JP2014108682A - 車両用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを抑制しつつ、モータ装置の排熱を暖房に効果的に利用できる、車両用空調システムを提供する。
【解決手段】空調装置４において、モータ装置３の排熱が車室内の暖房に利用される。暖房時には、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求がエアコンＥＣＵ６からモータＥＣＵ５に与えられる。そして、モータＥＣＵ５により、モータ装置３の発生トルクが保持されながら、モータ装置３の熱量が暖房要求に応じた熱量となるように、モータ装置３が制御される。これにより、車両１の走行への影響を抑えながら、モータ装置３の熱量を暖房に必要な熱量にすることができ、モータ装置３の排熱を暖房に効果的に利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用空調システム、とくに電気自動車に好適な車両用空調システムに関する。

エンジンを駆動源とする自動車では、ブロワによる送風を温めるためのヒータコアにエンジンの冷却水が供給されることにより、エンジンの排熱が暖房に利用されている。これに対し、エンジンが搭載されていない電気自動車では、エンジンの排熱を暖房に利用することができない。

そのため、電気自動車の空調システムには、たとえば、ＰＴＣヒータが暖房のための熱源として搭載されている。ＰＴＣヒータからの発熱により、温水が生成され、その温水がヒータコアに供給される。これにより、ヒータコアが加熱され、ブロワによる送風がヒータコアを通過するときに温められる。

ところが、その空調システムは、ＰＴＣヒータおよびＰＴＣヒータへの給電のための高圧リレーなどを必要とするため、コストが高くつく。また、ＰＴＣヒータなどを搭載するスペースを確保しなければならない。さらには、ＰＴＣヒータがバッテリの電力を消費するので、電費（１ｋｍの走行に消費する電力）が悪化し、バッテリ残量が０になるまでに走行可能な距離が低下する。

そこで、走行用のモータおよびその駆動のためのインバータを暖房のための熱源として利用することが提案されている。すなわち、モータおよびインバータとラジエータとの間で循環する冷却水をヒータコアに供給して、モータおよびインバータの排熱でヒータコアを加熱することが提案されている。また、モータおよびインバータの排熱を暖房に効果的に利用するため、ラジエータへの走行風の導入を調節するシャッタを設けることが提案されている。

特開２０１１−２２９２８４号公報

しかしながら、シャッタを設けると、車両のコストが高くなる。

本発明の目的は、コストアップを抑制しつつ、モータ装置の排熱を暖房に効果的に利用できる、車両用空調システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る車両用空調システムは、トルクを発生するモータ装置と、前記モータ装置の排熱を車室内の暖房に利用する空調装置と、前記モータ装置を制御するモータ制御手段と、前記空調装置を制御する空調制御手段とを含み、前記空調制御手段は、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求を出力し、前記モータ制御手段は、前記モータ装置の発生トルクを保持しつつ、前記モータ装置の熱量が前記空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量となるように、前記モータ装置の駆動を制御する。

この構成によれば、空調装置において、モータ装置の排熱が車室内の暖房に利用される。そのため、ＰＴＣヒータを暖房のための熱源として備える構成と比較して、車両のコストおよびスペースを低減することができ、また、車両の電費を向上させることができる。

暖房時には、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求が空調制御手段からモータ制御手段に与えられる。そして、モータ制御手段により、モータ装置の発生トルクが保持されながら、モータ装置の熱量が暖房要求に応じた熱量となるように、モータ装置が制御される。これにより、モータ装置の出力トルクを用いる動作への影響を抑えながら、モータ装置の熱量を暖房に必要な熱量にすることができる。

よって、モータ装置の排熱を暖房に効果的に利用することができる。また、従来技術とは異なり、モータ装置の熱量を調節するためのシャッタを設ける必要がないので、コストアップを抑制することができる。

なお、モータ装置は、少なくともモータを含み、たとえば、モータおよびそのモータに接続されたインバータを含む。

また、モータは、たとえば、車両の走行のためのトルクを発生する走行用モータである。この場合、車両の走行への影響を抑えながら、モータ装置の熱量を暖房に必要な熱量にすることができ、モータ装置の排熱を暖房に効果的に利用することができる。

