JP2015116872A - ハイブリッド車両の暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることのできるハイブリッド車両の暖機装置を提供すること。
【解決手段】エンジン（２）と電動機（３）とを駆動源とする車両（１）において、バッテリ（１１）及びインバータ（１０）を経由して冷媒が循環する冷却回路（４０）と、バッテリ（１１）の温度が所定温度以下である場合に、電動機（３）を回転させつつインバータ（１０）を三相短絡状態とし、冷却回路（４０）の冷媒を循環させることでバッテリ（１１）の暖機を行う暖機制御部（５０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両の暖機装置に係り、詳しくは走行用のバッテリを暖機する技術に関する。

近年、環境問題等を考慮して、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車の開発が進んでいる。このようなハイブリッド車両には、大容量のバッテリが搭載されているが、バッテリは適切な温度範囲になければ大幅に効率が低下したり、製品の寿命を縮めることになる。また、ハイブリッドシステムの使用範囲が制限され、燃費改善効果が得られない。

そこで、低温時にはバッテリを暖機する必要があり、例えば特許文献１では、エンジン近傍及びバッテリ近傍に冷媒が循環する循環経路を形成し、車両始動直後にエンジンの暖機とともにバッテリの暖機を行っている。

特開２００６−１５１０９１号公報

しかしながら、エンジンとバッテリは通常離れてレイアウトされており、特許文献１のように、エンジンの熱を利用してバッテリを暖機するよう循環経路を形成するには、バッテリや循環経路のレイアウトが複雑化するという問題がある。また、循環経路が長くなることにより、冷媒の熱容量が増大し、熱エネルギの分散も増大することから、エンジン自体の暖機時間が長期化し、燃費の悪化や空調機能の低下等、効率の悪化を招くという問題が生じる。さらには、部品点数が増加し、コスト増加を招くという問題もある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることのできるハイブリッド車両の暖機装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、第１の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置は、車両の駆動源であるエンジンと、前記車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、前記電動機を駆動するための電力の供給及び当該電動機により発電された電力の蓄電が可能なバッテリと、前記バッテリと前記電動機との間で電力を変換するインバータと、前記バッテリ及び前記インバータを経由して冷媒が循環する冷却回路と、前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記冷却回路の冷媒を循環させることで前記バッテリの暖機を行う暖機制御部と、を備える。

また、第２の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置では、前記第１の発明において、前記電動機は、永久磁石と三相コイルとを有しており、前記インバータは、前記三相コイルと接続された各相一対のスイッチング素子を有する三相ブリッジ回路であり、前記暖機制御部は、前記インバータの各相一方のスイッチング素子をオンとし、他方のスイッチング素子をオフとすることで三相短絡状態とする。

また、第３の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置は、前記第１及び第２の発明において、前記冷却回路は、前記冷媒を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を迂回するバイパス通路と、を含む。
また、第４の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置は、前記第１から第３のいずれかの発明において、前記冷却回路は、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷媒を循環させるポンプと、を含み、前記暖機制御部は、前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記ポンプにより前記冷却回路の冷媒を冷却時とは逆方向に循環させて、前記熱交換器を経ずに前記インバータから前記バッテリに冷媒を送ることで、前記バッテリの暖機を行う。

また、第５の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置は、前記第１から第４のいずれかの発明において、前記冷却回路は、前記電動機を経由する通路を含んでいる。
また、第６の発明に係るハイブリッド車両の暖機装置は、前記第１から第５のいずれかの発明において、前記暖機制御部は、前記エンジンがアイドリング状態であり、前記電動機も正常に稼動しているときに、前記バッテリの暖機を行う。

上記手段を用いる本発明によれば、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両の暖機装置の概略構成図である。 インバータの概略構成図である。 バッテリ温度と電流制限値との関係図である。 インバータ温度と暖機制御終了時間との関係図である。 本発明に係るハイブリッド車両の暖機装置の第１変形例の概略構成図である。 本発明に係るハイブリッド車両の暖機装置の第２変形例の概略構成図である。 本発明に係るハイブリッド車両の暖機装置の第３変形例の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態におけるハイブリッド車両の暖機装置の概略構成図であり、同図に基づき説明する。
ハイブリッド車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドのトラックとして構成されており、以下の説明では、単に車両とも称する。

車両１には走行用の動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び発電機としても作動可能なモータ３（電動機）が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。

モータ３は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機であり、インバータ１０を介してバッテリ１１と接続されている。
インバータ１０は、具体的には図２に示すように、前記モータ３の三相コイルと接続された一相につき一対のスイッチング素子１２ａ〜１２ｆ（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を備えた三相ブリッジ回路により直流電流と三相交流電流との変換を行ったり、供給する電力の電圧の変換を行ったりする電力変換器である。つまり、当該インバータ１０は、バッテリ１１からの直流電力を三相交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３からの三相交流電力を整流してバッテリ１１へ供給可能である。

