JP2013110851A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷凍サイクルシステムと水冷システムを併用する電動車両の冷却装置において、電動機や電力変換器や蓄電池を応答性良く冷却することができる冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１２は、冷却水を循環させることによって被冷却体を冷却する水冷システム３５と、冷媒の気液相変化を利用して冷却水を外気温以下に冷却する冷凍サイクルシステム３６と、を備え、水冷システム３５は、冷却水の熱を外気へ放熱するラジエータ５を介して冷却された冷却水を被冷却体に流過させる第１流路３１ａと、冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６を介して外気温以下に冷却された冷却水を第１流路３１ａに配された被冷却体に流過させる第２流路３１ｂと、第１流路３１ａと第２流路３１ｂを流れる冷却水の流量を制御する流量制御手段９ａ、９ｂと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関し、例えば水冷システムと冷凍サイクルシステムを併用した電動車両の冷却装置に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両においては、高電圧の蓄電池（例えば、リチウムイオン電池）から供給される直流電力を電力変換器（インバータ）にて交流電力に変換し、この交流電力を用いて電動機（例えば、３相交流モータ）を回転させることによって車両の駆動力を発生させている。また、車両が減速する際には、電動機の回生発電によって得られる回生エネルギを蓄電池に蓄電することによって、エネルギの無駄を削減して効率的なエネルギ利用を実現している。
ところで、上記するような電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両で使用される電力変換器は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作に起因する発熱によって熱破壊される可能性があることが知られている。
また、電動機の出力特性、蓄電池の充放電性能や寿命特性などは温度依存性が高く、蓄電池や電動機を効率良く稼動させるためには、これらを適正な温度域に維持する必要があることも知られている。
このような問題に対して、特許文献１には、電力変換器の熱的保護と省電力化との両立を目的とした従来のモータ駆動装置が開示されている。
特許文献１に開示されているモータ駆動装置は、電動機や電力変換器等に冷却水を流過させて当該電動機や電力変換器等を冷却する水冷システムにおいて、電動機の電流指令値に基づいて冷媒流路を通流する冷却水の目標流量を設定し、その設定された目標流量で冷却水が循環するようにウォータポンプを駆動して、電力変換器を応答性良く冷却する装置である。
また、特許文献２には、蓄電池の温度を設定温度に維持することを目的とした従来の電気自動車用蓄電池の設定温度維持装置が開示されている。
特許文献２に開示されている設定温度維持装置は、室内冷房用の冷凍サイクルシステムと蓄電池冷却用の水冷システムを併用し、冷凍サイクルシステムと水冷システムの間に中間熱交換器を配設してその双方で熱交換を行うことで蓄電池を冷却する装置である。
特開２００７−１６６８０４号公報 特開２００６−２９６１９３号公報
特許文献１に開示されているモータ駆動装置によれば、温度上昇が見込まれる電力変換器に対して応答性良く冷却媒体を供給することができ、電力変換器を過熱から確実に保護することができ、電動機の出力に応じて変動する電力変換器の温度上昇に対して適切な流量の冷却媒体を供給することができる。また、例えば応答性が不足するために冷却媒体の供給量を最大に設定せざるを得ないモータ駆動装置と比較して、モータ駆動装置の冷却装置の消費電力を抑制することができる。
また、特許文献２に開示されている設定温度維持装置によれば、冷凍サイクルシステムと水冷システムの間に中間熱交換器を配設すると共に、蓄電池に冷却水を流過させる水冷システムを冷却水の温度調整手段によって制御することによって、蓄電池を効率的に冷却することができる。
しかしながら、特許文献１に開示されているモータ駆動装置においては、水冷システムを構成するラジエータを車両前方のバンパー付近に搭載した場合、ラジエータと電動機等とが離間して配置されることとなり、水冷システムに冷却水を循環させるための配管長さが長くなる。したがって、冷却水用のポンプの駆動を制御して冷却水の流量を増加させたとしても、ラジエータで冷却された冷却水が電動機や電力変換器に到達する時間が長くなり、冷却水の温度が上昇して電動機や電力変換器の冷却性能が低下する可能性がある。また、冷却水の容積、すなわち配管内の冷却水の熱容量が大きくなるため、冷却水全体を所定の温度まで効率的に冷却することが困難であるといった問題もある。さらに、電動機の駆動トルクによる振動伝搬をインバータや車体骨格から遮断するため、電動機とインバータをゴムホース等の弾性体からなるパイプで接続する必要があり、電動機や電力変換器の冷却性能が更に低下する可能性がある。これにより、例えば運転者の急激なアクセル操作や走行負荷が急変するような走行条件に対応するために、電動機や電力変換器等に急な温度上昇が見込まれる場合には、電動機や電力変換器等を応答性良く冷却することができないといった課題がある。
