JP2019085096A

JP2019085096A - 流体加熱装置

Info

Publication number: JP2019085096A
Application number: JP2018160066A
Authority: JP
Inventors: 清士郎太田; Seishiro Ota
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2019-06-06

Abstract

【課題】燃料電池スタックやエンジン等の熱源を持つ熱源水回路と、電気ヒータを有する空調用水回路とが切替弁を介して並列に接続された水回路システムにおいて、制御の過敏な反応を抑制する。【解決手段】第１熱源１２に流体を循環させる第１流体回路１０と、第２熱源２２に流体を循環させる第２流体回路２０と、流体の流れにおいて第１流体回路１０と第２熱源２２とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部３３と、第２熱源２２を制御する制御部４０とを備え、制御部４０は、切替部３３が第１流体回路１０と第２熱源２２とを接続している場合、第２熱源２２で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１流体回路１０から第２流体回路２０に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、流体を加熱する流体加熱装置に関する。

従来、特許文献１には、水道水等の流体を電気ヒータで加熱する流体加熱制御装置が記載されている。この従来技術では、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する。

特開２０１５−１０８４５８号公報

燃料電池スタックやエンジン等の第１熱源を持つ第１流体回路と、電気ヒータ等の制御可能な第２熱源を有する第２流体回路とが切替部を介して接続された流体加熱装置においては、第１流体回路から第２流体回路に流体を流入させるように切替部を作動させることによって、第１熱源を利用して第２流体回路の流体を加熱できるので、第２熱源での消費エネルギーを低減できる。

しかしながら、第１流体回路から第２流体回路に流体が流入した際に、第１流体回路の流体の温度との差に対する感度が高すぎるために制御の反応が過敏になってしまって第２熱源の出力が必要以上に大きくなってしまい、必要以上にエネルギーを消費してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、第１熱源を持つ第１流体回路と、制御可能な第２熱源を持つ第２流体回路とが切替弁を介して並列に接続された流体加熱装置において、制御の過敏な反応を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の流体加熱装置では、
第１熱源（１２）に流体を循環させる第１流体回路（１０）と、
第２熱源（２２）に流体を循環させる第２流体回路（２０）と、
流体の流れにおいて第１流体回路（１０）と第２熱源（２２）とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部（３３）と、
第２熱源（２２）を制御する制御部（４０）とを備え、
制御部（４０）は、切替部（３３）が第１流体回路（１０）と第２熱源（２２）とを接続している場合、第２熱源（２２）で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１流体回路（１０）から第２流体回路（２０）に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。

これによると、第１流体回路（１０）から第２流体回路（２０）に流体が流入した際に第１流体回路（１０）の流体の温度との差に対する感度が高くなることを抑制できるので、制御の反応が過敏になって必要以上にエネルギーを消費してしまうことを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態における流体加熱装置の全体構成図である。一実施形態における流体加熱装置の制御処理を示すブロック線図である。

図１に示す流体加熱装置１は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池自動車は、水素と酸素との反応で電力を得て走行する車両である。

流体加熱装置１は、第１冷却水回路１０と第２冷却水回路２０とを備えている。第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０は、冷却水が循環する冷却水循環回路である。第１冷却水回路１０は、流体が循環する第１流体回路である。第２冷却水回路２０は、流体が循環する第２流体回路である。

第１冷却水回路１０には、第１冷却水ポンプ１１、燃料電池スタック１２およびラジエータ１３が配置されている。第１冷却水ポンプ１１、燃料電池スタック１２およびラジエータ１３は、第１冷却水回路１０の冷却水の流れにおいて互いに直列に配置されている。

第１冷却水ポンプ１１は、第１冷却水回路１０の冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。燃料電池スタック１２は、水素と酸素とを反応させて電気と熱を発生させる。燃料電池スタック１２で発生した電気は、図示しない車両走行用電動モータに供給される。

