JP5409809B2 - 車両エネルギーマネージメント装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両エネルギーマネージメント装置に関する。

先行技術
最近のＣＯ_２環境に関する議論や化石燃料の原料価格の高騰により、自動車産業は車両の燃料消費を低減する努力を払っている。

この目的を実現できる手段は、効率の連鎖を改善してエネルギーを回復するための車両のパワートレインの電動化である。このことを実現するための手段は、たとえばスタートストップ車、ハイブリッド車、燃料電池車および電動車である。

今日の電動車の航続距離は、内燃機関を備えた従来の車両と比較して格段に小さく、たとえば１００〜１５０ｋｍの範囲のみである。このような今日の電動車の走行をさらに伸ばすためには、充電用のインフラストラクチャや、数時間の充電時間を実現する必要がある。

それゆえ、電動車の効率を高くし、いかなるエネルギー損失の低減も実現することが望まれており、車両の航続距離を増大して高コストのトラクションバッテリーの容量の低減を実現できる手段を実現する必要がある。高いエネルギー効率は他の種類の車両にも有利である。

電動パワートレインを備えた車両はトラクションバッテリーを備えており、このトラクションバッテリーは４０℃未満の温度領域で動作させなければならない。それゆえ、トラクションバッテリーを備えた車両の場合、高温の気候帯では、車両の空調設備の冷却循環システムに連結しなければならない。

スタートストップ機能を有する比較的最近の車両には典型的には、内燃機関の停止中でも必要な場合に車室およびトラクションバッテリーの空調を確実に行えるように、空調用電動コンプレッサが備えられている。

さらに、短時間の停止期間中に車両のエネルギー需要をカバーできるようにするため、蓄熱器を使用することもすでに提案されている。

発明の利点
それに対し、請求項１に記載された特徴を有する車両エネルギーマネージメント装置は複数の利点を有する。まず１つの利点として、車両全体のエネルギー効率が上昇するという利点がある。このことにより、車両の航続距離の増大や車両バッテリーの容量の縮小が実現され、このことはコスト縮小にも繋がる。さらに、空調用電動コンプレッサの代わりに空調用機械駆動式コンプレッサを使用することにより、より簡略かつよりロバストな装置を実現することができる。空調を行うためのエネルギー蓄積器として電気バッテリーを使用する代わりに蓄熱器を使用するのが有利である。というのも蓄熱器の方が低コストであり、さらに経時作用がほとんど生じないからである。また、空調用機械駆動式コンプレッサは大量生産でき、また部品数が少ないので、コストを格段に削減することができ、かつ格段に軽量化することができる。また、公知の空調用電動コンプレッサは典型的には高電圧コンプレッサとして構成されるが、空調用機械駆動式コンプレッサを使用することにより、確実性が向上し、車両の事故変形ゾーン内に取り付けられることが多くなる。

図面を参照して、本発明の別の有利な構成の一例を説明する。

車両エネルギーマネージメント装置のブロック図である。 電気機器の効率特性マップにおける動作点のシフトを示すグラフである。

実施例の説明
図１は、車両エネルギーマネージメント装置のブロック図である。この車両は有利には電動車であるが、本発明のエネルギーマネージメント装置は、内燃機関を備えた車両、スタートストップ機能を有する車両、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車および燃料電池車にも使用することができる。

図１に示された電動車Ｅはエネルギーマネージメント装置を有し、このエネルギーマネージメント装置には、コントローラ２、メモリ２ａ、センサＳ１，Ｓ２およびＳ３、冷媒循環システム７を備えた空調設備８、該電動車のパワートレインエネルギーマネージメント部１が含まれ、前記冷媒循環システム７には、パワートレインに機械的に結合された空調用コンプレッサ３と蒸発器９と蓄熱器４とが設けられている。

さらに図１には、電動車のトラクションバッテリー５および車室６も示されている。

コントローラ２はパワートレインエネルギーマネージメント部１に双方向接続されており、さらに、センサＳ１，Ｓ２およびＳ３にも接続され、これらのセンサから出力されたセンサ信号を受け取る。これらのセンサ信号は、熱に関するパラメータの情報を含んでおり、たとえば、センサＳ１によって蓄熱器４の温度の情報が得られ、センサＳ２ではトラクションバッテリー５の温度の情報が得られ、センサＳ３では、図１に示されていない車両の駆動モータの温度の情報が得られる。