また、特許文献２に開示されている設定温度維持装置においても、特許文献１に開示されているモータ駆動装置と同等に、冷却システムを構成する冷却水の配管長さが相対的に長くなるため、冷凍サイクルシステムを用いて冷却水の温度を下げようとしても冷却水の熱容量が大きくなり、優れた冷却応答性を得られない可能性があるといった課題がある。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、冷凍サイクルシステムと水冷システムを併用する冷却装置において、優れた冷却応答性を確保することのできる冷却装置を提供することにある。
上記する課題を解決するために、本発明に係る冷却装置は、車両の駆動力を発生する電動機と、該電動機の駆動電力を制御する電力変換器と、該電力変換器に電力を供給する蓄電池のうち、少なくとも一つを被冷却体とする冷却装置であって、前記冷却装置は、前記被冷却体に冷却媒体を流過させることによって該被冷却体を冷却する第１冷却システムと、前記第１冷却システムの前記冷却媒体を外気温以下に冷却する第２冷却システムと、を備え、前記第１冷却システムは、前記冷却媒体の熱を外気へ放熱するラジエータを介して冷却された冷却媒体を前記被冷却体に流過させる第１流路と、前記第２冷却システムを介して外気温以下に冷却された冷却媒体を前記第１流路に配された前記被冷却体に流過させる第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を流れる冷却媒体の流量を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の冷却装置によれば、ラジエータを用いて冷却媒体を冷却する第１流路と、第２冷却システムを用いて冷却媒体を冷却する第２流路と、から、被冷却体を冷却するための第１冷却システムを構成することによって、第２流路における冷却媒体の流量、特に冷却強化時における冷却媒体の熱容量を低減することできるため、被冷却体に流過させる冷却媒体を効率的に冷却することができ、被冷却体を応答性良く冷却することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係る冷却装置の実施例１が適用される車両の前方内部の基本構成を示す内部構成図。 図１に示す冷却装置を用いて電力変換器等の温度を制御する場合の電力変換器の温度変化の一例を時系列で示す図。 図１に示す冷却装置を用いて電力変換器等の温度を制御する場合の電力変換器の温度変化の他例を時系列で示す図。 本発明に係る冷却装置の実施例２が適用される車両の前方内部の基本構成を示す内部構成図。
以下、本発明に係る冷却装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
［実施例１］
図１は、本発明に係る冷却装置の実施例１が適用される車両の前方内部の基本構成を示したものである。ここで、図示例は、前輪駆動方式の電動車両に本実施例１の冷却装置１２を適用したものであり、図中右側が車両４１の進行方向であり、電力変換器１０や電動機１１等からなる電気駆動システム４０は車両４１の前輪付近に搭載されている。なお、本実施例１の冷却装置１２は、後輪駆動方式や４輪駆動方式の電動車両、もしくはエンジンを搭載したハイブリッド電動車両等にも適用することができる。
図示する電動車両４１の電気駆動システム４０は、駆動エネルギを蓄える蓄電池１４と、蓄電池１４から供給される電力を用いて電動機１１に供給する駆動電力を制御する電力変換器１０と、電力変換器１０から供給される駆動電力を用いて車輪の回転トルク（駆動力）を発生する電動機１１と、電力変換器１０や電動機１１や蓄電池１４を冷却する冷却装置１２と、を備えている。
また、前記冷却装置１２は、冷凍サイクルシステム（第２冷却システム）３６と水冷システム（第１冷却システム）３５を備えている。
前記冷凍サイクルシステム３６は、圧縮機１、凝縮器４、減圧器（膨張弁）３、蒸発器６、および冷媒配管１８を備えており、凝縮器４にはファン１３が付設されていて、コントローラ１５の指令信号に基づいて冷却風の流量を制御できるようになっている。ここで、圧縮機１、凝縮器４、減圧器３、および蒸発器６を接続する冷媒配管１８には、代替フロン等の冷凍サイクルに適した冷媒が流通しており、この冷媒は、圧縮機１を動力源とする冷凍サイクルによって冷媒配管１８を循環して冷却されるようになっている。
また、前記水冷システム３５は、ラジエータ５、リザーバ８、ポンプ７、流量制御弁（流量制御手段）９ａ、９ｂ、蒸発器６（冷凍サイクルシステム３６と共用）、および冷却水用流路３１を備えており、ラジエータ５には上記する凝縮器４と共用のファン１３が付設されていて、コントローラ１５の指令信号に基づいて冷却風の流量を制御できるようになっている。ここで、ラジエータ５、リザーバ８、ポンプ７、流量制御弁９ａ、９ｂ、蒸発器６、電力変換器１０、電動機１１、蓄電池１４を接続する水冷システム３５の流路３１には不凍液等の冷却水が流通している。
