JP6271222B2

JP6271222B2 - 車両用冷媒循環装置、及び車両用空調装置

Info

Publication number: JP6271222B2
Application number: JP2013233791A
Authority: JP
Inventors: 裕之大野
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: JP2015093561A

Description

本発明は車両用冷媒循環装置、及び車両用空調装置に関するものである。

特許文献１には、バッテリの温度を調整する冷媒が循環するバッテリ用冷媒流路と、車室内空調用の冷媒が循環する空調用冷媒流路と有し、バッテリ用冷媒流路と空調用冷媒流路とを接続して冷媒を循環する場合に、バッテリ用冷媒流路と空調量冷媒流路とを直列接続するバッテリ温度制御装置が開示されている。

特開２０１０−２７２２８４号公報

しかし、上記するように直列に接続した場合には、バッテリ用冷媒流路、及び空調用冷媒流路を流れる冷媒の流量を個別に制御することが難しくなる、と言った問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、バッテリ用冷媒流路と空調用冷媒流路とを接続した場合であっても、各冷媒流路を流れる冷媒の流量を個別に制御可能にすることを目的とする。

本発明のある態様に係る車両用冷媒循環装置は、車室内の温度を調整する空調サイクルと、バッテリの温度を調整するバッテリ温度調整サイクルと、空調サイクルの空調用冷媒流路とバッテリ温度調整サイクルのバッテリ用冷媒流路とを並列接続可能な接続手段と、前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御する流量制御手段と、を備え、前記流量制御手段は、前記空調用冷媒流路を流れる冷媒と、前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒との温度差が、所定値以上の場合に、前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とが並列接続される際の前記バッテリ用冷媒流路における冷媒の初期流量を、前記温度差が前記所定値よりも小さい場合よりも少なくする。

この態様によると、空調用冷媒流路とバッテリ用冷媒流路とを並列接続することで、バッテリを、空調用冷媒流路を流れる冷媒によって温める場合であっても、各冷媒流路を流れる冷媒の流量を個別に制御することができる。

電動車両の空調装置のシステム概略図である。バッテリの温度制御を説明するフローチャートである。冷却水の流れを示す図である。バッテリの温度と第１ウォーターポンプの吐出流量との関係を示すマップである。暖房運転時の空調ファンの風量と第２ウォーターポンプの吐出流量との関係を示すマップである。冷却水の流れを示す図である。冷却水の流れを示す図である。

本発明の実施形態における空調装置１について図を参照しながら説明する。図１は電動車両の空調装置１のシステム構成図である。

空調装置１は、冷媒が循環する冷凍サイクル２と、冷却水（冷媒）が循環する低水温サイクル３と、冷却水（冷媒）が循環する高水温サイクル４と、低水温サイクル３と高水温サイクル４とを並列接続可能な接続流路５ａ、５ｂと、空調ファン６と、コントローラ７とから構成される。冷却水は、例えば不凍液で構成される。

冷凍サイクル２は、コンプレッサ２０と、コンデンサ２１と、エバポレータ２２と、冷媒−水熱交換器２３と、第１電磁弁２４と、第２電磁弁２５と、第１膨張弁２６と、第２膨張弁２７と、これらを冷媒が循環可能となるように接続する冷媒流路２８とから構成される。

冷凍サイクル２では、冷媒がコンプレッサ２０によって加圧され、高温、高圧となった冷媒は、コンデンサ２１によって冷却水との間で熱交換を行い、冷却されて液化する。液化した冷媒は、第１膨張弁２６、第２膨張弁２７を介してエバポレータ２２、冷媒−水熱交換器２３内に噴射されて蒸発し、再びコンプレッサ２０によって加圧される。

エバポレータ２２によって冷媒が蒸発する時に、エバポレータ２２の外部の空気が冷却される。エバポレータ２２によって冷却された空気は、冷房（除湿）時の車内空調に使用される。また、冷媒−水熱交換器２３によって冷媒が蒸発する時に、冷媒−水熱交換器２３内を流れる冷却水が冷却される。

