JP2015105088A - 車両用制御装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両に搭載される電動モータの駆動ユニットを冷却し、かつ冷却能力を向上可能な車両用制御装置の冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１０は、電動モータで吸熱した熱量を放熱するラジエータ２０、冷却水をラジエータ２０と冷却流路３０との間で循環させるためのウォータポンプ１９、冷却流路３０を切り換えるためのバルブ２８，２９、昇圧冷却システム２４、フロント冷却システム２５、およびリア冷却システム２６を含む。リア冷却システム２６は、内部が２つの冷却部２７ａ、２７ｂに分離されている。最大の後輪駆動力が必要な場合には、バルブ２８がバイパス通路３７側に切り換えられ、バルブ２９が開状態にされて、ウォータポンプ１９の吐出口から流出した冷却水は、ラジエータ２０、昇圧冷却システム２４、バイパス通路３７、リア冷却システム２６の第１の冷却部２７ａを経由してウォータポンプ１９の吸入口へ循環して流れる。【選択図】図２

Description

本発明は、車両用制御装置の冷却装置に関し、特に、前後輪を駆動する電動モータを備える車両に搭載される冷却装置に関するものである。

近年、環境に配慮した自動車として、電動モータからの駆動力により走行するハイブリッド車や電気自動車、あるいは、電動４輪駆動車などが注目され、実用化されている。ハイブリッド車は、従来のエンジンに加え、直流電源と、インバータと、インバータによって駆動される電動モータとを動力源とする自動車である。すなわち、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧により電動モータを回転させることによってさらに動力源を得るものである。

このような車両では、電動モータを駆動するパワー素子を含んだインバータなどのパワーコントロールユニットが動作時に発熱するため、これを冷却するために冷却装置が設けられている場合が多く、各種冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術によると、ハイブリッド車においてインバータとモータジェネレータとが冷却媒体路（冷却流路）に対して直列に配されてウォータポンプで冷却水が常時供給される。そして、インバータ側に高い冷却性能が要求されるときには、冷却水が流れる流路を切換バルブにより切り換えてインバータのみを冷却するものである。

特開２００９−４０３２０号公報

例えば、電動４輪駆動車は、比較的大出力の後輪駆動用の電動モータを備えた自動車である。従来、電動４輪駆動車においては、後輪駆動ユニット（以下、リア駆動ユニットという）を冷却するリア駆動冷却システム（以下、リア冷却システムという）の冷却能力は、昇圧ユニットを含む前輪駆動ユニット（以下、フロント駆動ユニットという）を冷却する昇圧冷却システムおよびフロント駆動冷却システム（以下、フロント冷却システムという）の冷却能力に対して低く設定されている。このため、車両が坂道走行時などリア駆動ユニットの出力を上げる必要がある場合に、リア駆動ユニットの発熱が増加するのでリア冷却システムの冷却能力を上げる必要がある。

ところが、冷却能力を上げるためにリア冷却システムのヒートシンクの流路の断面積を小さくして流速を早くすると、リア冷却システムの圧力損失が大きくなる。そして、圧力損失が増加するとウォータポンプは圧力損失に対して十分な流量を供給できなくなり、冷却流路全体を流れる冷却水の流量が低下する。このため、リア冷却システムの冷却能力をフロント冷却システムと同等まで上げることが困難となる。この結果、電動４輪駆動車の性能向上を図ることができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両に搭載される電動モータの駆動ユニットを冷却し、かつ冷却能力を向上可能な車両用制御装置の冷却装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、車両用制御装置の冷却装置において、冷却媒体が流通される冷却流路と、車両に搭載される少なくとも２つの駆動ユニットを前記冷却媒体により冷却する第１および第２の駆動冷却システムと、電動モータを駆動する直流電源を昇圧し、前記駆動ユニットに直流電圧を供給する昇圧ユニットを前記冷却媒体により冷却する昇圧冷却システムと、前記冷却流路内の前記冷却媒体を流動させるポンプと、前記冷却媒体を循環させる前記冷却流路上において前記ポンプと直列に設けられ、前記冷却媒体を通過させて放熱させるラジエータと、前記冷却流路の状態を切り換えて、前記冷却媒体により前記駆動冷却システムを冷却する能力を変更するための第１および第２のバルブと、を備え、前記駆動冷却システムの少なくとも一方は、前記冷却媒体を流通可能な２段に形成された第１および第２の冷却部を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、電動モータを駆動制御する少なくとも２つの駆動ユニットを冷却する駆動冷却システムの一方に冷却媒体が流通できる２段の冷却部を設けたので、冷却要求に応じてそれぞれの冷却部を流れる冷却媒体の流動、または停止によって流速を変更することにより駆動冷却システムの冷却能力を変えることができる。これにより、圧力損失を抑え流速が増加することによる駆動冷却システムの冷却能力の向上ができ、かつ駆動ユニットの出力向上が可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両用制御装置の冷却装置において、前記一方の駆動冷却システムは、前記冷却能力の増大要求に応じて、前記第２のバルブにて前記冷却流路を切り換えることにより前記冷却部の一方のみに前記冷却媒体を流通させることを要旨とする。

