JP2009045964A - 車両用空気調和装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では主バッテリの電力により駆動され、かつ、補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータを有する車両用空気調和装置において、車両用空気調和装置が作動していない場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率的に冷却し、装置の小型化及び低コスト化を図った車両用空気調和装置を提供することを目的とする。
【解決手段】主バッテリ１２と補助バッテリ１１とを有する車両に搭載され、スクロール圧縮器３４に動力を与える電動機３０と、冷媒が冷媒流路を循環することで形成される冷凍サイクルと、を含む車両用空気調和装置１００において、主バッテリ１２の電力により電動機３０を駆動するインバータ回路２１と、主バッテリ１２の電圧を降圧して補機バッテリ１１を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２と、を冷媒によって冷却される電動機ケース２０に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空気調和装置に係り、特に、主バッテリと補機バッテリとを有する車両に搭載され、圧縮器に動力を与える電動機と、冷媒が冷媒流路を循環することで形成される冷凍サイクルと、を含む車両用空気調和装置及びその制御方法に関する。

エンジンにより駆動される自動車では、エンジン回転を動力源とした車両用空気調和装置が広く用いれられている。近年、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車及び電気自動車等が実用化されるに従い、エンジン回転を動力源とせず、電動機を備えた車両用空気調和装置が開発され、実用化されている。

電気自動車等は、走行用である高電圧の主バッテリと、補機用である低電圧の補機バッテリを備えている。特に、走行用の主バッテリは、所定の走行距離を確保するため大型化し、車両の重量バランスを取るために車両後部に搭載されることが多い。これに対して補機バッテリと低電圧負荷となる各種機器とは、車両前部のエンジンルーム内に搭載されることが多いため、補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータはエンジンルーム内に配置することが望ましいが、高電圧配線の配置や冷却を考慮しなければならず、様々な配置が提案されている。

例えば、特許文献１には、主バッテリにＤＣ／ＤＣコンバータを設け、主バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータを冷却するバッテリパック冷却構造が開示されている。また、特許文献２には、電気自動車等において、冷凍サイクルにより車室を冷却した後の冷媒を用いて、電動機を駆動するための駆動ユニットを冷却する技術が開示されている。この技術は冷凍サイクルのコンプレッサを駆動する駆動ユニットを冷媒で冷やすことで装置の小型化を図ったものである。

図８に特許文献１で開示されている車両用空気調和装置２００の構成図を示す。車両用空気調和装置２００は、放熱部と吸熱部とを含む冷凍サイクルを有している。放熱部は、ガス状態の冷媒を圧縮するコンプレッサ２０３（圧縮器）と、圧縮により高温高圧となったガス状態の冷媒を冷却ファン２２１からの送風により冷却及び凝縮して液化するコンデンサ２１０（凝縮器）と、を有している。

吸熱部は、液化された冷媒を断熱膨張させる膨張器２１３と、断熱膨張した冷媒とブロアファン２２２から送られた空気との熱交換を行う蒸発器（エバポレータ２１４）と、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ２０５（気液分離器）と、を有している。ブロアファンによって発生した風はエバポレータ２１４にて冷却風となり、車室内へ送られる。また、アキュムレータ２０５には、バッテリ２０２からの電源電圧を安定化するＤＣ／ＤＣコンバータ２０４ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４ａの直流電力をスイッチングして三相交流に変換するインバータ２０４ｂと、が設けられている。

特開２００４−３０６７２６号公報 特開２０００−２６４０４６号公報

特許文献１のバッテリパック冷却構造は、主バッテリにＤＣ／ＤＣコンバータを設ける構造であるため、車両後部に搭載されたＤＣ／ＤＣコンバータからエンジンルーム内の補機へ接続する低圧配線が長くなる。そこで、特許文献２に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータをエンジンルーム内に配置し、車両用空気調和装置の冷凍サイクル中に設けたＤＣ／ＤＣコンバータを冷却する構成とすることで低圧配線を短くすることが可能となる。さらに、車両用空気調和装置にインバータ回路とＤＣ／ＤＣコンバータとを設けたことにより両者の高圧配線を共通化することが可能となる。

しかし、特許文献２のような構成にすると、車両用空気調和装置が作動していない場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータを冷却できず、冷却のために車両用空気調和装置を常時作動させることはエネルギ損失となる。

そこで、本発明では主バッテリの電力により駆動され、かつ、補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータを有する車両用空気調和装置において、車両用空気調和装置が作動していない場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率的に冷却し、装置の小型化及び低コスト化を図った車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る車両用空気調和装置は、主バッテリと補機バッテリとを有する車両に搭載され、圧縮器に動力を与える電動機と、電動機を内蔵する電動機ケースと、冷媒が冷媒流路を循環することで形成される冷凍サイクルと、を含む車両用空気調和装置において、主バッテリの電力により電動機を駆動するインバータ回路と、主バッテリの電圧を降圧して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を冷媒によって冷却される電動機ケースに設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る車両用空気調和装置において、インバータ回路の発熱部品とＤＣ／ＤＣコンバータ回路の発熱部品とを電動機ケースに配置したことを特徴とする。