なお、第１膨張弁２６の上流に第１電磁弁２４が設けられ、第２膨張弁２７の上流に第２電磁弁２５が設けられる。第１電磁弁２４、及び第２電磁弁２５は、コントローラ７からの信号に基づいて開閉する。

低水温サイクル３は、バッテリ３０と、冷媒−水熱交換器２３と、第１ウォーターポンプ３１と、これらを冷却水が循環可能となるように接続する第１冷却水流路３２とから構成される。

バッテリ３０は、電動車両のモータなどに電力を供給する二次電池であり、充放電する際に熱が発生する。バッテリ３０は、冷却水によって冷却される。

第１ウォーターポンプ３１は、バッテリ３０から供給される電力によって駆動する。第１ウォーターポンプ３１は、第１冷却水流路３２を流れる冷却水の流量を調整することができる。

高水温サイクル４は、コンデンサ２１と、メインヒーター４０と、ヒーターコア４１と、第２ウォーターポンプ４２と、これらを冷却水が循環可能となるように接続する第２冷却水流路４３と、ラジエータ４４と、冷却水をラジエータ４４に循環可能にする第３冷却水流路４５とから構成される。第２冷却水流路４３と第３冷却水流路４５とは、三方弁４６を介して接続している。

メインヒーター４０は、バッテリ３０から供給される電力によって発熱し、冷却水を温める。

ヒーターコア４１は、コンデンサ２１、メインヒーター４０などにより温められた冷却水とヒーターコア４１周囲の空気との間で熱交換を行い、空気を温める。ヒーターコア４１を通った冷却水はリザーバータンク４７に戻される。ヒーターコア４１によって温められた空気は、暖房運転時の車内空調に使用される。暖房がＯＦＦとなっている場合には、エアミックスドア４８によってヒーターコア４１に空気が当たることを防ぎ、空気が温められることを防止する。なお、ヒーターコア４１をバイパスするようにバイパス通路を設けてもよい。

第２ウォーターポンプ４２は、バッテリ３０から供給される電力によって駆動する。第２ウォーターポンプ４２は、第２冷却水流路４３を流れる冷却水の流量を調整することができる。

ラジエータ４４は、外部を流れる空気と冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を冷却する。

接続流路５ａ、５ｂは、低水温サイクル３の第１冷却水流路３２と高水温サイクル４の第２冷却水流路４３とを並列接続可能とする。接続流路５ａは、バッテリ３０と冷媒−水熱交換器２３との間の第１冷却水流路３２と、ヒーターコア４１と第２ウォーターポンプ４２との間の第２冷却水流路４３とを三方弁５０を介して接続する。また、接続流路５ｂは、三方弁４６とコンデンサ２１との間の第２冷却水流路４３と、冷媒−水熱交換器２３と第１ウォーターポンプ３１との間の第１冷却水流路３２とを三方弁５１を介して接続する。つまり、接続流路５ａは、第２ウォーターポンプ４２の上流側（吸入側）に接続し、接続流路５ｂは、第１ウォーターポンプ３１の上流側（吸入側）に接続している。このように接続流路５ａ、５ｂを設けることで、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続した場合には、第１ウォーターポンプ３１と第２ウォーターポンプ４２とは直列に配置されることとなる。なお、接続流路５ｂの途中には、リザーバータンク５２が設けられている。

空調ファン６は、ファン調整スイッチ７４の操作などに応じて空調用空気の風量を調整する。

コントローラ７は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等の主記憶装置、プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体から構成されている。そして、ＣＰＵが記憶媒体に記憶されたプログラムを読み込んで実行することで、コントローラ７の各機能が発揮される。コンピュータ読取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。

