JP7176987B2 - 熱要求調停装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両において発生する熱要求を調停する熱要求調停装置に関する。

特許文献１には、冷凍回路、低水温回路及び高水温回路を備え、冷凍回路及び高水温回路がコンデンサを介して熱交換可能であり、冷凍回路及び低水温回路が冷媒－水熱交換器を介して熱交換可能である車両用空調装置が記載されている。特許文献１に記載の車両用空調装置では、冷凍回路と低水温回路との間で熱交換可能なサブクール（ＳＣ）コンデンサを設け、ＳＣコンデンサで冷凍回路の冷媒の冷却を促進することにより、冷凍回路の効率改善を図っている。

特開２０１５－１８６９８９号公報

近年、車両の電動化が進んでいる。走行用バッテリを搭載した電動車両においては、劣化抑制のため走行用バッテリの冷却が必要である。先行文献に記載されるような複数の熱回路間で熱移動が可能なシステムにおいて、低水温回路の冷却水で走行用バッテリを冷却しながら車室内を冷房する場合、走行用バッテリが高温であれば、走行用バッテリの冷却に伴う排熱を低水温回路から冷凍回路に移動させることができる。

ただし、冷凍回路から排出できる熱量には上限があるので、冷房使用時にバッテリ冷却のために冷凍回路にバッテリの排熱を移動させると、車室内の冷却が弱くなり、快適性を損なう可能性がある。したがって、冷房使用時かつバッテリ冷却時には、各熱回路の排熱量の調停が必要となる。

それ故に、本発明は、冷房用の熱回路とバッテリ冷却用の熱回路とを備えた車両において、各熱回路の排熱量を好適に調整できる熱要求調停装置を提供することを目的とする。

本発明は、バッテリを冷却する冷却水を循環させる第１の熱回路と、冷房用の冷媒を状態変化させながら循環させ、第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に搭載され、第１及び第２の熱回路の熱要求を調停する熱要求調停装置に関する。熱要求調停装置は、第１の熱回路が第２の熱回路への排出を要求する要求排熱量と、第２の熱回路の要求排熱量とを取得する排熱量取得部と、排熱量取得部が取得した第１の熱回路の要求排熱量と第２の熱回路の要求排熱量との和が、第２の熱回路の最大排熱可能量を超えないように、第１の熱回路及び第２の熱回路のそれぞれに許容する排熱量を決定する調停部とを備える。第１の熱回路の要求排熱量と第２の熱回路の要求排熱量との和が、第２の熱回路の最大排熱可能量を超える場合、調停部は、第１の熱回路の要求排熱量が大きくなるにつれて、第１の熱回路に許容する排熱量を大きくし、記第２の熱回路に許容する排熱量を小さくし、調停部は、少なくとも一つの第１の熱回路の要求排熱量の閾値に応じて第１の熱回路に許容する排熱量及び第２の熱回路に許容する排熱量の分配比が決定される分配規則に基づいて、第１の熱回路及び第２の熱回路のぞれぞれに許容する排熱量を決定する。

本発明によれば、冷房用の熱回路とバッテリ冷却用の熱回路とを備えた車両において、各熱回路の排熱量を好適に調整できる熱要求調停装置を提供できる。

実施形態に係る熱要求調停装置及び熱回路の概略構成を示す機能ブロック図 図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図 図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図 熱要求収集フェーズにおける熱要求調停装置の機能の階層構造を示す図 回答フェーズにおける熱要求調停装置の機能の階層構造を示す図 熱要求調停装置が熱要求を調停するために実行する制御処理を示すフローチャート 低温冷却回路及び冷媒回路の要求熱量と最大冷房能力との関係を示す図 図５に示すＲＥ－ＬＴ間調停処理を示すフローチャート 熱要求調停装置が各回路内のユニットに熱量を配分するために実行する制御処理を示すフローチャート

本発明の一実施態様に係る熱要求調停装置は、冷房用の冷媒回路とバッテリ冷却用の低温冷却回路とを備えた車両において、低温冷却回路から冷媒回路への要求排熱量と冷媒回路の要求排熱量との和が、冷媒回路の最大排熱可能量（冷房能力）を超えないように、低温冷却回路及び冷媒回路のそれぞれに許容する排熱量を決定する。熱要求調停装置は、低温冷却回路から冷媒回路への要求排熱量と冷媒回路の要求排熱量との和が、冷媒回路の最大排熱可能量を超える場合、低温冷却回路から冷媒回路への要求排熱量が大きくなるにつれて、低温冷却回路に許容する排熱量を大きく、冷媒回路に許容する排熱量を小さくする。これにより、バッテリの温度によって定まる低温冷却回路の要求排熱量に応じて、低温冷却回路及び冷媒回路の排熱量を調整し、バッテリの冷却と空調の快適性の両立を図ることができる。

（実施形態）
＜構成＞
図１は、実施形態に係る熱要求調停装置及び熱回路の概略構成を示す機能ブロック図である。

熱要求調停装置１は、高温冷却回路ＨＴ、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥの３つの熱回路を備える車両に搭載され、各熱回路に含まれる複数のユニットの熱要求を調停する装置である。熱要求調停装置１は、車載ネットワークを介して、各熱回路に含まれるユニットの制御装置と通信可能である。高温冷却回路ＨＴ、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥは、それぞれ熱媒体を循環させる流路を有する。各熱回路に含まれるユニットは、熱媒体との間で熱交換を行うことができる。また、冷媒回路ＲＥは、高温冷却回路ＨＴ及び低温冷却回路ＬＴのそれぞれと熱交換可能に結合されている。ここで、ユニットからの熱要求は、ユニットが要求する吸熱量またはユニットが要求する排熱量の値を含む情報である。本実施形態では、吸熱量または排熱量は、単位時間当たりの熱エネルギーの移動量（仕事率、単位：Ｗ）で表されるものとして説明する。また、以下では、説明の便宜上、ユニットが要求する吸熱量またはユニットが要求する排熱量を、「ユニットの要求熱量」といい、熱回路が要求する吸熱量または熱回路が要求する排熱量を、「熱回路の要求熱量」という。

