JP6239185B2 - 電気自動車の温度制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、温度制御システムに関し、特に、大気温度、電力系統温度、及び車内空調温度により冷却液の循環経路を調整するための3つの動作モードのうちの1つについて選択的に操作される電気自動車の温度制御システムに関する。
一般に、電気自動車の制御機構と操作は、電力系統に依存している。電力系統は、モーター、モーターコントローラ、モータードライバー、およびバッテリーを含む。電力系統を操作する間、熱エネルギー（または廃熱）が生成され、それから、電力系統の温度は上昇する。上昇した温度は、電力系統の性能を悪化させ、電力系統の使用寿命を低減する。電気自動車の電力系統を冷却するために、電気自動車は、通常ラジエーターを備えられる。さらに、冷却液は、電力系統及びラジエーター間を循環する。その結果、電力系統の操作による熱は、冷却液に移され、ラジエーターを介して空気へ放出される。
しかし、ラジエーターの冷却性能は明らかに、大気温度により影響される。例えば、大気温度が（例えば、35℃以上に）上昇した場合、ラジエーター内の冷却液の温度もまた上昇する。電力系統の操作動力がより高い場合には、冷却液の出力温度は、冷却液が電力系統を通過した後、50℃から60℃の範囲になることがあり、そして、冷却液の温度は、ラジエーターにより下げられる。冷却液の温度は、電力系統の理想的な操作温度（例えば、5℃〜40℃の範囲）より高い。この状況下においては、電力系統の温度は、電力系統がラジエーターの冷却液の循環によって冷却された後に、理想的な操作温度へ下げられない。その結果、電力系統の内部のコンポーネントの性能は、低下することありえて、電力系統の出力は、不安定となり、そして。電力系統の使用寿命は、短縮される。さらに、電力系統の温度は、電気自動車の性能に影響する。例えば、電気自動車は、電力系統の温度範囲が5℃〜40℃にある場合は、最適化された性能を有する。知られているように、既存の電気自動車の温度制御システムは、極端に寒い条件及び極端に暑い条件（例えばマイナスの40℃および40℃からの範囲で）の両方において操作できるわけではない。すなわち、既存の電気自動車の温度制御システムは、極端に寒い条件及び極端に暑い条件の両方において操作し、電力系統の熱を効果的に放散し、並びに電力系統における正常な操作及び要求性能を維持することは難しい（例えばモーター）。一般に、加熱及び冷却機構の追加によって、上記の欠点を克服することができる。しかし、電気自動車の製造原価は、主として増加する。従って、電気自動車が、様々な大気温度下で操作される際に、冷却液の理想的な操作温度を効果的に維持するための費用効果が高い温度制御システムを提供することのニーズがある.
さらに、電気自動車の空調システムからの熱せられた空気は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換することによって供給される。電気自動車が極端に寒い天候下で運転される場合は、電気自動車の空調システムは、多くの電気エネルギーを消費する。従来の車と比較して、電気自動車は、極端に寒い天候下では、運転時により多くの動力を消費する。さらに、電気自動車が充電された後、走行距離の低下が起こるのは、明らかである。従って、電気自動車が極端に寒い天候下で運転される際における、熱せられた空気のエネルギー利用効率を効率的に増大させるための方法及び温度制御システムを提供することのニーズがある。
本発明の目的は、電気自動車の温度制御システムを提供することである。温度制御システムは、大気温度、電力系統温度、及び車内空調空気温度により冷却液の循環経路を調整するために、3つの動作モードのうちの1つにおいて自動的に操作される。その結果、電力系統の温度は安定し、電力系統の性能と使用寿命は強化されて、空調システムの消費電力は低減される。
本発明の別の目的は、電気自動車の温度制御システムを提供することである。大気温度が上昇するか、又は高負荷条件下において電力系統が継続的に操作される時には、冷却液の温度は本発明の温度制御システムによって理想的な操作温度に維持できる。電気自動車が極端に寒い条件下で運転される時には、電気エネルギーの電力系統からの廃棄熱エネルギーは、車内空調空気温度を上昇させるために、本発明の温度制御システムにより戻され、それから、空調システムの消費電力は低減される。その結果、電気自動車は、様々な操作条件に適用できる。
