JP2014088153A - 車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率的に除霜運転することができる車両用空調装置を提供する。
【解決手段】 車両用空調装置は、熱媒体を圧縮する圧縮手段と、熱媒体を減圧させる減圧手段と、熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、熱媒体を用いた空調制御を行う制御手段と、を備えた電動車両の車両用空調装置であって、制御手段は、熱交換器のうち室外の空気と熱交換を行う室外熱交換器に着霜が生じているか否かを判定する着霜判定手段を有し、暖房時に、着霜判定手段により着霜したと判定された場合、且つ、電動車両に搭載された駆動用の電池に対する充電が普通充電で行われている場合には、圧縮手段から圧縮された熱媒体を前記室外熱交換器を通過させることで室外熱交換器と室外空気との間で熱交換して放熱する除霜運転を行い、電池に対する充電が急速充電で行われている場合には、熱媒体により電池の冷却を行い、除霜運転を禁止する。
【選択図】図６

Description

本発明は車両用空調装置に関する。

従来、車両用空調装置としては、コンプレッサと室内コンデンサと室外コンデンサと室内エバポレータと減圧手段とを有するヒートポンプシステム（蒸気圧縮式冷凍サイクル）が知られている。電気自動車では、エンジン車とは違い、駆動源からの熱を暖房に利用することができないため、このようなヒートポンプシステムが採用されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の車両用ヒートポンプシステムでは、冷房運転時には、コンプレッサから吐出された冷媒が室外交換器で放熱し、この冷媒が室内エバポレータで蒸発することでエバポレータを通過する風が冷却される。他方で、暖房運転時には、コンプレッサから吐出された冷媒が室内コンデンサで放熱して、この放熱により室内コンデンサを通過する風が暖められる。

このようなヒートポンプシステムにおいては暖房運転時に室外コンデンサに着霜することがある。この場合に、運転途中で除霜運転を行うと、その間空調を使うことができず、乗員が不便を感じることがあるので、充電中に除霜運転を行う。

特許第３３７９１５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、着霜時に充電を行う場合には必ず除霜運転を行っているが、急速充電時は普通充電時に比べ、電池が高温となりやすい。よって、急速充電中に除霜運転を行うと、駆動用電池の冷却が不十分となり、充電時間が長くなる虞がある。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、駆動用電池の冷却を十分に行い、効率的に除霜運転することができる車両用空調装置を提供しようとするものである。

本発明の車両用空調装置は、熱媒体を圧縮する圧縮手段と、前記熱媒体を減圧させる減圧手段と、前記熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱媒体を用いた空調制御を行う制御手段と、を備えた電動車両の空調装置であって、前記制御手段は、前記熱交換器のうち室外の空気と熱交換を行う室外熱交換器に着霜が生じているか否かを判定する着霜判定手段を有し、暖房時に、前記着霜判定手段により着霜したと判定された場合、且つ、電動車両に搭載された駆動用の電池に対する充電が普通充電で行われている場合には、前記圧縮手段から圧縮された熱媒体を前記室外熱交換器を通過させることで前記室外熱交換器と室外空気との間で熱交換して放熱する除霜運転を行い、前記電池に対する充電が急速充電で行われている場合には、前記熱媒体により前記電池の冷却を行い、前記除霜運転を禁止することを特徴とする。本発明では、電動車両に搭載された二次電池への充電開始時に急速充電か普通充電かを判定し、普通充電の場合には除霜運転を行うことで、急速充電時には除霜運転を行わない。急速充電時に除霜運転を行うと、急速充電時に高温となりやすい駆動用電池への電池冷却が不十分となり、充電時間が長くなるためである。従って、本発明では急速充電時には除霜運転を禁止するとともに電池冷却を優先させることで、急速充電時の電池温度上昇を抑制でき、効率的に電動車両の除霜運転制御を行うことが可能である。

前記除霜運転は、前記電池の充電量が所定量以上となった場合に開始することが好ましい。充電量が所定量以上である場合にのみ除霜運転することで、車両の走行機能を確保することができる。

前記室外熱交換器を通過する熱媒体の温度を検出する温度検出手段を備え、前記除霜運転中に前記温度検出手段により検出される温度が所定値よりも大きくなった場合に、前記除霜運転を停止することが好ましい。室外熱交換器を通過する熱媒体の温度が所定値よりも大きくなると、除霜が完了したと判定できるからである。

