JP2006205999A - 移動体の冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラジエータファンによりエンジンルーム内の空気が吹き返して、外気温度より温度上昇した空気を空気圧縮機が吸入することを回避する。
【解決手段】 制御装置６は、移動体加速度検知手段５が所定値以上の加速度を検出した場合、一時的にラジエータファン３の回転数を増加させない制御を行うことにより、外気導入口９からラジエータファン３の吹き返し風が吸い込まれることを防止し、空気圧縮機４の吸入空気温度の上昇を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラジエータとラジエータファンを備えた移動体の冷却システムにおける移動体の冷却制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

このような燃料電池車両において、通常、外気をコンプレッサで圧縮してカソードに供給している。空気を圧縮すると温度が上昇するが、固体高分子膜電解質の許容温度は、通常百数十［℃］度とあまり高くなく、この許容温度を超えないように、燃料電池本体へ供給する空気温度を制御する必要がある。

このような燃料電池システムの従来例としては、特許文献１に記載の技術が知られている。この技術によれば、大気圧と気温に基づいて燃料電池の発電電流を制限することによって、標高の高い地域での低気圧条件下、あるいは気温の高い環境下（高温条件下）においても、コンプレッサかえあカソードに供給する圧縮空気の温度が許容温度を超えることがなく安定した発電を行うことができるとしている。

また、移動体におけるラジエータファンの制御技術としては、特許文献２に記載の技術が知られている。この技術によれば、移動体の運転状態に応じてラジエータファンの駆動を制御する。移動体の移動速度によって生じる風量を演算して、要求風量に不足がある場合ラジエータファンを動作させる。
特開２００４−１６５０８７号公報（第６頁、図４） 特開２００２−２１３２４２号公報（第３頁、図２）

フロントエンジン自動車のエンジンに供給する空気を外気から取り込むための外気導入口は、車両前方に設置されることが多い。しかしながら、図３に示すように、外気導入口の設置位置やフトントグリル形状によっては、ラジエータファンによってエンジンルーム内の空気が吹き返してきてそれを吸入してしまうため、吸入温度が外気温度に比べて上昇してしまうという問題点があった。

一方、外気導入口の位置はレイアウト要件による制限、フロントグリルの形状は外装のデザイン要件による制限があり、必ずしもいかなる状態においても外気を直接吸入できるとは限らないという問題点があった。

これらの問題点は、内燃機関車両に比べてラジエータによる放熱量が多い燃料電池車両において特に顕著である。

上記問題点を解決するために、本発明は、冷却対象とラジエータとの間で冷媒を循環させる冷媒配管及び冷媒ポンプと、前記ラジエータに強制冷却風を供給するラジエータファンとを備えた移動体の冷却システムにおいて、ラジエータが収容された空間と同じ空間から取り込んだ空気を圧縮して移動体構成部品に供給する空気圧縮機と、移動体の加速度を検知する移動体加速度検知手段とを備え、該移動体加速度検知手段が移動体の加速度を検知したときに、一時的に前記ラジエータファンの回転数を制限することを要旨とする移動体の冷却制御装置である。

本発明によれば、移動体の加速度を検知したときに一時的にラジエータファン回転数増加を抑えることで、ラジエータファン回転による空気圧縮機の吸気温度上昇を防ぎ、車両の出力制限を回避することができるという効果がある。

また吸気温度が上昇しないことで、全体の出力効率の低下も防ぐことができるという効果がある。さらに、ラジエータファンの過剰な回転を防ぐので消費電力・および騒音を低減することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係る移動体の冷却制御装置の実施例１が適用される移動体の要部構成品を示す構成図である。

図１において、冷却対象１は、自動車等の車両に搭載される内燃機関、電動機または燃料電池などである。冷却対象１を冷却する冷却システムは、冷却対象１の発熱により授熱した冷媒を冷却するラジエータ２と、ラジエータ２に冷却風を送風してラジエータ２内の冷媒を冷却するラジエータファン３および冷媒を循環させる冷媒ポンプ１１で構成されている。ラジエータファン３及び冷媒ポンプ１１は回転速度を制御することにより、流量を可変制御できる。

