WO2019087642A1 - 流体加熱装置 - Google Patents

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WO2019087642A1
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fluid
temperature
cooling water
circuit
heat source
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Inventor
清士郎 太田
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株式会社デンソー
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters

Definitions

  • the present disclosure relates to a fluid heating device that heats a fluid.
  • a fluid heating apparatus in which a first fluid circuit having a first heat source such as a fuel cell stack or an engine and a second fluid circuit having a controllable second heat source such as an electric heater are connected via a switching unit
  • a switching unit By operating the switching unit to flow the fluid from the first fluid circuit to the second fluid circuit, the fluid in the second fluid circuit can be heated using the first heat source, so energy consumption in the second heat source can be reduced. It can be reduced.
  • the present disclosure is directed to a sensitive reaction of control in a fluid heating device in which a first fluid circuit having a first heat source and a second fluid circuit having a controllable second heat source are connected in parallel via a switching valve.
  • the purpose is to suppress.
  • a fluid heating device includes a first fluid circuit that circulates a fluid to a first heat source, a second fluid circuit that circulates a fluid to a second heat source, and a first fluid circuit in fluid flow
  • a switching unit that switches between a state in which the second heat source is connected and a state in which the second heat source is not connected, and a control unit that controls the second heat source.
  • the control unit performs feedback control based on the temperature of the fluid heated by the second heat source when the switching unit connects the first fluid circuit and the second heat source, and the first fluid circuit to the second fluid circuit Feed forward control based on the temperature of the fluid flowing into the
  • the fluid heating device 1 shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle.
  • a fuel cell automobile is a vehicle that travels by obtaining electric power by the reaction of hydrogen and oxygen.
  • the fluid heating device 1 includes a first coolant circuit 10 and a second coolant circuit 20.
  • the first cooling water circuit 10 and the second cooling water circuit 20 are cooling water circulation circuits in which the cooling water circulates.
  • the first coolant circuit 10 is a first fluid circuit in which the fluid circulates.
  • the second coolant circuit 20 is a second fluid circuit in which the fluid circulates.
  • a first coolant pump 11, a fuel cell stack 12, and a radiator 13 are disposed in the first coolant circuit 10.
  • the first cooling water pump 11, the fuel cell stack 12 and the radiator 13 are arranged in series with each other in the flow of the cooling water of the first cooling water circuit 10.
  • the first coolant pump 11 is an electric pump that sucks and discharges the coolant of the first coolant circuit 10.
  • the fuel cell stack 12 reacts hydrogen and oxygen to generate electricity and heat.
  • the electricity generated in the fuel cell stack 12 is supplied to a vehicle travel electric motor (not shown).
  • the heat generated in the fuel cell stack 12 is absorbed by the cooling water of the first cooling water circuit 10.
  • the fuel cell stack 12 is cooled by the cooling water of the first cooling water circuit 10.
  • the fuel cell stack 12 is a first heat source.
  • the radiator 13 is a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water of the first cooling water circuit 10 and the outside air to radiate the heat from the cooling water to the outside air.
  • the outdoor blower 14 is an electric blower that blows air to the radiator 13.
  • the first coolant circuit 10 is provided with a bypass flow passage 15 and a bypass valve 16.
  • the bypass channel 15 is a channel through which the cooling water flowing out of the fuel cell stack 12 bypasses the radiator 13.
  • the bypass valve 16 is an electromagnetic three-way valve that switches between when coolant flowing out of the fuel cell stack 12 flows through the radiator 13 and when bypassing the radiator 13.
  • the bypass valve 16 When the temperature of the coolant in the first coolant circuit 10 exceeds the upper limit temperature, the bypass valve 16 operates so that the coolant flowing out of the fuel cell stack 12 flows through the radiator 13. Thereby, the cooling water of the first cooling water circuit 10 is cooled by the radiator 13 to the upper limit temperature or less.
  • the bypass valve 16 When the temperature of the coolant in the first coolant circuit 10 is equal to or lower than the upper limit temperature, the bypass valve 16 operates so that the coolant flowing out of the fuel cell stack 12 bypasses the radiator 13 and flows in the bypass flow path 15. As a result, the coolant in the first coolant circuit 10 is not cooled by the radiator 13.
  • the bypass valve 16 may be a thermostat.
  • the thermostat is a cooling water temperature responsive valve provided with a mechanical mechanism that opens and closes the cooling water flow path by displacing the valve body by a thermowax that changes its volume depending on temperature.
  • a second coolant pump 21, an electric heater 22, and a heater core 23 are disposed in the second coolant circuit 20.
  • the second cooling water pump 21, the electric heater 22, and the heater core 23 are arranged in series in the flow of the cooling water of the second cooling water circuit 20.
  • the second cooling water pump 21 is an electric pump that sucks in and discharges the cooling water of the second cooling water circuit 20.
