JP5860360B2 - 電動車両用熱管理システム - Google Patents

Description

本発明は、電動車両に搭載される電動車両用熱管理システムに関する。

電動モータの駆動力によって走行する電動車両は、エンジンを搭載していないので、暖房時にエンジンの排熱を利用することができない。また、ハイブリッド車両のようにエンジンを搭載した電動車両においても、エンジンを常時運転させているわけではないので、暖房時の熱量が不足する。そこで、暖房時には、電動コンプレッサを備えた冷媒サイクルによって構成される空調装置によって車室内温度を上昇させている。

しかし、空調装置を作動させた分だけバッテリに蓄電された電力が消費されるので、車両の航続可能距離が低下する。

特許文献１は、空調装置を構成する冷媒サイクルとは別に、バッテリを冷却する冷却水回路を備え、冷媒と冷却水との間で熱交換可能な空調システムを開示している。この空調システムは、充電中にバッテリを加熱しておき、車両の動作中であって暖房を使用する際に、バッテリに蓄熱された熱を利用する。

特開２０１１−６８３４８号公報

しかし、上記特許文献１の空調システムは、暖房使用時、冷媒サイクルをヒートポンプサイクルとして機能させ、熱交換器を介して冷却水から冷媒に熱伝達しているが、暖房熱が不足する場合にはバッテリ温度が所望の温度範囲より低くなってしまう。また、冷房使用時、冷却水から吸熱しないので、冷却水が過熱するとバッテリ温度が所望の温度範囲より高くなってしまう。よって、バッテリを所望の温度範囲内に制御することが困難となる。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、車両の運転中、バッテリを所望の温度範囲内に保持しながら、充電中に蓄熱された熱及びバッテリの排熱をより効率よく利用可能な電動車両用熱管理システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、電動モータによって駆動される電動車両に用いられる車両用熱管理システムであって、エアコン用冷媒を圧縮する圧縮部と、エアコン用冷媒の熱を外気に放熱してエアコン用冷媒を凝縮させる凝縮部と、エアコン用冷媒を膨張させて減圧させる減圧部と、車内への導入空気からエアコン用冷媒に熱を吸熱させてエアコン用冷媒を蒸発させる蒸発部と、エアコン用冷媒とバッテリ用冷媒との間で熱交換を行わせるバッテリ用熱交換部とを有し、エアコン用冷媒を循環させるエアコン用冷媒ループと、電動モータへの供給電力を蓄電するバッテリと、熱交換部と、バッテリ用冷媒を加熱する加熱器と、の間でバッテリ用冷媒を循環させるバッテリ用冷媒ループと、車室内空気温度を調整する空調ユニットが作動中、バッテリ用冷媒の温度がバッテリの許容下限温度より低い場合、加熱器によってバッテリ用冷媒を加熱し、バッテリ用冷媒の温度がバッテリの許容上限温度より高い場合、圧縮部の出力を増大してバッテリ用冷媒の温度をバッテリの許容上限温度以下となるまで低下させる熱管理制御手段と、を備えることを特徴とする電動車両用熱管理システムが提供される。

上記態様によれば、充電中にバッテリ用冷媒ループに蓄熱された熱及びバッテリの排熱を利用して、バッテリ温度を所望の温度範囲内に制御しながら、バッテリ用冷媒ループの熱を車室内の空調に利用することができる。よって、空調の作動による消費電力を抑制して車両の航続可能距離の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 電動車両用熱管理システムの制御システム図である。 充電時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。 バッテリ暖機時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。 暖房時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。 冷房時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。 電動車両用熱管理システムの処理内容を示したフローチャートである。 電動車両用熱管理システムの処理内容を示したフローチャートである。 充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。 充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。 充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。 別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る電動車両用熱管理システム１００の全体構成を示している。

電動車両用熱管理システム１００は、エアコンループ１０と、高水温ループ３０と、低水温ループ５０と、を備える。

エアコンループ１０について説明する。

エアコンループ１０は、冷媒（例えばＨＦＣ１３４ａなど）を、コンプレッサ１１、コンデンサ１２、膨張弁１３、及びエバポレータ１４の順に循環させる冷凍サイクルを構成する冷媒回路である。

コンプレッサ１１は、電動モータによって駆動され、冷媒ガスを圧縮して高温高圧の圧縮冷媒ガスを吐出する。

コンデンサ１２は、圧縮冷媒ガスと外気との間で熱交換を行って、圧縮冷媒ガスの熱を外気に放熱することで圧縮冷媒ガスを冷却し、凝縮させて液体冷媒とする。

膨張弁１３は、高圧の液体冷媒を膨張させて低圧の液体冷媒とする。膨張弁１３は感温式膨張弁（ＴＸＶ）であり、エバポレータ１４の出口における過熱度が予め設定した所定の状態となるようにエバポレータ１４に流入する冷媒量を制御する。

エバポレータ１４は、液体冷媒と車室内空気との間で熱交換を行って、車室内空気の熱を吸収することで車室内空気を冷却し、液体冷媒を蒸発させて冷媒ガスとする。

エアコンループ１０はさらに、コンプレッサ１１の下流側とコンデンサ１２の下流側とをバイパスするバイパス流路１５と、バイパス流路１５の途中に設けられる水コンデンサ１６と、エバポレータ１４と並列に設けられるチラー１７及び膨張弁１８に冷媒を流す流路１９と、を備える。

