JP2018111339A

JP2018111339A - 電動車両用空調装置

Info

Publication number: JP2018111339A
Application number: JP2017001419A
Authority: JP
Inventors: 仁史室田; Hitoshi Murota
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2018-07-19

Abstract

【課題】極低温でもヒートポンプシステムにより室内暖房性能を確保できる電動車両用空調装置を提供する。【解決手段】圧縮手段１１と、室内熱交換器１２、１３と、膨張手段１４、１５と、室外熱交換器１６とを有するヒートポンプ回路２と、電池用膨張手段３６及び電池用熱交換器３２を含む電池冷却回路３と、電動車両の駆動用電池３１を含む電池パック３０内に配置される加温用ヒータ３３及びファン３４とを具備し、車室内及び電池パック内に冷暖房風を供給し、駆動用電池３１とファン３４との間に、ファン３４側から加温用ヒータ３３及び電池用熱交換器３２を順次配置すると共に、電池冷却回路に電池用膨張手段をバイパスするバイパス回路３７を設け、室外が極低温である場合に、加温用ヒータ３３及びファン３４を駆動すると共にバイパス回路３７から冷媒を電池用熱交換器に３２流入させ、電池用熱交換器３２で加温された冷媒を圧縮手段１１に戻す。【選択図】図１

Description

本発明は電動車両用空調装置に関する。

近年、走行用モータとエンジンとを組み合わせて車両の駆動力を得るようにしたハイブリッド車両が開発され、実用化が進んでいる。ハイブリッド車両としては、発電機をエンジンにより駆動させて発電し、走行用モータに給電を行うバッテリを充電する車両（ＰＨＶ）だけでなく、バッテリを外部の商用電源でも充電可能な車両（ＰＨＥＶ）の開発、実用化が進んでいる。
一方、冷暖房に用いることができる空調装置としてヒートポンプ回路を備えた電動車両がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ヒートポンプ回路として、圧縮器、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を含み、これらが冷媒管で接続され、圧縮器から送出された冷媒が圧縮器へ流入して循環するように構成されたものが開示されている。

このようなヒートポンプ式空調装置では、極低温、例えば、−１０℃以下になると、室外熱交換器で冷媒が気化しなくなり、暖房性能が落ちるという問題がある。

特開２０１２−７６５８９号公報

よって、エンジンを搭載した車両では、エンジンを始動してエンジン廃熱を暖房に当てる必要があり、ＰＨＥＶなどのハイブリッド車両では、走行用モータによる走行、すなわち、ＥＶ走行ができなくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、極低温でもヒートポンプシステムにより室内暖房性能を確保できる電動車両用空調装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、圧縮手段と、室内熱交換器と、膨張手段と、室外熱交換器とを有するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路の冷房サイクルにおける前記膨張手段及び前記室内熱交換器を通過する冷媒回路と並列に電池用膨張手段及び電池用熱交換器を含む電池冷却回路と、電動車両の駆動用電池を含む電池パック内に配置される加温用ヒータ及びファンとを具備し、前記電動車両の車室内及び前記電池パック内に冷暖房風を供給する電動車両用空調装置であって、前記電池パック内に設けられた前記駆動用電池と前記ファンとの間に、当該ファン側から前記加温用ヒータ及び前記電池用熱交換器を順次配置すると共に、前記電池冷却回路に前記電池用膨張手段をバイパスするバイパス回路を設け、室外が極低温である場合に、前記加温用ヒータ及び前記ファンを駆動すると共に前記バイパス回路から冷媒を前記電池用熱交換器に流入させ、当該電池用熱交換器で加温された冷媒を前記圧縮手段に戻すモードとすることを特徴とする電動車両用空調装置にある。

かかる態様では、電池パック内に設けられた駆動用電池とファンとの間に、当該ファン側から加温用ヒータ及び電池用熱交換器を順次配置すると共に、電池冷却回路に電池用膨張手段をバイパスするバイパス回路を設け、室外が極低温である場合に、電池パック内の加温用ヒータ及びファンを駆動すると共にバイパス回路から冷媒を前記電池用熱交換器に流入させ、当該電池用熱交換器で加温された冷媒を圧縮手段に戻すようにしたので、極低温でもヒートポンプシステムにより室内暖房性能を確保できる電動車両用空調装置を提供することができる。

ここで、前記モードへの切替は、室外温度が、前記ヒートポンプ回路に用いる冷媒の気化限界温度より低いことを条件とすることが好ましい。これによれば、冷媒の気化が困難で、暖房性能が十分でない場合にも、暖房が可能となる。

