JP5720587B2

JP5720587B2 - 電動車両

Info

Publication number: JP5720587B2
Application number: JP2012009581A
Authority: JP
Inventors: 僚介柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013150466A

Description

本発明は、電動車両の冷却系統の制御に関する。

電気自動車やハイブリッド車両では、駆動用のモータや、バッテリからの直流電力を駆動モータに供給する駆動電力に変換したり駆動電圧に昇圧したりするインバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の各種の電気機器を動作に最適な温度に保つことができるように、各電気機器に冷却液を還流させて各電気機器を冷却する冷却装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。また、バッテリや、パワーコントロールユニットにも冷却液を還流させる冷却装置も提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

特許文献１に記載された従来技術の冷却装置では、モータやインバータ等の電気機器の冷却系統と、室内を冷却する空調機用の冷却系統の２つの冷却系統を持っており、空調機用の冷却系統が動作した場合には、その放出熱で電気機器の冷却系統の冷却能力が低下することを防止するために、空調機用の冷却系統の冷媒と電気機器用の冷却系統の冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を配置し、空調機を運転した場合でも電気機器の冷却能力が低下して電気機器の温度が上昇しないようにする方法が提案されている。

特許文献２に記載された従来技術の冷却装置は、モータ、インバータの他にバッテリも冷却するように構成されているもので、バッテリが低温の場合には、冷却液をラジェータに流さずに循環させると共に、インバータの昇温動作を行ってバッテリの温度を適当な温度まで上昇させることが提案されている。

また、特許文献３に記載された従来技術では、冷却系統の中にヒータを備え、冷却水の温度が低い場合には、ヒータによって冷却水の温度を上昇させてＰＣＵ、モータ、バッテリの温度を適当な温度まで上昇させ、温度上昇の後は、各電気機器を通って温度の上昇した冷却水をラジェータに流して冷却し、各電気機器の温度が動作に適当な範囲になるようにする方法が提案されている。

一方、燃料電池を用いた燃料電池車両では、モータ、インバータ等の電気機器よりも大量の熱を放出する燃料電池を適当な動作温度に維持するためにより大きな冷却装置が必要となってくる。大型の冷却装置では、熱交換器のチューブの長さが長く大型になることから、熱交換器に流入する冷却水の温度と熱交換機の温度との温度差が大きい場合には、熱衝撃によって熱交換器が破損する場合がある。このため、熱交換器内の冷却水の温度と熱交換器に流入する冷却水の温度差が大きい場合には、熱交換器をバイパスして冷却水を流すようにしたり、冷却水を熱交換器の中に徐々に導入するようにしたりして熱交換器で損傷が発生することを抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１０−１６７８８６号公報特開２００８−１８９２４９号公報特開２０１１−１８２６０７号公報特開２００６−２２４８７９号公報

ところで、特許文献２に記載されたような電動車両の電気機器の冷却装置では、バッテリ等の電気機器の温度或いは、電気機器を冷却した後の冷却水の温度を検出し、その温度に応じてラジェータ（冷却器）とバイパス管との流路を切り替える切り替え弁の開度方向を変化させてラジェータを通す冷却水の流量を調整し、各電気機器の温度が適当な温度範囲となるようにしている。このため、特許文献４に記載されたように切り替え弁が瞬時にラジェータ側に切り替わり、高温の冷却水が一気にラジェータに流入するような場合はほとんどなく、ラジェータが熱衝撃で損傷を受けることもなかった。

ところが、電動車両において、走行中に車両を始動される車両始動スイッチがオフとされた後にオンとされた場合には、車両始動スイッチのオフで冷却水の循環が停止し、モータやインバータ内部の冷却水流路に滞留した冷却水が各電気機器の余熱や車両が惰性で走行することによるモータの発熱により加熱され、その温度が大きく上昇してしまう。そして、その後車両始動スイッチがオンとなると、制御装置は、温度の上昇した部分近傍の冷却水の温度あるいは温度の上昇した電気機器の温度を検出して各電気機器を急速に冷却しようとする。このため、制御装置は、冷却水をラジェータに急速に流入させるべく、切り替え弁をラジェータ側に全開としてしまう場合がある。この場合、高温となった冷却水がラジェータ（冷却器）の中に一気に流れ込むことになり、熱衝撃によってラジェータ（冷却器）が破損してしまう場合がある。

