JP6863228B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、車載の機器を冷却する冷却装置に関する。

燃料電池車や電気自動車は、走行用モータを制御する大電力機器を搭載している。大電力機器は、例えば電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器である。大電力機器は発熱量が大きいため、自動車は発熱量の大きい機器を冷却する冷却装置を備えている。燃料電池も発熱量が大きいため、冷却装置を備えている。冷却装置は、ポンプで冷媒を機器（燃料電池を含む）へ圧送する。

他方、モータで走行する車両は静音性に優れており、低速走行時はポンプの動作音が騒音となり得る。そこで、例えば、特許文献１に開示されている冷却装置は、車体の共振周波数とポンプの振動周波数が一致しないように、ポンプの回転数を設定する。特許文献２に開示されている冷却装置は、車速が車速閾値よりも低い場合には、ポンプの出力指令値を下げ、ポンプの振動周波数が車体の共振周波数と一致しないようにする。

特開２０１３−３８９９０号公報 特開２０１１−１６０５９７号公報

車速に応じてポンプの出力指令値を離散的に（ステップ的に）変更すると、ポンプの回転数が前の出力指令値から新しい出力指令値に落ち着くまで、回転数が一時的に乱れる。一方、冷却装置のコントローラは、ポンプの回転数を監視しており、一定時間の間継続して回転数が許容範囲を外れた場合、ポンプの異常を知らせる信号を出力する。回転数が許容範囲を外れている間、コントローラが出力指令値を離散的に変更すると、出力指令値の変更に伴う回転数の乱れによって、偶然に回転数が許容範囲に入ってしまうことが起こり得る。回転数が許容範囲に入ると、コントローラは、回転数が許容範囲を外れている時間の計測をリセットしてしまう。本明細書は、静音性を保つための車速に応じたポンプの制御と、ポンプの異常を監視する制御が競合することを解消する技術を提供する。

本明細書が開示する冷却装置は、冷媒を車載の機器とラジエータの間で循環させるポンプと、コントローラを備えている。コントローラは、ポンプへ出力指令値を与えるとともに、ポンプの異常発生を監視するように構成されている。コントローラは、車速が所定の車速閾値を下回ると出力指令値を所定幅だけ変更する車速連動制御を実行する。出力指令値を所定幅だけ変更することで、共振周波数を避けてポンプノイズが大きくなることが避けられる。一方、コントローラは、ポンプの回転数が所定の許容範囲を外れたことを検知してから許容範囲を外れた状態が継続している異常継続時間を計測し、異常継続時間が所定の時間閾値を超えるとポンプの異常を通知する通知信号を出力する監視制御を実行する。そして、コントローラは、監視制御において異常継続時間を計測中は車速連動制御を禁止する。この冷却装置は、ポンプの回転数が許容範囲を超えている間は、車速が車速閾値を通過しても、ポンプへの出力指令値を変更しないので、出力指令値の変更に起因する回転数の乱れが生じない。それゆえ、異常継続時間を誤ってリセットしてしまうことが避けられる。

また、コントローラは、車速連動制御によって出力指令値を所定幅だけ変更してから所定期間の間は監視制御を一時的に停止するように構成することも好適である。ポンプの回転数が許容範囲内であるときに車速連動制御によって出力目標値を離散的に変化させると、回転数の一時的な乱れにより、回転数が一時的に許容範囲を外れてしまうおそれがある。その場合、ポンプが正常にもかかわらずにコントローラは監視制御によって異常継続時間の計測を開始してしまうことになる。出力目標値を離散的に変更した後の所定期間の間、監視制御を一時停止することで、出力目標値の変更に伴う回転数の乱れを異常と誤判定することが避けられる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の冷却装置を含む電気自動車の駆動系のブロック図である。 冷媒温度と車速と出力指令値の関係を示すグラフである。 車速連動制御と監視制御の競合の例を説明するタイムチャートである。 コントローラが実行するポンプ制御のフローチャートである。 コントローラが実行するポンプ制御のフローチャートである（図４の続き）。 車速連動制御と監視制御の別の競合の例を説明するタイムチャートである。

