JP2020082804A - 車両用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用冷却装置において作動効率の良い運転範囲を積極的に利用して回転ポンプの回転数を制御する。【解決手段】車両用冷却装置のコントローラは、冷媒の温度が所定範囲内である場合、冷媒の温度に応じて、回転ポンプの回転数ならびにグリルシャッタの開閉状態を制御し、冷媒の温度が所定範囲の下限より低い場合、グリルシャッタを閉状態に維持し、冷媒の温度が所定範囲の上限より高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値以下である場合、グリルシャッタを開状態に維持するとともに、冷媒の温度に応じて回転ポンプの回転数を制御し、冷媒の温度が所定範囲の上限より高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値を超過する場合、グリルシャッタを開状態に維持するとともに、回転ポンプの回転数を冷媒の温度に応じて制御する場合より高い回転数に制御する。【選択図】図２

Description

本明細書は、車両用冷却装置に関する技術を開示する。

冷媒を用いて対象機器を冷却する冷却装置としては、冷媒を送出する回転ポンプの回転数を冷媒の温度に応じて制御するものが知られている（例えば、特許文献１）。そのような冷却装置を車両に搭載することによって、車両の走行負荷に応じて昇温する昇温機器（例えば、パワーコントロールユニットの半導体素子）を冷却することが考えられる。

特開２００４−３０１３５１号公報

回転ポンプの回転数には冷媒の粘性特性と必要流量との関係で作動効率に優れた運転範囲が存在するものの、このような作動効率に優れた運転範囲を積極的に利用することについて、これまでは十分な考慮がなされていなかった。

本明細書に開示する一形態は、車両の走行負荷に応じて昇温する昇温機器を冷却する車両用冷却装置である。この車両用冷却装置は、ラジエータと、配管と、回転ポンプと、グリルシャッタと、コントローラとを備えている。ラジエータは、昇温機器を冷却する冷媒の熱を放熱する。配管は、昇温機器とラジエータとの間で冷媒を循環させるための管である。回転ポンプは、配管内の冷媒を送出する。グリルシャッタは、開状態においてラジエータへの走行風の流入を許容し、閉状態においてラジエータへの走行風の流入を阻止する。コントローラは、回転ポンプおよびグリルシャッタを制御する。コントローラは、冷媒の温度が所定範囲内である場合、冷媒の温度に応じて、回転ポンプの回転数ならびにグリルシャッタの開閉状態を制御する。コントローラは、冷媒の温度が所定範囲の下限より低い場合、グリルシャッタを閉状態に維持するとともに、冷媒の温度に応じて回転ポンプの回転数を制御する。コントローラは、冷媒の温度が所定範囲の上限より高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値以下である場合、グリルシャッタを開状態に維持するとともに、冷媒の温度に応じて回転ポンプの回転数を制御する。コントローラは、冷媒の温度が所定範囲の上限より高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値を超過する場合、グリルシャッタを開状態に維持するとともに、回転ポンプの回転数を冷媒の温度に応じて制御する場合より高い回転数に制御する。要求負荷は、典型的には、アクセルペダル開度に基づいて決定される。

上記形態の車両用冷却装置によれば、冷媒の温度が所定範囲内である場合には、冷媒の温度に応じて回転ポンプの回転数を作動効率に優れた運転範囲で制御し、その上で、冷媒の温度が所定範囲の下限より低い場合には、グリルシャッタを閉状態に維持することによって冷媒の温度が所定範囲内へ上昇することを促進できる。また、冷媒の温度が所定範囲の上限より高い場合であって、所定値を超過する要求負荷によって更なる冷媒の昇温が見込まれる場合には、グリルシャッタを開状態に維持した上で、回転ポンプの回転数を更に高く制御することによって冷媒の温度が所定範囲内へ低下することを促進できる。これらのことから、作動効率に優れた運転範囲を積極的に利用して回転ポンプの回転数を制御できる。その結果、回転ポンプの長寿命化と低消費電力化を図ることができる。なお、グリルシャッタは、閉状態のときにラジエータの走行風の流入を完全に阻止できることが望ましいが、一部の走行風の流入を阻止できるものであればよい。すなわち、グリルシャッタは、閉状態のとき、開状態のときと比べて少ない量の走行風を流入させるものであればよい。

