JP2020157843A - 熱量制御装置及び熱量制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷房用の熱回路から冷却水を循環させる熱回路へと所望の熱量を移動させつつ、熱移動に要する消費電力を低減できる熱量制御装置を提供する。【解決手段】熱量制御装置は、冷却水を循環させる第１の熱回路と、冷媒を状態変化させながら循環させ、第１の高温冷却回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に設けられる。第２の熱回路からの排熱要求がある場合、この排熱要求を満足し、かつ、排熱を行うために用いる複数のユニットの消費電力の和が最小となるように、各ユニットの操作量を決定する。この制御により、冷媒回路の排熱要求を満足しつつ、排熱に要する電力を低減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両における熱量の移動を制御する熱量制御装置及び熱量制御方法に関する。
特許文献１には、冷凍回路、低水温回路及び高水温回路を備え、冷凍回路及び高水温回路がコンデンサを介して熱交換可能であり、冷凍回路及び低水温回路が冷媒−水熱交換器を介して熱交換可能である車両用空調装置が記載されている。特許文献１に記載の車両用空調装置では、冷凍回路と低水温回路との間で熱交換可能なサブクール（ＳＣ）コンデンサを設け、ＳＣコンデンサで冷凍回路の冷媒の冷却を促進することにより、冷凍回路の効率改善を図っている。
特開２０１５−１８６９８９号公報
特許文献１に記載の車両用空調装置では、冷凍回路のコンプレッサや高水温回路のウォーターポンプを駆動することにより、冷凍回路及び高水温回路の間で熱移動を行うことができる。しかしながら、コンプレッサやウォーターポンプを駆動する際、これらの消費電力は考慮されておらず、車両全体で電力が無駄になる可能性がある。
それ故に、本発明は、冷房用の熱回路から冷却水を循環させる熱回路へと所望の熱量を移動させつつ、熱移動に要する消費電力を低減できる熱量制御装置及び熱量制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、冷却水を循環させるウォーターポンプと、冷却水の熱を車外に放熱可能なラジエータと、ラジエータの通風量を増加させるラジエータファンとを有する第１の熱回路と、冷媒を状態変化させながら循環させるコンプレッサを有し、第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に搭載され、第２の熱回路から第１の熱回路から熱移動を制御する熱量制御装置に関する。熱量制御装置は、第１の熱回路が要求する吸熱量と、第２の熱回路が第１の熱回路への排出を要求する排熱量とを算出する第１の算出部と、ラジエータから車外に放熱を行うか否かを判定する判定部と、判定部がラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、第１の熱回路が要求する吸熱量と、第２の熱回路が要求する排熱量とに基づいて、ラジエータに要求する放熱量を算出する第２の算出部と、判定部がラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、第１の算出部が算出した第２の熱回路の排熱量と第２の算出部が算出したラジエータの放熱量とを満足し、かつ、ウォーターポンプ、コンプレッサ及びラジエータファンの消費電力の和が最小となるように、コンプレッサ、ウォーターポンプ及びラジエータファンの操作量を決定する決定部とを備える。
また、本発明は、冷却水を循環させるウォーターポンプと、冷却水の熱を車外に放熱可能なラジエータと、ラジエータの通風量を増加させるラジエータファンとを有する第１の熱回路と、冷媒を状態変化させながら循環させるコンプレッサを有し、第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両において、第２の熱回路から第１の熱回路への熱移動を制御する方法に関する。当該方法では、第１の熱回路が要求する吸熱量と、第２の熱回路が第１の熱回路への排出を要求する排熱量とを算出し、ラジエータから車外に放熱を行うか否かを判定し、ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、第１の熱回路が要求する吸熱量と、第２の熱回路が要求する排熱量とに基づいて、ラジエータに要求する放熱量を算出し、ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、算出した第２の熱回路が要求する排熱量と、算出したラジエータに要求する放熱量とを満足し、かつ、ウォーターポンプ、コンプレッサ及びラジエータファンの消費電力の和が最小となるように、コンプレッサ、ウォーターポンプ及びラジエータファンの操作量を決定する。
本発明によれば、冷房用の熱回路から冷却水を循環させる熱回路へと所望の熱量を移動させつつ、熱移動に要する消費電力を低減できる熱量制御装置及び熱量制御方法を提供できる。
実施形態に係る熱量制御装置及び熱回路の概略構成を示す機能ブロック図 図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図 図１に示した熱制御装置が実行する制御処理を示すフローチャート 水冷コンデンサの概略構成を示す模式図 ラジエータの概略構成を示す模式図 冷媒回路で発生した熱を車外に排出するために駆動するユニットの消費電力の組み合わせの一例を示す図 図６Ａに示すＡパターン及びＢパターンのそれぞれの消費電力の合計を示す図
