JP2020055342A - 車両の熱管理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】車室内の温度調節とバッテリの温度調節を最適に行う。【解決手段】車室内の温度調節を行う冷媒が循環する冷媒回路２００と、前記冷媒との間で熱交換を行う液体が循環し、車室内の温度調節を行う加熱回路３００と、前記冷媒との間で熱交換を行う液体を高電圧バッテリ４１０に導入することで高電圧バッテリ４１０の温度調節を行う電池温度調節回路４００と、を備える、車両の熱管理システム１０００が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の熱管理システムに関する。
従来、下記の特許文献１には、電動車両に搭載される電動車両用熱管理システムに関し、エアコン用冷媒ループとバッテリ用冷媒ループが１箇所のチラーにより熱交換することが記載されている。
特開２０１４−０３７１７８号公報
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、単にエアコン用冷媒ループとバッテリ用冷媒ループの熱交換を行うのみであるため、例えば外気温などの要因で冷媒の温度を最適に制御できないような状況下では、バッテリの温度を適温にすることは困難である。
特に電動車では、冷却対象部品である高電圧部品の発熱量と要求温度が、内燃機関を用いた通常の車両よりも低いことから、熱交換器での温度差をとることがより困難となる。また、暖房については、電動車では熱源となる内燃機関が存在せず、高電圧部品の排熱では十分な熱量を得られないため、発熱させるデバイスを別途設ける必要が生じ、これらのデバイスの効率がエネルギー効率に大きく影響する。このため、温度調整対象が複数存在する場合、冷却および暖房に必要なデバイスも複数必要となり、制御も複雑になることから車両のコスト、重量を増加させる要因となっている。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、簡素な構成で車室内の温度調節とバッテリの温度調節を最適に行うことが可能な、新規かつ改良された車両の熱管理システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車室内の温度調節を行う冷媒が循環する冷媒回路と、前記冷媒との間で熱交換を行う液体が循環し、前記車室内の温度調節を行う加熱回路と、前記冷媒との間で熱交換を行う液体をバッテリに導入することで前記バッテリの温度調節を行うバッテリ温度調節回路と、を備える、車両の熱管理システムが提供される。
前記加熱回路と前記バッテリ温度調節回路とが接続され、前記加熱回路を循環する液体が前記バッテリ温度調節回路に導入されるものであっても良い。
また、前記加熱回路と前記バッテリ温度調節回路との接続部に、前記加熱回路を循環する液体の前記バッテリ温度調節回路への導入を制御する制御弁を備えるものであっても良い。
また、前記加熱回路を循環する液体を前記バッテリ温度調節回路へ導入する第１の流路と、前記バッテリ温度調節回路を循環する液体を前記加熱回路へ戻す第２の流路と、を備えるものであっても良い。
また、前記加熱回路を循環する液体を加熱するヒータを備え、前記バッテリを昇温する際に前記ヒータが作動するものであっても良い。
また、前記バッテリの温度調節を行う液体と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換部を備え、前記冷媒回路は、前記熱交換部への前記冷媒の導入を制御する制御弁を備えるものであっても良い。
また、前記バッテリを冷却する際に前記制御弁が開かれることで、前記熱交換部に前記冷媒が導入されるものであっても良い。
また、前記加熱回路を流れる液体と前記冷媒との間で熱交換を行う別の熱交換部を備えるものであっても良い。
以上説明したように本発明によれば、車室内の温度調節とバッテリの温度調節を最適に行うことが可能となる。
