JP2004136877A - ハイブリッド電気自動車のパワートレインの熱制御 - Google Patents

ハイブリッド電気自動車のパワートレインの熱制御 Download PDF

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Abstract

【課題】　ハイブリッド電気自動車の熱環境を最適にする。
【解決手段】　本発明のパワートレイン熱システムは種々のセンサおよび信号を含み、センサの一部はパワートレイン熱システム自身内に位置する。大部分のセンサはハイブリッドな電気自動車の他のシステム内に位置する。センサとしてエンジンの水ジャケットの出口に位置し、エンジン制御ユニット内に含まれるエンジン冷却液温度センサと、液体−液体熱交換器の変速機の流体出口に位置し、変速機制御ユニット内に含まれる変速機流体温度センサと、電気水ポンプとインバータコールドプレートの入口との間に位置し、パワートレイン熱制御ユニット内に含まれるモータ冷却液温度センサと、モータ−インバータ制御ユニット内に含まれるステータの端部巻線温度センサと、バッテリー制御ユニット内に含まれるバッテリー温度センサがある。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は熱制御の技術分野に関し、特にパワートレインの熱制御の技術分野に関する。
　ハイブリッド電気自動車が作動されると、その自動車のパワートレインは熱を発生する。この熱はパワートレイン、例えば電力用電子機器、けん引モータ、高電圧バッテリー、エンジンおよび変速機の種々の構成部品を破損し得る。
　従って、本発明の目的はハイブリッド電気自動車のパワートレインの熱環境を最適にするという課題を解決することにある。
　本発明はハイブリッド電気自動車における熱環境を最適にする方法において、モータの冷却液の温度ＭＣＴを制御する工程と、ステータの端部の巻線温度ＳＥＴを制御する工程と、変速機の流体温度ＴＦＴを制御する工程と、電力を軽減する工程と、電気水バルブＥＷＶを制御する工程とを備えた方法を提供するものである。
　別の実施例では、本発明はハイブリッド電気自動車のパワートレイン熱システムにおいて、パワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵと、このパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵに作動的に接続されたパワートレイン管理制御ユニットＰＳＣと、このパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵに作動的に接続されたコントローラエリアネットワークＣＡＮリンクと、このコントローラエリアネットワークＣＡＮリンクに作動的に接続された電子空調ＥＣＣシステムと、コントローラエリアネットワークＣＡＮリンクに作動的に接続された変速機制御ユニットＴｘＣＵと、コントローラエリアネットワークＣＡＮリンクに作動的に接続されたモータ−インバータ制御ユニットＭＩＣＵと、コントローラエリアネットワークＣＡＮリンクに作動的に接続されたエンジン制御ユニットＥＣＵと、コントローラエリアネットワークＣＡＮリンクに作動的に接続されたバッテリー制御ユニットＢＣＵとを備えたハイブリッド電気自動車のパワートレイン熱システムを提供するものである。
　次の詳細な説明、特許請求の範囲および図面から、本発明を適用できる更なる範囲が明らかとなろう。しかしながら、当業者には本発明の要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能であることは明らかであるので、本発明の好ましい実施例を示す次の詳細な説明および特定の例は、単に例示のために示されているものと理解すべきである。
　以下に示す詳細な説明、添付した特許請求の範囲および添付図面から、本発明についてより完全に理解できよう。
　パワートレインの熱回路
　ハイブリッド電気自動車ではパワートレインの熱システムは電力用電子機器、けん引モータ、高電圧（ＨＶ）バッテリーＨＶＢ、エンジンＥＧおよび変速機ＴＲの熱環境を最適にしなければならない。ハイブリッド電気自動車で使用されるパワートレインの熱システムの一例は、本明細書で参考例として援用する２００２年１月４日に出願された「車室暖房およびエンジン暖気用のハイブリッド自動車のパワートレイン熱管理システムおよび方法」を発明の名称とする継続中の米国特許出願第10/036056号に開示されている。
　センサおよび信号
　パワートレイン熱システムは種々のセンサおよび信号を含み、および／またはこれらを利用している。パワートレイン熱システム自体に設けられているセンサもあるが、大部分のセンサはハイブリッド電気自動車の他のシステム内に設けられている。センサの一部の位置は図１の冷却回路内にも示されている。これらセンサとしてエンジン冷却液温度ＥＣＴセンサと、変速機流体温度ＴＦＴセンサと、モータ冷却液温度ＭＣＴセンサと、ステータの端部巻線温度ＳＥＴセンサと、周辺温度Ｔ＿ａｍｂｉｅｎｔセンサとが挙げられる。