  • the electric heater 22 generates heat when power is supplied, and heats the cooling water of the second cooling water circuit 20. By controlling the amount of electric power supplied to the electric heater 22, the amount of heat generation of the electric heater 22 can be controlled.
  • the electric heater 22 is a second heat source.
  • the heater core 23 is a heat exchanger that heats air by exchanging heat between the cooling water of the second cooling water circuit 20 and the air blown into the vehicle interior space 2.
  • the vehicle interior space 2 is an air conditioning target space.
  • the indoor blower 24 is an electric blower that blows air to the heater core 23. The air heated by the heater core 23 is blown out into the vehicle interior space 2.
  • the first coolant circuit 10 and the second coolant circuit 20 are in communication with each other by the first communication channel 31 and the second communication channel 32.
  • the first communication flow channel 31 and the second communication flow channel 32 are disposed on the cooling water outlet side of the fuel cell stack 12 and on the upstream side of the bypass flow channel 15 in the first cooling water circuit 10.
  • the first communication channel 31 and the second communication channel 32 are disposed in the second cooling water circuit 20 at the cooling water outlet side of the heater core 23 and at the cooling water inlet side of the electric heater 22.
  • connection portion between the second communication flow passage 32 and the first cooling water circuit 10 is located downstream of the connection portion between the first communication flow passage 31 and the first cooling water circuit 10 in the first cooling water circuit 10. Located on the side.
  • connection portion between the second communication flow passage 32 and the second cooling water circuit 20 is located upstream of the connection portion between the first communication flow passage 31 and the second cooling water circuit 20 in the second cooling water circuit 20. Located on the side.
  • the switching valve 33 is an electromagnetic three-way valve disposed at a connection portion between the first communication channel 31 and the second coolant circuit 20.
  • the switching valve 33 is a heat medium flow switching unit that switches between a state in which the first communication flow path 31 and the second cooling water circuit 20 are in communication and a state in which the first communication flow path 31 and the second cooling water circuit 20 are in communication.
  • the switching valve 33 is a mode switching unit that switches the operation mode of the fluid heating device 1 to either the independent mode or the thermal cooperation mode.
  • the switching valve 33 does not connect the first communication channel 31 and the second cooling water circuit 20 with each other. Thereby, in each of the 1st cooling water circuit 10 and the 2nd cooling water circuit 20, cooling water circulates mutually independently.
  • the switching valve 33 causes the first communication channel 31 and the second cooling water circuit 20 to communicate with each other. Thereby, the cooling water of the first cooling water circuit 10 flows into the second cooling water circuit 20 and circulates, and the cooling water of the second cooling water circuit 20 flows into the first cooling water circuit 10 and circulates.
  • the first cooling water pump 11, the outdoor blower 14, the bypass valve 16, the second cooling water pump 21, the electric heater 22, the indoor blower 24, and the switching valve 33 are controlled by the control device 40.
  • the control device 40 is composed of a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and peripheral circuits thereof.
  • the control device 40 performs various operations and processing based on the control program stored in the ROM.
  • Various control target devices are connected to the output side of the control device 40.
  • the control device 40 is a control unit that controls the operation of various control target devices. Each control unit may be configured separately from the control device 40.
  • the software and hardware which control the 1st cooling water pump 11 among control devices 40 are the 1st fluid flow control part.
  • the software and hardware which control the 2nd cooling water pump 21 among control devices 40 are the 2nd fluid flow control part.
  • the software and hardware which control the electric heater 22 among the control apparatuses 40 are a 2nd heat source control part.
  • the software and hardware which control the switching valve 33 among the control apparatuses 40 are a switching control part.
  • a first water temperature sensor 41 and a second water temperature sensor 42 are connected to the input side of the control device 40.
  • the first water temperature sensor 41 is a fluid temperature detection unit that detects a first coolant temperature Tfc.
  • the first coolant temperature Tfc is the temperature of the coolant flowing out of the fuel cell stack 12.
  • the first cooling water temperature Tfc is the temperature of the cooling water flowing from the first cooling water circuit 10 into the second cooling water circuit 20 via the first communication channel 31.
  • the first coolant temperature Tfc is a first fluid temperature.
  • the control device 40 controls the rotational speed of the first coolant pump 11 to be higher as the first coolant temperature Tfc is higher.
  • the second water temperature sensor 42 is a fluid temperature detection unit that detects a second coolant temperature Thc.
  • the second coolant temperature Thc is the temperature of the coolant flowing into the heater core 23.
  • the second coolant temperature Thc is the temperature of the coolant heated by the electric heater 22.
  • the second coolant temperature Thc is a second fluid temperature.
  • an inside air temperature sensor 43 On the input side of the control device 40, an inside air temperature sensor 43, an outside air temperature sensor 44, a solar radiation amount sensor 45, a temperature setting switch, and the like are connected.
  • the inside air temperature sensor 43 detects a vehicle interior temperature Tr.
  • the outside air temperature sensor 44 detects the outside air temperature Tam.
  • the solar radiation amount sensor 45 detects the solar radiation amount Ts in the vehicle compartment.