なお、図示するコントローラ１５は、不図示の温度センサや圧力センサ等で検出される電力変換器１０や電動機１１や蓄電池１４および冷却水や冷媒の状態に応じて、圧縮機１、ファン１３、ポンプ７、流量制御弁９ａ、９ｂ等を駆動制御し、冷凍サイクルシステム３６の冷媒と水冷システム３５の冷却水の温度を制御できるようになっている。
ここで、前記水冷システム３５の冷却水用流路３１は、ラジエータ５、リザーバ８、ポンプ７、電力変換器１０、電動機１１、および蓄電池１４を接続する第１流路３１ａと、蒸発器６、ポンプ７、電力変換器１０、電動機１１、および蓄電池１４を接続する第２流路３１ｂを備えている。すなわち、第１流路３１ａと第２流路３１ｂは、ポンプ７、電力変換器１０、電動機１１および蓄電池１４を接続する部分３１ｃを共有しており、第１流路３１ａのうちポンプ７、電力変換器１０、電動機１１、および蓄電池１４を通った流路を分岐し、その分岐した流路を再びポンプ７の上流で第１流路３１ａに合流することで第２流路３１ｂが形成されており、上記する共有部分３１ｃに設けられたポンプ７を動力源として第１流路３１ａと第２流路３１ｂの双方の冷却水が圧送されるようなっている。なお、第１流路３１ａに配設されたリザーバ８は、第１流路３１ａを流れる冷却水の熱膨張や漏れ等による体積変化を吸収するためのものである。また、第１流路３１ａと第２流路３１ｂは共有部分３１ｃを有することなく、それぞれ別個の流路とすることもできる。
また、第１流路３１ａと第２流路３１ｂはそれぞれ、上記する流量制御弁９ａ、９ｂと冷却水の温度を検出する温度センサ１６ａ、１６ｂを備えている。これにより、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の駆動状態や温度センサ１６ａ、１６ｂの計測値に応じて、ポンプ７の回転速度や流量制御弁９ａ、９ｂの開度をそれぞれ別個に変化させることができ、第１流路３１ａと第２流路３１ｂを流れる冷却水の流量をそれぞれ制御できるようになっている。
このように、冷却される電力変換器１０と電動機１１、蓄電池１４に対してラジエータ５と冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６を並列して接続すると共に、第１流路と第２流路でポンプ７を共用し、流量制御弁９ａ、９ｂによって第１流路と第２流路を流れる冷却水の流量の割合をそれぞれ制御することによって、ポンプ７の基数の増加を抑制することができ、冷却装置１２の構成を簡素化することができる。
また、第１流路３１ａと第２流路３１ｂにそれぞれ温度センサ１６ａ、１６ｂを配設することによって、それぞれの流路を流れる冷却水の水温が異なる場合であっても、これらの水温に基づいて第１流路３１ａと第２流路３１ｂの冷却水の流量を制御することができる。なお、第１流路３１ａと第２流路３１ｂの共有部分３１ｃの水温は、上記２つの温度センサ１６ａ、１６ｂと流量制御弁９ａ、９ｂの弁開度から推定することができる。例えば、流量制御弁９ａが開弁していて、流量制御弁９ｂが閉弁している場合には、共有部分３１ｃを流れる冷却水の水温は、第１流路３１ａに配設された温度センサ１６ａの計測値と略等しいと推定することができる。また、流量制御弁９ａが閉弁していて、流量制御弁９ｂが開弁している場合には、共有部分３１ｃを流れる冷却水の水温は、第２流路３１ｂに配設された温度センサ１６ｂの計測値と略等しいと推定することができる。このような温度推定を行うことにより、温度センサの基数の増加を抑制することができ、冷却装置１２の構成を簡素化することができる。なお、流路３１の共有部分３１ｃや電力変換器１０の内部、電動機１１の内部に温度センサを配設すれば、より精緻に温度管理を行うことができる。
ここで、第１流路３１ａを循環する冷却水は、第１流路３１ａに接続されたラジエータ５を通過する空気によって冷却されるようになっている。このようなラジエータ５による冷却によれば、第１流路３１ａを流れる冷却水を外気温以下に冷却することができないものの、ポンプ７やファン１３の消費電力は圧縮機１の消費電力よりも少ないため、少量の消費電力で冷却水を冷却することができる。
また、第２流路３１ｂを循環する冷却水は、冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６を通過する冷媒によって冷却されるようになっており、冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６に接続された冷媒配管１８を循環する冷媒は、圧縮機１によって凝縮器４に圧送され、この凝縮器４によって冷却されるようになっている。このような冷凍サイクルシステム３６を用いた冷却によれば、ラジエータ５による冷却よりも消費電力が相対的に大きくなるものの、冷却水を外気温以下にまで冷却することができる。したがって、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が高い場合にも、これらを第１流路３１ａの冷却水よりも低温の冷却水で冷却することができ、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の温度上昇を効果的に抑制することができる。
