JP4501456B2 - 車両に搭載された電気機器の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された電気機器の冷却装置に関し、特に、車両に搭載されたモータ等の回転電機、インバータ等のパワーユニット、蓄電機構等のバッテリなどの電気機器の冷却装置に関する。

自動車等の車両に搭載されるモータや発電機は、回転子（ロータ）と、その周囲に配設されステータコイルが巻き付けられたステータコアとを有する。モータはステータコイルに通電して回転力を得て、発電機はロータの回転によりステータコイルに流れる電流を取り出す。そして、ロータ回転時にステータコイルに電流が流れると、ステータコアやステータコイルが発熱する。これらの発熱は、モータや発電機の内部を貫通する磁束に影響を与え、運転効率（回転効率、発電効率）を低下させる。運転効率を維持するため、モータや発電機を冷却する必要がある。

また、このようなモータに交流電力を供給するインバータを含むＰＣＵ（Power Control Unit）や、インバータに直流電力を供給するバッテリなども、パワー素子が発熱したり、バッテリの充放電に伴う化学反応により発熱したりするので、冷却する必要がある。

このような車両に搭載される電気機器（モータや発電機、ＰＣＵやバッテリ）の中で、モータや発電機を冷却する場合について説明する。モータや発電機は、ハウジングで覆われた形で車両に搭載される。従って、モータや発電機の冷却には、このハウジング内に冷却媒体の通路を設け、通路内を通過する冷媒による冷却、すなわち液冷が適用されることが多い。このとき、電動機のコイルについての絶縁性は確保しておく必要があるため、冷却は、ハウジング内でコイルと非接触の部位に設けられた冷媒路に冷却水を流す方法や、発熱部位近傍に絶縁性のある機械油等を流したり飛沫させたりする方法により行なわれる。

機械油等の絶縁性の冷媒を用いる方法は、絶縁性を保持しつつハウジング内に冷媒路を設ける必要がないため、ハウジングを小型化することが可能であり、発熱部位の近傍に冷媒を供給できるため、冷却能力も大きい点で優れている。このような車両に搭載される電動機の発熱を抑えるための冷却に関する技術が、以下の公報に開示されている。

特開平４−１４５８０１号公報（特許文献１）は、消費電力を少なくして一充電走行距離が長く走行可能な電気自動車を開示する。この電気自動車は、バッテリと、バッテリに接続された電動機と、電動機によって駆動される車輪と、電動機の冷却のための油を供給する油供給用ポンプモータを備え、電動機の温度を検出する温度検出部と、電動機の温度が所定以下の場合には油供給用ポンプモータの作動を制限するように油供給用ポンプモータを制御する制御部とを含む。

この電気自動車によると、電動機に冷却のための油を供給する油供給用ポンプモータは、電動機に取り付けられている温度検出部からの信号に基づいて、電動機の温度が上昇したときのみ動作する。そのため、電動機の温度が上昇しないような走行状態では、油供給用ポンプモータは動作しない。そのため、消費電力を少なくすることができ省エネルギを実現でき、一充電走行距離を長くすることができる。
特開平４−１４５８０１号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された電気自動車では、外気温が低い場合であって、電動機の温度が上昇しにくいような状態であっても、電動機の温度が所定温度になると油供給用ポンプモータを動作させる。すなわち、モータの許容温度と、油供給用ポンプモータを動作させる条件とに差があるので、外気温が低くて油供給用ポンプモータを動作させなくても許容温度以下になる場合であっても電動機の温度が所定温度以上になると油供給用ポンプモータが動作を開始してしまう。このような状態では、一充電走行距離を長くすることに限界がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、車両に搭載される電気機器を適切に冷却することができる冷却装置を提供することである。

第１の発明に係る電気機器の冷却装置は、電気機器に冷却媒体を供給するための供給手段と、電気機器の温度を検知するための手段と、気温を検知するための手段と、電気機器の温度と気温とに基づいて、供給手段を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、たとえば、車両に搭載された走行用モータの温度が高くなると走行用モータへ冷却オイルを供給する供給手段である電動オイルポンプを作動させるが、このときに気温が低い場合には、電動オイルポンプを作動させないようにできる。すなわち、外気温が低くて走行用モータの温度が上昇する度合いが小さいと考えられる場合には、電動オイルポンプを作動させない。これにより、電動オイルポンプの作動頻度を低減することができ、燃費の向上、電動オイルポンプの耐久性向上、電動オイルポンプの作動音の低減が可能になる。その結果、車両に搭載される電気機器を適切に冷却することができるの冷却装置を提供することができる。

