JP3722145B2

JP3722145B2 - ハイブリッド電気自動車の冷却システム

Info

Publication number: JP3722145B2
Application number: JP2004146236A
Authority: JP
Inventors: 均下野園
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: JP2004332744A

Description

この発明は、電動モータにより走行を可能な車両であって、エンジンにより駆動される発電機と、発電された電気を蓄えるバッテリとを備えており、電動モータを冷却するモータ用冷却システムと、エンジンを冷却するエンジン用冷却システムとを備えているハイブリッド電気自動車の冷却システムにおいて、冷却ファン等の冷却系の消費電力を低減させると共に、熱交換器のサイズを小さくして重量軽減を図り、燃費を改善する技術に関する。

従来から排気エミッションを改善するため、エンジンと電動モータを組み合わせたハイブリッド電気自動車が知られている。

このようなハイブリッド電気自動車では、エンジンにより駆動される発電機と、発電された電気を蓄えるバッテリとを備えて、電動モータにより走行が可能であるが、そのエンジンの冷却系と電動モータの冷却系とは制御温度が大きく異なっており、通常は電動モータの定格等からモータの冷却系が低めの設定となっている。したがって、両者の冷却系統を共有することは単純にはできず、それぞれ個別のラジエータ、送風手段を必要としている。そのため、これら複数の熱交換器への通水をうまく切換えることによって、共有化することが重要となっている。

図１５は冷却システムの例を示すもので、エンジン５０の水冷システムとエンジンの吸気を冷却するインタークーラ５１の水冷システムとを組み合わせたものである。この例では、エンジン冷却用のラジエータ５２とインタークーラ用のラジエータ５３に加えて、切換弁５４により各水冷システムと選択的に連通される第３のラジエータ５５とを備え、エンジン５０の冷却能力が必要なときは、第３のラジエータ５５をエンジン冷却系統と連通させ、インタークーラ５１の冷却能力が必要なときは、第３のラジエータ５５をインタークーラ冷却系統と連通させることにより、エンジン用ラジエータの余剰冷却能力を、他の水冷システムの放熱に利用し、冷却水放熱システムを小型化させている（例えば、特許文献１）。
特開平６ー８１６４８号

しかしながら、このような冷却システムにあっては、一方の冷却系の水温によって第３のラジエータを切換えるようになっていたため、両冷却系の水温差が大きいときに、水温ハンチングが発生する心配があり、また前記ハイブリッド電気自動車のエンジンおよび電動モータの冷却系に適用した場合、運転条件に合った効率の良い冷却を行えない。また、各熱交換器のレイアウト自由度が無く、冷却系がエンジンルームからの熱気の影響を受ける。

この発明は、ハイブリッド電気自動車のエンジンおよび電動モータの冷却系に最適な冷却システムを提供することを目的としている。

本発明は、電動モータにより走行可能な車両であって、エンジンを冷却するエンジン用冷却系のエンジン用ラジエータを前記エンジンを備えるエンジンルームから離れた部位に設置し、前記エンジン用ラジエータのファンの回転によってバッテリを冷却する。

本発明によれば、エンジン用冷却系のラジエータの冷却と共にバッテリの冷却を同一のファンで行える。また、停車時に充電のため作動する可能性があるエンジン用冷却系のラジエータをエンジンルームから離れた部位に配置することにより、できるだけ車両後方の低温気流を吸引させて、そのエンジン用冷却系のラジエータの良好な放熱性能を確保できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１において、１はエンジン、２はエンジン１により駆動される発電機、３は発電機２により発電された電気およびバッテリの電力により駆動される走行用に用いられる電動モータ、４はエンジン用冷却システム、５はモータ用冷却システムである。

エンジン用冷却システム４において、冷却水はエンジン１を冷却することによって受熱後、エンジン出口配管６、サーモスタット７、ラジエータ入口配管８を通り、エンジン用のラジエータ９に流入して放熱する。その後、ラジエータ出口配管１０およびエンジン入口配管１１を経由して、エンジン１により駆動されるメカニカルポンプとしてのウォータポンプ１２に吸引され、エンジン１へ還流する。この場合、エンジン冷却水温がある所定値以下のときは、サーモスタット７がエンジン用のラジエータ９への通水を遮断し、エンジン出口配管６の冷却水はバイパス経路１３を通って直ちにウォータポンプ１２へ還流する。

モータ用冷却システム５において、冷却系路１４の冷却水は電動ポンプ（電動ウォータポンプ）１５により電動モータ３、発電機２に送られ、これらを冷却すると共に、モータ用のラジエータ１６を通り、放熱する。

