JP3894180B2 - ハイブリッド自動車用冷却システム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン(内燃機関)等の熱機関と電動モータとを組み合わせて走行するハイブリッド自動車において、電動モータやモータ制御用インバータ回路等の電気部品および熱機関を冷却するための冷却システムに関するものである。
従来のハイブリッド自動車用冷却システムでは、エンジンを冷却するためのラジエータ、および電動モータやインバータ回路等の電気部品を冷却するためのラジエータをそれぞれ設けてエンジンおよび電気部品を冷却していた。
ところで、近年、走行用の電動モータの高出力化に伴って電動モータやインバータ回路等の電気部品での発熱量も増大してきており、これに呼応するように電気部品を冷却するためのラジエータも大型化せざるを得なくなってきている。
しかし、電気部品での発熱量の増大に対して単純に電気部品用のラジエータを大型化すると、車両用空調装置の放熱器をなすコンデンサやエンジン(内燃機関)用のラジエータの搭載スペースを浸食する、または車両先端側の意匠的デザインが大きく制約される等の搭載レイアウト上の問題が多く発生する。
本発明は、上記点に鑑み、第1には、従来と異なる新規なハイブリッド自動車用冷却システムを提供し、第2には、必要にして十分な冷却能力を確保しながら、ハイブリッド自動車用冷却システムの小型化および簡素化を図ることを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、熱機関(1)と電動モータ(2)とを組み合わせて走行するハイブリッド自動車に適用され、熱機関(1)および電気部品(2、3)を冷却する冷却システムであって、
少なくとも熱機関(1)を冷却した冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第1放熱器(6)と、
少なくとも電気部品(2、3)を冷却した冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第2放熱器(7)と、
冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第3放熱器(8)とを有し、
第1放熱器(6)の冷却液出口側に第3放熱器(8)が直列接続されており、
さらに、第1放熱器(6)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合と第1放熱器(6)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合とを切り換えることができる第1切替手段(11、12)を有することを特徴とする。
これにより、熱機関(1)専用の1台の放熱器にて熱機関(1)を冷却する従来の冷却システムに比べて、第1放熱器(6)を小型にしながら、熱機関(1)を十分に冷却できる。
したがって、必要にして十分な冷却能力を確保しながら、ハイブリッド自動車用冷却システムの小型化および簡素化を図ることができる。
なお、「第1放熱器(6)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合と第1放熱器(6)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合とを切り換えることができる」とは、後述するように、オン−オフ的に切り換える場合は勿論のこと、連続的または段階的に切り換える場合も含む意味である。
請求項2に記載の発明では、第2放熱器(7)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を電気部品(2、3)に戻すように冷却液流れを切り換えることができる第2切替手段(11、12)を有することを特徴とする。
これにより、電気部品(2、3)専用の1台の放熱器にて電気部品(2、3)を冷却する従来の冷却システムに比べて、第2放熱器(7)を小型にしながら、電気部品(2、3)を十分に冷却できる。
したがって、必要にして十分な冷却能力を確保しながら、ハイブリッド自動車用冷却システムの小型化および簡素化をより一層図ることができる。
なお、「第2放熱器(7)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を電気部品(2、3)に戻すように冷却液流れを切り換えることができる」とは、後述するように、オン−オフ的に切り換える場合は勿論のこと、連続的または段階的に切り換える場合も含む意味である。