熱要求調停装置１は、取得部２と、算出部３と、調停部４と、配分部５とを備える。取得部２は、各熱回路に含まれる複数のユニットの制御装置から通信により要求熱量を取得する。算出部３は、取得部２が取得した複数のユニットの要求熱量を熱回路毎に集計し、各熱回路の要求熱量を算出する。調停部４は、算出部３が算出した各熱回路の要求熱量と、高温冷却回路ＨＴと冷媒回路ＲＥとの間での移動可能熱量と、低温冷却回路ＬＴと冷媒回路ＲＥとの間での移動可能熱量とに基づいて、各熱回路に許容する割り当て熱量を決定する。割り当て熱量は、各熱回路に割り当てられた吸熱量または排熱量である。本実施形態では、熱回路間の移動可能熱量及び割り当て熱量は、要求熱量と同様に単位時間当たりの熱エネルギーの移動量で表される。配分部５は、調停部４によって決定された各熱回路への割り当て熱量に基づいて、各熱回路に含まれるユニットに熱量を配分する。尚、熱要求調停装置１が実行する処理の詳細については後述する。

図２Ａは、図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図である。尚、図２Ａにおいては、熱媒体が循環する流路を太線で示している。

高温冷却回路ＨＴは、冷却水を循環させる回路であり、ヒータコア１１と、電気ヒータ１２と、ラジエータ１３と、冷却水を循環させる図示しないウォーターポンプとを備える。高温冷却回路ＨＴは、車室内の暖房のために冷却水に蓄熱する機能と、冷媒回路ＲＥから熱交換により受け取った熱を車外に放熱する機能とを有する。ヒータコア１１は、冷却水が流れるチューブとフィンとを有し、フィンを通過する空気と冷却水の間で熱交換を行うユニットである。電気ヒータ１２は、冷却水の温度が不足する際に冷却水を加熱するユニットである。ラジエータ１３は、冷却水を空冷するためのユニットであり、冷却水が流れるチューブとフィンを有し、フィンを通過する空気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータコアと、ラジエータコアの前方に設けられ、ラジエータコアへの通風量を増減させるグリルシャッターと、ラジエータコアの後方に設けられ、ラジエータコアに強制通風を行うためのラジエータファンとを有する。

高温冷却回路ＨＴにおいて、ヒータコア１１及びラジエータ１３は冷却水から吸熱を行うことができるユニットであり、電気ヒータ１２は冷却水への排熱を行うことができるユニットである。また、ウォーターポンプ自体は、吸熱及び排熱のいずれも行わないが、冷却水の流速に応じて、ラジエータ１３の放熱量及び後述する水冷コンデンサ４２を介した冷媒回路ＲＥへの移動熱量を変化させることができるユニットである。

低温冷却回路ＬＴは、冷却水を循環させる回路であり、バッテリ２１と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）２２と、トランスアクスル（以下、「ＴＡ」という）２３と、ラジエータ２４と、冷却水を循環させる図示しないウォーターポンプとを備える。バッテリ２１は、走行用モータに供給するための電力を蓄積するユニットである。ＰＣＵ２２は、走行用モータを駆動するインバータや電圧変換を行うＤＣＤＣコンバータ等を含み、走行用モータに供給する電力を制御するユニットである。ＴＡ２３は、走行用モータ、発電機、動力分割機構及びトランスミッションを一体化したユニットである。ラジエータ２４は、冷却水を空冷するためのユニットであり、冷却水が流れるチューブとフィンを有し、フィンを通過する空気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータコアと、ラジエータコアの前方に設けられ、ラジエータコアへの通風量を増減させるグリルシャッターと、ラジエータコアの後方に設けられ、ラジエータコアに強制通風を行うためのラジエータファンとを有する。尚、低温冷却回路ＬＴの冷却水流路は、図示しないバルブの開閉により変更可能であり、後述する図２Ｂに示すように、バッテリ２１を冷却する流路と、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３を冷却する流路とを切り離すことができる。バッテリ２１の流路と、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３の流路とを分離可能とすることにより、低温冷却回路ＬＴ内で発生した熱の移動先をバッテリ２１の温度に応じて適宜変更することができる。

低温冷却回路ＬＴにおいて、ラジエータ２４は冷却水から吸熱を行うことができるユニットであり、バッテリ２１、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３は、冷却水の流路の一部を構成するウォータージャケットを介して冷却水へ排熱を行うことができるユニットである。ウォーターポンプ自体は、吸熱及び排熱のいずれも行わないが、冷却水の流速に応じて、バッテリ２１、ＰＣＵ２２、ＴＡ２３から冷却水への排熱量、ラジエータ２４の放熱量、及び、後述するチラー４１を介した冷媒回路ＲＥへの移動熱量を制御することができるユニットである。低温冷却回路ＬＴは、バッテリ２１、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３を冷却して信頼性を確保するために設けられるものであるので、低温冷却回路ＬＴを循環する冷却水の温度は、通常、高温冷却回路ＨＴを循環する冷却水の温度よりも低く維持される。

