JP2014037180A

JP2014037180A - 電動車両用熱管理システム

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Publication number: JP2014037180A
Application number: JP2012179334A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hatakeyama; 淳畠山; Takayuki Ishikawa; 貴幸石川; Masashi Koshijima; 将史越島; Satoshi Ogiwara; 智荻原; Hitoshi Shimonosono; 均下野園
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Marelli Corp
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: DE112013004048T5; WO2014027507A1; US20150217623A1; JP5860361B2; US9623719B2

Abstract

【課題】充電中にバッテリを所望の温度範囲内に保持しながら、より効率よくバッテリに蓄熱する。
【解決手段】電動モータによって駆動される電動車両に用いられる車両用熱管理システム１００は、エアコン用冷媒ループ１０と、バッテリ用冷媒をバッテリ１と蒸発部１７と加熱器５４との間で循環させるバッテリ用冷媒ループ５０と、バッテリ１の充電中、バッテリ用冷媒の温度がバッテリ用冷媒目標温度より低い場合、加熱器５４によってバッテリ用冷媒を加熱し、バッテリ用冷媒の温度がバッテリ用冷媒目標温度より高い場合、エアコン用冷媒を循環させて蒸発部１７においてバッテリ用冷媒から吸熱させる熱管理制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両に搭載される電動車両用熱管理システムに関する。

電動モータの駆動力によって走行する電動車両は、エンジンを搭載していないので、暖房時にエンジンの排熱を利用することができない。また、ハイブリッド車両のようにエンジンを搭載した電動車両においても、エンジンを常時運転させているわけではないので、暖房時の熱量が不足する。そこで、暖房時には、電動コンプレッサを備えた冷媒サイクルによって構成される空調装置によって車室内温度を上昇させている。

しかし、空調装置を作動させた分だけバッテリに蓄電された電力が消費されるので、車両の航続可能距離が低下する。

特許文献１は、空調装置を構成する冷媒サイクルとは別に、バッテリを冷却する冷却水回路を備え、冷媒と冷却水との間で熱交換可能な熱交換器を備える空調システムを開示している。この空調システムは、充電中にバッテリを加熱しておき、車両の動作中であって暖房を使用する際に、バッテリに蓄熱された熱を利用する。

特開２０１１−６８３４８号公報

しかし、上記特許文献１の空調システムは、バッテリを加熱する際に、冷媒サイクルのホットガス（高温冷媒）を熱交換器を介して冷媒から冷却水に熱伝達するとともに、暖房使用時には、冷媒サイクルをヒートポンプサイクルとして機能させ、熱交換器を介して冷却水から冷媒に熱伝達している。

したがって、充電中にバッテリを加熱する必要がある場合には、熱交換器へ冷媒サイクルの高温冷媒を供給し、バッテリ自体の発熱により冷却水温度が上昇して冷却水を冷却する必要がある場合には、熱交換器へ冷媒サイクルの低温冷媒を供給するので、バッテリの充電中にバッテリの加熱と冷却とが繰り返される場合には、冷媒サイクルの追従性が低下し、バッテリを所望の温度範囲内に制御することが困難となる。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、充電中にバッテリを所望の温度範囲内に保持しながら、より効率よくバッテリに蓄熱可能な電動車両用熱管理システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、電動モータによって駆動される電動車両に用いられる車両用熱管理システムであって、エアコン用冷媒を圧縮する圧縮部と、エアコン用冷媒の熱を放熱してエアコン用冷媒を凝縮させる凝縮部と、エアコン用冷媒を膨張させて減圧させる減圧部と、エアコン用冷媒に熱を吸熱させてエアコン用冷媒を蒸発させる蒸発部とを有し、エアコン用冷媒を循環させるエアコン用冷媒ループと、バッテリ用冷媒を、電動モータへの供給電力を蓄電するバッテリと、エアコン用冷媒ループと共通の蒸発部と、バッテリ用冷媒を加熱する加熱器と、の間で循環させるバッテリ用冷媒ループと、バッテリが外部電源から供給される電力を蓄える状態である充電中にバッテリ用冷媒を循環させ、バッテリ用冷媒の温度がバッテリ用冷媒目標温度より低い場合、加熱器によってバッテリ用冷媒を加熱し、バッテリ用冷媒の温度がバッテリ用冷媒目標温度より高い場合、エアコン用冷媒を循環させて蒸発部においてバッテリ用冷媒から吸熱させる熱管理制御手段と、を備えることを特徴とする電動車両用熱管理システムが提供される。

上記態様によれば、バッテリの充電中にバッテリから発生する充電熱をバッテリの冷却システムであるバッテリ用冷媒ループの熱マスを利用して蓄熱することができる。バッテリの加熱が必要な場合には加熱器によってバッテリ用冷媒を加熱し、余剰の熱はエアコン用冷媒ループによって吸熱することができる。よって、バッテリの充電熱を効率よく蓄熱しつつ、バッテリ温度をより確実に所望の温度範囲内に制御することができる。

本発明の実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。電動車両用熱管理システムの制御システム図である。充電時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。バッテリ暖機時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。暖房時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。冷房時における電動車両用熱管理システムの作動状態を示している。電動車両用熱管理システムの処理内容を示したフローチャートである。電動車両用熱管理システムの処理内容を示したフローチャートである。充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。充電量及び水温の変化を示したタイムチャートである。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。別実施形態に係る電動車両用熱管理システムの全体構成を示している。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る電動車両用熱管理システム１００の全体構成を示している。