本発明の１つの側面によれば、電気自動車の温度制御システムが提供される。温度制御システムは、フロースイッチ、液温調節装置、車内空調熱交換器、モーター冷却チャネル、及びラジエーターを含む。フロースイッチは、第一端子、第二端子、第三端子、及び第四端子を含む。液温調節装置は、入口と出口を含む。液温調節装置の入口は、フロースイッチの第一端子と接続される。車内空調熱交換器の入口は、液温調節装置の出口と接続される。車内空調熱交換器の出口は、フロースイッチの第二端子と接続される。モーター冷却チャネルは、入口と出口を含む。モーター冷却チャネルの出口は、フロースイッチの第三端子と接続される。ラジエーターの入口は、フロースイッチの第四端子と接続される。ラジエーターの出口は、モーター冷却チャネルの入口と接続される。フロースイッチは、温度制御システムの動作モードにより冷却液の循環経路を調整する。動作モードが通常冷却モードの場合、液温調節装置からの冷却液は車内空調熱交換器に送られる。動作モードが熱回収モードの場合、モーター冷却チャネルからの冷却液は車内空調熱交換器に送られる。動作モードが補助冷却モードの場合、液温調節装置からの冷却液はモーター冷却チャネルに送られる。
上述の本発明は、その分野に属する通常の知識を有する者が下記の発明の詳細な説明及び添付した図面を参照することによってより簡易に理解することができる。
図１は、本発明の実施形態による通常冷却モードにおける電気自動車の温度制御システムの構成を概略的に示す。
図２は、補助冷却モード及び補助加熱モードにおける電気自動車の温度制御システムの構成を概略的に示す。
図3は、本発明の実施形態による電気自動車の温度制御システムの概要の回路ブロック図である。
本発明は、以下の実施形態に関連してより詳細に説明される。以下の本発明の好ましい実施形態の記載は、説明と記載だけの目的のためにここで提供される。以下の実施形態及び図面において、本発明の概念と無関係な要素は省略し、示さない。
図１は、本発明の実施形態による通常冷却モードにおける電気自動車の温度制御システムの構成を概略的に示す。図２は、補助冷却モード及び補助加熱モードにおける電気自動車の温度制御システムの構成を概略的に示す。図３は、本発明の実施形態による電気自動車の温度制御システムの概要的な回路ブロック図を示す。図１、２、及び３を参照する。本発明の温度制御システム1は、大きい電気自動車に適用される。大きい電気自動車の例として電気バスを含むが、これに制限されるものではない。この実施形態において、温度制御システム1は、液温調節装置101、車内空調熱交換器102、モーター冷却チャネル103、ラジエーター104、第一ポンプ105、第二ポンプ106、フロースイッチ108及びコントローラ110を含む。コントローラ110は、第一ポンプ105、第二ポンプ106、フロースイッチ108及び液温調節装置101と電気的に接続される。コントローラ110は、第一ポンプ105、第二ポンプ106及び液温調節装置101操作を制御するため、並びにフロースイッチ108の切換え動作を制御するために用いられる。フロースイッチ108は、温度制御システムの動作モードに従って、冷却液の流通及び冷却液の循環経路を設定をするよう構成される。例えば、温度制御システムの動作モードは、通常冷却モード、熱回収モード（補助加熱モードとしても参照される）、及び補助冷却モードを含む。さらに、フロースイッチ108は、第一端子108a、第二端子108b、第三端子108c、及び第四端子108dを含む。
液温調節装置101は冷却液を受け取る。冷却液の温度が液温調節装置101により選択的に調整された後、冷却液は、液温調節装置101から出力される。例えば、液温調節装置101は、冷媒圧縮循環ユニットを有する冷水器である。いくつかの実施形態において、液温調節装置101の冷媒圧縮循環ユニットは、冷却液の温度を上げるための逆流循環加熱機能も有する。液温調節装置101の入口101aは、フロースイッチ108の第一端子108aに接続される。液温調節装置101の出口101bは、第一ポンプ105を介して車内空調熱交換器102の入口102aに接続される。
車内空調熱交換器102は、電気自動車の車内空調空気温度を調整するために、冷却液を用いる熱交換器である。車内空調熱交換器102の入口102aは、第一ポンプ105を介して液温調節装置101の出口101bに接続される。車内空調熱交換器102の出口102bは、フロースイッチ108の第二端子108bに接続される。
