JP2011225134A

JP2011225134A - 車両用冷却システム

Info

Publication number: JP2011225134A
Application number: JP2010097654A
Authority: JP
Inventors: Keitaro Yamamori; 啓太郎山森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-11-10

Abstract

【課題】従来の電気機器冷却システムよりも運転効率を向上させる。
【解決手段】
インバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２に循環路１６が接続される。循環路１６には、複数の分岐路１８、２０が形成され、また、各々の分岐路１８、２０に流れる冷却液の流量を制御する制御弁２８、３０が設けられている。制御弁１８、２０によって循環路を種々の冷却経路に切り替えることが可能となり、冷却を要する機器のみに冷却液を送液することができる。この結果、冷却液の送液量が軽減され、冷却液を送液するウォーターポンプ３６やラジエータ１４に設けられたクーリングファン３８等の消費電力を低減でき、効率の良い冷却システムを提供することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の冷却システムに関する。

従来から、駆動源としてエンジンとモータジェネレータを用いるハイブリッド車両が知られている。エンジンとモータジェネレータ、および一部の周辺機器は駆動に伴って発熱することから、車両にはこれらの機器を冷却する冷却システムが搭載されている。冷却システムは、エンジンとその周辺機器を冷却するエンジン系の冷却システムと、モータジェネレータとその周辺の電気機器を冷却するための電気機器系の冷却システムとに分かれて構成されている。

電気機器系の冷却システムにおいては、駆動用のモータジェネレータの他に、エンジンを動力として発電する発電用のモータジェネレータと、車両に搭載された直流電源の電力を変換して駆動用のモータジェネレータに交流電力を供給するインバータも冷却対象としている。

従来技術における電気機器系の冷却システムにおいては、効率的な運転を行うために冷却経路を切り替え可能に構成している。例えば特許文献１においては、インバータと、駆動用および発電用のモータジェネレータとに冷却液が流通する冷却経路と、インバータと発電用のモータジェネレータに冷却液が流通する冷却経路と、これらの冷却経路を切り替える制御弁を備えた冷却システムが開示されている。この冷却システムでは、駆動用のモータジェネレータの冷却が必要な時と不要な時とに応じて冷却経路を切り替えている。また、特許文献２においては、インバータと、駆動用および発電用のモータジェネレータに冷却液が流通する冷却経路と、インバータのみに冷却液が流通する冷却経路と、これらの冷却経路を切り替える制御弁を備えた冷却システムが開示されている。この冷却システムでは、電動用及び発電用のモータジェネレータの冷却が必要な時と不要な時とに応じて冷却経路を切り替えている。

冷却経路を切り替えることにより、冷却システム全体の冷却液の送液量を低減できる。その結果、冷却液の送液を行うウォーターポンプや、ラジエータにおいて冷却液の放熱を促進する冷却ファンの消費電力を軽減でき、運転効率の良い冷却を行うことができる。

特開２００６−２１９０８３号公報特開２００６−４２４４１号公報

ところで、車両の運転状態によっては、発電用のモータジェネレータの冷却は不要であり、インバータと駆動用のモータジェネレータのみを冷却対象とすれば足りる場合がある。しかし、従来技術においてはインバータと駆動用のモータジェネレータのみに冷却液を供給する冷却経路は形成されておらず、駆動用のモータジェネレータを冷却する際には必ず発電用のモータジェネレータにも冷却液が供給される。本来冷却液を流す必要のない機器にまで冷却液が供給される分、冷却システムの運転効率は下がる。このように、従来の冷却システムにおいては運転効率をさらに向上させる余地があった。