　エンジンで駆動される機械式水ポンプＭＷＰはエンジン冷却システムを通過させるようにエンジン冷却液ＥＣを循環させる。エンジンのサーモスタットＥＴはエンジンのラジエターＥＲおよびエンジンのバイパスＥＢを通過するエンジン冷却液ＥＣの流量を調節するので、エンジンＥＧの暖気時間を短くし、エンジンＥＧを最適作動温度範囲に維持するように働く。図１に示されたエンジン熱回路に対する、明らかなエンジンバイパスＥＢはなく、ヒータコアＨＣのサブ回路はエンジンのバイパスＥＢの２倍となっている。エンジンの出口での冷却液の温度が予め設定した開放時の温度（例えば１８５°Ｆ）未満であると、エンジンのラジエターＥＲへのエンジンサーモスタットＥＴの出口が閉じられ、エンジンの冷却液ＥＣはバイパスＥＢを通過してポンプへ流れる。冷却液の温度がサーモスタット開放温度よりも上昇すると、エンジンＥＧに対するエンジンのサーモスタットＥＴの出口が開き始め、冷却液の温度が所定の温度（例えば１９５°Ｆ）より高くなると、完全に開く。エンジンのラジエターＥＲを通過して流れるエンジンの冷却液ＥＣ部分は周辺大気へ熱を放出する。ポンプの入口に進入する前にエンジンのラジエターＥＲを通過して流れるエンジン冷却液ＥＣ部分とバイパスＥＢを通過して流れるエンジン冷却液部分とが共に混合する。圧力レリーフキャップを備えたガス抜きボトルＤＧは冷却システムに対して連続的な空気除去を行う。
　図２は熱システム内に含まれるパワートレイン熱制御ユニットＥＴＣＵとその他の制御ユニットとの間の信号フローを示す。センサおよび信号として次のものが挙げられる。
　・エンジンのウォータージャケットの出口に設けられ、現在のエンジン制御ユニットＥＣＵに含まれるＥＣＴ（エンジン冷却液温度）センサ
　・液体−液体熱交換器ＬＥの出口に設けられ、変速機制御ユニットＴｘＣＵに含まれるＴＦＴ（変速機の流体温度）センサ。このセンサは変速機ＴＲの入口または温度が液体−液体熱交換器ＬＥの出口の温度と温度が実質的に同じとなる任意の場所にも設けることができる。
　・電気水ポンプＥＷＰとインバータのコールドプレートＩＣＰの入口との間に位置し、パワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵに含まれるＭＣＴ（モータ冷却液温度）センサ。このセンサはコールドプレートＩＣＰの上、コールドプレートＩＣＰの入口またはコールドプレートＩＣＰの流れチャンネルの内部にも設置できる。
　・モータのステータの端部巻線またはその実質的に近い部分に設けられ、モータインバータ制御ユニットＭＩＣＵ内に含まれるＳＥＴ（ステータの端部巻線温度）センサ
　・バッテリー温度センサ。このセンサの１つ以上はバッテリー制御ユニットＢＣＵ内に設けられる。
　・パワートレイン管理制御装置ＰＳＣ内に含まれるRoad＿speedセンサ
　・電子空調システムＥＣＣ内に含まれるT＿ambient（周辺温度）センサ
　表１および図２に示されるように、パワートレインの熱制御ユニットＰＴＣＵは種々の制御ユニット内およびパワートレインの熱制御ユニットＰＴＣＵ内に含まれるセンサからの多数の信号を受信し、これらを使用する。例えばパワートレインの熱制御ユニットＰＴＣＵはパワートレイン管理制御装置ＰＳＣ内に含まれるセンサから直接road＿speed信号およびengine＿state＿command信号を受ける。road＿speed信号は自動車が走行している速度を表示している。表１はroad＿speed信号に関する詳細を他の信号と共に示している。例えば道路上速度は０〜４５メータ／秒の範囲のメータ／秒を単位として測定される。この信号は２０秒ごとにサンプリングされるデジタル信号である。更に、この信号はパワートレイン管理制御装置ＰＳＣからパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵへ送られる。
　パワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵは電子空調装置ＥＣＣからコントローラエリアネットワークＣＡＮリンクを通して周辺温度信号T＿ambientおよびヒーターリクエスト信号ecc＿heater＿rqstの双方を受信する。更に、ＰＴＣＵはＣＡＮリンクを通して変速機制御ユニットＴｘＣＵからの変速機の流体温度信号ＴＦＴを受信する。更にパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵはＣＡＮリンクを通してモータ−インバータ制御ユニットＭＩＣＵからのコールドプレート温度ＣＰＴ信号、エンジン制御ユニットＥＣＵからのエンジン制御ユニットファンリクエスト信号ecu＿fan＿speed＿rqstおよび高電圧（ＨＶ）バッテリーＨＶＢからのバッテリー表面温度信号T＿batteryを受信する。更にパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵはモータ冷却液温度ＭＣＴセンサに直接リンクされている。
　パワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵは電気水ポンプＥＷＰ、電気水バルブＥＷＶ、電気冷却ファンＥＣＦおよびバッテリー吸気スイッチＢＳＷの作動を制御するために、これらすべての入力信号を使用する。バッテリー冷却空気制御装置は従来の技術で開示されている多くの装置のうちの１つでよい。
　更にパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵはシステムの熱状態に基づき、パワートレイン管理制御装置ＰＳＣヘ順向的にmotor＿power＿thermal＿limit信号を発生する。必要なときにパワートレイン熱制御ユニットＰＴＣＵは電子空調装置ＥＣＣに対し、Ａ／ＣコンデンサＡ／Ｃ１から最大のＡ／Ｃを発生し、バッテリー冷却システムに対し（毎分立方フィートで測定した）空気流量を発生し、車室から冷却された空気を吸引することを命令する。次の表は信号のすべてのサイズ、例えばそれらの分解能およびサンプリング時間を示すものである。
　　　　　　　　　　　　　　表１．　信号の詳細
Figure 2004136877
　制御方法
　次の記載はハイブリッド電気自動車ＨＥＶのエンジンの異なる構成部品の温度を制御するのに使用される方法の説明である。これら構成部品として、インバータコールドプレートＩＣＰと、電動モータＥＭと、液体−液体熱交換器ＬＥと、電気水バルブＥＷＶとが挙げられる。
　インバータのコールドプレート
　このインバータは、バッテリーのＤＣ電圧をモータが使用するためのＡＣ信号へ変換することおよびこの逆の変換に使用される電子機器を含む。インバータコールドプレートＩＣＰではトランジスタまたは接合部の温度は１２５℃より低いままであることが好ましい。この温度を越えると、電子機器の性能が劣化する。更に、温度が１７５℃を越えると、電子機器に修復不能な破損が生じ得る。
　コールドプレートＩＣＰはプレートの構造に応じた１秒〜１５秒までの間の時定数を有する。従って、モータの冷却液の温度ＭＣＴを５０℃より低く維持し、冷却液の流量を０.１リットル／秒以上に維持することが好ましい。モータの冷却液の温度ＭＣＴが５０℃より高く上昇すると、モータ電力制限が駆動され、この５０℃の限界を越えた温度の程度に比例して熱量の発生を低減する。
　モータの冷却液の流量に基づき、温度の限度またはモータ電力の限度のいずれかを調節することができる。これより冷却液の流量が大きくなると、モータの冷却液とコールドプレートとの間の滞留による熱伝達を改善できる。インバータのトランジスタの温度の制御を助けるのにコールドプレートの温度ＣＰＴセンサを使用することもできる。しかしながら、その有効性はプレート内の温度の空間的かつダイナミックなバラツキによって悪影響を受けることがある。
　電動モータ
　電動モータＥＭではステータの端部の巻線温度ＳＥＴを１８０℃よりも低く維持することが好ましい。この温度を越えると、コイルの絶縁に修復不能な損傷が生じることがある。ステータではステータの端部巻線は良好な熱交換媒体によって囲まれていないので、ステータの端部巻線は最高温度で作動することになる。
　永久磁石を使った電動モータのロータでは実質的な熱の発生はないと一般に信じられるが、次の２つの理由から、ロータの熱状態もモニタする。
　（１）全体の熱の発生を少なくすることができるが、特に温度に敏感な磁石のまわりで局部的なホットスポットが生じ得ること。
　（２）ロータすなわちモータのトルクは磁石の温度に大きく関連しているので、モータをスムーズに作動させるには磁石の温度に関するダイナミックな情報が必要であること。好ましい実施例では、ロータの温度はステータの端部巻線の温度ＳＥＴから外挿される。
　液体−液体熱交換器
　液体−液体熱交換器ＬＥでは、６０℃を目標温度として変速機の流体温度ＴＦＴを４０〜８０℃の作動範囲内に維持することが好ましい。この温度範囲および目標温度は一般に用途に応じて決まり、ここで使用される値は次の２つの理由から通常の温度よりも低い。（１）本発明に関連する特定システムで使用される変速機が温度の影響をより受けやすい連続可変式変速機（ＣＶＴ）であること、および（２）冷却媒体の温度がエンジンの冷却液の温度ＥＣＴよりもかなり低くなっているモータの冷却液の温度ＭＣＴとなっている液体−液体熱交換器ＬＥを使用していることにより、この特定のシステムでは温度がより低くなり得ること。従来のパワートレインに対して変速機の流体は熱をエンジンの冷却液にダンプする。
　変速機ＴＲ内での位置が異なれば、変速機の流体の温度も異なる。このような熱回路では、変速機の流体の温度ＴＦＴはサンプではなく種々の回路に冷却された流体を供給する液体−液体熱交換器ＬＥの出口における変速機の流体温度として定義される。
　しかしながら、変速機の流体の温度は変速機のオイルサンプ内の温度および連続可変ユニット、潤滑油回路およびクラッチ回路のリターンラインにおける温度よりもかなり高いことが予想される。
