JP2022540925A - 熱管理システム、車両、および熱管理システムの２つの冷却回路を動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

車両において使用するための熱管理システム（２）であって、バッテリ（１０）のための第１の冷却回路（４）と、車両を駆動するための電気モータ（１２）のための第２の冷却回路（６）との間のインターフェースにある多位置弁（１４）により、２つの冷却回路（４，６）の冷却液の流れを、必要に応じて互いに混合させることができる、熱管理システム（２）が提案される。さらに、そのような熱管理システムを有する車両と、そのような熱管理システムの２つの冷却回路（４，６）を動作させるための方法とが提案される。

Description

本発明は、車両において使用するための熱管理システムに関する。本発明はさらに、そのような熱管理システムを有する車両に関する。本発明はさらに、そのような熱管理システムの２つの冷却回路を動作させるための方法に関する。

車両とは、バッテリの温度調整のための少なくとも１つの第１の冷却回路と、電気モータおよびパワーエレクトロニクスの温度調整のための少なくとも１つの第２の冷却回路とを有する任意の種類の車両であるとして理解されるべきである。これは、部分電気自動車または完全電気自動車であり得るが、とりわけ、乗用車および／または商用車であり得る。

このような車両では、２つの別々の冷却回路または水回路が必要である。第１の冷却回路または水回路は、バッテリを温度調整するために比較的低温で動作され、その一方で、第２の冷却回路または水回路は、電気モータおよびパワーエレクトロニクスを温度調整するために比較的高温で動作される。複雑な閉ループ制御戦略は、これらのコンポーネントが後々動作中に過熱することなく、各自の最適温度までできるだけ急速に加熱されることを保証する責任がある。

上記の形式の熱管理システムは、欧州特許第２３９２４８６号明細書から公知である。

本発明の基礎となる課題は、このような熱管理システムを改善することである。

上記の課題は、請求項１によって保護下に置かれている熱管理システムによって解決される。さらに、そのような熱管理システムを有する車両と、熱管理システムを動作させるための方法とが提案され、保護下に置かれる（請求項４および請求項５を参照）。さらに、コンピュータプログラムと、コンピュータプログラム製品とが保護下に置かれる（請求項９および請求項１０を参照）。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

車両において使用するための熱管理システムであって、当該熱管理システムは、バッテリのための第１の冷却回路と、車両を駆動するための電気モータのための第２の冷却回路とを含む、熱管理システムが提案される。２つの冷却回路は、多位置弁により、システムの第１のモードにあって、かつ多位置弁の第１の弁位置では、互いに直列に接続されており（直列接続モード）、システムの第２のモードにあって、かつ多位置弁の第２の弁位置では、互いに並列に接続されている（並列接続モード）。

システムの第３のモードにあって、かつ第３の弁位置では、多位置弁が中間位置をとり、中間位置において、２つの冷却回路の冷却液の流れが必要に応じて互いに混合されるようにすることが提案される（必要に応じた混合モード）。

このような必要に応じた混合によれば、直列接続モードと並列接続モードとの間の切り替え時に発生し、かつ急激な温度変化および圧力変化の形態で表れるような、システムの急激な移行挙動を経験することなく、電気モータ冷却回路からの排熱または損失熱を、有利にはバッテリ冷却回路に排出することが可能となる。さらに、電気モータが急速に加熱される非定常走行時に、直列接続モードと並列接続モードとが頻繁に切り替わることを回避することができる。

したがって、そのような必要に応じた混合により、電気モータ冷却回路とバッテリ冷却回路との両方の温度調整が改善される。

第３の弁位置は、複数の可能な中間位置から設定可能である。個々の中間位置は、段階的（または不連続的）または無段階（または連続的）に設定可能である。無段階に設定可能であることにより、電気モータ冷却回路とバッテリ冷却回路との両方の温度の閉ループ制御が支援される。