電動車両用熱管理システム１００は、エアコンループ１０と、高水温ループ３０と、低水温ループ５０と、を備える。

エアコンループ１０について説明する。

エアコンループ１０は、冷媒（例えばＨＦＣ１３４ａなど）を、コンプレッサ１１、コンデンサ１２、膨張弁１３、及びエバポレータ１４の順に循環させる冷凍サイクルを構成する冷媒回路である。

コンプレッサ１１は、電動モータによって駆動され、冷媒ガスを圧縮して高温高圧の圧縮冷媒ガスを吐出する。

コンデンサ１２は、圧縮冷媒ガスと外気との間で熱交換を行って、圧縮冷媒ガスの熱を外気に放熱することで圧縮冷媒ガスを冷却し、凝縮させて液体冷媒とする。

膨張弁１３は、高圧の液体冷媒を膨張させて低圧の液体冷媒とする。膨張弁１３は感温式膨張弁（ＴＸＶ）であり、エバポレータ１４の出口における過熱度が予め設定した所定の状態となるようにエバポレータ１４に流入する冷媒量を制御する。

エバポレータ１４は、液体冷媒と車室内空気との間で熱交換を行って、車室内空気の熱を吸収することで車室内空気を冷却し、液体冷媒を蒸発させて冷媒ガスとする。

エアコンループ１０はさらに、コンプレッサ１１の下流側とコンデンサ１２の下流側とをバイパスするバイパス流路１５と、バイパス流路１５の途中に設けられる水コンデンサ１６と、エバポレータ１４と並列に設けられるチラー１７及び膨張弁１８に冷媒を流す流路１９と、を備える。

水コンデンサ１６は高水温ループ３０に設けられ、バイパス流路１５を流れる冷媒と高水温ループ３０を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。チラー１７は低水温ループ５０に設けられ、エアコンループ１０の冷媒と低水温ループ５０との間で熱交換を行う熱交換器である。チラー１７への冷媒の流出入もエバポレータ１４と同様に感温式膨張弁（ＴＸＶ）を介して行われる。

エアコンループ１０はさらに、コンプレッサ１１の吐出冷媒をコンデンサ１２側及びバイパス流路１５側の少なくとも一方に流すように流路を切り換え可能な三方弁２０と、バイパス流路１５を流れる冷媒がコンデンサ１２側に逆流することを防止する逆止弁２１と、エバポレータ１４への冷媒流路を開閉可能なエバ電磁弁２２と、チラー１７への冷媒流路を開閉可能なチラー電磁弁２３と、を備える。

次に、高水温ループ３０について説明する。

高水温ループ３０は、冷却水（例えば不凍液など）を、ラジエータポンプ３１、ラジエータ３２、モータ３３の順に循環させるとともに、Ｈ／Ｃポンプ３４、ヒータコア３５、水コンデンサ１６の順に循環させる。つまり、高水温ループ３０は、モータ３３及び水コンデンサの少なくとも一方で吸熱した熱を、ラジエータ３２及びヒータコア３５の少なくとも一方で放熱する冷却水回路である。

ラジエータポンプ３１は、冷却水をラジエータ３２へと送出する。ラジエータ３２は、冷却水と車室外空気との間で熱交換を行って、冷却水の熱を車室外へと放出することで冷却水を冷却する。モータ３３は、車両駆動用の電動モータであり、バッテリ１からの電力供給を受けて車両を駆動する。

Ｈ／Ｃポンプ３４は、冷却水をヒータコア３５へと送出する。ヒータコア３５は、冷却水と車室内空気との間で熱交換を行って、冷却水の熱を車室内へと放出することで車室内空気を加熱し、冷却水を冷却する。水コンデンサ１６は、エアコンループ１０の冷媒と高水温ループ３０の冷却水との間で熱交換を行う熱交換器であり、冷媒から冷却水へと熱が伝達される。

高水温ループ３０はさらに、水コンデンサ１６の下流側とラジエータポンプの上流側とを接続してモータ３３をバイパスするバイパス流路３６と、水コンデンサ１６の下流側の冷却水をモータ３３側及びバイパス流路３６側の少なくとも一方に流すように流路を切り換え可能な水切り換え弁３７と、を備える。

次に、低水温ループ５０について説明する。

低水温ループ５０は、冷却水（例えば不凍液など）を、バッテリポンプ５１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

バッテリポンプ５１は、冷却水をＤＣ／ＤＣコンバータ５２へと送出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２は、バッテリ１から供給された電力を例えば１２Ｖに降圧し、駆動系（モータ３３、インバータ５３など）とは異なる電源系統（サブバッテリなど）へ出力される。インバータ５３は、車両の要求駆動力に応じてバッテリ１の直流電力を交流電力に変換してモータ３３へと供給する。バッテリ１は、車両駆動用のモータ３３に供給する電力を蓄電し、バッテリ１と外気との間の断熱性を確保できる断熱構造となっている。

温水ヒータ５４は、例えばＰＴＣヒータなどであり、バッテリ１から供給される電力によって発熱して冷却水を加熱する。ウォータジャケット５５は、冷却水とバッテリ１との間で熱交換を行う熱交換器であり、バッテリモジュールとの接触面積が大きくなるようにバッテリ１に隣接して設けられる。チラー１７は、低水温ループ５０の冷却水とエアコンループ１０の冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であり、冷媒から冷却水へと熱が伝達される。

電動車両用熱管理システム１００は、以上の３つのループから構成され、各ループ間で熱の伝達が行われる。

ここで、車両と車室外空気との間の熱の授受について説明する。

高水温ループ３０のラジエータ３２とエアコンループ１０のコンデンサ１２とは、車両走行時の走行風を受ける位置に配設される。これにより、走行中は走行風によってラジエータ３２及びコンデンサ１２からの放熱を行うことが可能である。さらに、電動のコンデンサファン２がラジエータ３２及びコンデンサ１２に隣接して設けられ、コンデンサファン２を作動させることでラジエータ３２及びコンデンサ１２からの放熱を強制的に行うことも可能である。