第２の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第１の発明の構成に加えて、制御手段は、気温が予め定められた第１の温度以上であって、かつ電気機器の温度が予め定められた第２の温度以上であると、供給手段を作動させるように制御するための手段を含む。

第２の発明によると、気温が第１の温度以上であって、かつ、走行用モータの温度が第２の温度以上であるときに、電動オイルポンプを作動させ、気温が第１の温度未満であったり、走行用モータの温度が第２の温度未満であったりすると、電動オイルポンプを作動させないようにできる。なお、第２の温度は走行用モータの許容温度に基づいて設定され、第１の温度は、第２の温度よりも低い。

第３の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第２の発明の構成に加えて、第２の温度は、第１の温度よりも高いものである。

第３の発明によると、外気温が第１の温度以上で、走行用モータの温度がその第１の温度よりも高い第２の温度よりもさらに高い場合に、電動オイルポンプを作動させ、気温が第１の温度未満であったり、走行用モータの温度が第２の温度未満であったりすると、電動オイルポンプを作動させないようにできる。

第４の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第２または３の発明の構成に加えて、第２の温度は、電気機器の許容温度に基づいて設定されるものである。

第４の発明によると、第２の温度を走行用モータの許容温度に基づいて設定するので、走行用モータを許容温度内で動作されることができる。

第５の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第２または３の発明の構成に加えて、第２の温度は、気温の範囲に対応して複数設定されるものである。

第５の発明によると、たとえば、気温が高いほど電動オイルポンプの作動を開始する第２の温度を低く、気温が低いほどその第２の温度を高く設定する。これにより、気温に応じて、的確に電動オイルポンプの作動を制御できる。

第６の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第２〜５のいずれかの発明の構成に加えて、制御手段は、電気機器の温度が、第１の温度よりも高く第２の温度よりも低い第３の温度よりも低くなると、供給手段の作動を停止させるように制御するための手段をさらに含む。

第６の発明によると、電動オイルポンプを作動させて、走行用モータの温度が、電動オイルポンプの作動を開始する第２の温度よりも低い第３の温度よりも低くなると、電動オイルポンプの作動を停止させるので、電動オイルポンプの作動時間を短くできるとともに、第２の温度と異なる第３の温度を設定するので、電動オイルポンプが作動したり停止したりするハンチングを防止することができる。

第７の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第１〜６のいずれかの発明の構成に加えて、電気機器は、車両の走行用回転電機である。

第７の発明によると、車両に搭載される電気機器には走行用回転電機（電動機、発電機）やＰＣＵやバッテリがあるが、走行用回転電機を適切に冷却することができる。

第８の発明に係る電気機器の冷却装置においては、第１〜７のいずれかの発明の構成に加えて、冷却媒体は、液体である。

第８の発明によると、車両に搭載される電気機器の冷却方法には液冷と空冷とがあるが、走行用回転電機（電動機、発電機）やＰＣＵやバッテリを冷却オイルで適切に冷却することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る車両走行用モータの冷却システムについて説明する。なお、以下の説明では、冷却対象を車両走行用モータとして説明するが、本発明はこれに限定されない。インバータユニットやＤＣ/ＤＣコンバータを含むＰＣＵや、走行用の大容量バッテリを冷却対象としてもよい。

図１に、冷却システムの全体構成図を示す。このモータ１００は、車両を走行させるための電動機であって、冷却オイルにより冷却される。モータ１００のハウジング下部にはオイルパン１２０が形成され、オイルパン１２０からオイル配管１３０を介して電動オイルポンプ１４０が接続されている。また、電動オイルポンプ１４０から熱交換器２００を介してハウジングの上部へのオイル配管を通って冷却オイルがモータ１００に供給される。すなわち、電動オイルポンプ１４０により、モータ１００と熱交換器２００との間を、オイル配管１３０を通して、冷却オイルを循環させる。なお、本発明は、冷却媒体がこのような液体のものに限定されない。空気のような気体であってもよい。この場合、ポンプではなくファンになる。

