JP2012111428A - 車載熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、車載熱交換システムに係り、車室内暖房の能力不足を解消させることにある。
【解決手段】車両に駆動力を発生させるべくスイッチング駆動される半導体素子の発生する熱を車外へ放出するラジエータと、半導体素子の発生する熱を車室内へ放出するヒータコアと、半導体素子を冷却した冷却媒体をラジエータへ導く第１冷却通路と、半導体素子を冷却した冷却媒体をヒータコアへ導く第２冷却通路と、第１冷却通路に流れる冷却媒体の量及び第２冷却通路に流れる冷却媒体の量を調整する制御バルブと、車室内の暖房要求時に、半導体素子の損失増加量が車室内の暖房に要求される暖房要求熱量と一致するように制御バルブ又は半導体素子をコントロールする制御手段と、を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載熱交換システムに係り、特に、例えば電気自動車やハイブリッド自動車などにおいて車室内を有効に暖房するうえで好適な車載熱交換システムに関する。

従来、モータやインバータなどの電力消費機器で発生する廃熱を利用して車室内の暖房を行う車載熱交換システムが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この車載熱交換システムは、熱を車外へ放出するラジエータと、熱を車室内へ放出するヒータコアと、を備えている。かかる車載熱交換システムにおいて、車室内の暖房が要求されないときは電力消費機器で発生する廃熱がラジエータで車外へ放出され、一方、車室内の暖房が要求されるときは電力消費機器で発生する廃熱がヒータコアで車室内へ放出される。従って、車室内の暖房要求時、電力消費機器で発生する廃熱をヒータコアを介して車室内へ導くことで、車室内を暖房することができる。

特開平０６−０２４２３８号公報 特開２００５−３５３３２７号公報

しかし、上記した車載熱交換システムでは、ヒータコアを用いた車室内暖房が、電力消費機器で単に成り行きで発生する廃熱を利用して行われるので、その成り行きだけの廃熱では、車室内暖房に要求される熱量を賄いきれないおそれがある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、車室内暖房の能力不足を解消させることが可能な車載熱交換システムを提供することを目的とする。

上記の目的は、車両に駆動力を発生させるべくスイッチング駆動される半導体素子の発生する熱を車外へ放出するラジエータと、前記半導体素子の発生する熱を車室内へ放出するヒータコアと、前記半導体素子を冷却した冷却媒体を前記ラジエータへ導く第１冷却通路と、前記半導体素子を冷却した冷却媒体を前記ヒータコアへ導く第２冷却通路と、前記第１冷却通路に流れる前記冷却媒体の量及び前記第２冷却通路に流れる前記冷却媒体の量を調整する制御バルブと、車室内の暖房要求時に、前記半導体素子の損失増加量が車室内の暖房に要求される暖房要求熱量と一致するように前記制御バルブ又は前記半導体素子をコントロールする制御手段と、を備える車載熱交換システムにより達成される。

本発明によれば、車室内暖房の能力不足を解消させることができる。

本発明の一実施例である車載熱交換システムの構成図である。 本実施例の車載熱交換システムにおいて実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。 半導体素子の電流−電圧特性を表した図である。 本実施例の車載熱交換システムが備える電子制御ユニットでの入出力関係を表した図である。 半導体素子の温度−効率特性を表した図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る車載熱交換システムの具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である車載熱交換システム１０の構成図を示す。本実施例の車載熱交換システム１０は、電気自動車やハイブリッド自動車などの、熱源としてのエンジンを有しない車両に搭載されるシステムである。

本実施例において、車両は、バッテリなどからの電力供給により作動するモータ（尚、回生制動時に発電電力をバッテリへ回収することが可能な「モータジェネレータ」でもよい。）を駆動するためのインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を構成する半導体素子１２を有している。半導体素子１２は、上記モータジェネレータの各相に対応して複数設けられている。半導体素子１２は、例えば常温を超える２５０℃〜３５０℃の高温でも動作可能なＳｉＣやＧａＮ，ダイヤモンドなどにより構成されたＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体デバイスである。半導体素子１２は、上記のモータジェネレータを駆動して車両に駆動力を発生させる際にスイッチング駆動される。