尚、以下の説明では、高温冷却回路ＨＴの冷却水と低温冷却回路ＬＴの冷却水とを区別する目的で、前者を「高温冷却水」といい、後者を「低温冷却水」という場合がある。

冷媒回路ＲＥは、冷媒を状態変化させながら循環させる回路であり、コンプレッサ３１と、エバポレータ３２と、水冷コンデンサ４２とを備える。冷媒回路ＲＥにおいては、コンプレッサ３１が圧縮した冷媒を水冷コンデンサ４２で凝縮させ、凝縮させた冷媒をエバポレータ３２に設けられた膨張弁からエバポレータ３２内に噴射して膨張させることにより、エバポレータ３２の周囲の空気から吸熱を行うことができる。冷媒回路ＲＥにおいて、コンプレッサ３１及びエバポレータ３２は、冷媒に対して排熱を行うことができるユニットである。また、水冷コンデンサ４２は、冷媒から吸熱し、高温冷却回路ＨＴの冷却水へ排熱することができるユニットである。

冷媒回路ＲＥは、チラー４１を介して低温冷却回路ＬＴと熱交換可能に結合されており、低温冷却回路ＬＴで発生した熱を、チラー４１を介して冷媒回路ＲＥに移動させることが可能である。また、冷媒回路ＲＥは、水冷コンデンサ４２を介して高温冷却回路ＨＴと熱交換可能に結合されており、冷媒回路ＲＥで発生した熱及び／または低温冷却回路ＬＴから冷媒回路ＲＥに移動させた熱を、水冷コンデンサ４２を介して高温冷却回路ＨＴに移動させることができる。

尚、図２Ａでは、電気電動車に搭載される熱回路を例として説明したが、本実施形態に係る熱要求調停装置は、ハイブリッド車に適用することも可能である。ハイブリッド車の場合は、高温冷却回路ＨＴをエンジンの冷却に使用することができる。

図２Ｂは、図１に示す熱回路の構成例を示すブロック図であって、冷房使用時かつバッテリ高温時における回路構成と熱移動を示したものである。図２Ｂにおいて、冷房使用時及びバッテリ高温時における熱の移動方向を矢印で示す。

冷房使用時には、冷媒回路ＲＥのエバポレータ３２が、冷媒の蒸発に伴って吸熱を行う。エバポレータ３２を介して冷媒に吸収された熱は、コンプレッサ３１による冷媒の圧縮で生じた圧縮熱と共に、水冷コンデンサ４２における冷媒の冷却によって凝縮熱として高温冷却回路ＨＴの冷却水に放熱される。

低温冷却回路ＬＴで発生した排熱は、低温冷却回路ＬＴのラジエータ２４から車外に放熱されるが、例えば、バッテリ２１の温度が高く、外気温も高い場合には、バッテリ２１、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３で発生した全ての排熱をラジエータ２４から放熱できないことが考えられる。この場合、上述した図示しないバルブの開閉により、図２Ｂに示すように、バッテリ冷却用の流路を他のユニットを冷却するための流路から分離し、冷媒回路ＲＥを利用してバッテリ２１の冷却を図る。以下の説明では、分離された２つの低温冷却回路のうち、冷媒回路ＲＥと熱交換可能に結合されている、バッテリ冷却用の熱回路を低温冷却回路ＬＴとし、ＰＣＵ２２、ＴＡ２３及びラジエータ２４を含む熱回路を低温冷却回路ＬＴ’とする。低温冷却回路ＬＴ’のＰＣＵ２２及びＴＡ２３で発生した排熱はラジエータ２４から車外に放出される。一方、低温冷却回路ＬＴのバッテリ２１で発生した排熱は、チラー４１での熱交換によって、低温冷却回路ＬＴの冷却水から冷媒回路ＲＥの冷媒へと移動する。低温冷却回路ＬＴから冷媒回路ＲＥへと排出された排熱は、水冷コンデンサ４２において凝縮熱として高温冷却回路ＨＴの冷却水に放熱される。

冷房使用時には、通常、ヒータコア１１からの排熱及び電気ヒータ１２による冷却水の過熱を行わないので、高温冷却回路ＨＴでは、水冷コンデンサ４２を介して冷媒回路ＲＥから排出された排熱を全てラジエータ１３から車外へと放出する。ただし、冷房使用時においても、必要があれば、ヒータコア１１からの排熱を行っても良い。

以下、図３及び図４を参照しながら、熱要求調停装置の機能の階層構造を説明する。

図３は、熱要求収集フェーズにおける熱要求調停装置の機能の階層構造を示す図であり、図４は、回答フェーズにおける熱要求調停装置の機能の階層構造を示す図である。

本実施形態に係る熱回路の制御は、車両の各ユニットにおいて発生している熱要求を収集する熱要求収集フェーズと、収集した熱要求を調停し、調停結果に基づいて配分した吸熱量または排熱量を各ユニットに回答する回答フェーズとから構成される。また、熱要求収集フェーズ及び回答フェーズのそれぞれにおいて実行される制御は、３つの制御レイヤーに階層化されている。各制御レイヤーで行う処理は次の通りである。

レイヤー１（Ｌ１）：熱要求調停装置１は、３つの熱回路のそれぞれの要求熱量と熱回路間の移動可能熱量とに基づいて各熱回路の要求熱量を調停し、各熱回路に割り当てる吸熱量または排熱量と熱回路間の移動熱量とを決定する。レイヤー１において、各熱回路の要求熱量及び熱回路間の移動熱量を調整することにより、３つの熱回路で発生する熱量を有効に活用し、車両全体での熱利用効率やユニットの冷却効率の最適化等を図ることができる。例えば、ユニットの冷却で生じた排熱を車室内の暖房に利用したり、複数の熱回路を利用してユニットの冷却を促進させたりすることを効率的に行うことが可能となる。

