冷媒流量Qmが過剰であると、MG102が過剰に冷却されてしまい、冷媒がMG102から受け取る熱量が増大する。このことは、当該熱量を受け取って温度上昇した冷媒を冷却するために、ラジエータ16を大きくすることに繋がり得る。
【0030】
したがって、相対的に低いPCU106の構成部品の耐熱温度を守りつつ同一の冷媒を用いてPCU106とMG102とを冷却するためには、ラジエータ16を通過した冷媒をMG102よりも先にPCU106に供給するだけでなく、PCU106側の冷媒流量Qpを基準としてMG102側の冷媒流量Qmを適切に制御することが望ましい。
(【0031】以降は省略されています)

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