そこで、本発明は、電動車両において、冷却器の損傷を抑制することを目的とする。

本発明の電動車両は、駆動用モータと、前記駆動用モータに電力を供給する電力源とに冷媒を通流させる共通の冷媒流路と、前記冷媒流路に直列に接続され、前記冷媒を冷却する冷却器と、切り替え弁を介して前記冷却器と並列に前記冷媒流路に接続され、前記冷却器をバイパスするバイパス流路と、前記冷媒流路に設けられる冷媒ポンプと、前記切替え弁の切り替えと前記冷媒ポンプの始動停止を行う制御部と、を備える電動車両であって、前記制御部は、走行中に車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされた場合、前記切り替え弁をバイパス流路側に切り替えると共に、前記冷媒ポンプを始動する再始動手段を備えること、を特徴とする。

本発明の電動車両において、前記再始動手段は、前記冷媒ポンプの始動後、第１の所定時間経過後に前記切り替え弁をバイパス流路側と冷却器側とに前記冷媒を流す中間位置に切り替えること、としても好適であるし、前記再始動手段は、前記切り替え弁を中間位置に切り替えた後、第２の所定時間経過後に前記切り替え弁を冷却器側に切り替えること、としても好適である。

また、本発明の電動車両において、前記再始動手段は、走行中に前記車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされるまでの時間に応じて前記第１、第２の所定の時間を変化させること、としても好適であるし、前記再始動手段は、走行中に前記車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされるまでの時間が長いほど前記第１、第２の所定の時間を長くすること、としても好適であるし、車速を検出する車速センサを有し、前記制御部の前記再始動手段は、前記車両始動スイッチがオフにされた際の前記車速センサによって検出した車速が大きいほど、前記第１、第２の所定の時間を長くすること、としても好適である。

本発明は、電動車両において、冷却器の損傷を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における電動車両の構成を示す系統図である。本発明の実施形態における電動車両の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における電動車両の冷媒の流れを示す説明図である。本発明の実施形態における電動車両の冷媒の流れを示す説明図である。本発明の実施形態における電動車両の他の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態における電動車両の車両始動スイッチのオフ−オン間の時間と第１、第２の所定時間との関係を示すグラフである。本発明の実施形態における電動車両の車両始動スイッチオフの際の車速と第１、第２の所定時間との関係を示すグラフである。

以下、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に示すように、本実施形態の電動車両１００は、電動車両１００を駆動するための駆動用モータであるモータジェネレータ１１と、図示しないバッテリの直流電力をモータジェネレータ１１駆動用の交流電力に変換する電力源であるインバータ１２と、モータジェネレータ１１と電力源であるインバータ１２に冷媒を通流させる冷媒流路２０とを備えている。モータジェネレータ１１、インバータ１２はそれぞれ内部に冷媒を通流させる内部流路を有している（図示せず）。冷媒流路２０には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ１４と、冷媒を貯留するリザーバタンク１３が設けられている。冷媒流路２０は、インバータ入口管２１、リザーバタンク入口管２２、冷媒ポンプ入口管２３、モータジェネレータ入口管２４、モータジェネレータ出口管２５、及び、インバータ１２、モータジェネレータ１１の内部流路、リザーバタンク１３、冷媒ポンプ１４を含む。

インバータ入口管２１とモータジェネレータ出口管２５の一端には、それぞれ切り替え弁１６，１８が取り付けられている。切り替え弁１６，１８は、三方弁で、それぞれインバータ入口管２１とモータジェネレータ出口管２５の接続端以外に２つの接続端を備えている。切り替え弁１６，１８の各一つの接続端には、ラジェータ入口管１５ｂ、ラジェータ出口管１５ｃを介して冷媒を冷却する冷却器であるラジェータ本体１５ａが接続されている。ラジェータ本体１５ａ，ラジェータ入口管１５ｂ、ラジェータ出口管１５ｃは冷却器であるラジェータ１５を構成する。また、他の各接続端の間には、ラジェータ１５と並列となるようにバイパス管３０が接続されている。各切り替え弁１６，１８には内部に設けられた各弁体を移動させて内部流路をラジェータ側とバイパス管側とに切り替えるアクチュエータ１７，１９が取り付けられている。

