JPWO2016031089A1 - 駆動システム - Google Patents

Abstract

エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、コンパクトな構成でインバータの発熱を利用してエンジンの暖機を行うとともに安定してインバータを冷却するため、エンジン（１）とループ選択部（２）とを連結する第１流路（５）と、モータを駆動するインバータ（１１）の冷却器（３）及び冷却水循環用のポンプ（４）を介してループ選択部とエンジンとを連結する第２流路と、エンジン又は第１流路とループ選択部とをラジエータ（８）を介して連結する第３流路（９）とを備え、ループ選択部（２）は、冷却液がエンジン（１）の暖機に必要な所望温度未満のとき、第１流路から第２流路への第１の循環ループ（７）を選択し、所望温度を超えたとき第３流路から第２流路への第２の循環ループ（１０）を選択して冷却液を循環させる。

Description

本発明は、エンジン駆動とモータ駆動を併用したハイブリッド車輌の駆動システムに関するものである。

このような駆動システムでは、より低温に冷却することが求められる、モータ駆動用のインバータを冷却する専用水冷システムと、或る所望の比較的高い温度にて放熱することが求められる、エンジンを冷却する専用水冷システムとの二つの冷却システムとから構成されている。

一方、近年では、車両の軽量化及び車室内空間を大きくするために駆動システムのコンパクト化が求められており、上記二つの冷却システムを統合した、エンジン冷却水共用冷却駆動システムが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２０１３−４４４９６号公報 特開２０１３−８６７１７号公報

特許文献１に示されるような駆動システムにあっては、第１の循環ループと、これに並設された第２の循環ループとで構成されている。第１の循環ループは、ポンプとエンジンと加熱装置（例えばヒーターの他、排熱回収器やＥＧＲクーラを含む。）とを直列接続したもので、低温環境下にて冷却水が循環する。第２の循環ループは、より高効率冷却する、前記ポンプと前記エンジンとラジエータとインバータ冷却装置とを直列接続したものである。

そして、第１の循環ループと第２の循環ループは、温度検知バルブ（たとえばサーモスタット）を介して連結され切替可能になっており、エンジンの暖機が必要な場合は第１の循環ループを冷却水が循環し、エンジンの暖機が十分できた後は、第２の循環ループを冷却水が循環し、高効率にインバータを冷却するシステムであった。

ハイブリッド車輌の特長としては、アイドルストップ後や発進などの低速域においてモータ駆動し、中速及び高速域にてエンジン駆動することで、より省エネ性を向上させるとともに、冬季の発進時などのエンジンの暖機が必要な場合は、モータが先に駆動され、インバータが動作・発熱する。

従って、上記の駆動システムでは、循環ループ切替の順序が逆であり、エンジンの暖機を優先すると第１の循環ループを冷却水が循環するため、インバータが冷却されずにその温度が上昇し、故障するという問題があった。一方、インバータの冷却を優先すると、インバータの発熱をラジエータにて放熱するため、インバータの発熱をエンジンの暖機に活用できないという問題があった。

また、特許文献２のような駆動システムにあっては、冷却水を循環させるポンプは共用されているが、エンジン用の高温用ラジエータとインバータ用の低温用ラジエータの二つが必要で、複雑な配管になるため、コンパクト化が難しいという問題があった。また、細密構造で高効率冷却が必要なインバータ用冷却器と、放熱フィン間隙間が大きな粗い構造のエンジン冷却用冷却器を並列配置するため、経年変化により冷却器内にスケール等付着した場合に生じる流動抵抗の変化により偏流が発生してしまい、特に、インバータ用冷却器に通水する冷却水流量が少なくなり、インバータを十分に冷却できないという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、コンパクトな構成で、インバータの発熱を利用してエンジンの暖機を行うとともに安定してインバータを冷却できることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る駆動システムは、エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、前記エンジンとループ選択部とを連結する第１流路と、前記ループ選択部、前記モータを駆動するインバータの冷却器、冷却液を循環させるポンプ、及び前記エンジンを順次連結する第２流路と、前記エンジン又は前記第１流路と前記ループ選択部とをラジエータを介して連結する第３流路とを備え、前記ループ選択部は、前記冷却液が前記エンジンの暖機に必要な所望温度以下のとき、前記第１流路から前記第２流路への第１の循環ループを選択し、前記所望温度を超えたときは前記第３流路から前記第２流路への第２の循環ループを選択して前記冷却液を循環させるものである。