なお、第２流路３１ｂのうち第１流路３１ａとの共有部分３１ｃ以外の部分は、発泡材などの高い断熱性能を備えた部材３３で覆われる。これにより、外気温以下にまで冷却した冷却水に対して外気からの入熱を抑制することができ、圧縮機１の消費電力を効果的に抑制することができる。
このような構成とすることで、上記冷却装置１２では、冷凍サイクルシステム３６の圧縮機１、水冷システム３５のポンプ７と流量制御弁９ａ、９ｂ、およびファン１３の稼動状態を制御することにより、冷凍サイクルシステム３６の冷媒と水冷システム３５の冷却水の温度を変化させることができる。
例えば、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が低く、これらの発熱量が比較的小さい場合には、流量制御弁９ａ、９ｂを制御して第１流路３１ａのみに冷却水を循環させ、冷却水の熱をラジエータ５から放熱させて冷却水を冷却する。これにより、少ない電力で水冷システム３５の冷却水を冷却することができる。
一方で、例えば、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が高く、これらの発熱量が大きく、冷却水を外気温よりも低い温度まで冷却したい場合には、流量制御弁９ａ、９ｂを制御して第２流路３１ｂのみに冷却水を循環させ、冷却水の熱を冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６を介して放熱させて冷却水を冷却する。これにより、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が高い場合にも、これらに流過させる冷却水を確実に冷却して電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の温度上昇を抑制することができる。
なお、図示するように、電力変換器１０は電動機１１に支持されている。また、電力変換器１０と電動機１１は、不図示の減速機を介してタイヤに接続されている。ここで、電力変換器１０と電動機１１は、その駆動トルクによる振動が車体に伝播しないようにゴム等の弾性体を介して車体に支持されている。一方で、ラジエータ５と凝縮器４は、車体前方のバンパー付近に設置されている。したがって、電力変換器１０や電動機１１の振動によって発生する電力変換器１０や電動機１１とラジエータ５との相対変位を吸収するため、電力変換器１０や電動機１１とラジエータ５はゴムホース３２によって接続されている。
このように、水冷システム３５の第１流路３１ａにおいては、電力変換器１０や電動機１１とラジエータ５との間にある程度の距離が必要となると共に、ラジエータ５の内部やリザーバ８にも冷却水を流過させる必要がある。また、第１流路３１ａの一部をゴムホース３２で構成する必要があるため、第１流路３１ａを流れる冷却水の流量は相対的に多くなり、冷却水を応答性良く冷却することが難しい。
一方、水冷システム３５の第２流路３１ｂにおいては、第１流路３１ａのように車両前方まで流路を配設する必要がないため、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４と蒸発器６とを相対的に短い流路で接続して構成することができる。また、蒸発器６は電力変換器１０で支持することができるため、蒸発器６と電力変換器１０や電動機１１との間をゴムホース等で接続する必要がない。また、リザーバ８とラジエータ５を第１流路３１ａに配設すれば、冷凍サイクルシステム３６によって冷却すべき第２流路３１ｂの冷却水の流量を抑制することができる。
これにより、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４を冷却するために第２流路３１ｂを流れる冷却水を所定温度まで冷却する制御を行う場合にも、冷却水の熱容量を小さくでき、相対的に短い長い時間で水温を下げることができるため、第２流路３１ｂを流れる冷却水を効率的に冷却することができる。
なお、本実施例１においては、蒸発器６を電力変換器１０で支持する構成としたが、電動機１１や蓄電池１４で支持しても良い。また、流路に対してゴムホース等が必要となるものの、例えば蒸発器６を車体４１で支持しても、リザーバ８とラジエータ５の冷却水に関わる熱容量を削減するができる。
次に、本実施例１の冷却装置１２による水冷システム３５の冷却水の冷却方法を説明する。
まず、第１流路３１ａを流れる冷却水の冷却方法を説明する。
図１に示すコントローラ１５は、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が低く、これらの発熱量が相対的に小さい場合には、第１流路３１ａの流量制御弁９ａを開弁し、第２流路３１ｂの流量制御弁９ｂを閉弁して、第１流路３１ａのみに冷却水を循環させる。第１流路３１ａを流れる冷却水は、循環する際に電力変換器１０と電動機１１、蓄電池１４の熱を吸収してその水温が上昇し、このように水温が上昇した冷却水が流量制御弁９ａを介してラジエータ５へ流入する。ここで、ラジエータ５には冷却水よりも低い温度の外気が通過しており、冷却水の熱はその外気へ放熱されることとなる。