水コンデンサ１６は高水温ループ３０に設けられ、バイパス流路１５を流れる冷媒と高水温ループ３０を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。チラー１７は低水温ループ５０に設けられ、エアコンループ１０の冷媒と低水温ループ５０との間で熱交換を行う熱交換器である。チラー１７への冷媒の流出入もエバポレータ１４と同様に感温式膨張弁（ＴＸＶ）を介して行われる。

エアコンループ１０はさらに、コンプレッサ１１の吐出冷媒をコンデンサ１２側及びバイパス流路１５側の少なくとも一方に流すように流路を切り換え可能な三方弁２０と、バイパス流路１５を流れる冷媒がコンデンサ１２側に逆流することを防止する逆止弁２１と、エバポレータ１４への冷媒流路を開閉可能なエバ電磁弁２２と、チラー１７への冷媒流路を開閉可能なチラー電磁弁２３と、を備える。

次に、高水温ループ３０について説明する。

高水温ループ３０は、冷却水（例えば不凍液など）を、ラジエータポンプ３１、ラジエータ３２、モータ３３の順に循環させるとともに、Ｈ／Ｃポンプ３４、ヒータコア３５、水コンデンサ１６の順に循環させる。つまり、高水温ループ３０は、モータ３３及び水コンデンサの少なくとも一方で吸熱した熱を、ラジエータ３２及びヒータコア３５の少なくとも一方で放熱する冷却水回路である。

ラジエータポンプ３１は、冷却水をラジエータ３２へと送出する。ラジエータ３２は、冷却水と車室外空気との間で熱交換を行って、冷却水の熱を車室外へと放出することで冷却水を冷却する。モータ３３は、車両駆動用の電動モータであり、バッテリ１からの電力供給を受けて車両を駆動する。

Ｈ／Ｃポンプ３４は、冷却水をヒータコア３５へと送出する。ヒータコア３５は、冷却水と車室内空気との間で熱交換を行って、冷却水の熱を車室内へと放出することで車室内空気を加熱し、冷却水を冷却する。水コンデンサ１６は、エアコンループ１０の冷媒と高水温ループ３０の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器であり、冷媒から冷却水へと熱が伝達される。

高水温ループ３０はさらに、水コンデンサ１６の下流側とラジエータポンプの上流側とを接続してモータ３３をバイパスするバイパス流路３６と、水コンデンサ１６の下流側の冷却水をモータ３３側及びバイパス流路３６側の少なくとも一方に流すように流路を切り換え可能な水切り換え弁３７と、を備える。

次に、低水温ループ５０について説明する。

低水温ループ５０は、冷却水（例えば不凍液など）を、バッテリポンプ５１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

バッテリポンプ５１は、冷却水をＤＣ／ＤＣコンバータ５２へと送出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２は、バッテリ１から供給された電力を例えば１２Ｖに降圧し、駆動系（モータ３３、インバータ５３など）とは異なる電源系統（サブバッテリなど）へ出力される。インバータ５３は、車両の要求駆動力に応じてバッテリ１の直流電力を交流電力に変換してモータ３３へと供給する。バッテリ１は、車両駆動用のモータ３３に供給する電力を蓄電し、バッテリ１と外気との間の断熱性を確保できる断熱構造となっている。

温水ヒータ５４は、例えばＰＴＣヒータなどであり、バッテリ１から供給される電力によって発熱して冷却水を加熱する。ウォータジャケット５５は、冷却水とバッテリ１との間で熱交換を行う熱交換器であり、バッテリモジュールとの接触面積が大きくなるようにバッテリ１に隣接して設けられる。チラー１７は、低水温ループ５０の冷却水とエアコンループ１０の冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であり、冷媒から冷却水へと熱が伝達される。

電動車両用熱管理システム１００は、以上の３つのループから構成され、各ループ間で熱の伝達が行われる。

ここで、車両と車室外空気との間の熱の授受について説明する。

高水温ループ３０のラジエータ３２とエアコンループ１０のコンデンサ１２とは、車両走行時の走行風を受ける位置に配設される。これにより、走行中は走行風によってラジエータ３２及びコンデンサ１２からの放熱を行うことが可能である。さらに、電動のコンデンサファン２がラジエータ３２及びコンデンサ１２に隣接して設けられ、コンデンサファン２を作動させることでラジエータ３２及びコンデンサ１２からの放熱を強制的に行うことも可能である。

さらに、車両と車室内空気との間の熱の授受について説明する。

車室内の温度を調整する空調ユニットは、ブロアファン３、エバポレータ１４、ミックスドア４、及びヒータコア３５を備える。

ブロアファン３によって、車室内の空気又は外気から選択的に取り入れられた空気は、エバポレータ１４によって冷却され、ミックスドア４の開度に応じて再加熱された後、車室内への吹き出し口から車室内へと吹き出される。

空調ユニットに取り入れる空気を外気導入とするか内気循環とするかは、空調ユニットの最上流部に設けられるインテークドアの開度に応じて切り換えられる。ミックスドア４の開度は、設定温度や日射量センサの検出値などに基づいて設定される目標吹き出し温度に応じて設定される。車室内への吹き出し口であるデフ吹き出し口、ベント吹き出し口、及びフット吹き出し口の吹き出し割合は、各吹き出し口の開度を調整するデフドア、ベントドア、フットドアの開度によって調整される。

