JP3700423B2 - 自動車用冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用冷却装置であって、特に自動車に搭載されたラジエータや空調用コンデンサに冷却風が流れるようにするものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用冷却装置において、ラジエータや空調用コンデンサに電動冷却ファンからの冷却風を送風するものが周知である。例えば、エンジン冷却水の温度に応じて、電動モータにて駆動される電動冷却ファンをパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御、電動モータに印加された印加電圧のデューティ比を制御）を行うものや、２つの抵抗の使用数を切り換えて、電動冷却ファンの回転数をハイ、ローの２段階に制御するものが周知である。
【０００３】
このようなものにおいて、車両搭乗時にイグニッションスイッチもしくはアクセサリースイッチをオンすると、車両制御装置により、エンジン冷却水の水温が所定水温以上であると、ＰＷＭ制御を行う制御信号に応じて電動冷却ファンを駆動したり、リレー等のスイッチ手段をオンして電動冷却ファンを駆動するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような電動冷却ファンの起動時においては、電動モータの回転数が低いため、電動モータでの逆起電力が小さく、モータ印加電圧がモータ捲線にかかる。このため、電動モータの回転数がある程度まで上がるまでは、過大な突入電流が流れ、フロント回りのバッテリ電圧が降下し、ヘッドライトが一瞬暗くなったりするという問題がある。
【０００５】
この問題に対処するため、上記ＰＷＭ制御を行うものでは、電動モータ起動時には、徐々にデューティー比を大きくすることが実施されている。このようにすることで、上記問題を、その機能を利用して解決できるので、部品点数を大幅に増加させずに比較的容易に行うことができる。
また、リレー等のスイッチ手段をオンして電動冷却ファンを駆動するものにおいても、電動モータ起動時には、先ずその回転数をローとしてからハイにすることで、比較的容易に上記問題に対処することができる。
【０００６】
一方、低コスト化のニーズから、電動冷却ファンの回転数をＰＷＭ制御あるいは抵抗による段階的な制御を行わずに、車載バッテリと電動モータの間にオンオフスイッチのみを設けて、必要な時に上記回転数を所定回転数のみに制御するものがある。
しかしながら、このような構成にすると、元々電動モータの回転数を可変制御する機能が無いため、上記した突入電流の問題を直ぐさま対処することができないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、電動冷却ファンの回転数が所定回転数に制御される自動車用冷却装置において、上記した突入電流の問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために請求項１に記載の発明においては、車両に搭載された冷却用熱交換器に冷却風が流れるようにする冷却用ファン（４）と、車両に搭載されたバッテリ（１）から電力が供給されて冷却用ファン（４）を駆動する電動モータ（２）と、バッテリ（１）から電動モータ（２）への電力供給ラインに設けられて電動モータ（２）に通電を行うＭＯＳトランジスタ（８）と、バッテリ（１）からＭＯＳトランジスタ（８）のゲートにゲート電圧を印加してＭＯＳトランジスタ（８）をオンさせるものであって、電動モータ（２）の起動時には、ＭＯＳトランジスタ（８）のゲートに印加されるゲート電圧の立ち上がりを遅延して、電動モータ（２）の突入電流を低減する回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）を備えたことを特徴としている。
【０００９】
この発明によれば、回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）によりゲート印加電圧の立ち上がりを遅延しているため、ＭＯＳトランジスタ（８）は飽和領域で制御され、ドレイン電流の立ち上がりを緩やかにさせることができ、電動モータ（２）の突入電流を低減することができる。