図面を参照して実施例の冷却装置１０を説明する。冷却装置１０は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、冷却装置１０を含む電気自動車１００の駆動系のブロック図を示す。実施例の冷却装置１０は、インバータ２０を冷却する。インバータ２０は、車載バッテリ２１の直流電力を交流電力に変換して走行用のモータ２２に供給する。走行用のモータの２２の出力トルクは、車軸２３を介して駆動輪２４に伝達される。なお、車軸２３には、車速を計測する車速センサ２５が取り付けられている。インバータ２０は、１０キロワット以上の大電力を扱うので、発熱量が大きい。それゆえ、電気自動車１００は、インバータ２０を冷却する冷却装置１０を備えている。

冷却装置１０は、循環路１１、ラジエータ１２、ポンプ１３、温度センサ１４、コントローラ１５を備えている。循環路１１は、冷媒の流路であり、ラジエータ１２とインバータ２０を通過している。ポンプ１３は、冷媒をラジエータ１２とインバータ２０の間で循環させる。冷媒は、例えば、水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。温度センサ１４は、インバータ２０を通過した冷媒の温度を計測する。コントローラ１５は、温度センサ１４の計測温度に基づいて、ポンプ１３に出力指令値を与える。なお、図中の太線が冷媒の流れ方向を示している。また、図中の破線は信号線であり、コントローラ１５は、温度センサ１４及び、車速センサ２５のセンサデータを受け取り、ポンプ１３へ出力指令値を送る。ポンプ１３は回転数センサ１６を備えており、ポンプ１３の回転数のデータもコントローラ１５へ送られる。コントローラ１５からインストルメントパネル３１へ、所定の信号が送られる。所定の信号については後述する。

ポンプ１３は、回転数がデューティ比で制御される電動式であり、ポンプ１３への出力指令値は、具体的にはデューティ比で与えられる。デューティ比が大きければ、ポンプ１３は高回転で動作する。

コントローラ１５は、冷媒温度に応じてポンプ１３への出力指令値を決定する。温度センサ１４が計測する冷媒温度は、インバータ２０の温度を反映している。それゆえ、冷媒温度が高いほど、コントローラ１５は出力指令値を大きくする。図２に、冷媒温度と出力指令値の関係を与えるグラフを示す。出力指令値は車速とも関係するため、図２のグラフは、車速と出力指令値の関係も示している。グラフＧ１が、通常時の冷媒温度と出力指令値の関係を示す。冷媒温度が高くなるほど、出力指令値も大きくなる。コントローラ１５にはグラフＧ１の関係が予め記憶されており、コントローラ１５は、グラフＧ１の関係に基づいて、冷媒温度に応じた出力指令値を決定する。

破線のグラフＧ２は、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ったときに採用する冷媒温度−出力指令値の関係を与えるグラフである。コントローラ１５は、冷媒温度が第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２の間のとき、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ると、グラフＧ２の関係に基づいて出力指令値を決定する。グラフＧ２は、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２の間で、グラフＧ１よりもオフセットｄＤだけ大きい。グラフＧ２の関係もコントローラ１５に予め記憶されている。グラフＧ１の関係とグラフＧ２の関係は、関数の形式、あるいは、マップ形式（テーブル形式）でコントローラ１５に記憶されている。

説明の便宜上、コントローラ１５が、グラフＧ１の関係から出力指令値を算出するポンプ制御を通常モードと称し、グラフＧ２の関係から出力指令値を算出するポンプ制御を高回転モードと称する。そして、車速に応じて通常モードと高回転モードを切り換える制御、即ち、車速が所定の車速閾値Ｖｔｈを下回ると出力指令値をオフセットｄＤだけ離散的に変更する制御を車速連動制御と称する。