　変速機の流体の粘性は冷却液の粘性よりも一般に温度に影響されやすい。スムーズに制御し、より効率的にするには、変速機の流体の温度ＴＦＴを妥当な範囲内に留めることが好ましい。変速機の流体の温度ＴＦＴは４０〜８０℃の範囲内に留めることが好ましいが、この範囲から若干ずれても、その結果、修復不能な破損または機能不能が生じることはない。例えば寒い冬の朝にハイブリッド電気自動車ＨＥＶを作動させると、変速機の流体の温度ＴＦＴはショートトリップの間の時間のすべてはないにしても、ほとんどの間、４０℃より低く維持できる。
　電気水バルブ
　電気水バルブＥＷＶは通常、オフ位置にある。この位置にあると、エンジンの冷却液はヒータのコアＨＣを通過するが、モータの冷却器は電気水バルブＥＷＣを直接通過し、モータ冷却回路へ戻る。
　次の３つの条件すべてが真となった場合、電気水バルブＥＷＶはオン位置へ切り換えられる。
　１．エンジンＥＧがオフになっていること
　２．暖房の必要があること
　３．モータの冷却液が適度に暖かいこと
　電気水バルブＥＷＶがオンであると、（エンジンではなく）モータの冷却液はヒーターのコアを通過するが、一方、（モータではない）エンジンの冷却液はバルブを直接通過し、エンジンの冷却回路へ戻る。
　制御の詳細
　本発明の方法はモータの冷却液の温度ＭＣＴ、ステータの端部の巻線温度ＳＥＴ、変速機の流体の温度ＴＦＴ、電気水バルブＥＷＶの温度を制御し、電力を軽減することにより、ハイブリッドな電気自動車ＨＭＶにおける熱環境を最適にする。
　モータの冷却液の温度（ＭＣＴ）の制御
　次の限度および目標に基づき、モータの冷却液の温度ＭＣＴを制御する。
　・ＭＣＴ１＝下限（３０℃）
　・ＭＣＴ２＝目標点（４０℃）
　・ＭＣＴ３＝上限（５５℃）
　更に次の３つの機構、すなわちモータのサーモスタットＭＴの温度設定、冷却ファンＥＣＦおよびモータの冷却液の流量ＱＷを使ってモータの冷却液の温度ＭＣＴを制御する。
　モータのサーモスタットＭＴの温度設定
　モータのサーモスタットＭＴを完全に閉じた状態に設定すると、これによりＭＣＴ＝ＭＣＴ１となるまで冷却液はモータのラジエータを通過できない。次に、ＭＣＴ＝ＭＣＴ２となり、サーモスタットが完全に開となるまで、モータの冷却液の温度ＭＣＴが上がるにつれ、サーモスタットＭＴは徐々に開となる。
　電気冷却ファンＥＣＦ：通常の自動車の速度、環境条件および熱発生のもとでは、モータのラジエータＭＲは熱を散逸するのに十分である。しかしながら、ＭＣＴがＭＣＴ３よりも上に上昇した場合、ＭＣＴ＜ＭＣＴ３となることを保証するように、冷却ファンをターンオンする。このような状況は特に自動車の速度が０または低い時に生じ得る。
　運搬の遅れおよびシステムの慣性により、単一の温度点でファン制御を実施することはできない。従って、頻繁なオンオフ動作、関連するノイズおよび中断を防止するためにある作動温度バンドよりも上で作動させなければならない。図３は作動バンドＭＣＴ２からＭＣＴ３までの使用を示している。モータの冷却温度ＭＣＴが４０℃以下となると、fan＿switch control信号を０にセットし、ファンをオフにする。モータの冷却液の温度ＭＣＴが５０℃よりも上に上昇すると、fan＿switch control信号を１にセットし、ファンをオンにする。
　同一の電気冷却ファンＥＣＦを使用すると、エンジンのラジエータＥＲの温度だけでなく、モータのラジエータＭＲの温度にも影響が及ぶ。過熱のほうが過冷却よりも危険であると仮定した場合、図４に示されるようなモータ回路またはエンジン回路のいずれかからの最大の冷却の要求を満たすのに、最大の温度論理制御を使用する。
　図４の説明
　図４において、psc＿fan＿rqst信号はエンジン冷却回路からの冷却ファン要求信号を示す。このpsc＿fan＿rqst信号はパワートレイン管理コントローラＰＳＣから送られるものであり、パワートレイン管理コントローラはエンジン制御モジュールＥＣＭからの冷却要求を受信している。信号１、すなわちpsc＿fan＿rqst信号は論理チップＭＸ１に入力され、このチップはすべての入力信号の最大値を計算し、これを出力する。
　図４には車速またはラム空気速度を測定するのに使用される別の論理回路も示されている。例えば信号２、すなわち車速信号であるroad＿speedはルックアップテーブルＬＴ１に入力され、このルックアップテーブルはroad＿speedをram＿air＿speedに変換する。信号ram＿air＿speedとは自動車の前方において冷却アセンブリを通過する空気の速度を示す。信号ram＿air＿speedは空気動力学的抵抗により、一般に道路上速度の一部、例えば４０％にすぎない。ルックアップテーブルＬＴ１は入力信号に対して所定の率、すなわち０.４を乗算するだけであり、すなわちより複雑な数学的変換を実行できるにすぎない。ＬＴ１の出力、すなわちram＿air＿speedは加算器Ｓ１およびＳ２に入力される。
　信号３、すなわちファンfan＿switch信号はスイッチＳＷ１を制御する。スイッチＳＷ１は頂部から底部に番号がつけられた３つの入力端を有する。信号３は入力信号が（この場合０.５となるようにブロック内で割り当てられた）スレッショルド以上である時に入力端を通過し、そうでない場合は入力端３を通過する。この場合において、fan＿switch信号が１以上であると、出力信号は加算器Ｓ１からの入力信号に等しくなり、そうでない場合は入力信号はアースされる。すなわち０となる。