モータ１００のステータコイルにはモータ温度センサ１１０が貼付けられている。モータ温度センサ１１０により検知されたモータ温度はＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００に出力される。また、車両の外気温を検知する外気温センサ４００が設けられ、外気温センサ４００は検知した外気温はＥＣＵ３００に出力される。また、ＥＣＵ３００は、電動オイルポンプ１４０に対して作動指令信号および作動停止信号を出力する。

モータ１００のハウジングには、ステータコアおよびステータコイルエンドの上方の位置にステータコアおよびステータコイルエンドに冷却オイルを滴下する冷却油滴下部が設けられる。この冷却油滴下部は、たとえば、電動オイルポンプ１４０により供給される冷却コイルをステータコアやステータコイルエンドに滴下、噴霧、噴射するノズルなどにより構成される。この冷却油滴下部からステータコアおよびステータコイルエンドに供給された冷却油により、ステータコアおよびステータコイルエンドが冷却される。また、ロータの内部に油路を設け、回転軸中心に設けられた油路からロータに設けられた油路に冷却油を供給してロータを冷却するようにしてもよい。

図１のような冷却オイルを電動オイルポンプ１４０により循環させるため、ステータコア、ステータコイル、ステータコイルエンドやロータを冷却した冷却オイルは、ハウジングの下方に設けられたオイルパン１２０に一旦溜められる。電動オイルポンプ１４０により冷却油が循環して熱交換器２００により高温状態の冷却オイルの温度が低下されて、ハウジングの上部に設けられた冷却油滴下部に供給される。

図２を参照して、図１のＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、以下の説明において、外気温しきい値Ｔ（１）＜モータ温度しきい値Ｔ（３）＜モータ温度しきい値Ｔ（２）である。

ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＥＣＵ３００は、電動オイルポンプ１４０が作動しているか否かを判断する。この判断は、ＥＣＵ３００から電動オイルポンプ１４０に作動指令信号が出力されているか、作動停止信号が出力されているかに基づいて行なわれる。電動オイルポンプ１４０が作動していると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１００にてＮＯ）、処理はＳ１３０へ移される。

Ｓ１１０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（３）よりも低いか否かを判断する。モータ温度は、ステータコイルに貼付けられたモータ温度センサ１１０からＥＣＵ３００に入力された信号に基づいて検知される。モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（３）よりも低いと（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１２０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ１２０にて、ＥＣＵ３００は、電動オイルポンプ１４０に対して作動停止信号を出力して、電動オイルポンプ１４０を停止させる。その後、処理は終了する。

Ｓ１３０にて、ＥＣＵ３００は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１）よりも低いか否かを判断する。ＥＣＵ３００は、外気温センサ４００から入力された信号に基づいて外気温を検知する。外気温が外気温しきい値Ｔ（１）よりも低い場合には（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、この処理は終了する。もしそうでないと（Ｓ１３０にてＮＯ）、処理はＳ１４０へ移される。

Ｓ１４０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）よりも低いか否かを判断する。モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）よりも低いと（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、この処理は終了する。もしそうでないと（Ｓ１４０にてＮＯ）、処理はＳ１５０へ移される。

Ｓ１５０にて、ＥＣＵ３００は、電動オイルポンプ１４０に対して作動指令信号を出力し、電動オイルポンプを作動させる。その後、処理は終了する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る冷却システムの動作について説明する。

電動オイルポンプ１４０が作動中でない場合であって（Ｓ１００にてＮＯ）、外気温が外気温しきい値Ｔ（１）よりも低いと、電動オイルポンプ１４０に作動指令信号が出力されず、電動オイルポンプ１４０は作動されない。外気温が外気温しきい値Ｔ（１）以上であるが（Ｓ１３０にてＮＯ）、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）よりも低い場合にも（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、電動オイルポンプ１４０に作動指令信号が出力されず、電動オイルポンプ１４０は作動されない。