次に、電動車両用熱管理システム１００の動作制御を行うコントローラ７０について図２を参照しながら説明する。

コントローラ７０は、車両が充電状態であることを検知する充電状態センサ７１の検知信号、車室内空気の温度を検出する内気温度センサ７２の検出信号、車室外空気の温度を検出する外気温度センサ７３の検出信号、車両が受ける日射量を検出する日射量センサ７４の検出信号、インストルメントパネル内に設置されたＡ／Ｃコントローラ７５を運転者が操作することによって設定された設定温度や風量などの設定情報、低水温ループ５０を循環する冷却水の温度を検出する低水温ループ温度センサ７６の検出信号、及び、高水温ループ３０を循環する冷却水の温度を検出する高水温ループ温度センサ７７の検出信号を受信する。

コントローラ７０は、受信された各種信号を処理して、ブロアファン３の風量、各ドアの開度、コンプレッサ１１の回転速度、コンデンサファン２の作動、温水ヒータ５４の作動、ラジエータポンプ３１の作動、Ｈ／Ｃポンプ３４の作動、バッテリポンプ５１の作動、三方弁２０の切り換え、水切り換え弁３７の切り換え、エバ電磁弁２２の開閉、及びチラー電磁弁２３の開閉、を制御する。

次に、電動車両用熱管理システム１００の動作について図３〜図６を参照して説明する。各図において、エアコンループ１０、高水温ループ３０、及び低水温ループ５０の回路のうち、太線で示す部分が冷媒又は冷却水が流れる部分を示している。

図３は、バッテリ充電時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、水コンデンサ１６、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０及び逆止弁２１によって規制されるので、冷媒はコンデンサ１２側には流れない。冷媒の循環路はまた、エバ電磁弁２２が閉塞することで規制されるので、冷媒はエバポレータ１４には流れない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

高水温ループ３０では、Ｈ／Ｃポンプ３４が作動して冷却水を、ヒータコア３５、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７の順に循環させる。冷却水の循環路は、水切り換え弁３７によって規制され、さらにラジエータポンプ３１が作動していないので、冷却水はモータ３３及びラジエータ３２には流れない。

これにより、バッテリ充電時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、必要に応じて冷却水を温水ヒータ５４により加熱する。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、コンプレッサ１１の吐出側の高温冷媒から水コンデンサ１６によって熱を高水温ループ３０の冷却水へと伝達し、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱する。高水温ループ３０では、水コンデンサ１６で加熱された冷却水をヒータコア３５へと循環させる。

図４は、バッテリ暖機時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

この場合、コンプレッサ１１、ラジエータポンプ３１、及びＨ／Ｃポンプ３４は作動しないので、エアコンループ１０及び高水温ループ３０では冷媒及び冷却水は循環しない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。さらに、温水ヒータ５４を作動させて冷却水を加温する。エアコンループ１０には冷媒が流れていないので、チラー１７において熱交換は行われない。

これにより、バッテリ暖機時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、さらに、温水ヒータ５４により冷却水を加熱して冷却水を適切な温度で循環させることでバッテリ１を暖機することができる。

図５は、暖房時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、水コンデンサ１６、エバ電磁弁２２、膨張弁１３、エバポレータ１４の順に循環させるとともに、これと並列に、三方弁２０、水コンデンサ１６、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０及び逆止弁２１によって規制されるので、冷媒はコンデンサ１２側には流れない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

高水温ループ３０では、Ｈ／Ｃポンプ３４が作動して冷却水を、ヒータコア３５、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７、モータ３３の順に循環させる。冷却水の循環路は、水切り換え弁３７によって規制され、バイパス流路３６の水切り換え弁３７とＨ／Ｃポンプ３４との間には流れない。さらに、ラジエータポンプ３１が作動していないので、冷却水はラジエータ３２には流れない。

これにより、暖房時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、必要に応じて冷却水を温水ヒータ５４により加熱する。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、コンプレッサ１１の吐出側の高温冷媒から水コンデンサ１６によって熱を高水温ループ３０の冷却水へと伝達し、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱する。高水温ループ３０では、水コンデンサ１６及びモータ３３の排熱によって加熱された冷却水をヒータコア３５へと循環させる。

図６は、冷房時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、コンデンサ１２、逆止弁２１、エバ電磁弁２２、膨張弁１３、エバポレータ１４の順に循環させるとともに、これと並列に逆止弁２１の下流側で分岐して、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０によって規制されるので、冷媒は水コンデンサ１６側には流れない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

高水温ループ３０では、ラジエータポンプ３１が作動して冷却水を、ラジエータ３２、モータ３３の順に循環させる。Ｈ／Ｃポンプ３４が作動していないので、冷却水はヒータコア３５には流れることなく、モータ３３とラジエータ３２との間で循環する。

これにより、冷房時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させる。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、エバポレータ１４において車室内に供給される空気から熱を吸熱するとともに、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱し、コンデンサ１２において冷媒から外気へと放熱する。高水温ループ３０では、モータ３３の排熱をラジエータ３２で放出する。

次に、電動車両用熱管理システム１００のコントローラ７０で行われる処理内容について図７、図８を参照して説明する。図７、図８は、車両が運転状態（運転者が車両に搭乗している状態）にある場合にコントローラ７０で行われる処理を示したフローチャートである。図７、図８に示す制御処理は、微小時間ごとに繰り返し行われる。