空気供給システムは外気を取り込む外気導入口９と、外気導入口９から取り入れた空気を空気圧縮機４まで導く空気配管１０と、空気を圧縮して図示しない空気利用機器に送風する空気圧縮機４とから構成されている。空気圧縮機４は下流の内燃機関や燃料電池等の空気供給要求に応じて空気を供給する。

制御システムは、移動体加速度を検知する移動体加速度検知手段５と、冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段１３と、移動体加速度、冷媒温度及び冷却対象１の発熱量に応じてラジエータファン３及び冷媒ポンプ１１の回転指令を行う制御装置６から構成される。尚、ラジエータファン３及び冷媒ポンプ１１は、それぞれ内部に回転数検知装置を内蔵しており、それぞれの回転数が制御装置６にフィードバックされているものとする。

制御装置６は、移動体加速度検知手段５が所定値以上の加速度を検出した場合、一時的にラジエータファン３の回転数を増加させない制御を行うことにより、外気導入口９からラジエータファン３の吹き返し風が吸い込まれることを防止し、空気圧縮機４の吸入空気温度の上昇を防止する。

また、このとき、ラジエータファン３の回転数増加を抑制する時間の長さは、冷媒温度検知手段１３が検知した冷媒温度に基づいて、冷媒温度が許容温度に達するまでの時間以内の長さとするのが好ましい。

以上説明した本実施例によれば、移動体の加速度を検知したときに一時的にラジエータファン３の回転数増加を抑えることで、ラジエータファン回転による空気圧縮機４の吸気温度上昇を防ぎ、車両の出力制限を回避することができる。また吸気温度が上昇しないことで、全体の出力効率の低下も防ぐことができる。さらにラジエータファン３の過剰な回転を防ぐので消費電力・および騒音を低減することができる。

次に、図２は本発明に係る移動体の冷却制御装置の実施例２が適用される移動体の要部構成品を示す構成図である。図１に示した実施例１の構成に加えて、制御システムに外気温度を検知する外気温度手段７と、移動体の走行速度を検知する移動体走行速度検知手段８が追加されている。その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。本実施例では、外気温度、移動体走行速度を検知することで、実施例１よりも正確なラジエータ放熱量見積もりができる。

次に、実施例２における制御装置６によるラジエータファン３の回転制御の詳細につき図４を用いて説明する。図４はラジエータファンの制御ルーチンを表しており、所定周期にて繰り返し実行される。以下、その処理ステップ（符号「Ｓ」で表す。）を順を追って説明する。

まずＳ１において、移動体加速度検知手段５による車両加速度ａ、移動体走行速度検知手段８による車速Ｖ、外気温度検知手段７による外気温度Ｔout 、空気圧縮機４の吸入温度Ｔcomp、ラジエータファン回転数Ｒrad 、冷媒温度検知手段１３による冷媒温度Ｔc 、冷媒ポンプ回転数Ｒpump、内燃機関または燃料電池等の冷却対象１のネット出力Ｗ（または発熱温度）を検知する。

次いで、Ｓ２において、空気圧縮機４の吸入温度Ｔcompが外気温度Ｔout に許容温度ΔＴmax を加えた値を上回っていないか判断する。

Ｓ２の判定でＴcomp＞Ｔout ＋ΔＴmax の場合、Ｓ３へ進み、ラジエータファン回転数を一時的に増加させない時間、即ちラジエータファン回転数非増加時間ｔ１を図６で説明する算出ロジックにて決定し、Ｓ４へ進む。Ｓ２の判定で、Ｔcomp≦＞Ｔout ＋ΔＴmax の場合、Ｓ５へ進む。このように、外気温度が高く空気圧縮機吸入温度がシステム許容温度を超えることが予想されるときのみラジエータファン回転数増加抑制制御を有効とすることで、不必要な制御を行うことを回避できる。

