TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
公開番号2021090316
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210610
出願番号2019220652
出願日20191205
発明の名称電気自動車用の熱管理システム
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人快友国際特許事務所
主分類B60L 15/20 20060101AFI20210514BHJP(車両一般)
要約【課題】走行用の電力機器とラジエータを通過して環状につながっている循環流路(冷媒流路)と、ラジエータをバイパスするバイパス流路を有する熱管理システムにおいて、冷媒の流れ方向をバイパス流路から流路抵抗の大きいラジエータに切り替えるときの流量の一時的な低下を相殺する。
【解決手段】本明細書が開示する熱管理システムは、冷媒の流れ方向をバイパス流路とラジエータの間で切り替える切替弁とコントローラを備える。コントローラは、切替弁を制御して冷媒の流れ方向をバイパス流路からラジエータへ切り替えるのに所定時間先立ってポンプの出力を高める。流量を予め増加させてから冷媒の流れ方向を切り替えるので、流量の一時的な低下が相殺される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電気自動車用の熱管理システムであり、
車室外に配置されているラジエータと、
前記ラジエータと走行用の電力機器とを通過して環状につながっている循環流路と、
前記循環流路内で冷媒を循環させるポンプと、
一端が前記循環流路の前記ラジエータよりも上流側に接続されており他端が前記ラジエータよりも下流側に接続されており、前記冷媒に前記ラジエータをバイパスさせるバイパス流路と、
前記冷媒の流れ方向を前記ラジエータと前記バイパス流路の間で切り替える切替弁と、
前記切替弁を制御するコントローラと、を備えており、
前記コントローラは、前記切替弁を制御して前記冷媒の流れ方向を前記バイパス流路から前記ラジエータへ切り替えるのに所定時間先立って前記ポンプの出力を高める、熱管理システム。
続きを表示(約 850 文字)【請求項2】
前記ラジエータと前記バイパス流路の下流側における前記冷媒の温度(下流温度)を計測する温度センサを備えており、
前記コントローラは、
前記冷媒が前記ラジエータに流れるときの前記下流温度に対する前記ポンプの出力を定めた第1マップと、前記冷媒が前記バイパス流路を流れるときの前記下流温度に対する前記ポンプの出力を定めた第2マップを記憶しており、同じ前記下流温度に対する前記第2マップにおける前記ポンプの出力が前記第1マップにおける前記ポンプの出力よりも低く、
前記コントローラは、前記冷媒の流れ方向を前記バイパス流路から前記ラジエータへ切り替えるのに前記所定時間先立って前記ポンプの出力を定めるための駆動マップを前記第2マップから前記第1マップへ切り替える、請求項1に記載の熱管理システム。
【請求項3】
前記コントローラは、
外気温が外気温閾値以下、かつ、前記下流温度が冷媒温度第1閾値以下となったら前記駆動マップを前記第1マップから前記第2マップへ切り替えるとともに、前記冷媒の流れ方向を前記ラジエータから前記バイパス流路へ切り替え、
前記下流温度が前記冷媒温度第1閾値よりも高い冷媒温度第2閾値に達したら、前記冷媒の流れ方向を前記バイパス流路から前記ラジエータへ切り替えるのに前記所定時間先立って前記駆動マップを前記第2マップから前記第1マップに切り替える、請求項2に記載の熱管理システム。
【請求項4】
前記コントローラは、
前記下流温度が冷媒温度第1閾値以下となった後に前記下流温度が前記冷媒温度第2閾値に達する時刻を推定し、
推定された前記時刻よりも前記所定時間の前に前記駆動マップを前記第2マップから前記第1マップに切り替え、
前記下流温度が前記冷媒温度第2閾値に達したら、前記冷媒の流れ方向を前記バイパス流路から前記ラジエータへ切り替える、請求項3に記載の熱管理システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、電気自動車用の熱管理システムに関する。特に、走行用の電力機器とラジエータを通過して環状につながっている循環流路(冷媒流路)を有する熱管理システムに関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車、および、燃料電池車が含まれる。
続きを表示(約 6,600 文字)【背景技術】
【0002】