  • the temperature setting switch is provided on the operation panel 46 and is operated by the occupant.
  • the operation panel 46 is disposed near the dashboard in the front of the vehicle compartment.
  • the control signal from the temperature setting switch is input to the control device 40.
  • the temperature setting switch is an operation member for setting a set temperature Tset of the vehicle interior space 2.
  • the fuel cell control device 47 and the navigation device 48 are connected to the input side of the control device 40.
  • the fuel cell control device 47 is a fuel cell control unit that controls the operation of the fuel cell stack 12.
  • An accelerator opening degree sensor (not shown) is connected to the input side of the fuel cell control device 47.
  • the accelerator opening degree sensor is an accelerator opening degree detecting unit that detects an accelerator opening degree.
  • the accelerator opening detected by the accelerator opening sensor is input to the controller 40 via the fuel cell controller 47.
  • the control device 40 receives vehicle position information, map information, and the like of the navigation device 48.
  • the controller 40 controls the switching valve 33 based on the first coolant temperature Tfc, the second coolant temperature Thc, the target air outlet temperature TAO, and the like to switch the operation mode to either the independent mode or the thermal cooperation mode.
  • the target blowing temperature TAO is a target temperature of the blowing air blown out to the vehicle interior space 2.
  • Control device 40 calculates target blowout temperature TAO based on the following formula.
  • TAO Kset ⁇ Tset-Kr ⁇ Tr-Kam ⁇ Tam-Ks ⁇ Ts + C
  • Tset is a vehicle interior set temperature set by the temperature setting switch of the operation panel 46
  • Tr is the inside air temperature detected by the inside air temperature sensor 43
  • Tam is the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 44
  • Ts is It is a solar radiation amount detected by the solar radiation amount sensor 45.
  • Kset, Kr, Kam, and Ks are control gains
  • C is a correction constant.
  • the target blowing temperature TAO corresponds to the amount of heat that the fluid heating device 1 needs to generate in order to keep the vehicle interior at a desired temperature.
  • the target blowing temperature TAO is an air conditioning heat load required of the fluid heating device 1.
  • the cooling water circulates independently of each other in the first cooling water circuit 10 and the second cooling water circuit 20.
  • the cooling water of the first cooling water circuit 10 flows into the second cooling water circuit 20 and circulates, and the cooling water of the second cooling water circuit 20 flows into the first cooling water circuit 10 and circulates Do.
  • the control device 40 controls the switching valve 33 so that the operation mode becomes the independent mode when, for example, the vehicle interior space 2 is not heated. For example, when the fuel cell stack 12 is not cooled, the control device 40 controls the switching valve 33 so that the operation mode becomes the independent mode.
  • control device 40 controls the switching valve 33 so that the operation mode becomes the thermal cooperation mode.
  • the vehicle interior space 2 is heated.
  • the first coolant temperature Tfc is higher than the upper limit temperature of the fuel cell stack 12, the fuel cell stack 12 is cooled.
  • the target coolant temperature TWO is calculated based on the target outlet temperature TAO.
  • the target coolant temperature TWO is the temperature of the coolant required for the heater core 23 to create the target outlet temperature TAO.
  • the target coolant temperature TWO is a target fluid temperature.
  • the target coolant temperature TWO is the same value as the target outlet temperature TAO.
  • the cooling water of the first cooling water circuit 10 flows into the second cooling water circuit 20 as indicated by the broken line arrow in FIG. 1.
  • the cooling water of the first cooling water circuit 10 heated by the fuel cell stack 12 is heated by the electric heater 22 of the second cooling water circuit 20 and then flows into the heater core 23.
  • the air blown into the vehicle interior space 2 is heated by heat exchange with the cooling water by the heater core 23, warm air is blown out to the vehicle interior space 2 and the vehicle interior space 2 is heated.
  • the control device 40 performs feedback control and feedforward control, and the control target is controlled so that the second coolant temperature Thc approaches the target coolant temperature TWO.
  • the electric heater 22 is controlled.
  • Feedback control is, for example, fuzzy control.
  • the controller 40 subtracts the feedback signal from the input signal and adds the feed forward signal.
  • the input signal is the target coolant temperature TWO.
  • the feedback signal is the second coolant temperature Thc.
  • the feedforward signal is a feedforward term whose correction term is information on the first coolant temperature Tfc. That is, feedforward control that uses the first coolant temperature Tfc and its time change rate ⁇ Tfc as a correction term is added to the water temperature control based on feedback control.
  • the inflowing hot water is information of the cooling water flowing from the first cooling water circuit 10 into the second cooling water circuit 20, and, for example, the first cooling water temperature Tfc or the time change rate ⁇ Tfc thereof. It is.
  • the control device 40 controls the electric heater 22 in this manner, whereby the temperature of the cooling water heated by the electric heater 22 approaches the target cooling water temperature TWO.