上記構成によれば、冷却能力の増大要求に対応してバルブにより冷却流路を切り換えて駆動冷却システムの２段の冷却部の内の一方の冷却部のみに冷却媒体を流すことができるので、駆動冷却システム内を流れる冷却媒体の流速が増加する。これにより、ポンプの能力を上げることなく、圧力損失の増加を抑制し、駆動冷却システムの冷却能力の向上が可能になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の車両用制御装置の冷却装置において、他方の前記駆動冷却システムは、前記第１のバルブにて前記冷却流路をバイパス通路側に切り換えることにより前記冷却媒体の流通を停止させることを要旨とする。

上記構成によれば、一方の駆動ユニットのみをモータ駆動する場合、一方の駆動冷却システムの冷却能力を最大で流通させ、バルブを切り換えて冷却流路をバイパスすることにより他方の駆動冷却システムの流通を停止させるので、圧力損失の増加を抑制できる。これにより、同じポンプ能力であっても駆動冷却システムの冷却能力を向上させることができる。

本発明によれば、車両に搭載される電動モータの駆動ユニットを冷却し、かつ冷却能力を向上可能な車両用制御装置の冷却装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る車両用制御装置を搭載した電動４輪駆動車の概略構成を示すブロック図。 車両用制御装置の冷却装置の冷却通路の構成を示す図。 （ａ）は、リア冷却システムの概略構成を示す側面の断面図、（ｂ）は、図３（ａ）におけるリア冷却システムを矢印Ａ方向から見た正面図。

以下、本発明の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用制御装置１を搭載した電動４輪駆動車の概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、電動４輪駆動車（電動４ＷＤ）は、エンジン１５と、モータジェネレータ１１と、後輪駆動用の電動モータ（以下、リア駆動モータという）８と、バッテリ２と、これらを駆動制御する車両用制御装置１とを備えている。バッテリ２は、高電圧（例えば、２５０Ｖなど）の直流電源で、例えば、充放電可能なニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池からなる。バッテリ２は直流電力を昇圧ユニット１８に供給するとともに、昇圧ユニット１８からの直流電力により充電される。

エンジン１５とモータジェネレータ１１との駆動力は、変速機（トランスミッション）１６を介して前輪１２に伝達され、前輪１２を駆動する。エンジン１５の出力は、図示しないエンジンＥＣＵからの指令により制御され、前輪１２を駆動するだけでなく、モータジェネレータ１１を駆動する場合もある。モータジェネレータ１１は、車両の走行状態に応じて、ジェネレータとして機能したり、モータとして機能したりして、前輪１２を駆動する場合には、バッテリ２に蓄えられた電力を用いてモータ駆動される。また、前輪１２によって回生制動をおこなう場合には、モータジェネレータ１１により得られる回生電力をバッテリ２に供給し充電する。モータジェネレータ１１は、発電する場合には、エンジン１５の動力を用いて発電機として交流電力を出力する。

