JP2019085096A - 流体加熱装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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、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)
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 (3)
- 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。
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2018
- 2018-08-29 JP JP2018160066A patent/JP2019085096A/ja active Pending
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Legal Events
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