コントローラ７は、バッテリ３０の温度Ｔを検出する温度センサ７０からの信号、バッテリ３０に流入する冷却水の温度Ｔｗ１を検出する水温センサ７１からの信号、第２ウォーターポンプ４２から吐出される冷却水の温度Ｔｗ２を検出する水温センサ７２からの信号、Ａ／Ｃスイッチ７３からの信号、ファン調整スイッチ７４から信号などに基づいて、三方弁４６、５０、５１における流路の切り替え、第１ウォーターポンプ３１、第２ウォーターポンプ４２における流量制御、空調ファン６における風量制御、電磁弁２４、２５の開閉などを行う。

次に、本実施形態におけるバッテリ３０の温度制御について図２のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、空調装置１は、暖房運転を行っているものとする。

ステップＳ１００では、コントローラ７は、温度センサ７０からの信号に基づいてバッテリ３０の温度Ｔを検出する。

ステップＳ１０１では、コントローラ７は、バッテリ３０を充電中であるかどうか判定する。バッテリ３０を充電中である場合には処理はステップＳ１０２に進み、バッテリ３０を充電していない場合には今回の処理を終了する。

ステップＳ１０２では、コントローラ７は、バッテリ３０の温度Ｔと所定温度Ｔ１とを比較する。所定温度Ｔ１は、バッテリ３０の適温範囲の上限温度以下であり、予め設定された温度であるが、上限温度付近に設定されている。処理はバッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以下の場合にはステップＳ１０３に進み、バッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１よりも高い場合にはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０３では、コントローラ７は、水温センサ７１からの信号に基づいてバッテリ３０に流入する冷却水の温度Ｔｗ１、及び水温センサ７２からの信号に基づいて第２ウォーターポンプ４２から吐出される冷却水の温度Ｔｗ２を検出する。

ステップＳ１０４では、コントローラ７は、低水温サイクル３の第１冷却水流路３２と高水温サイクル４の第２冷却水流路４３とを並列接続する。これにより、図３に示すように、第２冷却水流路４３を流れている冷却水の一部が接続流路５ｂを介して第１冷却水流路３２に流入し、温度の高い冷却水によってバッテリ３０を温めることができる。図３では、第１冷却水流路３２、及び第２冷却水流路４３において、冷却水が流れている箇所を実線で示し、冷却水が流れていない箇所を破線で示す。なお、後述する図６、７においても同様である。

ステップＳ１０５では、コントローラ７は、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量を制御する。コントローラ７は、バッテリ３０に流入する冷却水の温度Ｔｗ１と、第２ウォーターポンプ４２から吐出された冷却水の温度Ｔｗ２との温度差に基づいて、まず第１ウォーターポンプ３１の初期流量を設定する。初期流量は、三方弁５０、５１を切り替えて第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続した時の第１ウォーターポンプ３１の吐出流量である。初期流量は、温度差が所定値よりも大きい場合には、温度差が所定値以下の場合よりも小さく設定される。これは、温度差が大きい場合に、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを接続すると、急激な温度変化によるヒートショックが発生し、流路を構成する部材や、バッテリ３０などが劣化するおそれがあるためである。また、温度の低い冷却水が第２冷却水流路４３へ大量に流入すると、ヒーターコア４１に流入する冷却水の温度が低くなり、空気の加熱量が少なくなり、車室内へ十分に温められていない空気が吹き出されるおそれがあるためである。所定値は、ヒートショックが発生せず、車室内へ吹き出される空気の温度低下を抑制可能な値に設定されており、本実施形態では、温度差が所定値よりも大きい場合には、初期流量を抑制することで、ヒートショックの発生、車室内へ吹き出される空気の温度低下を抑制する。そして、初期流量を設定した後の処理では、コントローラ７は、バッテリ３０の温度Ｔに基づいて吐出流量を初期流量から第１ウォーターポンプ３１の上限流量まで増加させる。

ステップＳ１０６では、コントローラ７は、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とが並列接続されているかどうか判定する。第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とが並列接続されている場合には処理はステップＳ１０７に進み、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とが並列接続されていない場合には今回の処理を終了する。