さらに、車両と車室内空気との間の熱の授受について説明する。

車室内の温度を調整する空調ユニットは、ブロアファン３、エバポレータ１４、ミックスドア４、及びヒータコア３５を備える。

ブロアファン３によって、車室内の空気又は外気から選択的に取り入れられた空気は、エバポレータ１４によって冷却され、ミックスドア４の開度に応じて再加熱された後、車室内への吹き出し口から車室内へと吹き出される。

空調ユニットに取り入れる空気を外気導入とするか内気循環とするかは、空調ユニットの最上流部に設けられるインテークドアの開度に応じて切り換えられる。ミックスドア４の開度は、設定温度や日射量センサの検出値などに基づいて設定される目標吹き出し温度に応じて設定される。車室内への吹き出し口であるデフ吹き出し口、ベント吹き出し口、及びフット吹き出し口の吹き出し割合は、各吹き出し口の開度を調整するデフドア、ベントドア、フットドアの開度によって調整される。

次に、電動車両用熱管理システム１００の動作制御を行うコントローラ７０について図２を参照しながら説明する。

コントローラ７０は、車両が充電状態であることを検知する充電状態センサ７１の検知信号、車室内空気の温度を検出する内気温度センサ７２の検出信号、車室外空気の温度を検出する外気温度センサ７３の検出信号、車両が受ける日射量を検出する日射量センサ７４の検出信号、インストルメントパネル内に設置されたＡ／Ｃコントローラ７５を運転者が操作することによって設定された設定温度や風量などの設定情報、低水温ループ５０を循環する冷却水の温度を検出する低水温ループ温度センサ７６の検出信号、及び、高水温ループ３０を循環する冷却水の温度を検出する高水温ループ温度センサ７７の検出信号を受信する。

コントローラ７０は、受信された各種信号を処理して、ブロアファン３の風量、各ドアの開度、コンプレッサ１１の回転速度、コンデンサファン２の作動、温水ヒータ５４の作動、ラジエータポンプ３１の作動、Ｈ／Ｃポンプ３４の作動、バッテリポンプ５１の作動、三方弁２０の切り換え、水切り換え弁３７の切り換え、エバ電磁弁２２の開閉、及びチラー電磁弁２３の開閉、を制御する。

次に、電動車両用熱管理システム１００の動作について図３〜図６を参照して説明する。各図において、エアコンループ１０、高水温ループ３０、及び低水温ループ５０の回路のうち、太線で示す部分が冷媒又は冷却水が流れる部分を示している。

図３は、バッテリ充電時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、水コンデンサ１６、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０及び逆止弁２１によって規制されるので、冷媒はコンデンサ１２側には流れない。冷媒の循環路はまた、エバ電磁弁２２が閉塞することで規制されるので、冷媒はエバポレータ１４には流れない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。

高水温ループ３０では、Ｈ／Ｃポンプ３４が作動して冷却水を、ヒータコア３５、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７の順に循環させる。冷却水の循環路は、水切り換え弁３７によって規制され、さらにラジエータポンプ３１が作動していないので、冷却水はモータ３３及びラジエータ３２には流れない。

これにより、バッテリ充電時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、必要に応じて冷却水を温水ヒータ５４により加熱する。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、コンプレッサ１１の吐出側の高温冷媒から水コンデンサ１６によって熱を高水温ループ３０の冷却水へと伝達し、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱する。高水温ループ３０では、水コンデンサ１６で加熱された冷却水をヒータコア３５へと循環させる。

図４は、バッテリ暖機時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

この場合、コンプレッサ１１、ラジエータポンプ３１、及びＨ／Ｃポンプ３４は作動しないので、エアコンループ１０及び高水温ループ３０では冷媒及び冷却水は循環しない。

低水温ループ５０では、バッテリポンプ５１が作動して冷却水を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、温水ヒータ５４、ウォータジャケット５５、チラー１７の順に循環させる。さらに、温水ヒータ５４を作動させて冷却水を加温する。エアコンループ１０には冷媒が流れていないので、チラー１７において熱交換は行われない。

これにより、バッテリ暖機時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、さらに、温水ヒータ５４により冷却水を加熱して冷却水を適切な温度で循環させることでバッテリ１を暖機することができる。

図５は、暖房時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、水コンデンサ１６、エバ電磁弁２２、膨張弁１３、エバポレータ１４の順に循環させるとともに、これと並列に、三方弁２０、水コンデンサ１６、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０及び逆止弁２１によって規制されるので、冷媒はコンデンサ１２側には流れない。

高水温ループ３０では、Ｈ／Ｃポンプ３４が作動して冷却水を、ヒータコア３５、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７、モータ３３の順に循環させる。冷却水の循環路は、水切り換え弁３７によって規制され、バイパス流路３６の水切り換え弁３７とＨ／Ｃポンプ３４との間には流れない。さらに、ラジエータポンプ３１が作動していないので、冷却水はラジエータ３２には流れない。

これにより、暖房時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させ、必要に応じて冷却水を温水ヒータ５４により加熱する。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、コンプレッサ１１の吐出側の高温冷媒から水コンデンサ１６によって熱を高水温ループ３０の冷却水へと伝達し、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱する。高水温ループ３０では、水コンデンサ１６及びモータ３３の排熱によって加熱された冷却水をヒータコア３５へと循環させる。