本願発明は、エンジンと、エンジンの動力により発電する第１のモータジェネレータと、エンジンの駆動を補助する第２のモータジェネレータと、第２のモータジェネレータに交流電力を供給するインバータと、を備えた車両に搭載され、インバータと、第１および第２のモータジェネレータとを冷却する、車両用冷却システムに関するものである。冷却システムは、インバータと、第１および第２のモータジェネレータとに接続され、冷却液が循環する循環路を備えている。また、循環路には、冷却液の流量を制御する制御弁が設けられている。制御弁によって、循環路の状態は、インバータに冷却液を供給するとともに、第１および第２のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第１の冷却状態と、インバータ及びインバータを経由して第１のモータジェネレータに冷却液を供給するとともに、第２のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第２の冷却状態と、インバータ及びインバータを経由して第２のモータジェネレータに冷却液を供給するとともに、第１のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第３の冷却状態と、インバータ及びインバータを経由して第１と第２のモータジェネレータに冷却液を供給する、第４の冷却状態と、のいずれか一つに切り替えられる。

本願発明によれば、従来よりも運転効率の高い車両の冷却システムを提供することができる。

本実施形態に係る車両の冷却システムを例示する図である。

図１に本実施形態に係る車両の冷却システム１０を示す。この冷却システム１０はいわゆるハイブリッド車両に搭載されている。この車両には、内燃機関であるエンジン（図示せず）と、エンジンの駆動を補助するモータジェネレータとが駆動源として搭載されている。

さらに、この車両には、エンジンの動力により発電するモータジェネレータが設けられている。本実施形態においては、発電用のモータジェネレータを第１のモータジェネレータＭＧ１で示し、駆動用のモータジェネレータを第２のモータジェネレータＭＧ２で表す。

また、この車両にはインバータ１２が設けられている。インバータ１２は、車両に搭載された２次電池等の直流電源（図示せず）からの直流電力を交流電力に変換してこの交流電力を第２のモータジェネレータＭＧ２に供給する。また、インバータ１２は、第１のモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力を直流電力に変換してこの直流電力を直流電源に供給する。

冷却システム１０は、上記したインバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２を冷却対象としている。冷却システム１０は、放熱器であるラジエータ１４と、ラジエータ１４に接続され、冷却液が循環する循環路１６を備えている。循環路１６には、インバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２が接続されている。

循環路１６には複数の分岐路が形成されている。図１においては、循環路１６の経路上に設けられ、流路が二股に分かれた後に再び合流する分岐路１８が構成されている。さらに循環路１６には、分岐路１８を回避する別の分岐路としてバイパス路２０が形成されている。

分岐路１８の各々には第１のモータジェネレータＭＧ１と第２のモータジェネレータＭＧ２の各々が接続されている。また、分岐路１８およびバイパス路２０よりもラジエータ１４側の循環路１６の区間２２にはインバータ１２が接続されている。

なお、第１のモータジェネレータＭＧ１と第２のモータジェネレータＭＧ２、および分岐路１８と循環路１６の一部は、トランスミッションハウジング２４に内蔵されている。トランスミッションハウジング２４内には、エンジン動力を第１のモータジェネレータＭＧ１と車両の出力軸に分割する動力分割ギヤ、第２のモータジェネレータＭＧ２の動力を増幅して車両の出力軸に伝達するモーターリダクションギヤ等の図示しないトランスミッション（変速機）が内蔵され、トランスミッションの周囲に第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２が配置されている。

また本実施形態では、バイパス路２０は、循環路１６の、トランスミッションハウジング２４に内蔵された区間よりもラジエータ１４側に設けられている。このようにバイパス路２０を配置することで、トランスミッションハウジング２４を経由せずに冷却液を循環させることができる。トランスミッションや第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の駆動によってトランスミッションハウジング２４全体が加熱される場合がある。トランスミッションハウジング２４を回避するようにバイパス路２０を形成し、バイパス路２０を経由して冷却液を循環させることで、後述するように、暖機運転時等トランスミッションを昇温する必要がある場合において、冷却液がトランスミッションハウジング２４から熱を奪うことを防ぐことができる。

