JP7386642B2 - 車両用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用冷却装置に関する。

近年、環境負荷低減の観点から、トラック等の商用車の分野においても、内燃機関を備えず電動モータのみによって駆動する電動トラックの開発が行われている。このような電動車両に搭載される高電圧機器は、動作に伴う発熱を緩和するため、ラジエータにより冷却した熱媒体が循環する回路からなる車両用冷却装置によりその温度が調節される。ここで、バッテリ、インバータ、モータなどの高電圧機器は、最適な作動温度域がそれぞれ異なるため、車両用冷却装置には、複数のラジエータ及び複数の冷媒循環回路が設けられることがある（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１９－４７５４８号公報

しかしながら、このような車両用冷却装置においては、高電圧機器が通常のシステム設計上の冷却容量よりも多くの容量を必要とする場合がある。例えば、インバータのスイッチング素子等が電気的不具合により通常時よりも高温化する場合や、モータハウジング内のオイル循環経路に不具合が生じてモータ内の油量が過多となり、ロータに過負荷が生じてオーバーヒート状態となる場合等である。

特に、複数のラジエータと１つのファンとが車両長手方向に並べて配置されるシステムの場合、一方の第１ラジエータとファンとの間に配置される他方の第２ラジエータは、第１ラジエータにより熱交換した後の外気と熱交換を行うことになる。このため、第２ラジエータで通常のシステム設計上の冷却容量よりも多くの容量を必要とする場合、その冷却容量を容易に増大させることは技術的に困難である。

このような場合を考慮して、例えばラジエータごとにファンを設けてシステムを冗長化させることで通常時のシステム設計上の冷却容量を増大させることも考えられるが、これは結果としてシステムサイズの増大及びコスト上昇を招く虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ラジエータにより冷却される高電圧機器が緊急時において通常以上の冷却容量を必要とする場合であっても、システムを冗長化させることなく簡易にその冷却容量を増大させることができる車両用冷却装置を提供する。

本発明に係る車両用冷却装置は、車両に搭載された高電圧機器群を冷却する車両用冷却装置であって、第１ラジエータ、前記第１ラジエータに隣接して設けられるファン、及び前記第１ラジエータと前記ファンとの間に配置される第２ラジエータを含むラジエータ機構と、前記第１ラジエータで放熱される第１冷媒が循環することにより、前記高電圧機器群の中の第１グループ機器と熱交換を行う第１冷媒循環回路と、前記第２ラジエータで放熱される第２冷媒が循環することにより、前記高電圧機器群の中の第２グループ機器と熱交換を行う第２冷媒循環回路と、冷媒を冷却するチラーを含み、前記チラーの下流側と前記第１ラジエータの上流側とを流路切替バルブを介して連通する連通回路が形成されたチラー回路と、前記第２グループ機器の温度に対応する温度関連情報に基づいて、前記第２冷媒循環回路の冷却容量が十分であるか否かを判定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記冷却容量が不十分である場合に、前記チラーで冷却された前記冷媒が前記第１ラジエータに流れるよう前記流路切替バルブを制御する。

車両用冷却装置は、第１ラジエータ、第２ラジエータ、及びファンが順に配置されるラジエータ機構において、第２冷媒を介して第２ラジエータにより冷却される第２グループ機器が通常よりも多くの冷却容量を必要とする場合に、連通回路を介してチラーで冷却された冷媒を第１ラジエータへ供給する。このとき、第１ラジエータは、ファンにより取り込まれた外気を、チラーで冷却された冷媒により冷却することができるため、下流側に配置された第２ラジエータに対して冷却された外気を供給することができる。これにより、第２ラジエータは、当該外気により第２冷媒を冷却するため、第２グループ機器に対する冷却容量を増加させることができる。

また、このとき、ファンをラジエータごとに設ける手段やファンを大型化する手段を採ることなく、第２ラジエータの冷却効率を向上させることができる。従って、本発明に係る車両用冷却装置によれば、ラジエータにより冷却される高電圧機器が緊急時において通常以上の冷却容量を必要とする場合であっても、システムを冗長化させることなく簡易にその冷却容量を増大させることができる。

本発明に係る車両の全体構成を概略的に示す上面図である。 第１冷媒循環回路、第２冷媒循環回路、及びチラー回路を示す構成図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