　信号４、すなわちモータ冷却液温度エラー信号MCT＿errorは、ルックアップテーブルＬＴ１の入力信号であり、このルックアップテーブルはMCT＿error信号をram＿air＿speed request信号に変換する。この場合、このルックアップテーブルは特定のテーブルを使って入力値の一次元線形内挿を実行する。テーブルの境界の外では外挿を実行する。MCT＿error信号が１０℃であると、例えば２４.４×０.４メータ／秒のram＿air＿speedを要求できる。ＬＴ２の出力信号は加算器Ｓ１に入力され、加算器Ｓ１はスイッチＳＷ１の入力信号１である総計ram＿air＿speed request信号を計算する。
　図４ではスイッチＳＷ１は総計ram＿air＿speed request信号に接続されている。この信号はスイッチＳＷ１によって制限器ＬＭ１へ送られる制限器ＬＭ１は総計の値が上下スレッショルド内にある場合、この総計信号を通過させる。総計ram＿air＿speed request信号が上方スレッショルドを越えた場合、制限器ＬＭ１の出力値はこの上方スレッショルド（例えば２４.４×０.４メータ／秒）にクランプされる。
　同様に、総計ram＿air＿speed request信号が下方スレッショルド未満である場合、制限器ＬＭ１の出力電圧は下方スレッショルド（例えば０メータ／秒）にクランプされる。制限器ＬＭ１の出力は論理チップＭＸ１の入力信号２となる。ＭＸ１の出力信号はair demand信号である。この信号スイッチＳＷ２、更に加算器Ｓ２への入力１でもある。
　冷却ファンの冷却効果は車速がより速くなった場合に低下する。従って、車速がより速い場合ファンは低速となるように調節されるか、またはオフにされる。図４に示された追加論理回路はファンの速度を制御するのに可変速度または可変デューティサイクルを使用している。
　加算器Ｓ２の出力信号はスイッチＳＷ２を制御するのに使用され、スイッチＳＷ２はスイッチＳＷ１と同じように論理的に機能し、ゼロのスレッショルド値を有する。加算器Ｓ２はair demand信号とram＿air＿speed信号との差を出力する。air demand信号のほうがram＿air＿speed信号よりも大であれば、ファンはオンにされる。このことは、スイッチＳＷ２がair＿demand信号に接続されている図４に示されている。この信号はスイッチＳＷ２によってマルチプレクサＭＵＸへ送られる。
　マルチプレクサＭＵＸの出力信号は機能ブロックＦＢ１に入力され、この機能ブロックは次の式を使って冷却ファンのためのファンデューティサイクル信号fan＿dutyを計算する。
Figure 2004136877
　ファン速度はこのデューティサイクルを変えることによって変更または変調することができる。次に、このパルス幅変調信号は制限器Ｌ２を通してスイッチＳＷ３へ送られ、このスイッチＳＷ３はスイッチＳＷ１と同じように論理的に機能し、０のスレッショルド値を有する。
　信号２、すなわちroad＿speed信号は加算器Ｓ３の１つの入力信号である。加算器Ｓ２の他方の入力信号はroad＿speed＿cutoff信号であり、この信号は道路上速度（例えば８８ｋｍ／時間または２４.４ｍ／秒）を参照し、この速度では冷却ファンの効果がほとんど低下するように、その結果生じるラム空気速度は圧倒的に速くなる。加算器Ｓ３の出力信号はスイッチＳＷ３を制御するのに使用される。road＿speed信号がroad＿speed＿cutoff信号未満であれば、通常、加算器Ｓ３の出力は０よりも大となる。このことは図４に示されており、この図では、ＳＷ３はファン速度を制御するのに使用される信号fan＿dutyに接続されている。
　road＿speed信号がroad＿speed＿cutoff信号より大であれば、スイッチＳＷ３はアースされるように切り換えられ、０％のデューティサイクル制御信号を発生し、ファンをオフにする。既に述べたように、冷却ファンの冷却効果は道路上速度がより高くなると低下する。従って、より高い道路上速度でファンはオフにされる。
　パルス幅変調（ＰＷＭ）またはその他の類似手段を使って冷却ファン論理を実現できる。より高い速度でファンを単にオフにするために簡単なオンオフファンを使用すると、論理回路を簡単にできる。
　冷却液流量：冷却液の流量が増すと、モータの冷却液の温度ＭＣＴを低下するのに役立つ。このことは、更にインバータおよびモータの双方において滞留熱伝達を増すのも助けるので、モータの冷却液温度ＭＣＴに対し、システムの公差をより大きい値にすることができる。この制御論理回路は図５に示されている。
　ステータの端部巻線の温度（ＳＥＴ）の制御
　次の限度および目標を使ってステータの端部巻線の温度（ＳＥＴ）を制御する。
　・ＳＥＴ１＝通常のモータの冷却液流量に対し、１４０℃のスレッショルドとする。