コントローラ１５は、冷却水と外気の温度、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の発熱量、車両４１の走行速度等に応じてポンプ７とファン１３の回転数を制御する。ここで、ポンプ７とファン１３の回転速度は、必要とされる冷却能力を得ることができる最小の消費電力になるように制御されている。
例えば、冷却水の温度が所定温度よりも低ければ、ポンプ７とファン１３の回転を停止したり、最小の回転数で駆動する。また、車両４１の走行速度が速ければ、走行風によってラジエータ５の風量を確保することができるため、ファン１３の駆動を停止する。また、冷却水の温度が所定温度を超える、または超えることが予測される場合には、ポンプ７とファン１３の回転速度を速めて冷却能力を増加させる。なお、このような第１流路３１ａを流れる冷却水の冷却方法によれば、上記するように冷却能力が制限されるものの、圧縮機１を駆動させる必要がないため、少量の消費電力で第１流路３１ａを流れる冷却水を冷却することができる。
次いで、第２流路３１ｂを流れる冷却水の冷却方法を説明する。
図１に示すコントローラ１５は、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が高く、これらの発熱量が相対的に大きい場合には、第２流路３１ｂの流量制御弁９ｂを開弁し、第１流路３１ａの流量制御弁９ａを閉弁して、第２流路３１ｂのみに冷却水を循環させる。ここで、第２流路３１ｂの冷却水はポンプ７により圧送されており、コントローラ１５は、ポンプ７の回転速度を制御することによって、第２流路３１ｂを流れる冷却水の流量を調節することができる。第２流路３１ｂを流れる冷却水は、循環する際に電力変換器１０と電動機１１、蓄電池１４の熱を吸収してその水温が上昇し、このように水温が上昇した冷却水が流量制御弁９ｂを介して蒸発器６へ流入する。そして、冷却水は蒸発器６にて冷凍サイクルシステム３６の冷媒と熱交換されてその水温が低下する。
ここで、冷凍サイクルシステム３６の冷媒配管１８内部の冷媒は、圧縮機１によって矢印Ａ１８の方向へ流通している。冷媒は、圧縮機１で高温且つ高圧のガスに圧縮され、次いで凝縮器４で空気中に熱が放出されて凝縮し、高圧の液体となる。冷媒は、冷媒配管１８を流れた後に減圧器３によって減圧され、低圧且つ低温の冷媒（液体とガスの２層冷媒）となる。その後、冷媒は、第２流路３１ｂを流れる冷却水と蒸発器６を介して熱交換する。したがって、コントローラ１５は、圧縮機１の駆動状態を制御することによって冷媒の温度と流量を調節し、第２流路３１ｂを流れる冷却水の水温を調整することができる。
このように、発熱体である電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の出力に応じて、第１流路３１ａと第２流路３１ｂに配設された流量制御弁９ａ、９ｂを制御し、第１流路３１ａと第２流路３１ｂの冷却水の流量を制御することによって、高い冷却能力が必要とされる場合であっても応答性良く冷却水を冷却して発熱体を冷却することができる。
次に、図２、３を参照して、図１に示す冷却装置１２を用いて電力変換器１０の温度を制御する方法をより具体的に説明する。なお、この制御方法は、第１流路３１ａから第２流路３１ｂへの冷却水の流路の切り替えを伴うものである。
図２は、図１に示す冷却装置１２を用いて電力変換器１０の温度を制御する場合の電力変換器１０の温度変化の一例を時系列で示したものである。図２は、第１流路３１ａの温度センサ１６ａによって検出されるラジエータ５近傍における冷却水の水温Ｔａと、第２流路３１ｂの温度センサ１６ｂによって検出される蒸発器６近傍の冷却水の水温Ｔｂと、温度センサ１６ａ、１６ｂから推定される電力変換器１０を流過する冷却水の水温Ｔｃと、外気温度Ｔａｉｒを示している。
まず、区間Ｔ１１では、電力変換器１０からの発熱量が比較的少なく、冷却水は第１流路３１ａを循環してラジエータ５によって冷却されている。
次いで、区間Ｔ１２では、冷却水の流路が第１流路３１ａから第２流路３１ｂへ切り替わる。例えば、運転者がアクセルペダルを所定量以上に踏み込んだ場合、シフトレバーを高出力走行のポジションに切り替えた場合、ナビゲーションシステムなどの経路情報から登坂走行や高速走行が予測される場合などには、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が高くなり、これらの発熱量が所定値よりも相対的に大きくなることが予測されることから、冷却水の流路を第１流路３１ａから第２流路３１ｂへ切り替え、冷却水を所定温度以下まで冷却することで、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の温度上昇を抑制する。これにより、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の熱的な制約を緩和することができ、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４の高出力化を図ることができる。