ステップＳ１０７では、コントローラ７は、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量を制御する。ここでは、バッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１よりも高いので、コントローラ７は、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量をバッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１となっている場合の吐出流量よりも少なくする。これにより、バッテリ３０が過熱されることを防止する。

上記制御を実行すると、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量は図４に示すように制御される。図４は、バッテリ３０の温度Ｔと第１ウォーターポンプ３１の吐出流量との関係を示すマップである。バッテリ３０の温度Ｔが低い場合には、温度差が大きくなるので、初期流量は少なく、バッテリ３０の温度Ｔが高くなるにつれて、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量は上限流量まで徐々に多くなる。そして、バッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１となると、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量は少なくなる。なお、バッテリ３０を構成する各セルの温度分布を均一にするために、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量が多くなることがある。

一方、第２ウォーターポンプ４２の吐出流量は、図５に示すように制御される。図５は、暖房運転時の空調ファン６の風量と第２ウォーターポンプ４２の吐出流量との関係を示すマップである。暖房運転時には、空調ファン６の風量が多くなると第２ウォーターポンプ４２の吐出流量は多くなる。また、バッテリ３０を充電している場合のプレ暖房時には第２ウォーターポンプ４２の吐出流量は少なくなる。

本実施形態では、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続することで、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量、及び第２ウォーターポンプ４２の吐出流量を個別に制御することができ、バッテリ３０を、第２冷却水流路４３を循環する冷却水を用いて温めるとともに、バッテリ３０の温度Ｔと車室内の温度とをそれぞれ適した温度に制御することができる。

また、例えば、除湿暖房運転時に、冷凍サイクル２が作動しており、コンデンサ２１で温められた冷却水の熱によって空気を温めることができ、さらにバッテリ３０の温度Ｔが高い場合には、図６に示すように三方弁５０、５１によって第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを遮断し、冷却水を第１冷却水流路３２で循環させてバッテリ３０を冷却し、冷却水を第２冷却水流路４３で循環させて、コンデンサ２１によって空気を温め、車室内の温度を制御することができる。

そして、バッテリ３０の温度Ｔが低くなると、図７に示すように第１ウォーターポンプ３１を停止して第１冷却水流路３２における冷却水の循環を停止し、第２冷却水流路４３における冷却水の循環のみを継続する。

本発明の実施形態の効果について説明する。

低水温サイクル３の第１冷却水流路３２と高水温サイクル４の第２冷却水流路４３とを並列接続することで、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを流れる冷却水の流量を個別に制御することができる。そのため、バッテリ３０の温度Ｔが低い場合に、第２冷却水流路４３を流れる冷却水を用いてバッテリ３０を温め、バッテリ３０の温度Ｔと車室内の温度とをそれぞれ適した温度に制御することができる。

バッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以下であり、バッテリ３０を充電する場合に、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続することで、バッテリ３０を素早く温めることができる。また、充電後のバッテリ３０の温度Ｔを高くすることで、暖房運転時に、バッテリ３０の熱を用いてヒーターコア４１によって空気を温めることができ、暖房運転時のメインヒーター４０における消費電力を少なくすることができる。

バッテリ３０の温度Ｔが所定温度Ｔ１になると、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量を少なくし、第１冷却水流路３２を流れる冷却水の流量を少なくすることで、バッテリ３０が過熱されることを防ぐことができる。

三方弁５０、５１を切り替えて第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを接続する時に、第１冷却水流路３２を流れる冷却水の温度Ｔｗ１と、第２冷却水流路４３を流れる冷却水の温度Ｔｗ２との温度差が所定値以上の場合には、温度差が所定値よりも小さい場合よりも、第１ウォーターポンプ３１の初期流量を少なくする。これにより、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを接続した時にヒートショックが発生することを抑制することができ、バッテリ３０などの劣化を抑制することができる。また、ヒーターコア４１における空気の加熱不足を抑制し、車室内へ吹き出される空気の温度低下を抑制することができる。

