JP6026281B2 - 自動車用の冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車用の冷却装置であって、少なくとも1つの可変流量ポンプによって循環される液体クーラントを用いてエンジンユニットを冷却し得る冷却回路を備えた冷却装置に関する。本発明は、電気自動車に有利に適用される。
内燃機関においては、繰り返される燃焼が、接触部分、例えばピストン、シリンダおよび弁などを過熱させ、それがエンジンの機械部分全体に広がる。従って、損傷を回避するために、これらの部分を冷却する必要がある。すなわち、燃焼機関は、適正に作動するために、適切な一定温度を必要とする。
電気駆動車両においても、パワートレインの種々の要素を冷却する必要がある。
液体クーラントを、エンジンと、液体冷却用の熱交換器であるラジエータとの回りに循環させる1つ以上のポンプを含む冷却システムを用いることが知られている。この場合、液体クーラントの流量は、エンジン速度によって変化し、特にエンジンが停止している時はゼロになる。
ポンプが最適運転され、かつ特にその摩耗およびエネルギー消費が抑えられる冷却装置の提供が望まれている。
本発明による装置によってこの目的を実現できる。
すなわち、本発明は、少なくとも1つの可変流量ポンプによって循環される液体クーラントを用いてエンジンユニットを冷却し得る冷却回路であって、各ポンプの流量が指令システムによって指令される冷却回路を備えた自動車用の冷却装置に関する。
本発明による装置においては、指令システムが、各ポンプの流量を、液体クーラントの温度が固定設定温度を超えないように調整することが可能である。
指令システムは、液体クーラントの温度が固定設定温度を超えないように、各ポンプの流量を常時調整することが可能であるようにすることもできる。
指令システムは、流量設定点を可変設定温度の関数として確定することが有利に可能である。
この可変設定温度は、例えば、固定設定温度と、液体クーラントの温度と、流量設定点の関数として推定される液体クーラントの温度との関数である。
この可変設定温度は、液体クーラントの温度と推定された温度との間の温度差であって、固定設定温度から差し引かれた温度差に等しいものとすることができる。
自動車は電気車両とすることができ、エンジンユニットは電子操縦システムを含むことができる。
電気車両はバッテリ充電器ユニットを含むことができ、冷却回路は、充電器ユニットおよびエンジンユニットを冷却することが有利に可能である。
指令システムは、流量設定点を、可変設定温度と、車両外部の温度と、車両の速度と、電子操縦システムの熱ロスと、バッテリ充電器の熱ロスとの関数として確定できることが望ましい。
指令システムは、推定設定温度を、流量設定点と、車両外部の温度と、車両の速度と、電子操縦システムの熱ロスと、バッテリ充電器の熱ロスとの関数として確定できることが望ましい。
装置は、液体クーラントを選択的にエンジンユニットに供給できる第1ポンプと、液体クーラントを選択的に充電器ユニットに供給できる第2ポンプとを含むことができる。
装置は、液体クーラントが充電器ユニットに流入するのを停止できる第1弁と、液体クーラントがエンジンユニットに流入するのを停止できる第2弁とを含むことができる。
装置は、液体クーラントの最低流量がエンジンユニットにおいて維持されることを可能にする流体制限器を含むことができる。
本発明の他の特徴および利点は、非限定的な実施態様例に基づいて添付の図面を参照して記述される以下の説明において詳細に明らかにされる。
電気車両に組み込まれた本発明による冷却装置のブロック図である。 本発明を説明するための図表である。 本発明を説明するための図表である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するためのブロック図である。 本発明を説明するための図表である。 本発明を説明するための図表である。 本発明を説明するための図表である。
冷却装置1は、図1に示すように、第1電気ポンプ2と、第2電気ポンプ3と、バッテリ充電器4と、エンジンユニット5と、ラジエータ6と、第1ソレノイド弁7および第2ソレノイド弁8とを含む。第1電気ポンプ2と、第2電気ポンプ3と、第1ソレノイド弁7と、第2ソレノイド弁8とは指令装置9に接続される。
第1電気ポンプ2は、車両が動いている時に用いられるように設計され、一方、第2電気ポンプ3は、バッテリの再充電時に用いられるように設計される。第1ポンプ2の流量および第2ポンプ3の流量は指令信号によって調整することができる。
車両が停止している時は、充電器4は、図示されていない電気駆動バッテリを家庭の電源から再充電することが可能である。