モーター冷却チャネル103は、電力系統（例えば、モーター、モータードライバー、モーターコントローラ及び／又はバッテリ）に備えられたシステムであり、廃熱を回収するために冷却液を使用する冷却循環経路システムである。モーター冷却チャネル103の入口103aは、ラジエーター104の出口104bと接続される。モーター冷却チャネル103の出口103bは、第二ポンプ106を介してフロースイッチ108の第三端子108cと接続される。
ラジエーター104は、大気気流を介して冷却液の温度を下げるために用いられる。ラジエーター104の冷却動力は、大気温度の変動によって変わる。例えば、大気温度が上昇した場合は、ラジエーター104の冷却動力は減少する。ラジエーター104の入口104aは、ラジエーター104の第四端子108dと接続される。ラジエーター104の出口104bは、モーター冷却チャネル103の入口103aと接続される。
第一ポンプ105及び第二ポンプ106は、冷却液を汲み上げて、かつ冷却液の流量を制御するために用いられる。第一ポンプ105は、液温調節装置101の出口101b及び車内空調熱交換器102の入口102aの間で接続される。さらに、第一ポンプ105は、液温調節装置101から車内空調熱交換器102の入口102aへ冷却液を流すために使われる。第二ポンプ106は、モーター冷却チャネル103の出口103b及びフロースイッチ108の第三端子108cの間で接続される。さらに、第二ポンプ106は、モーター冷却チャネル103からフロースイッチ108の第三端子108cへ冷却液を流すために使われる。
フロースイッチ108は、温度制御システム1の動作モードに従って冷却液の循環経路を調整する。温度制御システム1が通常冷却モードである場合、フロースイッチ108の第一端子108a及び第二端子108bは、互いに流通している状態にある。その結果、液温調節装置101の冷却液は、第一ポンプ105により車内空調熱交換器102の入口102aに汲み上げられる。さらに、フロースイッチ108の第三端子108c及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。その結果、モーター冷却チャネル103から流出された冷却液は、第二ポンプ106によりラジエーター104の入口104aへ汲み上げられる。温度制御システム1が熱回収モード又は補助冷却モードの場合は、フロースイッチ108の第一端子108a及び第三端子108cは、互いに流通している状態にあり、かつフロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dは互いに流通している状態にある。
いくつかの実施形態では、電気自動車の温度制御システム1は、複数の温度センサー112をさらに含む。温度センサー112は、モーター冷却チャネル103の入口103aにおける大気温度、車内空調空気温度、及び冷却液の温度をセンシングするために使われる。
電気自動車の温度制御システム1が通常冷却モードの場合は、フロースイッチ108は、冷却液の循環経路を調整する。その結果、冷却液は、第一循環経路C1及び第二循環経路C2内を循環して流れる。この実施形態では、フロースイッチ108の第一端子108a及び第二端子108bが互いに流通している状態にあり、フロースイッチ108の第三端子108c及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。この状況の下では、第一循環経路C1は、液温調節装置101、第一ポンプ105、車内空調熱交換器102及びフロースイッチ108により協働的に構成され、第二循環経路C2は、モーター冷却チャネル103、第二ポンプ106、フロースイッチ108及びラジエーター104により設定される。
電気自動車の温度制御システム1が熱回収モード又は補助冷却モードの場合は、フロースイッチ108は、冷却液の循環経路を調整する。その結果、冷却液は、第三循環経路C3内を循環して流れる。この実施形態では、フロースイッチ108の第一端子108a及び第三端子108cが互いに流通している状態にあり、フロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。この状況の下では、第三循環経路C3は、液温調節装置101、第一ポンプ105、車内空調熱交換器102、フロースイッチ108、ラジエーター104、モーター冷却チャネル103、及び第二ポンプ106により協働的に設定される。
