JP2023183718A - 車両用暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑制しながら、乗員の快適性を向上させる。
【解決手段】温調した空気を車室内に供給する空調装置と、座席シート近傍の空間を加熱する加熱装置と、前記空調装置及び前記加熱装置を制御する制御装置を備えた車両用暖房装置であって、前記制御装置は、乗員の温冷感を含む快適度を推定する快適度推定部と、前記快適度が予め定めた目標快適度となるように前記空調装置及び前記加熱装置を作動させる場合に、前記空調装置及び前記加熱装置が消費する予想消費電力をそれぞれ算出する消費電力算出部と、前記空調装置の予想消費電力及び前記加熱装置の予想消費電力に基づいて、前記空調装置及び前記加熱装置の少なくとも何れか一方を制御する出力制御部と、を備えた車両用暖房装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用暖房装置、特に、車室内に温調された空気を供給する空調装置と座席シート付近の空間を加熱する加熱装置とを用いた車両用暖房システムに関する。

従来、車両用暖房装置として、例えば、車両の座席足元に発熱体を配置した輻射熱暖房装置と、車室内に温度調節した空気を供給する空調装置とを備えた、車両用暖房装置が知られている。

例えば、特許文献１の車両用暖房装置では、エンジンを搭載した車両において、足元吹出し風量が保有する足元吹出し熱量と、輻射熱暖房装置の投入電力との相互の割合が、乗員の足において同一温感となるように、車室内空調装置と輻射熱暖房装置を制御している。具体的には、特許文献１には、エンジン水温が所定値以上の場合に空調装置による足元吹き出し風量を増加させると共に輻射熱暖房装置の投入電力を減少させ、エンジン水温が所定値未満の場合に空調装置による足元吹出し風量を減少させると共に輻射熱暖房装置の投入電力を増加させるよう制御することで、足元の温感を満足させつつ省燃費を実現することが開示されている。

特開２０１２－１９２８２９号公報

上述した従来技術のようなエンジンを搭載した車両では、エンジンの廃熱によって空調を行うため、エンジン水温が上昇した後に空調装置による足元吹き出し風量を増加させ、輻射熱暖房装置の出力を低下させることで消費電力を抑制しながら所望の暖房を行うことができる。

しかしながら、エンジンを搭載せずにバッテリから供給された電力で走行する電気自動車等では、空調装置及び輻射熱暖房装置も共にバッテリから供給される電力によって動作する。このため、車両用暖房装置において、消費電力を抑制しつつ所望の暖房を行うために、空調装置又は輻射熱暖房装置のいずれを優先的に用いるかは、走行環境や要求される温熱感によって変動する。したがって、電気自動車等における車両用暖房装置において、上記した従来の車両用暖房装置と同様の制御方法を適用することができない。

本発明は、このような問題に対処することを課題としている。すなわち、走行用バッテリから供給される電力によって動作する車両用暖房装置において、消費電力を抑制しながら、乗員の快適性を向上させること、などが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明の一態様は、以下の構成を具備する。
すなわち、本発明の一態様に係る車両用暖房装置は、温調した空気を車室内に供給する空調装置と、座席シート近傍の空間を加熱する加熱装置と、前記空調装置及び前記加熱装置を制御する制御装置を備えた車両用暖房装置であって、前記制御装置は、乗員の温冷感を含む快適度を推定する快適度推定部と、前記快適度が予め定めた目標快適度となるように前記空調装置及び前記加熱装置を作動させる場合に、前記空調装置及び前記加熱装置が消費する予想消費電力をそれぞれ算出する消費電力算出部と、前記空調装置の予想消費電力及び前記加熱装置の予想消費電力に基づいて、前記空調装置及び前記加熱装置の少なくとも何れか一方を制御する出力制御部と、を備える。