一実施形態では、多位置弁は、４ポート２位置弁の形態で構成可能である。この場合には、第２の冷却回路（または電気モータ冷却回路）において電気モータの下流に、さらなる多位置弁が設けられており、このさらなる多位置弁は、冷却液の流れを選択的に、ラジエータ（または冷却器）を有する経路またはラジエータ経路を介して導き、かつ／またはこの経路に対して並列な、ラジエータを迂回するための経路またはバイパス経路を介して導く。このさらなる多位置弁も、複数の可能な位置－すなわち、終了位置および中間位置－に段階的または無段階に設定可能であり得る。このさらなる多位置弁は、３ポート２位置弁の形態で構成可能である。

これに代わる実施形態では、多位置弁を、５ポート３位置弁(5/3-Wegeventil)の形態で構成することができ、５ポート３位置弁は、ラジエータ（または冷却器）を迂回するための第２の冷却回路（または電気モータ冷却回路）のバイパス経路と、バイパス経路に対して並列な、ラジエータ（または冷却器）を有する経路またはラジエータ経路とに流体的に接続されており、バイパス経路およびラジエータ経路は、電気モータの下流のノードから延在する。

さらに、上記の形式の熱管理システムを有する車両も提案される。

さらに、上記の形式の熱管理システムの２つの冷却回路を動作させるための方法であって、バッテリのための第１の冷却回路と、車両を駆動するための電気モータのための第２の冷却回路とが設けられる、方法が提案される。２つの冷却回路は、多位置弁により、システムの第１のモードにあって、かつ多位置弁の第１の弁位置では、互いに直列に接続され、システムの第２のモードにあって、かつ多位置弁の第２の弁位置では、互いに並列に接続される。

システムの第３のモードにあって、かつ第３の弁位置では、多位置弁が中間位置に切り替えられ、中間位置において、２つの冷却回路の冷却液の流れが必要に応じて互いに混合されるようにすることが提案される。

第３の弁位置は、複数の可能な中間位置から設定される。個々の中間位置は、段階的または無段階に設定可能である。

第１の実施形態では、多位置弁として４ポート２位置弁が使用される。この場合には、第２の冷却回路（または電気モータ冷却回路）において電気モータの下流に、さらなる多位置弁が使用され、このさらなる多位置弁により、冷却液の流れが選択的に、ラジエータ（または冷却器）を有する経路またはラジエータ回路を介して導かれ、かつ／またはこの経路に対して並列な、ラジエータを迂回するための経路またはバイパス経路を介して導かれる。このさらなる多位置弁も、複数の可能な位置－すなわち、終了位置および中間位置－に段階的または無段階に設定可能であり得る。このさらなる多位置弁のために、３ポート２位置弁を使用することができる。

これに代わる第２の実施形態では、多位置弁として、５ポート３位置弁が使用され、５ポート３位置弁は、－ラジエータ（または冷却器）を迂回するための－第２の冷却回路（または電気モータ冷却回路）のバイパス経路と、バイパス経路に対して並列な、ラジエータ（または冷却器）を有する経路またはラジエータ経路とに流体的に接続され、バイパス経路およびラジエータ経路は、電気モータの下流のノードから延在する。

第１の実施形態または第２の実施形態によれば、さらに有利には、システムの第４のモードおよび／または第５のモードを設定することができる。システムの第４のモード（またはバイパスモード）では、バッテリを加熱するためにラジエータ経路を迂回することができる。これに対して、システムの第５のモードでは、バッテリの過熱を阻止するために、ラジエータ経路を介してバッテリ回路を除熱することができる。

さらに、上記の方法を実行するためのコンピュータプログラムが提案される。コンピュータプログラムは、簡単な手段によって制御エレクトロニクスまたは制御ユニットに読み込み可能であり、その後、上記の熱管理システムを相応に制御するために使用可能である。

制御エレクトロニクスは、メモリシステムおよびバスシステムにデータ接続されたデジタルマイクロプロセッサユニット（ＣＰＵ）と、メインメモリ（ＲＡＭ）と、メモリ手段とを有することができる。ＣＰＵは、メモリシステムに格納されたプログラムとして実装された命令を処理し、データバスから入力信号を取得し、出力信号をデータバスに出力するように構成されている。メモリシステムは、磁気、固体、および他の不揮発性の媒体の形態の種々のメモリ媒体を有することができ、このメモリ媒体上に、本方法および有利な実施形態を実行するための対応するコンピュータプログラムが格納されている。プログラムは、本明細書で説明されている方法を具体化または実行することができるように構成可能であり、これにより、ＣＰＵは、そのような方法のステップを実行して、上記の熱管理システムを制御することができる。