  • the temperature of the cooling water heated by the electric heater 22 approaches the target cooling water temperature TWO
  • the temperature of the cooling water flowing into the heater core 23 also approaches the target cooling water temperature TWO. Therefore, since the temperature of the air heated by the heater core 23 can be brought close to the target blowout temperature TAO, the passenger compartment space 2 can be heated to a desired temperature.
  • the control device 40 when the switching valve 33 connects the first coolant circuit 10 and the electric heater 22, the control device 40 performs feedback control based on the temperature of the fluid heated by the electric heater 22, and Feedforward control is performed based on the temperature of fluid flowing from the first coolant circuit 10 into the second coolant circuit 20.
  • the control device 40 performs feedforward control based on the first coolant temperature Tfc and the time change rate ⁇ Tfc.
  • the first coolant temperature Tfc is the temperature of the coolant at the outlet of the fuel cell stack 12.
  • the controller 40 performs feedback control and feedforward control so that the second coolant temperature Thc approaches the target coolant temperature TWO.
  • the second coolant temperature Thc is the temperature of the coolant flowing into the heater core 23.
  • the consumption of energy by the electric heater 22 can be suppressed while appropriately heating the vehicle interior space 2 to ensure the comfort of the occupant.
  • the cooling water of the second cooling water circuit 20 is heated by the electric heater 22, but the invention is not limited to the electric heater 22, and the second heat source can control the heating capacity.
  • the cooling water of the cooling water circuit 20 may be heated.
  • the cooling water of the second cooling water circuit 20 may be heated by the combustion heater.
  • the switching valve 33 may be an on-off valve which opens and closes the 1st communication flow path 31.
  • the correction amount based on the first coolant temperature Tfc and the time change rate ⁇ Tfc is used as the feedforward term, but the feedforward term is the target coolant temperature TWO or the target blowout temperature.
  • a correction amount based on TAO may be used.
  • the feed forward term may use a correction amount based on the accelerator opening. This is because the temperature of the fuel cell stack 12 increases as the accelerator opening degree increases, and the first cooling water temperature Tfc increases.
  • the feed forward term may use a correction amount based on the vehicle position information of the navigation device 48 and the map information.
  • the accelerator opening degree becomes large, the temperature of the fuel cell stack 12 becomes high, and the first coolant temperature Tfc becomes high.
  • the feed forward term may use a correction amount based on the state of charge SOC of the fuel cell stack 12.
  • the state of charge SOC is small, the amount of power generation is large, and the first coolant temperature Tfc is high.
  • the feedforward term may use a correction amount based on the rotational speed of the first coolant pump 11 of the fuel cell stack 12. This is because the control device 40 controls the rotation speed of the first cooling water pump 11 to be higher as the first cooling water temperature Tfc is higher.
  • the feedforward term may use a correction amount based on the rotational speed of the first coolant pump 11 of the fuel cell stack 12. This is because the control device 40 controls the rotation speed of the first cooling water pump 11 to be higher as the first cooling water temperature Tfc is higher.
  • the feed forward term may use a correction amount based on the outside air temperature Tam. This is because the amount of power generation of the fuel cell stack 12 increases and the first coolant temperature Tfc increases as the outside air temperature Tam decreases.
  • the fluid heating device 1 is mounted on a fuel cell vehicle, and the cooling water of the first cooling water circuit 10 is heated by the fuel cell stack 12, but the invention is not limited thereto.
  • the fluid heating device 1 may be mounted on an automobile equipped with an engine, and the coolant in the first coolant circuit 10 may be heated by the engine.

