JP2016178731A - 冷却システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ラジエータ付近にセンサ等を設けることなくラジエータの劣化度合いを判定する。【解決手段】所定走行時におけるモータの冷却損失熱量の経年変化量QWt(M)と、所定走行時におけるPCUの冷却損失熱量の経年変化量QWt(P)と、の和としてラジエータの経年変化量QWt(R)を算出し(ステップS100〜S160)、算出した経年変化量QWt(R)が閾値Qthを超えていたら、ラジエータの経年変化が進んでいると判定する(ステップS170,S180)。これにより、ラジエータ付近に温度センサ等のセンサを設けることなくラジエータの劣化度合いを判定することができる。【選択図】図3

Description

本発明は、冷却システムに関し、詳しくは、モータとバッテリからの電力を変換する電力変換装置とを備える車両に搭載され、モータと電力変換装置とに循環する冷媒の熱を放熱するラジエータを備える冷却システムに関する。
従来、この種の冷却システムとしては、モータジェネレータとインバータ装置とを備える車両に搭載され、ラジエータを備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。インバータ装置は、モータジェネレータを駆動する。ラジエータは、モータジェネレータとインバータ装置とを循環する冷媒の熱を放熱する。この冷却システムでは、インバータ装置の温度が制限開始温度以上のときには、冷却水の目標流量を最大流量に設定する。ここで、制限開始温度は、モータジェネレータの負荷率の制限を開始する温度である。そして、目標流量に一致した流量の冷却水がインバータ装置へ循環するようウォーターポンプを制御することにより、インバータ装置の熱的保護を図っている。
特開2008−72818号公報
上述の冷却システムでは、例えば、ラジエータの経年劣化が進むと、冷却性能が低下し、モータジェネレータやインバータ装置が昇温しやすくなると考えられる。したがって、ラジエータの経年劣化の度合いを判定して、ラジエータの経年劣化が進んだときには何らかの対処を行なうことが望ましい。ラジエータの経年劣化を判定する手法としては、ラジエータの冷媒の入口付近および出口付近に冷媒の温度を検出する温度センサを設けて、検出された冷媒の温度を用いる手法が考えられる。しかしながら、こうした手法では、ラジエータに温度センサを設ける必要があるため、部品点数の増加やコストの増加を招いてしまう。
本発明の冷却システムは、ラジエータ付近にセンサを設けることなくラジエータの劣化度合いを判定することを主目的とする。
本発明の冷却システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の冷却システムは、
モータとバッテリからの電力を変換する電力変換装置とを備える車両に搭載され、前記モータと前記電力変換装置とに循環する冷媒の熱を放熱するラジエータを備える冷却システムであって、
前記車両が所定の負荷で走行している所定走行時における前記モータの冷却損失熱量の経年変化量と、前記所定走行時における前記電力変換装置の冷却損失熱量の経年変化量と、の和に基づいて、前記ラジエータの劣化度合いを判定する劣化度合い判定手段
を備えることを特徴とする。
この本発明の冷却システムでは、車両が所定の負荷で走行している所定走行時におけるモータの冷却損失熱量の経年変化量と、所定走行時における電力変換装置の冷却損失熱量の経年変化量と、の和に基づいて、ラジエータの劣化度合いを判定する。これにより、ラジエータ付近にセンサ等を設けることなくラジエータの劣化度合いを判定することができる。
こうした本発明の冷却システムにおいて、前記モータの冷却損失熱量の経年変化量は、前記所定走行時における前記モータのコイル温度の変化率の変化に基づいて算出するものとしてもよい。
また、本発明の冷却システムにおいて、前記電力変換装置の冷却損失熱量の経年変化量は、前記所定走行時における前記電力変換装置の劣化度合いに基づいて算出するものとしてもよい。
本発明の一実施例としての冷却システムを備えるハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。 冷却システム60の構成の概略を示す構成図である。 HVECU70により実行されるラジエータ劣化判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 第1マップの一例を示す説明図である。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は本発明の一実施例としての冷却システムを備えるハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図であり、図2は冷却システム60の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車20は、図1,図2に示すように、エンジン22と、プラネタリギヤ30と、モータMG1,MG2,MG3と、インバータ41,42,43と、昇圧コンバータ55と、バッテリ50と、冷却システム60と、ハイブリッド用電子制御ユニット(以下、HVECUという)70と、を備える。