図６は、冷房時における電動車両用熱管理システム１００の動作を示す回路図である。

エアコンループ１０では、コンプレッサ１１が作動して冷媒を、三方弁２０、コンデンサ１２、逆止弁２１、エバ電磁弁２２、膨張弁１３、エバポレータ１４の順に循環させるとともに、これと並列に逆止弁２１の下流側で分岐して、チラー電磁弁２３、膨張弁１８、チラー１７の順に循環させる。冷媒の循環路は三方弁２０によって規制されるので、冷媒は水コンデンサ１６側には流れない。

高水温ループ３０では、ラジエータポンプ３１が作動して冷却水を、ラジエータ３２、モータ３３の順に循環させる。Ｈ／Ｃポンプ３４が作動していないので、冷却水はヒータコア３５には流れることなく、モータ３３とラジエータ３２との間で循環する。

これにより、冷房時には、バッテリ１の充電熱、インバータ５３及びＤＣ／ＤＣコンバータ５２における熱損失を低水温ループ５０の冷却水に吸熱させる。冷却水で余剰となった熱はチラー１７においてエアコンループ１０の冷媒に伝達する。

さらに、エアコンループ１０では、エバポレータ１４において車室内に供給される空気から熱を吸熱するとともに、チラー１７において低水温ループ５０の余剰の熱を吸熱し、コンデンサ１２において冷媒から外気へと放熱する。高水温ループ３０では、モータ３３の排熱をラジエータ３２で放出する。

次に、電動車両用熱管理システム１００のコントローラ７０で行われる処理内容について図７、図８を参照して説明する。図７、図８は、車両停車中であって、バッテリ充電時にコントローラ７０で行われる処理を示したフローチャートである。図７、図８に示す制御処理は、微小時間ごとに繰り返し行われる。

ステップＳ１においてコントローラ７０は、バッテリ１の充電量（ＳＯＣ）が７０％以上であるか否かを判定する。ＳＯＣが７０％以上であると判定されると処理がステップＳ２へ進み、ＳＯＣが７０％未満であると判定されると処理がステップＳ８へ進む。バッテリ充電時に放出される充電熱を優先的に使用するため、ＳＯＣが７０％以上となってから後述するステップＳ７において温水ヒータ５４を作動させる。つまり、温水ヒータ５４の作動を決定する閾値（７０％）は、ＳＯＣとバッテリ１の充電熱発生量との関係に基づいて適宜設定される。

ステップＳ２においてコントローラ７０は、目標吹き出し温度を算出する。目標吹き出し温度は、空調ユニットの設定温度、車室内空気温度、外気温度、及び車両が受ける日射量等に基づいて算出される。例えば、Ａ／Ｃコントローラ７５において運転者がＡＵＴＯスイッチを押してオートモードに設定されている場合には、車室内空気温度が設定温度となるように目標吹き出し温度が自動的に算出される。なお、本制御処理はバッテリ充電時の処理であり、運転者は乗車していない状態（プラグイン状態）であるので、Ａ／Ｃコントローラ７５の設定温度は運転者が車両を停車させてプラグイン状態とした時点において設定されている設定温度が参照される。

ステップＳ３においてコントローラ７０は、暖房要求があるか否かを判定する。暖房要求があると判定されると処理がステップＳ４へ進み、暖房要求がないと判定されると処理がステップＳ５へ進む。暖房要求の有無は、目標吹き出し温度と車室内空気温度とに基づいて、例えば、目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合には暖房要求有り、目標吹き出し温度が車室内空気温度より低い場合には冷房要求有り、と判断される。

ステップＳ４においてコントローラ７０は、空調ユニットのエアコンサイクルを暖房モードに設定する。これにより、低水温ループ５０の目標温度は３５℃に設定される。インテークドアは内気循環の位置に駆動され（ＲＥＣ）、デフ吹き出し口が開状態となるようにデフドアが駆動される（ＤＥＦ）。ミックスドア４は、空調ユニット内のエバポレータ１４を通過した空気がすべてヒータコア３５を通過する、フルホット位置に駆動される（Ｆ／ＨＯＴ）。

ステップＳ５においてコントローラ７０は、空調ユニットのエアコンサイクルを冷房モードに設定する。これにより、低水温ループ５０の目標温度は１５℃に設定される。インテークドアは内気循環の位置に駆動され（ＲＥＣ）、ベント吹き出し口が開状態となるようにベントドアが駆動される（ＶＥＮＴ）。ミックスドア４は、空調ユニット内のエバポレータ１４を通過した空気がすべてヒータコア３５を通過しない、フルクール位置に駆動される（Ｆ／ＣＯＯＬ）。

低水温ループ５０の冷却水温度はバッテリ１の温度とほぼ等しくなるので、ステップＳ４、Ｓ５において設定される目標温度（３５℃、１５℃）は、それぞれバッテリ１の仕様に基づき作動に好ましい温度の上限値及び下限値に設定される。

ステップＳ６においてコントローラ７０は、低水温ループ５０の冷却水温度が低水温ループ５０の目標温度以下であるか否かを判定する。冷却水温度が目標温度以下であると判定されると処理がステップＳ７へ進み、目標温度より高いと判定されると処理がステップＳ８へ進む。目標温度は、ステップＳ４又はステップＳ５において設定された低水温ループ５０の目標温度である。

ステップＳ７においてコントローラ７０は、温水ヒータ５４を作動させる。

ステップＳ８においてコントローラ７０は、温水ヒータ５４を停止させる。

ステップＳ９においてコントローラ７０は、バッテリ温度が許容温度以上であるか否かを判定する。バッテリ温度が許容温度以上であると判定されると処理がステップＳ１０へ進み、許容温度未満であると判定されると処理がステップＳ１１へ進む。許容温度は、ステップＳ４、Ｓ５において設定した低水温ループ５０の目標温度である。