レイヤー２（Ｌ２）：熱要求調停装置１は、各熱回路内における各ユニットの熱要求を調停し、各ユニットに熱量を配分する。レイヤー２における各熱回路内における熱要求の調停をレイヤー１における熱回路間の熱要求の調停と分けて行うことにより、熱要求の調停を効率的に行うことができる。また、車種やグレード等の違いにより各熱回路の構成ユニットが変わったとしても、構成ユニットの変更が熱回路間の熱要求の調停に影響しないため、調停機能の全体を変更する必要がなく、熱要求調停装置１の汎用性を向上させることができる。

レイヤー３（Ｌ３）：各ユニットを制御するＥＣＵ等の制御装置が、各ユニットによる熱媒体からの吸熱量または熱媒体への排熱量の制御を行う。ユニットによる熱媒体からの吸熱量の増減は、例えば、ヒータコア１１を流れる高温冷却水の流路や流速、ラジエータ１３または２４のファンの回転数やグリルシャッターの開度、ウォーターポンプまたは２５により調整される冷却水の流速を制御することによって行うことができる。また、ユニットによる熱媒体への排熱量の増減は、例えば、電気ヒータ１２の出力、コンプレッサ３１の出力、エバポレータ３２の膨張弁の開度、ＰＣＵ２２及びＴＡ２３によるバッテリ２１からの電力消費を制御することによって行うことができる。また、吸熱量、排熱量また移動熱量を効率的に制御するため、各熱回路において、吸熱量を増減させる制御と排熱量を増減させる制御とを協調的に行うことが好ましい。

尚、図３及び図４の例では、レイヤー０（Ｌ０）として、空調状態（オフ、暖房、除湿暖房、冷房）やバッテリの充電状態（充電中、充電なし）等のシチュエーションと、冷却水の水温等の車両状態とに基づいて、熱要求を充足するために使用する熱回路の選定や、各熱回路内における流路の切り替え等を行う制御レイヤーが設けられている。上述した低温冷却回路ＬＴの流路の分離及び結合は、熱要求調停装置１がレイヤー０で取得した冷房の設定状態と低温冷却水の水温、バッテリ温度等に基づいて切り替えることができる。

以下、熱要求収集フェーズ及び回答フェーズにおける制御レイヤーを調停処理の順序に従って具体的に説明する。

［熱要求収集フェーズ］
Ｌ３：図３に示した熱要求収集フェーズでは、まず、レイヤー３の制御として、各熱回路に含まれる、吸熱または排熱を行うユニットの制御装置が、要求する吸熱量または排熱量を算出する。ユニットの制御装置は、ユニットの吸熱量または排熱量を、制御目標値（温度）に達するために必要な単位時間当たりの吸熱量または排熱量として算出する。各熱回路の熱媒体が異なるため、温度のみで熱回路間の熱要求を集約及び調停することは困難であるが、熱要求の単位を統一することにより、レイヤー２における熱要求の集約とレイヤー１における各熱回路の熱要求の比較及び調整を容易に行うことができる。

Ｌ２：次に、レイヤー２の制御として、熱要求調停装置１が吸熱または排熱を要求するユニットのそれぞれから、レイヤー３の制御で算出された要求熱量を取得する。熱要求調停装置１は、取得した要求熱量を熱回路毎に集約し、高温冷却回路ＨＴ全体の要求熱量、低温冷却回路ＬＴ全体の要求熱量及び冷媒回路ＲＥ全体の要求熱量を算出する。

Ｌ１：次に、レイヤー１の制御として、熱要求調停装置１が、レイヤー２の制御で算出された各熱回路の要求熱量を収集し、各熱回路が要求する吸熱量または排熱量を把握する。

［回答フェーズ］
Ｌ１：図４に示した回答フェーズでは、まず、熱要求調停装置１は、レイヤー１の制御として、熱要求収集フェーズで収集した各熱回路の要求熱量の調停を行い、各熱回路に許容する吸熱量または排熱量を割り当てる。この際、熱要求調停装置１は、熱回路間の移動可能熱量を取得し、取得した移動可能熱量に基づいて、各熱回路に割り当てる熱量を決定する。低温冷却回路ＬＴからチラー４１を介した冷媒回路ＲＥへの移動可能熱量は、低温冷却回路ＬＴのウォーターポンプにより制御される低温冷却水の流速と、冷却水及び冷媒の温度差とに基づいて算出することができる。また、冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへの移動可能熱量は、冷媒回路に含まれるコンプレッサ３１の制御量と、冷媒及び高温冷却水との温度差に基づいて算出することができる。また、図２に示した高温冷却回路ＨＴ及び低温冷却回路ＬＴのようにラジエータ１３及び２４が設けられている場合は、熱要求調停装置１は、更に、ラジエータ１３及び２４の一方または両方から車外への放熱可能量を取得し、取得した放熱可能量を更に考慮して、各熱回路に割り当てる吸熱量または排熱量を決定することが好ましい。

Ｌ２：次に、レイヤー２の制御として、熱要求調停装置１は、レイヤー１の制御で各熱回路に割り当てた吸熱量または排熱量に基づいて、各熱回路内に含まれる複数のユニットのそれぞれに吸熱量または排熱量を配分する。レイヤー２の制御における吸熱量または排熱量の配分は、予め定められたユニットの優先順位や配分規則に基づいて行うことができる。熱要求調停装置１は、配分した吸熱量または排熱量を各ユニットの制御装置に出力する。