また、車両に搭載される車両用制御装置１は、昇圧ユニット１８と、モータジェネレータ１１を制御するモータ制御装置（ＥＣＵ）としてフロント駆動ユニット２２と、リア駆動モータ８を制御するモータ制御装置（ＥＣＵ）としてリア駆動ユニット２３とを備えている。前輪（フロント）側のインバータ１３は、フロント側の制御回路（信号処理回路）１４からの指令に基づき、モータジェネレータ１１において所要の動力を任意に制御するために設けられており、昇圧ユニット１８を介してバッテリ２に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、モータジェネレータ１１に供給する。回生制動時や発電時には、交流電力をインバータ１３によって直流電力に変換し、昇圧ユニット１８を介してバッテリ２に供給する。

また、バッテリ２の直流電圧は、昇圧ユニット１８により高電圧（例えば、６００Ｖ）に昇圧され、その昇圧された直流電圧をフロント側のインバータ１３および後述するリア側のインバータ３に供給する。昇圧ユニット１８とバッテリ２との間には、図示しないリレーが設けられ車両が非運転時には高電圧が遮断される。インバータ１３は、エンジン始動時にはモータジェネレータ１１を駆動制御し、エンジン始動後にはモータジェネレータ１１が発電した交流電力は、インバータ１３によって直流に変換されて昇圧ユニット１８によってバッテリ２の充電に適切な電圧に変換されバッテリ２が充電される。

リア駆動ユニット２３は、後輪（リア）側の制御回路６と、リア側のインバータ３とから構成され、後輪駆動装置９に接続されている。制御回路６は、低電圧（例えば，１２Ｖなど）の図示しない補助電源に接続され、車両の駆動を制御する車両コントロールユニット１７から指令を受け、後輪駆動装置９他を制御する。

また、制御回路６からの指令に基づき、リア駆動モータ８において所要の動力を任意に制御できるようにインバータ３が設けられており、バッテリ２に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、リア駆動モータ８に供給する。車両の制動時には、後輪７から回生トルクにより、リア駆動モータ８が回生され、回生電力を得ることができる。

後輪駆動装置９は、リア駆動モータ８、減速機（ディファレンシャルギヤ）４、およびクラッチ５により構成されており、クラッチ５を減速機４の最終段に設置している。駆動源用のリア駆動モータ８として、例えば、３相のブラシレスモータが使用されている。リア駆動モータ８は、ロータコアに永久磁石を埋め込み固着させた埋込磁石型のロータを備えるＩＰＭモータや、ロータコアの表面に永久磁石を固着させた表面磁石型のロータを備えるＳＰＭモータなどの永久磁石式同期モータが使用される。

リア駆動モータ８の駆動力は、それぞれ減速機４、クラッチ５を介して、後輪７に伝達され、後輪７を駆動する。クラッチ５が連結されると、リア駆動モータ８の回転力により後輪７を駆動する。クラッチ５が開放されると、リア駆動モータ８は後輪７から機械的に切り離され、後輪７は駆動力を路面に伝えない。

さらに、車両コントロールユニット１７は、エンジンＥＣＵや制御回路（フロント）１４、制御回路（リア）６とＣＡＮなどの通信手段で繋がっており、前輪用のモータジェネレータ１１や後輪用のリア駆動モータ８への指令値の演算など、駆動システム全体の制御をおこなうコントローラである。車両コントロールユニット１７から得られるエンジン回転数やトルク指令に基づき、制御回路１４はモータジェネレータ１１およびインバータ１３を制御し、制御回路６はリア駆動モータ８およびインバータ３を制御する。

次に、図２は、車両用制御装置１の冷却装置１０の冷却通路の構成を示す図である。なお、冷却対象は、図１に示した車両用制御装置１に含まれる昇圧ユニット２１、フロント駆動ユニット２２およびリア駆動ユニット２３であり、さらに、以下において、冷却媒体は液体（冷却水）であるとして説明する。