第1ソレノイド弁7は、車両が動いている時に第2ポンプ3と充電器4とが短絡されることを可能にし、一方、第2ソレノイド弁8は、エンジンユニット5の冷却が必要と見做されない場合は、バッテリ充電時にエンジンユニット5が短絡されることを可能にする。第2ソレノイド弁8は、流体制限器10に接続することができる。流体制限器10は、圧力低下を変化させることが可能で、それによって、第2ソレノイド弁8が開いていても、エンジンユニット5における液体クーラントの流量を維持する。
エンジンユニット5は、エンジン11と、特にバッテリからのDC電圧をAC電圧に変換するように設計される電子操縦システム12とを含む。
ラジエータ6は、内燃機関の冷却装置と同様に、液体クーラントの冷却を可能にする。それには、図示されていないが電気ファンが装備される。
車両が動いている時には、エンジンユニット5の冷却が必要であり、車両停止時には充電器4の冷却が必要である。冷却の方策は指令装置9によって管理される。指令装置9は、冷却回路におけるセンサー、特に液体クーラント温度センサーに接続されるプロセッサである。プロセッサ9は、ポンプ2、3と、ソレノイド弁7、8と、ラジエータ6の電気ファンユニットとを操縦する。また、プロセッサ9は、冷却の方策用として必要な他の測定値を得るために、車両における他のプロセッサと、例えばCAN(Controller Area Network)バスを介して有利に接続される。プロセッサ9は、液体クーラントの流量指令を提供するための方策を支配する。
1つの可能な解決策は、比例−積分(PI)補正器を含む閉ループの調整システムにおいて、各ポンプ2、3の流量を従属させることである。
このPI補正器は、水の出口温度が設定温度を超えない限り応答しない、すなわち流量を変更しない。冷却システムは、潜在的にかなり大きい全慣性を有するシステムである。すなわち、電気技術システム内の熱量は、電子操縦システムの金属質量内において生成され、それが水に排出されるまでには時間が掛かることが多い。その結果、PI補正器は、それが冷却水の温度の変化を待つとすると、応答が遅くなりすぎる場合がある。
図2および3は、冷却試験を通して生じた問題が表現されている。この試験の条件は次のとおりである。
電気技術システムから消散されるべきパワーロスは、安定化される1.5kWに低下される前に、400秒間7.5kWまで持ち上げられている。
任意であるが、車両速度は30km/hに、外部温度は30℃に、一定の水流量は150l/hに設定されている。
図2に示す第1試験は、補正器なしの開ループで実施される。すなわち、水の流量は一定である。
図の上部部分は、被冷却電子操縦システムからのロスを示し、下部部分は、水温度の時間の経過に伴う応答を示す。t=400秒において水の温度は僅かに42.8℃であること、および、33分も経過しない内に60℃を超えることが分かる。
図3に示す第2試験は同じ条件で実施したものであるが、この場合は、PI補正器を作動させている。すなわち、流量を変化させている。PI補正器は、水温が50℃の設定点を超えた場合にのみ応答していることが分かるが、これは遅すぎる。
この不具合を修正するため、本発明による指令方策ブロックAの入力および出力が図4に示されている。
ブロックAの入力は次のとおりである。
−TF_mes:液体クーラントの温度。これは単一のセンサーによって、あるいはいくつかのセンサー源を組み合わせる(例えば、電気エンジンまたは電子操縦システムにはそれ自体に水温センサーを装備することができる)ことによって得られる。
−V_VH:車両速度。通常、ABSプロセッサによって計算され、車両のCAN上において利用可能である。
−Temp_Ext:車両のCANから得られる外部温度。
−Losses_PEB:電子操縦システムによって生成される信号で、電子操縦システムおよび電気機械内において発生するロスの推定値を表す。実際、電子操縦システムは、常にエンジン各相における電流を把握しており、温度センサーも(それも多くの場合複数個)備えているので、ユニット{電子操縦システム、エンジン}からのロスの合理的に正確な推定値を提供し得るのである。
−Losses_BCB:バッテリ充電器によって生成される信号で、バッテリ充電器内において発生するロスの推定値を表す。実際、バッテリ充電器は、常に充電電流を把握しており、温度センサーも(それも多くの場合複数個)備えているので、バッテリ充電器からのロスの合理的に正確な推定値を提供できる。
ブロックAからの出力は次のとおりである。
−PWM_WEP_CN:電子操縦システムと、バッテリ充電器と、電気駆動モータとを含む電気技術システムに対する流量指令。これは、ポンプの供給可能最大流量の百分率を表す0〜100の信号である。
運転方法に応じて、第1ポンプまたは第2ポンプのいずれかがこの信号によって指令されるであろう。