車両用冷却装置の構成を示す説明図である。 コントローラによって制御される回転ポンプおよびグリルシャッタの動作態様を示す説明図である。 コントローラが実行する冷却制御処理を示すフローチャートである。

図１は、車両用冷却装置１０の構成を示す説明図である。車両用冷却装置１０は、冷媒（冷却水）を用いて半導体素子２０を冷却する装置である。車両用冷却装置１０は、内燃機関による動力と電動機による動力との両方を用いて走行するハイブリッド車両に搭載される。なお、図１では、ハイブリッド車両自体の図示は省略している。半導体素子２０は、電動機に供給される電力を制御するパワーコントロールユニットの一部を構成する。半導体素子２０は、車両の走行負荷に応じて昇温する昇温機器である。

車両用冷却装置１０は、ラジエータ１１０と、配管１２０と、リザーブタンク１２５と、回転ポンプ１３０と、グリルシャッタ１４０と、温度センサ１５０と、コントローラ２００とを備えている。

車両用冷却装置１０のラジエータ１１０は、半導体素子２０から熱を吸収した冷媒の熱を放熱する熱交換器である。ラジエータ１１０は、冷媒を内部に流し、熱伝導を利用して周囲の空気へ放熱する。

車両用冷却装置１０の配管１２０は、半導体素子２０とラジエータ１１０との間で冷媒を循環させるパイプである。配管１２０は、ラジエータ１１０から回転ポンプ１３０、リザーブタンク１２５、半導体素子２０を順に巡り再びラジエータ１１０へと戻る流路を形成する。車両用冷却装置１０のリザーブタンク１２５は、冷媒を貯留する容器である。

車両用冷却装置１０の回転ポンプ１３０は、配管１２０に設けられ、配管１２０の内部の冷媒を送出する。回転ポンプ１３０は、回転運動によってポンプ作用を発生させる。回転ポンプ１３０は、コントローラ２００からの制御信号に基づいて作動する。

車両用冷却装置１０のグリルシャッタ１４０は、車両においてラジエータ１１０の前方に配置されている。グリルシャッタ１４０は、ラジエータ１１０への走行風の流入量を制御する。グリルシャッタ１４０は、ルーバ（羽板）の開閉によって走行風の流入量を制御する。グリルシャッタ１４０は、開状態においてラジエータ１１０への走行風の流入を許容する。グリルシャッタ１４０は、閉状態においてラジエータ１１０への走行風の流入を阻止する。グリルシャッタ１４０は、コントローラ２００からの制御信号に基づいて作動する。先に述べたように、グリルシャッタ１４０は、閉状態のとき、ラジエータ１１０への走行風の流入を完全に阻止するものであることが望ましいが、開状態のときと比較して流入量が少なくなるものであればよい。

グリルシャッタ１４０を閉じると、ラジエータ１１０への走行風の流入が阻止され、ラジエータ１１０の放熱効果が減じられる。グリルシャッタ１４０を開くと、ラジエータ１１０へ走行風が流入し、高い放熱効果が得られる。すなわち、グリルシャッタ１４０を閉じると、開状態のときと比較して、ラジエータ１１０において冷媒に対する冷却効果が減じられる。

車両用冷却装置１０の温度センサ１５０は、冷媒の温度を検出する。温度センサ１５０は、半導体素子２０において冷媒が配管１２０へと排出される出口の近傍に設けられている。温度センサ１５０は、検出信号をコントローラ２００へと出力する。

車両用冷却装置１０のコントローラ２００は、回転ポンプ１３０およびグリルシャッタ１４０を制御する。コントローラ２００は、パルス幅変調（ＰＭＷ）制御によって回転ポンプ１３０の回転数を制御する。コントローラ２００の機能は、コンピュータプログラムに基づいてソフトウェア的に実現される。コントローラ２００の各部による機能の少なくとも一部は、回路構成に基づいてハードウェア的に実現されてもよい。

