JP2013204847A

JP2013204847A - 冷却システムの制御装置

Info

Publication number: JP2013204847A
Application number: JP2012071453A
Authority: JP
Inventors: Tsubasa Nakamitsu; 翼中満
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】冷却システムの制御装置において、簡易な構成で、ポンプの消費電力を抑制しつつ、容易にエアを除去することができるようにする。
【解決手段】冷却システム２６の制御部４８は、機器を冷却するための冷却媒体が流れる循環流路２８と、循環流路２８内で冷却媒体を循環させるポンプ３０とを有する。循環流路２８は、鉛直方向Ｘにおける位置がそれぞれ異なる複数の冷却流路４０を含む。制御部４８は、鉛直方向Ｘの最上位に位置する冷却流路４０内の冷却媒体の流量が、他の冷却流路４０内のものより増大するように制御する制御部４８を有する。この構成により、ポンプ３０の消費電力を抑制しつつ、容易にエアを除去することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は冷却システムの制御装置に関し、特に、冷却媒体が流れる循環流路内に残存するエアを除去するための制御の改良に関する。

従来から、電動機の出力により走行する自動車、例えば電気自動車およびハイブリッド自動車には、電動機などの機器を冷却する冷却システムが知られている。冷却システムは、機器を冷却するための冷却媒体が流れる循環流路と、循環流路内で冷却媒体を循環させるポンプとを有する。循環流路は、機器の冷却効率を高めるため、電動機、インバータ及びコンバータなどの機器の表面や内部などに張り巡らされている。ポンプの動作により、冷却媒体が循環流路を流れ機器に供給され、機器から熱を奪いその機器を冷却する。

下記特許文献１には、循環流路と、循環流路内で冷却媒体を循環させるポンプとを有する冷却システムが記載されている。この文献では、循環流路内に残存したエアによる冷却性能の低下を防止するため、循環流路内に通気孔を設け、そしてポンプの流量を増大させてエアを通気孔へ移動させる方法が開示されている。

下記特許文献２には、冷媒流路内に残留したエアが溜まるエア溜まり部を、冷媒流路の中で最も高い位置に設けた積層型冷却器が記載されている。そして、この文献においては、エア溜まり部を電子部品と接触しないように構成することで、冷却性能の低下を防止している。

特開２００５−５７９５３号公報特開２０１２−９５３２号公報

従来技術の冷却システムにおいては、上記特許文献にも記載されるように、冷却媒体内に残存または残留したエアが冷却媒体と機器との熱交換の妨げとなり、冷却性能が低下してしまうという問題がある。

この問題を解決するため、上記特許文献１のようにポンプの動作によって、循環流路内の冷却媒体を循環させ、その循環によりエアを特定の通気孔まで移動させ除去する方法が考えられる。しかしながら、従来技術で説明したように、循環流路は機器の表面や内部などに張り巡らされているので、この循環流路内のエアを通気孔まで移動させるには、上記文献にも記載されるようにポンプの流量の増大が必要であり、ポンプの消費電力が増大してしまうという問題がある。しかも、循環流路内のあらゆる箇所に残留するエアを通気孔まで移動させるのに、時間がかかってしまう可能性がある。

また、上記特許文献２のようなエア溜まり部を設けたとしても、そのエア溜まり部に溜まったエアは、やはり、上記特許文献１のようなポンプの動作により除去しなければならない。

本発明の目的は、簡易な構成で、ポンプの消費電力を抑制しつつ、容易にエアを除去することができる冷却システムの制御装置を提供することにある。

本発明は、機器を冷却するための冷却媒体が流れる循環流路と、循環流路内で冷却媒体を循環させるポンプと、を有する冷却システムの制御装置において、循環流路は、鉛直方向における位置がそれぞれ異なる複数の冷却流路を含み、鉛直方向の最上位に位置する冷却流路内の冷却媒体の流量が、他の冷却流路内のものより増大するように制御する制御部を有することを特徴とする。

本発明の冷却システムの制御装置によれば、簡易な構成で、ポンプの消費電力を抑制しつつ、容易にエアを除去することができる。

本実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す図である。本実施形態に係る冷却システムの構成を示す図である。本実施形態に係る循環流路の一部と制御装置を示す図である。本実施形態に係る冷却システムの制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る冷却システムの制御装置の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、電気自動車を挙げ、この電気自動車に使用される冷却システムの制御装置について説明する。なお、本発明は、上記のような電気自動車に限らず、電動機の出力とともに内燃機関の出力により走行するハイブリッド車両にも適用できる。

電気自動車１０、原動機として電動機１２を有する。電動機１２には、動力伝達機構１４を介して駆動輪１６が接続される。電動機１２の動力は、動力伝達機構１４を介して、駆動輪１６に伝達され、電気自動車１２が走行する。