請求項3に記載の発明では、第1放熱器(6)、第2放熱器(7)および第3放熱器(8)は、第1放熱器(6)、第3放熱器(8)、第2放熱器(7)の順に冷却液流れに対して直列に接続されていることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明では、第1放熱器(6)の冷却液出口と第3放熱器(8)の冷却液入口とを繋ぐ冷却液回路と熱機関(1)の冷却液入口側とを繋ぐ第1分岐回路(9)と、
第3放熱器(8)の冷却液出口と第2放熱器(7)の冷却液入口とを繋ぐ冷却液回路と熱機関(1)の冷却液入口側とを繋ぐ第2分岐回路(10)と有し、
第1切替手段(11、12)は、第1分岐回路(9)を流れる冷却液の流量と第2分岐回路(10)を流れる冷却液の流量と調節することにより、第1放熱器(6)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合と第1放熱器(6)で冷却された冷却液を熱機関(1)に戻す場合とを切り換えることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明では、熱機関(1)の冷却液入口側が電気部品(2、3)の冷却液出口側に接続されて熱機関(1)および電気部品(2、3)が冷却液流れに直列に接続され
第1放熱器(6)の冷却液入口側が熱機関(1)の冷却液出口側に接続され、
第2放熱器(7)の冷却液出口側が電気部品(2、3)の冷却液入口側に接続され、
さらに、第2切替手段(11、12)は、第1分岐回路(9)を連通させることにより、第2放熱器(7)および第3放熱器(8)で冷却された冷却液を電気部品(2、3)に戻すように冷却液流れを切り換えることを特徴とするものである。
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(第1実施形態)
図1は本実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの概要を示す模式図である。
なお、本実施形態に係るハイブリッド自動車は、熱機関をなすエンジン(内燃機関)1および電動モータ2を共に走行用駆動源として利用するとともに、走行状態に応じてエンジン1および電動モータ2の運転状態を以下に述べるように制御する。
(1)車両が停止しているとき、つまり車速が約0km/hのときはエンジン1を停止させる。
(2)走行中は、減速時を除き、エンジン1で発生した駆動力を駆動輪に伝達する。なお、減速時は、エンジン1を停止させるとともに、電動モータ2にて車両の運動エネルギーを電気エネルギーに回生しながら回生制動を行う。
(3)発進時、加速時、登坂時及び高速走行時等の走行負荷が大きいときには、エンジン1で発生した駆動力に加えて、電動モータ2に発生した駆動力を駆動輪に伝達する。
なお、本実施形態では、車速及びアクセルペダル踏み込み量から走行負荷を検出する。
(4)バッテリ(図示せず。)の充電残量が充電開始目標値以下になったときには、エンジン1の動力を電動モータ2に伝達して電動モータ2を発電機として作動させてバッテリの充電を行う。
(5)車両が停止しているときにバッテリの充電残量が充電開始目標値以下になったときには、エンジン1を始動させてエンジン1の動力を電動モータ2に伝達して発電する。
因みに、充電開始目標値とは、充電を開始する残充電量のしきい値であり、満充電状態を100とした百分率にて示される。
モータ駆動装置3は、電動モータ2に駆動電流を供給して電動モータ2の出力を制御するもので、IGBTやインバータ等からなる電気回路である。なお、本実施形態では、このモータ駆動装置3および電動モータ2等により特許請求の範囲に記載された電気部品が構成される。
そして、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3は、冷却水により冷却されてその温度が所定要求温度範囲に保持されるとともに、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3は、冷却水流れ上流側からモータ駆動装置3、電動モータ2、エンジン1の順に、冷却水流れに対して直列に接続されている。
ここで、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3のうち最も要求温度範囲が高いのはエンジン1であり、最も要求温度範囲が低いのはモータ駆動装置3であり、電動モータ2の要求温度範囲は、モータ駆動装置3と略同等またはエンジン1の要求温度範囲とモータ駆動装置3の要求温度範囲との間である。