Ｓ４では、Ｓ３で算出したｔ１時間だけ、ラジエータファン３の回転数を増加させない制御、言い換えればラジエータファン回転数指令をｔ１時間保持する制御を行い、ｔ１時間が経過すると、Ｓ５へ進む。

Ｓ５では、Ｓ１で検出した冷却対象１の出力や発熱温度から、図５に示すような制御マップを参照して冷却システムが複数持つ冷却対象の各々の要求ラジエータファン回転数を算出し、その中で最も要求値の高いものを目標ラジエータファン回転数Ｒtrad とする。図５に示した、各冷却対象の出力や発熱温度と要求ラジエータファン回転数との関係は、予め実験等にて求めて、制御装置６の不揮発メモリへ記憶したものである。冷却対象のネット出力からシステム構成部品全体の発熱量を求め、冷却系統への冷却要求熱量と、実際に冷却系統が放熱できる熱量の差から冷媒に加わる余剰熱量を算出することで、より正確に最大限ラジエータファン回転数非増加時間を設定することができる。

次いで、Ｓ６において、Ｓ５で算出したＲtradをラジエータファン３に指令する。

次に、図４のＳ３であるラジエータファン回転数非増加時間ｔ１算出ルーチンの詳細をを図６を用いて説明する。図６の制御ルーチンは、図４のメインルーチンから呼び出される毎に実行される。

まず、Ｓ７では、車両加速度ａ、車速Ｖを用いて、車両加速度ａが継続すると仮定したｔ’秒後の車速Ｖ’を算出する。ｔ’は予め設定してある最小時間で、下記制御ルーチンにより、変化する値である。このように、移動体走行速度、移動体加速度から一定時間後の移動体走行速度を算出し、移動体走行速度増加によるラジエータへの風量を予測することで、走行速度の増加分によるラジエータ風量増加分を算出し、より正確に最大限ラジエータファン回転数非増加時間を設定することができる。

次いで、Ｓ８において、図７よりラジエータファン回転数Ｒrad 、車速Ｖ’からｔ’秒後のラジエータ風量Ｖｗ’を算出する。図７の車速Ｖ’及びラジエータファン回転数からラジエータ風量Ｖｗ’を算出する制御マップも予め実験等にて求めて、制御装置６の不揮発メモリへ記憶したものである。

次いで、Ｓ９において、外気温度Ｔout 、ラジエータ風量Ｖｗ’、冷媒温度Ｔc 、冷媒ポンプ回転数Ｒpumpからラジエータ２が放熱できる放熱量を算出する。また冷却対象１の出力や発熱温度から求まる発熱量（要求放熱量）と、ラジエータ放熱量の差分から、余剰熱量Ｑexcを算出する（図８）。

次いで、Ｓ１０において、余剰熱量Ｑexcから冷媒温度Ｔc'を算出する。

次いで、Ｓ１１において、冷媒温度Ｔc'が予め設定してある冷却システムが許容できる冷媒最大温度Ｔmax より低いか否かを判定する。Ｓ１１の判定で、冷媒温度Ｔc'が冷媒最大温度Ｔmax より低ければ、ｔ'1＝ｔ'1＋Δｔとしてｔ'がより長い時間でも、ラジエータファン回転数増加抑止が成立するかを判定するために、再度Ｓ７へ戻る。こうして、一定時間後の冷媒に加わる余剰熱量から冷媒の温度上昇代を予測し、その温度がシステム許容温度を超えない最大限のラジエータファン回転数非増加時間を設定することができる。

Ｓ１１の判定で、冷媒温度Ｔc'が冷媒最大温度Ｔmax 以上の場合、ｔ1＝ｔ'1−Δｔがラジエータファン回転数を増加させない時間の最大限となりメインルーチンへ戻る。