本発明によれば、エンジンの暖機が必要な所望温度以下の場合、ループ選択部によって第１循環ループが選択されて順次冷却液がインバータ冷却器→ポンプ→エンジンを循環し、インバータ用の冷却器に取り付けられたインバータが動作・発熱することにより、当該発熱量を冷却水に与えてエンジンの暖機に有効活用することができ、エンジンの暖機に必要とされるエネルギーをラジエータで消費することが無いので削減することができる。

また、第１循環ループへ通水することによりポンプで冷却液が循環するとき、ポンプの前段でインバータ用冷却器に冷却水を供給することができ、安定してインバータを冷却するのでインバータの寿命が長くなる。また、より早くエンジンの暖機が行えることから、効率よくエンジンを動作させることができ、省エネ性が向上し排気ガスがより清浄化される。

所望温度を超えるエンジン駆動時には、ループ選択部によって、この第２循環ループへ通水することにより、第２循環ループ中のラジエータから高効率に放熱させることができ、所望温度のときは、全体としてコンパクトな構造が実現できる。

本発明の実施の形態１による車両用の駆動システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態２による車両用の駆動システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による車両用の駆動システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態４による車両用の駆動システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態４の変形例であり且つ実施の形態１〜３にも適用可能な変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４の別の変形例であり且つ実施の形態１〜３にも適用可能な変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３による車両用の駆動システムにおける流路沿いの典型的な圧力変化を示すグラフ図である。 冷却水および不凍液の沸点と圧力との一般的な関係を示すグラフ図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による駆動システムを示しており、図中、エンジン１と、ループ選択部（ループ切替部）としての温度検知バルブ２と、モータ（図示せず）を駆動するインバータのための冷却器３と、冷却水を循環させるためのポンプ４とを直列接続して第１循環ループ７を形成し、この第１循環ループ７は、エンジン１と温度検知バルブ２とを連結する第１流路５と、インバータ用冷却器３及びポンプ４を介して温度検知バルブ２とエンジン１とを連結する第２流路６とから構成される。また、第１流路５には、ラジエータ８を介してエンジン１と温度検知バルブ２とを連結する第３流路９が並列接続されており、この第３流路と前記第２流路６とで第２循環ループ１０とを形成する。なお、インバータ用冷却器３にはインバータ１１が熱的に結合されており、ラジエータ８にはファン１２が取り付けられている。

このような構成によれば、非運転時において駆動システム全体が低温状態になっているときに、温度検知バルブ２は第１流路５と第２流路６から成る第１循環ループを選択しており、車輌駆動操作を行うことにより、インバータ用冷却器３に結合されたインバータ１１が駆動され、モータを駆動させて車輌を走行させる。
このインバータ１１の駆動に伴い、インバータ１１内の電子機器が発熱すると、熱的に接触しているインバータ用冷却器３によって冷却器３内の冷却水に熱が放出される。これにより、発進及び低速走行にて高い省エネ性及び円滑な駆動特性を有するモータ駆動が行われる。

前記車輌駆動操作に伴ってポンプ４が動作し、冷却水が循環する。初期低温状態では、温度検知バルブ２が第１循環ループ７を冷却水が循環するように切替選択しており、インバータ１１を安定して冷却する。この場合、第１循環ループ７には、冷却水から周囲へ放熱するラジエータ８を含まないことから、インバータ１１から受熱した冷却水は昇温する。この昇温した冷却水は、インバータ用冷却器３、ポンプ４、エンジン１及び温度検知バルブ２を順次循環してエンジン１を暖める。