ステップＳ１においてコントローラ７０は、ブロアファン３が作動しているか否かを判定する。ブロアファン３が作動していると判定されると処理がステップＳ２へ進み、作動していないと判定されると処理が図８のステップＳ１８へ進む。ブロアファン３は、車両の空調ユニットが作動している場合、例えば、運転者がＡ／Ｃコントローラ７５を操作して空調を作動させている場合に、作動していると判定される。

ステップＳ２においてコントローラ７０は、目標吹き出し温度を算出する。目標吹き出し温度は、空調ユニットの設定温度、車室内空気温度、外気温度、及び車両が受ける日射量等に基づいて算出される。例えば、Ａ／Ｃコントローラ７５において運転者がＡＵＴＯスイッチを押してオートモードに設定されている場合には、車室内空気温度が設定温度となるように目標吹き出し温度が自動的に算出される。

ステップＳ３においてコントローラ７０は、暖房要求があるか否かを判定する。暖房要求があると判定されると処理がステップＳ４へ進み、暖房要求がないと判定されると処理がステップＳ１４へ進む。暖房要求の有無は、目標吹き出し温度と車室内空気温度とに基づいて、例えば、目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合には暖房要求有り、目標吹き出し温度が車室内空気温度より低い場合には冷房要求有り、と判断される。

ステップＳ４においてコントローラ７０は、空調ユニットのエアコンサイクルを暖房モードに設定し、エバ電磁弁２２を開状態とし、空調ユニット（ＨＶＡＣ）をオートモードに設定する。これにより、ブロアファン３の風量及び各ドア（インテークドア、ミックスドア、デフドア、ベントドア、フットドア）のドア位置は、車室内温度が設定温度となるように自動制御される。これに伴って、コンデンサファン２及びラジエータポンプ３１を停止させる。

ステップＳ５においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が１５℃以下であるか否かを判定する。冷却水温度が１５℃以下であると判定されると処理がステップＳ６へ進み、１５℃より高いと判定されると処理がステップＳ７へ進む。本ステップの判定の閾値である１５℃は、バッテリ１の仕様に基づき作動に好ましい温度の下限値に適宜設定される。

ステップＳ６においてコントローラ７０は、温水ヒータ５４を作動させる。

ステップＳ７においてコントローラ７０は、温水ヒータ５４を停止させる。

ステップＳ８においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以上であるか否かを判定する。冷却水温度が３５℃以上であると判定されると処理がステップＳ１０へ進み、３５℃未満であると判定されると処理がステップＳ９へ進む。本ステップの判定の閾値である３５℃は、バッテリ１の仕様に基づき作動に好ましい温度の上限値に適宜設定される。

ステップＳ９においてコントローラ７０は、コンプレッサ１１を吹き出し温度追従制御とする。吹き出し温度追従制御とは、ステップＳ４において設定された空調ユニットのオートモードにおいて、目標吹き出し温度が所望の温度となるようにコンプレッサ１１の回転速度を調整する制御である。

ステップＳ１０においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃となるようにコンプレッサ１１の回転速度を制御する。

つまり、上記ステップＳ８〜Ｓ１０において、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以上となる場合には、暖房能力が余っていると判断して冷却水温度を３５℃に保つようにコントローラ７０はコンプレッサ１１を制御する。

ステップＳ１１においてコントローラ７０は、高水温ループ３０の冷却水温度が水温Ｘｍ以上であるか否かを判定する。冷却水温度が水温Ｘｍ以上であると判定されると処理がステップＳ１２へ進み、水温Ｘｍより低いと判定されると処理がステップＳ１３へ進む。水温Ｘｍは、ステップＳ２において算出された目標吹き出し温度である。

ステップＳ１２においてコントローラ７０は、高水温ループ３０をラジエータ回路とし、コンデンサファン２を作動させる。ラジエータ回路とは、図５に示すように高水温ループ３０の冷却水がヒータコア３５を循環するヒータコア回路に加えて、ラジエータポンプ３１が駆動することで冷却水がラジエータ３２にも循環する回路である。ラジエータ回路では、冷却水は水コンデンサ１６において吸熱した熱をヒータコア３５において車室内に排熱するのに加えて、ラジエータ３２において車室外に排熱する。つまり、高水温ループ３０の冷却水温度が水温Ｘｍ以上となった場合には、ラジエータ放熱によって高水温ループ３０の冷却水を強制的に冷却する。

ステップＳ１３においてコントローラ７０は、高水温ループ３０をヒータコア回路とし、コンデンサファン２を停止させる。ヒータコア回路とは、図５に示すように、高水温ループ３０の冷却水がヒータコア３５及び水コンデンサ１６を循環する回路である。この場合には、高水温ループ３０の冷却水はラジエータ放熱されない。

一方、ステップＳ３において暖房要求がないと判定された場合、処理がステップＳ１４へ進み、コントローラ７０は、空調ユニットのエアコンサイクルを冷房モードに設定し、エバ電磁弁２２を開状態とし、空調ユニット（ＨＶＡＣ）をオートモードに設定する。これにより、ブロアファン３の風量及び各ドア（インテークドア、ミックスドア、デフドア、ベントドア、フットドア）のドア位置は、車室内温度が設定温度となるように自動制御される。これに伴って、コンデンサファン２及びラジエータポンプ３１を作動させる。

