JP2020055343A - 車両の熱管理システム - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係る車両の熱管理システム1000の概略構成について説明する。この熱管理システム1000は電動車両などの車両に搭載される。図1に示すように、熱管理システム1000は、パワーエレクトロニクス冷却回路100、冷媒回路200、加熱回路300、電池温度調節回路400、を有している。この熱管理システム1000では、車室内の温度調節と車両を駆動するためのバッテリの温度調整を、冷媒回路300と加熱回路400との組み合わせにより実現している。
パワーエレクトロニクス冷却回路100は、車両を駆動するためのパワーエレクトロニクスと接続され、これらのパワーエレクトロニクスを冷却する。具体的に、パワーエレクトロニクス冷却回路100は、第1の機器110と接続されている。また、パワーエレクトロニクス冷却回路100は、ラジエータ102、膨張タンク104、ウォータポンプ106と接続されている。一例として、一例として、第1の機器110は車両の駆動モータまたはインバータまたはコンバータ等で構成され、第2の機器116は車両の駆動モータまたはインバータまたはコンバータ等で構成される。
冷媒回路200は、室外熱交換機202、低圧電磁弁204、チラー用膨張弁206、アキュムレータ208、電動コンプレッサ210、水冷コンバイパス電磁弁212、高圧電磁弁214、暖房用電磁弁216、冷房用膨張弁217、エバポレータ218、逆止弁20、水冷コンデンサ306、チラー408と接続されている。
加熱回路300は、高電圧ヒータ302、ヒータコア304、水冷コンデンサ306、ウォータポンプ308、三方弁310と接続されている。また、加熱回路300は、流路312、流路314を介して、電池温度調節回路400の三方弁404,412と接続されている。加熱回路300は、主として車室内の暖房を行う。また、本実施形態において、加熱回路300は、高電圧バッテリ410の温度調節も行う。
加熱回路300による高電圧バッテリ410の温度調節については、後で詳細に説明する。
電池温度調節回路400は、ウォータポンプ402、三方弁404、膨張タンク406、チラー408、高電圧バッテリ410、三方弁412と接続されている。電池温度調節回路400は、高電圧バッテリ410の温度調節を行う。
高電圧バッテリ410の温度が適度に昇温すると、高電圧バッテリ410が発生させる電力が増大する。本実施形態では、冷媒回路200、加熱回路300により高電圧バッテリ410の温度調節を行うことで、高電圧バッテリ410の温度を最適に調節することができ、高出力を発揮させることができる。例えば、冬場の車両始動時等においては、高電圧バッテリ410が冷えているため、十分な出力を発揮できない場合がある。また、高電圧バッテリ410の充電時には、高電圧バッテリ410が発熱し、高電圧バッテリ410の温度が過度に上昇してしまう場合がある。このような場合においても、冷媒回路200、加熱回路300により高電圧バッテリ410の温度調節を行うことで、高電圧バッテリ410の温度を最適に調節することが可能である。なお、高電圧バッテリ410の温度調節は、高電圧バッテリ410の温度測定値に基づくフィードバック制御により行うことが好適である。
次に、上述のように構成された熱管理システム1000の動作について説明する。車室内の冷房、除湿、暖房、高電圧バッテリ410の温度調節を行うため、各種の熱交換が行われる。以下では、熱管理システムにおけるこれらの動作を説明する。なお、各動作は一例であり、各動作を実現するための制御は例示したものに限定されるものではない。説明に際し、低圧電磁弁204、チラー用膨張弁206、水冷コンバイパス電磁弁212、高圧電磁弁214、暖房用電磁弁216、三方弁310、三方弁404、三方弁412の動作状態として、図中に白抜きで示したものは開状態として示し、黒く塗りつぶしたものは閉状態として示す。
図2は、車室内の冷房時の動作を示す模式図である。車室内の冷房は、冷媒回路200によって行われる。図2では、加熱回路300、電池温度調節回路400が停止した状態を示している。冷媒回路200の冷媒は、図2中に矢印で示す方向に流れる。上述したように、エバポレータ210に送風された空気10がエバポレータ210で冷やされ、車室内に導入されることで、車室内が冷房される。
図3は、高電圧バッテリ410の冷却時の動作を示す模式図である。図3において、高電圧バッテリ410の冷却は、冷媒回路200を流れる冷媒と電池温度調節回路400を流れる液体がチラー408との間で熱交換を行うことにより実現される。電動コンプレッサ210により圧縮された冷媒が室外熱交換器202で冷却され、チラー用膨張弁206によってチラー408に噴射されることで気化し、チラー408を冷却する。これにより、電池温度調節回路400を流れる液体が冷媒回路200を流れる冷媒によって冷却される。図3では、加熱回路300が停止した状態を示している。
図4は、車室内の冷房と高電圧バッテリ410の冷却を共に行う場合の動作を示す模式図である。図2に対してチラー用膨張弁206が開かれることで、冷媒回路200を流れる冷媒と電池温度調節回路400を流れる液体がチラー408でとの間で熱交換が行われ、高電圧バッテリ410が冷却される。図4では、加熱回路300が停止した状態を示している。