自動車は冷媒の熱を放熱するためのラジエータを車室の外に備えている。ラジエータは、典型的には、車両のフロントグリルの後方に配置される。外気温が低いときにラジエータを流れる冷媒の温度も低いとラジエータに着霜することが知られている(例えば特許文献1)。特許文献1に開示された技術では、着霜した可能性があるときにはラジエータに送り込まれる冷媒の温度を強制的に高め、ラジエータを除霜する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2013−14327号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電気自動車の場合、走行用の電気モータやインバータなどの走行用の電力機器を冷却する熱管理システムを備えており、その熱管理システムもラジエータを含んでいる。ラジエータは、走行用の電力機器を冷却して温度が上昇した冷媒から熱を放出するのに用いられる。
【0005】
電気自動車のラジエータでも着霜する可能性がある。電気自動車の熱管理システムの場合、走行中は冷却対象である走行用の電力機器が発熱しているため、その熱を利用して除霜することが考えられる。その際、冷媒の温度を高めてから一気にラジエータに流せるように、冷媒にラジエータをバイパスさせるバイパス流路を設ける。冷媒にラジエータをバイパスさせて電力機器を循環させ、冷媒の温度を高める。冷媒の温度が高まったら冷媒の流れ方向をバイパス流路からラジエータに切り替え、ラジエータを素早く昇温し除霜する。
【0006】
ラジエータはバイパス流路よりも流路抵抗が大きい。それゆえ、冷媒の流れ方向をバイパス流路からラジエータに切り替えた直後に電力機器を流れる冷媒の流量が一時的に低下してしまう。冷媒の流れ方向を切り替えたときの流量の一時的な低下は、除霜時に限らず、冷媒にラジエータをバイパスさせるバイパス流路と、冷媒の流れ方向を切り替える切り替え弁を有する熱管理システムで生じ得る。本明細書は、上記した流量の一時的な低下を相殺する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書が開示する熱管理システムは、電気自動車用の熱管理システムであり、車室外に配置されているラジエータ、循環流路、バイパス流路、切替弁、ポンプ、コントローラを備えている。循環流路は、ラジエータと、走行用の電力機器とを通っており、環状につながっている流路である。ポンプは、循環流路内で冷媒を循環させるのに用いられる。ポンプはコントローラによって制御される。バイパス流路は、一端が循環流路のラジエータよりも上流側に接続されており、他端がラジエータよりも下流側に接続されている。バイパス流路は、冷媒にラジエータをバイパスさせることができる流路である。切替弁は、バイパス流路の上流側の端(すなわちバイパス流路への冷媒流入端)に設けられており、冷媒の流れ方向をラジエータとバイパス流路の間で切り替える。
【0008】
コントローラは、切替弁を制御して冷媒の流れ方向をバイパス流路からラジエータへ切り替えるのに所定時間先立ってポンプの出力を高める。そのような処理によって、冷媒の流れ方向をラジエータ側へ切り替える前に流量を高めておき、冷媒の流れ方向をラジエータ側へ切り替えた直後の流量の一時的な低下を相殺する。なお、ポンプの出力は、回転数で規定されてもよいし、電力で規定されてもよい。
【0009】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
実施例の熱管理システムのブロック図である。
コントローラが実行する除霜制御のフローチャートである。
冷媒温度とポンプ出力との関係を規定するマップの例である。
ポンプ出力と流量のタイムチャートの一例である。
除霜制御の変形例のフローチャートである。
変形例の熱管理システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図面を参照して実施例の熱管理システム10を説明する。熱管理システム10は、電気自動車100に搭載されている。図1に、熱管理システム10を含む電気自動車100の電力系のブロック図を示す。電気自動車100は、走行用のモータ101、電力変換器104、電力調整器105を備えている。電気自動車100は、モータ101で走行する。モータ101は、モータハウジング103に収容されている。モータハウジング103の中にはモータ101のほか、モータ101を冷却するためのオイル循環路102とオイルクーラ106が収容されている。
【0012】
電力変換器104が、不図示のメインバッテリの電力をモータ101の駆動電力に変換する。メインバッテリと電力変換器104の間には、電力調整器105が接続されている。電力調整器105は、メインバッテリの電力を電力変換器104や不図示のエアコンへ供給するための電力中継器の機能を有しているとともに、メインバッテリの電力の電圧を補機バッテリの電圧へ降圧する降圧コンバータを備えている。降圧されたメインバッテリの電力で補機バッテリが充電される。電力調整器105には、車両外部から供給される交流電力をメインバッテリの充電に適した電力に変換する別の電力変換器が含まれる場合もある。
【0013】