センサＳ１，Ｓ２およびＳ３によって得られた熱に関するパラメータの情報と、車両のパワートレインエネルギーマネージメント部１からコントローラ２へ供給された別の車両パラメータとが、コントローラ２によって評価されて制御信号ｓ１およびｓ２に変換される。制御信号ｓ１は、コントローラ２が空調用機械駆動式コンプレッサ３を制御するために使用され、制御信号ｓ２は、コントローラ２がたとえば弁やエアフラップを介して蓄熱器４を制御するために使用される。

コントローラ２へ供給された情報を評価するために有利なのは、熱に関する別のパラメータを表す、トラクションバッテリー５の経時変化温度計算モデルを使用する。この経時変化温度計算モデルは、コントローラ２に対して設けられたメモリ２ａに格納されている。

このような構成により、本発明の装置では、熱に関するパラメータがコントローラ２によって、車両の空調設備８の冷媒循環システム７の構成要素である空調用機械駆動式コンプレッサ３および蓄熱器４を制御するための制御信号に変換されることにより、エネルギーマネージメントが行われる。蓄熱器４に蓄積された冷却エネルギーは、たとえばトラクションバッテリー５を冷却したり、車両の車室６を冷却するのに使用される。このことに対して択一的に、空調用機械駆動式コンプレッサ３から蒸発器９を介してトラクションバッテリー５または車室６へ直接、冷却エネルギーを供給することもできる。このことは図１において破線で示されている。

空調用機械駆動式コンプレッサ３および蓄熱器４をコントローラ２によって上述のように制御することにより、車両のエネルギー効率を改善するために、たとえば以下の手段を実施することができる：
空調用機械駆動式コンプレッサ３の負荷を増加させることによって車両の制動エネルギーを冷却エネルギーに変換することにより、制動エネルギーの回生を行うことができる。この冷却エネルギーは、トラクションバッテリー５や車室６の冷却に直接使用するか、または、まず蓄熱器４に一時蓄積し、その後の時点でトラクションバッテリーへ供給することができる。

電動パワートレインを備えた車両は典型的には、制動エネルギーを電気エネルギーとして、バッテリーに直接蓄積する。このバッテリーが充電されると、制動エネルギーは使用できなくなる。上述のように制動エネルギーを冷却パワーに変換することにより、バッテリーが充填されても制動エネルギーをなお使用することができる。このことはとりわけ、バッテリー容量が小さい車両に有利である。さらにこのことは、たとえば山中の斜面を下る時間が長いときなど、回生期間が長い場合に有利である。

コンプレッサ負荷を増減することによって、車両の電気機器の動作点を、効率がより良好である動作点にシフトさせることによっても、車両のエネルギー効率を改善することができる。このことは、空調用コンプレッサと電気機器とが結合されたパワートレインにおいて実現することができる。図２に基本的な動作が示されており、ここでは、電気機器の効率特性マップを示している。この特性マップでは、縦軸に電気機器のトルクを示しており、横軸に電気機器の回転数を示している。上方向を指す矢印は負荷増加を示しており、下方向を指す矢印は、効率がより良い領域に向かう方向の負荷減少を示す。

さらに、エネルギー効率を改善するために、車両の空調効率も改善される。トラクションバッテリー５や車室６の空調を行うための空調用電動コンプレッサを使用した場合、効率の連鎖は長くなってしまう。本発明の装置を使用すると、電気エネルギー変換を行う必要はなくなる。また、電気エネルギーが一時蓄積されるときには、トラクションバッテリー５は加熱し、さらにトラクションバッテリーの空調も行わなければならなくなるが、本発明の装置を使用することにより、バッテリーに発生する熱が増大することはなくなる。