3つの異なる動作モードにおける本発明の温度制御システムの操作は、次の通り説明される。図１を再び参照する。電気自動車の周囲が適度な状態である場合は、電力系統の冷却動力を増やす必要はない。その間、電気自動車の温度制御システム1は、通常冷却モードにある。通常冷却モードにおいて、冷却液は、第一循環経路C1及び第二循環経路C2内を循環して流れる。第一循環経路C1及び第二循環経路C2は、互い独立している。矢印が示すように、第一循環経路C1及び第二循環経路C2の循環方向は、逆向きである。コントローラ110の制御下では、フロースイッチ108の第一端子108a及び第二端子108bは、互い流通している状態にあり、フロースイッチ108の第三端子108c及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。さらに、第一ポンプ105は、コントローラ110の制御下において動作可能である。その結果、液温調節装置101の冷却液は、第一ポンプ105により車内空調熱交換器102の入口102aへ汲み上げられる。すなわち、冷却液は、車内空調空気の熱エネルギーを吸収して車内空調空気温度を下げるために、車内空調熱交換器102に案内されて、そして、車内空調熱交換器102の出口102bから液温調節装置101の入口101aへ、フロースイッチ108の第二端子108b及び第一端子108aを経由して流出し、それから、冷却液の温度は、液温調節装置101によって下げられる。冷却液が第一循環経路C1内を循環して流れるため、車内空調空気温度は、ユーザーの要求に従って車内空調熱交換器102によって下げられる。
さらに、ラジエーター104からの冷却液は、モーター冷却経路103により受け取られる。すなわち、冷却液は、電力系統により生成される廃熱を吸収するために、電力系統内を循環して流れる。さらに、第二ポンプ106は、コントローラ110の制御下で動作可能である。その結果、モーター冷却経路103の冷却液は、フロースイッチ108の第三端子108c及び第四端子108dに案内される。そして、冷却液は、ラジエーター104の入口104aに導入されて、それから、冷却液の温度は、ラジエーター104によって下げられる。冷却液がラジエーター104の出口104bから出された後、冷却液は、モーター冷却経路103の入口103aに送られる。冷却液が第二循環経路C2内を循環して流れるため、電力系統の熱は、放散される。すなわち、通常冷却モードにおいて、液温調節装置101は、車内空調空気温度を下げるために、車内空調熱交換器102に冷却液を供給でき、モーター冷却経路103は、冷却液の温度を下げるために、熱せられた冷却液をラジエーター104に送ることができる。その結果、冷却回路は、低温で循環して流れ得る。冷却液の温度が電力系統の理想的な操作温度を越えないため、電力系統の性能は、強化される。
図２を参照する。電気自動車の周囲温度が高すぎるか、又は電力系統が、継続して高負荷条件（または、さらなる廃熱が電力系統により生成される）にある場合は、ラジエーター104の冷却動力は、理想的な操作温度で電力系統を操作することを可能にすることはできないであろう。その間、電気自動車の温度制御システム1の動作モードは、補助冷却モードに自動的に切り替えられる。補助冷却モードにおいては、冷却液は、第三循環経路C3内を循環して流れる。コントローラ110の制御下では、フロースイッチ108の第一端子108a及び第三端子108cは、互いに流通している状態にあり、フロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。さらに、第二ポンプ106は、コントローラ110の制御下で動作可能である。（すなわち、より高温での）モーター冷却経路103の冷却液は、フロースイッチ108の第三端子108c及び第一端子108aを介して液温調節装置101の入口101aに案内される。その結果、冷却液の温度は、液温調節装置101によって下げられる。さらに、第一ポンプ105は、コントローラ110の制御下で動作可能である。その結果、液温調節装置101における冷却液は、第一ポンプ105により車内空調熱交換器102に汲み上げられる。そして、冷却液は、フロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dを介してラジエーター104の入口104aに導入される。冷却液がラジエーター104の出口104bから出された後、冷却液は、電力系統の熱を放散するために、モーター冷却経路103の入口103aに送られる。すなわち、補助冷却モードにおいて、モーター冷却経路103の（すなわち、より高温の）冷却液は、液温調節装置101に案内される。その結果、冷却液の温度は、液温調節装置101によって下げられる。冷却液が第三循環経路C3内を循環して流れるため、冷却液の温度は、大気温度より低温に下げられる。換言すれば、モーター冷却経路103に返される冷却液の温度は、低温に維持される。その結果、冷却液の温度が低減する間、電力系統は、通常操作され、性能は満たされる。