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Abstract

流体加熱装置は、第１熱源（１２）に流体を循環させる第１流体回路（１０）と、第２熱源（２２）に流体を循環させる第２流体回路（２０）と、流体の流れにおいて第１流体回路と第２熱源とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部（３３）と、第２熱源を制御する制御部（４０）とを備える。制御部は、切替部が第１流体回路と第２熱源とを接続している場合、第２熱源で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１流体回路から第２流体回路に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。これにより、制御の過敏な反応を抑制できる。

Description

流体加熱装置 関連出願の相互参照
[規則91に基づく訂正 03.10.2018]　
　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１７年１１月１日に出願された日本特許出願２０１７－２１１６３４号および、２０１８年８月２９日に出願された日本特許出願２０１８－１６００６６号を基にしている。
　本開示は、流体を加熱する流体加熱装置に関する。
　従来、特許文献１には、水道水等の流体を電気ヒータで加熱する流体加熱制御装置が記載されている。この従来技術では、入水温に対するフィードフォワード制御と、出水温に対するフィードバック制御とを組み合わせて電気ヒータを通電制御する。
特開２０１５－１０８４５８号公報
　燃料電池スタックやエンジン等の第１熱源を持つ第１流体回路と、電気ヒータ等の制御可能な第２熱源を有する第２流体回路とが切替部を介して接続された流体加熱装置においては、第１流体回路から第２流体回路に流体を流入させるように切替部を作動させることによって、第１熱源を利用して第２流体回路の流体を加熱できるので、第２熱源での消費エネルギーを低減できる。
　しかしながら、第１流体回路から第２流体回路に流体が流入した際に、第１流体回路の流体の温度との差に対する感度が高すぎるために制御の反応が過敏になってしまって第２熱源の出力が必要以上に大きくなってしまい、必要以上にエネルギーを消費してしまうというおそれがある。
　本開示は、第１熱源を持つ第１流体回路と、制御可能な第２熱源を持つ第２流体回路とが切替弁を介して並列に接続された流体加熱装置において、制御の過敏な反応を抑制することを目的とする。
　本開示の一態様によると、流体加熱装置は、第１熱源に流体を循環させる第１流体回路と、第２熱源に流体を循環させる第２流体回路と、流体の流れにおいて第１流体回路と第２熱源とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部と、第２熱源を制御する制御部とを備える。制御部は、切替部が第１流体回路と第２熱源とを接続している場合、第２熱源で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１流体回路から第２流体回路に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。
　これによると、第１流体回路から第２流体回路に流体が流入した際に第１流体回路の流体の温度との差に対する感度が高くなることを抑制できるので、制御の反応が過敏になって必要以上にエネルギーを消費してしまうことを抑制できる。
一実施形態における流体加熱装置の全体構成図である。 一実施形態における流体加熱装置の制御処理を示すブロック線図である。
　図１に示す流体加熱装置１は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池自動車は、水素と酸素との反応で電力を得て走行する車両である。
　流体加熱装置１は、第１冷却水回路１０と第２冷却水回路２０とを備えている。第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０は、冷却水が循環する冷却水循環回路である。第１冷却水回路１０は、流体が循環する第１流体回路である。第２冷却水回路２０は、流体が循環する第２流体回路である。
　第１冷却水回路１０には、第１冷却水ポンプ１１、燃料電池スタック１２およびラジエータ１３が配置されている。第１冷却水ポンプ１１、燃料電池スタック１２およびラジエータ１３は、第１冷却水回路１０の冷却水の流れにおいて互いに直列に配置されている。
　第１冷却水ポンプ１１は、第１冷却水回路１０の冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。燃料電池スタック１２は、水素と酸素とを反応させて電気と熱を発生させる。燃料電池スタック１２で発生した電気は、図示しない車両走行用電動モータに供給される。
　燃料電池スタック１２で発生した熱は、第１冷却水回路１０の冷却水に吸熱される。換言すれば、燃料電池スタック１２は、第１冷却水回路１０の冷却水によって冷却される。燃料電池スタック１２は第１熱源である。
　ラジエータ１３は、第１冷却水回路１０の冷却水と外気とを熱交換させて冷却水から外気に放熱させる熱交換器である。室外送風機１４は、ラジエータ１３に外気を送風する電動送風機である。
　第１冷却水回路１０には、バイパス流路１５およびバイパス弁１６が設けられている。バイパス流路１５は、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３をバイパスして流れる流路である。
　バイパス弁１６は、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３を流れる場合と、ラジエータ１３をバイパスして流れる場合とを切り替える電磁式三方弁である。
　第１冷却水回路１０の冷却水の温度が上限温度を超えている場合、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３を流れるようにバイパス弁１６が作動する。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水がラジエータ１３で上限温度以下に冷却される。
　第１冷却水回路１０の冷却水の温度が上限温度以下である場合、燃料電池スタック１２から流出した冷却水がラジエータ１３をバイパスしてバイパス流路１５を流れるようにバイパス弁１６が作動する。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水がラジエータ１３で冷却されない。