燃料電池スタック１２で発生した熱は、第１冷却水回路１０の冷却水に吸熱される。換言すれば、燃料電池スタック１２は、第１冷却水回路１０の冷却水によって冷却される。燃料電池スタック１２は第１熱源である。

ラジエータ１３は、第１冷却水回路１０の冷却水と外気とを熱交換させて冷却水から外気に放熱させる熱交換器である。室外送風機１４は、ラジエータ１３に外気を送風する電動送風機である。

第１冷却水回路１０には、バイパス流路１５およびバイパス弁１６が設けられている。バイパス流路１５は、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３をバイパスして流れる流路である。

バイパス弁１６は、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３を流れる場合と、ラジエータ１３をバイパスして流れる場合とを切り替える電磁式三方弁である。

第１冷却水回路１０の冷却水の温度が上限温度を超えている場合、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３を流れるようにバイパス弁１６が作動する。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水がラジエータ１３で上限温度以下に冷却される。

第１冷却水回路１０の冷却水の温度が上限温度以下である場合、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３をバイパスしてバイパス流路１５を流れるようにバイパス弁１６が作動する。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水がラジエータ１３で冷却されない。

バイパス弁１６は、サーモスタットであってもよい。サーモスタットは、温度によって体積変化するサーモワックスによって弁体を変位させて冷却水流路を開閉する機械的機構を備える冷却水温度応動弁である。

第２冷却水回路２０には、第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２およびヒータコア２３が配置されている。第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２およびヒータコア２３は、第２冷却水回路２０の冷却水の流れにおいて互いに直列に配置されている。

第２冷却水ポンプ２１は、第２冷却水回路２０の冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。電気ヒータ２２は、電力が供給されることによって発熱して、第２冷却水回路２０の冷却水を加熱する。電気ヒータ２２に供給される電力量が制御されることによって、電気ヒータ２２の発熱量を制御可能である。電気ヒータ２２は第２熱源である。

ヒータコア２３は、第２冷却水回路２０の冷却水と、車室内空間２へ送風される空気とを熱交換して空気を加熱する熱交換器である。車室内空間２は空調対象空間である。室内送風機２４は、ヒータコア２３に空気を送風する電動送風機である。ヒータコア２３で加熱された空気は、車室内空間２へ吹き出される。

第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０は、第１連通流路３１および第２連通流路３２によって互いに連通されている。

第１連通流路３１および第２連通流路３２は、第１冷却水回路１０のうち燃料電池スタック１２の冷却水出口側かつバイパス流路１５よりも上流側の部位に配置されている。第１連通流路３１および第２連通流路３２は、第２冷却水回路２０のうちヒータコア２３の冷却水出口側かつ電気ヒータ２２の冷却水入口側の部位に配置されている。

第２連通流路３２と第１冷却水回路１０との接続部は、第１冷却水回路１０において、第１連通流路３１と第１冷却水回路１０との接続部よりも冷却水流れ下流側に位置している。

第２連通流路３２と第２冷却水回路２０との接続部は、第２冷却水回路２０において、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０との接続部よりも冷却水流れ上流側に位置している。

切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０との接続部に配置された電磁式三方弁である。

切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とが連通される状態と連通されない状態とを切り替える熱媒体流れ切替部である。切替弁３３は、流体加熱装置１の運転モードを独立モードおよび熱連携モードのいずれかに切り替えるモード切替部である。

独立モードでは、切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とを連通させない。これにより、第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０のそれぞれにおいて、冷却水が互いに独立して循環する。

熱連携モードでは、切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とを連通させる。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入して循環するとともに、第２冷却水回路２０の冷却水が第１冷却水回路１０に流入して循環する。

第１冷却水ポンプ１１、室外送風機１４、バイパス弁１６、第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２、室内送風機２４および切替弁３３は、制御装置４０によって制御される。