本発明の一実施態様に係る熱量制御装置は、冷却水を循環させる高温冷却回路と、冷媒を状態変化させながら循環させ、高温冷却回路と熱交換可能な冷媒熱回路とを備える車両に設けられる。冷媒回路からの排熱要求がある場合、この排熱要求を満足し、かつ、排熱を行うために用いる複数のユニットの消費電力の和が最小となるように、各ユニットの操作量を決定する。この制御により、冷媒回路の排熱要求を満足しつつ、排熱に要する電力を低減できる。
（実施形態）
＜構成＞
図１は、実施形態に係る熱量制御装置及び熱回路の概略構成を示す機能ブロック図であり、図２は、図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図である。
図１に示す熱量制御装置１は、高温冷却回路ＨＴ及び冷媒回路ＲＥの少なくとも２つの熱回路を備える車両に搭載され、冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへの熱移動と、高温冷却回路ＨＴから車外への排熱とを制御する装置である。本実施形態では、熱回路として、バッテリ等の冷却を行う低温冷却回路ＬＴが更に設けられている。高温冷却回路ＨＴ、冷媒回路ＲＥ及び低温冷却回路ＬＴは、それぞれ熱媒体を循環させる流路を有する。
図２を参照して、高温冷却回路ＨＴは、冷却水を循環させる回路であり、ヒータコア１１と、電気ヒータ１２と、高温冷却系ラジエータ（以下、単に「ラジエータ」という）１３と、切替弁１４と、ウォーターポンプ（図面において、「Ｗ／Ｐ」と記載する）１５と、電動ラジエータファン１６とを備える。高温冷却回路ＨＴは、車室内の暖房のために冷却水に蓄熱する機能と、冷媒回路ＲＥから熱交換により受け取った熱を車外に放熱する機能とを有する。ヒータコア１１は、冷却水が流れるチューブとフィンとを有し、フィンを通過する空気と冷却水の間で熱交換を行うユニットである。電気ヒータ１２は、冷却水の温度が不足する際に冷却水を加熱するユニットである。ラジエータ１３は、冷却水を空冷するためのユニットであり、冷却水が流れるチューブとフィンを有し、フィンを通過する空気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータコアを含む。電動ラジエータファン１６は、ラジエータ１３のラジエータコアの後方に設けられ、ラジエータコアに強制通風を行うことができるユニットである。尚、ラジエータコアの前方に、ラジエータコアへの通風量を増減させるグリルシャッターが設けられる場合もある。ウォーターポンプ１５は、高温冷却回路ＨＴ内で冷却水を循環させるユニットである。また、高温冷却回路ＨＴには、冷却水の温度を測定するための温度センサ１７が設けられている。
冷媒回路ＲＥは、冷媒を状態変化させながら循環させる回路であり、コンプレッサ２１と、水冷コンデンサ２２と、膨張弁２３と、エバポレータ２４と、電磁弁２５と、膨張弁２６と、チラー２７と、電磁弁２８とを備える。コンプレッサ２１が圧縮した冷媒は、水冷コンデンサ２２において高温冷却回路ＨＴの冷却水で冷却され、凝縮される。水冷コンデンサ２２において冷媒が凝縮される過程で、冷媒から高温冷却回路ＨＴの冷却水へと放熱が行われる。電磁弁２５を開放した状態において、水冷コンデンサ２２で凝縮された冷媒を膨張弁２３からエバポレータ２４内に噴射して膨張させることにより、エバポレータ２４の周囲の空気から吸熱を行うことができる。また、電磁弁２８を開放した状態において、水冷コンデンサ２２で凝縮された冷媒を膨張弁２６からチラー２７に噴射して膨張させることにより、低温冷却回路ＬＴの冷却水から吸熱を行うことができる。冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへの放熱量は、コンプレッサ２１の出力と高温冷却回路ＨＴのウォーターポンプ１５の出力に応じて制御することができる。
図２の熱回路の構成例では、ブロワ４０が設けられている。ブロワ４０は、車室内の空調状態（冷房、暖房、除湿暖房等）に応じて、ヒータコア１１及びエバポレータ２４の一方または両方に強制通風を行うユニットである。
低温冷却回路ＬＴは、冷却水を循環させる回路であり、バッテリ３１と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）３２と、トランスアクスル（以下、「Ｔ／Ａ」という）３３と、ラジエータ３４と、ウォーターポンプ３５とを備える。バッテリ３１は、走行用モータに供給するための電力を蓄積するユニットである。ＰＣＵ３２は、走行用モータを駆動するインバータや電圧変換を行うＤＣＤＣコンバータ等を含み、走行用モータに供給する電力を制御するユニットである。Ｔ／Ａ３３は、走行用モータ、発電機、動力分割機構及びトランスミッションを一体化したユニットである。ラジエータ３４は、冷却水を空冷するためのユニットであり、冷却水が流れるチューブとフィンを有し、フィンを通過する空気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータコアを含む。また、ラジエータ３４は、グリルシャッター及び／またはラジエータファンを更に含んでも良い。グリルシャッターは、ラジエータコアの前方に設けられ、ラジエータコアへの通風量を増減させる。ラジエータファンは、ラジエータコアの後方に設けられ、ラジエータコアに強制通風を行う。ウォーターポンプ３５は、低温冷却回路ＬＴ内で冷却水を循環させるユニットである。低温冷却回路ＬＴは、チラー２７を介して冷媒回路ＲＥと熱交換可能に結合されており、低温冷却回路ＬＴの熱を冷媒回路ＲＥに移動することが可能である。低温冷却回路ＬＴから冷媒回路ＲＥへの移動熱量は、ウォーターポンプ３５の出力、冷媒回路ＲＥの膨張弁２６の開度、コンプレッサ２１の出力等に応じて制御することができる。