電動車両１００は、モータジェネレータ１１やインバータ１２を制御する制御部５０を備えている。制御部５０は、内部に信号処理のためのＣＰＵとメモリとを含むコンピュータである。制御部５０には、モータジェネレータ１１、インバータ１２、冷媒ポンプ１４、各アクチュエータ１７，１９が接続されており、各機器は制御部５０からの指令により動作するように構成されている。なお、図１において一点鎖線は信号線を示す。

また、電動車両１００には、車速を検出する車速センサ３１が取り付けられている。車速センサ３１は、制御部５０に接続され、制御部５０は、車速データを取得できるように構成されている。電動車両１００は、車両始動スイッチ３２をオンにするとインバータ１２やモータジェネレータ１１によって車両を駆動することができる状態となり、制御部５０の指令によって冷媒ポンプ１４が始動可能な状態となる。そして、車両始動スイッチ３２をオフにすると、インバータ１２が停止してモータジェネレータ１１を駆動できなくなると共に、冷媒ポンプ１４も停止し、電動車両１００が駆動できない状態となる。

車両始動スイッチ３２がオンとなって電動車両１００が始動すると、冷媒ポンプ１４も始動し、冷媒を冷媒流路２０とラジェータ１５とに循環させてインバータ１２、モータジェネレータ１１を冷却する。この場合、切り替え弁１６，１８はそれぞれ、ラジェータ１５側に切り替えられている。図１において、各切り替え弁１６，１８のバイパス管側を黒塗り三角とし、ラジェータ側を白抜き三角としているのは、切り替え弁１６，１８の内部の弁体がバイパス管３０側に切り替えられており、バイパス管３０には冷媒が流れず、冷媒はすべてラジェータ１５に流れることを示している。インバータ１２、モータジェネレータ１１の熱を吸収して温度の上昇した冷媒は、図１の矢印に示すように、ラジェータ１５によって冷却され、冷媒流路２０を循環している。

以上のように構成された電動車両１００が走行中に車両始動スイッチ３２がオフとされた後にオンとされた場合の動作について図２のフローチャートを参照しながら説明する。

図２のステップＳ１０１に示すように、電動車両１００が走行中は、制御部５０は、図１に示す車速センサ３１によって車速を取得し、図２のステップＳ１０２に示すように、車速が０（ｋｍ／ｈｒ）を超えているかどうかを判断する。そして、制御部５０は、車速が０（ｋｍ／ｈｒ）以上であれば、電動車両１００は走行中であると判断する。次に、制御部５０は、図２のステップＳ１０３に示すように、走行中はオン（Ready on）となっている車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされたかどうかを判断する。車両始動スイッチ３２がオン（Ready on）の場合には、車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされるまで待機する。そして、制御部５０は、車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされた場合には、電動車両１００が走行中に車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされたと判断し、図２に示すステップＳ１０４に進み、車両始動スイッチ３２がオン（Ready on）とされるまで待機する。そして、図２のステップＳ１０４に示すように、車両始動スイッチ３２がオン（Ready on）とされたら、図２に示すステップＳ１０５に進み、切り替え弁１６，１８をバイパス側とする指令を出力する。この指令によって各切り替え弁１６，１８の各アクチュエータ１７，１９が動作し、内部に設けられた各弁体を移動させて内部流路をバイパス管側に切り替える。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０６に示すように、冷媒ポンプ１４を始動する。