エンジン22は、ガソリンや軽油などを燃料として動力を出力する内燃機関として構成されている。このエンジン22は、エンジン用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)24により運転制御されている。
エンジンECU24は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。エンジンECU24には、エンジン22を運転制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。各種センサからの信号としては、以下のものを挙げることができる。クランクシャフト26の回転位置を検出するクランクポジションセンサからのクランク角θcr。また、エンジンECU24からは、エンジン22を運転制御するための種々の制御信号が出力ポートを介して出力されている。エンジンECU24は、HVECU70と通信ポートを介して接続されており、HVECU70からの制御信号によりエンジン22を運転制御すると共に必要に応じてエンジン22の運転状態に関するデータをHVECU70に出力する。なお、エンジンECU24は、クランクポジションセンサからのクランク角θcrに基づいてクランクシャフト26の回転数、即ち、エンジン22の回転数Neを演算している。
プラネタリギヤ30は、シングルピニオン式の遊星歯車機構として構成されている。プラネタリギヤ30のサンギヤ,リングギヤ,キャリヤには、それぞれ、モータMG1の回転子,前輪38a,38bにデファレンシャルギヤ37Fを介して連結された駆動軸36F,エンジン22のクランクシャフト26が接続されている。
モータMG1は、永久磁石が埋め込まれた回転子と三相コイルが巻回された固定子とを有する同期発電電動機として構成されており、上述したように回転子がプラネタリギヤ30のサンギヤに接続されている。モータMG2は、モータMG1と同様の同期発電電動機として構成されており、回転子が駆動軸36Fに接続されている。モータMG3は、モータMG1と同様の同期発電電動機として構成されており、回転子が後輪39a,39bにデファレンシャルギヤ37Rを介して連結された駆動軸36Rに接続されている。
インバータ41,42,43は、駆動電圧系電力ライン54aに接続されている。インバータ41,42,43は、図示はしないが、それぞれ6つのトランジスタと各トランジスタに逆方向に並列接続された6つのダイオードと、を搭載している。インバータ41,42,43に電圧が作用しているときに、モータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)40によって、それぞれのトランジスタのオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータMG1,MG2,MG3が回転駆動される。
昇圧コンバータ55は、インバータ41,42,43が接続された駆動電圧系電力ライン54aと、バッテリ50が接続された電池電圧系電力ライン54bと、に接続されている。昇圧コンバータ55は、図示はしないが、2つのトランジスタと、2つのトランジスタに逆方向に並列接続された2つのダイオードと、リアクトルLと、を有する。昇圧コンバータ55は、モータECU40によって2つのトランジスタがオンオフされることにより、電池電圧系電力ライン54bの電力を昇圧して駆動電圧系電力ライン54aに供給したり、駆動電圧系電力ライン54aの電力を降圧して電池電圧系電力ライン54bに供給したりする。
モータECU40は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。図1に示すように、モータECU40には、モータMG1,MG2や昇圧コンバータ55を駆動制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。各種センサからの信号としては、以下のものを挙げることができる。モータMG1〜MG3の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからの回転位置θm1〜θm3。モータMG1〜MG3の各相に流れる電流を検出する電流センサからの相電流。インバータ41〜43の温度を検出する温度センサ41a〜43aからのインバータ温度Tinv1〜Tinv3。昇圧コンバータ55の温度を検出する温度センサ55aからのコンバータ温度Tcnv。モータMG1〜MG3のコイルの温度を検出する温度センサMG1a〜MG3aからのコイル温度Tc1〜Tc3。また、モータECU40からは、モータMG1〜MG3や昇圧コンバータ55を駆動制御するのに必要な各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。モータECU40は、HVECU70と通信ポートを介して接続されており、HVECU70からの制御信号によってモータMG1〜MG3や昇圧コンバータ55を駆動制御すると共に必要に応じてモータMG1〜MG3や昇圧コンバータ55の駆動状態に関するデータをHVECU70に出力する。なお、モータECU40は、回転位置検出センサからのモータMG1,MG2の回転子の回転位置θm1〜θm3に基づいてモータMG1〜MG3の回転数Nm1〜Nm3を演算している。