低温冷却回路ＬＴは、バッテリ３１、ＰＣＵ３２及びＴ／Ａ３３を冷却し、これらの信頼性を確保するために設けられるものであるので、低温冷却回路ＬＴを循環する冷却水の温度は、通常、高温冷却回路ＨＴを循環する冷却水の温度よりも低く維持される。以下の説明では、高温冷却回路ＨＴの冷却水と低温冷却回路ＬＴの冷却水とを区別する目的で、前者を「高温冷却水」といい、後者を「低温冷却水」という場合がある。
尚、図２では、電気電動車に搭載される熱回路を例として説明したが、本実施形態に係る熱量制御装置は、ハイブリッド車に適用することも可能である。ハイブリッド車の場合は、高温冷却回路ＨＴをエンジンの冷却に使用することができる。
図１に戻って、熱量制御装置１は、第１の算出部２と、判定部３と、第２の算出部４と、決定部５と、指示部６とを備える。第１の算出部２は、水冷コンデンサ２２の要求排熱量、すなわち、冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへと排出を要求する排熱量を算出する。判定部３は、空調の設定等に基づき、高温冷却回路ＨＴのラジエータ１３から車外に放熱を行うか否かを判定する。また、判定部３は、ラジエータ１３から車外に放熱を行う場合、予め定められた条件に基づき、電動ラジエータファン１６の駆動が必要であるか否かを判定する。第２の算出部４は、判定部３がラジエータ１３から車外に放熱を行うと判定した場合、高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量と、冷媒回路ＲＥが水冷コンデンサ２２を介して高温冷却回路ＨＴへと排出を要求する排熱量とに基づいて、ラジエータ１３に要求する放熱量を算出する。決定部５は、判定部３の判定結果、並びに、第１の算出部２及び第２の算出部４の算出結果に基づいて、冷媒回路ＲＥのコンプレッサ２１と、高温冷却回路ＨＴのウォーターポンプ１５と、電動ラジエータファン１６の操作量（駆動量）とを決定する。指示部６は、決定部５が決定した操作量に基づいて、各ユニットの制御部に対して各ユニットの駆動を指示する。
尚、熱量制御装置１は、車載ネットワークを介して各熱回路に含まれるユニットのそれぞれと通信可能であり、各ユニットの熱要求を取得することができる。各ユニットの熱要求は、ユニットが要求する吸熱量またはユニットが要求する排熱量の値を含む情報である。吸熱量または排熱量は、単位時間当たりの熱エネルギーの移動量（仕事率、単位：Ｗ）で表されることが好ましい。
＜制御処理＞
以下、図３〜図６Ｂを参照しながら、第１の算出部２、判定部３、第２の算出部４、決定部５及び指示部６が実行する処理の詳細を説明する。
図３は、図１に示した熱制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。図３の制御処理は、車両の始動に伴って開始され、車両の動作が停止するまで所定の時間間隔で繰り返し実行される。
ステップＳ１：第１の算出部２が、高温冷却回路ＨＴの要求吸熱量と水冷コンデンサ２２の要求排熱量とを算出する。高温冷却回路ＨＴの要求吸熱量は、暖房使用時に必要な吸熱量である。水冷コンデンサ２２の要求排熱量は、冷媒回路ＲＥが水冷コンデンサ２２から高温冷却回路ＨＴへと排出を要求する排熱量であり、車室内の冷房のために冷媒回路ＲＥのユニットが要求する排熱量と、バッテリ３１等の冷却のために低温冷却回路ＬＴがチラー２７を介して冷媒回路ＲＥに排出を要求する排熱量との和である。冷房に伴って冷媒回路ＲＥのユニットが要求する排熱量は、コンプレッサ２１が冷媒を圧縮することによって発生する排熱量と、エバポレータ２４が空気から吸収する吸熱量との和である。第１の算出部２は、高温冷却回路ＨＴのヒータコア１１が要求する吸熱量をエアコンの制御装置から通信により取得する。また、第１の算出部２は、冷媒回路ＲＥの各ユニット及び低温冷却回路ＬＴの各ユニットが要求する排熱量をそれぞれのユニットの制御装置から通信により取得する。第１の算出部２は、冷媒回路ＲＥの各ユニットが要求する排熱量と低温冷却回路ＬＴの各ユニットが要求する排熱量とを加算することにより、冷媒回路ＲＥが水冷コンデンサ２２から排出を要求する排熱量を算出する。吸熱量及び排熱量を単位時間当たりの熱エネルギーの移動量（仕事率、単位：Ｗ）で表すことにより、冷媒回路ＲＥが水冷コンデンサ２２から排出を要求する排熱量を容易に算出することができ、高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量との比較も容易である。その後、処理はステップＳ２に進む。