さらに、本発明に係る車両用空気調和装置において、冷凍サイクルは、圧縮器とコンデンサと膨張器とエバポレータとが順次接続された通常流路と、通常流路の膨張器及びエバポレータをバイパスするバイパス流路と、バイパス流路に切り換えて冷媒を循環させる切換手段と、を有し、車両用空気調和装置の運転が停止している場合、バイパス流路を介して冷媒を循環させることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る車両用空気調和装置において、車両用空気調和装置の運転が停止している場合、インバータ回路はＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力に応じて電動機を駆動することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る車両用空気調和装置において、少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ回路の発熱部品を圧縮器の冷媒入口側に配置したことを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る車両用空気調和装置において、車両用空気調和装置の運転が停止している場合、さらに、インバータ回路は冷媒温度に基づいて電動機の出力を可変駆動することを特徴とする。

本発明に係る車両用空気調和装置を制御する制御方法であって、車両用空気調和装置の運転が停止している場合、バイパス流路を介して冷媒を循環させるバイパス切換工程と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力と冷媒温度とに基づいて、コンデンサを冷却するコンデンサファン、電動機のうち少なくとも一つの出力をインバータ回路によって可変駆動させる可変駆動工程と、を有することを特徴とする。

本発明を用いると、ＤＣ／ＤＣコンバータをエンジンルーム内に配置することで補機までの低圧配線を短くすることが可能となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータ回路への高圧配線を共有することも可能となる。また、これらを車両用空気調和装置の冷凍サイクル中に設けて冷却することで冷却の問題も解決できる。

また、本発明では、主バッテリの電力により駆動され、かつ、補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータを有する車両用空気調和装置において、車両用空気調和装置が作動していない場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率的に冷却することが可能となり、併せて装置の小型化を可能にするという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、高電圧用の主バッテリ１２と低電圧用の補機バッテリ１１とを有する車両に搭載された車両用空気調和装置１００が示されている。車室内の温度を調整する車両用空気調和装置１００は、大きく分けて放熱部と吸熱部とに分けられる。放熱部は、冷媒を圧縮する電動圧縮器１０と、圧縮により高温高圧となったガス状態の冷媒をコンデンサファン１１１からの送風により冷却及び凝縮して液化するコンデンサ１１０（凝縮器）と、を有している。

吸熱部は、本発明の特徴の一つであるバイパス弁１１７及び膨張器１０９と、液化された冷媒を断熱膨張させる膨張器１１３と、断熱膨張した冷媒とブロアファン１２２から送られた空気との熱交換を行う蒸発器（エバポレータ１１４）と、冷媒の気液分離を行うアキュムレータ１１９（気液分離器）と、チェック弁１２３と、を有している。ここで、バイパス弁１１７は、コンデンサ１１０からエバポレータ１１４への流路と、コンデンサ１１０から電動圧縮器１０への流路と、を切り換えるものであり、車両用空気調整装置が作動中は、コンデンサ１１０からエバポレータ１１４への流路を導通させている。

図１の電動圧縮器１０は、インバータ回路２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２と、電動機３０と、シャフト３３に接続されたスクロール圧縮器３４と、を有している。また、電動機３０は、電動機ケース２０に固定されたステータ３１と、シャフト３３に接続されたロータ３２と、電動機３０の内部を流れる冷媒の温度を測定するための温度センサ１０８と、を有している。電動機３０の右側から入った冷媒は、電動機３０の内部を冷却しながら流れて、スクロール圧縮器３４のポートに吸い込まれる。スクロール圧縮器３４は冷媒を圧縮してコンデンサ１１０へ高温高圧の冷媒を吐出する。

本実施形態にて特徴的なことの一つは、主バッテリ１２と補機バッテリ１１とを有する車両に搭載され、スクロール圧縮器３４に動力を与える電動機３０と、冷媒が冷媒流路を循環することで形成される冷凍サイクルと、を含む車両用空気調和装置１００において、主バッテリ１２の電力により電動機３０を駆動するインバータ回路２１と、主バッテリ１２の電圧を降圧して補機バッテリ１１を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２と、を冷媒によって冷却される電動機ケース２０に設けたことである。

図２は電動圧縮器１０の構成を示す正面図であり、図３には電動圧縮器１０の側面図が示されている。図２のインバータ回路２１には、図示しない制御回路と、電圧変換用のトランス２３と、平滑回路２４と、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（トランジスタ）２５が設けられている。このＩＧＢＴ２５は発熱量が多いため電動機ケース２０に直接固定されている。

