JP6772813B2 - 車両 - Google Patents

Description

本開示は、車両に関し、より特定的には、空調装置と蓄電装置とを備えた車両において蓄電装置を冷却するための技術に関する。

近年、ハイブリッド車または電気自動車等の蓄電装置が搭載された車両の普及が進んでいる。一般に、蓄電装置が高温になるに従って蓄電装置の劣化が進行しやすくなる。そのため、上記車両において、蓄電装置の温度が過度に高くならないように蓄電装置を冷却する技術が提案されている。たとえば特開２０１３−１６４９４４号公報（特許文献１）に開示された電池パックは、電池ケース内の空気と電池ケース内部を流れる冷媒（液化冷媒）との間で熱交換を行なうエバポレータと、エバポレータを通過して冷却された空気を電池モジュールに向けて送風するブロワ（送風ファン）とを備える。

特開２０１３−１６４９４４号公報

蓄電装置を冷却するための構成として、空調装置の冷媒が流れる冷媒配管上に蓄電装置を配置するとともに、冷媒配管に向けて送風するブロワを設ける構成が考えられる。この構成によれば、空調装置の駆動時に冷媒により蓄電装置を冷却することが可能であるとともに、ブロワを駆動して冷媒を冷却することで、冷媒による蓄電装置の冷却効果を向上させることができる。

しかしながら、空調装置の消費電力は比較的大きい場合が多い。そのため、上記構成において蓄電装置を冷却するために空調装置を常時駆動した場合、エネルギー消費効率（たとえばハイブリッド車の場合には燃費）の悪化をもたらし得る。

一方、ブロワの消費電力は空調装置の消費電力と比べて大幅に低いものの、ブロワの冷却能力は空調装置の冷却能力ほど高くない。そのため、車両走行時など蓄電装置の温度上昇が起こりやすい状況下では、ブロワの駆動のみで十分に蓄電装置を冷却することは難しい。このように、蓄電装置の冷却制御においては、冷却に伴うエネルギー消費効率の悪化を抑制しつつ、蓄電装置を効果的に冷却することが求められる。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、空調装置と蓄電装置とを備えた車両において、エネルギー消費効率の悪化を抑制しつつ、蓄電装置を効果的に冷却可能な技術を提供することである。

本開示のある局面に従う車両は、冷媒を用いて空調を行なう空調装置と、冷媒が流れる冷媒配管と接触するように設けられた蓄電装置と、冷媒配管に向けて送風する送風装置と、蓄電装置を冷却するための第１および第２の冷却制御を実行するように構成された制御装置とを備える。第１の冷却制御は、空調装置を駆動して冷媒配管に冷媒を流すことによって蓄電装置を冷却する制御である。第２の冷却制御は、第１の冷却制御の実行後に空調装置を停止し、かつ送風装置を駆動することによって蓄電装置を冷却する制御である。

第１の冷却制御により冷媒配管の温度が低下すると、冷媒配管の表面に結露が発生する。そのため、上記構成によれば、第２の冷却制御の実行、すなわち第１の冷却制御の実行後に空調装置を停止し、かつ送風装置の駆動により冷媒配管に送風することによって、冷媒配管の表面に付着した水滴を気化させることができる。この際に気化熱が奪われることによって冷媒配管内の冷媒の温度が低下するので、蓄電装置を効果的に冷却することができる。また、第２の冷却制御の実行時には空調装置を停止させるので、第１の冷却制御の実行時と比べて、消費電力が低減される。その結果、蓄電装置の冷却に伴うエネルギー消費効率（ハイブリッド車両の場合には燃費）の悪化を抑制することが可能となる。

本開示によれば、空調装置と蓄電装置とを備えた車両において、エネルギー消費効率の悪化を抑制しつつ、蓄電装置を効果的に冷却することができる。

本実施の形態に係る車両の全体構成を示す図である。 図１に示した電池パックおよびブロワの斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電池パックおよび冷媒配管１２の断面図である。 電池パックの冷却を説明するための図である。 第１および第２の冷却制御を説明するためのタイムチャートである。 第１および第２の冷却制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜車両構成＞
図１は、本実施の形態に係る車両の全体構成を示す図である。車両１は、ハイブリッド車（プラグインハイブリッド車を含む）、電気自動車または燃料電池車である。車両１は、空調装置１０と、電池パック２０と、ブロワ３０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００とを備える。