モータ制御手段は、モータ装置の熱量が空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量に満たない場合、モータ装置の熱量が空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量以上である場合よりも効率が悪くなるように、モータ装置を制御することが好ましい。

これにより、モータ装置の熱量が空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量に満たない場合に、モータ装置の熱量を増加させることができる。

モータ制御手段は、空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量とモータ装置の損失との差が所定値以下の範囲では、その差が大きいほど効率が悪くなるように、モータ装置を制御してもよい。

これにより、暖房要求に対して、モータ装置の熱量が速やかに増加し、良好な暖房性能を発揮することができる。

本発明によれば、コストアップを抑制しつつ、モータ装置の排熱を暖房に効果的に利用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用空調システムが搭載された車両の構成を図解的に示す図である。 図２は、モータＥＣＵによる処理の内容を示すフローチャートである。 図３は、損失−ｄ軸電流マップの一例を示す図である。 図４は、ｄ軸−ｑ軸電流マップの一例を示す図である。 図５は、比率マップの一例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用空調システムが搭載された車両の構成を図解的に示す図である。

車両１は、電気自動車である。車両１は、駆動用電池２、モータ装置３および空調装置４を備えている。

駆動用電池２は、複数の二次電池を組み合わせた組電池からなる。

駆動用電池２は、外部電源１１から供給される電力（電気エネルギ）で充電可能である。この充電のために、車両１は、充電レセプタクル１２および充電器１３を備えている。

外部電源１１は、たとえば、家庭用電源（単相１００Ｖまたは単相２００ＶのＡＣ電源）である。外部電源１１には、充電ケーブル１４の一端が接続されている。充電ケーブル１４の他端には、充電プラグ１５が設けられている。

充電レセプタクル１２は、充電プラグ１５を接続（結合）可能に構成されている。充電プラグ１５が充電レセプタクル１２に接続されることにより、外部電源１１と充電レセプタクル１２とが電気的に接続される。

充電器１３は、充電レセプタクル１２と電気的に接続されている。充電プラグ１５が充電レセプタクル１２に接続された状態で、充電ケーブル１４を通して、外部電源１１から充電器１３に交流電力を供給することができる。充電器１３は、駆動用電池２の端子と電気的に接続されている。充電器１３により、外部電源１１からの交流電力が駆動用電池２を充電可能な直流電力に変換され、その直流電力で駆動用電池２が充電される。

モータ装置３は、駆動モータ２１およびインバータ２２を含む。

駆動モータ２１は、車両１の走行のための駆動力を発生する。駆動モータ２１の駆動力は、それぞれドライブシャフト２３Ｌ，２３Ｒを介して、左右の駆動輪２４Ｌ，２４Ｒに伝達される。

インバータ２２は、駆動用電池２から直流電力の供給を受け、直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を駆動モータ２１に供給する。

空調装置４は、空調ダクト３１、ヒータコア３２、ラジエータ３３、冷却水循環路３４、ウォータポンプ３５および三方弁３６を含む。

空調ダクト３１は、車室に設けられた吹出口（図示せず）と連通している。空調ダクト３１には、ブロワ（図示せず）による送風が吹出口に向けて流通する。

ヒータコア３２は、空調ダクト３１内に配置されている。

ラジエータ３３は、車両１の前部において、走行風を受けることが可能な位置に配置されている。

冷却水循環路３４は、モータ装置３、ヒータコア３２およびラジエータ３３を経由している。冷却水循環路３４は、冷却水で満たされている。

ウォータポンプ３５は、冷却水循環路３４の途中部に介装されている。ウォータポンプ３５が駆動されると、冷却水循環路３４を冷却水が循環する。冷却水循環路３４を循環する冷却水は、モータ装置３から吸熱することにより、モータ装置３を冷却する。モータ装置３からの吸熱によって昇温した冷却水は、ヒータコア３２を通過し、ヒータコア３２を加熱する。ブロワによる送風がヒータコア３２を通過することにより、その送風が温風となって、温風が吹出口から車室内に吹き出す。ヒータコア３２を通過した冷却水は、冷却水循環路３４をラジエータ３３に向けて流通する。