また、前記モードへの切替は、前記駆動用電池の温度が電池性能維持温度以上であることを条件とすることが好ましい。これによれば、駆動用電池の温度が電池性能維持温度より低い場合には、駆動用電池の加温を優先することができる。

かかる本発明によれば、室外が極低温である場合に、電池パック内の加温用ヒータ及びファンを駆動すると共にバイパス回路から冷媒を前記電池用熱交換器に流入させ、当該電池用熱交換器で加温された冷媒を圧縮手段に戻すようにしたので、極低温でもヒートポンプシステムにより室内暖房性能を確保できる電動車両用空調装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る空調装置の概略構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る空調装置の室内冷房及び電池冷却モードを説明する図である。本発明の一実施形態に係る空調装置の室内暖房優先モードを説明する図である。本発明の一実施形態に係る空調装置の極低温室内暖房優先モードを説明する図である。本発明の一実施形態に係る空調装置のモードの切替の一例を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る電動車両用空調装置の概略構成を示す図である。
本発明の電動車両用空調装置（以下、空調装置とする）１は、電動車両である電気自動車に設けられている。空調装置１は、圧縮手段であるコンプレッサ１１と、室内熱交換器としての室内エバポレータ１２及びコンデンサ１３と、膨張手段である冷房側膨張弁１４及び暖房側膨張弁１５と、室外熱交換器１６と、これらを連結する冷媒の流路を構成する配管１７とによりヒートポンプ回路２を備える。ヒートポンプ回路２は、冷房回路では、コンプレッサ１１、室外熱交換器１６、冷房側膨張弁１４、及び室内エバポレータ１２へこの順に冷媒を循環させ、一方、暖房回路では、コンプレッサ１１、コンデンサ１３、暖房側膨張弁１５、及び室外熱交換器１６へこの順で冷媒を循環させるように、第１電磁弁１８及び第２電磁弁１９を備える。また、コンプレッサ１１には、アキュムレータ２０を付設し、コンプレッサ１１の液冷媒吸い込み防止を図っている。

また、空調装置１が搭載されている電気自動車の電池パック３０には、駆動用電池３１が搭載され、駆動用電池３１に隣接して、駆動用電池３１側から順に、電池用室内熱交換器である電池冷却用エバポレータ３２、加温用ヒータ３３及びファン３４が設けられている。

電池冷却用エバポレータ３２は、ヒートポンプ回路２の冷房回路の冷房側膨張弁１４の上流側から分岐して室内エバポレータ１２の下流側に合流する分岐配管３５に設けられ、分岐配管３５の室内エバポレータ１２の上流側には、電池冷却側膨張弁３６が設けられている。さらに、分岐配管３５には、電池冷却側膨張弁３６をバイパスするバイパス回路となるバイパス配管３７が設けられ、バイパス配管３７には、第３電磁弁３８が設けられている。これが電池冷却回路３となっている。なお、電池冷却側膨張弁３６は、電池パック３０の外に設けても内部に設けてもよい。

さらに、本発明の空調装置１には、各電磁弁１８、１９、３８、加温用ヒータ３３及びファン３４を制御するコントローラ４０が付設されている。また、外気温度を検知する外気温サーミスタＳＴａ、室内温を検知する室温サーミスタＳＴｒ、及び駆動用電池３１の温度を検知する電池温度サーミスタＳＴｂを具備し、これらの検出信号は、コントローラ４０に入力されるようになっている。

このような空調装置１は、各種運転モードを備えているが、代表的なモードとして、まず、冷房回路における、室内冷房及び電池冷却モードを、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、このモードでは、コンプレッサ１１を駆動して高温高圧の冷媒を室外熱交換器１６に流入させ、冷房側膨張弁１４及び室内エバポレータ１２を介してコンプレッサ１１に戻るように循環させる。この場合、コンデンサ１３は単に通過するだけであり、第１電磁弁１８は開として、暖房側膨張弁１５をバイパスする。

かかるモードでは、冷媒は、室外熱交換器１６で外気と熱交換して放熱され、冷房側膨張弁１４でさらに温度を低下し、室内熱交換器である室内エバポレータ１２で車室内の空気と熱交換することで、冷風を車室内に供給することができる。そして、熱交換した冷媒は、再度、アキュムレータ２０を介してコンプレッサ１１に流入する。