車速連動制御の目的を説明する。車速連動制御は、ポンプノイズを抑える目的で実施される。電気自動車１００は、モータ２２で走行するため、静音性が高い。走行ノイズが小さくなる低車速域では、ポンプノイズが相対的に目立つようになる。特に、ポンプ１３の振動周波数が車体の共振周波数と一致すると、ポンプノイズが大きくなり、乗員に不快感を与えかねない。ポンプ１３の振動周波数は、ポンプ１３の回転数に応じて変化する。そこで、冷却装置１０は、低車速域（＜車速閾値Ｖｔｈ）では、ポンプ１３の振動周波数が車体の共振周波数から離れるように、ポンプ１３への出力指令値を離散的に変更する。具体的には、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ると、コントローラ１５は、出力指令値を離散的に幅ｄＤだけ高くして、ポンプ１３の回転数を上げる。ポンプ１３の振動周波数が車体の共振周波数から離れることで、ポンプノイズが小さくなる。冷媒温度を適正に保つことと、消費電力を抑えることでは、図２のグラフＧ１の関係が好ましいが、低車速域では、ポンプノイズを抑える点で好ましいグラフＧ２の関係を採用してポンプ１３の出力指令値を決定する。

なお、コントローラ１５は、車速が車速閾値Ｖｔｈを上回ると、グラフＧ１の関係に基づく通常モードに戻る。また、冷媒温度が温度Ｔ１よりも低い場合、及び、冷媒温度が温度Ｔ２よりも高い場合は、冷媒温度を適正な温度に保つことを優先するため、車速連動制御は行わない。

一方、コントローラ１５は、ポンプ１３の回転数が所定の許容範囲を外れていないか、常に監視している。コントローラ１５がポンプ１３の回転数を監視する制御を、説明の便宜上、監視制御と称する。監視制御では、コントローラ１５は、ポンプ１３の回転数が所定の許容範囲を外れたことを検知してから許容範囲を外れた状態が継続している異常継続時間を計測する。コントローラ１５は、異常継続時間が所定の時間閾値を超えるとポンプの異常を通知する通知信号を出力する。異常継続時間の計測のため、コントローラ１５はソフトウエアで実現されるカウンタを備えている。コントローラ１５は、回転数が許容範囲を外れている間、プログラム上でそのカウンタをカウントアップする。カウンタが所定のカウンタ閾値に達すると、異常継続時間が時間閾値を超えたとして、コントローラ１５は、ポンプの異常を知らせる通知（異常通知信号）を出力する。具体的には、コントローラ１５は、異常通知信号をインストルメントパネル３１に出力する。異常通知信号を受けたインストルメントパネル３１は、異常を知らせるランプを点灯させるとともに、異常を知らせるメッセージを不図示のダイアグメモリに記憶する。ダイアグメモリは、不揮発性メモリである。ダイアグメモリに記憶されたデータは、車両のメンテナンスのときにサービススタッフが車の状態を知るために参照するデータである。

上記した車速連動制御と監視制御は競合する場合がある。例えば、ポンプ１３の回転数が許容範囲を外れていてコントローラ１５が異常継続時間を計測中に車速連動制御によって出力指令値が離散的に変化すると、ポンプ１３の回転数が一時的に乱れる。一時的な乱れにより、回転数が偶然に許容範囲を通ることが起こり得る。回転数が許容範囲を通るとコントローラ１５はポンプ１３の異常状態が解消されたと判断して異常継続時間（カウンタ）をリセットしてしまう。このため、ポンプ１３の異常検知が遅れてしまう。

このことを、図３のタイムチャートを使って具体的に説明する。グラフＧ３は、車速の変化を表している。グラフＧ４はポンプ１３への出力指令値の変化を表している。グラフＧ５はポンプ１３の回転数の変化を表している。グラフＧ６は、カウンタの値を表している。カウンタの値は、異常継続時間に対応する。