具体的には、上記のように電力変換器１０や電動機１１からの発熱量が所定値よりも大きくなることが予測される場合や発熱量が大きくなった場合には、コントローラ１５は、第１流路３１ａの流量制御弁９ａを閉弁し、第２流路３１ｂの流量制御弁９ｂを開弁して、第２流路３１ｂに冷却水を循環させる。その際、第２流路３１ｂに停留されていた冷却水の水温Ｔｂは、第１流路３１ａの冷却水の水温Ｔａよりも低い（区間Ｔ１１参照）ため、電力変換器１０を流過する冷却水の水温Ｔｃは僅かながら低下する。
上記する流量制御弁９ａ、９ｂの駆動と同時に圧縮機１を駆動して、蒸発器６を介した冷却水の冷却を開始すると、第２流路３１ｂの冷却水の水温Ｔｂと電力変換器１０を流過する冷却水の水温Ｔｃは次第に低下する。なお、冷却水の水温は、コントローラ１５によって任意の温度に制御することができる。ここで、冷凍サイクルシステム３６によれば、被冷却体（電力変換器１０等）を放熱対象（外気等）よりも低い温度まで冷却することができるため、冷却水を外気温度Ｔａｉｒよりも低い温度まで冷却することができる。
この区間Ｔ１２においては、冷却の対象となる冷却水は、比較的熱容量の小さい第２流路３１ｂの冷却水のみとなるため、例えば水冷システム３５の全ての冷却水を冷却する場合と比較して、迅速に冷却水を所定温度まで冷却することができる。なお、図２における点線Ｔｄは、水冷システム３５の全ての冷却水を冷却した場合の水温Ｔｄの変化を模式的に示したものである。
次いで、区間Ｔ１３のように、電力変換機１０や電動機１１、蓄電池１４の負荷が低くなり、これらの発熱量が低下した場合には、コントローラ１５は冷凍サイクルシステム３６の圧縮機１を停止する。しかしながら、所定の時間内は、第２流路３１ｂでの冷却水の循環を継続し、相対的に低温であった冷却水を利用して電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４を冷却する。これにより、第１流路３１ａのラジエータ５に付設されたファン１３の駆動を省略して、冷却装置１２の消費電力を抑制することができる。
そして、区間Ｔ１４のように、第２流路３１ｂを流れる冷却水の水温Ｔｂが、第１流路３１ａを流れる冷却水の水温Ｔａまで上昇した場合には、第１流路３１ａの流量制御弁９ａを開弁し、第２流路３１ｂの流量制御弁９ｂを閉弁することによって、再び冷却水を第１流路３１ａに循環してラジエータ５による冷却を行う。
図３は、図１に示す冷却装置１２を用いて電力変換器１０の温度を制御する場合の電力変換器１０の温度変化の他例を時系列で示したものである。この図３に示す例では、冷却水の流路を第１流路３１ａから第２流路３１ｂへ移行する前に、予め蒸発器６付近に滞留している冷却水を冷却しておくスタンバイ制御を実施する。
まず、区間Ｔ２１では、電力変換器１０からの発熱量が比較的少なく、冷却水は第１流路３１ａを循環してラジエータ５によって冷却されている。
次いで、区間Ｔ２２では、第１流路３１ａの流量制御弁９ａを開弁し、第２流路３１ｂの流量制御弁９ｂを閉弁し、冷却水を第１流路３１ａに循環させている状態で、冷凍サイクルシステム３６の圧縮機１を駆動して、蒸発器６付近の冷却水の水温Ｔｂを外気温度Ｔａｉｒよりも低い温度まで低下させる。なお、上記するように、第２流路３１ｂの流路は高い断熱性能を備えた部材３３で覆われているため、低温状態を保持するための圧縮機１の消費電力を抑制することができる。
そして、区間Ｔ２２の状態から、冷却水の流路を第２流路３１ｂへ切り替える（区間Ｔ２３）ことによって、第２流路３１ｂを循環する冷却水の水温Ｔｂと電力変換器１０を流過する冷却水の水温Ｔｃをより迅速に低下させることが可能となる。なお、このようなスタンバイ制御は、例えば、温度上昇の傾向などから電力変換機１０や電動機１１、蓄電池１４等の高負荷運転が予測されるものの、その予測が不確定な場合等に実施することができる。
このような構成とすることで、例えば図２に示すような、冷却水の流路の切り替えと圧縮機１の駆動を同時に行う場合と比較して、圧縮機１の消費電力を効果的に抑制することができる。また、実際に低温の冷却水が必要とされる場合、短時間で冷却水を所定温度まで冷却することができ、電力変換機１０や電動機１１、蓄電池１４等の出力応答を格段に向上させることができる。
以上のように、電気駆動システム４０の駆動機器である電力変換機１０や電動機１１、蓄電池１４に対して、２つの流路３１ａ、３１ｂを並列して配設し、それぞれの流路にラジエータ５と蒸発器６を接続することによって、駆動機器の発熱量が大きい場合であっても、短時間で冷却水を所定温度まで冷却することができ、電動車両の駆動機器を応答性良く冷却することができることから、駆動機器の出力を効果的に向上させることができる。
［実施例２］
図４は、本発明に係る冷却装置の実施例２が適用される車両の前方内部の基本構成を示したものである。本実施例２においては、上記する実施例１の水冷システム３５の第２流路３１ｂが車室内暖房用の流路を兼ねており、その他の構成は実施例１と同様であるため、実施例１と同様の構成には同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。