図１は、本発明に係る車両１の全体構成を概略的に示す上面図である。図１に示すように、本実施形態に係る車両１は、ラダーフレーム２、キャブ３、荷箱４、車輪機構５、駆動ユニット６、インバータ７、バッテリ８、ＤＣ－ＤＣコンバータ９、ラジエータ機構１０、チラー１１、及び「制御部」としてのＶＣＵ２０を備える電動トラックである。尚、図１では、車両１の上面からキャブ３及び荷箱４を透過するように見た場合の上面図として表している。また、車両１は、上記の構成の他、図１では図示を省略する第１冷媒循環回路３０、第２冷媒循環回路４０、及びチラー回路５０を備える。

本実施形態において、車両１は、走行用駆動源として電動機（後述するモータ６ａ）を備える電気自動車として想定されているが、エンジンを更に備えるハイブリッド自動車であってもよい。また、車両１は電動トラックに限定されることなく、電動塵芥車などの他の商用車であってもよい。

ラダーフレーム２は、サイドレール２ａと複数のクロスメンバ２ｂとを有する。また、サイドレール２ａは、車両１の車両長手方向Ｘに沿って延在し、互いに車幅方向Ｙに平行に配置される左サイドレール２Ｌ及び右サイドレール２Ｒからなる。複数のクロスメンバ２ｂは、左サイドレール２Ｌと右サイドレール２Ｒとを連結している。すなわち、ラダーフレーム２は、いわゆる梯子型フレームを構成している。そして、ラダーフレーム２は、キャブ３、荷箱４、駆動ユニット６、インバータ７、バッテリ８、及び車両１に搭載されるその他の重量物を支持する。

キャブ３は、図示しない運転席を含む構造体であり、ラダーフレーム２の前部上方に設けられている。一方、荷箱４は、車両１によって搬送される荷物等が積載される構造体であり、ラダーフレーム２の後部上方に設けられている。

車輪機構５は、本実施形態においては、車両前方に位置する左右の前輪５ａ、二つの前輪５ａの車軸としてのフロントアクスル５ｂ、車両後方に位置し且つ左右に各二つ配置された後輪５ｃ、及び後輪５ｃの車軸としてのリアアクスル５ｄから構成される。そして、本実施形態に係る車両１においては、後輪５ｃが駆動輪として機能するように駆動力が伝達され、車両１が走行することになる。尚、車輪機構５は、図示しないサスペンション機構を介してラダーフレーム２に懸架され、車両１の重量を支持する。

駆動ユニット６は、モータ６ａ、減速機構６ｂ、及び差動機構６ｃを有する。モータ６ａは、後述するインバータ７から交流電力が供給されることにより、車両１の走行に必要な駆動力を発生させる。減速機構６ｂは、図示しない複数のギアを含み、モータ６ａから入力される回転トルクを減速して差動機構６ｃに出力する。差動機構６ｃは、減速機構６ｂから入力される動力を左右の後輪５ｃに対して振り分ける。すなわち、駆動ユニット６は、減速機構６ｂ及び差動機構６ｃを介して、モータ６ａの駆動トルクを車両の走行に適した回転速度に減速してリアアクスル５ｄに駆動力を伝達する。これにより駆動ユニット６は、リアアクスル５ｄを介して後輪５ｃを回転させて車両１を走行させることができる。また、モータ６ａは、車両１を減速させる場合の補助ブレーキとして、回生制動を行うことができる。

インバータ７は、バッテリ８から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ６ａへ供給し、車両１に対するアクセル操作に応じてモータ６ａの回転速度を制御する。

バッテリ８は、車両１を走行させるためのエネルギー源としてモータ６ａに電力を供給する二次電池である。バッテリ８は、車両１に必要とされる電力を蓄えるために比較的大型で大容量のバッテリモジュール（図示せず）を内部に複数備える。また、バッテリ８は、複数の電動補機とそれらに電力を供給する配電ユニットとが車両１に搭載されている場合には（いずれも図示せず）、当該配電ユニットにも電力を供給できるよう構成されていてもよい。更に、バッテリ８は、車両１の制動時にモータ６ａが回生制御を行うことにより、当該回生制御により発電される回生電力で充電される。