さらに、プログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム製品であって、プログラムコード手段は、コンピュータ可読データ記録媒体上に格納されており、コンピュータ上で実行されると上記の方法を実行する、コンピュータプログラム製品が提案される。

以下では、図面の表現を参照しながら本発明について詳細に説明する。従属請求項と、好ましい実施形態についての以下の説明から、本発明のさらなる有利な発展形態が明らかになる。

提案されている第１の実施形態における熱管理システムを示す図である。 図１に示されている熱管理システムの抜粋を示す図である。 提案されている第２の実施形態における熱管理システムを示す図である。 提案されている第１の実施形態の４ポート２位置弁における体積流量の第１および第２の図示である。 第１の実施形態の３ポート２位置弁における体積流量の第３の図示である。 提案されている第２の実施形態の５ポート３位置弁における体積流量の第１および第２の図示である。 第２の実施形態の５ポート３位置弁における体積流量の第３の図示である。

図１および図２による熱管理システム２は、バッテリ１０のための第１の冷却回路４と、車両を駆動するための電気モータ１２のための第２の冷却回路６と、空調設備の冷媒回路８とを示す。車両は、例えば、バッテリ式の電気自動車（Battery Electric Vehicle，略してＢＥＶ）、ハイブリッド式の電気自動車（Hybrid Electric Vehicle，略してＨＥＶ）、または燃料電池式の電気自動車（Fuel Cell Electric Vehicle，略してＦＣＥＶ）であり得る。これらの３つの異なる回路４，６，８は、ある程度、互いに統合されている。２つの冷却回路４，６には、それぞれの流体が独自の電気ポンプ１６，１７によって圧送される。

電気モータ１２およびパワーエレクトロニクスＬＥは、約８５℃の冷却液温度または冷却水温度で動作されることが求められている。これに対して、バッテリ１０またはバッテリセルは、２０℃～４０℃の間の所定の冷却液温度枠内または冷却水温度枠内において動作されることが求められている。というのも、このことにより、バッテリ１０の最適な動作温度範囲が保証されるからである。バッテリ１０または個々のバッテリセル自体の温度は、４０℃の温度閾値を完全に超えてしまう可能性がある。したがって、２つの冷却回路４，６が必要とされる。両方の冷却回路４，６は、熱の吸収と熱の排出との両方が可能でなければならない。バッテリ冷却回路４は、熱交換器Ｃｈ（図１；Chiller，略してＣｈを参照）を介して冷媒回路８に対して除熱され、その一方で、電気モータ冷却回路６は、ラジエータまたは冷却器２４を介して周囲に対して冷却可能であり、かつ以下で説明される多位置弁（Coolant Flow Control Valve，略してＣＦＣＶ）を介してバッテリ冷却回路４に対して除熱可能であり、この場合、多位置弁１４は、バッテリ冷却回路４と電気モータ冷却回路６との間のインターフェースとなっている。バッテリ冷却回路４の除熱を、多位置弁１４の対応する弁位置においてラジエータまたは冷却器２４を介して実施することも可能である。しかしながら、バッテリ冷却液は４０℃の温度を超えるべきではないので、ラジエータ２４を介した除熱は十分ではないことが多く、したがって、熱交換器Ｃｈを介して熱を放散する必要がある。電気モータ冷却回路６では、電気モータ１２およびパワーエレクトロニクスＬＥに加えてさらに充電器（Charger，略してＣ）も冷却されるべきである。それぞれの冷却回路４，６を閉ループ制御するために、それぞれ１つの温度センサＣＴＳが設けられている。バッテリ冷却回路４には、さらに抵抗加熱器ＰＴＣが設けられている。電気モータ１２は、水冷却または油冷却されている。後者の油冷却の場合には、電気モータ１２の対応する油冷却回路が、－ここには図示されていない－熱交換器によってモータ冷却回路６に接続されている。