本発明の一実施形態に係る車両の熱管理システムの概略構成を示す模式図である。 車室内の冷房時の動作を示す模式図である。 高電圧バッテリの冷却時の動作を示す模式図である。 車室内の冷房と高電圧バッテリの冷却を共に行う場合の動作を示す模式図である。 車室内の除湿時の動作を示す模式図である。 車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作を示す模式図である。 車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作の別の例を示す模式図である。 車室内の除湿と高電圧バッテリの冷却を共に行う動作を示す模式図である。 車室内の除湿と高電圧バッテリの昇温を共に行う動作を示す模式図である。 ヒートポンプ式の車室内暖房の動作を示す模式図である。 高電圧ヒータによる車室内の暖房の動作を示す模式図である。 ヒートポンプによる高電圧バッテリの昇温の動作を示す模式図である。 高電圧ヒータによる高電圧バッテリの昇温の動作を示す模式図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
１．熱管理システムの構成
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る車両の熱管理システム１０００の概略構成について説明する。この熱管理システム１０００は電動車両などの車両に搭載される。図１に示すように、熱管理システム１０００は、冷媒回路２００、加熱回路３００、電池温度調節回路４００、を有している。この熱管理システム１０００では、車室内の温度調節と車両を駆動するためのバッテリの温度調整を、冷媒回路３００と加熱回路４００との組み合わせにより実現している。
１．１．冷媒回路の構成
冷媒回路２００は、室外熱交換機２０２、低圧電磁弁２０４、チラー用膨張弁２０６、アキュムレータ２０８、電動コンプレッサ２１０、水冷コンバイパス電磁弁２１２、高圧電磁弁２１４、暖房用電磁弁２１６、冷房用膨張弁２１７、エバポレータ２１８、逆止弁２０、水冷コンデンサ３０６、チラー４０８と接続されている。
冷却ファン５００が回転すると、冷却ファン５００が発生させた風が冷媒回路２００の室外熱交換機２０２に当たる。これにより、室外熱交換機２０２で熱交換が行われ、室外熱交換機２０２を通る冷媒が冷却される。
また、図１に示すように、冷媒回路２００では、電動コンプレッサ２１０の作動により矢印方向に冷媒が流れる。電動コンプレッサ２１０の上流側に設けられたエバポレータ２０８は、冷媒の気水分離を行う機能を有する。
冷媒回路２００では、電動コンプレッサ２１０により圧縮された冷媒が室外熱交換器２０２で冷却され、冷却用膨張弁２１７によってエバポレータ２１８に噴射されることで気化し、エバポレータ２１８を冷却する。そして、エバポレータ２１０に送風された空気１０が冷やされ、車室内に導入されることで、車室内が冷房される。冷媒回路２００は、主として車室内の冷房、除湿、暖房を行う。
また、本実施形態において、冷媒回路２００は、高電圧バッテリ４１０の温度調節も行う。冷媒回路２００による高電圧バッテリ４１０の温度調節については、後で詳細に説明する。
１．２．加熱回路の構成
加熱回路３００は、高電圧ヒータ３０２、ヒータコア３０４、水冷コンデンサ３０６、ウォータポンプ３０８、三方弁３１０と接続されている。また、加熱回路３００は、流路３１２、流路３１４を介して、電池温度調節回路４００の三方弁４０４，４１２と接続されている。加熱回路３００は、主として車室内の暖房を行う。また、本実施形態において、加熱回路３００は、高電圧バッテリ４１０の温度調節も行う。
加熱回路３００には、加熱用の液体（ＬＬＣ）が流れている。液体は、ウォータポンプ３０８の作動により矢印方向に流れる。液体は、高電圧ヒータ３０２が作動すると、高電圧ヒータ３０２により暖められる。ヒータコア３０４には、エバポレータ２１８に送風された空気１０が当たる。エバポレータ２１８に送風された空気１０は、ヒータコア３０４により暖められ車室内に導入される。これにより、車室内の暖房が行われる。エバポレータ２１８とヒータコア３０４は、一体のデバイスとして構成されていても良い。
水冷コンデンサ３０６は、加熱回路３００と冷媒回路２００との間で熱交換を行う。
加熱回路３００による高電圧バッテリ４１０の温度調節については、後で詳細に説明する。
１．３．電池温度調節回路の構成
電池温度調節回路４００は、ウォータポンプ４０２、三方弁４０４、膨張タンク４０６、チラー４０８、高電圧バッテリ４１０、三方弁４１２と接続されている。電池温度調節回路４００は、高電圧バッテリ４１０の温度調節を行う。
電池温度調節回路４００には、高電圧バッテリ４１０の温度を調節するための液体（ＬＬＣ）が流れている。液体は、ウォータポンプ４０２の作動により矢印方向に流れる。液体は、チラー４０８に導入される。チラー４０８は、電池温度調節回路４００を流れる液体と冷媒回路２００を流れる冷媒との間で熱交換を行う。膨張タンク４０６は、液体を一時的に貯留するタンクである。