また、循環路１６とバイパス路２０との接続点には、第１の制御弁２８が設けられている。第１の制御弁２８は循環路１６からバイパス路２０に流入する冷却液の流量を制御するとともに、バイパス路２０より分岐路１８側の循環路１６に流入する冷却液の流量を制御している。第１の制御弁２８は例えば３方弁から構成され、この開閉動作により冷却液の流通状態は、下記３つの状態のいずれかとなる。すなわち、
（１）バイパス側：開、分岐路側：閉
循環路１６に流れる冷却液がすべてバイパス路２０に流れ、分岐路１８側には冷却液が流れない
（２）バイパス側：開、分岐路側：開
冷却液の一部がバイパス路２０に流れ、残りの一部が分岐路１８側に流れる。
（３）バイパス側：閉、分岐路側：開
バイパス路２０には冷却液が流れずに、すべての冷却液が分岐路１８側に流れる。
の３つの状態のいずれかとなる。

また、分岐路１８の分岐点には第２の制御弁３０が設けられている。第２の制御弁３０は分岐路１８のＭＧ１側分岐路３２およびＭＧ２側分岐路３４の各々に流入する冷却液の流量を制御している。第２の制御弁３０は例えば３方弁から構成され、この開閉動作により冷却液の流通状態は、下記３つの状態のいずれかとなる。すなわち、
（１）ＭＧ１側：開、ＭＧ２側：閉
すべての冷却液がＭＧ１側分岐路３２に流れ、ＭＧ２側分岐路３４には冷却液が流れない。
（２）ＭＧ１側：開、ＭＧ２側：開
冷却液の一部がＭＧ１側分岐路３２に流れ、残りの一部がＭＧ２側分岐路３４に流れる。
（３）ＭＧ１側：閉、ＭＧ２側：開
ＭＧ１側分岐路３２には冷却液が流れずに、すべての冷却液がＭＧ２側分岐路３４に流れる。

の３つの状態のいずれかとなる。

また、分岐路１８およびバイパス路２０よりもラジエータ１４側にはウォーターポンプ３６が接続されている。ウォーターポンプ３６は例えば電動駆動式であり、電力の供給を受けて駆動し、冷却システム１０内に冷却液を循環させる。

また、ラジエータ１４にはクーリングファン３８が設けられている。クーリングファン３８は例えば電動駆動式であり、電力の供給を受けて駆動してラジエータ１４に風を送る。これにより、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２からラジエータ１４に戻った冷却水の冷却が促進される。

また、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２にはそれぞれ温度センサ４０、４２、４４が設けられており、それぞれの温度を計測可能になっている。

第１の制御弁２８、第２の制御弁３０、ウォーターポンプ３６、クーリングファン３８はそれぞれ制御部４６に接続されている。制御部４６はこの他にインバータ１２の温度センサ４０と、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の温度センサ４２、４４にも接続されている。また、制御部４６は図示しないエンジン温度センサにも接続されており、エンジン温度から、車両が暖機運転中であるか否かを判断する。制御部４６はインバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の温度や車両の運転状態に応じてインバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２の中から冷却対象を特定する。さらに制御部４６は特定された冷却対象に基づいて第１の制御弁２８および第２の制御弁３０の開度を制御するとともに、ウォーターポンプ３６およびクーリングファン３８の運転状態を制御する。

次に、本実施形態に係る冷却システムの冷却動作について説明する。冷却システム１０は、第１の制御弁２８および第２の制御弁３０の開度調整により、以下の４つの冷却経路に切り替え可能となっている。
冷却経路１：ラジエータ１４→インバータ１２→バイパス路２０→ラジエータ１４
冷却経路２：ラジエータ１４→インバータ１２→第１のモータジェネレータＭＧ１→ラジエータ１４
冷却経路３：ラジエータ１４→インバータ１２→第２のモータジェネレータＭＧ２→ラジエータ１４
冷却経路４：ラジエータ１４→インバータ１２→第１のモータジェネレータＭＧ１および第２のモータジェネレータＭＧ２→ラジエータ１４