　バイパス弁１６は、サーモスタットであってもよい。サーモスタットは、温度によって体積変化するサーモワックスによって弁体を変位させて冷却水流路を開閉する機械的機構を備える冷却水温度応動弁である。
　第２冷却水回路２０には、第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２およびヒータコア２３が配置されている。第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２およびヒータコア２３は、第２冷却水回路２０の冷却水の流れにおいて互いに直列に配置されている。
　第２冷却水ポンプ２１は、第２冷却水回路２０の冷却水を吸入して吐出する電動ポンプである。電気ヒータ２２は、電力が供給されることによって発熱して、第２冷却水回路２０の冷却水を加熱する。電気ヒータ２２に供給される電力量が制御されることによって、電気ヒータ２２の発熱量を制御可能である。電気ヒータ２２は第２熱源である。
　ヒータコア２３は、第２冷却水回路２０の冷却水と、車室内空間２へ送風される空気とを熱交換して空気を加熱する熱交換器である。車室内空間２は空調対象空間である。室内送風機２４は、ヒータコア２３に空気を送風する電動送風機である。ヒータコア２３で加熱された空気は、車室内空間２へ吹き出される。
　第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０は、第１連通流路３１および第２連通流路３２によって互いに連通されている。
　第１連通流路３１および第２連通流路３２は、第１冷却水回路１０のうち燃料電池スタック１２の冷却水出口側かつバイパス流路１５よりも上流側の部位に配置されている。第１連通流路３１および第２連通流路３２は、第２冷却水回路２０のうちヒータコア２３の冷却水出口側かつ電気ヒータ２２の冷却水入口側の部位に配置されている。
　第２連通流路３２と第１冷却水回路１０との接続部は、第１冷却水回路１０において、第１連通流路３１と第１冷却水回路１０との接続部よりも冷却水流れ下流側に位置している。
　第２連通流路３２と第２冷却水回路２０との接続部は、第２冷却水回路２０において、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０との接続部よりも冷却水流れ上流側に位置している。
　切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０との接続部に配置された電磁式三方弁である。
　切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とが連通される状態と連通されない状態とを切り替える熱媒体流れ切替部である。切替弁３３は、流体加熱装置１の運転モードを独立モードおよび熱連携モードのいずれかに切り替えるモード切替部である。
　独立モードでは、切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とを連通させない。これにより、第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０のそれぞれにおいて、冷却水が互いに独立して循環する。
　熱連携モードでは、切替弁３３は、第１連通流路３１と第２冷却水回路２０とを連通させる。これにより、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入して循環するとともに、第２冷却水回路２０の冷却水が第１冷却水回路１０に流入して循環する。
　第１冷却水ポンプ１１、室外送風機１４、バイパス弁１６、第２冷却水ポンプ２１、電気ヒータ２２、室内送風機２４および切替弁３３は、制御装置４０によって制御される。
　制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置４０は、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。制御装置４０の出力側には各種制御対象機器が接続されている。制御装置４０は、各種制御対象機器の作動を制御する制御部である。各制御部は、制御装置４０に対して別体で構成されていてもよい。
　制御装置４０のうち第１冷却水ポンプ１１を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第１流体流量制御部である。制御装置４０のうち第２冷却水ポンプ２１を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第２流体流量制御部である。
　制御装置４０のうち電気ヒータ２２を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、第２熱源制御部である。制御装置４０のうち切替弁３３を制御するソフトウェアおよびハードウェアは、切替制御部である。
　制御装置４０の入力側には、第１水温センサ４１および第２水温センサ４２が接続されている。
　第１水温センサ４１は、第１冷却水温度Ｔｆｃを検出する流体温度検出部である。第１冷却水温度Ｔｆｃは、燃料電池スタック１２から流出した冷却水の温度である。換言すれば、第１冷却水温度Ｔｆｃは、第１冷却水回路１０から第１連通流路３１を介して第２冷却水回路２０に流入する冷却水の温度である。第１冷却水温度Ｔｆｃは第１流体温度である。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃが高いほど第１冷却水ポンプ１１の回転数を高く制御する。
　第２水温センサ４２は、第２冷却水温度Ｔｈｃを検出する流体温度検出部である。第２冷却水温度Ｔｈｃは、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度である。換言すれば、第２冷却水温度Ｔｈｃは、電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度である。第２冷却水温度Ｔｈｃは第２流体温度である。
　制御装置４０の入力側には、内気温度センサ４３、外気温度センサ４４、日射量センサ４５および温度設定スイッチ等が接続されている。
　内気温度センサ４３は車室内温度Ｔｒを検出する。外気温度センサ４４は外気温度Ｔａｍを検出する。日射量センサ４５は車室内の日射量Ｔｓを検出する。