制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置４０は、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。制御装置４０の出力側には各種制御対象機器が接続されている。制御装置４０は、各種制御対象機器の作動を制御する制御部である。各制御部は、制御装置４０に対して別体で構成されていてもよい。

制御装置４０のうち第１冷却水ポンプ１１を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第１流体流量制御部である。制御装置４０のうち第２冷却水ポンプ２１を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第２流体流量制御部である。

制御装置４０のうち電気ヒータ２２を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第２熱源制御部である。制御装置４０のうち切替弁３３を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、切替制御部である。

制御装置４０の入力側には、第１水温センサ４１および第２水温センサ４２が接続されている。

第１水温センサ４１は、第１冷却水温度Ｔｆｃを検出する流体温度検出部である。第１冷却水温度Ｔｆｃは、燃料電池スタック１２から流出した冷却水の温度である。換言すれば、第１冷却水温度Ｔｆｃは、第１冷却水回路１０から第１連通流路３１を介して第２冷却水回路２０に流入する冷却水の温度である。第１冷却水温度Ｔｆｃは第１流体温度である。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃが高いほど第１冷却水ポンプ１１の回転数を高く制御する。

第２水温センサ４２は、第２冷却水温度Ｔｈｃを検出する流体温度検出部である。第２冷却水温度Ｔｈｃは、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度である。換言すれば、第２冷却水温度Ｔｈｃは、電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度である。第２冷却水温度Ｔｈｃは第２流体温度である。

制御装置４０の入力側には、内気温度センサ４３、外気温度センサ４４、日射量センサ４５および温度設定スイッチ等が接続されている。

内気温度センサ４３は車室内温度Ｔｒを検出する。外気温度センサ４４は外気温度Ｔａｍを検出する。日射量センサ４５は車室内の日射量Ｔｓを検出する。

温度設定スイッチは操作パネル４６に設けられており、乗員によって操作される。操作パネル４６は車室内前部の計器盤付近に配置されている。制御装置４０には、温度設定スイッチからの操作信号が入力される。温度設定スイッチは、車室内空間２の設定温度Ｔｓｅｔを設定するための操作部材である。

制御装置４０の入力側には、燃料電池制御装置４７およびナビゲーション装置４８が接続されている。燃料電池制御装置４７は、燃料電池スタック１２の作動を制御する燃料電池制御部である。

燃料電池制御装置４７の入力側には、図示しないアクセル開度センサが接続されている。アクセル開度センサは、アクセル開度を検出するアクセル開度検出部である。アクセル開度センサが検出したアクセル開度は、燃料電池制御装置４７を介して制御装置４０に入力される。

制御装置４０には、ナビゲーション装置４８の自車位置情報や地図情報等が入力される。

次に、上記構成における作動を説明する。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃ、第２冷却水温度Ｔｈｃおよび目標吹出温度ＴＡＯ等に基づいて切替弁３３を制御して、運転モードを独立モードおよび熱連携モードのいずれかに切り替える。

目標吹出温度ＴＡＯは、車室内空間２へ吹き出す吹出空気の目標温度である。制御装置４０は、目標吹出温度ＴＡＯを以下の数式に基づいて算出する。

ＴＡＯ＝Ｋｓｅｔ×Ｔｓｅｔ−Ｋｒ×Ｔｒ−Ｋａｍ×Ｔａｍ−Ｋｓ×Ｔｓ＋Ｃ
この数式において、Ｔｓｅｔは操作パネル４６の温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度、Ｔｒは内気温度センサ４３によって検出された内気温、Ｔａｍは外気温度センサ４４によって検出された外気温、Ｔｓは日射量センサ４５によって検出された日射量である。Ｋｓｅｔ、Ｋｒ、Ｋａｍ、Ｋｓは制御ゲインであり、Ｃは補正用の定数である。

目標吹出温度ＴＡＯは、車室内を所望の温度に保つために流体加熱装置１が生じさせる必要のある熱量に相当するものである。目標吹出温度ＴＡＯは、流体加熱装置１に要求される空調熱負荷である。