ステップＳ１０においてコントローラ７０は、コンプレッサ１１を最小回転速度で回転するように駆動し、チラー電磁弁２３を開放する。

ステップＳ１１においてコントローラ７０は、コンプレッサ１１を停止させる。

つまり、バッテリ１の充電熱、並びにＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びインバータ５３の排熱だけで、低水温ループ５０の冷却水温度がバッテリ１の許容温度を超えるような場合には、コンプレッサ１１を駆動して冷却水を強制的に冷却する。

ステップＳ１２においてコントローラ７０は、エアコンサイクルが冷房モードであるか否かを判定する。冷房モードであると判定されると処理がステップＳ１３へ進み、暖房モードであると判定されると処理がステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１３においてコントローラ７０は、コンデンサファン２を作動させる。つまり、冷房モードの場合には、コンデンサ１２において放熱を行う。

ステップＳ１４においてコントローラ７０は、コンデンサファン２を停止させる。

図８に移行して、ステップＳ１５においてコントローラ７０は、エアコンサイクルが暖房モードであるか否かを判定する。暖房モードであると判定されると処理がステップＳ１６へ進み、冷房モードであると判定されると処理がステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１６においてコントローラ７０は、高水温ループ３０の目標温度を８０℃に設定する。暖房モードである場合には、水コンデンサ１６の凝縮熱を利用して車室内を予熱するので、目標温度が高めに設定される。

ステップＳ１７においてコントローラ７０は、高水温ループ３０の目標温度を６０℃に設定する。

ステップＳ１８においてコントローラ７０は、高水温ループ３０の冷却水温度が高水温ループ３０の目標温度以上であるか否かを判定する。冷却水温度が目標温度以上であると判定されると処理がステップＳ１９へ進み、目標温度未満であると判定されると処理がステップＳ２０へ進む。

ステップＳ１９においてコントローラ７０は、高水温ループ３０をラジエータ回路とし、コンデンサファン２を作動させる。ラジエータ回路とは、図３に示すように高水温ループ３０の冷却水がヒータコア３５を循環するヒータコア回路に加えて、ラジエータポンプ３１が駆動することで冷却水がラジエータ３２にも循環する回路である。ラジエータ回路では、冷却水は水コンデンサ１６において吸熱した熱をヒータコア３５において車室内に排熱するのに加えて、ラジエータ３２において車室外に排熱する。つまり、ステップＳ１８において、高水温ループ３０の冷却水温度が目標温度を超えた場合には、ラジエータ放熱によって高水温ループ３０の冷却水を強制的に冷却する。

ステップＳ２０においてコントローラ７０は、高水温ループ３０をヒータコア回路とし、コンデンサファン２を停止させる。ヒータコア回路とは、図３に示すように、高水温ループ３０の冷却水がヒータコア３５及び水コンデンサ１６を循環する回路である。この場合には、高水温ループ３０の冷却水はラジエータ放熱されない。

ステップＳ２１においてコントローラ７０は、暖房時であって、かつ高水温ループ３０の冷却水温度が６０℃以上であるか否かを判定する。条件が成立すると判定されると処理がステップＳ２２へ進み、条件非成立であると判定されると処理がステップＳ２３へ進む。本ステップの判定条件の閾値である６０℃は、ブロアファン３を作動させて車室内を予熱するのに十分なヒータコア温度が確保できると判断できる程度の値に適宜設定される。

ステップＳ２２においてコントローラ７０は、ブロアファン３を最小回転速度となるように回転駆動させる。これにより、暖房モード時に室内に温風を供給して車室内を予熱（プレヒート）することができる。

ステップＳ２３においてコントローラ７０は、ブロアファン３を停止させる。

次に、バッテリ充電時の電動車両用熱管理システム１００の作用について図９〜図１１を参照して説明する。

図９は、外気温が低い冬季などにおいて、車両走行後であってバッテリ１が既に暖機されている状態で充電される場合について示している。この場合には、エアコンサイクルは暖房モードに設定され、低水温ループ５０の目標温度は３５℃、高水温ループ３０の目標温度は８０℃に設定される。

バッテリ１が充電されることで充電量が増大していく。この時、充電に伴って発生する充電熱はウォータジャケット５５を介して低水温ループ５０の冷却水に吸熱される。冷却水はバッテリポンプ５１によって循環しているので、低水温ループ５０の冷却水温度が徐々に上昇していく。

時刻ｔ１において、冷却水温度がバッテリ１の許容温度（３５℃）以上となると、チラー電磁弁２３が開放し、コンプレッサ１１が作動する。この場合、コンプレッサ１１はほぼ最小回転速度で運転され、冷却水温度が許容温度（３５℃）を上回らないように制御される。コンプレッサ１１の作動によりエアコンループ１０の冷媒が循環するので、低水温ループ５０の冷却水の熱はチラー１７を介して冷媒に吸熱される。

チラー１７において吸熱した冷媒の熱は水コンデンサ１６を介して高水温ループ３０の冷却水に吸熱される。エアコンループ１０ではコンプレッサ１１が作動しているので、水コンデンサ１６における放熱量は、チラー１７における吸熱量とコンプレッサ１１の仕事とを加算した熱量となる。これにより、高水温ループ３０の冷却水温度は徐々に上昇していく。

時刻ｔ２において、高水温ループ３０の冷却水温度が６０℃を超えると、ブロアファン３を最小回転速度で作動させる。これにより、ヒータコア３５において加熱された空気が室内に吹き出し、室内が予熱される。