なお、エンジン1の要求温度範囲は約80℃〜約120℃であり、モータ駆動装置3の要求温度範囲は約50℃〜約70℃である。
因みに、本実施形態では、冷却水として、エチレングリコール系の不凍液が混入された水を採用しているが、冷却水はこれに限定されるものでない。
また、電動モータ2の冷却水出口とエンジン1の冷却水入口との間、およびモータ駆動装置3の冷却水出口と電動モータ2の冷却水入口との間には、冷却水を循環させるポンプ4、5が設けられており、電動モータ2の冷却水出口とエンジン1の冷却水入口との間に設けられた第1のポンプ4はエンジン1から動力を得て稼動するものであり、モータ駆動装置3の冷却水出口と電動モータ2の冷却水入口との間に第2のポンプ5は、専用の電動モータから動力を得て稼動するものである。
第1ラジエータ6は、少なくともエンジン1を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する第1放熱器であり、第2ラジエータ7は、少なくとも電動モータ2およびモータ駆動装置3を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する第2放熱器である。
また、第3ラジエータ8は、エンジン1および電動モータ2等の電気部品のうち少なくとも一方を冷却して温度が上昇した冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する第3放熱器であり、この第3ラジエータ8は、第1ラジエータ6および第2ラジエータ7のうち少なくとも一方の冷却能力を補完する補助放熱器である。
そして、第1ラジエータ6、第2ラジエータ7および第3ラジエータ8は、冷却水流れ上流側から第1ラジエータ6、第3ラジエータ8、第2ラジエータ7の順に、冷却水流れに対して直列に接続されており、第1ラジエータ6の冷却水入口側はエンジン1の冷却水出口側に接続され、第2ラジエータ7の冷却水出口側は、モータ駆動装置3の冷却水入口側に接続されている。
つまり、エンジン1、電動モータ2、モータ駆動装置3、第1ラジエータ6、第2ラジエータ7、第3ラジエータ8は、冷却水流れに沿って、第1ラジエータ6、第3ラジエータ8、第2ラジエータ7、モータ駆動装置3、電動モータ2、エンジン1の順に直列に接続されている。
また、第1分岐回路9は、第1ラジエータ6の冷却水出口と第3ラジエータ8の冷却水入口とを繋ぐ冷却水回路と前エンジン1の冷却水入口側とを繋ぐ冷却水回路であり、第2分岐回路10は、第3ラジエータ8の冷却水出口と第2ラジエータ7の冷却水入口とを繋ぐ冷却液回路とエンジン1の冷却水入口側とを繋ぐ冷却水回路であり、両分岐回路9、10は、途中で合流してエンジン1の冷却水入口側に接続されている。
そして、第1分岐回路9と第2分岐回路10との合流部には、第1分岐回路9の連通状態および第2分岐回路10の連通状態を制御する三方式の流量分配バルブ11が設けられており、この流量分配バルブ11およびポンプ5は、電子制御装置(ECU)12により制御される。
なお、電子制御装置12は、中央演算装置(CPU)、読み書き可能な半導体記憶装置(RAM)、読み込み専用半導体記憶装置(ROM)や不揮発性半導体記憶装置(フラッシュメモリ)等の不揮発性記憶装置を有するマイクロコンピュータである。
そして、電子制御装置12には、エンジン1の温度を検出するエンジン温度センサ12a、電動モータ2の温度を検出するモータ温度センサ12b、およびモータ駆動装置3の温度を検出するモータ駆動装置温度センサ12cの検出温度が入力されており、電子制御装置12は、エンジン温度センサ12aの検出温度、モータ温度センサ12bの検出温度、モータ駆動装置温度センサ12cの検出温度、並びにエンジン1および電動モータ2の状況に基づいてROMに予め記憶されたプログラムに従って流量分配バルブ11およびポンプ5を制御する。
因みに、本実施形態では、エンジン温度センサ12aは、エンジン1から流出する冷却水の温度を検出することによりエンジン1の温度を検出しているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
また、本実施形態では、モータ温度センサ12bは、サーミスタ等温度センサで電動モータ2の温度を直接検出しているが、電動モータ2の巻線の電気抵抗値から電動モータ2の温度を検出する抵抗法により電動モータ2の温度を間接的に検出してもよい。