この後、車輌が中速又は高速走行に移行した場合、主たる駆動源がモータ駆動からエンジン駆動へ移行する。この時には、ある程度又は十分にエンジン１の暖機が行われており、効率よくエンジン１の動作が始められる。エンジン１の動作に伴い、冷却水温度がさらに上昇し、任意の規定温度に達したとき、温度検知バルブ２が、第１循環ループ７から第２循環ループ１０に切り替えて冷却水を第２循環ループ１０に循環させる。

冷却水が第２循環ループ１０を循環すると、走行風又はファン１２による送風により周囲環境へ放熱するラジエータ８内を冷却水が循環することから、このラジエータ８にて冷却水が保有する熱を周囲環境へ放出し、冷却水温度が異常温度になることを抑制し、車両用駆動システムを構成する各機器の許容温度以下でかつ、エンジン１に適した冷却水温度を保持する。

このような構成により、エンジン１の暖機が必要な場合、エンジン１、温度検知バルブ２、インバータ用冷却器３及びポンプ４を順次冷却水が循環し、インバータ用冷却器３に取り付けられたインバータ１１の動作に伴う発熱を冷却水に与えて、エンジン１の暖機に有効活用することができ、エンジン１の暖機に必要とされるエネルギーをラジエータで奪われることがないので削減することができる。また、より早くエンジン１の暖機を完了させることができ、燃費効率の良い適温状態でエンジン１を動作させることができるので省エネ性が向上する。さらに、車輌駆動時にポンプ４が動作し、冷却水が循環することから、インバータ用冷却器３に冷却水を供給することができ、安定してインバータ１１を冷却することができるので、インバータ１１の寿命が長くなる。

なお、エンジン１は、駆動力を発生させ、エンジン１の温度が異常温度にならないように、エンジン周囲に水路が設けられたものであれば良い。また、エンジン１は車輌を直接駆動させるものでも、或いは発電機の駆動力を発生させるものでもよい（例えば、シリーズハイブリッドやレンジ・エクステンダー）。

温度検知バルブ２は、ループ選択部として、温度検知機器（センサ）と、第１循環ループ又は第２循環ループを選択可能なバルブと、センサからの出力信号を受けてバルブ開閉の制御信号を出力する制御器とで構成しても良いが、好ましくは受動的に可動するサーモスタットの方が良い。この場合のサーモスタットの機能としては、温度検知機器取付部又は温度検知バルブ２の温度が、所望の温度（例えば、８５〜１０５℃）以下では第１循環ループ７を冷却水が循環し、それを超えた温度では、第２循環ループ１０を冷却水が循環するように開閉するものである。

なお、いずれか一方だけの通水でなく、所望の温度帯ではそれぞれの循環ループに分流して通水し、徐々に又は段階的に分流割合が変化する構成でも良い。また、温度検知バルブ２は３方バルブ１個として図示しているが、第１流路５と第３流路９中にそれぞれ温度検知バルブ２を設けたものでも良い。
冷却水は、水でもよく、通常使用されている不凍液（エチレングリコール水溶液）でも良く、冷凍サイクルに適用されているフロリナートなどの冷媒でも良い。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による車両用駆動システムを示しており、図１に示した実施の形態１では、第３流路９がエンジン１−ラジエータ８−温度検知バルブ２で構成されているのに対し、図２に示す実施の形態２では、第３流路９が、エンジン１から第２流路６を経由し、その途中で分岐し、ラジエータ８を介して温度検知バルブ２に至っている。

この実施の形態２の機能及び効果は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１の場合、エンジン１内の流路出口が２か所であるため、エンジン１内に流路分岐部が存在し、温度検知バルブ２による循環ループの切替に伴い、エンジン１内流路の一部に冷却水が流れない部分が生じるが、本実施の形態２では、エンジン１に設けられる冷却水出口が１か所になることから、エンジン１内に流路分岐部を設ける必要が無く、エンジン１内の流路全領域を冷却水が止まらずに循環させることができ、エンジン１をより確実に冷却することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による車両用駆動システムを示しており、第２流路６内にモータ１３又は発電機１４、又はその両方を熱的に組み込んだ点が実施の形態１又は実施の形態２と異なっている。
このように構成することにより、インバータ１１だけの発熱だけでなく、モータ１３や発電機１４の発熱も同時に活用して、エンジン１の暖機をより一層効率よく行うことができる。従って、同時に、モータ１３や発電機１４の放熱を行うことができる。