尚、ヒータコア１１が要求する吸熱量は、エアコンの制御装置が車室内の温度や高温冷却水の水温、暖房の設定温度等に基づいて推定する。冷媒回路ＲＥの各ユニットが要求する排熱量は、各ユニットの制御装置が、車室内の温度や冷媒温度、冷房の設定温度等に基づいて推定する。また、低温冷却回路ＬＴの各ユニットが要求する排熱量は、各ユニットの制御装置が、バッテリ３１のＳＯＣや現在の温度、目標温度、ＰＣＵ３２及びＴ／Ａ３３の現在の温度及び目標温度、冷却水の水温等に基づいて推定する。各ユニットが要求する排熱量は、例えば、制御対象の温度（気温、水温等）を現在値から制御目標値まで変化させるために必要な吸熱量または排熱量の時間変化が予めマッピングされたマップデータに基づいて推定することができる。
ステップＳ２：判定部３は、高温冷却回路ＨＴのラジエータ１３から車外に放熱を行うか否かを判定する。例えば、冷房時には水冷コンデンサ２２において冷媒回路ＲＥの冷媒を冷却することにより高温冷却水の温度が上昇するが、冷房時に高温冷却回路ＨＴの冷却水に熱を蓄える必要はないため、判定部３は、ラジエータ１３からの放熱を行うと判定する。暖房時には高温冷却水に熱を蓄えるため、判定部３は、ラジエータ１３からの放熱を行わないと判定する。また、除湿暖房時には除湿のために冷媒回路ＲＥで発生した排熱を高温冷却回路ＨＴに移動させ、暖房のために使用することができるが、冷媒回路ＲＥからの排熱量が、高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量（すなわち、暖房に必要な熱量）を超えると、超過分の熱を車外に放出するために、判定部３は、ラジエータ１３からの放熱を行うと判定する。ステップＳ２の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ３に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ７に進む。
ステップＳ３：第２の算出部４は、判定部３がラジエータ１３から車外に排熱を行うと判定した場合、ラジエータ１３への要求放熱量、すなわち、ラジエータ１３に放出させる熱量を算出する。ラジエータ１３への要求放熱量は、高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量と、冷媒回路ＲＥが水冷コンデンサ２２を介して高温冷却回路ＨＴへと排出を要求する排熱量とに基づいて算出することができる。例えば、冷房時に高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量はゼロであるので、ステップＳ１で算出された水冷コンデンサ２２からの要求排熱量がラジエータ１３への要求排熱量となる。また、除湿暖房時はステップＳ１で算出された水冷コンデンサ２２からの要求排熱量と高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量との差がラジエータ１３への要求排熱量となる。その後、処理はステップＳ４に進む。
ステップＳ４：判定部３は、電動ラジエータファン１６を駆動するか否かを判定する。ラジエータ１３の放熱能力が低い場合、電動ラジエータファン１６を駆動することによって、ラジエータ１３の通過風速を増加させ、放熱能力を向上させることができる。ステップＳ４の判定条件は、高温冷却水の水温と車速に基づいて設定することができる。例えば、判定部３は、高温冷却水の水温が所定の閾値Ｔ１以上、かつ、車速が所定の閾値Ｖ１以下の場合に電動ラジエータファン１６を駆動すると判定しても良い。この場合、更に、判定部３は、車速が所定の閾値Ｖ１を超え、かつ、高温冷却水の水温が所定の閾値Ｔ２以上（ただし、Ｔ２＞Ｔ１）の場合に電動ラジエータファン１６を駆動すると判定しても良い。ステップＳ４の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ５に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ６に進む。
ステップＳ５：ステップＳ１で算出された水冷コンデンサ２２からの要求排熱量及びステップＳ３で算出されたラジエータ１３への要求放熱量を満たし、かつ、冷媒回路ＲＥのコンプレッサ２１、高温冷却回路ＨＴのウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力の和が最小となるように、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６のそれぞれの操作量を決定する。
図４に水冷コンデンサの概略構成を模式的に示す。水冷コンデンサ２２において、高温冷却水の入口水温をＴｈｉ、高温冷却水の出口水温をＴｈｏ、冷媒の入口温度をＴｒｉ、冷媒の出口温度をＴｒｏ、冷媒入口における冷媒及び高温冷却水の温度差をΔＴｗｃｉ、冷媒出口における冷媒及び高温冷却水の温度差をΔＴｗｃｏとする。この場合、水冷コンデンサ２２からの放熱量（全伝熱量）Ｑｗｃは、以下の数１により与えられる。また、冷媒及び高温冷却水の温度差ΔＴｗｃ（対数平均温度差）及び水冷コンデンサ２２の熱通過率Ｋｗｃは、それぞれ以下の数２及び数３で与えられる。
Figure 2020157843
Figure 2020157843
Figure 2020157843
 ここで、
Ｑｗｃ：水冷コンデンサ２２の放熱量
Ｋｗｃ：水冷コンデンサ２２の熱通過率
Ａｗｃ：水冷コンデンサ２２の伝熱面積
ΔＴｗｃ：冷媒及び高温冷却水の温度差
ΔＴｗｃｉ：冷媒入口における冷媒及び高温冷却水の温度差
ΔＴｗｃｏ：冷媒出口における冷媒及び高温冷却水の温度差
ｈｒｅ：冷媒回路ＲＥ側の熱伝達率
ｈｈｔ：高温冷却回路ＨＴ側の熱伝達率
である。