三方弁３６は、冷却水循環路３４におけるヒータコア３２に対する冷却水の流通方向（以下、単に「流通方向」という。）の下流側かつラジエータ３３に対する流通方向の上流側の部分に介装されている。三方弁３６には、バイパス路３７の一端が接続されている。バイパス路３７の他端は、冷却水循環路３４におけるラジエータ３３に対する流通方向の下流側かつモータ装置３に対する流通方向の上流側の部分に接続されている。三方弁３６により、冷却水循環路３４をヒータコア３２からラジエータ３３に向けて流れる冷却水の供給先がラジエータ３３とバイパス路３７とに切り替えられる。

また、車両１は、モータＥＣＵ（電子制御ユニット）５およびエアコンＥＣＵ６を備えている。

モータＥＣＵ５は、ＣＰＵおよびメモリを含む。モータＥＣＵ５には、冷却水循環路３４を流通する冷却水の水温を検出する水温センサ４１が接続されている。モータＥＣＵ５は、インバータ２２を制御する。また、モータＥＣＵ５は、モータ装置３の冷却のために、水温センサ４１が検出する水温に基づいて、ウォータポンプ３５および三方弁３６を制御する。

エアコンＥＣＵ６は、ＣＰＵおよびメモリを含む。エアコンＥＣＵ６は、車室内の室温の調整のために、空調装置４を制御する。

モータＥＣＵ５およびエアコンＥＣＵ６は、ＣＡＮ（Controller Area
Network）通信プロトコルによる通信を相互に行うことができる。エアコンＥＣＵ６は、車室内の目標室温および現在の室温などに基づいて、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求をモータＥＣＵ５に向けて出力する。

図２は、モータＥＣＵによる処理の内容を示すフローチャートである。

車両１のイグニッションキースイッチ（スタートスイッチ）がオンされている間、モータＥＣＵ５により、図２に示される処理が繰り返し実行される。

まず、三方弁３６を切り替える閾値を設定するために、エアコンＥＣＵ６から暖房要求が出力されているか否かが判断される（ステップＳ１）。

暖房要求が出力されているときには（ステップＳ１のＹＥＳ）、閾値が予め定められた相対的に高い閾値Ｈに設定される（ステップＳ２）。

暖房要求が出力されていないときには（ステップＳ１のＮＯ）、閾値が予め定められた相対的に低い閾値Ｌに設定される（ステップＳ３）。

次に、水温センサ４１の検出信号が参照されて、冷却水循環路３４を流通する冷却水の水温が先に設定された閾値Ｌ，Ｈよりも高いか否かが判定される（ステップＳ４）。

冷却水の水温が閾値Ｌ，Ｈよりも高いときには（ステップＳ４のＹＥＳ）、三方弁３６のラジエータ３３側のポートが開かれ、バイパス路３７側のポートが閉じられる（ステップＳ５）。このとき、冷却水は、ラジエータ３３を流通し、ラジエータ３３が受ける走行風によって冷却される。

冷却水の水温が閾値Ｌ，Ｈ以下であるときには（ステップＳ４のＮＯ）、三方弁３６のバイパス路３７側のポートが開かれ、ラジエータ３３側のポートが閉じられる（ステップＳ５）。このとき、冷却水は、バイパス路３７を流通し、ラジエータ３３をバイパスする。

また、直近の所定時間におけるモータ装置３の損失の平均値である平均損失Ｘが求められる。そして、エアコンＥＣＵ６から出力されている暖房要求に応じた熱量、つまり暖房に必要な熱量（以下、単に「暖房要求」という。）が平均損失Ｘよりも大きいか否かが判定される（ステップＳ７）。

暖房要求が平均損失Ｘよりも大きいときには（ステップＳ７のＹＥＳ）、暖房要求がモータ装置３の現在の損失である現在損失Ｙよりも大きいか否かが判定される（ステップＳ８）。