そして、発電機や電動機を同一の循環流路を循環する冷却水にて冷却できるとともに、これらの冷却器が圧力損失体として機能し、インバータ用冷却器内圧力を低下することができる。この内圧低下により、インバータ用冷却器内で活発に沸騰が生じ、低圧下における沸点の低下を活用し、高効率にインバータを冷却することができる。
なお、発電機および電動機もインバータ同様冷却する必要があり、これら全てまたはこれらのうち二つを、一体化させ、一括して冷却する構造であってもよい。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４による車両用駆動システムを示しており、第１流路５に、加熱装置１５を設けた点が実施の形態１又は実施の形態２と異なっている。なお、図示していないが、上記実施の形態３に対しても適用可能である。
この実施の形態４では、インバータ、モータ及び／又は発電機からの発熱ではエンジン１の暖機が不十分な場合に、加熱装置１５により適切に冷却水温度を上昇させることができ、上記の実施の形態１〜３より、さらに早く暖機を完了させることができる。なお、モータ及び発電機は、いずれが上流側に配置されていても良い。

図５は、本実施の形態４の変形例を示しており、加熱装置１５を第１流路５中に設ける代わりに、エンジン１内の流路（図示せず）と連結している第４流路１６中に、ポンプ１７と加熱装置１５を設けている。
なお、図５では、エンジン１に直接第４流路１６を接続した構成を示しているが、これに限定されず、エンジン１内の流路を冷却水が循環するよう第１流路５、第２流路６、及び第３流路９のいずれかの途中時に加熱装置１５を設けてもよい。

この変形例でも、ポンプ１７により第４流路１６内を冷却水が循環し、加熱装置１５により適切に冷却水温度を上昇させることができ、前記と同様、インバータ、モータ及び／又は発電機からの発熱ではエンジン１の暖機が不十分な場合に、より早く暖機を完了させることができる。

なお、ＥＧＲクーラ（図示せず）用の冷却水の給水／排水接続口は、ＥＧＲクーラがエンジン１から排出される高温排ガスの冷却を主目的としていることから、エンジン１の動作に付随して動作する第３流路９、又は冷却水が流れ続ける第２流路６に並設して設けた方が好ましい。

なお、インバータ用冷却器３は、従来の放熱フィンが内装された強制対流冷却器でもよく、好ましくは冷却器内で、冷却水の一部が蒸発又は沸騰し、液体の一部が潜熱を受熱し、気化（蒸気泡発生）する沸騰冷却器が良い。すなわち、インバータ１１が発熱すると、沸騰が発生し、沸騰熱伝達にて高効率に冷却することができる。

本発明では、エンジン１の適切な冷却水温度が８５℃から１１０℃、さらに好ましくは１００℃程度（水の沸点は１００℃であるが、不凍液（５０ｗｔ％エチレングリコール水溶液）の沸点は１０７℃程度で、さらに加圧されると沸点は上昇する）であることから、冷却水温度が冷却水の沸点に近く、インバータ用冷却器３内で沸騰が発生しやすい。

従って、液体のみの強制対流熱伝達と、気液二相からなる沸騰熱伝達の異なる放熱形態が混在しやすく、条件によって不連続にインバータ温度が変化しやすい。そこで、インバータ用冷却器３が主に沸騰熱伝達状態になる冷却器を適用することにより、インバータ１１の急激な温度変化を抑制することができる。

なお、沸騰冷却器を適用した場合、冷却水に混入している残留ガスが気泡化し易く、流路途中時に停滞し易くなるので、流路配管は密閉形である方が好ましい。また、半密閉形の流路配管でも良い。
また、上記の各実施例において、図６に示すように、第３流路９途中にリザーバタンク１８を設けると共にその注水口に逆止弁１９を設けることが好ましい。この場合、リザーバタンク１８は第１〜第３流路中のどの流路に配置してもよいが、第１流路５又は第２流路６のエンジン１より下流で温度検知バルブ２より上流に配置することが好ましい。