熱管理システム２は、多位置弁１４によって複数の異なるモードで動作可能である。多位置弁１４は、いわゆるアクチュエータユニットまたは冷却水制御弁ユニットの一部であり、このアクチュエータユニットまたは冷却水制御弁ユニット自体は、電気サーボモータを有する駆動ユニットと、電気サーボモータを制御するための制御ユニットも含む。

システムの第１のモード（Use Case 1，略してＵＣ１＝最大の熱回収を伴う直列接続Ｒ）であって、かつ多位置弁１４の第１の弁位置では、冷却回路４を冷却回路６に対して直列に接続することができる。この場合には、多位置弁１４に関して、冷却液は、流入口または入口ａを介して冷却回路６から、流出口または出口ｃを介して冷却回路４へと流れ、最後に、流入口または入口ｄを介して冷却回路４から、流出口または出口ｂを介して冷却回路６へと戻るように流れる。

この直列接続は、電気モータ１２およびパワーエレクトロニクスＬＥの排熱を利用してバッテリ冷却回路４の急速な加熱をもたらす。したがって、電気モータ冷却回路６は、加熱回路の機能も有している。

システムの第２のモード（Use Case 2，略してＵＣ２＝過熱保護を伴う並列接続Ｐ）であって、かつ多位置弁１４の第２の弁位置では、冷却回路４を冷却回路６に対して並列に接続することができ、したがって、２つの冷却回路４，６は、流体的に互いに分離されている。この分離は、バッテリ１０を過熱から保護する。

さらに、システムの第３のモード（Use Case 3，略してＵＣ３＝選択的な熱回収を伴う混合モードＭ）も提案され、この第３のモードでは、多位置弁１４が中間位置－すなわち、第３の弁位置－に切り替えられており、この第３の弁位置では、２つの冷却回路４，６の冷却液の流れが必要に応じて互いに混合される。

このような混合モードにより、バッテリ１０の温度と電気モータ１２の温度との両方をより正確に閉ループ制御することが可能となる。直列接続モードＲと並列接続モードとの間の切り替えが行われないので、２つの冷却回路４，６には、顕著な圧力急変および温度急変が生じない。

第１の実施形態（図１，図２を参照）では、多位置弁１４が、４ポート２位置弁の形態で構成されており、この４ポート２位置弁を介して、上記のシステムモードおよび弁位置を設定または制御することができる。冷却回路６において電気モータ１２の下流に、３ポート２位置弁の形態のさらなる多位置弁１８がさらに設けられており、この多位置弁１８の流出口または出口ａ^Ｉは、４ポート２位置弁１４の流入口または入口ａに流体的に接続されている。多位置弁１８も、さらなるアクチュエータユニットまたは冷却水制御弁ユニットの一部であり、このアクチュエータユニットまたは冷却水制御弁ユニット自体は、電気サーボモータを有する駆動ユニットと、電気サーボモータを制御するための制御ユニットも含む。

３ポート２位置弁１８によって、冷却液の流れを選択的に、ラジエータまたは冷却器２４を有する経路２２を介して導くことができ、かつ／またはこの経路２２に対して並列な、ラジエータ２４を迂回するための経路２０－バイパス経路２０－を介して導くことができる。

図４は、第１の実施形態の４ポート２位置弁に関連して設定することができる体積流量ＶＳを示す。上側の線図では、入口ａと２つの出口ｂ，ｃとが考慮される。これに対して、下側の線図では、入口ｄと２つの出口ｂ，ｃとが考慮される。これら２つの線図には、それぞれ体積流量に関して顕著な変化を有していない左側および右側の領域が示されている。左側の領域は、ＵＣ１モードまたは直列接続Ｒを表している。これに対して、右側の領域は、ＵＣ２モードまたは並列接続Ｐを表している。

冷却回路４，６の冷却液の流れを必要に応じて混合させるために（混合モードＭ＝ＵＣ３）、これらの２つのモードの間で、弁１４の複数の中間位置を有する中央の領域を制御することができる。基本的に、離散的な中間位置を段階的に設定することができる。これに代えて、バッテリ１０の温度と電気モータ１２の温度との両方のさらに正確な閉ループ制御を可能にするために、中間位置を、中央の領域全体にわたって無段階または連続的に設定することもできる。