時刻ｔ３において、高水温ループ３０の冷却水温度が目標温度（８０℃）を超えると、高水温ループ３０がラジエータ回路となり、コンデンサファン２が作動する。これにより、高水温ループ３０の冷却水の熱はラジエータ３２を介して外気に放出される。

時刻ｔ４において、充電が完了すると、コンプレッサ１１、コンデンサファン２、及びブロアファン３が停止する。その後、バッテリ１の充電熱が発生しないので低水温ループ５０の冷却水は自然放熱によって徐々に温度が低下するが、この場合は温水ヒータ５４を作動させ、冷却水の温度がほぼ低水温ループ５０の目標温度（３５℃）となるように制御される。

図１０は、外気温が低い冬季などにおいて、バッテリ１が冷えた状態でバッテリ１が充電される場合について示している。この場合には、エアコンサイクルは暖房モードに設定され、低水温ループ５０の目標温度は３５℃、高水温ループ３０の目標温度は８０℃に設定される。

時刻ｔ１において、バッテリ充電量が７０％以上となり、この時の低水温ループ５０の冷却水温度は低水温ループ５０の目標温度（３５℃）以下であるので、温水ヒータ５４が作動して冷却水が加熱される。つまり、バッテリ充電量が７０％に達するまでは充電熱を優先的に使用して冷却水を加熱し、充電量が７０％となってもまだ冷却水温度が目標温度（３５℃）に達していない場合には温水ヒータ５４で冷却水を加熱する。

時刻ｔ２において、低水温ループ５０の冷却水温度が目標温度（３５℃）に達すると温水ヒータ５４を停止する。その後、自然放熱によって温度が下がると再度温水ヒータ５４を作動させる。このように、温水ヒータ５４は、冷却水がほぼ低水温ループ５０の目標温度（３５℃）となるようにＯＮ／ＯＦＦさせる。

一方、エアコンループ１０ではコンプレッサ１１が停止しているので冷媒は循環していない。したがって、高水温ループ３０は水コンデンサ１６を介して吸熱しないので高水温ループ３０の冷却水はほぼ外気温に収束する。

図１１は、外気温が高い夏季などにおいて、バッテリ１が充電される場合について示している。この場合には、エアコンサイクルは冷房モードに設定され、低水温ループ５０の目標温度は１５℃、高水温ループ３０の目標温度は６０℃に設定される。

バッテリ１が充電されることで充電量が増大していく。低水温ループ５０の冷却水温度はバッテリ許容温度（１５℃）を超えているので充電開始とともにコンプレッサ１１を作動させる。充電に伴って発生する充電熱はウォータジャケット５５を介して低水温ループ５０の冷却水に吸熱され、冷却水はバッテリポンプ５１によって循環しているので、チラー１７を介してエアコンループ１０の冷媒に吸熱される。これにより、低水温ループ５０の冷却水温度は徐々に低下していく。

また、コンプレッサ１１の作動に連動してコンデンサファン２が作動するのでエアコンループ１０の冷媒の熱はコンデンサ１２から放熱される。

時刻ｔ１において、低水温ループ５０の冷却水温度がバッテリ許容温度（１５℃）まで低下すると、コンプレッサ１１及びコンデンサファン２を停止する。これにより、低水温ループ５０の冷却水温度は充電熱によって徐々に上昇し、再度コンプレッサ１１及びコンデンサファン２を作動させる。このように、コンプレッサ１１及びこれに連動するコンデンサファン２は、冷却水温度がほぼ低水温ループ５０の目標温度（１５℃）となるようにＯＮ／ＯＦＦさせる。

一方、エアコンループ１０ではコンプレッサ１１から吐出される冷媒が水コンデンサ１６ではなくコンデンサ１２側に流れているので、高水温ループ３０は水コンデンサ１６を介して吸熱しない。したがって、高水温ループ３０の冷却水はほぼ外気温に収束する。

時刻ｔ２において、充電が完了するとバッテリ１の充電熱が発生しないので低水温ループ５０の冷却水は自然吸熱によって徐々に温度が上昇するが、この場合は、コンプレッサ１１及びコンデンサファン２を作動させ、冷却水の温度がほぼ低水温ループ５０の目標温度（１５℃）となるように制御される。

以上のように本実施形態では、バッテリ１の充電中にバッテリ１から発生する充電熱をバッテリ１の冷却システムである低水温ループ５０の熱マスを利用して蓄熱することができる上に、余剰の熱はヒートポンプ式のエアコンループ１０によって吸熱することができる。よって、バッテリ１の充電熱を効率よく蓄熱しつつ、バッテリ温度を所望の温度範囲内に制御することができる。さらに、バッテリ１の加熱時にエアコンループ１０を作動させる必要がないので、動力効率を向上させることができる。

また、エアコンサイクルが暖房モードである場合には低水温ループ５０の目標温度が３５℃に設定され、冷房モードである場合には１５℃に設定されるので、充電中にバッテリ１を所望の温度範囲内に制御することができる。特に、暖房モードである場合には、充電中に蓄熱された熱を走行時の暖房の熱源として利用することができるので、走行時に暖房によって消費する電力量を低減して、車両の航続可能距離の低減を抑制することができる。

さらに、エアコンループ１０のコンプレッサ１１から吐出する冷媒の熱を吸熱する水コンデンサ１６を有する高水温ループ３０を備えるので、エアコンループ１０の冷媒から水コンデンサ１６を介して吸熱した熱を高水温ループ３０の冷却水に蓄熱することができ、バッテリ１の充電熱をより効率よく蓄熱することができる。

さらに、バッテリ充電中に高水温ループ３０の冷却水温度が暖房可能な温度に達すると、ヒータコア３５から放熱するとともにブロアファン３を作動させて車室内に温風を吹き出すので、充電中に車室内を予熱しておくことができる。