図２を再び参照する。電気自動車の周囲温度が低すぎる場合は、ユーザーは、熱せられた空気を供給するため、電気自動車の空調システムをつけるであろう。その間、電気自動車の温度制御システム1の動作モードは、熱回収モードに自動的に切り替えられる。熱回収モードにおいて、冷却液は、第三循環経路C3内を循環して流れる。コントローラ110の制御下では、フロースイッチ108の第一端子108a及び第三端子108cは、互いに流通している状態にあり、フロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dは、互いに流通している状態にある。さらに、第二ポンプ106は、コントローラ110の制御下で動作可能である。モーター冷却経路103（すなわち、より高温での）の冷却液は、フロースイッチ108の第三端子108c及び第一端子108aを介して液温調節装置101の入口101aに案内される。その間、液温調節装置101は、コントローラ110の制御下で動作しない。さらに、第一ポンプ105は、コントローラ110の制御下で動作可能である。その結果、液温調節装置101の冷却液は、第一ポンプ105により車内空調熱交換器102に汲み上げられる。より高い温度の冷却液は、車内空調空気に熱エネルギーを供給するために、車内空調熱交換器102を介して送られる。すなわち、車内空調温度は、上昇する。冷却液が車内空調熱交換器102の出口102bから出された後、冷却液は、フロースイッチ108の第二端子108b及び第四端子108dを介してラジエーター104の入口104aに導入される。冷却液がラジエーター104の出口104bから出された後、冷却液は、電力系統の熱を放散するために、モーター冷却経路103の入口103aに送られる。極端に寒い条件下で電気自動車が操作される場合は、液温調節装置101は、コントローラ110の制御下で動作可能である。さらに、液温調節装置101の冷媒圧縮循環ユニットの逆流循環加熱機能が動作可能である。その結果、液温調節装置101からの車内空調熱交換器102への冷却液の温度は上昇し、車内空調空気温度は上昇する。すなわち、熱回収モードにおいて、電力系統の廃熱エネルギーは、モーター冷却経路103により吸収され、車内空調熱交換器102に供給される。その結果、車内空調空気温度は上昇する。冷却液は、第三循環経路C3内を循環して流れるため、電力系統の熱は放散される。さらに、電力系統からの廃熱エネルギーが回収されるため、空調システムの消費電力は低減する。
上記の説明から、本発明は、電気自動車の温度制御システムを提供する。前記温度制御システムは、大気温度、電力系統温度、及び車内空調空気温度によって冷却液の循環経路を調整するために、通常冷却モード、熱回収モード、又は補助冷却モードにおいて自動的に操作される。その結果、電力系統の温度は安定し、電力系統の性能と使用寿命は強化されて、空調システムの消費電力は低減される。大気温度が上昇するか、又は高負荷条件下で電力系統が継続的に操作される時には、冷却液の温度は本発明の温度制御システムによって理想的な操作温度に維持できる。電気自動車が極端に寒い条件下で運転される時には、電気エネルギーの電力系統からの廃棄熱エネルギーは、車内空調空気温度を上昇させるために、本発明の温度制御システムによって戻されて、それにより、空調システムの消費電力は低減される。その結果、電気自動車は、様々な操作条件に適用できる。
以上、本発明について、現在最も実用的且つ好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要はない。逆に、様々な改良及び類似の構成を添付の特許請求の範囲及び趣旨に含むことが意図されており、全ての改良及び類似の構成を包含するよう、最も広い解釈に従うべきである。

Claims (7)