このように構成された車両１は、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速された後、駆動輪９に伝達されることで走行する。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そしてモータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力がインバータ１０で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電される。

また車両１は、エンジン２を冷却するためのエンジン冷却回路２０、モータ３を冷却するためのモータ冷却回路３０、インバータ１０及びバッテリ１１を冷却するための電源冷却回路４０（冷却回路）を備えている。
エンジン冷却回路２０は、冷媒としてエンジン冷却水を使用する。そして、エンジン冷却回路２０には、エンジン２と、エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却ポンプ２１、外気との熱交換によりエンジン冷却水を冷却するエンジンラジエータ２２、エンジン冷却水を貯えるエンジン冷却水タンク２３等が設けられている。

モータ冷却回路３０は、冷媒としてモータ冷却水を使用する。そして、モータ冷却回路３０には、モータ３と、モータ冷却水を循環させるモータ冷却ポンプ３１、外気との熱交換によりモータ冷却水を冷却するモータラジエータ３２、モータ冷却水を貯えるモータ冷却水タンク３３等が設けられている。

エンジンラジエータ２２及びモータラジエータ３２はそれぞれエンジンルームの前方に配置されており、エンジン２により駆動される冷却ファン２ａの回転により当該エンジンラジエータ２２及びモータラジエータ３２に走行風が引き込まれ、外気と各冷却水との熱交換が促進される。

電源冷却回路４０は、冷媒として電源冷却水を使用する。そして、電源冷却回路４０には、インバータ１０、バッテリ１１、電源冷却ポンプ４１、電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４が設けられている。
詳しくは、電源冷却ポンプ４１は、電源冷却回路４０上のバッテリ１１とインバータ１０との間に設けられており、回転することで電源冷却水を循環させるものである。当該電源冷却ポンプ４１はインバータ１０及びバッテリ１１の冷却時においては、バッテリ１１から電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４を経由してインバータ１０へと向かう方向に電源冷却水を循環させる。以下、このインバータ１０及びバッテリ１１の冷却時における電源冷却水の流れ方向に基づき、電源冷却回路４０における上流側、及び下流側を規定する。

電源ラジエータ４２は、電源冷却回路４０上においてインバータ１０の下流側に設けられ、外気との熱交換により電源冷却水を冷却する熱交換器である。電源ラジエータ４２の近傍には電動ファン４５が配設されており、当該電動ファン４５の駆動により外気が電源ラジエータ４２を通過する。

電源冷却水タンク４３は、電源冷却回路４０上において電源ラジエータ４２の下流側に設けられ、電源冷却水を貯えるものである。
チラー４４は、電源冷却回路４０上において電源冷却水タンク４３の下流側に設けられ、電源冷却水と他の冷媒との熱交換を行う熱交換器である。当該他の冷媒は、電源冷却水より低温となる冷媒であり、例えば車両１の車室空調用の空調回路４６を循環する空調冷媒である。そして、電源冷却回路４０上において当該チラー４４の下流側にバッテリ１１が設けられている。

このように構成された電源冷却回路４０は、インバータ１０及びバッテリ１１の冷却時には、電源冷却ポンプ４１が駆動することでバッテリ１１及びインバータ１０の熱を吸収した電源冷却水が電源ラジエータ４２に送られる。電源ラジエータ４２では、電源冷却水と電動ファン４５により送風された外気との熱交換が行われることで、電源冷却水が冷却される。

また、電源ラジエータ４２を通過した電源冷却水は、チラー４４において当該電源冷却水より低温な他の冷媒と熱交換が行われることで、さらに冷却される。そして、十分冷却された電源冷却水が再びバッテリ１１及びインバータ１０に送られる。

さらに、車両１には、車両１の始動直後等でバッテリ１１が低温状態にある場合に、電源冷却回路４０を利用してバッテリ１１の暖機を行う暖機制御部５０を備えている。当該暖機制御部５０は、車両１に搭載されている一つ又は複数のＥＣＵ（電子コントロールユニット）からなり、インバータ１０及び電源冷却回路４０の電源冷却ポンプ４１等の制御が可能である。

暖機制御部５０には、インバータ１０の温度を検知するインバータ温度センサ５１及びバッテリ１１の温度を検知するバッテリ温度センサ５２等の各種センサが接続されている。
以下、暖機制御部５０が実行するバッテリ１１の暖機制御について詳しく説明する。図３にはバッテリ温度と電流制限値との関係図が示されており、図４にはインバータ温度と暖機制御終了時間との関係図が示されている。以下これらの図も参照しつつ、バッテリ１１の暖機制御について説明する。