同様に、本実施形態では、モータ駆動装置温度センサ12cは、サーミスタ等温度センサで電動モータ2の温度を直接検出しているが、抵抗法によりモータ駆動装置3の温度を間接的に検出してもよい。
また、コンデンサ13は車両用空調装置の放熱器をなす熱交換器であり、ヒータ14は冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する暖房用熱交換器であり、このヒータ14が設けられた冷却水回路は、エンジン1の冷却水出口側とポンプ5の吸入側とを接続している。
因みに、コンデンサ13は第1ラジエータ6の冷却風流れ上流側に配置されており、第2ラジエータ7および第3ラジエータ8は、第1ラジエータ6の冷却風流れ上流側、またはコンデンサ13にて加熱されていない冷却風が当たる部位に配置することが望ましい。
次に、本実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの特徴的作動を述べる。
1.第1冷却運転モード(図2参照)
この運転モードは、電動モータ2およびエンジン1の両者で発生する駆動力で走行しているときであって、主にエンジン1の駆動力にて走行している状況において、登坂走行時や加速時等のエンジン1の負荷が増大してエンジン1の発熱量が増大したときに実行されるものである。
なお、本実施形態では、エンジン温度センサ12aの検出温度が所定温度以上となったときに、第1冷却運転モードを実行する。
具体的には、第1分岐回路9側を全閉とし、第2分岐回路10側を全開として第2分岐回路10を連通させるように流量分配バルブ11を作動させて、第1ラジエータ6および第3ラジエータ8で冷却された冷却水を第2分岐回路10からエンジン1に供給してエンジン1を冷却する。
このとき、エンジン1には、2台のラジエータ、つまり第1ラジエータ6および第3ラジエータ8で冷却された冷却水が供給されるので、エンジン1の発熱量が増大してもその増大した発熱量を十分に放熱することができる。
なお、モータ駆動装置3および電動モータ2に供給される冷却水は、第1ラジエータ6、第3ラジエータ8および第2ラジエータ7の3台のラジエータで冷却されるので、モータ駆動装置3および電動モータ2には、十分に温度が低下した冷却水が供給される。
したがって、発熱量が増大したエンジン1を十分に冷却しながら、モータ駆動装置3および電動モータ2も必要にして十分に冷却することができる。
因みに、ヒータ14には、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3にて加熱された冷却水が供給される。
2.第2冷却運転モード(図3参照)
この運転モードは、電動モータ2およびエンジン1の両者で発生する駆動力で走行しているときであって、市街地等の平坦な道路を主に電動モータ2の駆動力にて走行している状況において、電動モータ2およびモータ駆動装置3の発熱量が増大したときに実行されるものである。
なお、本実施形態では、モータ温度センサ12bの検出温度が所定温度以上となったときに、またはモータ駆動装置温度センサ12cの検出温度が所定温度以上となったときに、第2冷却運転モードを実行する。
具体的には、第2分岐回路10側を全閉とし、第1分岐回路9側を全開として第1分岐回路9を連通させるように流量分配バルブ11を作動させて、第1ラジエータ6で冷却された冷却水を第1分岐回路9からエンジン1に供給してエンジン1を冷却する。
このため、第3ラジエータ8による冷却能力の全ては、電動モータ2およびモータ駆動装置3の供給される冷却水の冷却に費やされるので、電動モータ2およびモータ駆動装置3の供給される冷却水の温度は、第1冷却運転モード時に比べて低下する。
したがって、発熱量が増大した電動モータ2およびモータ駆動装置3を十分に冷却することができる。
なお、エンジン1に供給される冷却水の温度は、第1冷却運転モード時に比べて上昇するものの、エンジン1の負荷が低下してエンジン1での発熱量が低下しているので、第1ラジエータ6のみにて十分にエンジン1を冷却できる。
因みに、エンジン1は、通常、負荷によらず、冷却水温度を一定に維持する場合に比べて、負荷が大きいときには冷却水の温度を低めに維持し、負荷が小さいときには冷却水の温度を高めに維持した方が燃費が向上するので、第1冷却運転モードおよび第2冷却運転モードのごとく、エンジン1を冷却すれば、エンジン1の燃費を向上させることができる。
また、ヒータ14には、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3にて加熱された冷却水が供給される。