このように、各切り替え弁１６，１８をそれぞれバイパス側として冷媒ポンプ１４を始動すると、図３に示すように、冷媒はラジェータ１５を通らず、バイパス管３０を通って冷媒流路２０を循環する。走行中に車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされると、インバータ１２では、スイッチング素子の温度が高い状態で冷媒の流れが停止してしまうので、インバータ１２の内部の流路に滞留した冷媒の温度は高温となっている。また、車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされても電動車両１００は惰性で走行を続ける。このため、電動車両１００の惰性走行によってモータジェネレータ１１が回転し、モータジェネレータ１１が発熱する。この熱は、モータジェネレータ１１の内部の流路に滞留した冷媒の温度を上昇させる。一方、インバータ入口管２１、インバータ１２とモータジェネレータ１１との間のリザーバタンク１３、リザーバタンク入口管２２、冷媒ポンプ１４、モータジェネレータ入口管２４、モータジェネレータ出口管２５、バイパス管３０の内部に滞留している冷媒の温度は車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされた状態からほとんど変化せず、インバータ１２やモータジェネレータ１１の内部の流路に滞留した冷媒のように温度が上昇していない。このため、冷媒ポンプ１４を始動して、図３に示すように、ラジェータ１５をバイパスして冷媒を循環させると、インバータ１２やモータジェネレータ１１の内部の流路に滞留した温度の高い冷媒とその他の部分に滞留していた温度の高くなっていない冷媒とが、例えば、リザーバタンク１３の中や、冷媒流路２０の各配管２１，２２，２３，２４，２５、バイパス管３０の中で混合され、冷媒全体の温度が均一化される。そして、冷媒の温度は全体として車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされた状態の冷媒温度から少し温度の高い冷媒となってくる。

このように、冷媒が混合して均一な温度になるまでには、一定の時間が必要となる。制御部５０は、図２のステップＳ１０７に示すように、第１の所定時間だけバイパス管３０にだけ冷媒を流し、ラジェータ１５に冷媒を流さない運転を継続する。この第１の所定時間は、ラジェータ１５の容量或いは、冷媒ポンプ１４の吐出容量等によって決めることができる。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０７に示すように、第１の所定の時間が経過したら、図２のステップＳ１０８に示すように、各切り替え弁１６，１８を中間位置とする指令を出力する。ここで、中間位置とは、内部に設けられた各弁体の位置が冷媒をバイパス管３０にもラジェータ１５にも流すことのできる位置となっていることを意味し、図４に示すように、各切り替え弁１６，１８はバイパス管３０とラジェータ１５とに冷媒を流すことができる。バイパス管３０とラジェータ１５との冷媒の流量割合は適宜決定することができ、例えば、それぞれに流れる冷媒の流量を等しくしてもよいし、最初はバイパス管３０の流量を多くして、次第にラジェータ１５の流量を多くするようにアクチュエータ１７，１９を動作させるようにしてもよい。図４において、各切り替え弁１６，１８のバイパス管側、ラジェータ側をハッチングとしているのは、切り替え弁１６，１８の内部の弁体が中間位置にあり、バイパス管３０、ラジェータ１５の両方に冷媒が流れることを示している。

そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０９に示すように、切り替え弁１６，１８を中間位置としてから第２の所定の時間が経過するまで待機する。この第２の所定の時間は、ラジェータ１５の中の冷媒の温度を次第に温度の高い冷媒流路２０やバイパス管３０の中の温度の高い冷媒に置換、混合する時間であって、冷媒流路２０やインバータ１２、モータジェネレータ１１の内部流路の容量や冷媒ポンプ１４の流量等によって適宜決めてよい時間である。

そして、制御部５０は、第２の所定の時間が経過したら、図２のステップＳ１１０に示すように、各切り替え弁１６，１８をラジェータ側に切り替える。すると、冷媒は、図１に示すように、インバータ１２、リザーバタンク１３、冷媒ポンプ１４、モータジェネレータ１１、ラジェータ１５を循環し、インバータ１２、モータジェネレータ１１によって温度の上昇した冷媒はラジェータ１５によって冷却された後、再びインバータ１２、モータジェネレータ１１に流れ込む。

以上説明した実施形態では、走行中に車両始動スイッチ３２がオフにされ、その後走行中又は、車両が停止後にオンとされた場合に、冷媒がラジェータ１５をバイパスして流れるように切り替え弁１６，１８を切り替えるので、残熱等で温度の高くなったインバータ１２やモータジェネレータ１１の内部に滞留している冷媒が一気にラジェータ１５に流入することを抑制することができるので、ラジェータ１５の熱衝撃を緩和し、ラジェータ１５の損傷を抑制することができる。