今、時刻ｔ１にポンプ１３の回転数が所定の許容範囲（Ｒ１＜ポンプ１３の回転数＜Ｒ２）を外れたと仮定する。例えば、ポンプ１３に異物が絡まると、回転数が低下する。コントローラ１５は、時刻ｔ１から一定時間間隔でカウンタとインクリメントし、異常継続時間の計測を開始する。カウンタ閾値Ｃｔｈが、ポンプの異常を判断する閾値であり、コントローラ１５は、カウンタの値がカウンタ閾値Ｃｔｈに達すると、異常継続時間が所定の時間閾値を超えたと判断して異常を知らせる通知（異常通知信号）を出力することになる。

グラフＧ３によると、時刻ｔ２に車速が車速閾値Ｖｔｈを下回る。コントローラ１５は、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ったので、ポンプ１３への出路指令値を第１指令値Ｄ１から第２指令値Ｄ２へ離散的に変更する（グラフＧ４参照）。

出力指令値が離散的に変化したので、ポンプ１３は、新しい出力指令値に追従するようにポンプ１３のモータの出力を離散的に変更する。そうすると、ポンプ１３の回転数が一時的に乱れる。グラフＧ５の時刻ｔ２から期間ｄｔの間の回転数の変化が、出力指令値の変更に起因する回転数の乱れに相当する。

グラフＧ５において、回転数Ｒ３からＲ４の間が、新しい出力指令値Ｄ２に対応する回転数の許容範囲に相当する。なお、回転数の許容範囲は、出力指令値に対応しており、出力指令値が変化すると、許容範囲も変化する。出力指令値Ｄ１に対しては回転数Ｒ１からＲ２の間が許容範囲となり、出力指令値Ｄ２に対しては回転数Ｒ３からＲ４が許容範囲となる。

時刻ｔ３からｔ４の間、回転数の一時的な乱れに起因して、回転数が許容範囲内に属している。従って、コントローラ１５は、時刻ｔ３にてカウンタをリセットしてしまう。そして、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は、カウンタがインクリメントされない。時刻ｔ４を過ぎると回転数は再び許容範囲を外れ、監視制御によりカウンタのインクリメントが再開される。

グラフＧ６の点線は、カウンタのリセットがなかったときのカウントを示している。カウンタのリセットが無ければ時刻ｔ５に異常が通知されたはずであるが、途中でカウンタのリセットが入るため、コントローラ１５は、時刻ｔ４にゼロからカウントを再開する。

図３を参照しつつ説明したように、車速連動制御と監視制御は競合する可能性がある。コントローラ１５は、車速連動制御と監視制御の競合を回避するための処理を備えている。図４と図５を使って、競合を回避する処置について説明する。図４と図５は、コントローラ１５が実行するポンプ制御のフローチャートである。コントローラ１５は、図４、図５の処理を一定の制御サイクルで繰り返し実行する。

ステップＳ１３からステップＳ１８までが先に述べた監視制御に相当する。ステップＳ１２のタイマについては後述する。

まずコントローラ１５は、回転数センサ１６からポンプ１３の回転数を取得し、回転数を許容範囲のデータと比較する（ステップＳ１３）。回転数が許容範囲内であれば、コントローラ１５は何もせず監視制御を終了する（ステップＳ１３：ＹＥＳ）。なお、コントローラ１５は、カウンタがゼロ以外であればカウンタをリセットして、監視制御を終了する（ステップＳ１４）。

回転数が許容範囲を外れている場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、コントローラ１５は、異常継続時間を表すカウンタをインクリメントする（ステップＳ１５）。カウンタがカウンタ閾値Ｃｔｈに達していれば（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、コントローラ１５は、異常通知信号をインストルメントパネル３１へ出力する（ステップＳ１７）。ここでは詳しくは触れないが、コントローラ１５は、異常のタイプに応じた対応処理を実行する（ステップＳ１８）。対応処理とは、例えば、ポンプ異常を示すメッセージデータを先に述べたダイアグメモリに記憶する処理などである。