また、図５にラジエータの概略構成を模式的に示す。ラジエータ１３において、高温冷却水の入口水温をＴｈｉ、高温冷却水の出口水温をＴｈｏ、外気の入口温度をＴａｉ、外気の出口温度をＴａｏ、高温冷却水入口における高温冷却水及び外気の温度差をΔＴｒａｄｉ、高温冷却水出口における高温冷却水及び外気の温度差をΔＴｒａｄｏとする。この場合、ラジエータ１３からの放熱量（全伝熱量）Ｑｒａｄは、以下の数４により与えられる。また、高温冷却水及び外気の温度差ΔＴｒａｄ（対数平均温度差）及びラジエータ１３の熱通過率Ｋｒａｄは、それぞれ以下の数５及び数６で与えられる。
Figure 2020157843
Figure 2020157843
Figure 2020157843
 ここで、
Ｑｒａｄ：ラジエータ１３の放熱量
Ｋｒａｄ：ラジエータ１３の熱通過率
Ａｒａｄ：ラジエータ１３の伝熱面積
ΔＴｒａｄ：高温冷却水及び外気の温度差
ΔＴｒａｄｉ：高温冷却水入口における高温冷却水及び外気の温度差
ΔＴｒａｄｏ：高温冷却水出口における高温冷却水及び外気の温度差
ｈｈｔ：高温冷却回路ＨＴ側の熱伝達率
ｈｒｄ：外気側の熱伝達率
である。
数１〜数３で表される通り、水冷コンデンサ２２の放熱量は、冷媒及び高温冷却水の温度差と、伝熱面積、冷媒回路ＲＥ側及び高温冷却回路ＨＴ側の熱伝達率によって定まる。冷媒回路ＲＥ側及び高温冷却回路ＨＴ側の熱伝達率は、冷媒及び高温冷却水の流量（流速）に依存する。また、数４〜６で表される通り、ラジエータ１３の放熱量は、高温冷却水及び外気の温度差と、伝熱面積、高温冷却回路側及び外気側の熱伝達率によって定まる。また、高温冷却回路ＨＴ側及び外気側の熱伝達率は、高温冷却水の流量（流速）及びラジエータ１３の通過風速に依存する。水冷コンデンサ２２の排熱量及びラジエータ１３の放熱量は、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の操作量の組み合わせよって制御することができ、水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びラジエータ１３の要求放熱量を満たすコンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の操作量の組み合わせは複数存在する。
図６Ａは、冷媒回路で発生した熱を車外に排出するために駆動するユニットの消費電力の組み合わせの一例を示す図であり、図６Ｂは、図６Ａに示すＡパターン及びＢパターンの消費電力の合計を示す図である。尚、図６Ａ及び図６Ｂにおいて、縦軸は、各ユニットの消費電力を表す。各ユニットの消費電力は、各ユニットの操作量（出力）と正の相関があるため、図６Ａ及び図６Ｂにおいては、各ユニットの消費電力が大きいほど、操作量が大きいことを意味する。
例えば、同じ水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びラジエータ１３の要求放熱量を満足するウォーターポンプ１５、電動ラジエータファン１６及びコンプレッサ２１の操作量の組み合わせとしては、例えば、図６Ａに示すＡパターンとＢパターンがあり得る。Ａパターンは、コンプレッサ２１の消費電力が相対的に大きくなるように各ユニットの操作量を組み合わせたものであり、Ｂパターンは、ウォーターポンプ１５、電動ラジエータファン１６及びコンプレッサ２１の消費電力がほぼ同じとなるように各ユニットの操作量を組み合わせたものである。ウォーターポンプ１５、電動ラジエータファン１６及びコンプレッサ２１の操作量がＡパターン及びＢパターンのいずれであっても、要求される水冷コンデンサ２２及びラジエータ１３の放熱量を満たすことができるが、図６Ｂに示すように、ウォーターポンプ１５、電動ラジエータファン１６及びコンプレッサ２１の消費電力の和は、ＡパターンとＢパターンとで異なる。図６Ａ及び図６Ｂの例では、Ｂパターンを採用した方が車両全体の熱要求を満たすために必要な消費電力を低減することができる。
そこで、ステップＳ５において、決定部５は、水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びラジエータ１３の要求放熱量を満足し、かつ、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力の和が最小となるように、各ユニットの操作量を求める。具体的に、まず、決定部５は、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力の組み合わせによって定まる水冷コンデンサ２２の排熱量及びラジエータ１３の放熱量が、それぞれ、ステップＳ１で求めた水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びステップＳ３で求めた及びラジエータ１３の要求放熱量以上であるという条件下において、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力の和を最小とする、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力を算出する。ステップＳ５における各ユニットの消費電力の算出は、以下の数７により与えられるＪを最小化する最適化問題として捉えることができる。ステップＳ５における制約条件は、以下の数８及び数９を同時に満足することである。排熱量（放熱量）Ｑは、ユニットの消費電力Ｗの関数であるので、Ｑ及びＷの関係を表すマップデータを予め実験で取得し、線形計画法や遺伝的アルゴリズム等を用いて最適解を求めることができる。