Ｌ３：次に、レイヤー３の制御として、各熱回路に含まれるユニットの制御装置は、熱要求調停装置１により配分された吸熱量または排熱量に基づいて各ユニットを制御する。

＜制御処理＞
図５は、熱要求調停装置が熱要求を調停するために実行する制御処理を示すフローチャートであり、図６は、低温冷却回路及び冷媒回路の要求熱量と最大冷房能力との関係を示す図である。図５に示す制御処理は、車両の始動に伴って開始され、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１：取得部２は、高温冷却回路ＨＴ、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥに含まれる各ユニットから要求熱量を取得する。各ユニットの要求熱量は、各ユニットが要求する吸熱量または要求する排熱量であり、符号が逆の数値によって表すことができる。吸熱及び排熱のいずれも要求しない場合は、要求熱量はゼロとする。上述した通り、要求熱量の集約、比較及び調停を容易に行うために、熱量の単位を単位時間当たりの熱エネルギーの移動量に統一することが好ましい。その後、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２：算出部３は、取得部２がステップＳ１で取得した各ユニットの要求熱量を熱回路毎に集約し、高温冷却回路ＨＴ全体の要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｈｔ、低温冷却回路ＬＴ全体の要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔ及び冷媒回路ＲＥ全体の要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅを算出する。ステップＳ１で取得する要求熱量を単位時間当たりの熱エネルギーの移動量とすることにより、ステップＳ２における算出処理を加減算により容易に行うことができる。その後、処理はステップＳ３に進む。

ステップＳ３：調停部４は、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔを、チラー４１を介して冷媒回路ＲＥに移動可能であるか否かを判定する。この判定は、低温冷却水と冷媒の現在の温度差やウォーターポンプで制御される低温冷却水の現在の流速等を用いて算出される、チラー４１の最大移動可能熱量に基づいて行うことができる。ステップＳ３の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ４に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ５に進む。

ステップＳ４：調停部４は、低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔに、要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔをセットする。その後、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ５：調停部４は、低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔに、チラー４１の最大移動可能熱量をセットする。その後、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ６：調停部４は、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔと冷媒回路ＲＥの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅとの和を、水冷コンデンサ４２を介して高温冷却回路ＨＴに移動可能であるか否か、すなわち、要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔ及びＱｒｅｑ＿ｒｅの和が、冷媒回路ＲＥの最大排熱可能量（冷媒回路ＲＥの最大冷房能力）以下であるか否かを判定する。冷媒回路ＲＥの最大排熱可能量は、水冷コンデンサ４２の最大移動可能熱量に等しく、高温冷却水と冷媒の現在の温度差や高温冷却水の現在の流速等を用いて算出することができる。

図２Ｂに示したように、低温冷却水の流路が２つに分離された状態で冷房とバッテリ２１の冷却とが同時に要求される場合、図２Ｂの低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔは、バッテリ２１が要求する排熱量に等しく、冷媒回路ＲＥの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅはエバポレータ３２が要求する排熱量に等しい。バッテリ２１及びエバポレータ３２が要求する排熱量は、バッテリの使用状態や冷房の温度設定、車室内の温度等に応じて変化するため、図６に示すように、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔと冷媒回路ＲＥの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅの組は様々な値を取り得る。図６の例では、低温冷却回路ＬＴの要求熱量がＱｒｅｑ＿ｌｔ＿１で、冷媒回路ＲＥの要求熱量がＱｒｅｑ＿ｒｅ＿１である場合、両者の和が冷媒回路ＲＥの最大冷房能力Ｑｒ＿ｍａｘを超えるため、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥの熱要求を調停する必要がある（ステップＳ６でＮＯと判定されるケースに該当）。一方、図６の例で、低温冷却回路ＬＴの要求熱量がＱｒｅｑ＿ｌｔ＿２で、冷媒回路ＲＥの要求熱量がＱｒｅｑ＿ｒｅ＿２である場合、両者の和は冷媒回路ＲＥの最大冷房能力Ｑｒ＿ｍａｘ以下であるため、熱要求の調停は不要であり、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥの要求熱量がそのまま許容する排熱量として割り当てられる（ステップＳ６でＹＥＳと判定されるケースに該当）。

ステップＳ６の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ７に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ７：調停部４は、冷媒回路ＲＥへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅをセットする。その後、処理はステップＳ９に進む。

ステップＳ８：調停部４は、ＲＥ－ＬＴ間調停処理を行うことにより、冷媒回路ＲＥ及び低温冷却回路ＬＴの熱要求を調停し、冷媒回路ＲＥの最大排熱可能量を超えないように、冷媒回路ＲＥ及び低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量を割り当てる。ステップ８で実行する制御処理の詳細については後述する。その後、処理はステップＳ９に進む。

ステップＳ９：調停部４は、高温冷却回路ＨＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｈｔに、冷媒回路ＲＥへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅと低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔとの和をセットする。その後、処理はステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０：調停部４は、チラー４１の移動熱量に低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔをセットする。その後、処理はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１：調停部４は、水冷コンデンサ４２の移動熱量に、冷媒回路ＲＥへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅと低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔとの和をセットする。その後、処理を終了する。