ＤＣ－ＤＣコンバータ９は、バッテリ８から出力される比較的高圧の電力を降圧して、車両１に搭載される低圧機器に電力を供給するための電力変換装置である。

ラジエータ機構１０は、本実施形態においては、詳細を後述する第１冷媒循環回路３０及び第２冷媒循環回路４０を循環するそれぞれの冷媒を冷却するための空冷装置である。本実施形態におけるラジエータ機構１０は、第１ラジエータ１２、第１ラジエータ１２に隣接して設けられるファン１４、及び第１ラジエータ１２とファン１４との間に配置される第２ラジエータ１３を含む。

チラー１１は、バッテリ８の電力により駆動するエバポレータであり、詳細を後述するチラー回路５０を循環する冷媒を冷却する冷却装置である。

ＶＣＵ２０は、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなど）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタなど（いずれも図示せず）を備え、車両１に搭載される各種コンポーネントの状態監視及び制御を行うことによって車両１の全体を統括制御するための車両制御ユニット(Vehicle Control Unit)である。

図２は、第１冷媒循環回路３０、第２冷媒循環回路４０、及びチラー回路５０を示す構成図である。第１冷媒循環回路３０、第２冷媒循環回路４０、及びチラー回路５０からなる冷却機構は、車両１に搭載される高電圧機器群６０に冷媒を循環させることで冷却する。尚、図２においては、ＶＣＵ２０と各構成要素との情報の授受を破線で表している。本実施形態においては、ラジエータ機構１０、ＶＣＵ２０、第１冷媒循環回路３０、第２冷媒循環回路４０、及びチラー回路５０により「車両用冷却装置」が構成される。

ここで、ラジエータ機構１０のファン１４は、ＶＣＵ２０からの制御信号に基づいて回転して外気を取り込むことで、当該外気の流路上に設けられた第１ラジエータ１２及び第２ラジエータ１３を空冷し、それぞれを経由する冷媒を空冷することができる。

第１冷媒循環回路３０は、本実施形態においては、高電圧機器群６０の中の第１グループ機器６０ａとして分類されるバッテリ８及びＤＣ－ＤＣコンバータ９に対して、第１ラジエータ１２で放熱される第１冷媒を循環させることにより、当該第１グループ機器６０ａを冷却する。

より具体的には、第１冷媒循環回路３０における第１冷媒は、第１ポンプ３１によりバッテリ８及びＤＣ－ＤＣコンバータ９に供給されて第１グループ機器６０ａを冷却する。このとき、第１冷媒は、第１グループ機器６０ａとの熱交換により温度が上昇する。そして、第１冷媒は、第１水温センサ３２により温度が測定された後、第１バルブ３３により流路が選択される。

第１バルブ３３は、ＶＣＵ２０により制御される電磁弁であり、流入した第１冷媒をチラー１１又は第１Ｔジョイント３４のいずれかへ振り分ける３方向バルブである。より詳しくは、第１バルブ３３は、例えばＶＣＵ２０からＯＮ信号を受信した場合にはチラー１１へと連通する流路が選択され、ＶＣＵ２０からＯＦＦ信号を受信した場合には第１Ｔジョイント３４へと連通する流路が選択される。ＶＣＵ２０は、第１冷媒循環回路３０の冷却容量で第１グループ機器６０ａを十分に冷却できる場合には、第１バルブ３３をＯＦＦに制御する。

ＯＦＦ状態の第１バルブ３３から送出された第１冷媒は、第１Ｔジョイント３４を介して第１ラジエータ１２に供給され、第１ラジエータ１２で放熱された後、第２Ｔジョイント３５を介して第１ポンプ３１に戻る。ここで、第１Ｔジョイント３４は、第１バルブ３３と第１ラジエータ１２とを連通すると共に、後述する連通回路５２と第１ラジエータ１２とを連通する。また、第２Ｔジョイント３５は、第１ラジエータ１２と第１ポンプ３１とを連通すると共に、詳細を後述するチラー回路５０と第１ポンプ３１とを連通する。

このように、第１冷媒循環回路３０は、第１ラジエータ１２で放熱される第１冷媒が循環することにより、高電圧機器群６０の中の第１グループ機器６０ａと熱交換を行い、第１グループ機器６０ａを冷却する。尚、第１冷媒循環回路３０において第１冷媒が各構成要素を循環する順序は、これに限定されることなく種々の態様を採ることができる。

第２冷媒循環回路４０は、本実施形態においては、高電圧機器群６０の中の第２グループ機器６０ｂとして分類されるインバータ７及びモータ６ａに対して、第２ラジエータ１３で放熱される第２冷媒を循環させることにより、当該第２グループ機器６０ｂを冷却する。