本発明の好ましい実施形態としては、前記除霜運転は、開始後所定時間経過すると停止することが挙げられる。

前記除霜運転は、前記電池への充電の入力電流を使用して行われることが好ましい。駆動用の電池の充電量を減少させないためである。

本発明の車両用空調装置によれば、駆動用電池の冷却を十分に行い、効率的な車両の除霜運転制御を行うことができるという優れた効果を奏し得る。

本実施形態の車両用空調装置にかかるヒートポンプシステムの模式図。 本実施形態の車両用空調装置の冷房時のヒートポンプシステムの駆動を説明するための模式図。 本実施形態の車両用空調装置の暖房時のヒートポンプシステムの駆動を説明するための模式図。 本実施形態の車両用空調装置の除霜時のヒートポンプシステムの駆動を説明するための模式図。 本実施形態の車両用空調装置における着霜判定を説明するためのフローチャート。 本実施形態の車両用空調装置における除霜制御を説明するためのフローチャート。

はじめに、本実施形態の車両用空調装置にかかるヒートポンプシステムについて図１を用いて説明する。

車両用空調装置Ｉは、ヒートポンプシステム１を有する。ヒートポンプシステム１は、電動コンプレッサ（圧縮手段）１１、室内コンデンサ（熱交換器）１２、室外コンデンサ（熱交換器）１３、エバポレータ（熱交換器）１４、アキュムレータ１５、第１膨張弁（減圧手段）２１、第２膨張弁（減圧手段）２２を備え、これらはそれぞれ熱媒体の流路を構成する配管１６によって接続されている。詳しくは後述するが、ヒートポンプシステム１は、電動コンプレッサ１１、室内コンデンサ１２、室外コンデンサ１３、第２膨張弁２２、アキュムレータ１５がこの順で配管１６により接続されて構成された冷房経路を備える。また、ヒートポンプシステム１は、電動コンプレッサ１１、室内コンデンサ１２、第１膨張弁２１、室外コンデンサ１３、アキュムレータ１５がこの順で配管１６により接続されて構成された暖房経路を備える。

また、車両用空調装置Ｉは、ヒートポンプシステム１を駆動するための制御部（制御手段）１０を備えている。

制御部１０は、室外コンデンサ１３を通過する冷媒の温度を検出する熱媒体温度センサ３１と、車体に設けられた室外温度を検出する室外温度センサ３２とを備える。また、車両は電気自動車用制御装置であるＥＶ−ＥＣＵを有し、制御部１０には、このＥＶ−ＥＣＵから駆動用二次電池（図示せず）の充電状態（普通充電状態であるのか、又は急速充電状態であるのか）が入力される。

駆動用二次電池から電力供給を受ける電動コンプレッサ１１は、乗員により空調の作動指示が入力されると、制御部１０により駆動を開始し、熱媒体を圧縮して高温高圧状態とする。

室内コンデンサ１２は、熱媒体と車室内の空気との間で熱交換を行う。室内コンデンサ１２は、空調用ハウジング１７内に設けられている。空調用ハウジング１７内には、図示しないブロアファンと、上述したエバポレータ１４、エアミックスダンパ１８、ＰＴＣヒーター１９が設けられている。室内コンデンサ１２は、空調用ハウジング１７内において、エバポレータ１４の下流側に設けられている。また、エアミックスダンパ１８は、エバポレータ１４と室内コンデンサ１２との間に設けられて、暖房時と冷房時とで開閉状態が異なるように構成されている。ＰＴＣヒーター１９は、室内コンデンサ１２よりも下流側に設けられている。室内コンデンサ１２を通過した熱媒体は、配管１６を介して室外コンデンサ１３に送出される。

室内コンデンサ１２と室外コンデンサ１３との間の配管１６には、第１膨張弁２１と、この第１膨張弁２１に対して並列に設けられた二方電磁弁２３が設けられている。二方電磁弁２３は制御部１０によりその開閉が制御される。二方電磁弁２３がオン状態となった場合には熱媒体は第１膨張弁２１側を流れ、二方電磁弁２３がオフ状態となった場合には熱媒体は二方電磁弁２３側を流れる。

室外コンデンサ１３は、熱媒体と車室外の空気との間で熱交換を行う。室外コンデンサ１３の下流側には三方電磁弁２４が設けてあり、冷暖房時に三方電磁弁２４を切り換えることで熱媒体の通過する流路を変更することができる。即ち、室外コンデンサ１３を通過した熱媒体は、詳細は後述するように配管１６ａを介して冷房時にはエバポレータ１４に送出し、暖房時には配管１６ｂを介してアキュムレータ１５に送出される。本実施形態においては、三方電磁弁２４の切換作動は制御部１０により制御される。即ち、制御部１０により三方電磁弁２４がオン状態であると制御されると熱媒体は配管１６ａを流れ、三方電磁弁２４がオフ状態であると制御されると熱媒体は配管１６ｂを流れる。