次に、図５から図７を参照しながら、本発明の電動車両１００の他の動作について説明する。本動作は、図５のステップＳ２０４に示すように、制御部５０は、走行中に車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされた場合に、タイマをスタートさせ、次に車両始動スイッチ３２がオン（Ready on）とされると図５のステップＳ２０７に示すようにタイマを停止させ、車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされてからオン（Ready on）されるまでの間の時間を取得する。また、制御部５０は、図５のステップＳ２０５に示すように車両始動スイッチ３２がオフ（Ready off）とされた際の電動車両１００の車速を車速センサ３１から取得する。そして、制御部５０は、図６、図７に示すように、車両始動スイッチ３２をオフしてからオンするまでの時間が長い場合、或いは車両始動スイッチ３２をオフする際の車速が大きい場合には、第１、第２の所定の時間を長くするようにする。このようにすることで、車両始動スイッチ３２をオフしてからオンするまでの時間が長い場合にインバータ１２の残熱或いはモータジェネレータ１１の発熱によってそれぞれの内部の流路に滞留している冷媒の温度の上昇が大きくなって、バイパス管３０を通して冷媒を流すことによる冷媒温度の均一化に時間がかかる場合であっても第１、第２の時間を長くしているので、効果的にラジェータ１５の熱衝撃を抑制することができる。また、電動車両１００が高速で走行している場合に、車両始動スイッチ３２をオフした場合もインバータ１２の余熱やモータジェネレータ１１の発熱が大きくなるが、この場合も同様に第１、第２の時間を長くしているので、効果的にラジェータ１５の熱衝撃を抑制することができる。

なお、以上説明した実施形態では、バイパス管３０は、２つの切り替え弁１６，１８を介して冷媒流路２０に接続されていることとして説明したが、冷媒の流れの上流側の切り替え弁１８のみを有し、冷媒の流れの下流側の切り替え弁１６を設けないように構成してもよい。この場合も先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。また、冷媒の流れの下流側の切り替え弁１６のみを有するようにしても同様である。

１１モータジェネレータ、１２インバータ、１３リザーバタンク、１４冷媒ポンプ、１５ラジェータ、１５ａラジェータ本体、１５ｂラジェータ入口管、１５ｃラジェータ出口管、１６，１８切り替え弁、１７，１９アクチュエータ、２０冷媒流路、２１インバータ入口管、２２リザーバタンク入口管、２３冷媒ポンプ入口管、２４モータジェネレータ入口管、２５モータジェネレータ出口管、３０バイパス管、３１車速センサ、３２車両始動スイッチ、５０制御部、１００電動車両。

Claims

駆動用モータと、前記駆動用モータに電力を供給する電力源とに冷媒を通流させる共通の冷媒流路と、
前記冷媒流路に直列に接続され、前記冷媒を冷却する冷却器と、
切り替え弁を介して前記冷却器と並列に前記冷媒流路に接続され、前記冷却器をバイパスするバイパス流路と、
前記冷媒流路に設けられる冷媒ポンプと、
前記切替え弁の切り替えと前記冷媒ポンプの始動停止を行う制御部と、
を備える電動車両であって、
前記制御部は、
走行中に車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされた場合、前記切り替え弁をバイパス流路側に切り替えると共に、前記冷媒ポンプを始動する再始動手段を備えること、
を特徴とする電動車両。
請求項１に記載の電動車両であって、
前記再始動手段は、前記冷媒ポンプの始動後、第１の所定時間経過後に前記切り替え弁をバイパス流路側と冷却器側とに前記冷媒を流す中間位置に切り替えること、
を特徴とする電動車両。
請求項２に記載の電動車両であって、
前記再始動手段は、前記切り替え弁を中間位置に切り替えた後、第２の所定時間経過後に前記切り替え弁を冷却器側に切り替えること、
を特徴とする電動車両。
請求項２または３に記載の電動車両であって、
前記再始動手段は、走行中に前記車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされるまでの時間に応じて前記第１、第２の所定の時間を変化させること、
を特徴とする電動車両。
請求項４に記載の電動車両であって、
前記再始動手段は、走行中に前記車両始動スイッチがオフにされた後にオンにされるまでの時間が長いほど前記第１、第２の所定の時間を長くすること、
を特徴とする電動車両。
請求項４または５に記載の電動車両であって、
車速を検出する車速センサを有し、
前記制御部の前記再始動手段は、前記車両始動スイッチがオフにされた際の前記車速センサによって検出した車速が大きいほど、前記第１、第２の所定の時間を長くすること、
を特徴とする電動車両。