図5は、車室内の除湿時の動作を示す模式図である。図2と異なる点は、エバポレータ218で冷却して除湿した空気をヒータコア304で再度加温する点である。エバポレータ218で熱交換を行った後の冷媒は高温、高圧の状態である。ウォータポンプ308の作動により加熱回路300内を液体が流れ、水冷コンデンサ306にて加熱回路300の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路300の液体が加温される。この際、図5に示すように、三方弁310、三方弁404、三方弁412の一部が閉じられることで、加熱回路300の液体が電池温度調節回路400に流入することはない。エバポレータ218によって除湿された空気は、ヒータコア304で暖められて車室内に導入される。加熱回路300の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ302をオンにして加熱回路300の液体を更に加温する。
図6は、車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作を示す模式図である。図6では、冷媒回路200の冷媒の一部は、ラジエータ102を通過することなく、高圧電磁弁214を通り、エバポレータ218に導入される。ウォータポンプ308の作動により加熱回路300内を液体が流れ、水冷コンデンサ306にて加熱回路300を流れる液体が暖められる。これにより、エバポレータ218によって除湿された空気がヒータコア304で暖められて車室内に導入される。
図7は、車室内の除湿と暖房を共に行う場合の動作の別の例を示す模式図である。基本的な動作は図6と同様であるが、図7では、高圧電磁弁214と低圧電磁弁204が閉じられている。図6と図7の相違について説明すると、図7では、外気温が低温の場合、除湿時に暖房能力を確保するため高電圧ヒータ302がオンとされる。一方、図6では、外気温が低温の場合に、冷媒が室外熱交換器202をバイパスするため、高電圧ヒータ302を使用しなくても暖房能力を確保することが可能である。なお、図6、図7では、図5と同様に、加熱回路300から電池温度調節回路400への液体の流入が停止されており、電池温度調節回路400が停止した状態を示している。
図8は、車室内の除湿と高電圧バッテリ410の冷却を共に行う動作を示す模式図である。図5に対して、チラー用膨張弁206が開かれている。電動コンプレッサ210により圧縮された冷媒が室外熱交換器202で冷却され、チラー用膨張弁206によってチラー408に噴射されることで気化し、チラー408を冷却する。冷媒回路200を流れる冷媒と電池温度調節回路400を流れる液体がチラー408でとの間で熱交換が行われ、高電圧バッテリ410が冷却される。除湿は図5と同様に行われる。
図9は、車室内の除湿と高電圧バッテリ410の昇温を共に行う動作を示す模式図である。基本的な動作は図5と同様であるが、図9では加熱回路300の液体が電池温度調節回路300に導入される。このため、加熱回路300の三方弁310と電池温度調節回路400の三方弁404,412において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路300と加熱回路300における液体は、ウォータポンプ402の作動により矢印方向に流れる。加熱回路300の液体が電池温度調節回路300に導入されることで、高電圧バッテリ410を昇温することができる。エバポレータ218によって除湿された空気は、ヒータコア304で暖められて車室内に導入される。加熱回路300の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ302をオンにして加熱回路300の液体を更に加温する。
図10は、ヒートポンプ式の車室内暖房の動作を示す模式図である。電動コンプレッサ210により冷媒を高温、高圧にして、水冷コンデンサ306にて加熱回路300の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路300の液体が加温される。図5と同様に、加熱回路300から電池温度調節回路400への液体の流入は停止され、電池温度調節回路400は停止している。車室内に導入される空気は、ヒータコア304で暖められる。加熱回路300の液体へ冷媒から十分な熱が与えられないような状況では、高電圧ヒータ302をオンにして加熱回路300の液体を更に加温する。
図11は、高電圧ヒータ302による車室内の暖房の動作を示す模式図である。高電圧ヒータ302により加熱回路300の液体が加熱され、ヒータコア304で熱交換が行われることにより、車室内が暖房される。冷媒回路200は停止した状態である。また、加熱回路300から電池温度調節回路400への液体の流入は停止され、電池温度調節回路400は停止している。
図12は、ヒートポンプによる高電圧バッテリ410の昇温の動作を示す模式図である。基本的な動作は図10と同様であるが、図12では加熱回路300の液体が電池温度調節回路300に導入される。このため、加熱回路300の三方弁310と電池温度調節回路400の三方弁404,412において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路300と加熱回路300における液体は、ウォータポンプ402の作動により矢印方向に流れる。ヒートポンプによる高電圧バッテリの昇温では、電動コンプレッサ210により冷媒を高温、高圧にして、水冷コンデンサ306にて加熱回路300の液体と高温、高圧の冷媒が熱交換を行うことで、加熱回路300の液体が加温される。このため、外気温が極低温(例えば−10℃以下)である場合を除き、高電圧ヒータ302は停止状態とされる。従って、電力消費を抑えることができ、エネルギーの利用効率を高めることができる。