暖機制御部５０による暖機制御は、クラッチ４を接続しエンジン２の回転によりモータ３を回転させつつ、インバータ１０を三相短絡状態とすることで行う。具体的には暖機制御部５０は、図２に示すインバータ１０の各相一対のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆからなる素子群を全てオンとし、他方のスイッチング素子１２ａ〜１２ｃからなる素子群を全てオフとすることでインバータ１０を三相短絡状態とする。このように三相短絡状態となったインバータ１０は、オン状態のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆにモータ３の回転により発電された大電流が流れるため、当該スイッチング素子１２ｄ〜１２ｆが発熱する。

そして、暖機制御部５０は電源冷却ポンプ４１を駆動することで、電源冷却回路４０の電源冷却水を循環させる。一方で暖機制御部５０は、電動ファン４５を停止させ、電源ラジエータ４２での熱交換を抑える。また、暖機制御部５０はチラー４４での熱交換も抑えるように、空調装置を止めたり、空調冷媒をバイパスさせたりしてもよい。これにより、電源冷却水は発熱したインバータ１０を通ることで加熱され、電源ラジエータ４２及びチラー４４での熱交換は少なく高温状態のままバッテリ１１に送られて、バッテリ１１の温度を上昇させることとなる。

暖機制御部５０は、バッテリ温度センサ５２により検出される温度が第１所定温度Ｔ１以下であるときに、上述の暖機制御を実行する。バッテリ１１は通常、バッテリ温度に応じて出力可能な電流が制限されており、図３に示すように一定の温度以下で電流制限値が０となり、バッテリ１１の使用が実質的に禁止される。第１所定温度Ｔ１は、この電流制限値が上昇し始める温度に設定されている。

そして、暖機制御部５０は、バッテリ温度センサ５２により検出される温度が第２所定温度Ｔ２以上となったとき、又はインバータ１０の三相短絡開始から所定時間ｔ経過したときに、バッテリ１１の暖機制御を終了する。
当該第２所定温度Ｔ２は、図３に示すように第１所定温度Ｔ１より高く、電流制限値が十分に高い値となる任意の温度に予め設定されている。

また所定時間ｔは、インバータ温度センサ５１により検出されるインバータ温度に応じて設定される。詳しくは、図４に示すように、暖機制御部５０はインバータ温度が高くなるほど、所定時間ｔを短くし、暖機制御の終了を早める。
なお、暖機制御部５０は、エンジン２及びモータ３が正常に稼働しておりハイブリッドシステムが正常である場合にのみ上記暖機制御を実行し、エンジンのアイドリングが不安定であったり、ハイブリッドシステムに絶縁箇所がある等の異常時には実行しない。

以上のように、暖機制御部５０は、車両１始動直後や寒冷地走行等で、バッテリ１１の温度が所定温度Ｔ１以下の低温状態にあるときには、モータ３を回転させつつインバータ１０を三相短絡状態とし、電源冷却ポンプ４１を駆動して電源冷却回路４０の電源冷却水を循環させることで、バッテリ１１の暖機を行う。これにより、車両始動後等にバッテリ１１を早期に使用することができ、ハイブリッドシステムによる燃費改善効果を十分に得ることができる。

また、インバータ１０が三相短絡状態にあるときには、モータ３は負のトルクを発生させていることから、エンジン２の負荷が上がり、エンジン２の暖機時間も短縮することができる。または、エンジン２の暖機時間を一定とするなら、エンジン２のアイドリング回転数を低下させることで燃費の向上を図ることもできる。

当該暖機制御では、インバータ１０及びバッテリ１１の冷却回路４０を利用していることから、装置の追加やレイアウトの変更等はなくコストの増加を招くことはない。
これらのことから本実施形態に係るハイブリッド車両の暖機装置は、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリ１１を暖機することができ、ひいてはハイブリッドシステムの使用機会を増加させることにより燃費を向上させることができる。

以上で本発明に係るハイブリッド車両の暖機装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、図５〜７には本実施形態の第１変形例〜第３変形例が示されており、以下各変形例について説明する。なお、図５〜７は電源冷却回路周辺部分のみを記載しており、上記実施形態と同じ構成については同符号を付し説明を省略する。

まず、図５に示す第１変形例の電源冷却回路６０は、上記実施形態の電源冷却回路４０にバイパス通路６１及び切換弁６２が追加されている。
当該バイパス通路６１は、電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４を迂回するように、インバータ１０下流側の電源冷却回路とバッテリ１１上流側の電源冷却回路とを接続している。切換弁６２は例えば三方弁であり、電源冷却水がバイパス通路６１を通るように切り換えることが可能である。