そして、このエンジン用のラジエータ９のラジエータ出口配管１０とモータ用のラジエータ１６の冷却水入口部１７とが循環用配管としての連通配管１８により連通され、その連通配管１８の途中にアシスト電動ポンプ（アシスト電動ウォータポンプ）１９が設置される。また、モータ用のラジエータ１６の冷却水出口部２０とエンジン用のラジエータ９のラジエータ入口配管８とが循環用配管としての戻り配管２１により連通される。

電動ポンプ１５およびアシスト電動ポンプ１９には、例えばギアポンプのように停止時には通水を遮断する容積型のポンプが用いられる。

一方、エンジン用のラジエータ９内の冷却水温を検出するためのセンサ２２およびモータ用のラジエータ１６内の冷却水温を検出するためのセンサ２３が設けられ、これらの検出信号は後述するセンサ３７の検出信号と共にコントロールユニット２６に入力される。

コントロールユニット２６により、センサ２２，２３の検出信号に基づき、電動ポンプ１５、アシスト電動ポンプ１９の駆動が制御される。また、それぞれエンジン用のラジエータ９、モータ用のラジエータ１６に冷却風を強制通風させる冷却ファン（電動ファン）２４，２５の駆動もコントロールユニット２６により、制御される。

図２は本システムの配置構成を示すもので、車両を床下から見た図である。エンジン１、発電機２、電動モータ３は、車両３０の前側のエンジンルーム３１に配置される。モータ用のラジエータ１６はエンジンルーム３１の前端にエアコンコンデンサ３２と並んで配置される。

バッテリ３３はエンジンルーム３１から離れた車両３０の床下中央部に配置され、側方（車両３０の横方向）を筐体３４により取り囲まれる。エンジン用のラジエータ９はその筐体３４の車両３０前方側に設置され、筐体３４の車両３０後方側には通風口３５が形成される。

冷却ファン２４により、エンジン用のラジエータ９の冷却と共に、バッテリ３３の冷却も行われる。筐体３４内のバッテリ３３の雰囲気温度を検出するためのセンサ３７が設けられ、コントロールユニット２６により、そのセンサ３７の検出信号によっても、冷却ファン２４の駆動が制御される。

なお、冷却ファン２４は２連式のもので、図中３８はエアコンコンデンサ３２の冷却ファンを示す。また、３９はエンジン１の排気管、４０は車輪である。

次に、コントロールユニット２６による制御内容を図３の制御マップ、図４〜図９のフローチャートに基づいて説明する。

前述した通り、エンジン冷却系とモータ冷却系とでは目標制御水温が異なる。この目標制御水温は、エンジンやモータの種類により異なるが、ここでは説明のため、エンジンの最高目標水温を１１０℃、モータの最高目標水温を６０℃と仮おきして説明する。図３はモータ水温とエンジン水温の制御マップを示す。ここに示す（ａ）〜（ｇ）までの領域それぞれにおいて、図１に示した通水系を切換えて行う。

図４のステップ１ではバッテリ３３の雰囲気温度が５０℃以上かどうかを判定し，５０℃以上であれば、後述のルーチンにかかわらず、ステップ２でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオンする。

ステップ３ではモータ水温（センサ２２の検出水温）が５０℃以上かどうかを判定し、５０℃未満であれば、ステップ４でエンジン水温（センサ２３の検出水温）が８０℃以上かどうかを判定し、８０℃未満であれば、Ａ（図５）のフローに進み、８０℃以上であれば、Ｄ（図８）のフローに進む。

ステップ３でモータ水温が５０℃以上であれば、ステップ５でエンジン水温が８０℃以上かどうかを判定し、８０℃以上であれば、Ｅ（図９）のフローに進み、また８０℃未満であれば、ステップ６でエンジン水温が５５℃以下かつモータ水温が５５℃以上かどうかを判定し、Ｎｏであれば、Ｂ（図６）のフローに進み、Ｙｅｓであれば、Ｃ（図７）のフローに進む。

図５（図３の（ａ）の領域の制御）のステップ１１では、電動ポンプ１５、アシスト電動ポンプ１９をオフし、エンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオフする。

図６（図３の（ｂ）の領域の制御）のステップ２１では、電動ポンプ１５をオン、アシスト電動ポンプ１９をオフする。ステップ２２ではモータ水温が５８℃以上かどうかを判定し、５８℃未満であれば、ステップ２３でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオフし、５８℃以上であれば、ステップ２４でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオフし、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５をオンする。

図７（図３の（ｃ）の領域の制御）のステップ３１では、電動ポンプ１５、アシスト電動ポンプ１９をオンする。ステップ３２ではモータ水温が５８℃以上かどうかを判定し、５８℃未満であれば、ステップ３３でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオフし、５８℃以上であれば、ステップ３４でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオフし、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５をオンする。