図示する本実施例２の冷却装置１２Ａは、上記する実施例１の冷却装置１２に対して、水冷システム３５Ａの第２流路３１ｂＡに車室内暖房用のヒータコア（熱交換器）２５とヒータエレメント２６が付設されている。前記ヒータコア２５は、車室内に導入される空気を温水によって温める装置である。また、前記ヒータエレメント２６は、電力を熱に変換する装置であり、例えば抵抗発熱体である。なお、第２流路３１ｂＡは車室内暖房用の流路を兼ねているため、実施例１の第２流路３１ｂと比較して相対的に長くなっており、第２流路３１ｂＡを流れる冷却水の水量は、実施例１の第２流路３１ｂを流れる冷却水の水量よりも相対的に多くなっている。
車室内暖房が必要とされるような外気温が低温の環境下（例えば、冬期）においては、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４の表面等からの放出される熱量が大きくなり、冷凍サイクルシステム３６を用いて電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４を積極的に冷却する必要はなく、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４から放出される熱を車室内の暖房に利用することができる。すなわち、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４から放出される熱によって温められた冷却水をヒータエレメント２６を用いて更に適宜の温度まで加熱し、ヒータコア２５にて車室内暖房用の熱として利用する。
なお、車室内暖房が不要な外気温が常温から高温の環境下（例えば、夏期）においては、暖房機能は不要となる。したがって、上記する実施例１の冷却装置１２と同様に、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４等の発熱量が少なく、水冷システム３５Ａの第１流路３１ａに冷却水を循環させて冷却水を冷却している場合には、第２流路３１ｂＡに滞留している冷却水は比較的低温に維持されている。そして、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４等の発熱量が大きくなり、冷却水を更に冷却する必要が生じた場合には、冷却水の流路を第２流路３１ｂＡへ切り替え、第２流路３１ｂＡに冷却水を循環させて冷却水を冷却する。ここで、冷却水の流路が第１流路３１ａから第２流路３１ｂＡへ切り替わった直後においては、実施例１の冷却装置１２よりも多量の冷却水が循環することとなるため、電力変換機１０と電動機１１、蓄電池１４をより迅速に冷却することができる。
なお、上記する実施例１、２においては、冷却装置１２、１２Ａの水冷システム３５、３５Ａで使用する冷却媒体として冷却水を用いたが、冷却媒体としては油を用いても良い。このような油冷システムでは、導電性が低い油の特性を利用することにより、電動機内部を直接冷却することができると共に、潤滑機能を兼ねることもできる。
また、上記する実施例１，２においては、第２流路を流れる冷却水を冷却する手段として冷凍サイクルシステム３６を用いたが、熱輸送を行うことができる手段であれば他の手段を用いても良い。例えば、冷凍サイクルシステム３６の蒸発器６に代えて、ペルティエ素子のような熱電素子を用いても良い。
また、上記する実施例１，２においては、電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４からの発熱量が大きくなった際に、流量制御弁９ａ、９ｂを用いて冷却水の流路を第１流路から第２流路へ切り替える構成について説明したが、例えば流量制御弁９ａ、９ｂの双方を開弁状態とし、その弁開度を調整して、水冷システム３５、３５Ａの流路を流れる冷却水の水温を調整しても良い。
また、上記する実施例１，２においては、電気駆動システム４０の駆動機器である電力変換器１０や電動機１１、蓄電池１４を冷却する構成について説明したが、それぞれの発熱量や配置箇所等に応じて、電力変換器１０と電動機１１と蓄電池１４のうちから冷却対象となる被冷却体を適宜選択することができる。
なお、本発明は上記した実施例１、２に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例１、２は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例１、２の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１ 圧縮機
３ 減圧器
４ 凝縮器
５ ラジエータ
６ 蒸発器
７ ポンプ
８ リザーバ
９ａ、９ｂ 流量制御弁（流量制御手段）
１０ 電力変換器（被冷却体）
１１ 電動機（被冷却体）
１２ 冷却装置
１３ ファン
１４ 蓄電池（被冷却体）
１５ コントローラ
１６ａ、１６ｂ 温度センサ
１８ 冷媒配管
２５ ヒータコア（熱交換器）
２６ ヒータエレメント
３１ 水冷システムの流路
３１ａ 第１流路
３１ｂ 第２流路
３１ｃ 共有部分
３２ ゴムホース
３５ 水冷システム（第１冷却システム）
３６ 冷凍サイクルシステム（第２冷却システム）
４０ 電気駆動システム