　・ＳＥＴ２＝より大きいモータ冷却液の流量および電力軽減に対し、１６０℃のスレッショルドとする。
　・ＳＥＴ３＝１８０℃の許可された最大ＳＥＴ値とする。
　モータの冷却液の流量ＱＷの制御
　モータの冷却液の流量ＱＷを制御することによってステータの端部巻線の温度ＳＥＴを制御する。モータの冷却液の温度ＭＣＴはステータの端部巻線の温度ＳＥＴに直接影響し、その限度および目標は主にインバータＩＣＰを正しく作動させるために選択され、ある程度は変速機ＴＲを正しく作動させるのに選択される。モータの冷却液の温度ＭＣＴが限度内にある場合、モータの冷却チャンネルは熱散逸状態のすべてではないにしてもほとんどを処理するようになっている。特定のハイブリッド電気自動車ＨＥＶの熱システムに対してはモータ冷却流量ＱＷは通常、約０.１６リットル／秒に維持される。必要とされるとき（例えば図５に示されるようにステータの端部巻線温度ＳＥＴ＞ＳＥＴ２の時に）モータの冷却チャンネルにおいて、滞留熱伝達を高め、温度上昇を下げるのに、冷却液の流量ＱＷをより大きい流量（例えば０.２リットル／秒）に設定できる。頻繁な切り換わりを防止するために、ステータの端部巻線の温度ＳＥＴがＳＥＴ１、例えば１４０℃よりも低く低下するまで、冷却液の流量ＱＷをより大きい流量に維持する。車室において、（例えば電気水バルブＥＷＶをオンにした状態で）モータ冷却液による暖房が必要なとき、および変速機の流体温度ＴＦＴが十分暖かくない時には、変速機の流体温度ＴＦＴおよびモータの冷却液の出口温度を液体−液体熱交換器ＬＥよりも高くするために、モータの冷却液の流量ＱＷを人工的に低く（すなわち０.６リットル／秒、図５参照）維持することができる。
　変速機の流体温度（ＴＦＴ）の制御
　次の限度および目標点を使って変速機の流体温度ＴＦＴを制御する。
　・ＴＦＴ１＝下限（４０℃）
　・ＴＦＴ２＝目標点（６０℃）
　・ＴＦＴ３＝上限（８０℃）
　低いオイルの温度および高い粘性に関連する大きな摩擦による損失および動かしにくいシフト操作を防止するために、変速機の流体を高速でウォームアップするために、下限のＴＦＴ１を最小スレッショルドとして設定する。目標点ＴＦＴ２を理想的なオイルの温度と推定する。上限ＴＦＴ３は上限温度である。この場合、８０℃がこれまでの限度である。ＴＦＴ３を時々越える動作は変速機の寿命に実質的な悪影響を及ぼさない。車室の暖房の要望に合わせるには、電気水バルブＥＷＶがオンの時に、ＴＦＴ３をより高い値（例えば９０℃）に設定することが好ましい。このことは、自動車はモータの冷却液をヒータのコアＨＣを通過するように冷却液を循環させることを意味する。
　変速機の流体温度ＴＦＴは、モータ冷却液の温度ＭＣＴのレンジおよび冷却液の流量ＱＷの制御に関する次の機構を使って制御される。
　モータの冷却液の温度ＭＣＴを正しいレンジに設定すること：モータの冷却液ＭＣおよび自動変速機の流体ＡＴＦは液体−液体熱交換器ＬＥでかなり有効な熱交換が行われるのに起因し、モータの冷却液の温度ＭＣＴは変速機の流体温度ＴＦＴに大きな効果を有する。従って、モータの冷却液の温度であるＭＣＴの限度および目標は、変速機の流体温度ＴＦＴを制御するように選択される。更に、モータの冷却液の温度ＭＣＴはシステム内の弱いリンクでよいインバータのコールドプレートＩＣＰの温度を制御するのに使用される。インバータのコールドプレートＩＣＰおよび電動モータＥＭの双方には熱エネルギーが累積されるので、モータの冷却液ＭＣが液体−液体熱交換器ＬＥに達すると、より高い温度となる。従って、モータの冷却液の温度ＭＣＴの限度および目標点を定める際に、変速機の流体温度ＴＦＴの制御の必要性および回路における熱の発生量を検討する。変速機の流体の温度ＴＦＴは、その他の要因、例えば変速機ＴＲのような回路の他の部品における熱の発生、モータの冷却液の流量ＱＷ、オイルポンプの流量および変速機ＴＲ内での種々のサブ回路内でのオイルの使用量によって影響を受ける。
　モータの冷却液の流量ＱＷの制御：変速機の流体の温度ＴＦＴを制御するのに使用される第２メカニズムはモータの冷却液の流量ＱＷである。液体−液体熱交換器ＬＥでは、モータの冷却液の流量の値がより大きくなると、冷却液の入口温度が低下し、変速機の流体からの熱の除去量が増すので、変速機の流体温度ＴＦＴの値が下がる。ウォームアップ中、変速機の流体の温度ＴＦＴ＞ＴＦＴ３の時に、ＴＦＴが０.１６リットル／秒の通常の流量から０.２０リットル／秒となるまで冷却液の流量ＱＷは増加し、次に変速機の流体温度ＴＦＴが図５に示されるようにＴＦＴ２に減少して戻る時に、０.１６リットル／秒の通常の流量に戻るまで０.１リットル／秒の低い値に維持される。
　電力の軽減
　インバータのコールドプレートＩＣＰおよび／または電動モータＥＭの過熱を防止するために、電気回路における電力レベルを下げるように電力を軽減する。この軽減は、モータの冷却液の温度ＭＣＴ＞ＭＣＴ３（例えば５０℃）および／または図６に示されるように、ステータの端部巻線の温度がＳＥＴ＞ＳＥＴ２（例えば１６０℃）となるような状況で起こり得る。