  1. 電気自動車の温度制御システムであって、
    フロースイッチと、液温調節装置と、車内空調熱交換器と、モーター冷却チャネル、及びラジエーターを含み、
    前記フロースイッチは、第一端子、第二端子、第三端子、及び第四端子を含み、
    前記液温調節装置は、入口及び出口を含み、
    前記液温調節装置の入口は、前記フロースイッチの第一端子に接続され、
    前記車内空調熱交換器の入口は、前記液温調節装置の出口に接続され、
    前記車内空調熱交換器の出口は、前記フロースイッチの第二端子に接続され、
    前記モーター冷却チャネルは、入口及び出口を含み、
    前記モーター冷却チャネルの出口は、前記フロースイッチの第三端子に接続され、
    前記ラジエーターの入口は、前記フロースイッチの第四端子に接続され、
    前記ラジエーターの出口は、前記モーター冷却チャネルの入口に接続され、
    前記フロースイッチは、前記温度制御システムの動作モードによって冷却液の循環経路を調整し、
    前記動作モードが、通常冷却モードの場合は、前記フロースイッチの前記第一端子及び前記第二端子を互いに流通状態にし、前記フロースイッチの前記第三端子及び第四端子を互いに流通状態にし、前記液温調節装置から前記冷却液が前記車内空調熱交換器へ送られ、
    前記動作モードが、熱回収モードの場合は、前記フロースイッチの前記第一端子及び前記第三端子を互いに流通状態にし、前記フロースイッチの前記第二端子及び第四端子を互いに流通状態にし、前記モーター冷却チャネルから前記冷却液が前記車内空調熱交換器へ送られ、
    前記動作モードが、補助冷却モードの場合は、前記フロースイッチの前記第一端子及び前記第三端子を互いに流通状態にし、前記フロースイッチの前記第二端子及び第四端子を互いに流通状態にし、前記液温調節装置から前記冷却液が前記モーター冷却チャネルへ送られる、
    電気自動車の温度制御システム。
  2. 前記液温調節装置の出口及び前記車内空調熱交換器の入口の間に接続されて前記冷却液を流す第一ポンプと、
    前記モーター冷却チャネルの出口及び前記フロースイッチの前記第四端子の間に接続されて前記冷却液を流す第二ポンプと、をさらに含む、請求項１に記載の電気自動車の温度制御システム。
  3. 前記温度制御システムは、コントローラをさらに含み、
    前記コントローラは、前記第一ポンプ、前記第二ポンプ、前記フロースイッチ、及び前記液温調節装置に電気的に接続され、これによって前記第一ポンプ、前記第二ポンプ、及び前記液温調節装置の動作を制御し、且つ前記フロースイッチの切替動作を制御する、請求項２に記載の電気自動車の温度制御システム。
  4. 前記温度制御システムが通常冷却モードの場合は、前記第一ポンプが動作可能とされ、前記液温調節装置、前記第一ポンプ、前記車内空調熱交換器及び前記フロースイッチによって構成される第一循環経路内を、前記冷却液が循環して流れる、請求項２に記載の電気自動車の温度制御システム。
  5. 前記温度制御システムが通常冷却モードの場合は、前記第二ポンプがさらに動作可能とされ、前記モーター冷却チャネル、前記第二ポンプ、前記フロースイッチ及び前記ラジエーターによって、協働的に、構成される第二循環経路内を、前記冷却液が循環して流れる、請求項４に記載の電気自動車の温度制御システム。
  6. 前記温度制御システムが補助冷却モードの場合は、前記第一ポンプ及び前記第二ポンプが動作可能とされ、前記モーター冷却チャネル、前記第二ポンプ、前記フロースイッチ、前記液温調節装置、前記第一ポンプ、前記車内空調熱交換器、及び前記ラジエーターによって、協働的に、構成される第三循環経路内を、前記冷却液が循環して流れ、前記液温調節装置が前記冷却液の温度を下げて出力する、請求項２に記載の電気自動車の温度制御システム。
  7. 前記温度制御システムが熱回収モードの場合は、前記第一ポンプ及び前記第二ポンプが動作可能とされ、前記モーター冷却チャネル、前記第二ポンプ、前記フロースイッチ、前記液温調節装置、前記第一ポンプ、前記車内空調熱交換器、及び前記ラジエーターによって、協働的に、構成される第三循環経路内を、前記冷却液が循環して流れ、前記液温調節装置を停止させるか、又は前記液温調節装置が前記冷却液の温度を上げて出力する、請求項２に記載の電気自動車の温度制御システム。
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