従来、本実施形態の電動４輪駆動車は、主にフロント駆動により走行するため、リア駆動ユニット２３の冷却能力はフロント駆動ユニット２２に対して低く抑えられている。また、冷却流路３０を含む冷却装置１０全体の圧力損失は、図２に示すラジエータ２０、昇圧冷却システム２４、フロント冷却システム（第１の駆動冷却システム）２５、リア冷却システム（第２の駆動冷却システム）２６、および冷却流路３０の配管の各圧力損失の総和で表わされる。そして、ウォータポンプ１９は、この全圧力損失に対して十分な冷却水の流量を確保できるように設けられている。

図２に示すように、冷却装置１０は、図１を参照してモータジェネレータ１１およびリア駆動モータ８で吸熱した熱量を放熱するラジエータ２０と、冷却水をラジエータ２０と冷却流路３０との間で循環させるためのウォータポンプ１９と、冷却流路３０を切り換えるためのバルブ２８，２９と、昇圧冷却システム２４と、フロント冷却システム２５と、リア冷却システム２６とを含む。各冷却システム２４，２５，２６は、冷却フィンが形成されたヒートシンクであり、これに各ユニット２１，２２，２３の発熱部分が当接している。また、リア冷却システム２６は、内部が２つの冷却部（第１，２の冷却部）２７ａ、２７ｂに分離されており、流入口と流出口が別々に設けられている。

ラジエータ２０とウォータポンプ１９とは、ウォータポンプ吐出口側通路により接続され、ウォータポンプ１９と冷却システム側とは、ウォータポンプ吸入口側通路により接続されている。冷却流路３０のラジエータ出口側は、昇圧冷却システム入口側に接続され、昇圧冷却システム２４の出口側通路は、バルブ２８によりフロント冷却システム入口側通路とバイパス通路３７とに分岐されている。フロント冷却システム出口側通路は分岐して、リア冷却システム２６の第１の冷却部２７ａおよびバイパス通路３７に接続されている。また、バイパス通路３７は、バルブ２９を介してリア冷却システム２６の第２の冷却部２７ｂに接続されている。このバルブ２８，２９は、車両コントロールユニット１７により、その開閉および切り換え状態が制御可能である。

ここで、電動４輪駆動車において最大の後輪駆動力を必要とする場合には、フロント側はエンジン１５により駆動され、リア側はリア駆動モータ８により駆動される。このときの冷却水の流れを図２中、矢印実線で示す。バルブ２８はバイパス通路３７側に切り換えられフロント冷却システム２５をバイパスし、バルブ２９は開状態にされてリア冷却システム２６の一方の第２の冷却部２７ｂには冷却水を流さない。そして、ウォータポンプ１９の吐出口から流動した冷却水は、ラジエータ２０、昇圧冷却システム２４、バイパス通路３７、およびリア冷却システム２６の他方の第１の冷却部２７ａを経由してウォータポンプ１９の吸入口へ循環して流れる。

すなわち、通常は、両冷却部２７ａ，２７ｂに冷却水を流すことにより圧力損失を軽減しウォータポンプ１９の負荷を下げて消費電力も低下させることができるとともに、第１の冷却部２７ａのみに冷却水を流すようにすると、リア冷却システム２６内の流速が早くなり、大きな冷却能力を得ることが可能になる。また、リア冷却システム２６による圧力損失の増大分を最も損失分の大きいフロント冷却システム２５をバイパスさせることにより圧力損失の増加を抑えることができる。これにより、冷却流路３０を含む冷却装置１０全体の流路抵抗を低減させ、全圧力損失を冷却水の流れ方を変更する以前の状態での圧力損失以下に抑えることができるので、ウォータポンプ１９の能力を強化する必要がない。

次に、図３（ａ）は、リア冷却システム２６の概略構成を示す側面の断面図、（ｂ）は、図３（ａ）におけるリア冷却システム２６を矢印Ａ方向から見た正面図である。

図３（ａ）に示すように、流入口３１ａから流入（矢印実線で示す）した冷却水３５は、第１の冷却部２７ａを通り（矢印破線で示す）流出口３２ａから流出（矢印実線で示す）し、流入口３１ｂから流入（矢印実線で示す）した冷却水３６は、第２の冷却部２７ｂを通り（矢印破線）流出口３２ｂから流出（矢印実線で示す）する。