　この電力軽減中にパワートレイン管理コントローラＰＳＣはエンジンＥＧからの出力をより多く割り当てることにより、ドライバーが要求する同じ量の全動力を認めることができる。この結果、変速機ＴＲは電力軽減中に同じ量の熱を発生し得る。しかしながら、本発明は熱慣性を大きくし、設計許容差をゆるやかにすることにより高い電力レベルによって生じる熱から変速機を保護するものである。従って、変速機ＴＲを保護するために電力を軽減する必要はない。
　電気水バルブの制御
　通常、電気水バルブＥＷＶはオフとなっている。この状態において、エンジンの冷却液は電気水バルブＥＷＶを通り、ヒーターのコアＨＣを通過するように循環されるが、他方、モータの冷却液はヒーターのコアＨＣからアイソレートされる。他方、電気水バルブＥＷＶがオンの時には、バルブＥＷＶはエンジン冷却回路からではなくて、モータの冷却回路のための冷却液をヒーターのコアＨＣへ循環させる。熱が求められ、エンジンＥＧがオンであり、図７に示されるようにモータの冷却液が十分暖かい時には、電気水バルブＥＷＶはオンに切り換えられる。
　別の制御アルゴリズム
　これまで説明した制御方法は図３、４および５に示されるように、一般にある状態から別の状態に別々に実現される。これら制御方法はこのような方法だけに限定されず、連続的に実施することも可能である。次のように、例えば図５においてmedium＿pump状態からhigh＿pump状態への変更を実施できる。
　ＴＦＴ＜６０℃の場合、ｄＴＦＴ＝０とし、
　ＴＦＴ＞８０℃の場合、　　　　＝１とし
　それ以外の場合、　　　　　　　＝（ＴＦＴ−６０）／（８０−６０）とする。

　ＳＥＴ＜１４０℃の場合、ｄＳＥＴ＝０とし、
　ＳＥＴ＞１６０℃の場合、　　　　＝１とし、
　それ以外の場合、　　　　　　　　＝（ＳＥＴ−１６０）（１８０−１６０）とする。

　ＭＣＴ＜４０℃の場合、ｄＭＣＴ＝０とし、
　ＭＣＴ＞５０℃の場合、　　　　＝１とし、
　それ以外の場合、　　　　　　　＝（ＳＥＴ−４０）（５０−４０）とする。
　下記の式によりポンプ流量を制御する。
Figure 2004136877
　ブラシレスの冷却液ポンプを用いた場合、流量を連続的に制御することは困難ではない。
　シミュレーションの結果
　ＨＥＶ ＭａｔＬａｂ／ＳｉｍｕＬｉｎｋによるシミュレーションモデルにおいて、上記制御方法を使用した。このモデルは熱回路だけではなく、図８に示されるような自動車の他の部分に対するハードウェアおよび制御方針のモデルも含む。
　熱回路は更にモータ回路、エンジン回路およびＨＶＡＣおよびフロント冷却、および図９に示されるようなエンジンとモータとを共に結合するためのフード下システムの所定の要素を含む。シミュレーションモデルにおける熱回路は電気水バルブＥＷＶを含まない。
　種々の自動車の駆動サイクルにより所定の環境条件下でシミュレーションを実行する。次の記載は２０℃の周辺温度において平坦な道路上でのＥＰＡ市街のドライブサイクル（図１０参照）に基づくシミュレーションのある結果である。
　このドライブサイクルは全体に低速で移動する性質があるので、図１１に示されるように、１時間の間の約４０％で、電動モータＥＣＦがオンにされる。この場合、ファンは可変デューティサイクルで制御される。
　ウォームアップ中、０.１６リットル／秒の流量を発生する（図１２に示されるような）中間ポンプ速度で電気水ポンプＥＷＰを作動する。ドライブサイクルの残りの間、ポンプはほとんど高いポンプ速度で作動され、このポンプ速度は０.２リットル／秒の流量を発生する。現在のシミュレーションモデルでは温度条件が適度であり、電気水バルブＥＷＶの使用は最小であるので、低いポンプ速度ではポンプは作動されない。図１３は電力制限要素を示す。
　初期のウォームアップ後にモータの冷却液温度ＭＣＴは３０℃〜５０℃の所望する範囲内の４０℃の目標温度のまわりに留まる（図１４参照）。
　モータのステータの端部巻線の温度ＳＥＴは１８０℃の最大限度下に留まる（図１５参照）。この温度は大冷却液流量およびモータ電力軽減のためのスレッショルドである１６０℃を２回越える。約１１００秒および２５００秒のまわりで対応する電力軽減が生じる（図１３参照）。１１００秒では、ポンプは図１２に示されるように中間速度での作動から高速での作動に変化する。２５００秒では、ポンプは既に高速で作動しており、この作動は図１２および１４に示されるように約２０００秒ではピークのモータ冷却温度ＭＣＴによってトリガーされる。
　初期のウォームアップ後、初期の流体温度ＴＦＴ（図１６参照）は６０℃から８０℃までの限度内の約４５〜５０℃に留まる。この温度は目標温度である６０℃よりも低い。自動車の負荷がより大きくなり、環境条件がより高温となった場合、この温度は目標温度に近づくことがある。液体−液体熱交換器ＬＥの設計パラメータを調節することによって、この温度を調節するもできる。
　本発明は、ユニークなＨＥＶ熱制御システムのための一組の革新的で簡単なロバストな制御方法を含むものである。この方法が有効であることは多数のシミュレーションで既に証明されている。以上で、本発明の好ましい実施例の細部を参照することによって、本特許出願によって発明を開示したが、当業者であれば本発明の要旨内、添付した特許請求の範囲内およびその均等物の範囲内で変形を容易に行うことができるので、この開示は発明を限定するものではなく、発明を説明するものであると理解すべきである。