図13は、高電圧ヒータ302による高電圧バッテリ410の昇温の動作を示す模式図である。高電圧ヒータ302により加熱回路300の液体が加熱され、電池温度調節回路400に導入されることで、高電圧バッテリ410が昇温される。冷媒回路200は停止した状態である。図13においても、加熱回路300の三方弁310と電池温度調節回路400の三方弁404,412において、矢印方向に液体が流れるように各弁が制御される。電池温度調節回路300と加熱回路300における液体は、ウォータポンプ402の作動により矢印方向に流れる。
以上のように、熱管理システム1000では、冷媒回路200、加熱回路300、電池温度調節回路400を用いて、高電圧バッテリ410の温度調節を行うことができる。更に、本実施形態では、パワーエレクトロニクス冷却回路100を流れる液体によって、高電圧バッテリ410の温度調節を可能としている。
図15は、図14に示す構成において、パワートレイン冷却水を利用して高電圧バッテリ410の温度調節を行っている状態を示す模式図である。図15では、第2の機器116の排熱を利用しない場合を示している。図15に示すように、バイパス用の三方弁140を制御することで、三方弁140から第2の機器116に向かう流路が閉じられる。また、三方弁144も閉じられている。
図16は、第2の機器の排熱を利用する場合を示す模式図である。図16に示す例では、バイパス用の三方弁140を制御することで、三方弁140から第2の機器116に向かう流路が開かれ、三方弁140から電池温度調節回路400に向かう流路が閉じられている。
次に、図14に示す構成に基づき、第1の機器110と第2の機器116を個別に冷却する例について説明する。図17及び図18は、パワートレイン冷却液を利用して第1の機器110のみを冷却する例を示す模式図である。図17及び図18では、第2の機器116については、電池温度調節回路400の冷却液を利用して冷却している。
102 ラジエータ
110 第1の機器
116 第2の機器
124 分岐部
130,136,138 バイパス流路
200 冷媒回路
400 電池温度調節回路
410 高電圧バッテリ
414 制御弁
416 ウォータポンプ
1000 熱管理システム
Claims (7)
- 車室内の温度調節を行う冷媒が循環する冷媒回路と、
前記冷媒との間で熱交換を行う液体をバッテリに導入することで前記バッテリの温度調節を行うバッテリ温度調節回路と、
ラジエータで冷却された液体が循環し、車両を駆動するための第1の機器及び第2の機器を冷却可能な電気部品冷却回路と、
を備え、
第1のモードでは、前記ラジエータで冷却された液体により前記第1の機器を冷却し、前記冷媒回路の前記冷媒により前記第2の機器を冷却し、前記冷媒との間で熱交換を行った液体を、前記バッテリと前記第2の機器に対して並列的に導入することを特徴とする、車両の熱管理システム。 - 前記冷媒との間で熱交換を行った液体が、前記バッテリ温度調節回路に設けられた分岐部で分離されて、前記バッテリと前記第2の機器のそれぞれに導入されることを特徴とする、請求項1に記載の車両の熱管理システム。
- 前記分岐部で前記バッテリ温度調節回路から分離されて前記第2の機器へ接続される第1のバイパス流路と、
前記第1のバイパス流路に設けられたウォータポンプと、
を更に備え、
前記ウォータポンプの作動により前記分岐部から前記第1のバイパス流路に流れた液体を前記第2の機器へ導入することを特徴とする、請求項2に記載の車両の熱管理システム。 - 前記第2の機器に導入された液体を前記バッテリ温度調節回路に戻す第2のバイパス流路を備え、
前記バッテリ温度調節回路は、前記第2のバイパス流路と前記バッテリ温度調節回路との接続部の下流側に設けられた制御弁と、前記制御弁の下流に設けられ、前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、を有し、前記分岐部は前記熱交換器の下流側に設けられ、
前記第1のモードでは前記制御弁を開くことで、前記バッテリから導出された液体が前記第1のバイパス流路を経由して前記第2の機器に導入されることを特徴とする、請求項3に記載の熱管理システム。 - 第2のモードでは、前記ラジエータで冷却された液体により前記第1の機器を冷却し、前記冷媒回路の前記冷媒により前記第2の機器を冷却し、前記冷媒との間で熱交換を行った液体を、前記バッテリと前記第2の機器に対して直列的に導入することを特徴とする、請求項1に記載の車両の熱管理システム。
- 前記第2のモードでは、前記冷媒との間で熱交換を行った液体を前記バッテリに導入し、前記バッテリから導出された液体を前記第2の機器に導入することを特徴とする、請求項5に記載の車両の熱管理システム。
- 前記バッテリ温度調節回路の液体を前記第2の機器へ導入する第1のバイパス流路と、
前記第2の機器から導出された液体を前記バッテリ温度調節回路に戻す第2のバイパス流路と、を備え、
前記バッテリ温度調節回路は、前記第1のバイパス流路と前記バッテリ温度調節回路との第1の接続部と、前記第2のバイパス流路と前記バッテリ温度調節回路との第2の接続部と、の間に設けられた制御弁と、前記第2の接続部の下流に設けられ、前記冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、を有し、
前記第2のモードでは、前記制御弁を閉じることで、前記バッテリから導出された液体が前記第1のバイパス流路を経由して前記第2の機器に導入されることを特徴とする、請求項6に記載の車両の熱管理システム。
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