この場合、回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）としては、具体的には、請求項２に記載の発明のように、抵抗（Ｒ１）とコンデンサ（Ｃ１）にて構成される積分回路（９）を備えるようにすることができる。また、より具体的には、請求項３に記載の発明のように、抵抗（Ｒ１）の一端をバッテリ（１）から電動モータ（２）に電力を供給するラインに接続し、抵抗（Ｒ１）とコンデンサ（Ｃ１）の接続点をＭＯＳトランジスタ（８）のゲートに接続するようにすることができる。
【００１０】
また、上記冷却用ファン（４）は、電動モータ（２）への電力供給が遮断されている状態であっても、車両が走行することで風圧により回転する。このため、電動モータ（２）は、発電機状態となり、誘起電圧が発生する。そして、電動モータ（２）の回転数が高くなって、上記誘起電圧が高くなると、この誘起電圧がＭＯＳトランジスタ（８）のゲート印加電圧となる。したがって、電動モータ（２）への電力供給が遮断されている状態であっても、電動モータ（２）の回転数が高くなって、ゲート印加電圧がしきい値電圧より高くなると、ＭＯＳトランジスタ（８）がオンするため、この状態で電動モータ（８）に通電を行おうと、回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）による突入電流の低減効果が得られないという問題がある。
【００１１】
そこで、請求項１記載の発明においては、回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）として、冷却用ファン（４）が風圧により回転し電動モータ（２）に誘起電圧が発生しているときに、誘起電圧が所定電圧以上であると誘起電圧によってＭＯＳトランジスタ（８）をオンさせ、誘起電圧が所定電圧より低いとＭＯＳトランジスタ（８）をオフさせるようにし、上記した所定電圧として、ＭＯＳトランジスタ（８）が誘起電圧によってオンしているときに電動モータ（２）への通電が行われても突入電流が規定値以下に制限されるような値に設定したことを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、風圧によって冷却用ファン（４）の回転数が所定回転数以上になり電動モータ（２）による誘起電圧によってＭＯＳトランジスタ（８）がオンしているときに、電動モータ（２）への通電が行われても突入電流が規定値以下に制限されるため、この場合においても突入電流による問題を生じないようにすることができる。
【００１３】
なお、上記した括弧内の符号は後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の自動車用冷却装置について図１を用いて説明する。図１は、自動車用冷却装置のシステム図である。
１は車両に搭載された１２Ｖの２次電池（以下、バッテリという）、２はバッテリ１から電力が供給されて冷却ファン４を駆動する電動モータ（誘導性負荷で、定格２００Ｗのもの）、３はバッテリ１と電動モータ２との間に設けられたリレースイッチである。
【００１５】
リレースイッチ３は、図示しない駆動用のコイルに電流が流れるとオンし、コイルに流れる電流が遮断されるとオフするようになっている。コイルへの通電・遮断は、図示しない車両制御用の制御装置により制御され、この制御装置には、エンジンのエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ（図示しない）からの検出信号が入力されている。
【００１６】
この制御装置は、上記した水温センサの検出信号が所定温度以上で、エンジン冷却水を冷却する必要があると判定すると、上記したコイルをオンし、電動モータ２に通電が行われるようにする。この実施形態においては、電動モータ２は、図１に示す回路によって、所定回転数のみで駆動されるようになっている。
５は上記エンジン冷却水を冷却する冷却用熱交換器であるラジエータである。電動モータ２は、冷却ファン４を駆動し、この冷却ファン４にて発生する冷却風は、上記ラジエータ５に向かって送風される。これにより、ラジエータ５内を流れるエンジン冷却水が冷却される。なお、図中１２は、冷却用ファン４で発生する冷却風をラジエータに導くガイドをなすファンシュラウドである。