車両には、車載熱交換システム１０が搭載されている。車載熱交換システム１０は、図１に示す如く、上記した半導体素子１２を冷却する冷却器１４を備えている。冷却器１４には、冷却媒体（すなわち、冷却水や冷却オイルなどの冷却流体）が流れる冷却通路１６が接続されている。冷却器１４は、冷却通路１６に流れる冷却媒体と半導体素子１２との間で熱交換を行うことにより半導体素子１２を冷却する機能を有している。

冷却通路１６上には、ラジエータ１８が接続されている。ラジエータ１８は、冷却器１４に流れた冷却媒体の熱を車両外部（特に、車室外）へ放出することによりその冷却媒体を冷却する機能を有している。冷却通路１６は、冷却器１４側とラジエータ１８側との間を冷却媒体が循環できるように形成されている。冷却通路１６上には、電動などのポンプ２０が設けられている。ポンプ２０は、具体的には、冷却通路１６上において冷却器１４の出口側に配置されている。ポンプ２０は、冷却通路１６内で冷却媒体を循環させる機能を有している。

冷却通路１６上には、また、ヒータコア２２が接続されている。ヒータコア２２は、冷却器１４に流れた冷却媒体の熱を車室内へ放出することによりその冷却媒体を冷却しつつ車室内を暖房する機能を有している。冷却通路１６は、また、冷却器１４側とヒータコア２２側との間を冷却媒体が循環できるように形成されている。すなわち、冷却通路１６は、半導体素子１２を冷却した冷却媒体をラジエータ１８へ導く第１冷却通路１６ａと、半導体素子１２を冷却した冷却媒体をヒータコア２２へ導く第２冷却通路１６ｂと、を有している。第１冷却通路１６ａと第２冷却通路１６ｂとの分岐点は、冷却通路１６上においてポンプ２０の下流側に設けられている。第１冷却通路１６ａと第２冷却通路１６ｂとの合流点は、冷却通路１６上において冷却器１４の入口側に設けられている。

第１冷却通路１６ａと第２冷却通路１６ｂとの分岐点には、第１制御バルブ２４が配設されている。第１制御バルブ２４は、開度調整されることにより、第１冷却通路１６ａに流れる冷却媒体の量及び第２冷却通路１６ｂに流れる冷却媒体の量（すなわち、両冷却媒体の量の比）を調整することが可能である。また、第１冷却通路１６ａの、ラジエータ１８の下流側には、第２制御バルブ２６が配設されている。第２制御バルブ２６は、開閉されることにより、第１冷却通路１６ａをラジエータ１８側から冷却器１４の入口側へ流れる冷却媒体を導通・遮断することが可能である。

第１制御バルブ２４及び第２制御バルブ２６には、電子制御ユニット（以下、単にＥＣＵと称す）３０が電気的に接続されている。ＥＣＵ３０は、また、半導体素子１２に電気的に接続されている。ＥＣＵ３０は、車両の駆動要求時などに半導体素子１２に対してスイッチング駆動するためのＰＭＷ信号を供給すると共に、車両駆動時などの半導体素子１２が作動する時などに第１制御バルブ２４に対して開度調整のための指令信号を供給しかつ第２制御バルブ２６に対して開指令信号を供給する。

ＥＣＵ３０には、車室内の空調を制御するために設けられた空調用電子制御ユニット（以下、空調ＥＣＵと称す）３２が電気的に接続されている。空調ＥＣＵ３２は、車室内温度や車室外温度など及び入力スイッチの入力操作などに従ってブロワモータやコンプレッサを駆動して車室内の空調をコントロールすることが可能である。空調ＥＣＵ３２は、特に、車室内の暖房が要求されているか否かを判別すると共に、車室内の暖房が要求される際にＥＣＵ３０に対して暖房要求指令を行う機能を有している。ＥＣＵ３０は、空調ＥＣＵ３２からの暖房要求指令に従ってヒータコア２２を用いた熱交換処理を実行する。

次に、図２を参照して、本実施例の車載熱交換システム１０における動作について説明する。図２は、本実施例の車載熱交換システム１０においてＥＣＵ３０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。

本実施例の車載熱交換システム１０において、車両が起動されていない時及び車両が起動した後であっても半導体素子１２の作動要求がある前（ステップ１００における肯定判定時）は、ＥＣＵ３０は、半導体素子１２に対してＰＷＭ信号を供給せず、ポンプ２０の作動指令を行わず、第１制御バルブ２４及び第２制御バルブ２６の開指令を行わない（ステップ１０２）。この場合、半導体素子１２はスイッチング駆動されず、冷却通路１６内の冷却媒体は循環されず、半導体素子１２の冷却は実施されない。