これに代わる第２の実施形態（図３を参照）では、多位置弁１４が、５ポート３位置弁の形態で構成されている。この場合には、５ポート３位置弁の、図３の平面から突出する流入口または入口ｅも想定する必要があり、この流入口または入口ｅ自体は、バイパス経路２０を介して電気モータ１２下流のノードＫＰ（またはノードＫＰの流出口ａ^Ｉ）に流体的に接続されており、このノードＫＰから、バイパス経路２０と、このバイパス経路２０に対して並列な、ラジエータ２４を有する経路２２との両方が延在する。ラジエータ経路２２は、ノードＫＰ（またはノードＫＰの流出口ｃ^Ｉ）を５ポート３位置弁の流入口または入口ａに流体的に接続する。

図６は、－図４と同様に－第２の実施形態の５ポート３位置弁に関連して設定することができる体積流量ＶＳを示す。上側の線図では、入口ａと２つの出口ｂ，ｃとが考慮される。これに対して、下側の線図では、入口ｄと２つの出口ｂ，ｃとが考慮される。これら２つの線図にも、体積流量に関して顕著な変化を有していない左側および右側の領域が示されている。左側の領域は、ＵＣ１モードまたは直列接続Ｒを表している。これに対して、右側の領域は、ＵＣ２モードまたは並列接続Ｐを表している。

冷却回路４，６の冷却液の流れを必要に応じて混合させるために（混合モードＭ＝ＵＣ３）、これらの２つのモードの間で、弁１４の複数の中間位置を有する中央の領域を制御することができる。上記と同様に、基本的に、離散的な中間位置を段階的に設定することができる。これに代えて、バッテリ１０の温度と電気モータ１２の温度との両方のさらに正確な閉ループ制御を可能にするために、中間位置を、中央の領域全体にわたって無段階または連続的に設定することもできる。

提案されている２つの実施形態に関して、追加的な経路２０により、（第１の実施形態による）３ポート２位置弁１８の対応する弁位置において、または（第２の実施形態による）５ポート３位置弁の対応する弁位置において－システムの第４のモード（Use Case 4，略してＵＣ４＝液圧抵抗の減少＆最大の熱回収を伴うバイパスモードＢ）を設定することができ、この第４のモードでは、液圧抵抗が減少し、それと同時に、バッテリ１０を加熱するための最大の熱回収が可能となる。

これに対して、これに加えてまたはこれに代えて、経路２２を介して、３ポート２位置弁１８（第１の実施形態）または５ポート３位置弁（第２の実施形態）の対応する弁位置において、システムの第５のモード（Use Case 5，略してＵＣ５＝選択的な過熱保護）を設定することもでき、この第５のモードでは、ラジエータ２４を介した除熱によってバッテリ１０の過熱が回避される。

図５の線図は、第１の実施形態の３ポート２位置弁に関連して設定することができる体積流量ＶＳを示し、これに対して、図７の線図は、第２の実施形態の５ポート３位置弁に関連して設定することができる体積流量ＶＳを示す。図５では、３ポート２位置弁の入口ｂ^Ｉと２つの出口ａ^Ｉ，ｃ^Ｉとが考慮される。これに対して、図７では、５ポート３位置弁の入口ａ，ｅを通過する体積流量ＶＳが示されており、より具体的には、電気モータ１２の下流のノードＫＰへの流入口ｂ^Ｉを通過する体積流量ＶＳから出発して示されており、なお、ノードＫＰから、バイパス経路２０およびラジエータ経路２２が延在する。

図７の線図は、図５の線図に比べて圧縮されている。これは、第２の実施形態の場合、第１の多位置弁から独立して切り替えることができる第２の別個の多位置弁が設けられていないことに基づく。その限りにおいて、図７を参照すると、調整自由度がある程度省略されているので、入口ａの閉弁に付随して入力ｅの開弁が生じ、逆もまた同様である。

前述の説明では、例示的な実施形態について述べられているが、多数の修正が可能であることに留意すべきである。さらに、例示的な実施形態は、保護範囲、用途、および構造を制限することを決して意図しない単なる例であることに留意すべきである。むしろ、前述の説明は、少なくとも１つの例示的な実施形態を実施するためのガイドラインを当業者に提供するものであり、とりわけ、記載されている構成要素の機能および配置に関して、特許請求の範囲およびその均等な特徴の組み合わせから生じるような保護範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができる。