また、図３（ｂ）に示すように、冷却水の流れの方向に配置され上下方向にのびる複数のフィン３３が形成されており、隔壁部３４に設けられた長穴（隙間）を挿通して空間が２つの冷却部２７ａ，２７ｂに分離されている。両冷却部２７ａ，２７ｂには、それぞれ冷却水３５，３６が流通する。第２の冷却部２７ｂの流入口側に設けられたバルブ２９（図２参照）が開状態にされることにより冷却水３６は、第２の冷却部２７ｂには流れない。

以上のように、図２を参照してリア駆動ユニット２３の負荷に応じて冷却流路３０における冷却水の流れ方を変更する。このときに、冷却が必要な部分（第１の冷却部２７ａ）のみに冷却水を流すようにしてウォータポンプ１９の負荷を下げて消費電力を低減させることができる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る車両用制御装置１の冷却装置１０の作用および効果について説明する。

上記実施形態によれば、電動モータ（モータジェネレータ１１およびリア駆動モータ８）を駆動制御する２つのフロント駆動ユニット２２およびリア駆動ユニット２３をそれぞれ冷却する２つのフロント冷却システム２５およびリア冷却システム２６の内、一方のリア冷却システム２６に、冷却水（冷却媒体）を個別に流通させることができる２段の冷却部２７ａ，２７ｂを設けるようにしたので、冷却能力の増大要求に応じてそれぞれの冷却部２７ａ，２７ｂを流れる冷却水を流動、または停止させることによって流速を変更することによりリア冷却システム２６の冷却能力を変えることができる。

また、冷却要求に対応してバルブ２９により冷却流路３０を切り換えて一方の第１の冷却部２７ａのみに冷却水を流すことができるので、リア冷却システム２６内を流れる流速が増加することによりリア冷却システム２６の冷却能力が向上する。車両が走行中に一方のリア駆動ユニット２３のみをモータ駆動させ、他方のフロント駆動ユニット２２をエンジン駆動させる場合、一方のリア冷却システム２６の冷却能力を最大で流通させ、他方のフロント冷却システム２５の流通を停止することができるので、一方のリア駆動ユニット２３の出力を最大にすることが可能になる

これにより、リア冷却システム２６内を流れる冷却水の流速が増加することによりリア冷却システム２６の冷却能力を向上させることができ、かつリア駆動ユニット２３の出力向上が可能になる。また、ウォータポンプ１９の能力を上げることなく、圧力損失の増加を抑制し、リア駆動ユニット２３の冷却能力の向上が可能になる。さらに、冷却流路３０をバイパス通路３７にバイパスさせることによりフロント冷却システム２５の圧力損失を低減できる。この結果、同じウォータポンプ１９の能力であってもリア冷却システム２６の冷却能力を向上させることができるとともに、車両の燃費向上にもつながる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、車両に搭載される電動モータの駆動ユニットを冷却し、かつ冷却能力を向上可能な車両用制御装置の冷却装置を提供できる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、冷却媒体として液体（冷却水）を用いた例を示したが、これに限定されるものでなく、気体であってもよい。

上記実施形態では、冷却流路３０を切り換えるバルブ２８および開閉するバルブ２９を用いる例を示したが、これに限定されるものでなく、複数の逆止弁を用いて構成されていてもよい。

上記実施形態では、フロント冷却システム２５をバイパス通路３７によってバイパスし、リア冷却システム２６の第１の冷却部２７ａのみに冷却水を流す例を説明したが、これに限定されるものでなく、リア冷却システム２６の両方の冷却部２７ａ，２７ｂに冷却水を流すことによってもエンジン駆動時のウォータポンプ１９の消費電力を低減することが可能になる。