空調装置１０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、冷媒を用いて車両１の車室内（図示せず）の空調を行なう。冷媒が流れる冷媒配管１２（図２および図３参照）には、温度センサ１４が設けられている。温度センサ１４は、冷媒配管１２の温度（以下「配管温度」とも略す）Ｔｐを検出し、その検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

電池パック２０は、車両１の走行および空調装置１０の駆動に用いられる電力を蓄え、その電力を必要に応じてモータジェネレータの電力制御装置（いずれも図示せず）および空調装置１０に供給する直流電源である。電池パック２０は、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素電池等の二次電池を含んで構成される。二次電池に代えて、電気二重層キャパシタ等のキャパシタを用いることも可能である。電池パック２０は、本開示に係る「蓄電装置」の一例に相当する。

なお、図１では、車両１の車体（ボディ）下方に電池パック２０が搭載される構成を例に示す。しかし、電池パック２０の搭載位置は特に限定されず、たとえば車両１の後方のラゲッジルーム（図示せず）の下方に電池パック２０が搭載されてもよい。

電池パック２０には、温度センサ２２が設けられている。温度センサ２２は、電池パック２０の温度（以下「電池温度」とも略す）Ｔｂを検出し、その検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

ブロワ（送風装置）３０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、電池パック２０を冷却するための送風を行なう。電池パック２０およびブロワ３０の構成については、図２〜図４にて、より詳細に説明する。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力バッファ（いずれも図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ１００は、各センサから受ける信号、ならびに、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、車両１が所望の状態となるように各機器を制御する。ＥＣＵ１００により実行される主要な制御として、電池パック２０の冷却制御が挙げられる。この冷却制御については後に詳細に説明する。

図２は、図１に示した電池パック２０およびブロワ３０の斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う電池パック２０および冷媒配管１２の断面図である。

図２および図３を参照して、電池パック２０およびブロワ３０は、フレーム４０の内部に配置されている。図２には、２つの電池パック２０がフレーム４０内に配置された構成を例に示すが、電池パック２０の個数は１つであっても３つ以上であってもよい。

電池パック２０の底面には、電池パック２０と接触するように冷媒配管１２が配置されている。空調装置１０（図４参照）の圧縮機（図示せず）から吐出された冷媒（あるいは空調装置１０へと戻る冷媒）が電池パック２０下方の冷媒配管１２を通る際に、電池パック２０と冷媒との間で熱交換が行なわれる。これにより、電池パック２０が冷却される。

なお、電池パック２０と冷媒配管１２との位置関係は図２および図３に示した構成に限定されるものではない。電池パック２０と冷媒配管１２とが接触しており熱交換が可能であれば、任意の位置関係を採用することができる。

図４は、ブロワ３０による電池パック２０の冷却を説明するための図である。ブロワ３０は、図示しない導風経路（たとえばダクト）を介して、冷媒配管１２に送風することが可能に構成されている（矢印ＡＲ参照）。ブロワ３０を駆動して冷媒配管１２（その内部の冷媒）を冷却することで、冷媒による電池パック２０の冷却効果を向上させることができる。

＜冷却制御の詳細＞
電池パック２０を冷却するために空調装置１０を常時駆動させるとも考えられるが、一般に、車両に搭載される空調装置の消費電力は、比較的大きい。そのため、空調装置１０を常時駆動すると、エネルギー消費効率（ハイブリッド車両の場合には燃費）の悪化をもたらし得る。一方、ブロワ３０の消費電力は空調装置１０の消費電力よりも大幅に低いものの、ブロワ３０の冷却能力は空調装置１０の冷却能力ほど高くない。そのため、ブロワ３０のみでは電池パック２０を十分に冷却することができない可能性がある。このように、電池パック２０の冷却制御においては、冷却に伴うエネルギー消費効率の悪化を抑制しつつ、電池パック２０を効果的に冷却することが求められる。

そこで、本実施の形態においては、電池パック２０を冷却するための第１および第２の冷却制御を実行する構成を採用する。第１の冷却制御は、空調装置１０を駆動することによって電池パック２０を冷却する制御である。空調装置１０を駆動しつつ、後述するように、ブロワ３０は、最初は駆動し、後に停止することが好ましい。一方、第２の冷却制御は、第１の冷却制御の実行後に空調装置１０を停止し、ブロワ３０のみを駆動することによって電池パック２０を冷却する制御である。