ステップＳ１５においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以下であるか否かを判定する。冷却水温度が３５℃以下であると判定されると処理がステップＳ１６へ進み、３５℃より高いと判定されると処理がステップＳ１７へ進む。本ステップの判定の閾値である３５℃は、バッテリ１の仕様に基づき作動に好ましい温度の上限値に適宜設定される。

ステップＳ１６においてコントローラ７０は、チラー電磁弁２３を閉塞し、空調ユニット内のエバポレータ１４直後の空気温度が３℃となるようにコンプレッサ１１を制御する（エバ直３℃制御）。

ステップＳ１７においてコントローラ７０は、チラー電磁弁２３を開放し、空調ユニット内のエバポレータ１４直後の空気温度が３℃となるようにコンプレッサを制御する。

つまり、冷房モード時、バッテリ温度にかかわらずエバポレータ１４の直後の空気温度が３℃となるようにコンプレッサ１１を制御し、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以上である場合にはチラー１７を介して吸熱する。

一方、ステップＳ１においてブロアファン３が停止していると判定された場合、処理が図８のステップＳ１８へ進み、コントローラ７０は、空調ユニットのエアコンサイクルを冷房モードに設定し、エバ電磁弁２２を閉状態とする。これに伴って、コンデンサファン２及びラジエータポンプ３１を作動させる。

ステップＳ１９においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以上であるか否かを判定する。冷却水温度が３５℃以上であると判定されると処理がステップＳ２０へ進み、３５℃より低いと判定されると処理がステップＳ２１へ進む。

ステップＳ２０においてコントローラ７０は、チラー電磁弁２３を開放し、コンプレッサ１１を作動させる。これにより、エアコンループ１０の冷媒はチラー１７に流れ、低水温ループ５０の冷却水から吸熱する。

ステップＳ２１においてコントローラ７０は、チラー電磁弁２３を閉塞し、コンプレッサ１１を停止させる。これにより、エアコンループ１０の冷媒の流れは停止する。

つまり、空調がオフの場合であっても、バッテリ温度が高い場合にはチラー１７から吸熱してコンデンサ１２から放熱する。

次に、車両走行時の電動車両用熱管理システム１００の作用について図９〜図１１を参照して説明する。

図９は、外気温度が低い冬季などにおいて、暖房熱を多く必要とする場合について示している。この場合、エアコンサイクルは暖房モードに設定され、コンプレッサ１１は吹き出し温度追従制御とされ、ブロアファン３の作動によって車室内に温風が送られる。

車両の走行によりバッテリ１の充電量は徐々に低下していく。この時、バッテリ１の放電に伴って発生する熱はウォータジャケット５５を介して低水温ループ５０の冷却水に吸熱される。また、低水温ループ５０の冷却水は、充電中に予め加温され蓄熱している。冷却水はバッテリポンプ５１によって循環しているので、低水温ループ５０の冷却水の熱は、チラー１７を介してエアコンループ１０の冷媒に吸熱される。これにより、低水温ループ５０の冷却水温度は徐々に低下していく。

高水温ループ３０では、水コンデンサ１６を介してエアコンループ１０の冷媒から吸熱し、さらにモータ３３の駆動による発熱分も加わり冷却水温度が上昇する。このように、充電中に低水温ループ５０に蓄熱しておいた熱を高水温ループ３０へと伝達することで、高水温ループ３０の冷却水温度を早期に上昇させることができる。

時刻ｔ１において、高水温ループ３０の冷却水温度が目標吹き出し温度に達すると、コンプレッサ１１の回転速度が低下してエアコンループ１０の冷媒の流量が低下する。その後も、コンプレッサ１１は吹き出し温度追従制御によって、高水温ループ３０の冷却水温度が目標吹き出し温度となるように水コンデンサ１６から高水温ループ３０へと吸熱される熱量が調整される。

時刻ｔ２において、低水温ループ５０の冷却水温度が１５℃を下回った場合には、温水ヒータ５４を作動させる。温水ヒータ５４は、低水温ループ５０の冷却水温度が１５℃を下回らない程度にＯＮ／ＯＦＦ制御又は連続作動される。

時刻ｔ３において、暖房により車室内空気温度が上昇すると、あるいは外気温度が上昇すると、目標吹き出し温度が低下する。目標吹き出し温度の低下に応じてコンプレッサ１１の回転速度が低下していき、高水温ループ３０の水温も低下していく。

また、コンプレッサ１１の回転速度が低下するとチラー１７における冷媒の吸熱量が低下するので、低水温ループ５０の冷却水温度が上昇していく。この場合、低水温ループ５０の冷却水温度は、バッテリ１、インバータ５３、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の排熱により上昇する。

図１０は、外気温度が比較的低い冬季、春季、又は秋季などにおいて、暖房熱をそれほど多くは必要としない場合について示している。この場合、エアコンサイクルは暖房モードに設定され、コンプレッサ１１は低水温ループ５０の冷却水温度に応じて吹き出し温度追従制御と低水温ループ３５℃制御との間で切り替えられ、ブロアファン３の作動によって車室内に温風が送られる。