監視制御に続いて、コントローラ１５は、カウンタの値をチェックする（図５、ステップＳ２２）。カウンタがゼロである場合（即ち、異常継続時間を計測中でない場合）、コントローラ１５は、車速連動制御を実行する。図５のステップＳ２３からＳ２６までの処理が車速連動制御に相当する。コントローラ１５は、冷媒温度をチェックする（ステップＳ２３）。冷媒温度が温度Ｔ１と温度Ｔ２の間にある場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、次にコントローラ１５は、車速を車速閾値Ｖｔｈと比較する（ステップＳ２４）。車速が車速閾値Ｖｔｈを下回っていれば、コントローラ１５は、高回転モードを選択する（ステップＳ２４：ＹＥＳ、Ｓ２６）。車速が車速閾値Ｖｔｈを上回っていれば、コントローラ１５は、通常モードを選択する（ステップＳ２４：ＮＯ、Ｓ２５）。

そして、コントローラ１５は、冷媒温度及び選択されたモードに基づいて、出力指令値を決定し、ポンプ１３へ送信する（ステップＳ２７）。なお、冷媒温度が温度Ｔ１よりも低い場合、及び、冷媒温度が温度Ｔ２よりも高い場合は、冷媒温度を適正な温度に保つことを優先するので、車速連動制御は行わない（ステップＳ２３：ＮＯ、Ｓ２５）。

通常モードとは、図２のグラフＧ１の関係に基づいてポンプ１３の出力指令値を決定する制御であり、高回転モードとは、図２のグラフＧ２の関係に基づいてポンプ１３の出力指令値を決定する制御である。車速が車速閾値Ｖｔｈを横切るとき、即ち、通常モードと高回転モードが切り換わるとき、出力指令値は離散的に変化する。このとき、図３で説明した競合が生じ得る。そこで、コントローラ１５は、ステップＳ２２において、カウンタがゼロ以外の場合（即ち、異常継続時間を計測中である場合）、ステップＳ２３からステップＳ２６をスキップする。即ち、コントローラ１５は、異常継続時間の計測中は、車速連動制御を禁止する。この処理により、出力指令値の離散的な変更による異常継続時間のリセットが避けられる。

ステップＳ２８では、コントローラ１５は、通常モードと高回転モードの間でモード切換が生じたか否かをチェックする（ステップＳ２８）。通常モードと高回転モードの間でモード切換が生じた場合、コントローラ１５は、タイマをスタートさせる（ステップＳ２８：ＹＥＳ、ステップＳ２９）。タイマは、コントローラ１５のプログラム中で実現されており、所定期間を計時して終了するようになっている。

図４のステップＳ１２では、コントローラ１５は、タイマが計時中の場合、監視制御をスキップするようになっている（ステップＳ１２：ＹＥＳ、Ｓ２２）。すなわち、コントローラ１５は、車速連動制御によって出力指令値が離散的に所定幅（図２の幅ｄＤ）だけ変更してから所定期間の間は、監視制御を一時的に停止する。この処理の目的を、図６を参照して説明する。

図６は、車速連動制御によって出力指令値が離散的に変化したときのポンプ１３の回転数の変化を示したタイムチャートである。図６のグラフＧ１３は車速を示しており、グラフＧ１４は出力指令値の変化を示しており、グラフＧ１５は回転数の変化を示している。

時刻ｔ１２に車速が車速閾値Ｖｔｈを下回る。コントローラ１５は、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ったので、ポンプ１３への出力指令値を第１指令値Ｄ１から第２指令値Ｄ２へ離散的に変更する。ポンプ１３は、前の出力指令値（第１指令値Ｄ１）に追従している状態から新しい出力指令値（第２指令値Ｄ２）へ追従するように出力（回転数）を変化させるので、回転数は過渡的な応答をする。なお、出力指令値Ｄ１に対する回転数の許容範囲は回転数Ｒ１からＲ２の範囲であり、出力指令値Ｄ２に対する許容範囲は回転数Ｒ３からＲ４の間である。図６の例では、時刻ｔ１２までは、回転数は許容範囲内である。