Claims (10)

1. 車両において使用するための熱管理システム（２）であって、
   当該熱管理システム（２）は、バッテリ（１０）のための第１の冷却回路（４）と、前記車両を駆動するための電気モータ（１２）のための第２の冷却回路（６）とを含み、
   ２つの前記冷却回路（４，６）は、多位置弁（１４）により、
   前記システム（２）の第１のモードにあって、かつ前記多位置弁（１４）の第１の弁位置では、互いに直列に接続され、
   前記システム（２）の第２のモードにあって、かつ前記多位置弁（１４）の第２の弁位置では、互いに並列に接続され、
   前記システム（２）の第３のモードにあって、かつ第３の弁位置では、前記多位置弁（１４）が中間位置をとり、前記中間位置において、２つの前記冷却回路（４，６）の冷却液の流れが必要に応じて互いに混合され、
   前記多位置弁（１４）は、５ポート３位置弁の形態で構成されており、
   前記５ポート３位置弁は、ラジエータ（２４）を迂回するための前記第２の冷却回路（６）のバイパス経路（２０）と、前記バイパス経路（２０）に対して並列な、前記ラジエータ（２４）を有する経路（２２）とに流体的に接続されており、
   前記バイパス経路（２０）および前記ラジエータ経路（２２）は、前記電気モータ（１２）の下流のノード（ＫＰ）から延在する
   ことを特徴とする、熱管理システム（２）。
2. 前記第３の弁位置は、複数の可能な中間位置から設定可能である、請求項１記載の熱管理システム（２）。
3. 個々の前記中間位置は、段階的または無段階に設定可能である、請求項２記載の熱管理システム（２）。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の熱管理システム（２）を有する、車両。
5. 請求項１から３までのいずれか１項記載の熱管理システム（２）の２つの冷却回路（４，６）を動作させるための方法であって、
   バッテリ（１０）のための第１の冷却回路（４）と、車両を駆動するための電気モータ（１２）のための第２の冷却回路（６）とが設けられ、
   ２つの前記冷却回路（４，６）は、多位置弁（１４）により、
   前記システム（２）の第１のモードにあって、かつ前記多位置弁（１４）の第１の弁位置では、互いに直列に接続され、
   前記システム（２）の第２のモードにあって、かつ前記多位置弁（１４）の第２の弁位置では、互いに並列に接続され、
   前記システム（２）の第３のモードにあって、かつ第３の弁位置では、前記多位置弁（１４）が中間位置に切り替えられ、前記中間位置において、２つの前記冷却回路（４，６）の冷却液の流れが必要に応じて互いに混合され、
   前記多位置弁（１４）として、５ポート３位置弁が使用され、
   前記５ポート３位置弁は、ラジエータ（２４）を迂回するための前記第２の冷却回路（６）のバイパス経路（２０）と、前記バイパス経路（２０）に対して並列な、前記ラジエータ（２４）を有する経路（２２）とに流体的に接続され、
   前記バイパス経路（２０）および前記ラジエータ経路（２２）は、前記電気モータ（１２）の下流のノード（ＫＰ）から延在する
   ことを特徴とする、方法。
6. 前記第３の弁位置は、複数の可能な中間位置から設定される、請求項５記載の方法。
7. 個々の前記中間位置は、段階的または無段階に設定される、請求項６記載の方法。
8. 前記システムの第４のモード（またはバイパスモード）および／または第５のモードが設定され、
   前記第４のモードでは、前記バッテリ（１０）を加熱するために冷却液が前記バイパス経路（２０）を介して導かれ、
   これに対して、前記第５のモードでは、前記バッテリ（１０）を除熱するために冷却液が前記ラジエータ経路（２２）を介して導かれる、
   請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項５から８までのいずれか１項記載の方法を実行するための、コンピュータプログラム。
10. プログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム製品であって、
    前記プログラムコード手段は、コンピュータ可読データ記録媒体上に格納されており、コンピュータ上で実行されると請求項５から８までのいずれか１項記載の方法を実行する、
    コンピュータプログラム製品。

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