車両の走行によりバッテリ１の充電量は徐々に低下していく。この時、バッテリ１の放電に伴って発生する熱はウォータジャケット５５を介して低水温ループ５０の冷却水に吸熱される。また、低水温ループ５０の冷却水は、予め充電中に加温され蓄熱している。冷却水はバッテリポンプ５１によって循環しているので、低水温ループ５０の冷却水の熱は、チラー１７を介してエアコンループ１０の冷媒に吸熱される。これにより、低水温ループ５０の冷却水温度は徐々に低下していく。

高水温ループ３０では、水コンデンサ１６を介してエアコンループ１０の冷媒から吸熱し、さらにモータ３３の駆動による発熱分も加わり冷却水温度が上昇する。このように、充電中に低水温ループ５０に蓄熱しておいた熱を高水温ループ３０へと伝達することで、高水温ループ３０の冷却水温度を早期に上昇させることができる。

時刻ｔ１において、高水温ループ３０の冷却水温度が目標吹き出し温度に達すると、コンプレッサ１１の回転速度は低下し、エアコンループ１０の冷媒の流量が低下する。その後も、コンプレッサ１１は吹き出し温度追従制御によって、高水温ループ３０の冷却水温度が目標吹き出し温度となるように水コンデンサ１６から高水温ループ３０へと吸熱される熱量が調整される。

この状況では、外気温度がそれほど低くなく目標吹き出し温度が図９の状況と比べて低いので、コンプレッサ１１の回転速度も図９の状況よりも早めに低下する。コンプレッサ１１の回転速度の低下によってチラー１７における吸熱量が低下する。時刻ｔ２において、チラー１７の吸熱量よりもバッテリ１、インバータ５３、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の排熱量の方が上回ると、低水温ループ５０の冷却水温度が上昇していく。

時刻ｔ３において、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃に達すると、コンプレッサ１１が低水温ループ３５℃制御に切り替わる。この場合、暖房能力が余剰であるので、コンプレッサ１１は目標吹き出し温度にかかわらず低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃を超えないように制御される。

これにより、コンプレッサ１１の回転速度が目標吹き出し温度に追従しなくなり、高水温ループ３０の冷却水温度が目標吹き出し温度を超えるので、高水温ループ３０はラジエータ回路に設定され、コンデンサファン２が作動する。高水温ループ３０の冷却水温度はラジエータ放熱によって目標吹き出し温度に追従させる。

図１１は、外気温度が高い夏季において、バッテリ１の冷却が必要な場合について示している。この場合、エアコンサイクルは冷房モードに設定され、コンプレッサ１１はエバ直３℃制御とされ、ブロアファン３の作動によって車室内に冷風が送られる。さらに、コンデンサファン２及びラジエータポンプ３１が作動している。

車両の走行によりバッテリ１の充電量は徐々に低下していく。この時、バッテリ１の放電に伴って発生する熱はウォータジャケット５５を介して低水温ループ５０の冷却水に吸熱される。低水温ループの冷却水温度は３５℃以下であるので、チラー電磁弁２３が閉塞されており、チラー１７には冷媒が流れない。つまり、エバポレータ１４における導入空気の冷却を優先しているので、低水温ループ５０からの吸熱は行われない。よって、低水温ループ５０の冷却水は、バッテリ１、インバータ５３、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の排熱によって温度が徐々に上昇していく。

高水温ループ３０では、冷却水はモータ３３及びラジエータ３２を循環しているので、エアコンループ１０の冷媒との間で熱伝達はなく、モータ３３の発熱分をラジエータ３２から放熱する。よって、冷却水温は必ずしも目標吹き出し温度とは一致しない。

時刻ｔ１において、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃に達すると、チラー電磁弁２３を開放する。これにより、エアコンループ１０の冷媒がチラー１７に流れ、チラー１７において低水温ループ５０の冷却水から吸熱される。チラー電磁弁２３は、低水温ループ５０の冷却水温度がほぼ３５℃に保たれるように開閉される。

車室内空気温度が上昇し、あるいは外気温度が低下して、目標吹き出し温度が上昇すると、時刻ｔ２において、高水温ループの冷却水温度が目標吹き出し温度となるように、コンデンサファン２の風速を調整する。この場合、コンデンサファン２をＯＮ／ＯＦＦ制御してもよいし、低回転速度で連続運転してもよい。

以上のように本実施形態では、低水温ループ５０の冷却水温度が１５℃を下回る場合には温水ヒータ５４で加熱し、３５℃を上回る場合にはチラー１７によって吸熱するので、バッテリ１の温度を所望の温度範囲内に保つことができる。また、充電中に低水温ループ５０に蓄熱された熱及びバッテリ１の排熱を、チラー１７を介してエアコンループ１０の冷媒に吸熱させるので、充電中に蓄熱された熱を車室内の空調に有効利用することができ、空調の作動による消費電力を抑制して車両の航続可能距離の低下を抑制することができる。

さらに、暖房要求がある場合、コンプレッサ１１を吹き出し温度追従制御とするので、低水温ループ５０の熱を必要な分だけチラー１７において吸熱させ、水コンデンサ１６を介して高水温ループ３０へと伝達できる。よって、充電時に低水温ループ５０に蓄熱された熱を効率よく暖房熱として利用することができる。