図８（図３の（ｄ）の領域の制御）のステップ４１では、電動ポンプ１５をオン、アシスト電動ポンプ１９をオフする。ステップ４２ではエンジン水温が９５℃以上かどうかを判定し、９５℃未満であれば、ステップ４３でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオフし、９５℃以上であれば、ステップ４４でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオンし、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５をオフする。

図９（図３の（ｅ）の領域の制御）のステップ５１では、電動ポンプ１５をオン、アシスト電動ポンプ１９をオフする。

ステップ５２ではエンジン水温が９５℃以上かどうかを判定し、９５℃未満であれば、ステップ５３でモータ水温が５８℃以上かどうかを判定し、５８℃未満であれば、ステップ５４でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオフし、５８℃以上であれば、ステップ５５でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオフし、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５をオンする。

ステップ５２でエンジン水温が９５℃以上であれば、ステップ５６でモータ水温が５８℃以上かどうかを判定し、５８℃未満であれば、ステップ５７でエンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４をオンし、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５をオフし、５８℃以上であれば、ステップ５８でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２４，２５を共にオンする。

次に、各領域つまり図３の（ａ）〜（ｇ）の領域の動作状態を説明する。
（ａ）の領域：［モータ水温もエンジン水温も十分低い］
この場合の通水状況を図１０に示す。サーモスタット７はバイパス経路１３側へ開となっており、エンジン用ラジエータ９へは通水しない。また、電動ポンプ１５およびアシスト電動ポンプ１９は作動せず、モータ用ラジエータ１６へも通水しない。
（ｂ）の領域：［エンジン水温は低いが、モータ水温が上昇した場合］
この場合の通水状況を図１１に示す。モータ３で走行し、エンジン１はほとんど作動していない状況である。サーモスタット７はバイパス経路１３側へ開となっており、エンジン用ラジエータ９へは通水しない。電動ポンプ１５は作動し、モータ３および発電機２を冷却してモータ用ラジエータ１６で放熱する。アシスト電動ポンプ１９は作動させず、エンジン用冷却系とモータ用冷却系との冷却水のやり取りは行わない。
（ｃ）の領域：［モータ水温が上昇し、エンジン水温がモータ水温よりも低い場合］
この場合の通水状況を図１２に示す。エンジン水温が低いため、サーモスタット７はバイパス経路１３側へ開となっており、エンジン用冷却系の冷却水はエンジン用ラジエータ９へは通水しない。電動ポンプ１５は作動し、モータ３および発電機２を冷却してモータ用ラジエータ１６で放熱する。ここで、アシスト電動ポンプ１９を作動させ、エンジン用ラジエータ９で放熱済みの低温冷却水をモータ用ラジエータ１６の冷却水入口部１７へ流入させる。ここでモータ用冷却系内の高温冷却水と混合することにより、モータ水温を低下させる。流入させた冷却水はモータ用ラジエータ１６で放熱後、戻り配管２１によりエンジン用ラジエータ９のラジエータ入口配管８へ流入し、エンジン用ラジエータ９で更に放熱して低温となった後、連通配管１８を通って再びモータ用冷却系へ流入する。すなわち、エンジン用ラジエータ９もモータ３の放熱に寄与していることになる。
（ｄ）の領域：［モータ水温は低いが、エンジン水温が上昇した場合］
この場合の通水状況を図１３に示す。エンジン水温が高いので、サーモスタット７はエンジン用ラジエータ９側へ開となる。一方、電動ポンプ１５は作動せず、モータ用冷却系内の高温冷却水モータ３および発電機２へは通水しない。ここで、アシスト電動ポンプ１９が作動し、エンジン用冷却系内の高温冷却水をモータ用冷却系内へ流入させ、モータ用ラジエータ１６で放熱して、戻り配管２１により再びエンジン用ラジエータ９のラジエータ入口配管８へ還流させ、ここでエンジン用冷却系内の冷却水と混合することにより、熱交換を行う。すなわち、モータ用ラジエータ１６をエンジン冷却用に使用することになる。
（ｅ）の領域：［モータ水温もエンジン水温も上昇した場合］
この場合の通水状況を図１４に示す。エンジン水温が高いので、サーモスタット７はエンジン用ラジエータ９側へ開となる。電動ポンプ１５は作動し、モータ３および発電機２を冷却してモータ用ラジエータ１６で放熱する。ここで、アシスト電動ポンプ１９は作動せず、エンジン用冷却系とモータ用冷却系はそれぞれ独立して冷却を行うことになる。