以上のステップＳ１～Ｓ１１の制御処理により、熱回路間の要求熱量の調停を行い、各熱回路に吸熱量または排熱量を割り当てることができる。

また、図２Ａの構成のように低温冷却回路ＬＴにラジエータ２４が設けられており、低温冷却回路ＬＴの冷却水流路が分割されていない場合、ラジエータ２４の放熱可能量を更に考慮しても良い。具体的には、ステップＳ３の前に、低温冷却回路ＬＴが要求する排熱量をラジエータ２４から車外に放熱可能か否かを調停部４が判定するステップを設ける。この場合、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔは、冷媒回路ＲＥへの移動を要求する熱量（ラジエータ２４から放熱できない熱量）とする。低温冷却回路ＬＴの要求排熱量をラジエータ２４から車外に放熱可能である場合は、要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔを０とし、それ以外の場合は、要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔに、低温冷却回路ＬＴの要求排熱量からラジエータ２４の放熱可能量を差し引いた熱量をセットすれば良い。

更に、図２Ａの構成のように高温冷却回路ＨＴにラジエータ１３が設けられている場合は、ラジエータ１３の放熱可能量を考慮することが好ましい。具体的には、ステップＳ６の判定で用いる水冷コンデンサ４２の移動可能熱量を取得する際に、コンプレッサ３１の動作により冷媒回路ＲＥから高温冷却回路ＨＴへと移動可能な熱量に加えて、高温冷却回路ＨＴにおける要求吸熱量とラジエータ１３の放熱可能量とに基づき、調停部４が、高温冷却回路ＨＴにおける要求吸熱量とラジエータ１３の放熱可能量との和を超えないように移動可能熱量を決定すれば良い。

図７は、図５に示すＲＥ－ＬＴ間調停処理を示すフローチャートである。図７で用いている値Ａ、Ｂ及びＣは、低温冷却回路ＬＴが要求する排熱量（バッテリ２１の要求排熱量）の大きさを区分するための閾値であり、０＜Ａ＜Ｂ＜Ｃを満足する。バッテリ２１が高温になるほどバッテリ２１が要求する排熱量は大きくなる。閾値Ｃは、最優先でバッテリ２１を冷却することが必要となる排熱量である。

ステップＳ１０１：調停部４は、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔが閾値Ａ未満であるか否かを判定する。ステップＳ１０１の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ１０２に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０２：調停部４は、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．８を割り当てる。その後、処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３：調停部４は、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．２を割り当てる。その後、処理は図５のステップＳ９に進む。

ステップＳ１０４：調停部４は、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔが閾値Ａ以上かつＢ未満であるか否かを判定する。ステップＳ１０４の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ１０５に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０５：調停部４は、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．５を割り当てる。その後、処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６：調停部４は、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．５を割り当てる。その後、処理は図５のステップＳ９に進む。

ステップＳ１０７：調停部４は、低温冷却回路ＬＴの要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔが閾値Ｂ以上かつＣ未満であるか否かを判定する。ステップＳ１０７の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ１０８に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１０８：調停部４は、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．３を割り当てる。その後、処理はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９：調停部４は、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力×０．７を割り当てる。その後、処理は図５のステップＳ９に進む。

ステップＳ１１０：調停部４は、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに０を割り当てる。その後、処理はステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１：調停部４は、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅに最大冷房能力を割り当てる。その後、処理は図５のステップＳ９に進む。

冷房時かつバッテリ２１の高温時には、低温冷却回路ＬＴの要求排熱量と冷媒回路ＲＥの要求排熱量との和が冷媒回路ＲＥの最大冷房能力を超える場合がある。この場合、図７に示した制御処理により、冷媒回路ＲＥの最大冷房能力を超えないように、冷媒回路ＲＥ及び低温冷却回路ＬＴのそれぞれに許容する排熱量を割り当てることができる。また、図７の制御処理では、低温冷却回路ＬＴの要求排熱量、すなわち、バッテリ２１の要求排熱量が大きくなるほど、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量を大きく、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量を小さくしている。この制御処理によれば、バッテリ２１の温度が上昇して要求排熱量が大きくなるにつれて、冷房を制限してバッテリ２１の冷却を優先し、バッテリ２１の温度が低下して要求排熱量が小さくなるにつれて、冷房の制限を緩和する。したがって、バッテリ２１の信頼性と空調の快適性とを両立させることが可能となる。

尚、図７において最大冷房能力を冷媒回路ＲＥ及び低温冷却回路ＬＴに配分する際に用いた配分比（０．８：０．２、０．５：０．５、０．３：０．７、０：１）の数値は一例であり、低温冷却回路ＬＴの要求排熱量の閾値Ａ～Ｃと併せて適宜設定することができる。また、閾値の数は３に限定されず、任意の個数の閾値を設定することができる。

また、図７のように、冷媒回路ＲＥの冷房能力を予め設定された配分比で配分する代わりに、低温冷却回路ＬＴ（バッテリ２１）の要求排熱量以外の条件を加味して遺伝的アルゴリズムにより求めた配分比の最適解を用いて、冷媒回路ＲＥの冷房能力を配分しても良い。

図８は、熱要求調停装置が各回路内のユニットに熱量を配分するために実行する制御処理を示すフローチャートである。図８に示す制御処理は、図５に示した制御処理に続いて実行される。

ステップＳ２１：配分部５は、低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅが要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｌｔと等しいか否かを判定する。ステップＳ２１の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ２２に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ２３に進む。

ステップＳ２２：配分部５は、低温冷却回路ＬＴに含まれる各ユニットから要求された吸熱量または排熱量をそのまま各ユニットに配分する。その後、処理はステップＳ２４に進む。