一方、車両起動後、半導体素子１２の作動要求がある時は、ＥＣＵ３０は、半導体素子１２に対してＰＷＭ信号を供給すると共に、ポンプ２０を作動させ、かつ、第１制御バルブ２４及び第２制御バルブ２６の開指令を行う。この場合には、半導体素子１２がスイッチング駆動されることで車両に駆動力が発生すると共に、ポンプ２０の作動並びに第１及び第２制御バルブ２４，２６の開により冷却通路１６内の冷却媒体が第１冷却通路１６ａ内を循環する。

第１冷却通路１６ａ内を冷却媒体が循環する場合、その循環過程で、まず、冷却器１４が、入口側から流れ込んだ冷却媒体と半導体素子１２との間で熱交換を行う。かかる冷却器１４による熱交換が行われると、冷却媒体が半導体素子１２で発生する熱を奪うことで、冷却媒体が高温になると共に、同時に半導体素子１２が冷却される。次に、ラジエータ１８が、その高温となった冷却媒体から熱を車両外部へ放出することによりその冷却媒体を冷却する。そして、ラジエータ１８により冷却された冷却媒体は、冷却通路１６内を循環するように冷却器１４の入口側に戻り、再び半導体素子１２を冷却する。

このように、本実施例においては、半導体素子１２のスイッチング駆動時、その半導体素子１２に発生した熱を冷却媒体を媒介としてラジエータ１８により車両外部へ放出することができるので、半導体素子１２を冷却することが可能である。

また、本実施例において、ＥＣＵ３０は、車両起動後、半導体素子１２の作動要求がある場合には、更に、空調ＥＣＵ３２から暖房要求指令がなされるか否かを判別する（ステップ１０４）。その判別の結果、空調ＥＣＵ３２から暖房要求指令がなされない場合は、冷却器１４に流れた冷却媒体がラジエータ１８側の第１冷却通路１６ａに流れる一方でヒータコア２２側の第２冷却通路１６ｂに流れないように第１制御バルブ２４に対して全開指令を行う（ステップ１０６）。かかる制御によれば、車室内の暖房が要求されないときは、半導体素子１２に発生した熱のほぼすべてをラジエータ１８を介して車両外部へ放出することができる。

一方、ＥＣＵ３０は、上記の判別の結果、空調ＥＣＵ３２から暖房要求指令がなされた場合は、冷却器１４に流れた冷却媒体の一部又は全部がヒータコア２２側の第２冷却通路１６ｂに流れるように第１制御バルブ２４に対して開度調整のための指令を行う（ステップ１０８）。尚、この場合、第１制御バルブ２４の開度は、第１冷却通路１６ａに流れる冷却媒体の量と第２冷却通路１６ｂに流れる冷却媒体の量との比率が所定比率となるように設定される。かかる制御によれば、車室内の暖房が要求されたときに、半導体素子１２に発生した熱の一部又は全部をヒータコア２２側に伝達することができるので、半導体素子１２に発生した熱を、ラジエータ１８を介して車両外部へ放出するだけでなく或いはラジエータ１８を介して車両外部へ放出することに代えて、ヒータコア２２を介して車室内へ放出することができる。

従って、本実施例によれば、車両起動後、車室内の暖房非要求時は、半導体素子１２を冷却した冷却媒体を第１冷却通路１６ａ上のラジエータ１８のみへ導くことができるので、半導体素子１２の発生した廃熱を車両外部へ放出することが可能である。また、車両起動後、車室内の暖房要求時は、半導体素子１２を冷却した冷却媒体をヒータコア２２へ導くことができるので、車両の駆動時に発生する半導体素子１２の廃熱を利用して車室内を暖房することが可能である。