実験によりマップデータを取得する際に、実験計画法を利用しても良い。次に、決定部５は、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力が、算出した消費電力の最適解となるように、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の操作量を決定する。コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の操作量は、予め実験等で取得した操作量と消費電力の関係に基づいて求めることができる。尚、実験から、各ユニットの操作量の最適な組み合わせが分かっている場合は、最適計算を利用せず、実験で得たマップデータから各ユニットの操作量を一意に決定しても良い。その後、処理はステップＳ８に進む。
Figure 2020157843
Figure 2020157843
Figure 2020157843
 ここで、
Ｗｗｐ：ウォーターポンプ１５の消費電力
Ｗｃｐ：コンプレッサ２１の消費電力
Ｗｒｄｆ：電動ラジエータファン１６の消費電力
Ｑｗｃ：水冷コンデンサ２２の放熱量
Ｑｗｃバー：水冷コンデンサ２２の要求放熱量
Ｑｒａｄ：ラジエータ１３の放熱量
Ｑｒａｄバー：ラジエータ１３の要求放熱量
である。
ステップＳ６：決定部５は、水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びラジエータ１３の要求放熱量を満足し、かつ、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の和が最小となるように、各ユニットの操作量を求める。具体的に、まず、決定部５は、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の組み合わせによって定まる水冷コンデンサ２２の排熱量及びラジエータ１３の放熱量が、それぞれ、ステップＳ１で求めた水冷コンデンサ２２の要求排熱量及びステップＳ３で求めた及びラジエータ１３の要求放熱量以上であるという条件下において、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の和を最小とする、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力を算出する。ステップＳ６における各ユニットの消費電力の算出は、以下の数１０により与えられるＪを最小化する最適化問題として捉えることができる。ステップＳ６における制約条件は、以下の数１１及び数１２を同時に満足することである。排熱量（放熱量）Ｑは、ユニットの消費電力Ｗの関数であるので、Ｑ及びＷの関係を表すマップデータを予め実験で取得し、線形計画法や遺伝的アルゴリズム等を用いて最適解を求めることができる。実験によりマップデータを取得する際に、実験計画法を利用しても良い。次に、決定部５は、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力が、算出した消費電力の最適解となるように、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量を決定する。上述の通り、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量は、予め実験等で取得した操作量と消費電力の関係に基づいて求めることができる。尚、実験から、各ユニットの操作量の最適な組み合わせが分かっている場合は、最適計算を利用せず、実験で得たマップデータから各ユニットの操作量を一意に決定しても良い。決定部５は、求めた最適解をコンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量として決定し、処理はステップＳ９に進む。
Figure 2020157843
Figure 2020157843
Figure 2020157843
 ここで、
Ｗｗｐ：ウォーターポンプ１５の消費電力
Ｗｃｐ：コンプレッサ２１の消費電力
Ｑｗｃ：水冷コンデンサ２２の放熱量
Ｑｗｃバー：水冷コンデンサ２２の要求放熱量
Ｑｒａｄ：ラジエータ１３の放熱量
Ｑｒａｄバー：ラジエータ１３の要求放熱量
である。
尚、ステップＳ６の処理は、ステップＳ４において電動ラジエータファン１６を駆動しないと判定された場合に行われるため、この場合の電動ラジエータファン１６の消費電力はゼロである。したがって、ステップＳ６の最適化条件を満足することと、コンプレッサ２１、ウォーターポンプ１５及び電動ラジエータファン１６の消費電力の和を最小にすることとは同義である。