3.第3冷却運転モード(図4参照)
この運転モードは、信号待ち等の駐停車時または電動モータ2のみで走行するときに実行されるものである。
具体的には、ポンプ5を稼動させた状態で、第2分岐回路10側を全閉とし、第1分岐回路9側を全開として第1分岐回路9を連通させるように流量分配バルブ11を作動させる。
これにより、電動モータ2から流出した冷却水の多くは、第1分岐回路9を経由して第3ラジエータ8に流入し、第3ラジエータ8および第2ラジエータ7で冷却された後、モータ駆動装置3に戻って来て、モータ駆動装置3および電動モータ2を冷却する。
なお、電動モータ2から流出した冷却水の一部は、エンジン1を経由してヒータ14に供給されるので、エンジン1が停止しても、電動モータ2およびモータ駆動装置3で発生する廃熱により暖房を行うことができる。
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
本実施形態では、第3ラジエータ8の冷却能力をエンジン1の冷却に用いる場合と電動モータ2およびモータ駆動装置3エンジン1の冷却に用いる場合とを切り換えることにより、第3ラジエータ8をエンジン1の冷却用および電動モータ2およびモータ駆動装置3の冷却用放熱器として共用することができるので、必要にして十分な冷却能力を確保しながら、ハイブリッド自動車用冷却システムの小型化および簡素化を図ることができる。
つまりエンジン1の発熱量が大きいときには、第1ラジエータ6および第3ラジエータ8でエンジン1を冷却し、エンジン1の発熱量が小さいときには、第1ラジエータ6のみでエンジン1を冷却するので、エンジン1専用の1台のラジエータにてエンジン1を冷却する従来の冷却システムに比べて、第1ラジエータ6を小型にしながら、エンジン1を十分に冷却できる。
また、電動モータ2およびモータ駆動装置3の発熱量大きいときには、第3ラジエータ8の冷却能力の全てを電動モータ2およびモータ駆動装置3の冷却に利用し、電動モータ2およびモータ駆動装置3の発熱量が小さいときには、第3ラジエータ8の冷却能力の一部を電動モータ2およびモータ駆動装置3の冷却に利用するので、電動モータ2およびモータ駆動装置3専用の1台のラジエータにて電動モータ2およびモータ駆動装置3を冷却する従来の冷却システムに比べて、第2ラジエータ7を小型にしながら、電動モータ2およびモータ駆動装置3を十分に冷却できる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、流量分配バルブ11として、第1分岐回路9側および第2分岐回路10側のいずれか一方を全開とし、他方は全閉とするものであったが、本実施形態は、図5に示すように、流量分配バルブ11として、第1分岐回路9側および第2分岐回路10側のいずれか一方を全開状態から全閉状態まで連続または段階的に連通状態を制御するとともに、他方も全閉状態から全開状態まで連続または段階的に連通状態を制御することができる流量分配バルブ11aを用いたものである。
そして、エンジン1の発熱量の増大に応じて第2分岐回路10を全開状態に近づけていく。一方、電動モータ2およびモータ駆動装置3の発熱量の増大に応じて第1分岐回路9を全開状態に近づけていく。
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、第1ラジエータ6、第3ラジエータ8および第2ラジエータ7が冷却水流れに直列に接続されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、エンジン1、電動モータ2およびモータ駆動装置3が冷却水流れに直列に接続されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、電動モータ2およびモータ駆動装置3を電気部品としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
特許請求の範囲に記載された第1切換手段および第2切換手段は、上述の実施形態に示された流量分配バルブ11および流量分配バルブ11を制御する電子制御装置12に限定されるものではない。
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものではればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。