より具体的には、第２冷媒循環回路４０における第２冷媒は、第２ポンプ４１によりインバータ７及びモータ６ａに供給されて第２グループ機器６０ｂを冷却する。このとき、第２冷媒は、第２グループ機器６０ｂとの熱交換により温度が上昇する。そして、第２冷媒は、第２水温センサ４２により温度が測定された後、第２ラジエータ１３において放熱されて第２ポンプ４１に戻る。

このように、第２冷媒循環回路４０は、第２ラジエータ１３で放熱される第２冷媒が循環することにより、高電圧機器群６０の中の第２グループ機器６０ｂと熱交換を行い、第２グループ機器６０ｂを冷却する。尚、第２冷媒循環回路４０において第２冷媒が各構成要素を循環する順序は、これに限定されることなく種々の態様を採ることができる。

チラー回路５０は、本実施形態においては、上記したチラー１１と「流路切替バルブ」としての第２バルブ５１を介して、第１バルブ３３と第２Ｔジョイント３５とを連通する。また、チラー回路５０には、チラー１１の下流側と第１ラジエータ１２の上流側に位置する第１Ｔジョイント３４とを第２バルブ５１を介して連通する連通回路５２が形成されている。

ここで、第２バルブ５１は、ＶＣＵ２０により制御される電磁弁であり、流入した冷媒を第２Ｔジョイント３５又は第１Ｔジョイント３４のいずれかへ振り分ける３方向バルブである。より詳しくは、第２バルブ５１は、例えばＶＣＵ２０からＯＮ信号を受信した場合には第１Ｔジョイント３４へと連通する流路が選択され、ＶＣＵ２０からＯＦＦ信号を受信した場合には第２Ｔジョイント３５へと連通する流路が選択される。ＶＣＵ２０は、第１冷媒循環回路３０の冷却容量で第１グループ機器６０ａを十分に冷却できない場合に、第１バルブ３３をＯＮに制御すると共に、第２バルブ５１をＯＦＦに制御する。これにより、第１冷媒循環回路３０における第１冷媒は、第１ラジエータ１２での放熱に替えてチラー１１で冷却されることにより、第１グループ機器６０ａに対する冷却容量を増加させることができる。

また、チラー回路５０は、本実施形態においては第１冷媒循環回路３０に対して冷却容量を増加させる補助冷却回路として例示しているが、第１冷媒循環回路３０とは独立した冷却回路であってもよい。尚、第１冷媒、第２冷媒、及びチラー回路５０を循環する冷媒は、例えば水であってもよく、又は公知の不凍液であってもよい。

上記の冷却機構においては、高電圧機器群６０に対する冷却制御の要否判断及びその実行がＶＣＵ２０において管理される。すなわち、ＶＣＵ２０は、高電圧機器群６０のそれぞれの温度に対応する温度関連情報を取得することにより、高電圧機器群６０に対する冷却制御の要否を判断し、高電圧機器群６０の温度がそれぞれの作動域内となるように、ファン１４の回転数、第１ポンプ３１及び第２ポンプ４１による第１流体及び第２流体のそれぞれの流量、第１バルブ３３及び第２バルブ５１における選択流路などを総合的に制御する。

ここで、温度関連情報とは、本実施形態においては、第１水温センサ３２により取得される第１冷媒の温度情報、及び第２水温センサ４２により取得される第２冷媒の温度情報である。ただし、温度関連情報は、高電圧機器群６０のそれぞれに温度センサが設けられている場合には、当該温度センサを介して測定される個々の機器温度であってもよい。

ところで、本実施形態のように、第１ラジエータ１２、第２ラジエータ１３、及びファン１４が車両長手方向Ｘに沿って並べて配置されるラジエータ機構１０では、ファン１４により取り込まれる外気の流路において、第２ラジエータ１３が第１ラジエータ１２の下流側となる。このため、第２ラジエータ１３は、第１ラジエータ１２との熱交換により温度が上昇した後の外気が供給されるため、第１ラジエータ１２と比較して冷却容量が相対的に低下することになる。

そのため、第２グループ機器６０ｂにおけるインバータ７やモータ６ａが、何らかの不具合により通常のシステム設計上の冷却容量よりも多くの容量を必要とする場合には、上記した通常の冷却動作で対応できない虞が生じる。