蓄熱器４に一時蓄熱することなく空調用機械駆動式コンプレッサによって冷気生成を行うために制動エネルギーまたは駆動エネルギーを直接利用することは、常に、効率の改善を示す。また、蓄熱器４に冷却エネルギーを一時蓄積する場合にも、通常は効率連鎖が改善される。

また本発明は、空調の必要性が高い車両において軽量構成を実現できるという利点も有する。このような車両では、コンプレッサ負荷が車両の駆動出力のオーダに及ぶことがある。コントローラ２によって、パワートレインにたとえばシフト過程で発生するジャークに対して所期のように抗力が発生するように、コンプレッサを制御することができる。

蓄熱器４として、たとえば潜熱蓄熱器を使用することができる。

従来の冷却循環システムを使用する代わりに、熱を発生させるためのヒートポンプ機能を有する冷却循環システムを使用することもできる。その際には放熱は、たとえばバッテリーや車室を加熱するために使用することができる。

図１では、コントローラ２およびパワートレインエネルギーマネージメント部１は相互に別個の部品として示されているが、このことに対して択一的に、パワートレインエネルギーマネージメント部１とコントローラ２とを１つのユニットで実現することもできる。

Claims (12)

1. 空調設備と、該空調設備を制御するコントローラとを備えた、車両のエネルギーマネージメント装置であって、
   前記空調設備（８）は、前記車両のパワートレインに機械的に結合された空調用コンプレッサ（３）と、蓄熱器（４）とを有し、
   前記コントローラ（２）は、前記車両のトラクションバッテリーの熱に関するパラメータの情報を評価するように構成されており、
   前記コントローラ（２）は、前記トラクションバッテリーの熱に関するパラメータの情報を評価することによって制御信号（ｓ１）を求め、前記空調用機械駆動式コンプレッサ（３）に供給する
   ことを特徴とする、エネルギーマネージメント装置。
2. 前記コントローラ（２）は前記空調用コンプレッサ（３）の負荷を変化させることにより、前記車両の運動エネルギーが、必要に応じた冷却エネルギーに変換されるように、該空調用コンプレッサ（３）を制御する、請求項１記載のエネルギーマネージメント装置。
3. 前記空調用コンプレッサ（３）によって生成された冷却エネルギーは、前記コントローラ（２）によって制御されて前記蓄熱器（４）に一時蓄積され、該コントローラ（２）によって制御されて該蓄熱器（４）から前記トラクションバッテリー（５）および／または前記車両の車室（６）へ供給される、請求項２記載のエネルギーマネージメント装置。
4. 前記空調用コンプレッサ（３）によって生成された冷却エネルギーは、前記トラクションバッテリー（５）または前記車両の車室（６）へ直接供給される、請求項２記載のエネルギーマネージメント装置。
5. 前記コントローラ（２）は、前記車両のパワートレインに発生したジャークに対して抗力が発生するように、前記空調用コンプレッサ（３）を制御する、請求項１から４までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
6. 前記蓄熱器（４）は潜熱蓄熱器である、請求項１から５までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
7. 冷媒循環システムが蓄熱器とともに、熱を発生させるためのヒートポンプ方式で動作する、請求項１から５までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
8. 前記コントローラ（２）は前記車両のパワートレインエネルギーマネージメント部（１）に接続されており、
   前記コントローラ（２）は、前記パワートレインエネルギーマネージメント部（１）から前記コントローラ（２）に供給された情報に依存して前記制御信号を生成する、請求項１から７までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
9. 前記パワートレインエネルギーマネージメント部（１）が前記熱に関するパラメータの情報を前記コントローラ（２）へ供給する、請求項８記載のエネルギーマネージメント装置。
10. 当該エネルギーマネージメント装置はセンサ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を有し、
    前記センサ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は前記コントローラ（２）に接続されており、前記熱に関するパラメータの情報を該コントローラ（２）へ供給する、請求項１から９までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
11. 前記制御信号はさらに、前記蓄熱器の温度および／または前記トラクションバッテリーの経時変化温度計算モデルにも依存して生成される、請求項１から１０までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。
12. 前記車両は電動車またはハイブリッド車である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のエネルギーマネージメント装置。

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