三方電磁弁２４とエバポレータ１４との間には、第２膨張弁２２が設けられている。第２膨張弁２２は、減圧手段として機能し、熱媒体を膨張させ減圧させることで熱媒体温度を低下させる。

エバポレータ１４は、熱媒体と車室内の空気との間で熱交換を行い、車室内へ送る空気を冷却する。

アキュムレータ１５は、熱媒体のリザーバとして機能する。

冷房時におけるヒートポンプシステムの作動について図２を用いて説明する。

乗員により冷房指示が入力されると、制御部１０が、二方電磁弁２３がオフ、三方電磁弁２４がオン状態となるようにそれぞれ制御を行うとともに、電動コンプレッサ１１を作動させる。

電動コンプレッサ１１から、圧縮され、高温高圧になった熱媒体が配管１６を通って室内コンデンサ１２に入力される。室内コンデンサ１２は冷房時には作動しないので、熱媒体は室内コンデンサ１２を単に通過する。なお、エアミックスダンパ１８は冷房時には室内コンデンサ１２に対向するように開閉状態が設定される。

室内コンデンサ１２を通過した熱媒体は、二方電磁弁２３がオフ状態となっていることから二方電磁弁２３側を流れ、室外コンデンサ１３に入力される。室外コンデンサ１３に入力された熱媒体は、室外コンデンサ１３で室外空気と熱交換することで放熱し、熱媒体温度がやや下がる。

次に、室外コンデンサ１３からの熱媒体は三方電磁弁２４がオン状態であることから、第２膨張弁２２に入力されて熱媒体は減圧される。減圧された熱媒体は、温度も低下する。

第２膨張弁２２からの熱媒体はエバポレータ１４に入力される。エバポレータ１４で熱媒体は室内空気と熱交換し、室内空気から吸熱して室内空気を冷却する。この冷却された室内空気が冷風として車室内に供給される。

エバポレータ１４から出力された熱媒体はアキュムレータ１５に入力され、その後電動コンプレッサ１１に入力されて再度圧縮され、上記と同様に熱媒体は流路を流通する。

次いで、暖房時のヒートポンプシステムの作動を図３を用いて説明する。

乗員により暖房指示が入力されると、制御部１０が、二方電磁弁２３がオン、三方電磁弁２４がオフとなるようにそれぞれ制御を行うとともに、電動コンプレッサ１１を作動させる。

電動コンプレッサ１１から、圧縮され、高温高圧になった熱媒体が配管１６を通って室内コンデンサ１２に入力される。室内コンデンサ１２は暖房時には作動して、熱媒体は室内コンデンサ１２において車室内の空気との間で熱交換を行い、放熱される。放熱された空気は、さらにＰＴＣヒーター１９を通過することでより加熱され、この加熱された室内空気が温風として車室内に供給される。なお、この場合には、エアミックスダンパ１８は室内コンデンサ１２に対向しないように開閉状態が設定される。

室内コンデンサ１２を通過した熱媒体は、二方電磁弁２３がオン状態となっていることから第１膨張弁２１側を流れ、減圧され温度も低下する。この減圧された熱媒体は、室外コンデンサ１３に入力される。室外コンデンサ１３に流入した熱媒体は、室外コンデンサ１３で室外空気と熱交換することで吸熱し、熱媒体温度がやや上がる。

次に、室外コンデンサ１３からの熱媒体は三方電磁弁２４がオフ状態であることから、アキュムレータ１５に流入し、その後電動コンプレッサ１１に流入して再度圧縮され、上記と同様に熱媒体は流路を流通する。

暖房運転を行うと、外気温との関係で室外コンデンサ１３に着霜することが考えられる。本実施形態の空調装置は、室外コンデンサ１３の着霜を除去するための除霜運転モードを有する。