外気温が外気温しきい値Ｔ（１）以上であって（Ｓ１３０にてＮＯ）、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）以上であると（Ｓ１４０にてＮＯ）、電動オイルポンプ１４０が作動される（Ｓ１５０）。

図３（Ａ）に、外気温が高い場合のモータ温度の時間変化を、図３（Ｂ）に、外気温が低い場合のモータ温度の時間変化を、それぞれ示す。

図３（Ａ）に示すように、外気温が高い場合には（Ｓ１３０にてＮＯ）、本発明の実施の形態に係る冷却システムにおいても、従来の冷却システムにおいても電動オイルポンプ１４０は、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）以上であると（Ｓ１４０にてＮＯ）、作動する。

一方、図３（Ｂ）に示すように外気温が低い場合においては、モータ温度がモータ温度しきい値Ｔ（２）以上であって（Ｓ１４０にてＮＯ）、外気温が外気温しきい値Ｔ（１）よりも低い場合には（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、電動オイルポンプ１４０は非作動の状態を維持することになる。すなわち、図３（Ｂ）の実線で示すように、外気温が低い場合には、外気温が高い場合に比べてモータ１００の作動開始時のモータ温度が低いことと外気温が低いことによりモータの温度上昇勾配が緩やかであることなどから、電動オイルポンプ１４０を作動させなくてもモータ温度が許容温度に到達しないと考えられるためである。

以上のようにして、本実施の形態に係る冷却システムによると、モータ温度や冷却媒体の温度に基づいて制御する場合に比べて、モータ温度と外気温とに基づいて電動オイルポンプの作動／非作動を制御するようにしたため、外気温が低い場合であってモータ温度が許容温度に到達しない場合には、電動オイルポンプの作動温度以上になった場合であっても電動オイルポンプを非作動の状態を維持して、電動オイルポンプの作動時間を低減させることができる。その結果、燃費の向上、電動オイルポンプの耐久性向上、電動オイルポンプの作動音の低減が実現できる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る冷却システムについて説明する。なお、本実施の形態に係る冷却システムの構造は、前述の第１の実施の形態に係る冷却システムの構造と同じである。したがって、図１において説明した構造についての説明は、ここでは繰返さない。本実施の形態に係る冷却システムは、ＥＣＵ３００において実行されるプログラムの制御構造が、前述の第１の実施の形態に係る冷却システムと異なる。

図４を参照して、本実施の形態に係る冷却システムのＥＣＵ３００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、図４に示したフローチャートの中で、前述の図２に示したフローチャートと同じ処理については同じステップ番号を付してある。それらについての処理も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

なお、以下の説明において使用する温度しきい値について説明する。{外気温しきい値Ｔ（１Ａ）、Ｔ（１Ｂ）、Ｔ（１Ｃ）}＜モータ温度しきい値Ｔ（３）＜｛モータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）、Ｔ（２Ｂ）、Ｔ（２Ｃ）、Ｔ（２Ｄ）｝である。また、外気温しきい値Ｔ（１Ｃ）＜外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）＜外気温しきい値Ｔ（１Ａ）である。また、モータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）＜モータ温度しきい値Ｔ（２Ｂ）＜モータ温度しきい値Ｔ（２Ｃ）＜モータ温度しきい値Ｔ（２Ｄ）である。

モータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ａ）以上のときの電動オイルポンプ１４０を作動させるときのモータ温度である。モータ温度しきい値Ｔ（２Ｂ）は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）〜外気温しきい値Ｔ（１Ａ）のときの電動オイルポンプ１４０の作動を開始するモータ温度である。モータ温度しきい値Ｔ（２Ｃ）は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｃ）〜外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）のときの電動オイルポンプ１４０の作動を開始するモータ温度である。モータ温度しきい値Ｔ（２Ｄ）は、外気温にかかわらず電動オイルポンプ１４０の作動を開始するモータ温度である。

Ｓ２００にて、ＥＣＵ３００は外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ａ）よりも高いか否かを判断する。外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ａ）よりも高いと（Ｓ２００にてＹＥＳ）、処理はＳ２３０へ移される。もしそうでないと（Ｓ２００にてＮＯ）、処理はＳ２１０へ移される。