さらに、暖房要求がある場合であって、低水温ループ５０の温度が３５℃以上である場合、コンプレッサ１１を低水温ループ３５℃制御とするので、暖房熱が余剰となる場合であっても低水温ループ５０の冷却水温度（バッテリ温度）を３５℃以下に抑えることができる。また、余剰の熱は水コンデンサ１６を介して高水温ループ３０へ送り、ラジエータ３２から外気に放熱することができる。よって、より確実にバッテリ１の温度を所望の温度範囲内に保つことができる。

さらに、低水温ループ５０の冷却水温度が低水温ループ５０の目標温度以下である場合にはバッテリ１から供給される電力によって作動する電気式の温水ヒータ５４を使用するので、チラー１７を低温冷却水から冷媒側への熱伝達専用として使用することができ、バッテリ温度の上下変動によるエアコンループ１０の追従性の低下を避けることができる。

さらに、冷房要求がある場合、コンプレッサ１１をエバ直３℃制御とし、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃以下である場合にはエバ電磁弁２２を閉塞して冷媒をすべてエバポレータ１４に流すので、冷房能力を優先して車室内空気温度をより迅速に冷却することができる。また、低水温ループ５０の冷却水温度が３５℃より高くなった場合には冷媒をチラー１７へ流すことで、バッテリ１の発熱分を吸熱するので、冷房運転時であってもバッテリ１の温度を所望の温度範囲内に保つことができる。

次に、電動車両用熱管理システム１００の変形例について図１２〜図１７を参照しながら説明する。

図１２は、電動車両用熱管理システム１００の第１の変形例を示す。

第１の変形例は、水コンデンサ１６が設けられる位置が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０上では、水コンデンサ１６の配設位置は同一であるが、エアコンループ１０上では、コンプレッサ１１と三方弁２０との間に設けられる。つまり、上記実施形態では、水コンデンサ１６とコンデンサ１２とはエアコンループ１０に沿って互いに並列に設けられているが、この変形例では、水コンデンサ１６とコンデンサ１２とが直列に設けられることになる。これにより、三方弁２０の切り換え位置にかかわらず、高水温ループ３０の冷却水は常に冷媒から熱を吸熱するので、エアコンループ１０の放熱性を向上させることができる。

図１３は、電動車両用熱管理システム１００の第２の変形例を示す。

第２の変形例は、高水温ループ３０及びエアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０では、上記実施形態の高水温ループ３０から、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７、Ｈ／Ｃポンプ３４、及びヒータコア３５を取り除き、ラジエータポンプ３１から送出された冷却水がラジエータ３２及びモータ３３を循環する回路とした。

さらに、エアコンループ１０には、コンプレッサ１１の下流側とコンデンサ１２の下流側とを接続するバイパス流路１５にインナーコンデンサ２４を設けた。インナーコンデンサ２４は、上記実施形態のヒータコア３５と同様に空調ユニット内に設けられる。

この変形例では、水コンデンサ１６がないのでエアコンループ１０と高水温ループ３０との間で熱交換を行うことができないが、高水温ループ３０の構造を簡略化することができる。

図１４は、電動車両用熱管理システム１００の第３の変形例を示す。

第３の変形例は、エアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる。上記実施形態では、エアコンループ１０のエバポレータ１４とチラー１７とを並列に接続しているが、この変形例では、これらをエバポレータ１４、チラー１７の順に直列に接続している。

この変形例では、エアコンループ１０の流路１９及び電磁弁２２、２３を省略できるので、構造を簡略化することができる。

図１５は、電動車両用熱管理システム１００の第４の変形例を示す。

第４の変形例は、高水温ループ３０及びエアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる上に、低水温ループ５０の冷却水の代わりに空気を冷媒として用いている。つまり、ファン２６によってバッテリ１を空冷している。バッテリの加熱は空気ヒータ５６を用いる。高水温ループ３０では、上記実施形態のモータ３３に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びインバータ５３を直列に配置した。エアコンループ１０では、上記実施形態のチラー１７の代わりにエバポレータ２５を設け、このエバポレータ２５をバッテリ１に隣接して配置した。

この変形例では、エバポレータ２５及び温水ヒータ５４の作動状態を調整することでバッテリ１の温度を適宜調整することができる。また、低水温ループ５０の冷却水がない分、バッテリ１の冷却系統を簡略化することができる。

図１６は、電動車両用熱管理システム１００の第５の変形例を示す。

第５の変形例は、車両駆動用のモータとして、駆動輪の内部に収装されたインホイールモータを採用した車両を前提とした構成である。この変形例では、高水温ループ３０の構成が上記実施形態と異なる。

高水温ループ３０では、上記実施形態の高水温ループ３０から、モータ３３、ラジエータポンプ３１、ラジエータ３２、及び水切り換え弁３７を取り除き、Ｈ／Ｃポンプ３４から送出された冷却水がヒータコア３５及び水コンデンサ１６を循環する回路とした。

この変形例では、インホイールモータを搭載した車両においても上記実施形態と同様の熱管理システム１００を実現することができる。

図１７は、電動車両用熱管理システム１００の第６の変形例を示す。

第６の変形例は、ハイブリッド車両やレンジエクステンダーＥＶ車両のように、モータ３３とエンジン３８とを両方備える車両を前提とした構成である。この変形例では、高水温ループ３０の構成が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０では、上記実施形態のモータ３３に対し、エンジン３８を直列に配置した。