ステップＳ７：決定部５は、水冷コンデンサ２２の要求排熱量を満足し、かつ、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の和が最小となるように、各ユニットの操作量を求める。具体的に、まず、決定部５は、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の組み合わせによって定まる水冷コンデンサ２２の排熱量が、ステップＳ１で求めた水冷コンデンサ２２の要求排熱量以上であるという条件下において、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力の和を最小とする、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力を算出する。ステップＳ７における各ユニットの消費電力の算出は、以下の数１３により与えられるＪを最小化する最適化問題として捉えることができる。ステップＳ７における制約条件は、以下の数１４を満足することである。排熱量（放熱量）Ｑは、ユニットの消費電力Ｗの関数であるので、Ｑ及びＷの関係を表すマップデータを予め実験で取得し、線形計画法や遺伝的アルゴリズム等を用いて最適解を求めることができる。実験によりマップデータを取得する際に、実験計画法を利用しても良い。次に、決定部５は、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の消費電力が、算出した消費電力の最適解となるように、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量を決定する。上述の通り、コンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量は、予め実験等で取得した操作量と消費電力の関係に基づいて求めることができる。尚、実験から、各ユニットの操作量の最適な組み合わせが分かっている場合は、最適計算を利用せず、実験で得たマップデータから各ユニットの操作量を一意に決定しても良い。決定部５は、求めた最適解をコンプレッサ２１及びウォーターポンプ１５の操作量として決定し、処理はステップＳ９に進む。
Figure 2020157843
Figure 2020157843
 ここで、
Ｗｗｐ：ウォーターポンプ１５の消費電力
Ｗｃｐ：コンプレッサ２１の消費電力
Ｑｗｃ：水冷コンデンサ２２の放熱量
Ｑｗｃバー：水冷コンデンサ２２の要求放熱量
である。
尚、上記の数８、数９、数１１、数１２及び数１４に示す制約条件の不等号は、最適化問題における一般的な記述方法によるものである。上記ステップＳ５〜Ｓ７の最適化条件において、排熱量（排熱量）Ｑは、一般にユニットの消費電力Ｗの単調非減少関数であるので、Ｊの値を最小化すると、一般的には、制約条件における等号が成立する。
ステップＳ８：指示部６は、ステップＳ５で決定された操作量に基づき、電動ラジエータファン１６の制御装置に対して電動ラジエータファン１６の駆動を指示する。その後、処理はステップＳ９に進む。
ステップＳ９：指示部６は、ステップＳ５〜Ｓ７で決定された操作量に基づき、コンプレッサ２１の制御装置に対してコンプレッサ２１の駆動を指示する。その後、処理はステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０：指示部６は、ステップＳ５〜Ｓ７で決定された操作量に基づき、ウォーターポンプ１５の制御装置に対してウォーターポンプ１５の駆動を指示する。その後、処理を終了する。
＜効果等＞
以上説明したように、本実施形態に係る熱量制御装置１は、冷媒回路ＲＥからの排熱要求がある場合、排熱要求を満足し、冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへの熱移動を行うために駆動するユニットと、必要に応じて高温冷却回路ＨＴから車外への放熱を行うために駆動するユニットとの消費電力の和が最小となるように、駆動するユニットの操作量を決定する。したがって、冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへと所望の熱量を移動させつつ、熱移動に要する消費電力を低減することが可能となる。
また、熱量制御装置１が制御処理に用いる吸熱量及び排熱量を、単位時間当たりの熱エネルギーの移動量に統一することにより、熱要求の集約を容易に行うことができる。
尚、上記の実施形態では、ユニット及び熱回路の吸熱量または排熱量を単位時間当たりの熱エネルギーの移動量（Ｗ単位）で表す例を説明したが、ユニット及び熱回路の吸熱量または排熱量を所定の制御時間に渡って要する熱エネルギーの量（Ｊ単位）としても良い。
また、本実施形態に係る熱量制御装置１は、プロセッサとＲＡＭ・ＲＯＭ等の記憶装置と入出力インタフェースとを備えたコンピュータが、記憶装置に記憶されたプログラムを読み出して実行することによって実現することができる。この場合、プロセッサがプログラムを実行することによって、図１及び図３に示した第１の算出部２、判定部３、第２の算出部４、決定部５及び指示部６の処理を実行することができる。コンピュータは、熱量制御用の専用のＥＣＵであっても良いし、車両に搭載される既存のＥＣＵであっても良い。また、本実施形態では、熱量制御装置１として説明したが、本発明は、図３に示した処理を行うためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的な有形の記録媒体、図３に示した処理を行うことにより熱量制御を行う方法として捉えることもできる。
本発明は、車両に備わる冷媒回路からの熱移動を制御する熱量制御装置として利用できる。
１ 熱量制御装置
２ 第１の算出部
３ 判定部
４ 第２の算出部
５ 決定部
６ 指示部
１３ ラジエータ
１５ ウォーターポンプ
１６ 電動ラジエータファン
２１ コンプレッサ
２２ 水冷コンデンサ
ＨＴ 高温冷却回路
ＲＥ 冷媒回路
ＬＴ 低温冷却回路

Claims (5)