第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを接続した後は、第１ウォーターポンプ３１の吐出流量を初期流量から増加させる。これにより、ヒートショックの発生を抑制するとともに、第２冷却水流路４３を流れる冷却水を用いてバッテリ３０を素早く温めることができる。

第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続した場合に、第１ウォーターポンプ３１と第２ウォーターポンプ４２とが直列となるように第１ウォーターポンプ３１、及び第２ウォーターポンプ４２を配置する。これにより、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを並列接続した場合に、第１ウォーターポンプ３１、及び第２ウォーターポンプ４２の吐出流量の差によって一方の流路に冷却水が流れなくなることを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、リザーバータンクを接続流路５ｂの途中、または第２冷却水流路４３に１つ設けてもよく、第１冷却水流路３２と第２冷却水流路４３とを接続した場合に、各流路を流れていた冷却水のエア抜きを行うことができる。

また、上記実施形態では、第１冷却水流路と第２冷却水流路とを接続する時に初期流量を設定し、初期流量から徐々に第１ウォーターポンプ３１の吐出流量を多くしたが、初期流量を例えば上限流量としてもよい。これにより、バッテリ３０を素早く温めることができる。

１空調装置
３低水温サイクル（バッテリ温度調整サイクル）
４高水温サイクル（空調サイクル）
５ａ接続流路（接続手段）
５ｂ接続流路（接続手段）
７コントローラ（流量制御手段）
３０バッテリ
３１第１ウォーターポンプ（第１冷媒ポンプ）
３２第１冷却水流路（バッテリ用冷媒流路）
４１ヒーターコア
４２第２ウォーターポンプ（第２冷媒ポンプ）
４３第２冷却水流路（空調用冷媒流路）

Claims

第１冷媒ポンプを有し、バッテリの温度を調整するバッテリ温度調整サイクルと、
第２冷媒ポンプを有し、車室内の温度を調整する空調サイクルと、
前記空調サイクルの空調用冷媒流路と前記バッテリ温度調整サイクルのバッテリ用冷媒流路とを並列接続可能な接続手段と、
前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御する流量制御手段と、を備え、
前記流量制御手段は、前記空調用冷媒流路を流れる冷媒と、前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒との温度差が、所定値以上の場合に、前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とが並列接続される際の前記バッテリ用冷媒流路における冷媒の初期流量を、前記温度差が前記所定値よりも小さい場合よりも少なくすることを特徴とする車両用冷媒循環装置。
請求項１に記載の車両用冷媒循環装置であって、
前記接続手段は、前記バッテリの温度が所定温度以下であり、かつ前記バッテリを充電する場合に、前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とを並列接続することを特徴とする車両用冷媒循環装置。
請求項２に記載の車両用冷媒循環装置であって、
前記流量制御手段は、前記バッテリの温度が前記所定温度になると、前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒の流量を少なくすることを特徴とする車両用冷媒循環装置。
請求項１から３のいずれか一つに記載の車両用冷媒循環装置であって、
前記流量制御手段は、前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とが並列接続された後は、前記バッテリ用冷媒流路を流れる冷媒の流量を前記初期流量から増加させることを特徴とする車両用冷媒循環装置。
請求項１から４のいずれか一つに記載の車両用冷媒循環装置であって、
前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とを並列接続した場合に、前記第１冷媒ポンプと前記第２冷媒ポンプとが直列となるように、前記第１冷媒ポンプと前記第２冷媒ポンプとを設けたことを特徴とする車両用冷媒循環装置。
請求項１から５のいずれか一つに記載の車両用冷媒循環装置を備えた車両用空調装置であって、
前記空調サイクルは、
暖房運転時に、前記空調用冷媒流路を流れる冷媒によって空気を温めるヒーターコアを備え、
前記暖房運転時に、前記接続手段によって前記空調用冷媒流路と前記バッテリ用冷媒流路とが並列接続された場合に、前記バッテリ温度調整サイクルによって加熱された冷媒を用いて前記ヒーターコアにより前記空気を温めることを特徴とする車両用空調装置。