　温度設定スイッチは操作パネル４６に設けられており、乗員によって操作される。操作パネル４６は車室内前部の計器盤付近に配置されている。制御装置４０には、温度設定スイッチからの操作信号が入力される。温度設定スイッチは、車室内空間２の設定温度Ｔｓｅｔを設定するための操作部材である。
　制御装置４０の入力側には、燃料電池制御装置４７およびナビゲーション装置４８が接続されている。燃料電池制御装置４７は、燃料電池スタック１２の作動を制御する燃料電池制御部である。
　燃料電池制御装置４７の入力側には、図示しないアクセル開度センサが接続されている。アクセル開度センサは、アクセル開度を検出するアクセル開度検出部である。アクセル開度センサが検出したアクセル開度は、燃料電池制御装置４７を介して制御装置４０に入力される。
　制御装置４０には、ナビゲーション装置４８の自車位置情報や地図情報等が入力される。
　次に、上記構成における作動を説明する。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃ、第２冷却水温度Ｔｈｃおよび目標吹出温度ＴＡＯ等に基づいて切替弁３３を制御して、運転モードを独立モードおよび熱連携モードのいずれかに切り替える。
　目標吹出温度ＴＡＯは、車室内空間２へ吹き出す吹出空気の目標温度である。制御装置４０は、目標吹出温度ＴＡＯを以下の数式に基づいて算出する。
　ＴＡＯ＝Ｋｓｅｔ×Ｔｓｅｔ－Ｋｒ×Ｔｒ－Ｋａｍ×Ｔａｍ－Ｋｓ×Ｔｓ＋Ｃ
　この数式において、Ｔｓｅｔは操作パネル４６の温度設定スイッチによって設定された車室内設定温度、Ｔｒは内気温度センサ４３によって検出された内気温、Ｔａｍは外気温度センサ４４によって検出された外気温、Ｔｓは日射量センサ４５によって検出された日射量である。Ｋｓｅｔ、Ｋｒ、Ｋａｍ、Ｋｓは制御ゲインであり、Ｃは補正用の定数である。
　目標吹出温度ＴＡＯは、車室内を所望の温度に保つために流体加熱装置１が生じさせる必要のある熱量に相当するものである。目標吹出温度ＴＡＯは、流体加熱装置１に要求される空調熱負荷である。
　独立モードでは、第１冷却水回路１０および第２冷却水回路２０において、冷却水が互いに独立して循環する。熱連携モードでは、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入して循環するとともに、第２冷却水回路２０の冷却水が第１冷却水回路１０に流入して循環する。
　制御装置４０は、例えば車室内空間２を暖房しない場合、運転モードが独立モードになるように切替弁３３を制御する。制御装置４０は、例えば燃料電池スタック１２を冷却しない場合、運転モードが独立モードになるように切替弁３３を制御する。
　制御装置４０は、例えば車室内空間２を暖房し且つ燃料電池スタック１２を冷却する場合、運転モードが熱連携モードになるように切替弁３３を制御する。
　例えば、目標吹出温度ＴＡＯが車室内温度Ｔｒよりも高い場合、車室内空間２を暖房する。例えば、第１冷却水温度Ｔｆｃが燃料電池スタック１２の上限温度よりも高い場合、燃料電池スタック１２を冷却する。
　目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯに基づいて算出される。目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯを作るためにヒータコア２３で必要となる冷却水の温度である。目標冷却水温度ＴＷＯは目標流体温度である。例えば、目標冷却水温度ＴＷＯは、目標吹出温度ＴＡＯと同じ値である。
　熱連携モードの場合、図１の破線矢印で示すように、第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０に流入する。これにより、燃料電池スタック１２で加熱された第１冷却水回路１０の冷却水が第２冷却水回路２０の電気ヒータ２２で加熱された後、ヒータコア２３に流入する。そして、ヒータコア２３にて車室内空間２へ送風される空気が冷却水と熱交換されて加熱されるので、車室内空間２に温風が吹き出されて、車室内空間２が暖房される。
　熱連携モードでは、制御装置４０は、図２のブロック線図に示すように、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを行い、第２冷却水温度Ｔｈｃが目標冷却水温度ＴＷＯに近づくように、制御対象である電気ヒータ２２を制御する。フィードバック制御は、例えばファジー制御である。
　制御装置４０は、入力信号からフィードバック信号を減算し、フィードフォワード信号を加算する。入力信号は目標冷却水温度ＴＷＯである。フィードバック信号は、第２冷却水温度Ｔｈｃである。
　フィードフォワード信号は、第１冷却水温度Ｔｆｃの情報を補正項としたフィードフォワード項である。すなわち、フィードバック制御による水温制御に、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとを補正項とするフィードフォワード制御が加えられる。
　図２中、流入する温水とは、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流入する冷却水の情報のことであり、例えば第１冷却水温度Ｔｆｃや、その時間変化率ΔＴｆｃのことである。
　制御装置４０がこのように電気ヒータ２２を制御することによって、電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度が目標冷却水温度ＴＷＯに近づく。
　電気ヒータ２２で加熱された冷却水の温度が目標冷却水温度ＴＷＯに近くなるので、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度も目標冷却水温度ＴＷＯに近くなる。そのため、ヒータコア２３で加熱された空気の温度を目標吹出温度ＴＡＯに近づけることができるので、車室内空間２を所望の温度に暖房することができる。
　本実施形態では、制御装置４０は、切替弁３３が第１冷却水回路１０と電気ヒータ２２とを接続している場合、電気ヒータ２２で加熱された流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流入する流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う。
　これによると、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流体が流入した際に第１冷却水回路１０の流体の温度との差に対する感度が高くなることを抑制できるので、制御の反応が過敏になって必要以上にエネルギーを消費してしまうことを抑制できる。例えば、燃料電池スタックやエンジン等の熱源を持つ熱源水回路と、電気ヒータを有する空調用水回路とが切替弁を介して並列に接続された水回路システムにおいて、制御の過敏な反応を抑制できる。