モータECU40は、温度センサ41a〜43a,55aからのインバータ温度Tinv1〜Tinv3,コンバータ温度Tcnvに基づいて、所定時間tref1(例えば、1sec,2sec,3secなど)におけるインバータ温度Tinv1〜Tinv3,コンバータ温度Tcnvのそれぞれの変化量の絶対値である変化量ΔTinv1〜ΔTinv3,ΔTcnvを記憶しておき、記憶した変化量ΔTinv1〜ΔTinv3,ΔTcnvの所定時間tref2(例えば、12時間,24時間,36時間など)における積算値Sdinv1〜Sdinv3,Sconvを演算している。
バッテリ50は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、上述したように電池電圧系電力ライン54bに接続されている。このバッテリ50は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、バッテリECUという)52により管理されている。
バッテリECU52は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。バッテリECU52には、バッテリ50を管理するのに必要な各種信号が入力ポートを介して入力されている。各種信号としては、以下のものを挙げることができる。バッテリ50の端子間に設置された電圧センサからの電池電圧Vb。バッテリ50の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた電流センサからの電池電流Ib。バッテリ50に取り付けられた温度センサからの電池温度Tb。また、バッテリECU52は、HVECU70と通信ポートを介して接続されており、必要に応じてバッテリ50の状態に関するデータをHVECU70に出力する。バッテリECU52は、バッテリ50を管理するために、電流センサにより検出された電池電流Ibの積算値に基づいてそのときのバッテリ50から放電可能な電力の容量の全容量に対する割合である蓄電割合SOCを演算したり、演算した蓄電割合SOCと温度センサにより検出された電池温度Tbとに基づいてバッテリ50を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Win,Woutを演算したりしている。
冷却システム60は、図2に示すように、循環流路62と、ラジエータ64と、電動ウォータポンプ66と、を備えている。循環流路62は、ラジエータ64,インバータ42,昇圧コンバータ55,インバータ41,43,電動ウォータポンプ66,モータMG3,MG1,MG2の順に冷却水が循環する流路として構成されている。ラジエータ64は、モータMG1〜MG3,インバータ41〜43,昇圧コンバータ55を循環した冷却水を走行風や図示しないファンによって冷却する。電動ウォータポンプ66は、冷却水をモータMG1〜MG3,インバータ41〜43,昇圧コンバータ55に圧送する。インバータ41〜43,昇圧コンバータ55は、図示しない放熱グリスを介して基板に取り付けられてる。冷却水は、基板や放熱グリスを介してインバータ41〜43,昇圧コンバータ55を冷却する。電動ウォータポンプ66は、HVECU70により駆動制御されている。
HVECU70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。HVECU70には、各種センサからの信号が入力されている。各種センサからの信号としては、以下のものを挙げることができる。イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号。シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP。アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc。ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP。車速センサ88からの車速V。冷却水の温度を検出する温度センサ68からの冷却水温Tsw。また、HVECU70からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。各種制御信号としては、以下のものを挙げることができる。電動ウォータポンプ66を制御するためのポンプ制御信号。HVECU70は、上述したように、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と通信ポートを介して接続されており、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。HVECU70は、工場出荷されてから現在までのトリップ数Ntを記憶している。ここでは、イグニッションスイッチ80がオンされてからオフされるまでを1トリップとする。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20は、エンジン22の運転を伴って走行するハイブリッド走行モード(HV走行)やエンジン22の運転を停止して走行する電動走行モード(EV走行)で走行する。