目標は、流量指令値を、最小値および最大値の間において、冷却回路の温度の関数として自動的に調整することにある。
原理は次のとおりである。すなわち、最高所要設定温度を選択し、続いて明確な内部モデルと閉ループ制御とを用いて、この設定温度を得るように流量を決定する、というものである。ループ信号は、液体クーラントの温度測定値と、この明確な内部モデルによって作り出される温度との間の温度差である。
図5は、この方式の作動原理を示す。
制御装置は2つのブロックから構成される。
−ブロックB。これは、補正器ブロックとして知られ、到達するべき水温TF_Reqの入力を受け取る。ブロックBは、異なる測定値(外部温度、消散するべきパワーおよび車両速度など)を用いて、定常状態においてこの目標水温TF_Reqを達成するのに必要な流量を決定するために用いられる。
−ブロックC。これは、モデルブロックとして知られ、ブロックBによって計算された設定流量を入力として受け取り、システムの動的モデルに基づいて、水温ymをリアルタイムで発生させる。
設定流量は、現実のシステムに対応するブロックDにも送られ、水温ypを測定することができる。
原理は、目標水温TF_Reqが必ずしも常に設定点CONS_TFに等しくはなく、それは、実際の温度が内部モデルによって推定される温度と違う時に補正されるということである。
本明細書の以下の部分は、ブロックBおよびCを得ることに関する詳細を含んでいる。
最初に、冷却システムの精細なモデルを有限要素モデルを用いて作成し、第2に、物理的な方程式に基づく簡単化されたモデルを作成する。
図6は使用した原理を示す。用いた簡単化の仮定は次のとおりである。
−搬送状態は無視した。冷却回路中の水はすべて水の不動質量体として取り扱う。
−構成要素(電子操縦システムPEB、電気駆動モータおよびバッテリ充電器BEB)は金属の質量体として取り扱う。熱(電気技術システムからのロス)はこの金属質量体内において発生し、続いて水の質量体に流れる。
−熱流は、さらに続いてラジエータを通って流れる。ラジエータの交換特性は製造者から提供される。
動的な方程式は次のとおりである。
Figure 0006026281

但し、
PEB=ユニット{電子操縦システム+エンジン}に等価の金属質量、
PEB=ユニット{電子操縦システム+エンジン}の比熱容量、
PEB=ユニット{電子操縦システム+エンジン}の平均温度、
hiSPEB=水とユニット{電子操縦システム+エンジン}との間の交換比率、
BCB=バッテリ充電器の等価金属質量、
BCB=バッテリ充電器の比熱容量、
BCB=バッテリ充電器の平均温度、
hiSBCB=水とバッテリ充電器との間の交換比率、
=流体質量、
=流体の比熱容量、
=水温、
Φradiator=ラジエータによって排除される熱流。マップによって与えられる、
である。
ラジエータによって排除されるパワーは3つの量によって変化する。すなわち、
Φradiator=f(Flow rate、Tair、Tf、V_AIR)
であり、3つの量は、
−ラジエータを通過する流量(Flow rate)と、
−流体の温度(Tf)と、
−ラジエータを通過する空気の速度(V_AIR)と、
である。
ラジエータの製造者は、ラジエータによって排除されるパワーを2次元マップの形態で提供する。すなわち、このマップ用の2つの入力は、
−流量(単位l/h)と、
−空気の速度(単位m/s)と、
である。
ラジエータによって排除されるパワーは、固定された水/空気の温度差ATref(例えばATref=10°)に対して与えられる。
任意の水/空気温度差に対しては、次式が当てはまる。
Figure 0006026281

従って、これは、流量および空気速度の関数として非線形の変換を与える。
空気速度は2つの発生源の合計である。すなわち、
−車両速度に起因する空気速度。これは車両速度の一部分である。
−ラジエータの電気ファンユニットによってもたらされる付加的な風速。この空気流れは車両速度によって変化する。
補正器ブロックBを得るために、目標は、ラジエータにおける水温の移動に対する流量の静的ゲインを得ることになる。すなわち、排除されるべき所与のパワーに対して必要な流量が決定されなければならない。
この問題は、ラジエータのパワーのマップを流量の関数として線形化することによって解決できる。このマップ化は、次の形の方程式によって近似できることが分かる。すなわち、
Figure 0006026281

Prad_linは、流量、空気速度およびATrefに比例する法則によって近似される被排除パワーを表す。
Vair_refは、任意であるが90km/h(この車両速度に等価の空気速度)に設定する。
ATref=10℃が維持される。
λ1は、例えば、26210Wのパワーを与える流量点800l/hに対して計算され、その場合、λ1=26210/800W/(l/h)である。