また、上記の如く冷却器１４に流れた冷却媒体がヒータコア２２側の第２冷却通路１６ｂに流れると、ラジエータ１８での冷却媒体の放熱量が減少し、冷却器１４に流れる冷却媒体の温度が下がり難くなる。この場合には、冷却器１４での冷却媒体と半導体素子１２との熱交換が高温側で行われることとなるので、半導体素子１２の温度が上昇する。半導体素子１２の温度が上昇すると、図３に示す如く半導体素子１２の電流−電圧特性が変化し、車両駆動力を発生させるうえでの半導体素子１２の効率が低下する。半導体素子１２の効率が低下すると、その効率低下分だけ半導体素子１２の発生する熱量が増加するので、半導体素子１２の温度が再び上昇する。このように、冷却器１４に流れた冷却媒体をヒータコア２２側へ導くことで、半導体素子１２の効率低下に起因する温度上昇が招来する。

半導体素子１２は、上記の如く、高温動作可能な半導体デバイスであるので、温度上昇が生じても機能低下が生ずることはない。半導体素子１２の温度が上昇すると、ヒータコア２２に、より高温の冷却媒体が導かれる。従って、本実施例によれば、高温動作可能な半導体素子１２を高温動作させてその効率を低下させ、半導体素子１２の発熱量を増やすことで、半導体素子１２の機能を損うことなく半導体素子１２の廃熱を利用した車室内暖房の促進を図ることができる。

尚、半導体素子１２は、上記の如く効率が低下するときにも、車両に要求駆動力を発生させるのに必要な要求パワーＰｒｅｑを出力することが可能である。このため、本実施例においては、半導体素子１２を構成するインバータ又はコンバータの機能低下を招くことなく、半導体素子１２の廃熱を利用して車室内を暖房することが可能である。

また、本実施例において、車室内の暖房が要求されないときは、半導体素子１２の発生した廃熱がラジエータ１８を介して車両外部へ放出されるが、この場合、半導体素子１２は、比較的効率の悪い高温側でスイッチング駆動されることはなく、比較的効率の良い低温側でスイッチング駆動される。このため、本実施例によれば、半導体素子１２の高温での効率低下に起因して無駄にエネルギが消費されるのを防止することができ、効率良く車両に付与する駆動力を発生させることが可能である。

図４は、本実施例の車載熱交換システム１０が備えるＥＣＵ３０での入出力関係を表した図を示す。

本実施例において、ＥＣＵ３０には、空調ＥＣＵ３２から上記の如く暖房要求指令がなされると共に、更に、空調ＥＣＵ３２から暖房要求時に車室内を目標温度に暖房するうえで必要な熱量（以下、暖房要求熱量と称す）ΔＰの情報が供給され、半導体素子１２の温度を検出するセンサなどから半導体素子１２に実際に生じている温度（以下、現状素子温度と称す）Ｔ０の情報が供給され、かつ、車両に駆動力を発生させるうえで半導体素子１２が実際に発生しているパワー（以下、現状パワーと称す）Ｐ０の情報が供給される。

ＥＣＵ３０は、空調ＥＣＵ３２から暖房要求指令を受けた際に、上記した暖房要求熱量ΔＰ、現状素子温度Ｔ０、及び現状パワーＰ０を取得すると、暖房要求熱量ΔＰを半導体素子１２の効率低下に伴って損失が増加する量（発熱増加量）で賄うのに必要な半導体素子１２の目標素子温度Ｔ１を算出する。ＥＣＵ３０は、図５に示す如き半導体素子１２の温度Ｔと効率ηとの関係を予め記憶している。ＥＣＵ３０は、半導体素子１２の現状素子温度Ｔ０に基づいて、図５に示す関係を参照して、その現状素子温度Ｔ０での現状効率η０を求めると共に、その求めた現状効率η０と暖房要求熱量ΔＰと現状パワーＰ０とに基づいて、下記（１）式に従って目標素子温度Ｔ１での目標効率η１を求める。そして、ＥＣＵ３０は、求めた目標効率η１に基づいて、図５に示す関係を参照して、暖房要求熱量ΔＰと一致する半導体素子１２の損失増加量を生成するのに必要な、その目標効率η１を実現するための目標素子温度Ｔ１を求める。

ΔＰ＝Ｐ０×（η０−η１） ・・・（１）
ＥＣＵ３０は、半導体素子１２の温度が上記の如く求めた半導体素子１２の目標素子温度Ｔ１となるように、すなわち、半導体素子１２の効率低下に伴う損失増加量が暖房要求熱量ΔＰと一致するように、第１制御バルブ２４をコントロールする。