このような特徴を備えた本発明の車両用暖房装置によると、走行用バッテリから供給される電力によって動作する車両用暖房装置において、乗員の快適性を向上させつつ、消費電力を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る車両用暖房装置が搭載された車両の車室内を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る車両用暖房装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る車両用暖房装置に制御の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用暖房装置１が搭載された車両の車室内を示し、図２は車両用暖房装置１の概略構成を示している。
図１及び図２に示すように、車両用暖房装置１は、車両１００に搭載され、座席シート１０１に着座した乗員１０２に向けて温調された空気を吹き出すことで車室内の暖房を行う空調装置１１と、座席シート１０１近傍の空間を加熱して乗員１０２を直接的に加温する加熱装置１２と、空調装置１１及び加熱装置１２を制御する制御装置１０とを備えている。

空調装置１１は、車両１００の走行用バッテリによって駆動される圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器などを備えた冷媒回路と、空調ユニットとを少なくとも有し、冷媒と直接又は他の熱媒体を介して間接的に熱交換することで温調された空気を車室内に供給する。
加熱装置１２には、例えば、電気ヒータなどの輻射熱ヒータを適用することができ、座席シート１０１近傍の空間、例えば、乗員１０２の足元を直接的に加熱する。

制御装置１０は、車両用暖房装置１が搭載される車両１００の車両用制御システムの一部として機能する。車両用制御システム（不図示）は車両１００の走行に必要な種々のセンサや車載機器類とこれらを制御する複数の車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を含み、制御装置１０は各種車載ＥＣＵや上記センサ、電子機器類と連携して空調装置１１及び加熱装置１２を制御する。

制御装置１０及び各車載ＥＣＵは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサや電気回路、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子を備えて構成されている。また、車載ＥＣＵが実行する動作の一部又は全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェアにより実現することもできる。

図２に示すように、制御装置１０には、赤外線センサ７１、内気センサ７２、日射センサ７３、着座センサ７４、加熱装置温度センサ７５、及び吹出温度センサ７６が直接又は車両用制御システムの車載ネットワークを介して接続され、これらの各センサが検出したデータが入力される。

なお、赤外線センサ７１は、乗員の複数箇所から赤外線強度を検出し、乗員の表面（皮膚）温度を取得する。内気センサ７２は、車室内の温度を検出する。日射センサ７３は、車室内に差し込む日射量を検出する。着座センサ７４は、乗員が座席シート１０１に着座しているか否か、着座している位置を検出する。加熱装置温度センサ７５は、加熱装置１２における発熱部の温度を検出する。吹出温度センサ７６は、空調装置１１の吹出口から吹き出される空気の温度を検出する。これらの各センサによって検出された情報は、必要に応じて後述する記憶部５０に記憶させておくことができる。

図２に示すように、本実施形態において、制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０、ＲＯＭ３０、ＲＡＭ４０、及び記憶部５０を備えている。
ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ３０に格納されたプログラムに基づいて種々の処理を実行する。本実施形態では、ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ３０に格納されたプログラムを例えばＲＡＭ４０等のメモリに読み込んで実行することにより、図２に示す快適度推定部２１、消費電力算出部２２、許容時間算出部２３、作動時間算出部２４、及び出力制御部２５として機能する。以下、快適度推定部２１、消費電力算出部２２、許容時間算出部２３、作動時間算出部２４、及び出力制御部２５について説明する。

快適度推定部２１は、乗員の温冷感を含む快適度を推定する。ここで、快適度とは、乗員の温冷感、すなわち、暑い又は寒いなどの感覚を含み、乗員が「快適」と感じる程度を複数段階で評価し、推定したものである。

例えば、快適度は、「０」を乗員が暑くも寒くもなく「快適」と感じる目標快適度として設定し、目標快適度によって示される温度と、推定された快適度によって示される温度とに殆ど差がない状態とする。快適度が０より大きい値は、目標快適度によって示される温度よりも推定した快適度によって示される温度が高く、乗員が「暑い」と感じているとして評価する。反対に、快適度が０より小さい値は、目標快適度によって示される温度よりも指定した快適度によって示される温度が低く、乗員が「寒い」と感じているとして評価する。