上述したように、電池温度調節回路４００は、高電圧バッテリ４１０の温度調節も行う。電池温度調節回路４００による高電圧バッテリ４１０の温度調節については、後で詳細に説明する。
１．４．高電圧バッテリの温度調節
高電圧バッテリ４１０の温度が適度に昇温すると、高電圧バッテリ４１０が発生させる電力が増大する。本実施形態では、冷媒回路２００、加熱回路３００により高電圧バッテリ４１０の温度調節を行うことで、高電圧バッテリ４１０の温度を最適に調節することができ、高出力を発揮させることができる。例えば、冬場の車両始動時等においては、高電圧バッテリ４１０が冷えているため、十分な出力を発揮できない場合がある。また、高電圧バッテリ４１０の充電時には、高電圧バッテリ４１０が発熱し、高電圧バッテリ４１０の温度が過度に上昇してしまう場合がある。このような場合においても、冷媒回路２００、加熱回路３００により高電圧バッテリ４１０の温度調節を行うことで、高電圧バッテリ４１０の温度を最適に調節することが可能である。なお、高電圧バッテリ４１０の温度調節は、高電圧バッテリ４１０の温度測定値に基づくフィードバック制御により行うことが好適である。
２．熱管理システムの動作例
次に、上述のように構成された熱管理システム１０００の動作について説明する。車室内の冷房、除湿、暖房、高電圧バッテリ４１０の温度調節を行うため、各種の熱交換が行われる。以下では、熱管理システムにおけるこれらの動作を説明する。なお、各動作は一例であり、各動作を実現するための制御は例示したものに限定されるものではない。説明に際し、低圧電磁弁２０４、チラー用膨張弁２０６、水冷コンバイパス電磁弁２１２、高圧電磁弁２１４、暖房用電磁弁２１６、三方弁３１０、三方弁４０４、三方弁４１２の動作状態として、図中に白抜きで示したものは開状態として示し、黒く塗りつぶしたものは閉状態として示す。
２．１．車室内の冷房
図２は、車室内の冷房時の動作を示す模式図である。車室内の冷房は、冷媒回路２００によって行われる。図２では、加熱回路３００、電池温度調節回路４００が停止した状態を示している。冷媒回路２００の冷媒は、図２中に矢印で示す方向に流れる。上述したように、エバポレータ２１０に送風された空気１０がエバポレータ２１０で冷やされ、車室内に導入されることで、車室内が冷房される。
２．２．高電圧バッテリの冷却
図３は、高電圧バッテリ４１０の冷却時の動作を示す模式図である。図３において、高電圧バッテリ４１０の冷却は、冷媒回路２００を流れる冷媒と電池温度調節回路４００を流れる液体がチラー４０８との間で熱交換を行うことによる実現される。電動コンプレッサ２１０により圧縮された冷媒が室外熱交換器２０２で冷却され、チラー用膨張弁２０６によってチラー４０８に噴射されることで気化し、チラー４０８を冷却する。これにより、電池温度調節回路４００を流れる液体が冷媒回路２００を流れる冷媒によって冷却される。図３では、加熱回路３００が停止した状態を示している。
２．３．車室内の冷房と高電圧バッテリの冷却
図４は、車室内の冷房と高電圧バッテリ４１０の冷却を共に行う場合の動作を示す模式図である。図２に対してチラー用膨張弁２０６が開かれることで、冷媒回路２００を流れる冷媒と電池温度調節回路４００を流れる液体がチラー４０８でとの間で熱交換が行われ、高電圧バッテリ４１０が冷却される。図４では、加熱回路３００が停止した状態を示している。
２．５．車室内の除湿
図５は、車室内の除湿時の動作を示す模式図である。図２と異なる点は、エバポレータ２１８で冷却して除湿した空気をヒータコア３０４で再度加温する点である。エバポレータ２１８で熱交換を行った後の冷媒は高温、高圧の状態である。ウォータポンプ３０８の作動により加熱回路３００内を液体が流れ、水冷コンデンサ３０６にて加熱回路３００の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路３００の液体が加温される。この際、図５に示すように、三方弁３１０、三方弁４０４、三方弁４１２の一部が閉じられることで、加熱回路３００の液体が電池温度調節回路４００に流入することはない。エバポレータ２１８によって除湿された空気は、ヒータコア３０４で暖められて車室内に導入される。加熱回路３００の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ３０２をオンにして加熱回路３００の液体を更に加温する。
２．６．車室内の除湿と暖房（１）