また、図３に示す電動圧縮器１０の側面図では、インバータ回路２１とＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２とを電動圧縮器１０内部で接続し、高圧配線を共有する構成を示している。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２は、図示しない制御回路と、主バッテリから供給される電圧を降圧する降圧回路２９と、ＩＧＢＴ２５と、平滑回路２８と、を有している。

次に、冷媒の流れを示す。図２の吸入口３５から吸い込まれた冷却用の冷媒は、電動機３０内部を流れて電動機３０を冷却して、スクロール圧縮器３４のポート１０７に入る。

さらに、図３のポート１０７からスクロール圧縮器３４の外周部に入った冷媒は、圧縮行程が進行することにより中央部のポート１０６から吐出される。

図４は電動圧縮器の斜視図である。電動圧縮器１０は、冷媒の吸入口３５と、圧縮された冷媒の吐出口３６と、高圧コネクタ２６と、低圧コネクタ２７と、車両へ取り付けるための取り付けねじ孔と、を有している。また、電動機ケース２０の内部には、互いに接続されたインバータ回路２１及びＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２が設けられている。このような構成とすることで、高圧配線の共有と、小型化を実現することができる。次に、本発明の特徴の一つである制御処理について示す。

図５にはインバータ回路とＤＣ／ＤＣコンバータ回路を制御する制御処理の流れが示されており、図６には冷媒温度と電動圧縮器出力との関係が示されている。制御処理が開始されると、ステップＳ１０において、車両用空気調和装置（以下、Ａ／Ｃと略す。）が作動しているかどうかを判定する。もし、Ａ／Ｃがオン状態であれば、図１に示すバイパス弁１１７をバイパス閉とし、通常の流路１１６に冷媒を流す。ステップＳ１４において、通常のＡ／Ｃ作動を行い、膨張器１１３、エバポレータ１１４、アキュムレータ１１９、チェック弁１２３を介して電動圧縮器１０へ冷媒を供給する。もし、ステップＳ１０においてＡ／Ｃがオフ状態であることが検知されると、図１に示すバイパス弁１１７を流路１１８へ切り換え、膨張器１０９を介して冷却された冷媒を電動圧縮器１０へ供給する。

次に、ステップＳ１８〜Ｓ２４では、温度センサ１０８を用いて冷媒温度Ｔを測定し、冷媒温度Ｔに基づいて電動圧縮器を制御する。この制御では、図６に示す冷媒温度Ｔと電動圧縮器出力との特性図に基づいて電動圧縮器を制御することになる。

最初にステップＳ１８において、冷媒温度Ｔがｔ１より高い場合には、ステップＳ２２に移る。もし、冷媒温度Ｔがｔ１以下であれば、図６の特性図に基づいてステップＳ２０の処理を行う。ステップＳ２０では、電動圧縮器出力を「低（ｄ１）」に設定した後、ステップＳ２８に移る。

ステップＳ１８において、冷媒温度Ｔがｔ１より高い場合にはステップＳ２２に移り、冷媒温度Ｔがｔ２より高いかどうかを判定する。ここで、冷媒温度Ｔがｔ１より高く、かつ、ｔ２以下の場合には、電動圧縮器出力は、（ｄ２−ｄ１）／（ｔ２−ｔ１）Ｔに基づいて出力された後、ステップＳ２８に移る。もし、ステップＳ２２において、冷媒温度Ｔがｔ２より高い場合には、電動圧縮器出力を「高（ｄ２）」に設定した後、ステップＳ２８に移る。

次に、ステップＳ２８からステップＳ３２では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を図１の負荷検知器９９で検出し、検出した値に基づいて電動圧縮器出力、ファン出力係数、少なくとも一方の値を変更して制御を行う。図７はＤＣ／ＤＣ出力Ｐに対する電動圧縮器出力係数とファン出力係数との関係を示した特性図である。この特性において、電動圧縮器出力係数を変化させるｐ２値よりファン出力係数値を変化させるｐ４が高い値として設定されている。

ステップＳ２８において、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力Ｐがｐ２より高い値となった場合には電動圧縮器出力を通常値：１からα倍（定数）に変化させてステップＳ３２へ移る。もし、ｐ２より低い値であった場合には、通常値を保持することになる。

ステップＳ３２において、同様にＤＣ／ＤＣコンバータ出力Ｐがｐ４より高い値となった場合にはコンデンサを冷却するファン出力を通常値：１からβ倍（定数）に変化させてステップＳ１０へ移る。同様に、ｐ２より低い値であった場合には、通常値を保持することになる。また、図７に示す特性にはヒステリシスを設けてあり、所定の値（ｐ１，ｐ３）以下にＤＣ／ＤＣコンバータの出力Ｐが低下するまでは、これらの値は保持される。このように電動圧縮器出力とファン出力をＤＣ／ＤＣコンバータ出力Ｐに応じて調整することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの冷却を省エネルギー化することが可能となる。