従って、流量は次のように書かれる。すなわち、
Figure 0006026281
図2に示す制御モジュールAの実施態様の詳細が図7に示されている。入力は上述のとおりである。
補正器ブロックBによって生成される指令Flow rate_consは、[Flow_Max]および[Flow_Min]の間に飽和される。この最大値および最小値はポンプの供給流量範囲である。指令PWMは、簡単な表を用いて計算され、制御出力を提供する。
この指令値は、また、動的モデルに再導入される前にも[Flow_Max]および[Flow_Min]の間に飽和される。これら2つのパラメータは、本発明の2つの調整パラメータを構成する。第3のパラメータは「CONS_TF」であり、これは最高所望設定温度である。
図8はブロックBの可能な実施態様を示す。これは方程式(eq5)の具現化である。
図9はブロックCの可能な実施態様を示す。ブロックCは数値積分を含む。それは、通常約1秒間である各サンプリング周期において実行される。
図から分かるように、モデルは4つのブロックC1〜C4に分割される。各ブロックC1〜C4の操作は、次の順序で連続的に行われる。すなわち、
−ブロックC1(「Flux_radiator_linear」)、
−ブロックC2(「PEB_ME」)、
−ブロックC3(「BCB」)、
−ブロックC4(「WATER」)、
の順序である。
ブロックC1(「Flux_radiator_linear」)は、ラジエータによって外部空気に排除されるパワーを計算するために用いられる。このブロックの可能な実施態様が図10に示される。
ブロックC1の入力は次のとおりである。すなわち、
−TF_MDL1:先行するサンプリングの瞬間にモデルによって計算される水温、
−Temp_Ext:車両の外側の空気温度。乗員室プロセッサによって測定される、
−V_VH:車両速度、
−Flow rate:流量測定値、
である。
ブロックC1からの出力は、Flux_Rad、すなわちラジエータの流れである。ブロックC1は方程式(eq4)の具現化である。
ブロックC2は、ユニット{電子操縦システム+エンジン}対水の間に交換されるパワーと、ユニット{電子操縦システム+エンジン}の温度とを計算するために用いられる。このブロックの可能な実施態様が図11に示される。
ブロックC2の入力は次のとおりである。すなわち、
−Losses_PEB:ユニット{電子操縦システム+エンジン}によって消散されるロス、
−TF_MDL1:先行するサンプリングの瞬間にモデルによって計算される水温、
−Temp_Ext:車両の外側の空気温度。乗員室プロセッサによって測定される、
−TP_PEB_MDL1:先行するサンプリングの瞬間にブロック「PEB_ME」によって計算されるユニット{電子操縦システム+エンジン}の温度、
である。
ブロックC2からの出力は次のとおりである。すなわち、
−Flux_PEB:ユニット{電子操縦システム+エンジン}および水の間に交換される流れ、
−TP_PEB_MDL1:ユニット{電子操縦システム+エンジン}の温度、
である。
ブロックC2は方程式(eq1)の具現化である。
ブロックC3は、バッテリ充電器および水の間に交換されるパワーと、バッテリ充電器の温度とを計算するために用いられる。このブロックの可能な実施態様が図12に示されている。
ブロックC3の入力は次のとおりである。すなわち、
−Losses_BCB:バッテリ充電器によって消散されるロス、
−TF_MDL1:先行するサンプリングの瞬間にモデルによって計算される水温、
−Temp_Ext:車両の外側の空気温度。乗員室プロセッサによって測定される、
−TP_BCB_MDL1:先行するサンプリングの瞬間にブロック「BCB」によって計算されるバッテリ充電器の温度、
である。
ブロックC3からの出力は次のとおりである。すなわち、
−Flux_BCB:バッテリ充電器および水の間に交換される流れ、
−TP_BCB_MDL:バッテリ充電器の温度、
である。ブロックC3は方程式(eq2)の具現化である。
ブロックC4は水温を計算するために用いられる。このブロックの可能な実施態様が図13に示される。
ブロックC4の入力は次のとおりである。すなわち、
−Flux_PEB:ユニット{電子操縦システム+エンジン}および水の間に交換される流れ、
−Flux_BCB:バッテリ充電器および水の間に交換される流れ、
−Flux_Rad:ラジエータおよび外側の空気の間に交換される流れ、
−Temp_Ext:車両の外側の空気温度。乗員室プロセッサによって測定される、
である。
ブロックC4からの出力は、TF_MDL、すなわち内部モデルによって生成される水温である。
ブロックC4は方程式(eq3)の具現化である。