図６は、車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作を示す模式図である。図６では、冷媒回路２００の冷媒の一部は、ラジエータ１０２を通過することなく、高圧電磁弁２１４を通り、エバポレータ２１８に導入される。ウォータポンプ３０８の作動により加熱回路３００内を液体が流れ、水冷コンデンサ３０６にて加熱回路３００を流れる液体が暖められる。これにより、エバポレータ２１８によって除湿された空気がヒータコア３０４で暖められて車室内に導入される。
２．７．車室内の除湿と暖房（２）
図７は、車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作の別の例を示す模式図である。基本的な動作は図６と同様であるが、図７では、高圧電磁弁２１４と低圧電磁弁２０４が閉じられている。図６と図７の相違について説明すると、図７では、外気温が低温の場合、除湿時に暖房能力を確保するため高電圧ヒータ３０２がオンとされる。一方、図６では、外気温が低温の場合に、冷媒が室外熱交換器２０２をバイパスするため、高電圧ヒータ３０２を使用しなくても暖房能力を確保することが可能である。なお、図６、図７では、図５と同様に、加熱回路３００から電池温度調節回路４００への液体の流入が停止されており、電池温度調節回路４００が停止した状態を示している。
２．８．車室内の除湿と高電圧バッテリの冷却
図８は、車室内の除湿と高電圧バッテリ４１０の冷却を共に行う動作を示す模式図である。図５に対して、チラー用膨張弁２０６が開かれている。電動コンプレッサ２１０により圧縮された冷媒が室外熱交換器２０２で冷却され、チラー用膨張弁２０６によってチラー４０８に噴射されることで気化し、チラー４０８を冷却する。冷媒回路２００を流れる冷媒と電池温度調節回路４００を流れる液体がチラー４０８でとの間で熱交換が行われ、高電圧バッテリ４１０が冷却される。除湿は図５と同様に行われる。
２．９．車室内の除湿と高電圧バッテリの昇温
図９は、車室内の除湿と高電圧バッテリ４１０の昇温を共に行う動作を示す模式図である。基本的な動作は図５と同様であるが、図９では加熱回路３００の液体が電池温度調節回路３００に導入される。このため、加熱回路３００の三方弁３１０と電池温度調節回路４００の三方弁４０４，４１２において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路３００と加熱回路３００における液体は、ウォータポンプ４０２の作動により矢印方向に流れる。加熱回路３００の液体が電池温度調節回路３００に導入されることで、高電圧バッテリ４１０を昇温することができる。エバポレータ２１８によって除湿された空気は、ヒータコア３０４で暖められて車室内に導入される。加熱回路３００の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ３０２をオンにして加熱回路３００の液体を更に加温する。
２．１０．ヒートポンプ式の車室内暖房
図１０は、ヒートポンプ式の車室内暖房の動作を示す模式図である。電動コンプレッサ２１０により冷媒を高温、高圧にして、水冷コンデンサ３０６にて加熱回路３００の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路３００の液体が加温される。図５と同様に、加熱回路３００から電池温度調節回路４００への液体の流入は停止され、電池温度調節回路４００は停止している。車室内に導入される空気は、ヒータコア３０４で暖められる。加熱回路３００の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ３０２をオンにして加熱回路３００の液体を更に加温する。
２．１１．高電圧ヒータによる車室内暖房
図１１は、高電圧ヒータ３０２による車室内の暖房の動作を示す模式図である。高電圧ヒータ３０２により加熱回路３００の液体が加熱され、ヒータコア３０４で熱交換が行われることにより、車室内が暖房される。冷媒回路２００は停止した状態である。また、加熱回路３００から電池温度調節回路４００への液体の流入は停止され、電池温度調節回路４００は停止している。
２．１２．ヒートポンプによる高電圧バッテリの昇温