さらに、バッテリ充電中に高水温ループ３０の冷却水温度が高水温ループ３０の目標温度を上回ると、高水温ループ３０をラジエータ回路としてコンデンサファン２を作動させるので、充電中に余剰となった熱を外気に放熱してモータ３３の耐久性が低下することを防止することができる。

さらに、バッテリ充電中であって、エアコンサイクルが冷房モードである場合には、コンプレッサ１１の駆動に連動してコンデンサファン２を回転させるので、夏季などの気温が高い状態で充電中に高水温ループ３０の温度が上昇してモータ３３の耐久性が低下することを防止することができる。

さらに、低水温ループ５０の冷却水温度が低水温ループ５０の目標温度以下である場合にはバッテリ１から供給される電力によって作動する電気式の温水ヒータ５４を使用するので、チラー１７を低温冷却水から冷媒側への熱伝達専用として使用することができ、バッテリ温度の上下変動によるエアコンループ１０の追従性の低下を避けることができる。

さらに、エアコンループ１０においてチラー１７をエバポレータ１４と並列に接続し、充電中にはエバポレータ１４に冷媒を流すことなくチラー１７にのみ冷媒を流すので、チラー１７の熱交換効率を上げることができ、バッテリ１の充電熱をより効率よく吸熱することができる。

次に、電動車両用熱管理システム１００の変形例について図１２〜図１７を参照しながら説明する。

図１２は、電動車両用熱管理システム１００の第１の変形例を示す。

第１の変形例は、水コンデンサ１６が設けられる位置が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０上では、水コンデンサ１６の配設位置は同一であるが、エアコンループ１０上では、コンプレッサ１１と三方弁２０との間に設けられる。つまり、上記実施形態では、水コンデンサ１６とコンデンサ１２とはエアコンループ１０に沿って互いに並列に設けられているが、この変形例では、水コンデンサ１６とコンデンサ１２とが直列に設けられることになる。これにより、三方弁２０の切り換え位置にかかわらず、高水温ループ３０の冷却水は常に冷媒から熱を吸熱するので、エアコンループ１０の放熱性を向上させることができる。

図１３は、電動車両用熱管理システム１００の第２の変形例を示す。

第２の変形例は、高水温ループ３０及びエアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０では、上記実施形態の高水温ループ３０から、水コンデンサ１６、水切り換え弁３７、Ｈ／Ｃポンプ３４、及びヒータコア３５を取り除き、ラジエータポンプ３１から送出された冷却水がラジエータ３２及びモータ３３を循環する回路とした。

さらに、エアコンループ１０には、コンプレッサ１１の下流側とコンデンサ１２の下流側とを接続するバイパス流路１５にインナーコンデンサ２４を設けた。インナーコンデンサ２４は、上記実施形態のヒータコア３５と同様に空調ユニット内に設けられる。

この変形例では、水コンデンサ１６がないのでエアコンループ１０と高水温ループ３０との間で熱交換を行うことができないが、高水温ループ３０の構造を簡略化することができる。

図１４は、電動車両用熱管理システム１００の第３の変形例を示す。

第３の変形例は、エアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる。上記実施形態では、エアコンループ１０のエバポレータ１４とチラー１７とを並列に接続しているが、この変形例では、これらをエバポレータ１４、チラー１７の順に直列に接続している。

この変形例では、エアコンループ１０の流路１９及び電磁弁２２、２３を省略できるので、構造を簡略化することができる。

図１５は、電動車両用熱管理システム１００の第４の変形例を示す。

第４の変形例は、高水温ループ３０及びエアコンループ１０の構成が上記実施形態と異なる上に、低水温ループ５０の冷却水の代わりに空気を冷媒として用いている。つまり、ファン２６によってバッテリ１を空冷している。バッテリの加熱は空気ヒータ５６を用いる。高水温ループ３０では、上記実施形態のモータ３３に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びインバータ５３を直列に配置した。エアコンループ１０では、上記実施形態のチラー１７の代わりにエバポレータ２５を設け、このエバポレータ２５をバッテリ１に隣接して配置した。

この変形例では、エバポレータ２５及び温水ヒータ５４の作動状態を調整することでバッテリ１の温度を適宜調整することができる。また、低水温ループ５０の冷却水がない分、バッテリ１の冷却系統を簡略化することができる。

図１６は、電動車両用熱管理システム１００の第５の変形例を示す。

第５の変形例は、車両駆動用のモータとして、駆動輪の内部に収装されたインホイールモータを採用した車両を前提とした構成である。この変形例では、高水温ループ３０の構成が上記実施形態と異なる。

高水温ループ３０では、上記実施形態の高水温ループ３０から、モータ３３、ラジエータポンプ３１、ラジエータ３２、及び水切り換え弁３７を取り除き、Ｈ／Ｃポンプ３４から送出された冷却水がヒータコア３５及び水コンデンサ１６を循環する回路とした。

この変形例では、インホイールモータを搭載した車両においても上記実施形態と同様の熱管理システム１００を実現することができる。

図１７は、電動車両用熱管理システム１００の第６の変形例を示す。

第６の変形例は、ハイブリッド車両やレンジエクステンダーＥＶ車両のように、モータ３３とエンジン３８とを両方備える車両を前提とした構成である。この変形例では、高水温ループ３０の構成が上記実施形態と異なる。高水温ループ３０では、上記実施形態のモータ３３に対し、エンジン３８を直列に配置した。

この変形例では、エンジン３８を搭載する車両においてもエンジン３８の排熱を有効に利用して上記実施形態と同様の熱管理システム１００を実現することができる。

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を示したものであり、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。