独立モードでは、第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０において、冷却水が互いに独立して循環する。熱連携モードでは、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入して循環するとともに、第２冷却水回路２０の冷却水が第１冷却水回路１０に流入して循環する。

制御装置４０は、例えば車室内空間２を暖房しない場合、運転モードが独立モードになるように切替弁３３を制御する。制御装置４０は、例えば燃料電池スタック１２を冷却しない場合、運転モードが独立モードになるように切替弁３３を制御する。

制御装置４０は、例えば車室内空間２を暖房し且つ燃料電池スタック１２を冷却する場合、運転モードが熱連携モードになるように切替弁３３を制御する。

例えば、目標吹出温度ＴＡＯが車室内温度Ｔｒよりも高い場合、車室内空間２を暖房する。例えば、第１冷却水温度Ｔｆｃが燃料電池スタック１２の上限温度よりも高い場合、燃料電池スタック１２を冷却する。

目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯに基づいて算出される。目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯを作るためにヒータコア２３で必要となる冷却水の温度である。目標冷却水温度ＴＷＯは目標流体温度である。例えば、目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯと同じ値である。

熱連携モードの場合、図１の破線矢印で示すように、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入する。これにより、燃料電池スタック１２で加熱された第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０の電気ヒータ２２で加熱された後、ヒータコア２３に流入する。そして、ヒータコア２３にて車室内空間２へ送風される空気が冷却水と熱交換されて加熱されるので、車室内空間２に温風が吹き出されて、車室内空間２が暖房される。

熱連携モードでは、制御装置４０は、図２のブロック線図に示すように、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを行い、第２冷却水温度Ｔｈｃが目標冷却水温度ＴＷＯに近づくように、制御対象である電気ヒータ２２を制御する。フィードバック制御は、例えばファジー制御である。

制御装置４０は、入力信号からフィードバック信号を減算し、フィードフォワード信号を加算する。入力信号は目標冷却水温度ＴＷＯである。フィードバック信号は、第２冷却水温度Ｔｈｃである。

フィードフォワード信号は、第１冷却水温度Ｔｆｃの情報を補正項としたフィードフォワード項である。すなわち、フィードバック制御による水温制御に、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとを補正項とするフィードフォワード制御が加えられる。

図２中、流入する温水とは、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流入する冷却水の情報のことであり、例えば第１冷却水温度Ｔｆｃや、その時間変化率ΔＴｆｃのことである。

制御装置４０がこのように電気ヒータ２２を制御することによって、電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度が目標冷却水温度ＴＷＯに近づく。

電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度が目標冷却水温度ＴＷＯに近くなるので、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度も目標冷却水温度ＴＷＯに近くなる。そのため、ヒータコア２３で加熱された空気の温度を目標吹出温度ＴＡＯに近づけることができるので、車室内空間２を所望の温度に暖房することができる。

本実施形態では、制御装置４０は、切替弁３３が第１冷却水回路１０と電気ヒータ２２とを接続している場合、電気ヒータ２２で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１冷却水回路１０から第２流体回路２０に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。

これによると、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流体が流入した際に第１流体回路１０の流体の温度との差に対する感度が高くなることを抑制できるので、制御の反応が過敏になって必要以上にエネルギーを消費してしまうことを抑制できる。

本実施形態では、制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとに基づいてフィードフォワード制御を行う。第１冷却水温度Ｔｆｃは、燃料電池スタック１２の出口における冷却水の温度である。

これにより、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流体が流入した際に第１流体回路１０の冷却水の温度との差に対する感度が高くなることを確実に抑制できる。

本実施形態では、制御装置４０は、第２冷却水温度Ｔｈｃが目標冷却水温度ＴＷＯに近づくように、フィードバック制御およびフィードフォワード制御を行う。第２冷却水温度Ｔｈｃは、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度である。