ハイブリッド電気自動車の熱管理システムの論理ブロック図を示す。 パワートレインの熱制御ユニットの入出力信号の図である。 モータの冷却液の温度調節のための冷却ファンの制御の状態を示す。 本発明で使用した冷却ファン論理制御のＭａｔＬａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋシミュレーションモデルである。 モータの冷却液のポンプ制御の状態を示す。 モータの電力軽減の状態を示す。 水バルブ制御の状態を示す。 ハイブリッドな電気自動車のＭａｔＬａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋシミュレーションモデルである。 熱回路モデルである。 時間に対して自動車の速度をプロットしたＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの入力である。 時間に対してファンのデューティサイクルをプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。 時間に対して電気水ポンプの速度をプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。 時間に対して電力制限要素をプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。 時間に対してモータの冷却液の温度をプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。 時間に対してステータの端部巻線の温度をプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。 時間に対して変速機の流体温度をプロットした、ＥＰＡ市街地ドライブサイクルに基づくシミュレーションの結果である。
符号の説明
　ＰＴＣＵ　パワートレイン熱制御ユニット
　ＰＳＣ　パワートレイン管理制御ユニット
　ＣＡＮ　コントローラエリアネットワーク
　ＥＣＣ　電子空調システム
　ＴｘＣＵ　変速機制御ユニット
　ＭＩＣＵ　モータ−インバータ制御ユニット
　ＥＣＵ　エンジン制御ユニット
　ＢＣＵ　バッテリー制御ユニット

Claims (1)

  1. 　電気水ポンプとインバータのコールドプレートとの間に位置するモータの冷却液温度センサを備えたパワートレイン熱制御ユニットと、
    　道路速度センサを含み、前記パワートレイン熱制御ユニットに作動的に接続されたパワートレイン管理ユニットと、
    　前記パワートレイン熱制御ユニットに作動的に接続されたコントローラエリアネットワークリンクと、
    　周辺温度センサを備え、前記コントローラエリアネットワークリンクに作動的に接続され、よって前記パワートレイン熱管理ユニットが前記コントローラエリアネットワークリンクを介し、電子空調装置からの周辺温度信号およびヒーターリクエスト信号の双方を受信するようになっている電子空調システムと、
    　液体−液体熱交換器の出口に位置する変速機の流体温度センサを含む、前記コントローラエリアネットワークリンクに作動的に接続されており、よって前記パワートレイン熱制御ユニットが前記コントローラエリアネットワークリンクを介し、変速機制御ユニットからの変速機の流体温度信号を受信するようになっている、変速機制御ユニットと、
    　前記モータステータの端部巻線に位置し、モータ−インバータ制御ユニット内に含まれるステータの端部巻線温度センサを含み、前記コントローラエリアネットワークリンクに作動的に接続され、よって前記パワートレイン熱制御ユニットが、前記コントローラエリアネットワークリンクを介し、モータ−インバータ制御ユニットからのステータの端部巻線温度信号およびコールドプレートの温度信号の双方を受信する、モータ−インバータ制御ユニットと、
    　エンジンの水ジャケットの出口に位置するエンジン冷却液温度センサを含み、前記コントローラエリアネットワークリンクに作動的に接続され、よって前記パワートレイン熱制御ユニットが前記コントローラエリアネットワークリンクを介し、エンジン制御ユニットからのエンジン制御ユニットファンリクエスト信号を受信する、エンジン制御ユニットと、
    　高電圧バッテリーおよび少なくとも１つのバッテリー温度センサを備え、前記コントローラエリアネットワークリンクに作動的に接続され、よって前記パワートレイン熱制御ユニットが前記コントローラエリアネットワークリンクを介して前記高電圧バッテリーからのバッテリー表面温度信号を受信する、バッテリー制御ユニットとを備えた、ハイブリッド電気自動車のパワートレイン熱システム。
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