図１２は、ヒートポンプによる高電圧バッテリ４１０の昇温の動作を示す模式図である。基本的な動作は図１０と同様であるが、図１２では加熱回路３００の液体が電池温度調節回路３００に導入される。このため、加熱回路３００の三方弁３１０と電池温度調節回路４００の三方弁４０４，４１２において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路３００と加熱回路３００における液体は、ウォータポンプ４０２の作動により矢印方向に流れる。ヒートポンプによる高電圧バッテリ４１０の昇温では、電動コンプレッサ２１０により冷媒を高温、高圧にして、水冷コンデンサ３０６にて加熱回路３００の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路３００の液体が加温される。このため、外気温が極低温（例えば−１０℃以下）である場合を除き、高電圧ヒータ３０２は停止状態とされる。従って、電力消費を抑えることができ、エネルギーの利用効率を高めることができる。
２．１３．高電圧ヒータによる高電圧バッテリの昇温
図１３は、高電圧ヒータ３０２による高電圧バッテリ４１０の昇温の動作を示す模式図である。高電圧ヒータ３０２により加熱回路３００の液体が加熱され、電池温度調節回路４００に導入されることで、高電圧バッテリ４１０が昇温される。冷媒回路２００は停止した状態である。図１３においても、加熱回路３００の三方弁３１０と電池温度調節回路４００の三方弁４０４，４１２において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路３００と加熱回路３００における液体は、ウォータポンプ４０２の作動により矢印方向に流れる。
以上のように、基本的には冷媒回路２００を用いて冷媒と車室内の空気との熱交換を行い、また冷媒と電池温度調節回路４００の液体との熱交換を行うことで、車室内の温度調節（冷房、暖房）と、高電圧バッテリ４１０の温度調節を実現する。更に、極低温時には、加熱回路３００と電池温度調節回路４００を接続し、両者を同一回路で構成することで、極低温時における温度要求に対しても対応することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
２００ 冷媒回路
２０６ チラー用膨張弁
３００ 加熱回路
３０２ 高電圧ヒータ
３０６ 水冷コンデンサ
４００ 電池温度調節回路
４０８ チラー
４１０ 高電圧バッテリ
４０４，４１２ 三方弁
１０００ 熱管理システム

Claims (8)

  1. 車室内の温度調節を行う冷媒が循環する冷媒回路と、
    前記冷媒との間で熱交換を行う液体が循環し、前記車室内の温度調節を行う加熱回路と、
    前記冷媒との間で熱交換を行う液体をバッテリに導入することで前記バッテリの温度調節を行うバッテリ温度調節回路と、
    を備えることを特徴とする、車両の熱管理システム。
  2. 前記加熱回路と前記バッテリ温度調節回路とが接続され、
    前記加熱回路を循環する液体が前記バッテリ温度調節回路に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の車両の熱管理システム。
  3. 前記加熱回路と前記バッテリ温度調節回路との接続部に、前記加熱回路を循環する液体の前記バッテリ温度調節回路への導入を制御する制御弁を備えることを特徴とする、請求項２に記載の車両の熱管理システム。
  4. 前記加熱回路を循環する液体を前記バッテリ温度調節回路へ導入する第１の流路と、
    前記バッテリ温度調節回路を循環する液体を前記加熱回路へ戻す第２の流路と、
    を備えることを特徴とする、請求項２に記載の車両の熱管理システム。
  5. 前記加熱回路を循環する液体を加熱するヒータを備え、
    前記バッテリを昇温する際に前記ヒータが作動することを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の車両の熱管理システム。
  6. 前記バッテリの温度調節を行う液体と前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換部を備え、
    前記冷媒回路は、前記熱交換部への前記冷媒の導入を制御する制御弁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の車両の熱管理システム。
  7. 前記バッテリを冷却する際に前記制御弁が開かれることで、前記熱交換部に前記冷媒が導入されることを特徴とする、請求項６に記載の車両の熱管理システム。
  8. 前記加熱回路を流れる液体と前記冷媒との間で熱交換を行う別の熱交換部を備えることを特徴とする、請求項１に記載の車両の熱管理システム。
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