【００１７】
次に、本発明の要部である突入電流低減回路６について説明する。突入電流低減回路６は、図１に示すように、バッテリ１と電動モータ２との間に設けられている。なお、図中の○は、コネクタ端子を示しており、突入電流低減回路６は、バッテリ１と電動モータ２との間に図示しないコネクタにて接続されている。
突入電流低減回路６は、ＭＯＳトランジスタ８と積分回路９とを有する。ＭＯＳトランジスタ８は、本実施形態では溝ゲートタイプ又はプレーナタイプのエンハンスメント型電界効果トランジスタである。ＭＯＳトランジスタ８は、バッテリ１から電動モータ２への電力供給ライン７に設けられ、電動モータ２に通電を行って電動モータ２を駆動する。
【００１８】
積分回路９は、抵抗Ｒ１（抵抗値２４０ｋΩ）とコンデンサＣ１（容量１００μＦ）とからなり、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とは、バッテリ１の＋Ｂ端子とアース端子との間に直列に接続されている。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との間の接続点は、上記ＭＯＳトランジスタ８のゲートＧに接続されている。これにより、積分回路９の出力は、ＭＯＳトランジスタ８のゲート電圧となる。
【００１９】
また、コンデンサＣ１には、並列に抵抗Ｒ２（抵抗値１８０ｋΩ）が接続されている。言い換えると、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１に直列に接続されている。また、コンデンサＣ１と直列で、抵抗Ｒ１と並列にダイオード１０が接続されている。ダイオード１０は、上記リレースイッチ３をオンからオフするときに、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷を素早く放電し、ＭＯＳトランジスタ８のスイッチングを確実に行うためのものである。
【００２０】
次に、上記した突入電流低減回路６の作動について説明する。先ず、リレースイッチ３がオンされると、バッテリ１の電圧が積分回路９に印加される。そして、ＭＯＳトランジスタ８のゲートＧには、積分回路９の出力が印加されるのであるが、このゲート印加電圧は、積分回路９の時定数によって、立ち上がりが遅延されて、ゆっくりと上昇する。そして、ゲート印加電圧がＭＯＳトランジスタ８のしきい値電圧になると、ＭＯＳトランジスタ８はオンし始めるが、ゲート印加電圧が低い時には、ＭＯＳトランジスタ８は飽和領域で制御され、ＭＯＳトランジスタ８を流れるドレイン電流は制限される。
【００２１】
このため、電動モータ２はゆっくりと起動され、徐々に回転数が増加する。つまり、積分回路９により、電動モータ２の起動時に、バッテリ１から印加されるＭＯＳトランジスタ８のゲート印加電圧の立ち上がりを遅延し、ドレイン電流の立ち上がりを遅延する。このことによって、電動モータ２の突入電流が低減される。また、このように電動モータ２をゆっくりと起動するため、突発音の低減効果が得られる。なお、このゲート印加電圧の立ち上がりは、上記時定数によって任意に設定可能である。
【００２２】
このように本実施形態では、電動モータ２の回転数が所定回転数のみに制御される自動車用冷却装置において、ＭＯＳトランジスタ８と積分回路９を用いるため、簡単な構成で上記した突入電流の問題を解決することができる。
また、構成部品が簡素であるため、形状的にも比較的小さく作ることができ、電動モータ２に組み込んだり、上記ファンシュラウド１２に容易に搭載可能である。さらには、冷却用ファン４が発生する冷却風が当たる位置にＭＯＳトランジスタ８や積分回路９を搭載すれば、電気発熱の冷却が行えるため、突入電流低減回路６の信頼性が向上するとともに、別個に上記電気発熱の熱を逃がす冷却フィンを使用する場合は、冷却フィンの小型化が可能で、コストを低減できる。
【００２３】
また、本実施形態では、突入電流低減回路６は、コネクタによりバッテリ１と電動モータ２との間に簡単に接続でき、他のシステム配線を変更することがなく、実用上有利である。