図２は、コントローラ２００によって制御される回転ポンプ１３０およびグリルシャッタ１４０の動作態様を示す説明図である。図２の横軸は、冷媒温度Ｔｒを示す。冷媒温度Ｔｒは、温度センサ１５０からの検出信号に基づいてコントローラ２００によって判断される冷媒の検出温度である。図２の縦軸は、コントローラ２００によって制御される回転ポンプ１３０の目標回転数を示す。

目標範囲ＲＴは、冷媒の粘性特性と必要流量との関係で回転ポンプ１３０の作動効率に優れた冷媒の温度範囲であり、下限温度ＴｃＬ以上から上限温度ＴｃＨ以下までの範囲（例えば、１５℃から３５℃の範囲）である。最高温度ＴｃＭは、車両用冷却装置１０が通常に稼働している状態において冷媒が上昇し得る最高温度である。冷媒が最高温度ＴｃＭを超過する場合、車両用冷却装置１０は、高外気温度かつ高負荷の状況にある可能性が高い。

低温範囲ＲＤは、下限温度Ｔｃより低い冷媒の温度範囲である。高温範囲ＲＵは、上限温度ＴｃＨより高く、かつ、最高温度ＴｃＭ以下にある冷媒の温度範囲である。非通常範囲ＲＥは、最高温度ＴｃＭより高い冷媒の温度範囲である。低温範囲ＲＤでは、粘性が高くなるので目標回転数も高くなる。ただし、目標範囲ＲＴと高温範囲ＲＵほどには、冷却能力は要求されない。

低温範囲ＲＤ、目標範囲ＲＴ、高温範囲ＲＵは、コントローラ２００が通常的な制御を実行する温度範囲である。非通常範囲ＲＥは、コントローラ２００が非通常事態への対応として例外的な制御を実行する温度範囲である。

コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内にある場合、冷媒温度Ｔｒに応じて、回転ポンプ１３０の回転数ならびにグリルシャッタ１４０の開閉状態を制御する（目標範囲ＲＴにおける実線Ｌａを参照）。コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが下限温度Ｔｃより低い低温範囲ＲＤにある場合、グリルシャッタ１４０を閉状態に維持するとともに、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（低温範囲ＲＤにおける実線Ｌａを参照）。なお、図２では、実線Ｌａを直線（線形関係）で描いたが、目標回転数と冷媒温度の関係は、線形関係でなくともよい。

コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが上限温度ＴｃＨより高い高温範囲ＲＵにある場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値以下である場合、グリルシャッタ１４０を開状態に維持するとともに、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（高温範囲ＲＵにおける実線Ｌａを参照）。コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが高温範囲ＲＵにある場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値を超過する場合、グリルシャッタ１４０を開状態に維持するとともに、回転ポンプ１３０の回転数を冷媒温度Ｔｒに応じて制御する場合より高い回転数ＤｂＨに制御する（高温範囲ＲＵにおける一点鎖線Ｌｂを参照）。回転数ＤｂＨは、通常的な制御において回転ポンプ１３０の回転数を冷媒温度Ｔｒに応じて制御する最高回転数ＤａＭより高い回転数である。

コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが最高温度ＴｃＭより高い非通常範囲ＲＥにある場合は、車両の運転者から要求される要求負荷の大きさに関わらず、グリルシャッタ１４０を開状態に維持するとともに、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（異常範囲ＲＥにおける実線Ｌａを参照）。先に述べたように、冷媒温度Ｔｒが非通常範囲ＲＥにある場合には、通常の制御（冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を決定する制御）に戻した方が、リスクを低減できる。

運転者から要求される要求負荷は、アクセルペダルの開度によって検知される。要求負荷とアクセルペダルの開度との間には正の相関がある。コントローラ２００は、アクセルペダルの開度が大きいほど、要求負荷が大きいと判断する。

図３は、コントローラ２００が実行する冷却制御処理を示すフローチャートである。図３の冷却制御処理は、コントローラ２００によってメインルーチンから定期的に実行されるサブルーチンである。