例えば、上記実施形態では、温水ヒータ５４の作動を決定する閾値を７０％としたが、充電量と発生する充電熱との関係を考慮し、７０％以外の値を閾値として設定してもよい。

さらに、低水温ループ５０の目標温度を暖房モード時に３５℃、冷房モード時に１５℃として設定したが、低水温ループ５０に設けられるバッテリ１の作動温度として適切な範囲でその他の温度に設定されてもよい。

さらに、高水温ループ３０の目標温度を暖房モード時に８０℃、冷房モード時に６０℃として設定したが、高水温ループ３０に設けられるモータ３３の作動温度として適切な範囲でその他の温度に設定されてもよい。

さらに、低水温ループ５０及び高水温ループ３０の目標温度は、チャタリング防止のためディファレンシャル（ヒステリシス）を設け、水温が上昇時と低下時とで異なる温度に設定してもよい。

さらに、低水温ループ５０及び高水温ループ３０の冷却水は不凍液を例に挙げて説明したが、その他の冷媒、例えばオイルなどを用いてもよい。

１バッテリ
１０エアコンサイクル（エアコン用冷媒ループ）
１１コンプレッサ（圧縮部）
１２コンデンサ（凝縮部）
１３膨張弁（減圧部）
１４エバポレータ（蒸発部）
１６水コンデンサ（凝縮部）
１７チラー（蒸発部、第２蒸発器）
２２エバ電磁弁（切り換え手段）
２３エバ電磁弁（切り換え手段）
３０高水温ループ（ヒータ用冷媒ループ）
３２ラジエータ（車外放熱器）
３５ヒータコア（車内放熱器）
５０低水温ループ（バッテリ用冷媒ループ）
５４温水ヒータ（加熱器）
７０コントローラ（熱管理制御手段、ヒータ用冷媒循環手段）
１００電動車両用熱管理システム

Claims

電動モータによって駆動される電動車両に用いられる車両用熱管理システムであって、
エアコン用冷媒を圧縮する圧縮部と、エアコン用冷媒の熱を放熱してエアコン用冷媒を凝縮させる凝縮部と、エアコン用冷媒を膨張させて減圧させる減圧部と、エアコン用冷媒に熱を吸熱させてエアコン用冷媒を蒸発させる蒸発部とを有し、エアコン用冷媒を循環させるエアコン用冷媒ループと、
バッテリ用冷媒を、前記電動モータへの供給電力を蓄電するバッテリと、前記エアコン用冷媒ループと共通の前記蒸発部と、バッテリ用冷媒を加熱する加熱器と、の間で循環させるバッテリ用冷媒ループと、
前記バッテリが外部電源から供給される電力を蓄える状態である充電中にバッテリ用冷媒を循環させ、バッテリ用冷媒の温度がバッテリ用冷媒目標温度より低い場合、前記加熱器によってバッテリ用冷媒を加熱し、バッテリ用冷媒の温度が前記バッテリ用冷媒目標温度より高い場合、エアコン用冷媒を循環させて前記蒸発部においてバッテリ用冷媒から吸熱させる熱管理制御手段と、
を備えることを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記バッテリ用冷媒目標温度は、車室内空気温度を調整する空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合、前記バッテリの許容上限温度に設定され、前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より低い場合、前記バッテリの許容下限温度に設定される、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１又は請求項２に記載の電動車両用熱管理システムであって、
ヒータ用冷媒を、前記エアコン用冷媒ループと共通の前記凝縮部に循環させるヒータ用冷媒ループと、
前記バッテリの充電中にヒータ用冷媒を循環させるヒータ用冷媒循環手段と、
を備えることを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項３に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記ヒータ用冷媒ループは、ヒータ用冷媒から車内への導入空気に放熱させる車内放熱器を含み、
前記熱管理制御手段は、前記バッテリの充電中に前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より高い場合であって、ヒータ用冷媒の温度が暖房時下限温度より高い場合、前記車内放熱器においてヒータ用冷媒から放熱させる、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項３又は請求項４に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記ヒータ用冷媒ループは、ヒータ用冷媒から車外空気へと放熱させる車外放熱器を含み、
前記熱管理制御手段は、前記バッテリの充電中、ヒータ用冷媒の温度が暖房時上限温度より高い場合、前記車外放熱器においてヒータ用冷媒から放熱させる、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項５に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記熱管理制御手段は、前記バッテリの充電中であって前記空調ユニットの目標吹き出し温度が車室内空気温度より低い場合、エアコン用冷媒を循環させる際にはヒータ用冷媒の温度にかかわらず前記車外放熱器においてヒータ用冷媒から放熱させる、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記加熱器は、前記バッテリから供給される電力によって作動する電気ヒータである、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記蒸発部は、エアコン用冷媒が車内への導入空気から吸熱する第１蒸発器と、前記エアコン用冷媒ループに沿って前記第１蒸発器と並列に設けられ、エアコン用冷媒がバッテリ用冷媒から吸熱する第２蒸発器と、から構成され、
エアコン用冷媒を、前記第１蒸発器側及び前記第２蒸発器側の少なくとも一方へ循環させる切り換え手段を備える、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記蒸発部は、エアコン用冷媒が車内への導入空気から吸熱する第１蒸発器と、前記エアコン用冷媒ループに沿って前記第１蒸発器と直列に設けられ、エアコン用冷媒がバッテリ用冷媒から吸熱する第２蒸発器と、から構成される、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。
請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の電動車両用熱管理システムであって、
前記バッテリ用冷媒ループのバッテリ用冷媒として空気を用いる、
ことを特徴とする電動車両用熱管理システム。