快適度推定部２１による乗員の快適度の推定は、例えば、赤外線センサ７１から得られる乗員の表面温度及び車室内表面温度と、内気センサ７２から得られる車室内空気温度と、日射センサ７３から得られる日射量とに基づいて行う。このとき、乗員の体格によって乗員の快適度が異なることから、着座センサ７４により特定される乗員の着座位置を乗員の表面温度の算出に用いることが好ましい。また、車室内にシートヒータやハンドルヒータなどが設けられている場合や、空調装置１１及び加熱装置１２の作動状態に応じて、加熱装置温度センサ７５及び吹出温度センサ７６による検出値も用いることで正確に快適度の推定を行うことができる。

具体的には、快適度推定部２１は、赤外線センサ７１、内気センサ７２、日射センサ７３、着座センサ７４、加熱装置温度センサ７５、及び吹出温度センサ７６における検出値を取得し、これらの各検出値を、予め定めた快適度を推定するための計算式に入力して得られた値から快適度を推定する。なお、快適度を推定するための計算式は、例えば、記憶部５０等にあらかじめ記憶しておく。

消費電力算出部２２は、快適度推定部２１によって推定された快適度の、予め定めた目標快適度に対する温冷感ないしは快適度の過不足を算出し、快適度推定部２１によって推定された快適度が目標快適度となるように空調装置１１及び加熱装置１２を作動させる場合に、空調装置１１及び加熱装置１２が消費する予想消費電力をそれぞれ算出する。一例として、消費電力算出部２２では、予め実験や数値解析により得られた計算式やマップデータを記憶部５０に記憶させておき、これらを用いて予想消費電力の算出を行う。

許容時間算出部２３は、加熱装置１２を、加熱装置温度センサ７５から得られる加熱装置１２の現在の温度を維持しながら作動させた場合に、加熱装置１２の作動開始時間から起算して加熱装置１２を安全に作動させることができる時間を「許容時間」として算出する。このとき、加熱装置１２が作動を開始してから現在までに、加熱装置１２の温度が変化している場合には、温度履歴に基づいて、「許容時間」を補正する。つまり、「許容時間」は、加熱装置１２の温度変化の履歴に基づいて算出され、加熱装置１２の作動開始から起算して前記加熱装置を安全に作動させることができる時間である。
加熱装置１２の温度履歴は、例えば、加熱装置温度センサ７５が検出した温度と当該温度を検出した時刻とを対応付けた温度情報を予め記憶部５０に記憶しておき、これを参照することができる。

加熱装置１２が輻射熱ヒータである場合、座席シート１０１に着座する乗員１０２を輻射熱ヒータの発熱体によって直接的に加温するため、長時間の使用により乗員１０２に低温やけどを生じさせる虞がある。そこで、許容時間算出部２３では、乗員１０２に低温やけどを生じさせずに安全に作動させることができる時間として、「許容時間」について加熱装置１２の作動開始からの温度履歴を考慮して算出する。許容時間算出部２３による許容時間の算出は、予め実験や数値解析により得られた計算式等を記憶部５０に記憶させておき、この計算式を用いて行う。

例えば、許容時間算出部２３は、加熱装置１２の「許容時間」を以下のように算出する。
（許容時間算出例１）
この場合、許容時間算出部２３は、加熱装置温度センサ７５から得られる加熱装置１２の現在の温度が５０℃の場合、加熱装置１２の作動開始から３０分で乗員に低温やけどが発生すると仮定する。一方、許容時間算出部２３は、加熱装置１２の温度履歴を参照し、加熱装置１２の温度が作動開始時から５０℃である場合には、安全性を担保するために「許容時間」を１５分として算出する。