ブロックC1〜C4におけるパラメータは物理的な意味を有するパラメータであることに留意するべきである。
図14は、本発明による装置によって得られる、時間の関数としての水温および水の流量の展開を示す。試験条件は、図2および3について記述したものと同じである。
意図された目標が達成されることが分かる。すなわち、試験の開始から、補正器は、50℃の水温を得るために必要な流量が高い流量である(指令値は800l/hの最大流量に飽和している)ことを予測することが可能である。その後続いて、消散されるべきロスが低下している時に、補正器は、急速に流量指令値を必要な値に再調整する。従って、水温は試験の全期間を通して50℃未満のままである。
本発明の補正操作を示す第2試験が図15および16に示されている。
この試験の条件は次のとおりである。すなわち、最初に1500Wのロスが導入され、車両速度は30km/hに設定される。外部温度は30℃である。
t≒10000において2000Wのロスが導入される。
図15はPI補正器の作動を示す。補正器は、水温が50℃の設定温度を超えない限り流量を変化させない。その結果、設定点を通り過ぎてから応答が生起する。
図16に示すように、本発明による補正器は、サンプリング周期において、冷却に必要な静的流量を直ちに計算する。この場合、パワーのステップが変化すると、PI補正器とは違って、設定点を超えることを防止する水の流量が瞬時に再計算されることが分かる。
従って、本発明はシステムをより安全にする。最高設定温度が設定されると、補正器によって、この設定点を超過しないような流量の最適指令が確実に実行される。
冷却の要求が、単に流量を増大するだけでは適応し得ないほど大きい場合は、この冷却を高めるために電気ファンユニットを作動させる。本発明による内部モデル補正器を用いることによって、流量指令によってなされ得るすべてのことが実行された場合にのみ、電気ファンユニットが作動される。

Claims (6)

  1. 少なくとも1つの可変流量ポンプ(2、3)によって循環される液体クーラントを用いてエンジンユニット(5)を冷却し得る冷却回路を含む自動車用の冷却装置(1)であって、
    前記各ポンプ(2、3)の流量が指令システム(9)によって指令される冷却装置(1)において、
    前記指令システム(9)が、前記液体クーラントの温度が固定設定温度を超えないように、前記各ポンプ(2、3)の流量を調整することが可能であり、
    前記指令システム(9)が、流量設定点を、可変設定温度と、車両外部の温度と、前記車両の速度と、電子操縦システム(12)の熱ロスと、バッテリ充電器ユニット(4)の熱ロスとの関数として確定することが可能であり
    前記指令システム(9)が、推定設定温度を、前記流量設定点と、前記車両外部の温度と、前記車両の速度と、前記電子操縦システム(12)の熱ロスと、前記バッテリ充電器ユニット(4)の熱ロスとの関数として確定することが可能であり、さらに
    前記可変設定温度が、前記固定設定温度と、前記液体クーラントの温度と、前記流量設定点の関数として推定される液体クーラントの温度との関数であり、
    前記エンジンユニット(5)は、前記電子操縦システム(12)を含み、
    前記車両は、前記バッテリ充電器ユニット(4)を含む、
    ことを特徴とする装置(1)。
  2. 前記指令システム(9)が、前記液体クーラントの温度が前記固定設定温度を超えないように、前記各ポンプ(2、3)の流量を常時調整することが可能である、ことを特徴とする請求項1に記載の装置(1)。
  3. 前記可変設定温度が、前記液体クーラントの温度と前記推定された温度との間の温度差であって、前記固定設定温度から差し引かれた温度差に等しい、ことを特徴とする請求項1に記載の装置(1)。
  4. 液体クーラントを選択的に前記エンジンユニット(5)に供給できる第1ポンプ(2)と、液体クーラントを選択的に前記充電器ユニット(4)に供給できる第2ポンプ(3)とを含む、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置(1)。
  5. 液体クーラントが前記充電器ユニット(4)に流入するのを停止できる第1弁(7)と、液体クーラントが前記エンジンユニット(5)に流入するのを停止できる第2弁(8)とを含む、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置(1)。
  6. 液体クーラントの最低流量が前記エンジンユニット(5)において維持されることを可能にする流体制限器(10)を含む、ことを特徴とする請求項5に記載の装置(1)。
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