上記実施形態では、車両は電動４輪駆動車であるとして説明したが、これに限定されるものでなく、３相交流を駆動源とした車両用制御装置１に関して、例えば、エンジン１５と、エンジン１５のクランク軸に直結した前輪駆動用のモータジェネレータ１１とを含むパラレル方式のハイブリッド車であってもよいし、シリーズ方式のハイブリッド車や両者を併用したシリーズ・パラレル方式のハイブリッド車にも適用できる。

また、上記実施形態において、リア駆動モータ８のみを駆動源とする電気自動車にも適用できる。電気自動車としては、車体側にリア駆動モータ８が設けられるものであってもよいし、車輪側にリア駆動モータ８が設けられるものであってもよい。さらに、車両は、前輪駆動車であってもよいし、後輪駆動車であってもよい。あるいは、前輪１２がエンジン１５にて駆動され、後輪７がリア駆動モータ８にて駆動される車両であってもよい。

上記実施形態では、リア駆動モータ８を駆動するインバータ３，１３および昇圧ユニット２１を冷却する冷却装置１０を車両用制御装置１に適用する例を示したが、これに限定されるものでなく、例えば、電動パワーステアリング装置や電動ブレーキ装置などのインバータ３、あるいは、他の車載用電力変換装置に使用するようにしてもよい。また、電動モータを備えた高信頼性、低コストが求められる他の用途の電気機器装置などに適用してもよい。

１：車両用制御装置、２：バッテリ（直流電源）、３：インバータ（リア）、
４：減速機（ディファレンシャルギヤ）、５：クラッチ、６：制御回路（リア）、
７：後輪、８：リア駆動モータ、９：後輪駆動装置、１０：冷却装置、
１１：モータジェネレータ、１２：前輪、１３：インバータ（フロント）、
１４：制御回路（フロント）、１５：エンジン、１６：変速機（トランスミッション）、１７：車両コントロールユニット、１８：昇圧ユニット、１９：ウォータポンプ、
２０：ラジエータ、２１：昇圧ユニット、２２：フロント駆動ユニット（ＥＣＵ）、
２３：リア駆動ユニット（ＥＣＵ）、２４：昇圧冷却システム、
２５：フロント冷却システム（第１駆動冷却システム）、
２６：リア冷却システム（第２駆動冷却システム）、２７ａ，２７ｂ：第１，２冷却部、２８，２９：第１，２切換バルブ、３０：冷却流路、３１ａ，３１ｂ：流入口、
３２ａ，３２ｂ：流出口、３３：フィン、３４：隔壁部，
３５，３６：冷却水（冷却媒体）、３７：バイパス通路

Claims (3)

1. 冷却媒体が流通される冷却流路と、
   車両に搭載される少なくとも２つの駆動ユニットを前記冷却媒体により冷却する第１および第２の駆動冷却システムと、
   電動モータを駆動する直流電源を昇圧し、前記駆動ユニットに直流電圧を供給する昇圧ユニットを前記冷却媒体により冷却する昇圧冷却システムと、
   前記冷却流路内の前記冷却媒体を流動させるポンプと、
   前記冷却媒体を循環させる前記冷却流路上において前記ポンプと直列に設けられ、前記冷却媒体を通過させて放熱させるラジエータと、
   前記冷却流路の状態を切り換えて、前記冷却媒体により前記駆動冷却システムを冷却する能力を変更するための第１および第２のバルブと、を備え、
   前記駆動冷却システムの少なくとも一方は、前記冷却媒体を流通可能な２段に形成された第１および第２の冷却部を備えたことを特徴とする車両用制御装置の冷却装置。
2. 請求項１に記載の車両用制御装置の冷却装置において、
   前記一方の駆動冷却システムは、前記冷却能力の増大要求に応じて、前記第２のバルブを開状態にして前記冷却流路を切り換えることにより前記冷却部の一方のみに前記冷却媒体を流通させることを特徴とする車両用制御装置の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の車両用制御装置の冷却装置において、
   他方の前記駆動冷却システムは、前記第１のバルブにて前記冷却流路をバイパス通路側に切り換えることにより前記冷却媒体の流通を停止させることを特徴とする車両用制御装置の冷却装置。

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