　本実施形態では、制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとに基づいてフィードフォワード制御を行う。第１冷却水温度Ｔｆｃは、燃料電池スタック１２の出口における冷却水の温度である。
　これにより、第１冷却水回路１０から第２冷却水回路２０に流体が流入した際に第１冷却水回路１０の冷却水の温度との差に対する感度が高くなることを確実に抑制できる。
　本実施形態では、制御装置４０は、第２冷却水温度Ｔｈｃが目標冷却水温度ＴＷＯに近づくように、フィードバック制御およびフィードフォワード制御を行う。第２冷却水温度Ｔｈｃは、ヒータコア２３に流入する冷却水の温度である。
　これにより、車室内空間２を適切に暖房して乗員の快適性を確保しつつ、電気ヒータ２２でのエネルギーの消費を抑制できる。
　（他の実施形態）
　上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。
　（１）上記実施形態では、第２冷却水回路２０の冷却水が電気ヒータ２２によって加熱されるが、電気ヒータ２２に限定されるものではなく、加熱能力を制御可能な種々の熱源によって第２冷却水回路２０の冷却水が加熱されてもよい。例えば、燃焼式ヒータによって第２冷却水回路２０の冷却水が加熱されてもよい。
　（２）上記実施形態では、切替弁３３は三方弁であるが、切替弁３３は、第１連通流路３１を開閉する開閉弁であってもよい。
　（３）上記実施形態では、フィードフォワード項として、第１冷却水温度Ｔｆｃと、その時間変化率ΔＴｆｃとに基づく補正量が用いられるが、フィードフォワード項は、目標冷却水温度ＴＷＯや目標吹出温度ＴＡＯに基づく補正量が用いられてもよい。
　フィードフォワード項は、アクセル開度に基づく補正量が用いられてもよい。アクセル開度が大きくなると燃料電池スタック１２の温度が高くなり、第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。
　フィードフォワード項は、ナビゲーション装置４８の自車位置情報および地図情報に基づく補正量が用いられてもよい。上り坂を走行している時はアクセル開度が大きくなり、燃料電池スタック１２の温度が高くなって第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。
　フィードフォワード項は、燃料電池スタック１２の蓄電残量ＳＯＣに基づく補正量が用いられてもよい。蓄電残量ＳＯＣが小さい場合、発電量が多くなり、第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。
　フィードフォワード項は、燃料電池スタック１２の第１冷却水ポンプ１１の回転数に基づく補正量が用いられてもよい。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃが高いほど第１冷却水ポンプ１１の回転数を高く制御するからである。
　フィードフォワード項は、燃料電池スタック１２の第１冷却水ポンプ１１の回転数に基づく補正量が用いられてもよい。制御装置４０は、第１冷却水温度Ｔｆｃが高いほど第１冷却水ポンプ１１の回転数を高く制御するからである。
　フィードフォワード項は、外気温度Ｔａｍに基づく補正量が用いられてもよい。外気温度Ｔａｍが低いほど燃料電池スタック１２の発電量が多くなって第１冷却水温度Ｔｆｃが高くなるからである。
　（４）上記実施形態では、流体加熱装置１は燃料電池自動車に搭載されていて、第１冷却水回路１０の冷却水が燃料電池スタック１２によって加熱されるが、これに限定されるものではなく、流体加熱装置１は、エンジンを備える自動車に搭載されていて、第１冷却水回路１０の冷却水がエンジンによって加熱されてもよい。
　本開示は実施例を参照して記載されているが、本開示は開示された上記実施例や構造に限定されるものではないと理解される。寧ろ、本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形を包含する。加えて、本開示の様々な要素が、様々な組み合わせや形態によって示されているが、それら要素よりも多くの要素、あるいは少ない要素、またはそのうちの１つだけの要素を含む他の組み合わせや形態も、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (3)

  1. 　第１熱源（１２）に流体を循環させる第１流体回路（１０）と、
    　第２熱源（２２）に前記流体を循環させる第２流体回路（２０）と、
    　前記流体の流れにおいて前記第１流体回路（１０）と前記第２熱源（２２）とを接続する状態と接続しない状態とを切り替える切替部（３３）と、
    　前記第２熱源（２２）を制御する制御部（４０）とを備え、
    　前記制御部（４０）は、前記切替部（３３）が前記第１流体回路（１０）と前記第２熱源（２２）とを接続している場合、前記第２熱源（２２）で加熱された前記流体の温度に基づくフィードバック制御を行うとともに、前記第１流体回路（１０）から前記第２流体回路（２０）に流入する前記流体の温度に基づくフィードフォワード制御を行う流体加熱装置。
  2. 　前記制御部（４０）は、前記第１熱源（１２）の出口における前記流体の温度である第１流体温度（Ｔｆｃ）と、前記第１流体温度（Ｔｆｃ）の時間変化率（ΔＴｆｃ）とに基づいて前記フィードフォワード制御を行う請求項１に記載の流体加熱装置。
  3. 　前記第２熱源（２２）で加熱された前記流体と、空調対象空間（２）へ送風される空気とを熱交換させて前記空気を加熱するヒータコア（２３）を備え、
    　前記制御部（４０）は、前記ヒータコア（２３）に流入する前記流体の温度（Ｔｈｃ）が目標温度（ＴＷＯ）に近づくように、前記フィードバック制御および前記フィードフォワード制御を行う請求項１または２に記載の流体加熱装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013168281A (ja) * 2012-02-15 2013-08-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
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