この変形例では、エンジン３８を搭載する車両においてもエンジン３８の排熱を有効に利用して上記実施形態と同様の熱管理システム１００を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、温水ヒータ５４の作動を判定する低水温ループ５０の冷却水温度の閾値を１５℃としたが、低水温ループ５０に設けられるバッテリ１の作動温度として適切な範囲でその他の温度に設定されてもよい。

さらに、コンプレッサ１１の制御の切り換えを判定する低水温ループ５０の冷却水温度の閾値を３５℃としたが、低水温ループ５０に設けられるバッテリ１の作動温度として適切な範囲でその他の温度に設定されてもよい。

さらに、チラー電磁弁２３の開閉を判定する低水温ループ５０の冷却水温度の閾値を３５℃としたが、低水温ループ５０に設けられるバッテリ１の作動温度として適切な範囲でその他の温度に設定されてもよい。

さらに、上記閾値としての１５℃及び３５℃は、チャタリング防止のためディファレンシャル（ヒステリシス）を設け、水温が上昇時と低下時とで異なる温度に設定してもよい。

さらに、低水温ループ５０及び高水温ループ３０の冷却水は不凍液を例に挙げて説明したが、その他の冷媒、例えばオイルなどを用いてもよい。

１ バッテリ
１０ エアコンサイクル（エアコン用冷媒ループ）
１１ コンプレッサ（圧縮部）
１２ コンデンサ（凝縮部）
１３ 膨張弁（減圧部）
１４ エバポレータ（蒸発部）
１６ 水コンデンサ（ヒータ用熱交換部）
１７ チラー（バッテリ用熱交換部）
２２ エバ電磁弁（切り換え手段）
２３ エバ電磁弁（切り換え手段）
３０ 高水温ループ（ヒータ用冷媒ループ）
３２ ラジエータ（車外放熱器）
３５ ヒータコア（車内放熱器）
５０ 低水温ループ（バッテリ用冷媒ループ）
５４ 温水ヒータ（加熱器）
７０ コントローラ（熱管理制御手段、温度状態判定手段、目標温度演算手段）
１００ 電動車両用熱管理システム

Claims (6)

1. 電動モータによって駆動される電動車両に用いられる車両用熱管理システムであって、
   エアコン用冷媒を圧縮する圧縮部と、エアコン用冷媒の熱を外気に放熱してエアコン用冷媒を凝縮させる凝縮部と、エアコン用冷媒を膨張させて減圧させる減圧部と、車内への導入空気からエアコン用冷媒に熱を吸熱させてエアコン用冷媒を蒸発させる蒸発部と、エアコン用冷媒とバッテリ用冷媒との間で熱交換を行わせるバッテリ用熱交換部とを有し、エアコン用冷媒を循環させるエアコン用冷媒ループと、
   前記電動モータへの供給電力を蓄電するバッテリと、前記バッテリ用熱交換部と、バッテリ用冷媒を加熱する加熱器と、の間でバッテリ用冷媒を循環させるバッテリ用冷媒ループと、
   車室内空気温度を調整する空調ユニットが作動中、バッテリ用冷媒の温度が前記バッテリの許容下限温度より低い場合、前記加熱器によってバッテリ用冷媒を加熱し、バッテリ用冷媒の温度が前記バッテリの許容上限温度より高い場合、前記圧縮部の出力を増大してバッテリ用冷媒の温度を前記バッテリの許容上限温度以下となるまで低下させる熱管理制御手段と、
   を備えることを特徴とする電動車両用熱管理システム。
2. 請求項１に記載の電動車両用熱管理システムであって、
   エアコン用冷媒とヒータ用冷媒との間で熱交換を行わせるヒータ用熱交換部と、ヒータ用冷媒から車内への導入空気に放熱させる車内放熱器と、の間でヒータ用冷媒を循環させるヒータ用冷媒ループと、
   前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より高いか、目標吹き出し温度が車室内空気温度より低いか、を判定する温度状態判定手段と、
   前記温度状態、外気温度、及び車室内空気温度に基づいてヒータ用冷媒の目標温度を演算する目標温度演算手段と、
   を備え、
   前記熱管理制御手段は、目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合、前記圧縮部の出力を制御してヒータ用冷媒の温度を前記目標温度に追従させる、
   ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
3. 請求項２に記載の電動車両用熱管理システムであって、
   前記ヒータ用冷媒ループは、ヒータ用冷媒から車外空気へと放熱させる車外放熱器を含み、
   前記熱管理制御手段は、前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合であって、バッテリ用冷媒の温度が前記許容上限温度より高い場合、前記車外放熱器における放熱量を制御してヒータ用冷媒の温度を前記目標温度に追従させる、
   ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
   前記加熱器は、前記バッテリから供給される電力によって作動する電気ヒータである、
   ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
   前記蒸発部は、前記エアコン用冷媒ループに沿って前記バッテリ用熱交換部と並列に設けられ、
   エアコン用冷媒を、前記蒸発部側及び前記バッテリ用熱交換部側の少なくとも一方へ循環させる切り換え手段を備え、
   前記熱管理制御手段は、前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より低い場合、エアコン用冷媒を前記蒸発部へと流し、バッテリ用冷媒の温度が前記許容上限温度より高い場合にのみエアコン用冷媒を前記バッテリ用熱交換部へと流す、
   ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
   前記蒸発部は、前記エアコン用冷媒ループに沿って前記バッテリ用熱交換部と直列に設けられる、
   ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。

Images