また、冷媒の一部は、電池冷却回路３に分岐され、冷房側膨張弁１４の上流側から分岐する分岐配管３５を介して電池冷却側膨張弁３６及び電池冷却用エバポレータ３２に流入し、アキュムレータ２０を介してコンプレッサ１１に戻るようになっている。かかる電池冷却回路３では、室外熱交換器１６で外気と熱交換して放熱された冷媒が、電池冷却側膨張弁３６でさらに温度を低下し、電池冷却用エバポレータ３２で電池パック３０内の空気と熱交換することで、冷風を電池パック３０内に供給することができる。なお、この場合、ファン３４を駆動させることで、冷風が電池パック３０の隅々まで行き渡るようになる。

次に、暖房回路における、室内暖房優先モードについて、図３を参照しながら説明する。図３に示すように、このモードでは、コンプレッサ１１を駆動して高温高圧の冷媒を室内コンデンサ１３に流入させ、その後、暖房側膨張弁１５及び室外熱交換器１６へ流入させ、その後、第２電磁弁１９を開として、アキュムレータ２０を通過させてコンプレッサ１１に戻るようにしている。このモードでは、コンデンサ１３で車室内の空気と熱交換され、これにより温風を車室内に供給することができる。熱交換された冷媒は、暖房側膨張弁１５を通過して低圧低温となり、さらに室外熱交換器１６で外気と熱交換され、コンプレッサ１１に再度流入する。

空調装置１では、暖房時に、外気温度が、例えば、−１０℃以下となった場合、の極低温室内暖房優先モードを具備する。かかる状態では、室外熱交換器１６でも冷媒の気化が不可能となり、通常の暖房動作が困難になるからである。かかる極低温室内暖房優先モードを、図４を参照しながら説明する。なお、本明細書では、冷媒の気化限界温度より低い温度を極低温とする。

図４に示すように、このモードでは、第１電磁弁１８及び第３電磁弁３８を開とし、第２電磁弁１９は閉とする。これにより、コンプレッサ１１の駆動による高温高圧の冷媒を、室内コンデンサ１３に流入させ、その後、暖房側膨張弁１５をバイパスして室外熱交換器１６へ流入させ、その後、分岐配管３５及びバイパス配管３７を介して電池冷却用エバポレータ３２を通過させてコンプレッサ１１に戻るようにしている。さらに、このとき、加温用ヒータ３３及びファン３４を動作させ、加温用ヒータ３３の熱がファン３４の風により電池冷却用エバポレータ３２に送るようにし、電池冷却用エバポレータ３２を加温するようにする。よって、このモードでは、電池冷却用エバポレータ３２で加温された冷媒がコンプレッサ１１に戻るようになり、コンデンサ１３で車室内の空気と熱交換され、これにより温風を車室内に供給することができるようになっている。

上述した極低温室内暖房優先モードでは、電池冷却用エバポレータ３２に流入する冷媒を加温用ヒータ３３及びファン３４を介して加温するようにしたが、同時に駆動用電池３１も加温できるようにしてもよいし、駆動用電池３１は加温せずに、電池冷却用エバポレータ３２のみを加温するようにしてもよい。

極低温室内暖房優先モードでは、駆動用電池３１が加温されるようにしても、熱の大部分は電池冷却用エバポレータ３２で冷媒との熱交換で消費されるので、駆動用電池３１の加温が不十分な場合がある。本実施形態では、駆動用電池３１の加温を優先的に行うための電池加温優先モードを具備する。

電池加温優先モードでは、コンプレッサ１１の駆動を停止し、ヒートポンプ回路の駆動を停止する。そして、加温用ヒータ３３及びファン３４を駆動し、加温用ヒータ３３の熱で駆動用電池３１を加温するようにする。

このような電池加温優先モードは、駆動用電池３１の電池温度Ｔｂが、電池性能を維持できる限界温度である電池性能維持温度より低い場合に選択するのが好ましいが、このような温度であっても、必ずしも選択する必要はない。

以上説明した各種モードの切替は、コントローラ４０により行われる。コントローラ４０は、外気温度を検知する外気温サーミスタＳＴａ、室内温を検知する室温サーミスタＳＴｒ、及び駆動用電池３１の温度を検知する電池温度サーミスタＳＴｂからの検出信号を取得し、各検出信号に基づいてモードの切替を行う。以下、モードの切替の一例を図５を参照して説明するが、切替方法は、これに限定されるものではない。

コントローラ４０は、ステップＳ１でプラグインされて充電状態かどうかを判断し、プラグイン状態では（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、電池温度Ｔｂを取得し、予め設定された電池性能維持温度Ｔｂ１より低いかどうかを判断する（ステップＳ２）。電池温度Ｔｂが電池性能維持温度Ｔｂ１以上の場合には、特に何もせず、オフ状態を維持し（ステップＳ３）、電池温度Ｔｂが電池性能維持温度Ｔｂ１より低い場合には、電池加温優先モードを選択する（ステップＳ４）。