ステップＳ２３：配分部５は、低温冷却回路ＬＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔを、予め定められた低温冷却回路ＬＴ内の配分規則に基づいて各ユニットに配分する。配分規則は、低温冷却回路ＬＴのユニット毎に設定された冷却または加熱の優先度等に基づいて定義することができる。図２Ｂに示したように、低温冷却水の流路が２つに分離された状態で冷房とバッテリ２１の冷却とが同時に要求された場合、図２Ｂに示す低温冷却回路ＬＴの要求熱量は、バッテリ２１の要求排熱量と等しいので、配分部５は、低温冷却回路ＬＴに割り当てられた熱量Ｑｃｍｄ＿ｌｔをそのままバッテリ２１に許容する排熱量として割り当てる。その後、処理はステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４：配分部５は、冷媒回路ＲＥへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅが要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｒｅと等しいか否かを判定する。ステップＳ２４の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ２５に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ２６に進む。

ステップＳ２５：配分部５は、冷媒回路ＲＥに含まれる各ユニットから要求された排熱量をそのまま各ユニットに配分する。その後、処理はステップＳ２７に進む。

ステップＳ２６：配分部５は、冷媒回路ＲＥへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｒｅを、予め定められた冷媒回路ＲＥ内の配分規則に基づいて各ユニットに配分する。配分規則は、車室内の快適性等に基づいて定義することができる。その後、処理はステップ２７に進む。

ステップＳ２７：配分部５は、高温冷却回路ＨＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｈｔが要求熱量Ｑｒｅｑ＿ｈｔと等しいか否かを判定する。ステップ２７の判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ２８に進み、それ以外の場合、処理はステップＳ２９に進む。

ステップＳ２８：配分部５は、高温冷却回路ＨＴに含まれる各ユニットから要求された吸熱量をそのまま各ユニットに配分する。その後、処理を終了する。

ステップＳ２９：配分部５は、高温冷却回路ＨＴへの割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｈｔを充足するように、予め定められた高温冷却回路ＨＴ内の配分規則に基づいて各ユニットに熱量を配分する。具体的には、高温冷却回路ＨＴが要求した吸熱量よりも割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｈｔが少ない場合、吸熱量の不足分を電気ヒータ１２に配分する。また、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥからの排熱要求が多く、高温冷却回路ＨＴが要求する吸熱量よりも割り当て熱量Ｑｃｍｄ＿ｈｔが多い場合、電気ヒータ１２に配分する吸熱量を減少させたり、ラジエータ１３からの排熱量を増加させたりする。その後、処理を終了する。

図８の処理が終了した後、各熱回路に含まれる各ユニットの制御装置は、各ユニットの吸熱量または排熱量が配分部５によって配分された量となるように、制御対象のユニットを制御する。具体的には、図４のレイヤー３に示したように、高温冷却回路ＨＴでは、各ユニットの吸熱量または排熱量が配分された量となるように、ヒータコア１１の温度、電気ヒータ１２の出力、ラジエータ１３が備えるラジエータファンの回転数及び／またはグリルシャッターの開度、ウォーターポンプにより制御される冷却水の流速等を制御する。低温冷却回路ＬＴでは、各ユニットの吸熱量または排熱量が配分された量となるように、バッテリ２１の充放電、ＰＣＵ２２の出力、ＴＡ２３の出力、ラジエータ２４が備えるラジエータファンの回転数及び／またはグリルシャッターの開度、ウォーターポンプにより調整される冷却水の流速等を制御する。冷媒回路ＲＥでは、各ユニットの排熱量または吸熱量が配分された量となるように、コンプレッサ３１の出力、エバポレータ３２に冷媒を噴射させる膨張弁の開度等を制御する。

尚、上述した熱要求調停装置１は、プロセッサ、ＲＯＭ及び／またはＲＡＭを有するＥＣＵ等のコンピュータに、図５、図６及び図８に示した制御処理を実行させることにより実現することができる。

＜効果等＞
以上説明したように、本実施形態に係る熱要求調停装置１は、冷房用の冷媒回路ＲＥとバッテリ冷却用の低温冷却回路ＬＴとを備えた車両において、低温冷却回路ＬＴが冷媒回路ＲＥへと排出を要求する要求排熱量と冷媒回路ＲＥの要求排熱量との和が、冷媒回路の最大冷房能力を超えないように、低温冷却回路ＬＴ及び冷媒回路ＲＥのそれぞれに許容する排熱量を決定する。熱要求調停装置は、低温冷却回路ＬＴから冷媒回路ＲＥへの要求排熱量と冷媒回路ＲＥの要求排熱量との和が、冷媒回路の最大冷房能力を超える場合、低温冷却回路ＬＴから冷媒回路ＲＥへの要求排熱量が大きくなるにつれて、低温冷却回路ＬＴに許容する排熱量を大きく、冷媒回路ＲＥに許容する排熱量を小さくする。これにより、バッテリの温度に応じて、低温冷却回路及び冷媒回路の排熱量を調整し、バッテリの冷却と空調の快適性の両立を図ることができる。したがって、本実施形態に係る熱要求調停装置１によれば、冷房用の熱回路とバッテリ冷却用の熱回路とを備えた車両において、限られた冷房能力を有効活用しつつ、各熱回路の排熱量を好適に調整することができる。コンプレッサ３１や水冷コンデンサ４２の容量を増加させる等により過剰な冷房能力を確保する必要がないため、製造コストを抑制することもできる。更に、低温冷却回路ＬＴまたは冷媒回路ＲＥを構成するユニットの構成が変更された場合でも、調停部４による最大冷房能力の配分比率を適宜変更することにより、空調性能とバッテリ冷却の優先度を調整することが可能となる。