時刻ｔ１２に出力指令値が変化した後、回転数は、過渡応答を経て、時刻ｔ１５に定常状態に落ち着く。回転数は、定常状態に落ち着く前に、一時的にオーバーシュートする。過渡応答のオーバーシュートにより、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の間、回転数は、許容範囲（回転数Ｒ３からＲ４の間）を外れる。時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の間、回転数が許容範囲を外れるので、本来であれば、監視制御によりコントローラ１５は、カウンタをインクリメントし始める。しかし、図４のステップＳ１２に関して説明したように、コントローラ１５は、出力指令値を離散的に変更してから所定期間の間は、監視制御を一時的に停止する。ここで、所定期間とは、図６の期間ｄｔ、即ち、回転数変化の過渡応答が収束する期間に定められている。ステップＳ１２の処理により、コントローラ１５は、出力指令値が離散的に変更してから期間ｄｔの間は監視処理を一時的に停止するので、この期間ｄｔの間に回転数が許容範囲を外れても異常継続時間の計測を行わない。従って、ポンプ１３が正常であるにもかかわらずに異常継続時間を誤って計測してしまうことが防止される。

以上説明したように、冷却装置１０は、監視制御と時間連動制御の競合を避けることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。コントローラ１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）とメモリで構成されており、上記した処理は、プログラムとして予めメモリに記憶されている。図２で説明したグラフＧ１（通常モード）における冷媒温度と出力指令値の関係、及び、グラフＧ２（高回転モード）における冷媒温度と出力指令値の関係も、予めコントローラ１５のメモリに記憶されている。

実施例の車速連動制御では、車速が車速閾値Ｖｔｈを下回ると、通常モードから、通常時よりもポンプ１３の回転数が高い高回転モードに移行する（図５のステップＳ２４：ＹＥＳ、Ｓ２６）。通常モードから高回転モードに移行するのは、ポンプ１３の振動周波数を車体の共振周波数から離すためである。車両とポンプの構造によっては、ポンプの回転数を通常時よりも低くすると、ポンプの振動周波数が車体の共振周波数から遠くなる場合がある。そのような場合は、ステップＳ２６の処理を、通常時よりもポンプ回転数が低い低回転モードに移行する処理に変更してもよい。本明細書が開示する技術では、車速が車速閾値を下回ったときにポンプの回転数を離散的に変更することを車速連動制御と称している。

実施例の冷却装置１０は、インバータ２０が冷却対象である。本明細書が開示する技術は、インバータの冷却装置に限られない。本明細書が開示する冷却装置は、車載の様々な機器に対応可能である。本明細書が開示する冷却装置は、燃料電池を冷却するものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：冷却装置
１１：循環路
１２：ラジエータ
１３：ポンプ
１４：温度センサ
１５：コントローラ
１６：回転数センサ
２０：インバータ
２１：車載バッテリ
２２：モータ
２３：車軸
２４：駆動輪
２５：車速センサ
３１：インストルメントパネル
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 車載の機器を冷却する冷却装置であり、
   冷媒を前記機器とラジエータの間で循環させるポンプと、
   前記ポンプへ出力指令値を与えるとともに、前記ポンプの異常発生を監視するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   車速が所定の車速閾値を下回ると前記出力指令値を変更する車速連動制御と、
   前記ポンプの回転数が所定の許容範囲を外れたことを検知してから前記許容範囲を外れた状態が継続している異常継続時間を計測し、前記異常継続時間が所定の時間閾値を超えると前記ポンプの異常を通知する通知信号を出力する監視制御と、
   を実行可能であり、
   前記監視制御において前記異常継続時間を計測中は前記車速連動制御を禁止し、
   前記車速連動制御によって前記出力指令値を所定幅だけ変更してから所定期間の間は前記監視制御を一時的に停止する、冷却装置。
   

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