そこで、本発明においては、上記のように第２グループ機器６０ｂに対する冷却容量が不足する場合には、緊急措置として、チラー１１で冷却された冷媒が連通回路５２を介して第１ラジエータ１２に流れるよう第２バルブ５１を制御することにより、第２ラジエータ１３の冷却容量を増加させる。

より具体的には、ＶＣＵ２０は、第２グループ機器６０ｂの温度に対応する温度関連情報、すなわち第２水温センサ４２により取得される第２冷媒の温度情報を取得することにより、第２冷媒循環回路４０の冷却容量が十分であるか否かを判定する。そして、ＶＣＵ２０は、第２冷媒循環回路４０の冷却容量が不十分である場合には、第１バルブ３３及び第２バルブ５１を共にＯＮに制御する。これにより、第１バルブ３３を通過する第１冷媒は、チラー１１、第２バルブ５１、連通回路５２、及び第１Ｔジョイント３４を順に介して第１ラジエータ１２へ至る流路を流れることになる。

この場合、チラー１１で冷却された第１冷媒は、第１ラジエータ１２のみにより放熱されていた状態よりも低い温度で第１ラジエータ１２を流れるため、ファン１４により取り込まれて第１ラジエータ１２を通過する外気を冷却することができる。このため、当該外気の流路上において第１ラジエータ１２の下流側に設けられた第２ラジエータ１３は、冷却された外気との熱交換により第２冷媒を放熱することができ、第２グループ機器６０ｂに対する冷却容量を増加させることができる。

以上のように、本発明に係る車両用冷却装置は、第１ラジエータ１２、第２ラジエータ１３、及びファン１４が順に配置されるラジエータ機構１０において、第２冷媒を介して第２ラジエータ１３により冷却される第２グループ機器６０ｂが通常よりも多くの冷却容量を必要とする場合に、連通回路５２を介してチラー１１で冷却された冷媒を第１ラジエータ１２へ供給する。このとき、第１ラジエータ１２は、ファン１４により取り込まれた外気を、チラー１１で冷却された冷媒により冷却することができるため、下流側に配置された第２ラジエータ１３に対して冷却された外気を供給することができる。これにより、第２ラジエータ１３は、当該外気により第２冷媒を冷却するため、第２グループ機器６０ｂに対する冷却容量を増加させることができる。

また、このとき、ファン１４をラジエータごとに設ける手段やファン１４を大型化する手段を採ることなく、第２ラジエータ１３の冷却効率を向上させることができる。従って、本発明に係る車両用冷却装置によれば、高電圧機器が緊急時において通常以上の冷却容量を必要とする場合であっても、システムを冗長化させることなく簡易にその冷却容量を増大させることができる。

１ 車両
１１ チラー
１２ 第１ラジエータ
１３ 第２ラジエータ
１４ ファン
３０ 第１冷媒循環回路
４０ 第２冷媒循環回路
５０ チラー回路
５２ 連通回路
６０ 高電圧機器群
６０ａ 第１グループ機器
６０ｂ 第２グループ機器

Claims (2)

1. 車両に搭載された高電圧機器群を冷却する車両用冷却装置であって、
   第１ラジエータ、前記第１ラジエータに隣接して設けられるファン、及び前記第１ラジエータと前記ファンとの間に配置される第２ラジエータを含むラジエータ機構と、
   前記第１ラジエータで放熱される第１冷媒が循環することにより、前記高電圧機器群の中の第１グループ機器と熱交換を行う第１冷媒循環回路と、
   前記第２ラジエータで放熱される第２冷媒が循環することにより、前記高電圧機器群の中の第２グループ機器と熱交換を行う第２冷媒循環回路と、
   前記第１冷媒を冷却するチラーを含み、前記チラーの下流側と前記第１ラジエータの上流側とを流路切替バルブを介して連通する連通回路が形成されたチラー回路と、
   前記第２グループ機器の温度に対応する温度関連情報に基づいて、前記第２冷媒循環回路の冷却容量が十分であるか否かを判定する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記冷却容量が不十分である場合に、前記チラーで冷却された前記第１冷媒が前記第１ラジエータに流れるよう前記流路切替バルブを制御する、車両用冷却装置。
2. 前記第２グループ機器には、前記車両を駆動させることができるモータ若しくはインバータを含む、請求項１に記載の車両用冷却装置。

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