まず、冷却経路１について説明する。制御部４６は、第１の制御弁２８について、バイパス側を開放状態にするとともに分岐路側を閉止状態にする。さらに、第２の制御弁３０について、ＭＧ１側、ＭＧ２側とも閉止状態にする。これにより冷却システム１０の冷却経路が上記冷却経路１に切り替わる。冷却経路１においては、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２のうち、インバータ１２のみが冷却対象となり、第１、第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の冷却は省略される。

冷却経路１は、車両の始動時等、車両の暖機運転中に切り替えられる。暖機運転は冷間時のエンジンやトランスミッションを適温まで昇温するために行われる。トランスミッションの昇温に当たり、トランスミッションハウジング２４に収容された第２のモータジェネレータＭＧ２が駆動する。さらに、第２のモータジェネレータＭＧ２に交流電力を供給するためにインバータ１２が駆動する。冷却経路１においてはインバータ１２には冷却液は供給されるものの、トランスミッションハウジング２４への冷却液の供給は停止される。

暖機運転中に冷却液がトランスミッションハウジング２４内を循環するとその分トランスミッションの昇温が妨げられる。そこで、冷却システム１０を冷却経路１に切り替えてトランスミッションハウジング２４への冷却液の送液を停止させる。これにより、トランスミッションハウジング２４は冷却液に熱を奪われずに済む。他方、冷却液はトランスミッションハウジング２４からの受熱を免れるため、その分冷却液の温度上昇は抑制される。したがって、ラジエータ１４において冷却液の放熱を促進するクーリングファン３８の駆動量を軽減することができ、省電力化に寄与する。また、トランスミッションハウジング２４への送液を行わなくて済む分、ウォーターポンプ３６の駆動量を軽減することができ、省電力化に寄与する。

次に、冷却経路２について説明する。制御部４６は、第１の制御弁２８について、バイパス側を閉止状態にするとともに分岐路側を開放状態にする。また、第２の制御弁３０について、ＭＧ１側を開放状態にするとともに、ＭＧ２側は閉止状態にする。これにより冷却システム１０の冷却経路が上記冷却経路２に切り替わる。冷却経路２においては、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２のうち、インバータ１２と第１のモータジェネレータＭＧ１が冷却対象となり、第２のモータジェネレータＭＧ２の冷却は省略される。

冷却経路２は、車両の定常運転時などに切り替えられる。車両の加速時にはエンジンの出力を補助するべく第２のモータジェネレータＭＧ２が駆動するが、加速が終了すると第２のモータジェネレータＭＧ２が停止してエンジンのみで車両は走行する。第２のモータジェネレータＭＧ２が停止することから、冷却の必要はなくなる。その一方で、エンジンの動力により第１のモータジェネレータＭＧ１は駆動して発電を行う。この駆動に伴い第１のモータジェネレータＭＧ１が発熱する。また、第１のモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力はインバータ１２によって直流電力に変換され直流電源に供給される。この電力変換に伴いインバータ１２が発熱する。冷却システム１０を冷却経路２に切り替えることにより、冷却の必要なインバータ１２および第１のモータジェネレータＭＧ１には冷却液が供給され、また冷却の不要な第２のモータジェネレータＭＧ２には冷却液の供給が停止される。

次に、冷却経路３について説明する。制御部４６は、第１の制御弁２８について、バイパス側を閉止状態にするとともに分岐路側を開放状態にする。また第２の制御弁３０について、ＭＧ１側を閉止状態にするとともに、ＭＧ２側は開放状態にする。また、これにより冷却システム１０の冷却経路が上記冷却経路３に切り替わる。冷却経路３においては、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２のうち、インバータ１２と第２のモータジェネレータＭＧ２が冷却対象となり、第１のモータジェネレータＭＧ１の冷却は省略される。