冷却制御処理を開始した後、コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが下限温度ＴｃＬ以上、上限温度ＴｃＨ以下であるか否か、言い換えると、冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内である場合（ステップＳ１１０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、通常制御（ステップＳ１２０）を実行する。通常制御（ステップＳ１２０）では、コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒに応じて、回転ポンプ１３０の回転数ならびにグリルシャッタ１４０の開閉状態を制御する。通常制御（ステップＳ１２０）を実行した後、コントローラ２００は、冷却制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内にない場合（ステップＳ１１０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが下限温度ＴｃＬ未満であるか否か、言い換えると、冷媒温度Ｔｒが低温範囲ＲＤにあるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。冷媒温度Ｔｒが低温範囲ＲＤにある場合（ステップＳ１３０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、グリルシャッタ１４０を閉状態に維持するとともに（ステップＳ１３２）、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（ステップＳ１３４）。その後、コントローラ２００は、冷却制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

冷媒温度Ｔｒが低温範囲ＲＤにない場合、言い換えると、冷媒温度Ｔｒが上限温度ＴｃＨより高い場合（ステップＳ１３０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、グリルシャッタ１４０を開状態に維持する（ステップＳ１４０）。その後、コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが最高温度ＴｃＭ以下であるか否か、言い換えると、冷媒温度Ｔｒが高温範囲ＲＵにあるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。

冷媒温度Ｔｒが高温範囲ＲＵにある場合（ステップＳ１５０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、車両の運転モードが電気自動車モード（ＥＶモード）であるか否かを判断する（ステップＳ１６０）。ＥＶモードは、電動機による動力のみで走行する運転モードである。

ＥＶモードでない場合、言い換えると、車両の動力の少なくとも一部に内燃機関の動力を使用している場合（ステップＳ１６０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、アクセル開度が設定値Ａ１％より大きいか否かを判断する（ステップＳ１６２）。アクセル開度は、車両の運転者から受け付けた要求負荷の度合いであり、要求負荷がない０％から最大の要求負荷である１００％の値となる。

ＥＶモードである場合、言い換えると、内燃機関の動力を使用していない場合（ステップＳ１６０：「ＹＥＳ」）、コントローラ２００は、アクセル開度が設定値Ａ２より大きいか否かを判断する（ステップＳ１６４）。ＥＶモードでは、内燃機関の動力を使用する走行モードと比較して、同じアクセル開度であっても、半導体素子２０の発熱量が多くなることから、設定値Ａ２は、設定値Ａ１より小さな値に設定されている。

アクセル開度が設定値Ａ１％以下である場合（ステップＳ１６２：「ＮＯ」）、または、アクセル開度が設定値Ａ２％以下である場合（ステップＳ１６４：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、グリルシャッタ１４０を開状態に維持した状態で、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（ステップＳ１７０）。その後、コントローラ２００は、冷却制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

アクセル開度が設定値Ａ１％より大きい場合（ステップＳ１６２：「ＹＥＳ」）、または、アクセル開度が設定値Ａ２％より大きい場合（ステップＳ１６４：「ＹＥＳ」）、グリルシャッタ１４０を開状態に維持した状態で、回転ポンプ１３０の回転数を冷媒温度Ｔｒに応じて制御する場合より高い回転数ＤｂＨに制御する（ステップＳ１８０）。回転数ＤｂＨは、通常的な制御において回転ポンプ１３０の回転数を冷媒温度Ｔｒに応じて制御する最高回転数ＤａＭより高い回転数である。回転ポンプ１３０の回転数を回転数ＤｂＨに制御した後（ステップＳ１８０）、コントローラ２００は、冷却制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

冷媒温度Ｔｒが高温範囲ＲＵにない場合、言い換えると、冷媒温度Ｔｒが異常範囲ＲＥにある場合（ステップＳ１５０：「ＮＯ」）、コントローラ２００は、異常事態に対する例外的な処理として、グリルシャッタ１４０を開状態に維持した状態で、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する（ステップＳ１９０）。その後、コントローラ２００は、冷却制御処理を終了し、メインルーチンにリターンする。