詳細なメカニズムについては後述するが、第１の冷却制御により冷媒配管１２の温度（配管温度）Ｔｐが低下すると、冷媒配管１２の表面に結露が発生する。そのため、第１の冷却制御の実行後には、空調装置１０を停止し、かつブロワ３０の駆動により冷媒配管１２に送風することによって、冷媒配管１２の表面に付着した水滴を気化させる。この際に気化熱が奪われることによって電池パック２０を効果的に冷却することができる。また、第２の冷却制御の実行時には空調装置１０が停止されているため、第１の冷却制御の実行時と比べて、消費電力が大幅に低減される。その結果、電池パック２０の冷却に伴うエネルギー消費効率の悪化を抑制することが可能となる。

＜第１および第２の冷却制御＞
図５は、第１および第２の冷却制御を説明するためのタイムチャートである。図５において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順に、温度（電池温度Ｔｂおよび配管温度Ｔｐ）、冷媒配管１２の表面に付着した水滴量Ｄ、および、電池パック２０の冷却に消費される電力を示す。

なお、水滴量（結露量）Ｄは、冷媒配管１２の周囲の温度（以下「雰囲気温度」とも称する）Ｔａと、配管温度Ｔｐとの温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔａ−Ｔｐ）に依存する。したがって、水滴量Ｄと温度差ΔＴとの対応関係を実験により予め求め、マップまたは関係式として準備することが可能である。このマップまたは関係式をＥＣＵ１００のメモリに記憶させた上で、たとえば、外気温センサ（図示せず）より検出された外気温および電池温度Ｔｂから雰囲気温度Ｔａを推定することで、雰囲気温度Ｔａおよび配管温度Ｔｐから水滴量Ｄを推定することができる。

図５では、時刻ｔ１において電池温度Ｔｂが所定の基準温度Ｔｃに達したため、電池パック２０の冷却が必要となり、第１の冷却制御が開始された場合を例に説明する。第１の冷却制御では、空調装置１０が駆動される。一方、第１の冷却制御の開始時にはブロワ３０は停止されている。空調装置１０が駆動されることにより、配管温度Ｔｐが低下する。これにより、雰囲気温度Ｔａと配管温度Ｔｐの温度差ΔＴが拡大する。その結果、冷媒配管１２の表面に結露が発生する。その後、水滴量Ｄは、時間の経過とともに徐々に増加する。

時刻ｔ２において水滴量Ｄが所定の判定量Ｄ１に達すると、空調装置１０が駆動された状態のまま、ブロワ３０が駆動される。ブロワ３０を駆動することで、配管温度Ｔｐとその雰囲気（周囲の空気）との熱交換が活発に行なわれるようになり、雰囲気温度Ｔａと配管温度Ｔｐとの温度差ΔＴが減少する。よって、新たな結露は発生しにくくなる。しかしながら、結露の発生は完全には止まらず、水滴量Ｄは増加し続ける。

時刻ｔ３において水滴量Ｄが所定の判定量Ｄ２（Ｄ１＜Ｄ２）に達すると、第１の冷却制御から第２の冷却制御への切替が行なわれる。すなわち、ブロワ３０は駆動状態に維持される一方で、空調装置１０が停止される。これにより、配管温度Ｔｐの低下が止まり、温度差ΔＴが一層減少する。その結果、水滴量Ｄの減少が始まる。

熱は温度が高いところから低いところへと伝わり、高温部分と低温部分との温度差が大きいほど熱が伝わりやすいところ、時刻ｔ３においては、電池温度Ｔｂの方が配管温度Ｔｐよりも高い。このため、水滴量Ｄの減少（すなわち水滴の気化）に伴い、気化熱が主に電池パック２０から奪われ、電池温度Ｔｂが低下する。

時刻ｔ４において水滴量Ｄがほぼ０にまで減少すると（Ｄ≒０）、気化熱による電池パック２０の冷却が終わり、電池温度Ｔｂが再び上昇を始める。この後もブロワ３０の駆動は継続することが望ましい。なお、図示しないが、その後に電池温度Ｔｂが再び基準温度Ｔｃに達した場合には、第１の冷却制御が実行される。

このように、第２の冷却制御では、ブロワ３０を駆動することによって水滴の気化を促進し、その際の気化熱により電池パック２０を冷却する。これにより、電池パック２０を効果的に冷却することができる。第２の冷却制御を実行しなかった場合の電池温度Ｔｂの変化の一例を曲線Ｌ（１点鎖線参照）で示す。第２の冷却制御の実行時と非実行時とを比較すると、第２の冷却制御の冷却効果が十分に大きいことが分かる。