次にこうして構成されたハイブリッド自動車20の動作、特に、ラジエータ64の劣化を判定する際の動作について説明する。図3は、HVECU70により実行されるラジエータ劣化判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。本ルーチンは、例えば、40km/hで定常走行しているときに実行されるものとする。
本ルーチンが実行されると、HVECU70は、エンジン22やモータMG1〜MG3に特定の負荷をかけて所定時間走行する所定走行が開始されるようエンジン22,モータMG1〜MG3を制御する(ステップS100)。ここで、所定走行とは、40km/hでの定常走行である。なお、所定時間は、例えば、5secであるものとした。
続いて、ステップS100の所定走行時におけるコイル温度の変化率αを求める処理を実行する(ステップS110)。コイル温度の変化率αは、最も経年変化の大きいものとして予め実験や解析等で定めたモータのコイル温度(コイル温度Tc1〜Tc3のいずれか)の、所定走行の実行中におけるものとした。なお、コイル温度Tc1〜Tc3は、ステップS100を実行中にモータECU40から通信により入力されるものとした。
次に、トリップ数Ntと閾値Nthとを比較し(ステップS120)、トリップ数Ntが閾値Nth未満であるときにはトリップ数Ntが閾値NthとなるまでステップS120の処理を繰り返して、トリップ数Ntが閾値Nthとなるまで待つ。ここで、閾値Nthは、ステップS130以降の処理を実行するか否かを判定するための閾値であり、例えば、80,100,120であるものとした。
トリップ数Ntが閾値Nthとなったときには、所定走行を実行し(ステップS130)、ステップS130の所定走行時におけるコイル温度の変化率βを求める処理を実行する(ステップS140)。ここで、コイル温度の変化率βは、ステップS130の処理の実行中におけるモータMG1〜MG3のうち、最も経年変化の大きいものとして予め実験や解析等で定めたモータのコイル温度(コイル温度Tc1〜Tc3のいずれか)の変化率であるものとした。
続いて、冷却システム60において、モータMG1〜MG3の3つモータの発熱量の合計のうち冷却水で冷却される熱量(モータの冷却損失熱量)の経年変化量QWt(M)と、インバータ41〜43,昇圧コンバータ55(以下、「PCU」という)の発熱量のうち冷却水で冷却される熱量(冷却損失熱量)の経年変化量QWt(P)とを導出する(ステップS150)。
経年変化量QWt(M)は、実験や解析などから変化率βから変化率αを減じた差分(β−α)と経年変化量QWt(M)との関係を求め第1マップとして記憶しておき、記憶したマップと導出した差分(β−α)とを用いて導出するものとした。図4は、第1マップの一例を示す説明図である。第1マップでは、差分(β−α)が大きいほど経年変化量QWt(M)が大きくなるものとした。差分(β−α)が大きいほど経年変化量QWt(M)が大きくなるものとしたのは、以下の理由に基づく。モータの冷却損失熱量の経年変化量QWt(M)が大きくなるほど(冷却システム200におけるモータを冷却する経路における冷却性能の低下が大きくなるほど)コイル温度が上昇しやくなり、コイル温度の変化率が大きくなる。したがって、コイル温度の変化率の変化が大きくなるほど、経年変化量QWt(M)が大きくなると考えられる。こうした理由により、第1マップにおいて、差分(β−α)が大きいほど経年変化量QWt(M)が大きくなるものとしたのである。
また、経年変化量QWt(P)は、PCUの経年劣化量ADと経年変化量QWt(P)との関係を求め第2マップとして記憶しておき、記憶したマップと経年劣化量ADとを用いて導出するものとした。ここで、経年劣化量ADは、入力した積算値Sdinv1〜Sdinv3,Sconvのうち最も大きい値であるものとした。また、第2マップにおいて、経年劣化量ADが大きくなると経年変化量Qwt(P)が大きくなるものとした。経年劣化量ADが大きくなると経年変化量Qwt(P)が大きくなるものとしたのは、以下の理由に基づく。インバータ41〜43,昇圧コンバータ55は、発熱・冷却を短時間で繰り返すパワーサイクルストレスにより各トランジスタを組み込む際に用いられる放熱グリスが抜けることがある。放熱グリスの抜けは、パワーサイクルが継続するほど、すなわち、積算値Sdinv1〜Sdinv3,Sconvが大きくなるほど進んでいく。放熱グリスの抜けが進むと、インバータ41〜43,昇圧コンバータ55と基板との間の空隙ができ、冷却水による冷却性能が低下する。したがって、積算値Sdinv1〜Sdinv3,Sconvが大きくなるほど、つまり、経年劣化量ADが大きくなるほど冷却性能が大きく低下する、つまり、経年変化量QWt(P)が大きくなるである。こうした理由により、第2マップでは、経年劣化量ADが大きくなるほど経年変化量QWt(P)が大きくなるものとした。
こうして経年変化量QWt(M),QWt(P)を求めたら、経年変化量QWt(M)に経年変化量QWt(P)を加えてラジエータ64の経年変化量QWt(R)を算出する(ステップS160)。ここで、経年変化量QWt(M)に経年変化量QWt(P)を加えてラジエータ64の経年変化量QWt(R)を算出できる理由について説明する。