このようにすることにより、システム動作時に発生する不凝縮ガスを流路配管外へ排出することができるとともに、システム停止時には低温になり流路配管内圧力が低下しても、流路配管外から周囲空気が流入せず、流路配管中に残留空気が停滞し、流動阻害及び放熱能力の劣化を抑制することができる。

また、本発明では、温度検知バルブ２とポンプ４との間にインバータ用冷却器３を設けたことにより、冷却水が循環するループ内で最も低い圧力になることから、インバータ用冷却器３内の冷却水沸点を低温にすることができ、沸騰冷却器に適した構成になっている。すなわち、本発明システムのようなインバータ用冷却器の配置位置が最も冷却水圧力が低く、低い温度にて沸騰が発生し、効率よく冷却することができる。

さらに、インバータ用冷却器３の上流側（第１循環ループ７）に、図３に示す如くモータ１３や発電機１４を設けることにより、これらを冷却する流路中の圧力損失により、さらにインバータ用冷却器３内の圧力（飽和温度）を低下させることができ、より高効率に冷却することができる。

これを、図７及び８を参照して以下に詳細に説明する。
図７に、図３に示す実施の形態３において、図６に示す如く、第３流路９にリザーバタンク１８と逆止弁１９とを設けたときの、第３流路９→第２流路６で構成される第２循環ループ１０に沿った圧力の変化を模式的に示す。

例えば、エンジン１から冷却水が、第３流路９に沿って、ラジエータ８→温度検知バルブ２から第２流路６へ入り、発電機１４→モータ１３→インバータ１１を経由して流れると、流れに伴う圧力損失が各構成要素の増加に伴って大きくなり、インバータ１１内の冷却水の圧力はエンジン１下流の大気圧（１ａｔ）に比べ、より低圧（０．７ａｔ）になる。その後、その下流のポンプ４にて昇圧され、エンジン１へ１．１ａｔで流入する。

図８に、冷却水の圧力に対する沸点を示す（ここで、黒三角印で示す５０％ＬＬＣはエチレングリコールと水が１：１で配合された不凍液を示す）。図から分かるように、本発明では、一般に車輌用の冷却水として良く使用される不凍液（黒三角印）の場合、図７に示したインバータ１１の出口圧力である０．７ａｔの時は９６．９℃で沸騰し、エンジン１の下流の大気圧である１．０ａｔの時は１０７．５℃で沸騰する。従って、その差１０．６℃だけ低い温度で沸騰させることができ、より低温の不凍液に対してインバータ１１は沸騰熱伝達にて放熱することができ、インバータ１１をより低温に保持することができる。

一方、仮にポンプ４とエンジン１との間にインバータ１１を装着したと仮定した場合、インバータ１１から１．１ａｔで流出させるには１１０．０℃が必要であるから、図７に示す本発明に比べて、１１０．０‐９６．９＝１３．１℃も高くなってしまう。
従って、インバータ用冷却器３が沸騰熱伝達を利用して熱交換する冷却器の場合、本発明の配置（インバータ１１→ポンプ４→エンジン１）が最も低温の冷却水へ放熱することを可能とし、インバータ１１をより低温に保持することができ、インバータ１１を長寿命化することが可能となる。

１ エンジン、２ 温度検知バルブ（ループ選択部）、３ インバータ用冷却器、４ ポンプ、５ 第１流路、６ 第２流路、７ 第１循環ループ、８ ラジエータ、９ 第３流路、１０ 第２循環ループ、１１ インバータ、１２ ファン、１３ モータ、１４ 発電機、１５ 加熱装置、１６ 第４流路、１７ ポンプ、１８ リザーバタンク、１９ 逆止弁。