除霜運転について図４を用いて説明する。

除霜運転時には、三方電磁弁２４及び二方電磁弁２３は両方オフ状態となる。電動コンプレッサ１１から吐出された熱媒体が室内コンデンサ１２を通過する。そして、熱媒体は高圧縮、高温状態のままオフ状態の二方電磁弁２３を通過して室外コンデンサ１３を通過する。そして、この室外コンデンサ１３において熱交換し、室外コンデンサ１３で放熱を行うことで、室外コンデンサ１３に付着した霜を除去することができる。そして、放熱を行い温度が下がった熱媒体がオフ状態の三方電磁弁２４を通過してアキュムレータ１５に入力され、再度電動コンプレッサ１１に入力される。このようにして室外コンデンサ１３の着霜を除去することができる。

ところが、このような除霜運転中には暖房運転が停止されてしまうため、暖房運転中に暖房運転を中止して除霜運転を行うことは好ましくない。そこで、本実施形態では、制御部１０は暖房運転中に着霜したことを検出すると、普通充電時まで待って、普通充電時に除霜運転を行う。

以下、詳細に制御部１０による除霜制御について説明する。

車両運転中に暖房運転指令が制御部１０に入力されると、制御部１０の図示しない着霜判定部（着霜判定手段）は、着霜判定を行う。室外コンデンサ１３を通過する熱媒体の温度を検出する熱媒体温度センサ３１から熱媒体温度を取得すると共に、車体に設けられた室外温度を検出する室外温度センサ３２から室外温度を取得する。そして、制御部１０の着霜判定部は、熱媒体温度が所定値以下であり、かつ、熱媒体温度と室外温度との差が所定値以上であると共に、暖房運転が行われている場合（即ち暖房指示が制御部１０に入力されている場合）には、室外コンデンサ１３が着霜していると判定する。この時、制御部１０は、車両が運転停止するまで、この判定を記録しておく。

次に、充電開始時に、まず、ＥＶ−ＥＣＵが普通充電か急速充電かどうかを判定する。急速充電時には、空調装置は駆動用電池の冷却に用いる必要があるため、普通充電かどうかを判定している。ＥＶ−ＥＣＵはこの判定結果を制御部１０に入力する。

ＥＶ−ＥＣＵは、普通充電であると判定した場合に、さらに、現在の充電量が所定の充電量以上であるかどうかを判定する。所定の充電量まで充電がされていない場合には、充電を優先すべきだからである。ＥＶ−ＥＣＵはこの判定結果を制御部１０に入力する。

そして、現在の充電量が所定の充電量以上であれば、制御部１０は上記の除霜運転を行い、室外コンデンサ１３における霜を除去する。除霜運転をするための電力は駆動用電池からではなく、充電で車両に入力される電力を使用する。

除霜運転中、制御部１０は室外コンデンサ１３を通過する熱媒体の温度を検出する熱媒体温度センサ３１の温度が所定以上になったか否かにより、霜が除去されたか否かを判定する。また、制御部１０は除霜制御の開始と共にタイマーをセットし、所定時間この除霜制御を行う。この所定時間は通常の霜であれば除去することができる程度の時間が設定されている。そして、制御部１０は熱媒体温度センサ３１の温度が所定値以上となるか、または所定時間が経過するかどうかを判定し、どちらかの条件が満たされた場合に除霜運転を停止させる。そして、普通充電が再開する。

一方で、ＥＶ−ＥＣＵが急速充電であると判定した場合には、制御部１０は除霜運転を禁止し、空調装置を駆動用電池の冷却に用いる。急速充電時は駆動用電池が高温になりやすいため、駆動用電池に対する電池冷却が優先される。

このように、本実施形態では、充電時に除霜運転を行うが、充電が普通充電の場合に限定して除霜運転を行う。急速充電時には除霜運転を禁止するとともに電池冷却を優先することで、急速充電時の電池温度上昇を抑制でき、急速充電時の充電時間が短くして効率的な車両の除霜運転制御を行うことができる。また、充電量が所定の充電量以上である場合にのみ除霜運転を行うことで、充電量が不足する状態を抑制できる。

このような制御部１０による制御について、図５、６を用いてより詳細に説明する。

図５に示すように、ステップＳ１で制御部は通常の暖房運転のための制御を行う。ステップＳ２で制御部は上述した着霜判定を定期的に行い、着霜したと判定したらステップＳ３へ進む。着霜したと判定するまで、制御部はステップＳ１へ戻り、着霜判定を繰り返す。ステップＳ３で、制御部は着霜フラグをオンとする。