以上説明した実施形態によれば、冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内である場合には、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を作動効率に優れた運転範囲で制御し、その上で、冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴの下限温度ＴｃＬより低い場合には、グリルシャッタ１４０を閉状態に維持することによって冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴへ上昇することを促進できる。また、冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴの上限温度ＴｃＨより高い場合であって、設定値Ａ１％（非ＥＶモード）または設定値Ａ２％（ＥＶモード）より大きいアクセル開度によって更なる冷媒の昇温が見込まれる場合には、グリルシャッタ１４０を開状態に維持した上で、回転ポンプ１３０の回転数を更に高く制御することによって冷媒温度Ｔｒが目標範囲ＲＴ内へ低下することを促進できる。これらのことから、作動効率に優れた運転範囲である目標範囲ＲＴを積極的に利用して回転ポンプ１３０の回転数を制御できる。その結果、回転ポンプ１３０の長寿命化と低消費電力化を図ることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。高負荷判定（ステップＳ１６２，Ｓ１６４）において、コントローラ２００は、アクセル開度に限らず、インバータ電流、要求駆動力など、負荷に応じて変化するパラメータを用いて高負荷であるか否かを判定してもよい。

先に述べたように、冷媒温度Ｔｒが図２の非通常範囲ＲＥに属する場合とは、高外気温度かつ高負荷のイレギュラーな場合である。従って、冷媒温度Ｔｒが非通常範囲ＲＥにある場合の処理は、一種の例外処理である。通常の場合は、冷媒温度Ｔｒは非通常範囲ＲＥまで上昇することはない。通常の場合のコントローラ２００の処理は、以下の通りとなる。（１）コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが所定範囲の上限温度ＴｃＨより高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値以下である場合には、グリルシャッタ１４０を開状態に維持するとともに、冷媒温度Ｔｒに応じて回転ポンプ１３０の回転数を制御する。（２）コントローラ２００は、冷媒温度Ｔｒが所定範囲の上限温度ＴｃＨより高い場合であって、車両の運転者から要求される要求負荷が所定値を超過する場合、グリルシャッタ１４０を開状態に維持するとともに、回転ポンプ１３０の回転数を冷媒温度Ｔｒに応じて制御する場合より高い回転数に制御する。

図２の実線のグラフＬａは、冷媒温度Ｔｒと目標回転数の関係を模式化して描いてある。冷媒温度Ｔｒと目標回転数の関係は、非線形であってもよい。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：車両用冷却装置
２０：半導体素子
１１０：ラジエータ
１２０：配管
１２５：リザーブタンク
１３０：回転ポンプ
１４０：グリルシャッタ
１５０：温度センサ
２００：コントローラ

Claims (1)

1. 車両の走行負荷に応じて昇温する昇温機器を冷却する車両用冷却装置であって、
   前記昇温機器を冷却する冷媒の熱を放熱するラジエータと、
   前記昇温機器と前記ラジエータとの間で前記冷媒を循環させる配管と、
   前記配管内の前記冷媒を送出する回転ポンプと、
   開状態において前記ラジエータへの走行風の流入を許容し、閉状態において前記ラジエータへの走行風の流入を阻止するグリルシャッタと、
   前記回転ポンプおよび前記グリルシャッタを制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記冷媒の温度が所定範囲内である場合、前記冷媒の温度に応じて、前記回転ポンプの回転数ならびに前記グリルシャッタの開閉状態を制御し、
   前記冷媒の温度が前記所定範囲の下限より低い場合、前記グリルシャッタを閉状態に維持するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記回転ポンプの回転数を制御し、
   前記冷媒の温度が前記所定範囲の上限より高い場合であって、前記車両の運転者から要求される要求負荷が所定値以下である場合、前記グリルシャッタを開状態に維持するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記回転ポンプの回転数を制御し、
   前記冷媒の温度が前記所定範囲の上限より高い場合であって、前記車両の運転者から要求される要求負荷が前記所定値を超過する場合、前記グリルシャッタを開状態に維持するとともに、前記回転ポンプの回転数を前記冷媒の温度に応じて制御する場合より高い回転数に制御する、車両用冷却装置。

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