一方、冷却ファン２４，２５は、放熱がどうしても不足する場合（限界水温に近くなった場合）に作動させて、強制空冷を行って放熱量を確保する。冷却系で消費する電力の低減が目的であり、冷却ファン２４，２５はできるだけ作動させず、そのために電動ポンプ１５、アシスト電動ポンプ１９の制御により熱交換器面積の有効利用を果し、走行風や自然対流での放熱により賄うことを優先している。すなわち、エンジン用ラジエータ９の冷却ファン２４は、エンジン水温が９５℃を越えた場合、モータ用ラジエータ１６の冷却ファン２５は、モータ水温が５８℃を越えた場合に、それぞれ作動する。

このように、エンジン用冷却系とモータ用冷却系との間で冷却水のやり取りを可能にすると共に、エンジン水温とモータ水温とをモニタしながらその冷却水のやり取りを制御するので、モータ３の冷却性能が要求される領域ではエンジン用ラジエータ９をモータ冷却に使用して、またエンジン１の冷却性能が要求される領域ではモータ用ラジエータ１６をエンジン冷却に使用して、高い冷却性能を確保することができ、例えばエンジン冷却を優先したためにモータ水温が規定値をオーバーしてしまうようなことはなく、各冷却系での水温制御をきめ細かく行え、運転状態に合った効率の良い冷却を行える。

また、水温が異なるエンジン用冷却系とモータ用冷却系との間での冷却水のやり取りを各水温差に応じて制御できるので、そのやり取りを切換えたときの水温ハンチングを少なくすることができる。

また、バッテリ３３をエンジンルーム３１から離れた車両３０の床下中央部に配置すると共に、エンジン用ラジエータ９をそのバッテリ３３を取り囲む筐体３４の車両３０前方側に設置したので、エンジン用ラジエータ９の冷却と共にバッテリ３３の冷却を同一のファン２４で行えることと合わせて、次の利点がある。

すなわち、走行中は走行風が期待できるため、車両の前端に熱交換器を置くことが最も有効である。そのため、走行中に主に使用するモータ３用のラジエータ１６をエンジンルーム３１の前端部に配置している。一方、停車時にはエンジンルーム３１内の熱気が回り込んで熱交換器に吸引されるいわゆる吹き返し現象が存在するため、熱交換器はエンジンルーム３１からできるだけ離した方が良い。そこで、停車時に充電のため作動する可能性があるエンジン１用のラジエータ９をエンジンルーム３１から離れた車両３０の床下中央部に配置することにより、できるだけ車両後方の低温気流を吸引させて、そのエンジン用ラジエータ９の性能を確保するのである。これにより、エンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の良好な放熱性能を確保でき、また前述の制御により、冷却性能が要求される条件において車両前方と床下中央部の条件でラジエータを作動させることができるため、あらゆる条件でエンジン用ラジエータ９、モータ用ラジエータ１６の高い放熱性能を確保することができる。

このように各ラジエータ９，１６の伝熱面積を有効に利用でき、冷却ファン２４，２５の消費電力を低減でき、したがってエンジン１およびモータ３の信頼性が向上すると共に、熱交換器面積、重量等の低減を達成でき、冷却系の消費電力を少なくできる結果、燃費を向上できる。

システムの構成図である。実施の形態の配置構成図である。制御マップを示す特性図である。制御内容を示すフローチャートである。制御内容を示すフローチャートである。制御内容を示すフローチャートである。制御内容を示すフローチャートである。制御内容を示すフローチャートである。制御内容を示すフローチャートである。通水状況の説明図である。通水状況の説明図である。通水状況の説明図である。通水状況の説明図である。通水状況の説明図である。従来例の構成図である。

符号の説明

１エンジン
２発電機
３電動モータ
４エンジン用冷却システム
５モータ用冷却システム
６エンジン出口配管６
７サーモスタット
８ラジエータ入口配管
９ラジエータ
１０ラジエータ出口配管
１１エンジン入口配管
１２ウォータポンプ
１３バイパス経路
１４冷却系路
１５電動ポンプ
１６ラジエータ
１７冷却水入口部
１８連通配管
１９アシスト電動ポンプ
２０冷却水出口部
２１戻り配管
２２，２３センサ
２４，２５冷却ファン
２６コントロールユニット
３０車両
３１エンジンルーム
３３バッテリ
３４筐体
３５通風口
３７センサ

Claims

電動モータにより走行可能な車両であって、
エンジンを冷却するエンジン用冷却系のエンジン用ラジエータを前記エンジンを備えるエンジンルームから離れた部位に設置し、
前記エンジン用ラジエータのファンの回転によってバッテリを冷却することを特徴とするハイブリッド電気自動車の冷却システム。
前記エンジンルームを車両前方に配置し、
前記エンジン用ラジエータを前記エンジンルームより車両後方側に配置することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車の冷却システム。
前記電動モータを冷却するモータ用冷却系のモータ用ラジエータを車両前端に設置することを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド電気自動車の冷却システム。