電力変換器104や電力調整器105は100ボルトを超えるメインバッテリの電力を扱うために発熱する。走行用のモータ101も発熱する。電気自動車に搭載された熱管理システム10の主要な役割は、発熱源であるモータ101、電力変換器104、および、電力調整器105を冷却することである。モータ101、電力変換器104、および、電力調整器105は、走行用の電力機器と総称することができる。モータ101は、オイルクーラ106とオイル循環路102を介して間接的に熱管理システム10で冷却される。
【0014】
熱管理システム10について説明する。熱管理システム10は、ラジエータ11、循環流路12、ポンプ13、切替弁15、温度センサ17、18、コントローラ16を備えている。ラジエータ11は、乗員が乗車する車室(キャビン)の外、具体的にはモータ101(モータハウジング103)とともにフロントコンパートメントに搭載されている。別言すれば、ラジエータ11は外気に触れる場所に配置されている。
【0015】
循環流路12は、ラジエータ11と走行用の電力機器(モータ101(オイルクーラ106)、電力変換器104、電力調整器105)を通過して一巡しており、環状につながっている流路である。循環流路12を冷媒が流れる。なお、実施例の熱管理システム10の場合、冷媒は、水あるいは不凍液でよい。
【0016】
ポンプ13は電動ポンプであり、循環流路12の中で冷媒を循環させる。ポンプ13を冷媒の最上流点と仮定すると、電力調整器105、電力変換器104、モータ101(オイルクーラ106)、ラジエータ11の順に、循環流路12が通っている。すなわち、この順序が冷媒の流れの上流から下流へ向けての順序を示している。図1の太い矢印線が冷媒の流れ方向を示している。
【0017】
オイルクーラ106はモータハウジング103に収容されている。オイルクーラ106とモータ101をオイル循環路102が通っている。オイル循環路102を流れるオイルがモータ101を冷却する。オイルクーラ106には循環流路12も通っている。モータ101を冷却して温度が高くなったオイルは、オイルクーラ106にて、循環流路12を流れる冷媒によって冷却される。先に述べたように、モータ101は、オイルクーラ106とオイル循環路102を介して間接的に熱管理システム10の冷媒で冷却される。それゆえ、モータ101も、熱管理システム10の熱管理対象である走行用の電力機器に属する。
【0018】
循環流路12を流れる冷媒は、電力調整器105、電力変換器104、モータ101(オイルクーラ106)を通過する間にそれらの電力機器から熱を吸収し、それらの電力機器を冷却する。温度が上昇した冷媒はラジエータ11を通る間に熱を外気へ放熱して温度を下げる。走行用の電力機器とラジエータ11の間を冷媒が循環することによって、走行用の電力機器が冷却される。
【0019】
バイパス流路14は、冷媒にラジエータ11をバイパスさせるための流路であり、一端がラジエータ11よりも上流側で循環流路12に接続されており、他端がラジエータ11よりも下流側で循環流路12に接続されている。バイパス流路14の上流端と循環流路12の接続点に切替弁15が備えられている。切替弁15は、走行用の電力機器(電力変換器104など)を通過してきた冷媒の流れる方向をラジエータ11とバイパス流路14のいずれかに切り替える弁である。切替弁15の第1出口15aがラジエータ11の冷媒入口11aにつながっており、第2出口15bがバイパス流路14の上流端につながっている。なお、バイパス流路14の下流端と循環流路12は、三方弁19で接続されている。
【0020】
温度センサ17は、循環流路12に取り付けられており、ラジエータ11とバイパス流路14の双方の下流側の冷媒の温度を計測する。温度センサ18は、フロントコンパートメントに配置されており、車外(車室の外)の温度(外気温)を計測する。温度センサ17、18の計測データはコントローラ16に送られる。説明の簡素化のため、以下では、温度センサ17が計測する冷媒の温度(ラジエータ11とバイパス流路14の下流側における冷媒の温度)を下流温度と称する場合がある。
【0021】
図1における点線矢印線は、信号線を表している。温度センサ17、18とコントローラ16が信号線で接続されている。ポンプ13と切替弁15もコントローラ16と信号線で接続されている。コントローラ16は、温度センサ17、18の計測データに基づいて、ポンプ13と切替弁15を制御する。
【0022】
コントローラ16は、温度センサ17によって計測される下流温度(ラジエータ11とバイパス流路14の下流側における冷媒の温度)に基づいてポンプ13の出力を制御する。下流温度が所定の温度閾値よりも高い間は、コントローラ16は、冷媒の温度が高いほどポンプ13の出力を高める。なお、このときは、切替弁15は、冷媒の流れがラジエータ11へ向かうように設定されている。コントローラ16には、下流温度に対するポンプ出力を定めたマップが記憶されており、コントローラ16はマップに定められたポンプ出力が実現するようにポンプ13を制御する。マップでは、冷媒温度(下流温度)が高いほどポンプ出力が高くなる関係が定められている。コントローラ16がポンプ13を定めるために参照するマップを駆動マップと称する。