（許容時間算出例２）
許容時間算出部２３は、加熱装置温度センサ７５から得られる加熱装置１２の現在の温度が４５℃の場合、加熱装置１２の作動開始から６０分で乗員に低温やけどが発生すると仮定する。一方、許容時間算出部２３は、加熱装置１２の温度履歴を参照し、加熱装置１２の温度が作動開始時から４５℃である場合には、安全性を担保するために「許容時間」を４５分に仮に算出する。さらに、加熱装置１２の温度履歴に、加熱装置１２が５０℃で１５分間使用されていた履歴がある場合、許容時間を３５分に短縮する。このように、加熱装置１２が作動した温度に応じて重みづけを行い、許容時間に反映させることで安全性を担保する。

作動時間算出部２４は、加熱装置１２の作動開始から現在までに経過した時間を「作動時間」として算出する。

出力制御部２５は、消費電力算出部２２において算出される空調装置１１の予想消費電力及び加熱装置１２の予想消費電力に基づいて、空調装置１１及び加熱装置１２の少なくとも何れか一方を制御する。

具体的には、出力制御部２５は、快適度推定部２１によって推定された快適度と予め定めた目標快適度とを比較し、次のように制御を行う。
すなわち、出力制御部２５は、快適度により示される温度が、目標快適度により示される温度よりも高く、乗員が「暑い」と感じていると推定される場合に、空調装置１１の予想消費電力又は加熱装置１２の予想消費電力のうち、高い予想消費電力を示す装置の出力を低下させる。このとき、加熱装置１２の作動について、作動時間算出部２４により算出された作動時間と許容時間算出部２３により算出された許容時間とを比較し、作動時間が許容時間を超える場合には、予想消費電力の大小にかかわらず少なくとも加熱装置１２の出力を低下させる。

一方、出力制御部２５は、快適度により示される温度が、目標快適度により示される温度よりも低く、乗員が「寒い」と感じていると推定される場合に、空調装置１１の予想消費電力又は加熱装置１２の予想消費電力のうち、低い予想消費電力を示す装置の出力を上昇させる。このとき、予想消費電力の大小にかかわらず、吹出温度センサ７６から取得された空調装置１１の吹出温度が所定値以下の場合には、加熱装置１２の出力を上昇させる。

ただし、加熱装置１２の作動について、作動時間算出部２４により算出された作動時間と許容時間算出部２３により算出された許容時間とを比較し、作動時間が許容時間を超える場合には、加熱装置１２の出力を低下させ、空調装置１１の出力を上昇させる。

出力制御部２５において、作動時間と許容時間とを比較した結果に基づく加熱装置１２の制御は、例えば以下のように行うことができる。
許容時間算出部２３によって算出された許容時間が、上記した許容時間算出例１のように１５分である場合、作動時間算出部２４によって算出された作動開始から現在までの経過時間である作動時間が１５分を超えるか否かを判定し、作動時間が１５分を超える場合（作動時間≧許容時間）は、加熱装置１２の出力を低下させ、加熱装置１２の温度を例えば４５℃に下げる。

一方、許容時間算出部２３によって算出された許容時間が、上記した許容時間算出例２のように３５分である場合、作動時間算出部２４によって算出された作動開始から現在までの経過時間である作動時間が３５分を超えるか否かを判定し、作動時間が３５分を超えるまでは加熱装置１２の温度を４５℃で作動させ、３５分を超えた場合（作動時間≧許容時間）に、加熱装置１２の出力を低下させ、加熱装置１２の温度を例えば４０℃に下げる。

続いて、このように構成された車両用暖房装置１における空調装置１１及び加熱装置１２の制御フローについて、図３のフローチャートを用いて説明する。
車両用暖房装置１では、車両用暖房装置１の起動後、車室内温度が所望の温度範囲に到達して安定すると、制御装置１０により一定の周期で乗員の温冷感を含む快適度を監視し、図３に示すフローチャートに従って空調装置１１及び加熱装置１２を制御する。