Ｓ２１０にて、ＥＣＵ３００は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）よりも高いか否かを判断する。外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）よりも高いと（Ｓ２１０とＹＥＳ）、処理はＳ２４０へ移される。もしそうでないと（Ｓ２１０にてＮＯ）、処理はＳ２２０へ移される。

Ｓ２２０にて、ＥＣＵ３００は、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｃ）よりも高いか否かを判断する。外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｃ）よりも高いと（Ｓ２２０とＹＥＳ）、処理はＳ２５０へ移される。もしそうでないと（Ｓ２２０にてＮＯ）、処理はＳ２６０へ移される。

Ｓ２３０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）を代入する。Ｓ２４０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｂ）を代入する。Ｓ２５０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｃ）を代入する。Ｓ２６０にて、ＥＣＵ３００は、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｄ）を代入する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る冷却システムの動作について説明する。

電動オイルポンプ１４０が作動を停止している状態において（Ｓ１００にてＮＯ）、外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ａ）よりも高いと、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）が代入される。モータ温度しきい値Ｔ（２Ａ）は、電動オイルポンプ１４０の作動条件であるモータ温度のしきい値の中で最も低い温度である。

外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）〜外気温しきい値Ｔ（１Ａ）の場合には（Ｓ２００にてＮＯ、Ｓ２１０にてＹＥＳ）、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｂ）が代入される（Ｓ２４０）。外気温が外気温しきい値Ｔ（１Ｃ）〜外気温しきい値Ｔ（１Ｂ）の場合には（Ｓ２００にてＮＯ、Ｓ２１０にてＮＯ、Ｓ２２０にてＹＥＳ）、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｃ）が代入される（Ｓ２５０）。

外気温が上述したいずれの条件も満足しない場合（Ｓ２２０にてＮＯ）、モータ温度しきい値Ｔ（２）にモータ温度しきい値Ｔ（２Ｄ）が代入される（Ｓ２６０）。モータ温度しきい値Ｔ（２Ｄ）は、電動オイルポンプ１４０の作動条件であるモータ温度のしきい値の中で最も高い温度である。

すなわち、外気温の範囲に対応させてモータ温度しきい値Ｔ（２）を設定した。モータ温度が、設定されたモータ温度しきい値Ｔ（２）以上になると（Ｓ１４０にてＮＯ）、電動オイルポンプ１４０に対して作動指令信号が出力される（Ｓ１５０）。

以上のようにして、本実施の形態に係る冷却システムによると、前述の第１の実施の形態よりもさらに細かく電動オイルポンプの作動／非作動を制御することができ、電動オイルポンプの非作動状態を長い時間維持する可能性があり、さらなる電動オイルポンプの作動頻度の低減を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る冷却システムの制御ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る冷却システムのＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る冷却システムにおける温度上昇状態を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る冷却システムのＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ モータ、１１０ モータ温度センサ、１２０ オイルパン、１３０ オイル配管、１４０ 電動オイルポンプ、２００ 熱交換器、３００ ＥＣＵ、４００ 外気温センサ。

Claims (7)

1. 車両に搭載された電気機器の冷却装置であって、
   前記電気機器に冷却媒体を供給するための供給手段と、
   前記電気機器の温度を検知するための手段と、
   気温を検知するための手段と、
   前記電気機器の温度と前記気温とに基づいて、前記供給手段を制御するための制御手段とを含み、
   前記制御手段は、前記気温が予め定められた第１の温度以上であって、かつ前記電気機器の温度が予め定められた第２の温度以上であると、前記供給手段を作動させるように制御するための手段を含む、冷却装置。
2. 前記第２の温度は、前記第１の温度よりも高い、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第２の温度は、前記電気機器の許容温度に基づいて設定される、請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記第２の温度は、前記気温の範囲に対応して複数設定される、請求項１または２に記載の冷却装置。
5. 前記制御手段は、前記電気機器の温度が、前記第１の温度よりも高く前記第２の温度よりも低い第３の温度よりも低くなると、前記供給手段の作動を停止させるように制御するための手段をさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記電気機器は、前記車両の走行用回転電機である、請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
7. 前記冷却媒体は、液体である、請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。

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