【0023】
外気温が低い状況で走行を続けると、冷媒の温度が低下する。外気温と下流温度の双方が相応に低いと、ラジエータ11に着霜する可能性がある。コントローラ16は、外気温と下流温度の双方が低い場合、ラジエータ11に着霜していると判断し、ラジエータ11の霜を除去する処理(除霜処理)を開始する。除霜処理では、バイパス流路14を使い、冷媒にラジエータ11をバイパスさせつつ電力機器の間を循環させる。冷媒は走行用の電力機器の熱で温められる。ラジエータ11を通らないので冷媒の温度は下がらない。コントローラ16は、下流温度が所定の温度に達したら切替弁15をラジエータ11の側へ切り替え、温かい冷媒を一気にラジエータ11へ流して除霜する。
【0024】
図2に、除霜処理のフローチャーを示す。図2のフローチャートを参照しつつ、除霜処理を詳しく説明する。なお、除霜処理が開始される前は、先に述べたように、切替弁15は、冷媒の流れ方向がラジエータ11へ向くように設定されている。また、このとき、冷媒がラジエータ11を流れるときにポンプ出力を定めるためにコントローラ16が参照する駆動マップを第1マップと称する。コントローラ16は、図2の処理を定期的に実行する。
【0025】
コントローラ16は、温度センサ17、18の計測データをモニタしており、冷媒温度(下流温度)を冷媒温度第1閾値と比較するとともに、外気温を外気温閾値と比較する(ステップS2)。温度センサ17の計測値が下流温度に相当し、温度センサ18の計測値が外気温に相当する。
【0026】
外気温が所定の外気温閾値以下となり、かつ、冷媒温度(下流温度)が所定の冷媒温度第1閾値以下となったらコントローラ16は、ラジエータ11に着霜した可能性が高いと判断する(ステップS2:YES)。そうでなければ、コントローラ16は着霜していないと判断して除霜処理を終了する(ステップS2:NO、リターン)。
【0027】
ステップS2の判断結果が肯定(YES)である場合、コントローラ16は、ポンプ13の出力を決定するための駆動マップを第1マップから第2マップに切り替えるとともに(ステップS3)、切替弁15を駆動して(制御して)冷媒の流れ方向をラジエータ11からバイパス流路14へ切り替える(ステップS4)。ここで、第2マップとは、冷媒の流れ方向がバイパス流路14のとき(すなわち、冷媒にラジエータ11をバイパスさせるとき)の下流温度に対するポンプ出力を定めたマップである。なお、同じ下流温度に対する第2マップのポンプ出力は、第1マップのポンプ出力よりも低くなるように設定されている。
【0028】
図3に第1マップと第2マップの例を示す。図3のグラフの横軸は下流温度(ラジエータ11とバイパス流路14の下流側における冷媒温度)に対応しており、縦軸はポンプ出力に対応している。なお、本実施例では、ポンプ出力は、ポンプ13の消費電力で表される。ポンプ13がPWM信号(パルス幅変調信号)で制御される場合、ポンプ出力は、PWM信号のデューティ比で表されてもよい。
【0029】
図3の実線のグラフG1は、第1マップ、すなわち、冷媒がラジエータ11を流れるときのポンプ出力を示している。点線のグラフG2は、第2マップ、すなわち、冷媒がバイパス流路14を流れるときのポンプ出力を示している。グラフG2は下流温度の全領域でグラフG1よりも低い。すなわち、同じ下流温度に対して、冷媒がバイパス流路14を流れるときのポンプ出力はラジエータ11を流れるときのポンプ出力よりも低い。例えば温度C2のとき、冷媒がバイパス流路14を流れるときのポンプ出力はラジエータ11を流れるときのポンプ出力よりもdWだけ低い。なお、第2マップも第1マップと同様に、冷媒温度(下流温度)が高くなるにつれてポンプ出力が高くなるように定められている。
【0030】
図2のフローチャートの説明に戻る。ステップS4の後、コントローラ16は、第2マップを参照してそのときの下流温度に応じたポンプ出力を決定し、そのポンプ出力が実現されるようにポンプ13を制御する。このとき、冷媒はラジエータ11を通過せず、バイパス流路14を通り、走行用の電力機器(電力調整器105、電力変換器104、モータ101(オイルクーラ106))を循環する。ラジエータ11を通らずに発熱体(走行用の電力機器)を循環するので冷媒の温度が上昇していく。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

トヨタ自動車株式会社
トヨタ自動車株式会社
空港
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
空港
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
金型
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
歯車
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
トヨタ自動車株式会社
車両
続きを見る