本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの概要を示す模式図である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの冷却水流れを示す模式図である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの冷却水流れを示す模式図である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの冷却水流れを示す模式図である。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車用冷却システムの概要を示す模式図である。
符号の説明
1…エンジン、2…電動モータ、3…モータ駆動装置、4、5…ポンプ、
6…第1ラジエータ、7…第2ラジエータ、8…第3ラジエータ、
9…第1分岐回路、10…第2分岐回路、11…流量分配バルブ、
12…電子制御装置、12a…エンジン温度センサ、
12b…モータ温度センサ、12c…モータ駆動装置温度センサ。

Claims (5)

  1. 熱機関(1)と電動モータ(2)とを組み合わせて走行するハイブリッド自動車に適用され、
    前記熱機関(1)および電気部品(2、3)を冷却する冷却システムであって、
    少なくとも前記熱機関(1)を冷却した冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第1放熱器(6)と、
    少なくとも前記電気部品(2、3)を冷却した冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第2放熱器(7)と、
    冷却液と空気とを熱交換して冷却液を冷却する第3放熱器(8)とを有し
    前記第1放熱器(6)の冷却液出口側に前記第3放熱器(8)が直列接続されており、
    さらに、前記第1放熱器(6)および前記第3放熱器(8)で冷却された冷却液を前記熱機関(1)に戻す場合と前記第1放熱器(6)で冷却された冷却液を前記熱機関(1)に戻す場合とを切り換えることができる第1切替手段(11、12)有することを特徴とするハイブリッド自動車用冷却システム。
  2. 前記第2放熱器(7)および前記第3放熱器(8)で冷却された冷却液を前記電気部品(2、3)に戻すように冷却液流れを切り換えることができる第2切替手段(11、12)を有することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車用冷却システム。
  3. 前記第1放熱器(6)、前記第2放熱器(7)および前記第3放熱器(8)は、前記第1放熱器(6)、前記第3放熱器(8)、前記第2放熱器(7)の順に冷却液流れに対して直列に接続されていることを特徴とする請求項2に記載のハイブリッド自動車用冷却システム。
  4. 前記第1放熱器(6)の冷却液出口と前記第3放熱器(8)の冷却液入口とを繋ぐ冷却液回路と前記熱機関(1)の冷却液入口側とを繋ぐ第1分岐回路(9)と、
    前記第3放熱器(8)の冷却液出口と前記第2放熱器(7)の冷却液入口とを繋ぐ冷却液回路と前記熱機関(1)の冷却液入口側とを繋ぐ第2分岐回路(10)と有し、
    前記第1切替手段(11、12)は、前記第1分岐回路(9)を流れる冷却液の流量と前記第2分岐回路(10)を流れる冷却液の流量と調節することにより、前記第1放熱器(6)および前記第3放熱器(8)で冷却された冷却液を前記熱機関(1)に戻す場合と前記第1放熱器(6)で冷却された冷却液を前記熱機関(1)に戻す場合とを切り換えることを特徴とする請求項3に記載のハイブリッド自動車用冷却システム。
  5. 前記熱機関(1)の冷却液入口側が前記電気部品(2、3)の冷却液出口側に接続されて前記熱機関(1)および前記電気部品(2、3)が冷却液流れに直列に接続され
    前記第1放熱器(6)の冷却液入口側が前記熱機関(1)の冷却液出口側に接続され、
    前記第2放熱器(7)の冷却液出口側が前記電気部品(2、3)の冷却液入口側に接続され、
    さらに、前記第2切替手段(11、12)は、前記第1分岐回路(9)を連通させることにより、前記第2放熱器(7)および前記第3放熱器(8)で冷却された冷却液を前記電気部品(2、3)に戻すように冷却液流れを切り換えることを特徴とする請求項4に記載のハイブリッド自動車用冷却システム。
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