４１ 車両

Claims (15)

  1. 車両の駆動力を発生する電動機と、該電動機の駆動電力を制御する電力変換器と、該電力変換器に電力を供給する蓄電池のうち、少なくとも一つを被冷却体とする冷却装置であって、
    前記冷却装置は、前記被冷却体に冷却媒体を流過させることによって該被冷却体を冷却する第１冷却システムと、前記第１冷却システムの前記冷却媒体を外気温以下に冷却する第２冷却システムと、を備え、
    前記第１冷却システムは、前記冷却媒体の熱を外気へ放熱するラジエータを介して冷却された冷却媒体を前記被冷却体に流過させる第１流路と、前記第２冷却システムを介して外気温以下に冷却された冷却媒体を前記第１流路に配された前記被冷却体に流過させる第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を流れる冷却媒体の流量を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする冷却装置。
  2. 前記流量制御手段は、前記被冷却体の発熱量に応じて、前記第１流路と前記第２流路を流れる前記冷却媒体の流量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記流量制御手段は、前記被冷却体の発熱量が大きくなるに従って、前記第１流路に対する前記第２流路の前記冷却媒体の流量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
  4. 前記第２流路は、前記第１流路よりも高い断熱性能を備えた部材で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  5. 前記第２流路は、車両の室内を暖めるための熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  6. 前記第１冷却システムは、前記冷却媒体として冷却水を用い、該冷却水を循環させることによって前記被冷却体を冷却する水冷システムからなり、前記第２冷却システムは、冷媒の気液相変化を利用し、該冷媒を循環させることによって前記冷却水を冷却する冷凍サイクルシステムからなり、
    前記第１冷却システムの前記第１流路では、前記ラジエータを介して前記冷却媒体の熱を外気へ放熱されることによって前記冷却水が冷却され、前記第２流路では、前記冷凍サイクルシステムの蒸発器を介して前記冷却水の熱が該冷凍サイクルシステムの前記冷媒へ放熱されることによって前記冷却水が冷却されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  7. 前記水冷システムの前記第１流路は、前記冷却水の体積変化を吸収するためのリザーバを備えることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  8. 前記冷凍サイクルシステムの前記蒸発器は、前記電動機、前記電力変換器または前記蓄電池によって支持されていることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  9. 前記第２流路における前記冷却水の循環が停止している間に、前記冷却水は前記冷凍サイクルシステムの前記蒸発器を介して冷却されることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  10. 前記冷却装置は、前記被冷却体の発熱量が所定値よりも大きくなると、前記流量制御手段を用いて前記水冷システムの前記冷却水の流路を前記第１流路から前記第２流路へ切り替えて、前記冷却水を前記第２流路で循環させることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  11. 前記冷却装置は、前記冷凍サイクルシステムの圧縮機を停止し且つ前記第１流路における前記冷却水の循環が停止した状態で、前記冷却水を前記第２流路で循環させ、前記第２流路の前記冷却水の水温が上昇して前記第１流路の前記冷却水の水温と等しくなった後に、前記第１流路における前記冷却水の循環を開始することを特徴とする請求項１０に記載の冷却装置。
  12. 前記第１流路と前記第２流路は前記冷却水を圧送する手段を共用していることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  13. 前記圧送する手段はポンプであることを特徴とする請求項１２に記載の冷却装置。
  14. 前記第１流路と前記第２流路は共有部分を有しており、前記圧送する手段は前記共有部分に配設されていることを特徴とする請求項１２に記載の冷却装置。
  15. 前記第１流路と前記第２流路はそれぞれ、その内部を循環する前記冷却水の水温を検出する温度センサを備えており、前記流量制御手段は、前記温度センサに基づいて前記第１流路と前記第２流路を流れる前記冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
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