冷却経路３は、車両が坂道を下っている時や低速走行時などに切り替えられる。これらの運転状態においては、エンジンは停止して第２のモータジェネレータＭＧ２が車両を駆動する。エンジンが停止しているから第１のモータジェネレータＭＧ１は駆動されず、冷却を省略し得る。一方、第２のモータジェネレータＭＧ２および直流電源から第２のモータジェネレータＭＧ２に電力を供給するインバータ１２は駆動に伴い発熱する。冷却システム１０を冷却経路３に切り替えることにより、冷却の必要なインバータ１２および第２のモータジェネレータＭＧ２には冷却液が供給され、また冷却の不要な第１のモータジェネレータＭＧ１には冷却液の供給が停止される。

次に、冷却経路４について説明する。制御部４６は、第１の制御弁２８について、バイパス側を閉止状態にするとともに分岐路側を開放状態にする。また、第２の制御弁３０について、ＭＧ１側とＭＧ２側をともに開放状態にする。これにより冷却システム１０の冷却経路が上記冷却経路４に切り替わる。冷却経路４においては、インバータ１２、第１のモータジェネレータＭＧ１、第２のモータジェネレータＭＧ２のすべてが冷却対象となる。

冷却経路４は、車両の加速時等の高出力時に切り替えられる。この場合においてはエンジンの出力を補助するために第２のモータジェネレータＭＧ２が駆動する。またエンジンにより第１のモータジェネレータＭＧ１も駆動する。第１のモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力を第２のモータジェネレータＭＧ２に供給するとともに、直流電源の直流電力を交流電力に変換して第２のモータジェネレータＭＧ２に供給するためにインバータ１２も駆動する。つまりインバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２の３者を冷却する必要がある。冷却システム１０を冷却経路４に切り替えることにより、インバータ１２、第１および第２のモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２のすべてに冷却液が供給される。

以上説明したように、本実施形態における電気機器冷却システムにおいては、車両の運転状態に応じて冷却経路を変更し、冷却すべき電気機器に冷却液を供給し、冷却の不要な電気機器に対しては冷却液の供給を停止している。冷却経路２、３は冷却経路４に比べて冷却液の供給量が少ないから、ウォーターポンプ３６およびクーリングファン３８の消費電力を冷却経路４の時と比較して軽減できる。さらに、冷却経路４は冷却経路２、３に比べてさらに冷却液の供給量が少ないから、ウォーターポンプ３６およびクーリングファン３８の消費電力を冷却経路２、３の時と比較してさらに軽減できる。このように、冷却経路を切り替えることによって冷却システム内の消費電力を抑制することができ、運転効率の良い冷却システムを提供することが可能となる。

１０冷却システム、１２インバータ、１４ラジエータ、１６循環路、１８分岐路、２０バイパス路、２４トランスミッションハウジング、２８第１の制御弁、３０第２の制御弁、３６ウォーターポンプ、３８クーリングファン、４６制御部、ＭＧ１第１のモータジェネレータ、ＭＧ２第２のモータジェネレータ。

Claims

エンジンと、
前記エンジンの動力により発電する第１のモータジェネレータと、
前記エンジンの駆動を補助する第２のモータジェネレータと、
前記第２のモータジェネレータに交流電力を供給するインバータと、
を備えた車両に搭載され、
前記インバータと、前記第１および第２のモータジェネレータとを冷却する、車両用冷却システムであって、
前記インバータと、前記第１および第２のモータジェネレータとに接続され、冷却液が循環する循環路を備え、
前記循環路には、冷却液の流量を制御する制御弁が設けられ、
前記制御弁によって、前記循環路の状態は、
前記インバータに冷却液を供給するとともに、前記第１および第２のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第１の冷却状態と、
前記インバータ及び前記インバータを経由して前記第１のモータジェネレータに冷却液を供給するとともに、前記第２のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第２の冷却状態と、
前記インバータ及び前記インバータを経由して前記第２のモータジェネレータに冷却液を供給するとともに、前記第１のモータジェネレータへの冷却液の供給を停止する、第３の冷却状態と、
前記インバータ及び前記インバータを経由して前記第１と第２のモータジェネレータに冷却液を供給する、第４の冷却状態と、
のいずれか一つに切り替えられることを特徴とする、車両用冷却システム。