暖房要求が平均損失Ｘおよび現在損失Ｙよりも大きいときには（ステップＳ８のＹＥＳ）、暖房のための熱量が不足していると判断されて、駆動モータ２１の電流指令値として、暖房用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値が設定される（ステップＳ９）。

暖房用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値は、暖房要求および車両１の走行に必要なトルクであるトルク指令値に基づいて、予め作成された損失−ｄ軸電流マップおよびｄ軸−ｑ軸電流マップを参照して設定される。損失−ｄ軸電流マップおよびｄ軸−ｑ軸電流マップは、モータＥＣＵ５のメモリ（ＲＯＭ）に格納されている。

損失−ｄ軸電流マップの一例は、図３に示されている。損失−ｄ軸電流マップは、トルク指令値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，・・・ごとに作成され、モータ装置３の損失とｄ軸電流指令値Ｉｄ（Ｉｄ＜０）との関係を定めたマップである。

ｄ軸−ｑ軸電流マップの一例は、図４に示されている。ｄ軸−ｑ軸電流マップは、トルク指令値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，・・・ごとに作成され、それぞれトルク指令値Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，・・・のトルクを駆動モータ２１から出力させることができるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を定めたマップである。

暖房用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値の設定時には、トルク指令値に応じた損失−ｄ軸電流マップおよびｄ軸−ｑ軸電流マップが選択される。トルク指令値は、モータＥＣＵ５により、車両１のアクセルペダル（図示せず）の操作量などに基づいて設定される。そして、損失−ｄ軸電流マップが参照されて、暖房要求に等しい損失が得られるｄ軸電流指令値が設定される。その後、ｄ軸−ｑ軸電流マップが参照されて、ｄ軸電流指令値に応じたｑ軸電流指令値が設定される。

暖房用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値が設定されると、そのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値が求められる。そして、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値がｄ−ｑ／三相交流座標変換され、この変換によって得られるＵ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値およびＷ相電圧指令値に基づいて、インバータ２２がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御される（ステップＳ１０）。これにより、駆動モータ２１からトルク指令値に応じたトルクが出力されるとともに、モータ装置３で暖房要求に応じた損失が生じ、モータ装置３の熱量が暖房要求に応じた熱量となる。

一方、暖房要求が平均損失Ｘまたは現在損失Ｙ以下であるときには（ステップＳ７，Ｓ８のＮＯ）、暖房のための熱量が充足していると判断され、駆動モータ２１の電流指令値として、通常用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値が設定される（ステップＳ１１）。通常用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値は、駆動モータ２１からトルク指令値に応じたトルクを出力させることができながら、モータ装置３の効率が最も良くなるように設定される。

なお、暖房要求が平均損失Ｘまたは現在損失Ｙ以下である場合には、暖房要求が出力されていない場合が含まれる。

通常用のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値が設定されると、そのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値が求められる。そして、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値がｄ−ｑ／三相交流座標変換され、この変換によって得られるＵ相電圧指令値、Ｖ相電圧指令値およびＷ相電圧指令値に基づいて、インバータ２２がＰＷＭ制御される（ステップＳ１０）。これにより、駆動モータ２１からトルク指令値に応じたトルクが出力されるとともに、モータ装置３が最も効率の良い動作点で駆動される。

以上のように、空調装置４において、モータ装置３の排熱が車室内の暖房に利用される。そのため、ＰＴＣヒータを暖房のための熱源として備える構成と比較して、車両１のコストおよびスペースを低減することができ、また、従来からあるモータ装置３の廃熱を利用しながら、必要な分だけ発熱量を増加させるため、車両１の電費を向上させることができる。

暖房時には、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求がエアコンＥＣＵ６からモータＥＣＵ５に与えられる。そして、モータＥＣＵ５により、モータ装置３の発生トルクが保持されながら、モータ装置３の熱量が暖房要求に応じた熱量となるように、モータ装置３が制御される。これにより、車両１の走行への影響を抑えながら、モータ装置３の熱量を暖房に必要な熱量にすることができ、モータ装置３の排熱を暖房に効果的に利用することができる。