また、電気自動車１０は、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ（Power Control Unit）」と記す）１８と、バッテリ２０とを有する。電動機１２は、ＰＣＵ１８を介してバッテリ２０に電気的に接続される。ＰＣＵ１８とバッテリ２０とは、直流用のケーブル２４を介して接続される。

ＰＣＵ１８は、例えば数百Ｖもの高電圧が印加される高電圧機器であり、コンバータとインバータ（ともに図示せず）とを含む。インバータは、６個のスイッチング素子を含む三相ブリッジ回路を有し、これらのスイッチング素子のスイッチング動作により直流電力を三相交流電力に変換したり、三相交流電力を直流電力に変換したりする装置である。コンバータは、リアクトルとスイッチング素子とを有し、スイッチング素子のスイッチング動作によりリアクトルにおけるエネルギの蓄積と放出とを繰り返し、入力電圧を変換して出力電圧を得る装置である。なお、本実施形態においては、ＰＣＵ１８がインバータとコンバータとを含む場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ＰＣＵ１８がコンバータまたはインバータのいずれか一方であってもよい。

バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどで構成される。もちろん、バッテリ２０が、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタで構成されてもよい。

バッテリ２０に蓄えられた電力は、ＰＣＵ１８により昇圧されるとともに直流から交流に変換された後に、電動機１２に供給され、電動機１２を駆動する。また、回生時に電動機１２により発電された電力は、ＰＣＵ１８により交流から直流に変換されるとともに降圧された後に、バッテリ２０に送られて蓄えられる。

次に、電気自動車１０に搭載される冷却システム２６について、図２を用いて説明する。

冷却システム２６は、機器を冷却するための冷却媒体が流れる循環流路２８と、循環流路２８内で冷却媒体を循環させるポンプ３０とを有する。本実施形態の機器とは、電動機１２、ＰＣＵ１８内のインバータやコンバータである。しかし、本発明はこの構成に限定されず、冷却システム２６は、冷却が必要なその他の機器にも適用可能である。

循環流路２８は、ポンプ３０とＰＣＵ１８と電動機１２とラジエータ３２とリザーバタンク３４とを接続するように形成され、この内部を冷却媒体が循環する。ポンプ３０は、電動ポンプであり、駆動用モータ（図示せず）がポンプ３０を調節可能に駆動する。このポンプ３０の駆動により、ラジエータ３２で放熱された冷却媒体がリザーバタンク３４を介してＰＣＵ１８と電動機１２に流れ、それらの機器と冷却媒体との間で熱交換が行われることで、各機器１２，１８が冷却される。

次に、本実施形態の冷却システム２６の制御装置３６について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る循環流路２８の一部と制御装置３６を示す図である。

図３に示される循環流路２８の一部は、例えばＰＣＵ１８内に用いられる積層型冷却器３８である。積層型冷却器３８は、電子部品（図示せず）を両面から挟持する冷却流路４０と、各冷却流路４０に冷却媒体を供給する供給ヘッダ部４２と、各冷媒流路４０から冷却媒体を排出する排出ヘッダ部４４とを有する。

電子部品は、例えばインバータやコンバータに使用されるスイッチングモジュールである。電子部品は、積層方向、本実施形態では鉛直方向Ｘに計４個積層される。なお、電子部品の積層数は一例であって、本発明は電子部品の積層数４組に限定されない。なお、本実施形態においては、電子部品が鉛直方向Ｘに積層される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、各電子部品の鉛直方向Ｘにおける位置がそれぞれ異なるように配置することもできる。

積層型冷却器３８は、図３に示されるように、鉛直方向Ｘに沿って順に並んだ５本の冷却流路４０を含む。なお、冷却流路３８の数５本は、冷却対象の電子部品の数に対応したものであり、本発明はこの数に限定されず、電子部品の積層数に応じた数であればよい。また、本実施形態においては、冷却流路３８が鉛直方向Ｘに沿って順に並んで配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、各冷却流路３８の鉛直方向Ｘにおける位置がそれぞれ異なるように配置してもよい。

このような冷却流路４０の構成により、この積層型冷却器３８においては、鉛直方向Ｘの最上位に位置する冷却流路４０にエアが残留し易くなる。つまり、循環流路２８内のエアを、最上位に位置する冷却流路４０に集積し易くなる。

供給ヘッダ部４２は、鉛直方向Ｘに延在するように設けられ、各冷却流路４０の一端側にそれぞれ接続される。一方、排出ヘッダ部４２も、鉛直方向Ｘに延在するように設けられ、各冷却流路４０に他端側にそれぞれ接続される。