かかる第１制御バルブ２４のコントロールがなされると、スイッチング駆動される半導体素子１２の温度が現状素子温度Ｔ０から目標素子温度Ｔ１まで上昇することで、半導体素子１２が温度調整される。半導体素子１２の温度が目標素子温度Ｔ１まで上昇すると、その半導体素子１２の効率ηが目標効率η１まで低下する。この場合、その効率低下分だけ、半導体素子１２の発熱量が増加し、その半導体素子１２を冷却する冷却媒体が高温となってヒータコア２２へ導かれるので、半導体素子１２の廃熱を利用した車室内暖房が目標温度まで導かれる。

従って、本実施例の車載熱交換システム１０によれば、スイッチング駆動される半導体素子１２の効率を低下させてその半導体素子１２の発熱量を増加させることで、車室内暖房の能力不足を解消させることができ、その結果として、車室内を目標温度まで暖房することができる。

尚、上記の実施例においては、ＥＣＵ３０が半導体素子１２の効率低下に伴う損失増加量が暖房要求熱量ΔＰに一致するように第１制御バルブ２４をコントロールすることが特許請求の範囲に記載した「制御手段」に、目標素子温度Ｔ１が特許請求の範囲に記載した「目標温度」に、ＥＣＵ３０が目標素子温度Ｔ１を求めることが特許請求の範囲に記載した「目標算出手段」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、半導体素子１２を温度上昇させてその効率を低下させるのに、ラジエータ１８側の第１冷却通路１６ａに流れる冷却媒体の量とヒータコア２２側の第２冷却通路１６ｂに流れる冷却媒体の量とを調整する第１制御バルブ２４をコントロールすることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチング駆動される半導体素子１２自体をコントロールすることとしてもよい。

この変形例において、ＥＣＵ３０は、例えば、第１制御バルブ２４を予め定められた開度（例えば全開状態）に開弁したうえで、半導体素子１２のスイッチング速度を通常のスイッチング速度よりも上げ、或いは、弱め界磁制御を実行する。かかるスイッチング速度の上げ又は弱め界磁制御によれば、車両に要求される駆動力を発生させるのに必要な半導体素子１２のパワーを通常どおり確保しつつ、その半導体素子１２の発熱量を増加させることができるので、半導体素子１２の廃熱を利用したヒータコア２２による車室内暖房を的確に実現することができる。

１０ 車載熱交換システム
１２ 半導体素子
１４ 冷却器
１６ 冷却通路
１６ａ 第１冷却通路
１６ｂ 第２冷却通路
２０ ポンプ
２２ ヒータコア
２４ 第１制御バルブ
２６ 第２制御バルブ
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２ 空調用電子制御ユニット（空調ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 車両に駆動力を発生させるべくスイッチング駆動される半導体素子の発生する熱を車外へ放出するラジエータと、
   前記半導体素子の発生する熱を車室内へ放出するヒータコアと、
   前記半導体素子を冷却した冷却媒体を前記ラジエータへ導く第１冷却通路と、
   前記半導体素子を冷却した冷却媒体を前記ヒータコアへ導く第２冷却通路と、
   前記第１冷却通路に流れる前記冷却媒体の量及び前記第２冷却通路に流れる前記冷却媒体の量を調整する制御バルブと、
   車室内の暖房要求時に、前記半導体素子の損失増加量が車室内の暖房に要求される暖房要求熱量と一致するように前記制御バルブ又は前記半導体素子をコントロールする制御手段と、
   を備えることを特徴とする車載熱交換システム。
2. 前記半導体素子の現状の温度又は効率と、車両に駆動力を発生させるうえで前記半導体素子に実際に生じているパワーと、前記暖房要求熱量と、に基づいて、該暖房要求熱量となるように前記損失増加量を生成するのに必要な前記半導体素子の目標温度又は目標効率を算出する目標算出手段を備え、
   前記制御手段は、前記制御バルブ又は前記半導体素子のコントロールにより、前記半導体素子の温度又は効率を、前記目標算出手段により算出される前記目標温度又は前記目標効率に調整することを特徴とする請求項１記載の車載熱交換システム。
3. 前記制御手段は、前記半導体素子のコントロールとして、該半導体素子のスイッチング速度を上げ或いは弱め界磁制御を実行することを特徴とする請求項１又は２記載の車載熱交換システム。
4. 前記半導体素子は、高温動作可能なＳｉＣ、ＧａＮ、又はダイヤモンドにより構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の車載熱交換システム。
   

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