また、本実施形態に係る熱要求調停装置１では、複数のユニットの熱要求に対する制御を階層化し、熱回路内における熱量の配分と、熱回路間における要求熱量の調停（各熱回路の要求熱量の調整）とを別の制御階層で行う。したがって、熱回路間における要求熱量の調停の際には、各ユニットの熱要求を個別に考慮する必要がなく、熱回路内における熱量の配分の際には、熱回路間の要求熱量を考慮する必要がない。したがって、車両に搭載される複数のユニットからの熱要求の調停と各ユニットに対する熱量の配分とを効率的に行うことが可能となる。また、各ユニットの個別の熱要求は熱回路間の要求熱量の調停時に直接参照されないため、車種やグレード、パワートレインの構成等により、熱回路のそれぞれを構成するユニットが異なる場合でも本実施形態に係る熱要求調停装置１を適用することができ、汎用性に優れる。

また、熱要求調停装置１が制御処理に用いる吸熱量、排熱量、移動可能熱量、熱移動量及び放熱可能量を、単位時間当たりの熱エネルギーの移動量に統一することにより、熱要求の集約や調停、配分を容易に行うことができる。

＜その他の変形例等＞
尚、上記の実施形態では、ユニット及び熱回路の吸熱量または排熱量を単位時間当たりの熱エネルギーの移動量（Ｗ単位）で表す例を説明したが、ユニット及び熱回路の吸熱量または排熱量を所定の制御時間に渡って要する熱エネルギーの量（Ｊ単位）としても良い。この場合、熱回路間の移動可能熱量も要求熱量と同様に単位時間当たりの熱エネルギーの移動量で表される。各ユニットが要求する吸熱量または排熱量を熱エネルギーの量で表した場合でも、図５、図６及び８で説明した制御処理によって、要求熱量の集約、調停及び配分を容易に行うことができ、熱回路を構成するユニット変更による影響も低減できる。

本発明は、車両で発生する複数の熱要求を調停する熱要求調停装置として利用できる。

１ 熱要求調停装置
２ 取得部
３ 算出部
４ 調停部
５ 配分部
１３ ラジエータ
２４ ラジエータ
４１ チラー
４２ 水冷コンデンサ
ＨＴ 高温冷却回路
ＬＴ 低温冷却回路
ＲＥ 冷媒回路

Claims (3)

1. バッテリを冷却する冷却水を循環させる第１の熱回路と、冷房用の冷媒を状態変化させながら循環させ、前記第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に搭載され、前記第１及び第２の熱回路の熱要求を調停する熱要求調停装置であって、
   前記第１の熱回路が前記第２の熱回路への排出を要求する要求排熱量と、前記第２の熱回路の要求排熱量とを取得する排熱量取得部と、
   前記排熱量取得部が取得した前記第１の熱回路の要求排熱量と前記第２の熱回路の要求排熱量との和が、前記第２の熱回路の最大排熱可能量を超えないように、前記第１の熱回路及び前記第２の熱回路のそれぞれに許容する排熱量を決定する調停部とを備え、
   前記第１の熱回路の要求排熱量と前記第２の熱回路の要求排熱量との和が、前記第２の熱回路の最大排熱可能量を超える場合、前記調停部は、前記第１の熱回路の要求排熱量が大きくなるにつれて、前記第１の熱回路に許容する排熱量を大きくし、記第２の熱回路に許容する排熱量を小さくし、
   前記調停部は、少なくとも一つの前記第１の熱回路の要求排熱量の閾値に応じて前記第１の熱回路に許容する排熱量及び前記第２の熱回路に許容する排熱量の分配比が決定される分配規則に基づいて、前記第１の熱回路及び前記第２の熱回路のぞれぞれに許容する排熱量を決定する、熱要求調停装置。
2. 前記第２の熱回路は、更に、冷却水を循環させる第３の熱回路と熱交換可能に結合されており、
   前記第２の熱回路の最大排熱可能量が、前記第２の熱回路から前記第３の熱回路へと移動可能な熱量である、請求項１に記載の熱要求調停装置。
3. バッテリを冷却する冷却水を循環させる第１の熱回路と、冷房用の冷媒を状態変化させながら循環させ、前記第１の熱回路と熱交換可能な第２の熱回路とを備える車両に搭載され、前記第１及び第２の熱回路の熱要求を調停する熱要求調停装置であって、
   前記第１の熱回路が前記第２の熱回路への排出を要求する要求排熱量と、前記第２の熱回路の要求排熱量とを取得する排熱量取得部と、
   前記排熱量取得部が取得した前記第１の熱回路の要求排熱量と前記第２の熱回路の要求排熱量との和が、前記第２の熱回路の最大排熱可能量を超えないように、前記第１の熱回路及び前記第２の熱回路のそれぞれに許容する排熱量を決定する調停部とを備え、
   前記第１の熱回路の要求排熱量と前記第２の熱回路の要求排熱量との和が、前記第２の熱回路の最大排熱可能量を超える場合、前記調停部は、前記第１の熱回路の要求排熱量が大きくなるにつれて、前記第１の熱回路に許容する排熱量を大きくし、記第２の熱回路に許容する排熱量を小さくし、
   前記調停部は、前記第１の熱回路の要求排熱量以外の条件を加味して遺伝的アルゴリズムにより求めた前記第１の熱回路に許容する排熱量及び前記第２の熱回路に許容する排熱量の分配比を用いて、前記第１の熱回路及び前記第２の熱回路のそれぞれに許容する排熱量を決定し、熱要求調停装置。

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