制御装置１０では、快適度推定部２１により乗員の快適度を推定し（ステップＳ１０１）、許容時間算出部２３により加熱装置１２が安全に作動可能な許容時間を算出し（ステップＳ１０２）、作動時間算出部２４により、乗員の快適度が目標快適度となるまで加熱装置１２が作動した場合の作動時間を算出し（ステップＳ１０３）、消費電力算出部２２により、快適度推定部２１によって推定された快適度が目標快適度となるように空調装置１１及び加熱装置１２を作動させる場合に、空調装置１１及び加熱装置１２が消費する予想消費電力をそれぞれ算出する（ステップＳ１０４）。

出力制御部２５は、ステップＳ１０５以降において、ステップＳ１０１からステップＳ１０４において得られた乗員の快適度と、加熱装置１２の許容時間及び作動時間と、空調装置１１の予想消費電力と、加熱装置１２の予想消費電力とに基づいて、空調装置１１又は加熱装置１２の少なくとも何れか一方を制御する。

出力制御部２５は、快適度推定部２１によって推定された快適度と予め定めた目標快適度とを比較し（ステップＳ１０５）、快適度が目標快適度以上である場合（乗員が「快適」又は「暑い」と感じていると推定される場合）に、ステップＳ１０６に進む。快適度と目標快適度が等しく、乗員が「快適」と感じていると推定される場合には（ステップＳ１０６）、空調装置１１及び加熱装置１２の出力を維持するように制御する。

出力制御部２５は、快適度が目標快適度よりも大きく、乗員が「暑い」と感じていると推定される場合（ステップＳ１０６）には、加熱装置１２の作動時間と許容時間とを比較する（ステップＳ１０７）。加熱装置１２の作動時間が許容時間より長い場合には、加熱装置の出力を低減させる（ステップＳ１０８）。加熱装置１２の作動時間が許容時間より短い場合には、空調装置１１の予想消費電力と加熱装置１２の予想消費電力とを比較し（ステップＳ１０９）、加熱装置１２の予想消費電力が大きい場合には、加熱装置１２の出力を低減させる（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０９において、加熱装置１２の予想消費電力よりも空調装置１１の予想消費電力が大きい場合には、空調装置１１の出力を低減させる（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１０５に戻り、ステップＳ１０５おける快適度と目標快適度との比較において、快適度が目標快適度より小さいである場合（乗員が「寒い」と感じていると推定される場合）には、ステップＳ１１１に進み、加熱装置１２の作動時間と許容時間とを比較する。加熱装置１２の作動時間が許容時間より長い場合には、加熱装置の出力を低減させ（ステップＳ１１２）、かつ、空調装置１１の出力を上昇させる（ステップＳ１１６）。

加熱装置１２の作動時間が許容時間より短い場合には、空調装置１１の予想消費電力と加熱装置１２の予想消費電力とを比較し（ステップＳ１１３）、空調装置１１の予想消費電力よりも加熱装置１２の予想消費電力が小さい場合には、加熱装置の出力を上昇させる（ステップＳ１１４）。

ステップＳ１１３の比較の結果、空調装置１１の予想消費電力よりも加熱装置１２の予想消費電力が大きい場合には、空調装置１１の吹出温度が所定温度以下であるか判定する（ステップＳ１１５）。空調装置１１の吹出温度が所定温度以下である場合には、加熱装置１２の出力を上昇させる（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１５において空調装置１１の吹出温度が所定温度より大きいと判定された場合には、空調装置１１の出力を上昇させる（ステップＳ１１６）。

このように構成された車両用暖房装置１では、空調装置１１と加熱装置１２を用いて暖房を行う場合において、乗員の快適度を推定し、車室内空間や乗員が着座する座席シート１０１近傍が目標快適度によって示される温度となるように空調装置１１及び加熱装置１２の制御を行う。このとき、制御装置１０は、乗員の快適度を推定し、目標快適度に対する温冷感を含む快適度の過不足に鑑みて、乗員の快適度が目標快適度となるように制御している。