そして、当該第１変形例における暖機制御部６３は、バッテリ１１を暖機する際には、切換弁６２により電源冷却水がバイパス通路６１を通るように切り換えた上で、インバータ１０を三相短絡状態とする。
これにより、電源冷却水は発熱したインバータ１０にて加熱された後、電源ラジエータ４２やチラー４４を経由することなく、バイパス通路６１を通ってバッテリ１１に送られることとなる。従って、電源冷却水は電源ラジエータ４２やチラー４４により無駄に熱が放出されることなく、より高温のままでバッテリ１１に送られることから、より早期にバッテリ１１を暖機することができる。

次に、図６に示す第２変形例における電源冷却回路７０は、電源冷却水の循環方向を反転可能な電源冷却ポンプ７１を備えている。
そして、当該第２変形例における暖機制御部７２は、バッテリ１１を暖機する際には、電源冷却ポンプ７１により電源冷却水の循環方向を冷却時とは反転させた上で、インバータ１０を三相短絡状態とする。

これによって、電源冷却水は発熱したインバータ１０により加熱された後、電源ラジエータ４２やチラー４４を経由することなく、バッテリ１１に送られることとなる。従って、電源冷却水は高温のままでバッテリ１１に送られ、より早期にバッテリ１１を暖機することができる。

最後に、図７に示す第３変形例における電源冷却回路８０は、モータ経由通路８１及び切換弁８２を有している。
当該モータ経由通路８１は、電源冷却ポンプ４１の下流からモータ３を経由してインバータ１０の上流側に接続されている。切換弁８２は例えば三方弁であり、電源冷却水がモータ経由通路８１を通るように切り換えることが可能である。

そして、当該第３変形例における暖機制御部８３は、バッテリ１１を暖機する際には、切換弁８２により電源冷却水がモータ経由通路８１を通るように切り換えた上で、インバータ１０を三相短絡状態とする。
インバータ１０が三相短絡状態となると、モータ３にも大電流が流れて初ネルすることとなる。従って、電源冷却水はモータ経由通路８１を通りモータ３を経由することで加熱され、さらにインバータ１０を通ることでも加熱されることとなる。これにより、より高温の電源冷却水がバッテリ１１に送られることなり、より早期にバッテリ１１を暖機することができる。

以上の第１〜第３の変形例は、それぞれの特徴を組み合わせてもよい。
また、上記実施形態におけるエンジン冷却回路２０、モータ冷却回路３０、電源冷却回路４０、６０、７０、８０に設けられる装置は上述したものに限られるものではなく、各装置の配置等もこれに限られるものではない。

１ 車両
２ エンジン
３ モータ（電動機）
１０ インバータ
１１ バッテリ
４０、６０、７０、８０ 電源冷却回路
４１、７１ 電源冷却ポンプ
４２ 電源ラジエータ（熱交換器）
４３ 電源冷却水タンク
４４ チラー（熱交換器）
５０、６３、７２、８３ 暖機制御部
５１ インバータ温度センサ
５２ バッテリ温度センサ

Claims (6)

1. 車両の駆動源であるエンジンと、
   前記車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、
   前記電動機を駆動するための電力の供給及び当該電動機により発電された電力の蓄電が可能なバッテリと、
   前記バッテリと前記電動機との間で電力を変換するインバータと、
   前記バッテリ及び前記インバータを経由して冷媒が循環する冷却回路と、
   前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記冷却回路の冷媒を循環させることで前記バッテリの暖機を行う暖機制御部と、を備えるハイブリッド車両の暖機装置。
2. 前記電動機は、永久磁石と三相コイルとを有しており、
   前記インバータは、前記三相コイルと接続された各相一対のスイッチング素子を有する三相ブリッジ回路であり、
   前記暖機制御部は、前記インバータの各相一方のスイッチング素子をオンとし、他方のスイッチング素子をオフとすることで三相短絡状態とする請求項１記載のハイブリッド車両の暖機装置。
3. 前記冷却回路は、前記冷媒を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を迂回するバイパス通路と、を含む請求項１又は２記載のハイブリッド車両の暖機装置。
4. 前記冷却回路は、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷媒を循環させるポンプと、を含み、
   前記暖機制御部は、前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記ポンプにより前記冷却回路の冷媒を冷却時とは逆方向に循環させて、前記熱交換器を経ずに前記インバータから前記バッテリに冷媒を送ることで、前記バッテリの暖機を行う請求項１から３のいずれか一項に記載のハイブリッド車両の暖機装置。
5. 前記冷却回路は、前記電動機を経由する通路を含んでいる請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッド車両の暖機装置。
6. 前記暖機制御部は、前記エンジンがアイドリング状態であり、前記電動機も正常に稼動しているときに、前記バッテリの暖機を行う請求項１から５のいずれか一項に記載のハイブリッド車両の暖機装置。

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