モータ装置３の熱量に相当する平均損失Ｘおよび現在損失ＹがエアコンＥＣＵ６からの暖房要求に応じた熱量に満たない場合には、モータ装置３の熱量がエアコンＥＣＵ６からの暖房要求に応じた熱量以上である場合よりも効率が悪くなるように、つまりモータ装置３の損失が増加するように、モータＥＣＵ５により、モータ装置３が制御される。これにより、モータ装置３の熱量がエアコンＥＣＵ６からの暖房要求に応じた熱量に満たない場合に、モータ装置３の熱量を増加させることができる。

なお、平均損失Ｘを求めるためにモータ装置３の損失を取得する期間である所定期間は、予め設定された固定値であってもよいし、暖房要求と平均損失Ｘとの差に基づいて可変に設定されてもよい。たとえば、暖房要求と平均損失Ｘとの差が大きいほど、所定期間が短い期間に設定されて、その設定された所定期間が次に平均損失Ｘを求めるときに使用されてもよい。

これにより、暖房要求と平均損失Ｘとの差が大きいときに、平均損失Ｘをモータ装置３の現在の損失に近づけることができ、モータ装置３の熱量を暖房要求に良好に追従させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、損失−ｄ軸電流マップが参照されて、暖房要求に等しい損失が得られるｄ軸電流指令値が設定されるとした。これに限らず、暖房要求と平均損失Ｘとの差が小さいときには、その差に応じた比率が暖房要求に乗じられて、その乗算値に等しい損失が得られるｄ軸電流指令値が設定されてもよい。

この場合に、暖房要求に乗じられる比率は、図５に示される比率マップを参照して設定されるとよい。

比率マップには、暖房要求と平均損失Ｘとの差である損失差と比率との関係が定められている。比率マップは、所定値Ｄよりも小さい損失差に対して、その損失差が小さいほど、比率が小さい値に設定されるように定められている。比率マップは、所定値Ｄ以上の損失差に対して、比率が１００％に設定されるように作成されている。

比率マップを参照して設定された比率が暖房要求に乗じられて、その乗算値に等しい損失が得られるｄ軸電流指令値が設定されることにより、損失差が小さい場合に、モータ装置３の効率の低下を抑制できる。また、損失差が大きいほど、モータ装置３の効率が悪くなり、モータ装置３の熱量が増加する。よって、暖房要求に対して、モータ装置の熱量が速やかに増加し、良好な暖房性能を発揮することができる。

また、車両１の一例として、電気自動車を取り上げたが、本発明は、レンジエクステンデッド電気自動車、ハイブリッドカーなど、モータ装置を備える車両に広く適用することができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

３ モータ装置
４ 空調装置
５ モータＥＣＵ（モータ制御手段）
６ エアコンＥＣＵ（空調制御手段）

Claims (3)

1. トルクを発生するモータ装置と、
   前記モータ装置の排熱を車室内の暖房に利用する空調装置と、
   前記モータ装置を制御するモータ制御手段と、
   前記空調装置を制御する空調制御手段とを含み、
   前記空調制御手段は、暖房に必要な熱量に応じた暖房要求を出力し、
   前記モータ制御手段は、前記モータ装置の発生トルクを保持しつつ、前記モータ装置の熱量が前記空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量となるように、前記モータ装置の駆動を制御する、車両用空調システム。
2. 前記モータ制御手段は、前記モータ装置の熱量が前記空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量に満たない場合、前記モータ装置の熱量が前記空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量以上である場合よりも効率が悪くなるように、前記モータ装置を制御する、請求項１に記載の車両用空調システム。
3. 前記モータ制御手段は、前記空調制御手段からの暖房要求に応じた熱量と前記モータ装置の損失との差が所定値以下の範囲では、その差が大きいほど効率が悪くなるように、前記モータ装置を制御する、請求項１または２に記載の車両用空調システム。

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