そして、乗員が快適と感じるように車室内空間や乗員が着座する座席シート１０１近傍を暖房するために、空調装置１１及び加熱装置１２が消費すると予想される予想費電力を算出し、予想消費電力が小さくなるように空調装置１１及び加熱装置１２制御する。このため、車両用暖房装置１では、乗員の快適性を向上させつつ、消費電力を抑制することができる。

一方、制御装置１０は、加熱装置１２の作動時間と安全に作動可能な許容時間とを算出して、目標快適度となるように空調装置１１及び加熱装置１２を制御した場合に、加熱装置１２の作動時間が許容時間を超える場合には、消費電力の大小にかかわらず、加熱装置１２の出力を低減するので、低温やけどを防止することができ、安全性が向上し、延いては乗員の快適性をより向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：車両用暖房装置、１０：制御装置、１１：空調装置、１２：加熱装置、
２０：ＣＰＵ、２１：快適度推定部、２２：消費電力算出部、２３：許容時間算出部、２４：作動時間算出部、２５：出力制御部、３０：ＲＯＭ、４０、ＲＡＭ、５０：記憶部、
７１：赤外線センサ、７２：内気センサ、７３：日射センサ、７４：着座センサ、７５：加熱装置温度センサ、７６：吹出温度センサ、
１００：車両、１０１：座席シート、１０２：乗員

Claims (7)

1. 温調した空気を車室内に供給する空調装置と、座席シート近傍の空間を加熱する加熱装置と、前記空調装置及び前記加熱装置を制御する制御装置を備えた車両用暖房装置であって、
   前記制御装置は、
   乗員の温冷感を含む快適度を推定する快適度推定部と、
   前記快適度が予め定めた目標快適度となるように前記空調装置及び前記加熱装置を作動させる場合に、前記空調装置及び前記加熱装置が消費する予想消費電力をそれぞれ算出する消費電力算出部と、
   前記空調装置の予想消費電力及び前記加熱装置の予想消費電力に基づいて、前記空調装置及び前記加熱装置の少なくとも何れか一方を制御する出力制御部と、を備えた車両用暖房装置。
2. 前記出力制御部は、
   前記快適度により示される温度が、前記目標快適度により示される温度よりも高い場合に、前記空調装置の予想消費電力又は前記加熱装置の予想消費電力のうち、高い予想消費電力を示す方の出力を低下させる、請求項１記載の車両用暖房装置。
3. 前記出力制御部は、
   前記快適度により示される温度が、前記目標快適度により示される温度よりも低い場合に、前記空調装置の予想消費電力又は前記加熱装置の予想消費電力のうち、低い予想消費電力を示す方の出力を上昇させる、請求項１記載の車両用暖房装置。
4. 前記出力制御部は、
   前記快適度により示される温度が、前記目標快適度により示される温度よりも低く、かつ、前記空調装置の吹出温度が所定温度以下の場合に、前記加熱装置の出力を上昇させる、請求項３記載の車両用暖房装置。
5. 前記制御装置は、
   前記加熱装置を安全に作動させることができる許容時間を算出する許容時間算出部と、
   前記加熱装置の作動開始から現在までに作動した作動時間を算出する作動時間算出部と、をさらに備え、
   前記出力制御部は、前記作動時間が前記許容時間を超える場合に、前記加熱装置の出力を低下させるように制御する、請求項１記載の車両用暖房装置。
6. 前記出力制御部は、
   前記快適度により示される温度が、前記目標快適度により示される温度よりも低く、かつ、前記作動時間が前記許容時間を超える場合に、
   前記加熱装置の出力を低下させると共に、前記空調装置の出力を上昇させるように制御する、請求項５記載の車両用暖房装置。
7. 前記許容時間は、前記加熱装置の温度変化の履歴に基づいて算出され、前記加熱装置の作動開始から起算して前記加熱装置を安全に作動させることができる時間である、請求項５記載の車両用暖房装置。
   

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