ところで、冷却用ファン４は、ラジエータ５が車両走行風が当たりやすいように車両最前方部等に配置されるため、例えばラジエータ５の車両後方側に配置されている。従って、上記リレースイッチ３がオンされておらず、電動モータ２への電力供給が遮断されている状態であっても、車両が走行することで冷却ファン４および電動モータ２が走行風の風圧によって回転する。
【００２４】
このため、電動モータ２は、発電機状態となり、誘起電圧（正極側を図１中Ｍ＋、負極側を図１中Ｍ−）が発生する。そして、この電動モータ２の回転数が高くなって、誘起電圧が高くなると、ＭＯＳトランジスタ８のゲート印加電圧は、この誘起電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧した値となる。したがって、電動モータ２の回転数が高くなって、ゲート印加電圧が上記しきい値電圧より高くなると、リレースイッチ３がオフであっても、勝手にＭＯＳトランジスタ８がオンし、この状態でリレースイッチ３がオンとなっても、上記積分回路８の機能を果たさず、突入電流低減効果が得られないという問題がある。
【００２５】
そこで、本実施形態では、積分回路９の設定により、電動モータ２の回転数が所定回転数（１５００ｒｐｍ）以下であるときは、上記ＭＯＳトランジスタ８がオンしないようにしている。ここで、上記１５００ｒｐｍとは、車両が１００ｋｍ／ｈで走行しているときに、冷却用ファン４が風圧によって回転する回転数であり、冷却用ファン４の回転数が１５００ｒｐｍ以上であれば、電動モータ２での逆起電力がある程度大きくなって、リレースイッチ３をオンして電動モータ２を駆動しても、突入電流が規定値（例えば２５Ａ）より小さく突入電流の問題がそれほど生じないという回転数である。
【００２６】
具体的な設定内容は、以下のようなものである。本実施形態では、電動モータ２の回転数が１５００ｒｐｍである場合、上記誘起電圧が５〜６Ｖ程度である。このため、誘起電圧を６Ｖとすると、誘起電圧でのゲート印加電圧は、抵抗１と抵抗２との分圧値（２．５７Ｖ）となる。この値は、ＭＯＳトランジスタ８のゲート電圧−ドレイン電流特性により，ドレイン電流が規定の突入電流以下に制限される電圧である。また、車両使用条件により、バッテリ１の電圧が８Ｖに低下したとして、ＭＯＳトランジスタ８を確実に駆動できるようにしなけらればならない。
【００２７】
このため、ゲート印加電圧は、抵抗１と抵抗２との分圧値で決まるため、条件として、各抵抗値をバッテリ１の電圧が８Ｖに低下したときでも、ＭＯＳトランジスタ８オン時の電圧ドロップ（ドレイン−ソース間電圧）が製品仕様上問題のない値（本実施形態では０．５Ｖ以下）になるように設定する必要がある。この実施形態では、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を２４０ｋΩ、１８０ｋΩとしているため、ゲート印加電圧は、３．４２Ｖとなり、上記した条件を満足する。このことにより、積分回路６は常時機能し、突入電流を常時確実に低減させることができる。
【００２８】
なお、ＭＯＳトランジスタ８、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１の組み合わせによっては、走行風による起電力が発生し徐々にゲート電圧が上昇した場合、ＭＯＳトランジスタ８がオンしようとする瞬間にトランジスタのミラー効果により入出力が発振し、ゲートしきい値電圧付近で電圧が保持されることがある。その場合には、抵抗Ｒ２の設定によらなくてもＭＯＳトランジスタ８は走行風による起電力によってオンしないため、抵抗Ｒ２をなくすことができる。
（第２実施形態）
この実施形態においては、ＭＯＳトランジスタ８のゲート−ドレイン間にコンデンサＣ２を介在させ、また抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との間に抵抗Ｒ３を介在させている。コンデンサＣ２は、コンデンサＣ１に等価されるＭＯＳトランジスタ８のゲート−ソース間の電荷容量を大きくするのと同様に機能する。つまり、ＭＯＳトランジスタ８は、上記コンデンサＣ２の電荷容量が大きくなるほどスイッチング動作が遅くなる。その動作原理は次の通りである。
【００２９】