以上、上述したように、本実施形態を用いることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータをエンジンルーム内に配置し、車両用空気調和装置の冷凍サイクル中に設けて冷却することで補機までの低圧配線を短くすることが可能となると共にＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータ回路への高圧配線を共有することが可能となる。

また、本実施形態において車両用空気調和装置が作動していない場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率的に冷却することが可能となり、併せて装置の小型化が可能となる。なお、本実施形態では説明のために電動機と圧縮器とを分けて用い、電動機と圧縮器とを含む場合においては電動圧縮器として記載したが、この内容に限定するものではなく、通常の「コンプレッサ」や「圧縮機」と同じ意味であることはいうまでもない。

さらに、本実施形態では、車両用空気調和装置を有する自動車を例にして説明したが、これに限るものではなく二輪車、鉄道車両などであってもよい。

本発明の実施形態に係る車両用空気調和装置の全体構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る電動圧縮器の構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る電動圧縮器のスクロール部を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る電動圧縮器の全体構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るインバータ回路とＤＣ／ＤＣコンバータ回路を制御する制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る冷媒温度と電動圧縮器出力との関係を示した特性図である。 本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣ出力に対する電動圧縮器出力係数とファン出力係数との関係を示した特性図である。 従来の構成による車両用空気調和装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１０ 電動圧縮器、１１ 補機バッテリ、１２ 主バッテリ、２０ 電動機ケース、２１ インバータ回路、２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、２３ トランス、２４，２８ 平滑回路、２５ ＩＧＢＴ、２６ 高圧コネクタ、２７ 低圧コネクタ、２９ 降圧回路、３０ 電動機、３１ ステータ、３２ ロータ、３３ シャフト、３４ スクロール圧縮器、３５ 吸入口、３６ 吐出口、９９ 負荷検知器、１００，２００ 車両用空気調和装置、１０６，１０７ ポート、１０８ 温度センサ、１０９，１１３，２１３ 膨張器、１１０，２１０ コンデンサ、１１１ コンデンサファン、１１４，２１４ エバポレータ、１１５，１１６，１１８ 流路、１１７ バイパス弁、１１９，２０５ アキュムレータ、１２２ ブロアファン、１２３ チェック弁、２０２ バッテリ、２０３ コンプレッサ、２０４ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０４ｂ インバータ、２２１ 冷却ファン、２２２ ブロアファン。

Claims (7)

1. 主バッテリと補機バッテリとを有する車両に搭載され、圧縮器に動力を与える電動機と、電動機を内蔵する電動機ケースと、冷媒が冷媒流路を循環することで形成される冷凍サイクルと、を含む車両用空気調和装置において、
   主バッテリの電力により電動機を駆動するインバータ回路と、
   主バッテリの電圧を降圧して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
   を冷媒によって冷却される電動機ケースに設けたことを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 請求項１に記載の車両用空気調和装置において、
   インバータ回路の発熱部品とＤＣ／ＤＣコンバータ回路の発熱部品とを電動機ケースに配置したことを特徴とする車両用空気調和装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用空気調和装置において、
   冷凍サイクルは、
   圧縮器とコンデンサと膨張器とエバポレータとが順次接続された通常流路と、
   通常流路の膨張器及びエバポレータをバイパスするバイパス流路と、
   バイパス流路に切り換えて冷媒を循環させる切換手段と、
   を有し、
   車両用空気調和装置の運転が停止している場合、バイパス流路を介して冷媒を循環させることを特徴とする車両用空気調和装置。
4. 請求項３に記載の車両用空気調和装置において、
   車両用空気調和装置の運転が停止している場合、インバータ回路はＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力に応じて電動機を駆動することを特徴とする車両用空気調和装置。
5. 請求項３に記載の車両用空気調和装置において、
   少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ回路の発熱部品を圧縮器の冷媒入口側に配置したことを特徴とする車両用空気調和装置。
6. 請求項４に記載の車両用空気調和装置において、
   車両用空気調和装置の運転が停止している場合、さらに、インバータ回路は冷媒温度に基づいて電動機の出力を可変駆動することを特徴とする車両用空気調和装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の車両用空気調和装置を制御する制御方法であって、
   車両用空気調和装置の運転が停止している場合、バイパス流路を介して冷媒を循環させるバイパス切換工程と、
   ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力と冷媒温度とに基づいて、コンデンサを冷却するコンデンサファン、電動機のうち少なくとも一つの出力をインバータ回路によって可変駆動させる可変駆動工程と、
   を有することを特徴とする車両用空気調和装置の制御方法。

Images