  1. 冷却水を循環させるウォーターポンプと、前記冷却水の熱を車外に放熱可能なラジエータと、前記ラジエータの通風量を増加させるラジエータファンとを有する第１の熱回路と、冷媒を状態変化させながら循環させるコンプレッサを有し、前記第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に搭載され、前記第２の熱回路から前記第１の熱回路への熱移動を制御する熱量制御装置であって、
    前記第１の熱回路が要求する吸熱量と、前記第２の熱回路が前記第１の熱回路への排出を要求する排熱量とを算出する第１の算出部と、
    前記ラジエータから車外に放熱を行うか否かを判定する判定部と、
    前記判定部が前記ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、前記第１の熱回路が要求する吸熱量と、前記第２の熱回路が要求する排熱量とに基づいて、前記ラジエータに要求する放熱量を算出する第２の算出部と、
    前記判定部が前記ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、前記第１の算出部が算出した前記第２の熱回路の排熱量と前記第２の算出部が算出した前記ラジエータの放熱量とを満足し、かつ、前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力の和が最小となるように、前記コンプレッサ、前記ウォーターポンプ及び前記ラジエータファンの操作量を決定する決定部とを備える、熱量制御装置。
  2. 前記判定部が前記ラジエータから車外に放熱を行わないと判定した場合、前記決定部は、前記第１の算出部が算出した前記第２の熱回路の排熱量を満足し、かつ、前記ウォーターポンプ及び前記コンプレッサの消費電力の和が最小となるように、前記ウォーターポンプ及び前記コンプレッサの操作量を決定する、請求項１に記載の熱量制御装置。
  3. 前記判定部が前記ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、
    前記決定部は、
    前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力の組み合わせによって定まる前記第２の熱回路の排熱量及び前記ラジエータの放熱量が、それぞれ、前記第１の算出部が算出した前記第２の熱回路の排熱量及び前記第２の算出部が算出した前記ラジエータの放熱量以上である条件下における前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力の和を最小とする、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力を算出し、
    前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力が、それぞれ算出した消費電力となるように、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの操作量を決定する、請求項１に記載の熱量制御装置。
  4. 前記判定部が前記ラジエータから車外に放熱を行わないと判定した場合、
    前記決定部は、
    前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力の組み合わせによって定まる前記第２の熱回路の排熱量が、前記第１の算出部が算出した前記第２の熱回路の排熱量以上である条件下における前記ウォーターポンプ及び前記コンプレッサの消費電力の和を最小とする、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力を算出し、
    前記ウォーターポンプ及び前記コンプレッサの消費電力がそれぞれ算出した消費電力となるように、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの操作量を決定する、請求項２に記載の熱量制御装置。
  5. 冷却水を循環させるウォーターポンプと、前記冷却水の熱を車外に放熱可能なラジエータと、前記ラジエータの通風量を増加させるラジエータファンとを有する第１の熱回路と、冷媒を状態変化させながら循環させるコンプレッサを有し、前記第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両において、前記第２の熱回路から前記第１の熱回路への熱移動を制御する方法であって、
    前記第１の熱回路が要求する吸熱量と、前記第２の熱回路が前記第１の熱回路への排出を要求する排熱量とを算出し、
    前記ラジエータから車外に放熱を行うか否かを判定し、
    前記ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、前記第１の熱回路が要求する吸熱量と、前記第２の熱回路が要求する排熱量とに基づいて、前記ラジエータに要求する放熱量を算出し、
    前記ラジエータから車外に放熱を行うと判定した場合、算出した前記第２の熱回路が要求する排熱量と、算出した前記ラジエータに要求する放熱量とを満足し、かつ、前記ウォーターポンプ、前記コンプレッサ及び前記ラジエータファンの消費電力の和が最小となるように、前記コンプレッサ、前記ウォーターポンプ及び前記ラジエータファンの操作量を決定する、方法。
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