また、鉛直方向Ｘの最上位に位置する冷却流路４０以外の冷却流路４０と、排出ヘッダ部４２との接続部には、冷却流路４０を開閉する弁４６が配置される。本実施形態の弁４６は、冷却媒体の圧力により開閉する圧力弁である。弁４６の弁体（図示せず）は、冷却流路４０の他端を開閉するように設けられる。弁体は、冷却流路４０を流れる冷却媒体の圧力が所定値未満である場合、冷却流路４０の他端を閉じて、閉弁状態となる。一方、弁体は、冷却流路４０を流れる冷却媒体の圧力が所定値以上である場合、排出ヘッダ部４２へ移動して冷却流路４０の他端を開き、開弁状態となる。上述の所定値は、ポンプ３０の通常運転時における冷却媒体の圧力とすることができる。なお、本実施形態においては、弁４６が、冷却媒体の圧力により開閉する圧力弁である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。任意の条件で冷却流路４０を開閉することができるのであれば、後述する制御部４８の指令に基づいて動作する電磁弁であってもよい。

制御装置３６は、鉛直方向Ｘの最上位に位置する冷却流路４０内の冷却媒体の流量が、他の冷却流路内のものより増大するように制御する制御部４８を有する。この構成により、鉛直方向Ｘの最上位に位置する冷却流路４０内に残留するエアを効率よく移動させることができ、積層型冷却器３８からエアを除去することができる。その結果、積層型冷却器３８が設置されるＰＣＵ１８に対する冷却性能の向上を図ることができる。

具体的には、制御部４８は、弁４６が閉弁状態になるように、ポンプ３０の出力を制御する。すなわち、制御部４８は、最上位に位置する冷却流路４０以外の冷却流路４０を流れる冷却媒体の圧力が所定値未満になるように、ポンプ３０の出力を制御し、弁４６を閉弁させる。弁４６が閉じことにより、最上位に位置する冷却流路４０を流れる冷却媒体の流量が増加し、効率よく残留エアを除去することができる。このとき、弁４６を閉弁させるためにポンプ３０の出力を通常運転時より低下させるので、残留エア除去時におけるポンプ３０の消費電力も削減することができる。

次に、本実施形態に係る冷却システム２６の制御装置３６の制御動作について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る冷却システム２６の制御装置３６の動作の一例を示すフローチャートである。本制御動作は、自動車１０の始動時をスタート地点とする。

まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチがＯＮであるか否かが判断される。イグニッションスイッチがＯＮである場合、ステップＳ１０２に進む。一方、イグニッションスイッチがＯＦＦである場合、本制御動作は終了する。

そして、ステップＳ１０２では、制御部４８が、ポンプ３０をエア除去運転させる。エア除去運転とは、上述したように、通常運転より出力を低下させた運転のことである。これにより、冷却流路４０を流れる冷却媒体の圧力が通常運転時の圧力より低下するので弁４６が閉じる。その結果、積層型冷却器３８内における冷却媒体が流れる流路は、最上位に位置する冷却流路４０だけとなり、その冷却流路４０内の冷却媒体の流量が増加し、効率よく残留エアを移動させることができる。エアは、リザーバタンク３４まで移動し、ここで冷却システム２６から除去される。

そして、ステップＳ１０３では、ポンプ３０のエア除去運転が、一定時間ｔ経過したか否かが判断される。一定期間ｔ経過した場合、ステップＳ１０４に進み、制御部４８は、ポンプ３０を通常運転させ、この制御動作は終了する。

本実施形態の冷却システムの制御装置３６によれば、ポンプ３０の出力を増加させることなく、すなわちポンプ３０の消費電力を低下させつつ、残留エアを効率よく除去することができる。

本実施形態においては、弁４６が圧力弁である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、電磁弁を適用することもできる。この構成においては、制御部４８が、ポンプ３０によるエア除去運転時、弁４６を閉弁させ、ポンプ３０による通常運転時、弁４６を開弁させる。

１０電気自動車、１２電動機、１４動力伝達機構、１６駆動輪、１８パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、２０バッテリ、２４ケーブル、２６冷却システム、２８循環流路、３０ポンプ、３２ラジエータ、３４リザーバタンク、３６制御装置、３８積層型冷却器、４０冷却流路、４２供給ヘッダ部、４４、排出ヘッダ部、４６弁、４８制御部。

Claims

機器を冷却するための冷却媒体が流れる循環流路と、
循環流路内で冷却媒体を循環させるポンプと、
を有する冷却システムの制御装置において、
循環流路は、鉛直方向における位置がそれぞれ異なる複数の冷却流路を含み、
鉛直方向の最上位に位置する冷却流路内の冷却媒体の流量が、他の冷却流路内のものより増大するように制御する制御部を有する、
ことを特徴とする冷却システムの制御装置。