また、第２の冷却制御の実行時には、空調装置１０が停止されるので、第１の冷却制御の実行時と比べて、斜線を付して示す領域Ｒの分だけ消費電力が削減される。したがって、車両１のエネルギー消費効率の悪化を抑制することができる。

なお、図５では、第１の冷却制御の実行中に初めはブロワ３０が停止されており、その後にブロワ３０が駆動される例を説明した。しかし、ブロワ３０の駆動／停止は、図５に示した例に限定されない。たとえば、ブロワ３０を駆動することなく（すなわち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの制御を実行することなく）、第２の冷却制御を開始してもよい。あるいは、第１の冷却制御の開始時にブロワ３０を駆動してもよい。

図６は、第１および第２の冷却制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、所定の条件（具体的には、電池温度Ｔｂが基準温度Ｔｃ以上になるとの条件）が成立する毎にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。また、このフローチャートに含まれる各ステップ（以下「Ｓ」と略す）は、基本的にはＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、ＥＣＵ１００内に作製された専用のハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

なお、ＥＣＵ１００は、図示しない別ルーチンによって、冷媒配管１２の表面に付着した水滴量Ｄを推定する処理を常時実行しているものとする。

Ｓ１０において、ＥＣＵ１００は、第１の冷却制御を開始（実行）する。より具体的には、ＥＣＵ１００は、空調装置１０を駆動する一方で、ブロワ３０については停止状態に維持する（図５の時刻ｔ１参照）。

Ｓ２０において、ＥＣＵ１００は、水滴量Ｄが判定量Ｄ１以上であるか否かを判定する。水滴量Ｄが判定量Ｄ１未満の場合（Ｓ２０においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ１０に戻す。これにより、空調装置１０が駆動しており、かつブロワ３０が停止している状態が継続される。

水滴量Ｄが判定量Ｄ１以上になると（Ｓ２０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ３０に進め、空調装置１０を駆動状態に維持したまま、ブロワ３０の駆動を開始する（図５の時刻ｔ２参照）。

Ｓ４０において、ＥＣＵ１００は、水滴量Ｄが判定量Ｄ２以上であるか否かを判定する。水滴量Ｄが判定量Ｄ２未満の場合（Ｓ４０においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ３０に戻す。これにより、空調装置１０およびブロワ３０の両方が駆動した状態が継続される。

水滴量Ｄが判定量Ｄ２以上になると（Ｓ４０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、第２の冷却制御を開始（実行）する（Ｓ５０）。すなわち、ＥＣＵ１００は、ブロワ３０を駆動状態に維持したまま、空調装置１０を停止する（図５の時刻ｔ３参照）。その後、たとえば電池温度Ｔｂが再び基準温度Ｔｃに達するまで第２の冷却制御が継続される。

以上のように、本実施の形態によれば、電池パック２０が高温になり電池パック２０の冷却が求められる場合（Ｔｂ≧Ｔｃの場合）に、第１の冷却制御に続いて第２の冷却制御が実行される。第２の冷却制御では、空調装置１０が停止されることで配管温度Ｔｐの低下が止まり、雰囲気温度Ｔａと配管温度Ｔｐとの温度差ΔＴが減少する。これにより、冷媒配管１２に付着した水滴量Ｄを減少させる、言い換えると、第１の冷却制御により発生した水滴の気化を促進することができる。その結果、水滴の気化熱により電池パック２０を効果的に冷却することが可能になる。また、第２の冷却制御の消費電力は、第１の冷却制御の消費電力よりも大幅に低いので、電池パック２０の冷却に伴う車両１のエネルギー消費効率の悪化を抑制することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ 空調装置、ｌ２ 冷媒配管、１４，２２ 温度センサ、２０ 電池パック、３０ ブロワ、４０ フレーム、１００ ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 冷媒を用いて空調を行なう空調装置と、
   前記冷媒が流れる冷媒配管と接触するように設けられた蓄電装置と、
   前記冷媒配管に向けて送風する送風装置と、
   前記蓄電装置を冷却するための第１および第２の冷却制御を実行するように構成された制御装置とを備え、
   前記第１の冷却制御は、前記空調装置を駆動して前記冷媒配管に前記冷媒を流すことによって前記蓄電装置を冷却する制御であり、
   前記第２の冷却制御は、前記第１の冷却制御の実行後に前記空調装置を停止し、かつ、前記冷媒配管に付着した水滴が気化するように前記送風装置を駆動することによって前記蓄電装置を冷却する制御である、車両