冷却システム200では、3つのモータ(モータMG1〜MG3),PCUを循環して暖められた冷却水がラジエータ64で放熱される。よって、経年変化が無視できる程度に小さいとき(例えば、車両の出荷後さほど時間が経っていないときなど)には、次式(1)の関係が成立する。式(1)において、QWi(R)、QWi(M)、QWi(P)、QWi(W)は、経年変化が無視できる程度に小さいときにおけるラジエータ64の冷却熱量、モータMG1〜MG3の冷却損失熱量QWi(P)、PCUの冷却損失熱量、電動ウォータポンプ66の冷却損失熱量である。冷却システム200の経年変化が大きくなると、次式(2)の関係が成立する。式(2)において、QWt(W)は、電動ウォータポンプ66の冷却損失熱量である。実施例の冷却システムでは、QWt(W)は値0であることが予めわかっている。したがって、式(1),式(2)より次式(3)が成立する。つまり、経年変化量QWt(M)に経年変化量QWt(P)を加えることによりラジエータ64の経年変化量QWt(R)を算出できるのである。こうした理由により、経年変化量QWt(M)に経年変化量QWt(P)を加えて経年変化量QWt(R)を算出できるのである。
QWi(R)=QWi(M)+QWi(P)+QWi(W) ・・・(1)
QWi(R)+QWt(R)=(QWi(M)+QWt(M))+(QWi(P)+QWt(P))+(QWi(W)+QWt(W))
・・・(2)
QWt(R)=QWt(M)+QWt(P) ・・・(3)
経年変化量QWt(R)を算出したら、算出した経年変化量QWt(R)と閾値Qthとを比較する(ステップS170)。閾値Qthは、ラジエータ64の経年変化による放熱性能の低下が許容範囲内か否かを判定するための閾値である。経年変化量QWt(R)が閾値Qth以下であるときには、ラジエータ64の経年変化による放熱性能低下が許容範囲内であると判断してステップS120の処理に戻り、経年変化量QWt(R)が閾値Qthを超えているときには、ラジエータ64の経年劣化が進んで許容範囲を超えていると判定して(ステップS180)、本ルーチンを終了する。こうしてラジエータ64が経年劣化していると判定した後には、例えば、電動ウォータポンプ66の回転数を上昇させるなどの対処を行うことができる。このように経年変化量QWt(M),QWt(P)を用いて算出される経年変化量QWt(R)をラジエータ64が経年劣化しているか否かを判定することにより、ラジエータ64付近にセンサ等を設けることなくラジエータ64の経年変化が許容範囲を超えているか否か、つまり、ラジエータ64の劣化度合いを判定することができる。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車20によれば、所定走行時におけるモータの冷却損失熱量の経年変化量QWt(M)と、所定走行時におけるPCUの冷却損失熱量の経年変化量QWt(P)と、の和としてラジエータ64の経年変化量QWt(R)を算出し、算出したラジエータ64の経年変化量QWt(R)を用いてラジエータ64の経年変化の度合いを判定する。これにより、ラジエータ64付近にセンサ等を設けることなくラジエータ64の劣化度合いを判定することができる。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、ラジエータ64が「ラジエータ」に相当し、HVECU70とモータECU40とが「劣化度合い判定手段」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、冷却システムの製造産業などに利用可能である。
20 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 エンジン用電子制御ユニット(エンジンECU)、26 クランクシャフト、30 プラネタリギヤ、36F,36R 駆動軸、37F,37R デファレンシャルギヤ、38a,38b 前輪、39a,39b 後輪、40 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、41〜43 インバータ、41a〜43a,55a 温度センサ、50 バッテリ、51 電圧センサ、52 バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、54a 駆動電圧系電力ライン、54b 電池電圧系電力ライン、55 昇圧コンバータ、60 冷却システム、62 循環流路、64 ラジエータ、66 電動ウォータポンプ、68 冷却水温センサ、70 ハイブリッド用電子制御ユニット(HVECU)、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、L リアクトル、MG1〜MG3 モータ、MG1a〜MG3a 温度センサ。

Claims (1)

  1. モータとバッテリからの電力を変換する電力変換装置とを備える車両に搭載され、前記モータと前記電力変換装置とに循環する冷媒の熱を放熱するラジエータを備える冷却システムであって、
    前記車両が所定の負荷で走行している所定走行時における前記モータの冷却損失熱量の経年変化量と、前記所定走行時における前記電力変換装置の冷却損失熱量の経年変化量と、の和に基づいて、前記ラジエータの劣化度合いを判定する劣化度合い判定手段
    を備える冷却システム。
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