上記の目的を達成するため、本発明に係る駆動システムは、エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、前記エンジンとループ選択部とを連結する第１流路と、前記ループ選択部、前記モータを駆動するインバータの冷却器、冷却液を循環させるポンプ、及び前記エンジンを順次連結して、この連結順に前記冷却液が流れる第２流路と、前記エンジン又は前記第１流路と前記ループ選択部とをラジエータを介して連結する第３流路とを備え、前記冷却器が、沸騰冷却器であって、前記ループ選択部は、前記冷却液が前記エンジンの暖機に必要な所望温度以下のとき、前記第１流路から前記第２流路への第１の循環ループを選択し、前記所望温度を超えたときは前記第３流路から前記第２流路への第２の循環ループを選択して前記冷却液を循環させ、前記第２流路において前記ループ選択部と前記ポンプとの間に前記インバータの冷却器を設けたことにより、前記インバータの冷却器の圧力が前記エンジンの下流側に比べてより低圧とされるものである。

上記の目的を達成するため、本発明に係る駆動システムは、エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、前記エンジンとループ選択部とを連結する第１流路と、前記ループ選択部、前記モータを駆動するインバータの沸騰冷却器、冷却液を循環させるポンプ、及び前記エンジンを順次連結して、この連結順に前記冷却液が流れる第２流路と、前記エンジン又は前記第１流路と前記ループ選択部とをラジエータを介して連結する第３流路とを備え、前記ループ選択部は、前記冷却液が前記エンジンの暖機に必要な所望温度以下のとき、前記第１流路から前記第２流路への第１の循環ループを選択して接続し、前記所望温度を超えたときは前記第３流路から前記第２流路への第２の循環ループを選択して接続し前記冷却液を循環させ、前記第２流路において前記ループ選択部と前記ポンプとの間に前記インバータの沸騰冷却器を設けたことにより、前記インバータの沸騰冷却器の圧力が前記エンジンの下流側に比べてより低圧とされるものである。

Claims (13)

1. エンジンとモータを併用したハイブリッド車輌の駆動システムにおいて、
   前記エンジンとループ選択部とを連結する第１流路と、
   前記ループ選択部、前記モータを駆動するインバータの冷却器、冷却液を循環させるポンプ、及び前記エンジンを順次連結する第２流路と、
   前記エンジン又は前記第１流路と前記ループ選択部とをラジエータを介して連結する第３流路とを備え、
   前記ループ選択部は、前記冷却液が前記エンジンの暖機に必要な所望温度以下のとき、前記第１流路から前記第２流路への第１の循環ループを選択し、前記所望温度を超えたときは前記第３流路から前記第２流路への第２の循環ループを選択して前記冷却液を循環させる
   駆動システム。
2. 前記ループ選択部は、前記冷却液が前記所望温度のときは前記第１の循環ループに加えて前記第２の循環ループも同時に選択し、前記冷却液を分流循環させる
   請求項１記載の駆動システム。
3. 前記所望温度が一定の幅を有する
   請求項１記載の駆動システム。
4. 前記第２流路中に発電機及び電動機の少なくともいずれか一方を設けた
   請求項１に記載の駆動システム。
5. 前記第１流路中に加熱装置を設けた
   請求項１に記載の駆動システム。
6. 前記エンジン内の流路と連結している第４流路中に加熱装置とポンプを設けた
   請求項１に記載の駆動システム。
7. 前記第１流路から第３流路のいずれかの流路中にリザーバタンクを設けると共にその注水口に逆止弁を設けた
   請求項１、４、又は５に記載の駆動システム。
8. 前記第１流路から第３流路のいずれかの流路が、前記第１流路又は第２流路の内、前記エンジンの下流で前記ループ選択部の上流の流路である
   請求項７記載の駆動システム。
9. 前記ループ選択部は、受動切替型三方バルブ式サーモスタットである
   請求項１に記載の駆動システム。
10. 前記ループ選択部は、循環液の温度センサと、前記第１循環ループ又は前記第２循環ループを選択するバルブと、前記センサからの出力信号を受けて前記バルブへの制御信号を出力する制御器とで構成されている
    請求項１に記載の駆動システム。
11. 前記バルブが、前記第１流路と前記第３流路中にそれぞれ分離して設けられており、前記制御器からの前記出力信号に応じて開閉制御される
    請求項１０記載の駆動システム。
12. 前記ループ選択部は、前記分流の割合を、徐々に又は段階的に変化させるものである
    請求項２に記載の駆動システム。
13. 前記冷却器が、沸騰冷却器である
    請求項１記載の駆動システム。

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