以上説明した本実施例によれば、移動体走行速度、移動体加速度、外気温度、空気圧縮機吸入温度、ラジエータファン回転数、冷媒温度、冷媒ポンプ回転数、冷却対象のネット出力から一定時間後の冷媒温度上昇代を予測することで、移動体システムの仕様によって決まる冷媒温度許容値を超えないようにラジエータファン回転数増加させない時間を最大限確保することができる。

本発明に係る移動体の冷却制御装置の実施例１の構成を説明する構成図である。 本発明に係る移動体の冷却制御装置の実施例２の構成を説明する構成図である。 ラジエータファンによるエンジンルーム内の空気の吹き返し経路を説明したものである。 実施例２におけるラジエータファンの制御ルーチンを説明したものである。 ラジエータファン制御ルーチン内において、冷却対象の発熱量や温度からラジエータファン回転数を決定するときに用いられる図である。 ラジエータファン制御ルーチン内において用いられるラジエータファン回転数非増加時間ｔ１を算出するための詳細ロジックを説明したものである。 ラジエータファン制御ルーチン内において、移動体走行速度とラジエータファン回転数からラジエータを通過する風量を算出するのに用いられる制御マップの例である。 ラジエータファン回転数非増加時間ｔ１を算出するロジック内で一定時間ｔ’後の冷却対象の出力や発熱温度から求まる発熱量（要求放熱量）とラジエータ放熱量の差分から余剰熱量Ｑexc を算出する際に用いられる制御マップの例である。

符号の説明

１：冷却対象
２：ラジエータ
３：ラジエータファン
４：空気圧縮機
５：移動体加速度検知手段
６：制御装置
９：外気導入口
１０：空気配管
１１：冷媒ポンプ
１２：冷媒配管
１３：冷媒温度検知手段

Claims (6)

1. 冷却対象とラジエータとの間で冷媒を循環させる冷媒配管及び冷媒ポンプと、前記ラジエータに強制冷却風を供給するラジエータファンとを備えた移動体の冷却システムにおいて、
   ラジエータが収容された空間と同じ空間から取り込んだ空気を圧縮して移動体構成部品に供給する空気圧縮機と、
   移動体の加速度を検知する移動体加速度検知手段とを備え、
   該移動体加速度検知手段が移動体の加速度を検知したときに、一時的に前記ラジエータファンの回転数を制限することを特徴とする移動体の冷却制御装置。
2. 一定時間後の冷媒温度を予測し、移動体システムの仕様によって決まる冷媒許容温度を超えない範囲で前記ラジエータファン回転数制限を行う時間の長さを決定することを特徴とする請求項１に記載の移動体の冷却制御装置。
3. 外気温度を検知する外気温度検知手段と、
   前記空気圧縮機の吸入空気温度を検知する吸入空気温度検知手段とを備え、
   前記吸入空気温度と前記外気温度との温度差が所定値を超えている場合、前記ラジエータファン回転数制限を有効とし、前記吸入空気温度と前記外気温度との温度差が所定値以下の場合、前記ラジエータファン回転数制限を無効とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動体の冷却制御装置。
4. 移動体の走行速度を検知する移動体走行速度検知手段を備え、
   該移動体走行速度検知手段が検知した移動体走行速度及び前記移動体加速度から一定時間後の移動体走行速度を算出し、該一定時間後のラジエータへの風量を予測することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の移動体の冷却制御装置。
5. ラジエータファン回転数、冷媒温度、冷媒ポンプ回転数、冷却対象の出力をそれぞれ検知する手段を備え、
   前記冷却対象の出力から算出される前記ラジエータに対する冷却要求熱量と実際に前記ラジエータが放熱できる量の差から一定時間後の冷却システムに加わる余剰熱量を予測することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の移動体の冷却制御装置。
6. 一定時間後の冷却システムに加わる余剰熱量、冷媒温度及び冷媒流量から一定時間後の冷媒温度を予測することを特徴とする請求項５に記載の移動体の冷却制御装置。

Images