これにより、車室内空間２を適切に暖房して乗員の快適性を確保しつつ、電気ヒータ２２でのエネルギーの消費を抑制できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、第２冷却水回路２０の冷却水が電気ヒータ２２によって加熱されるが、電気ヒータ２２に限定されるものではなく、加熱能力を制御可能な種々の熱源によって第２冷却水回路２０の冷却水が加熱されてもよい。例えば、燃焼式ヒータによって第２冷却水回路２０の冷却水が加熱されてもよい。

（２）上記実施形態では、切替弁３３は三方弁であるが、切替弁３３は、第１連通流路３１を開閉する開閉弁であってもよい。

（３）上記実施形態では、フィードフォワード項として、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとに基づく補正量が用いられるが、フィードフォワード項は、目標冷却水温度ＴＷＯや目標吹出温度ＴＡＯに基づく補正量が用いられてもよい。

フィードフォワード項は、アクセル開度に基づく補正量が用いられてもよい。アクセル開度が大きくなると燃料電池スタック１２の温度が高くなり、第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。

フィードフォワード項は、ナビゲーション装置４８の自車位置情報および地図情報に基づく補正量が用いられてもよい。上り坂を走行している時はアクセル開度が大きくなり、燃料電池スタック１２の温度が高くなって第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。

フィードフォワード項は、燃料電池スタック１２の蓄電残量ＳＯＣに基づく補正量が用いられてもよい。蓄電残量ＳＯＣが小さい場合、発電量が多くなり、第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。

フィードフォワード項は、燃料電池スタック１２の第１冷却水ポンプ１１の回転数に基づく補正量が用いられてもよい。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃが高いほど第１冷却水ポンプ１１の回転数を高く制御するからである。

フィードフォワード項は、外気温度Ｔａｍに基づく補正量が用いられてもよい。外気温度Ｔａｍが低いほど燃料電池スタック１２の発電量が多くなって第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。

（４）上記実施形態では、流体加熱装置１は燃料電池自動車に搭載されていて、第１冷却水回路１０の冷却水が燃料電池スタック１２によって加熱されるが、これに限定されるものではなく、流体加熱装置１は、エンジンを備える自動車に搭載されていて、第１冷却水回路１０の冷却水がエンジンによって加熱されてもよい。

１０第１冷却水回路（第１流体回路）
１２燃料電池スタック（第１熱源）
２０第２冷却水回路（第２流体回路）
２２電気ヒータ（第２熱源）
２３ヒータコア
３３切替弁（切替部）
４０制御装置（制御部）

Claims

第１熱源（１２）に流体を循環させる第１流体回路（１０）と、
第２熱源（２２）に前記流体を循環させる第２流体回路（２０）と、
前記流体の流れにおいて前記第１流体回路（１０）と前記第２熱源（２２）とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部（３３）と、
前記第２熱源（２２）を制御する制御部（４０）とを備え、
前記制御部（４０）は、前記切替部（３３）が前記第１流体回路（１０）と前記第２熱源（２２）とを接続している場合、前記第２熱源（２２）で加熱された前記流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、前記第１流体回路（１０）から前記第２流体回路（２０）に流入する前記流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う流体加熱装置。
前記制御部（４０）は、前記第１熱源（１２）の出口における前記流体の温度である第１流体温度（Ｔｆｃ）と、前記第１流体温度（Ｔｆｃ）の時間変化率（ΔＴｆｃ）とに基づいて前記フィードフォワード制御を行う請求項１に記載の流体加熱装置。
前記第２熱源（２２）で加熱された前記流体と、空調対象空間（２）へ送風される空気とを熱交換させて前記空気を加熱するヒータコア（２３）を備え、
前記制御部（４０）は、前記ヒータコア（２３）に流入する前記流体の温度（Ｔｈｃ）が目標温度（ＴＷＯ）に近づくように、前記フィードバック制御および前記フィードフォワード制御を行う請求項１または２に記載の流体加熱装置。