また、ステップＳ１でプラグインではなく、車両が起動されると（ステップＳ１；Ｎｏ）、同様に、電池温度Ｔｂを取得し、予め設定された電池性能維持温度Ｔｂ１より低いかどうかを判断する（ステップＳ５）。そして、電池温度Ｔｂが電池性能維持温度Ｔｂ１より低い場合には、電池加温優先モードを選択する（ステップＳ４）。

一方、ステップＳ５で、電池温度Ｔｂが電池性能維持温度Ｔｂ１以上の場合には（ステップＳ５；Ｎｏ）、電池温度Ｔｂが予め設定された電池冷却要求温度Ｔｂ２より高いかどうかを判断する（ステップＳ６）。電池温度Ｔｂが電池冷却要求温度Ｔｂ２以下の場合には（ステップＳ６；Ｎｏ）、外気温度Ｔａを取得し、予め設定された、室外熱交換器１６での冷媒気化限界温度Ｔａ１と比較し（ステップＳ７）、外気温度Ｔａが冷媒気化限界温度Ｔａ１より低い場合には（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、極低温室内暖房優先モードを選択する（ステップＳ８）。

また、外気温度Ｔａが冷媒気化限界温度Ｔａ１以上の場合には（ステップＳ７；Ｎｏ）、室内温度Ｔｒを取得し、室内温度Ｔｒが、予め設定された、室内暖房快適温度Ｔｒ１より高いかどうかを判断する（ステップＳ９）。そして、室内温度Ｔｒが室内暖房快適温度Ｔｒ１以下の場合には（ステップＳ９：Ｎｏ）、極低温室内暖房優先モードを選択し（ステップＳ８）、室内温度Ｔｒが室内暖房快適温度Ｔｒ１より高い場合には（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、室内暖房優先モードを選択する（ステップＳ１０）。

一方、ステップＳ６で、電池温度Ｔｂが電池冷却要求温度Ｔｂ２より高い場合には（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、室内冷房及び電池冷却モードを選択する（ステップＳ１１）。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、室内温度、外気温度、電池温度などにより、各モードの切替を行ったが、電池加温優先モード以外のモードの動作は、空調装置１がオンとなっていることを条件とするが、極低温室内暖房優先モードなどは、自動的に動作するようにしてもよい。また、モードの切替は、運転手の操作により行ってもよいし、自動切替を行っていても、運転手の操作を優先するようにしてもよい。

１空調装置
２ヒートポンプ回路
３電池冷却回路
１１コンプレッサ
１２室内エバポレータ
１３コンデンサ
１４冷房用膨張弁
１５暖房用膨張弁
１６室外熱交換器
３０電池パック
３１駆動用電池
３２電池冷却用エバポレータ
３３加温用ヒータ
３４ファン
３６電池冷却用膨張弁
３７バイパス配管
４０コントローラ

Claims

圧縮手段と、室内熱交換器と、膨張手段と、室外熱交換器とを有するヒートポンプ回路と、前記ヒートポンプ回路の冷房サイクルにおける前記膨張手段及び前記室内熱交換器を通過する冷媒回路と並列に電池用膨張手段及び電池用熱交換器を含む電池冷却回路と、電動車両の駆動用電池を含む電池パック内に配置される加温用ヒータ及びファンとを具備し、前記電動車両の車室内及び前記電池パック内に冷暖房風を供給する電動車両用空調装置であって、
前記電池パック内に設けられた前記駆動用電池と前記ファンとの間に、当該ファン側から前記加温用ヒータ及び前記電池用熱交換器を順次配置すると共に、前記電池冷却回路に前記電池用膨張手段をバイパスするバイパス回路を設け、
室外が極低温である場合に、前記加温用ヒータ及び前記ファンを駆動すると共に前記バイパス回路から冷媒を前記電池用熱交換器に流入させ、当該電池用熱交換器で加温された冷媒を前記圧縮手段に戻すモードとすることを特徴とする電動車両用空調装置。
請求項１に記載の電動車両用空調装置において、前記モードへの切替は、室外温度が、前記ヒートポンプ回路に用いる冷媒の気化限界温度より低いことを条件とすることを特徴とする電動車両用空調装置。
請求項１又は２に記載の電動車両用空調装置において、前記モードへの切替は、前記駆動用電池の温度が電池性能維持温度以上であることを条件とすることを特徴とする電動車両用空調装置。