その後、車両を停止して充電を開始すると制御部は起動して、図６に示す制御を開始する。初めに、ステップＳ１１でＥＶ−ＥＣＵが普通充電か急速充電かを判定し、その結果を制御部に入力する。制御部は、急速充電であるとの判定結果が入力された場合、ステップＳ１８へ進む。普通充電である場合、ステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、着霜フラグがオンであるかどうかを判定する。着霜フラグがオンでなければ、普通充電が終了するまで制御部は制御を停止する。着霜フラグがオンである場合ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、充電量が所定量以上であるかどうかを判定する。充電量が所定量以上でなければ、ステップＳ１２へ戻る。充電量が所定量以上であれば、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、除霜運転を行うための条件が満たされているとして、制御部は上記した除霜運転を行う。ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、制御部は除霜運転開始から所定時間（例えば３０分）が経過しているか、または霜が除去されているかどうかを判定する。どちらかの条件を満たしている場合には、ステップＳ１６へ進む。どちらの条件も満たしていない場合には、ステップＳ１４へ戻って除霜運転を行う。

ステップＳ１６では、除霜運転を停止する。これにより、普通充電が再開される。ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、普通充電が終了して制御が終了する。なお、普通充電の再開時に着霜が残っている場合には着霜フラグはオン状態として次回普通充電時に再度除霜運転を行うが、完全に除霜した場合には、着霜フラグをオフとする。

また、ステップＳ１１で急速充電と判定された場合に進んだステップＳ１８では、制御部は、空調装置の除霜運転を禁止するとともに駆動用電池の冷却を行う。

このように、本実施形態では、充電時に除霜運転を行うが、充電が普通充電の場合に限定して除霜運転を行う。急速充電時には除霜運転を禁止するとともに電池冷却を優先して行うことで、急速充電時の電池温度上昇を抑制し、駆動用電池の冷却を十分に行うことができ、かつ、効率的な車両の除霜運転制御を行うことができる。また、充電量が所定の充電量以上である場合にのみ除霜運転を行うことで、充電量が不足する状態を抑制できる。

本実施形態では，普通充電か急速充電かの判定を、車両（車両用空調装置Ｉの外部）に設けられた図示しない電気自動車用制御装置であるＥＶ−ＥＣＵにて実施したが、これに限定されない。制御部１０自体が普通充電か急速充電かを判定してもよい。

本実施形態では、駆動用電池の充電量が所定量以上であるかどうかの判定をＥＶ−ＥＣＵにて実施したが、これに限定されない。制御部１０自体が充電量をモニタしていてもよい。

本実施形態では、電気自動車を例として説明したが、これに限定されない。プラグインハイブリッド車等の電動車両であってもよい。

本発明の車両用空調装置は、効率的に除霜運転することができる。従って、車輌製造分野において利用可能である。

１ ヒートポンプシステム
１０ 制御部
１１ 電動コンプレッサ
１２ 室内コンデンサ
１３ 室外コンデンサ
１４ エバポレータ
１５ アキュムレータ
１６ 配管
１７ 空調ハウジング
１８ エアミックスダンパ
１９ ヒーター
２１ 第１膨張弁
２２ 第２膨張弁
２３ 二方電磁弁
２４ 三方電磁弁
Ｉ 車両用空調装置

Claims (5)

1. 熱媒体を圧縮する圧縮手段と、
   前記熱媒体を減圧させる減圧手段と、
   前記熱媒体と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱媒体を用いた空調制御を行う制御手段と、
   を備えた電動車両の車両用空調装置であって、
   前記制御手段は、
   前記熱交換器のうち室外の空気と熱交換を行う室外熱交換器に着霜が生じているか否かを判定する着霜判定手段を有し、
   暖房時に、前記着霜判定手段により着霜したと判定された場合、且つ、
   電動車両に搭載された駆動用の電池に対する充電が普通充電で行われている場合には、前記圧縮手段から圧縮された熱媒体を前記室外熱交換器を通過させることで前記室外熱交換器と室外空気との間で熱交換して放熱する除霜運転を行い、
   前記電池に対する充電が急速充電で行われている場合には、前記熱媒体により前記電池の冷却を行い、前記除霜運転を禁止することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記除霜運転は、前記電池の充電量が所定量以上となった場合に開始することを特徴とする請求項１記載の車両用空調装置。
3. 前記室外熱交換器を通過する熱媒体の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記除霜運転中に前記温度検出手段により検出される温度が所定値よりも大きくなった場合に、前記除霜運転を停止することを特徴とする請求項１又は２記載の車両用空調装置。
4. 前記除霜運転は、開始後所定時間経過すると停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両用空調装置。
5. 前記除霜運転は、前記電池への充電の入力電流を使用して行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の車両用空調装置。

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