リレースイッチ３がオンすると、抵抗Ｒ１とＲ３とを介して電荷がゲート−ソース間に蓄えられ、蓄えられた電荷が所定量となり、ゲート−ソース間電圧がＭＯＳトランジスタ８のしきい値電圧に達すると、ＭＯＳトランジスタ８はオンし始める。このとき、ドレイン−ソース間電圧は低下し、その電圧がゲート−ソース間電圧より小さくなると、抵抗Ｒ１とＲ３とを介して電荷がコンデンサＣ２に蓄えられる。その結果、ゲート−ソース間電圧の上昇は抑制されるため、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電流を制限することができる。そして、このようにすることで、上記した第１実施形態と比べて、部品点数は増加するが、コンデンサＣ１の容量を小さくできるため、本構成の方が回路の実装上有利となる。
（第３実施形態）
上記した第１、第２実施形態においては、ＭＯＳトランジスタ８を電動モータ２の下流側に設けるものを示したが、ＭＯＳトランジスタ８を電動モータ２の上流側に設けるようにしてもよい。この場合の実施形態（第１実施形態に対して変形させたもの）を図３に示す。ＭＯＳトランジスタ８としては、Ｐチャネル型のものを用いている。その作動は、基本的には図１に示す第１実施形態と同様である。
【００３０】
また、上記した第１乃至第３実施形態では、リレースイッチ３によって電動モータ２に通電を行うものを示したが、そのスイッチ３としては、イグニッションスイッチ、Ａ／Ｃスイッチなどと連動してオンされるものであってもよい。
また、冷却ファン４は、ラジエータ５に向かって冷却風を送風するものに限らず、ラジエータ５から空気を吸い込んで、ラジエータ５に冷却風を生じさせるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるシステム図である。
【図２】本発明の第２実施形態におけるシステム図である。
【図３】本発明の第３実施形態におけるシステム図である。
【符号の説明】
１…バッテリ、２…電動モータ、４…冷却用ファン、
８…ＭＯＳトランジスタ、９…積分回路。

Claims (3)

1. 車両に搭載された冷却用熱交換器に冷却風が流れるようにする冷却用ファン（４）と、
   車両に搭載されたバッテリ（１）から電力が供給されて前記冷却用ファン（４）を駆動する電動モータ（２）と、
   前記バッテリ（１）から前記電動モータ（２）への電力供給ラインに設けられて前記電動モータ（２）に通電を行うＭＯＳトランジスタ（８）と、
   前記バッテリ（１）から前記ＭＯＳトランジスタ（８）のゲートにゲート電圧を印加して前記ＭＯＳトランジスタ（８）をオンさせるものであって、前記電動モータ（２）の起動時には、前記ＭＯＳトランジスタ（８）のゲートに印加される前記ゲート電圧の立ち上がりを遅延して、前記電動モータ（２）の突入電流を低減する回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）とを備え、
   前記回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）は、前記冷却用ファン（４）が風圧により回転し前記電動モータ（２）に誘起電圧が発生しているときに、前記誘起電圧が所定電圧以上であると前記誘起電圧によって前記ＭＯＳトランジスタ（８）をオンさせ、前記誘起電圧が所定電圧より低いと前記ＭＯＳトランジスタ（８）をオフさせるようになっており、前記所定電圧は、前記ＭＯＳトランジスタ（８）が前記誘起電圧によってオンしているときに前記電動モータ（２）への通電が行われても前記突入電流が規定値以下に制限されるような値に設定されていることを特徴とする自動車用冷却装置。
2. 前記回路手段（９、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ２）は、抵抗（Ｒ１）とコンデンサ（Ｃ１）にて構成される積分回路（９）を備えて、前記電動モータ（２）の起動時に前記ゲート電圧の立ち上がりを遅延するものであることを特徴とする請求項１に記載の自動車用冷却装置。
3. 前記抵抗（Ｒ１）の一端は前記バッテリ（１）から前記電動モータ（２）に電力を供給するラインに接続され、前記抵抗（Ｒ１）と前記コンデンサ（Ｃ１）の接続点は前記ＭＯＳトランジスタ（８）のゲートに接続されていることを特徴とする請求項２に記載の自動車用冷却装置。

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