JPH11235925A - 電気自動車用空調機駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイブリッド車にあって空調機の圧縮機を熱
負荷に応じて高効率運転をするようにした電気自動車用
空調機制御装置を提供する。 【解決手段】 エンジン２２と駆動用モータとで駆動さ
れるハイブリッド車にあって、室内熱交換器２９と室外
熱交換器３３との間の冷媒ループＡを制御するものにあ
って、冷媒ループＡの圧縮機３６は、圧縮機用モータ３
７とエンジン２２とのいずれかの回転力を選択的に連結
する連結機構と変速機６６有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車、特に
エンジンとモータとにより駆動されるハイブリッド車に
あって、空調機の冷媒ループの圧縮機を小容量とし熱負
荷に応じて高効率にて運転するようにした電気自動車空
調機駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、開発されている電気自動車のう
ち、エンジン駆動とモータ駆動とを使用するハイブリッ
ド車にあっては、モータ駆動の場合にはエンジンを停止
しまたエンジン駆動の場合にはモータを停止するという
駆動方式を採用する。殊に、高効率駆動のためにはアイ
ドリング時等の低回転数域ではモータ駆動、高回転数域
にてエンジン駆動を行なっている。

【０００３】他方、車両には一般に車室の空調機が備え
られ、室内熱交換器と室外熱交換器とを冷媒ループにて
つなぎ、冷媒の相変化を利用したヒートポンプとして車
室内の冷暖房を行なうという空調機が備えられる。この
場合、冷媒ループには圧縮機が必要であり、動力により
圧縮機を駆動する必要が生ずる。

【０００４】しかしながら、この圧縮機の駆動について
は、現在のところ上述のハイブリッド車にあっても、従
来のガソリン車等と同様のエンジンによる駆動の域を出
ず、低速域でのモータ駆動時にあっても圧縮機の駆動
は、効率の悪いエンジン駆動によっているという状況で
ある。

【０００５】このため、本出願人は、高効率の圧縮機駆
動のため圧縮機用モータとエンジンとを用いて低速域で
は圧縮機用モータにて圧縮機を駆動させ高速域ではエン
ジンにて圧縮機を駆動させることにより、高効率の圧縮
機運転を行なうという提案をした。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧縮機
の高効率運転を行なって圧縮機の小容量化を図ったとこ
ろ、更なる改良として車室内の熱負荷に応じた圧縮機の
運転に対しても、高効率化が俎上にのせられた。

【０００７】従来にあっては、熱負荷に応じた圧縮機の
運転は、一般に次のような手段がある。 （運転台数制御方式）例えば、能力１の圧縮機と能力
０．５の圧縮機との２台を用いてこれら２種の圧縮機を
適宜運転又は停止することにより、圧縮機の運転台数を
制御して熱負荷に対応させようとする方式である。しか
し、この方式は圧縮機の占有面積が増大し、高コストに
なるという問題がある。

【０００８】（バイパス方式）圧縮機による吐出圧縮ガ
スを冷媒ループに回すことなく圧縮機の吸入側にバイパ
スさせ、いわゆる漏れを生ぜしめることで、熱負荷に対
応させようとするものである。この方式は一旦圧縮した
ガスを漏らすので、圧縮動力が低減せず効率がきわめて
悪いという問題がある。

【０００９】（スクロールバイパス方式）スクロール圧
縮機等においては、圧縮途中のガスを吸入側にバイパス
する吸入バイパスの能力制御が行なわれるが、吸入ガス
バイパス方式特有の吐出ガス温度上昇やバイパス開始ま
での圧縮に要した動力の損失が生ずる。

【００１０】本発明は、上述の問題点に鑑み、ハイブリ
ッド車にあって冷媒ループを構成する圧縮機を熱負荷に
応じて高効率で運転すると共に低コストにて得るように
した電気自動車用空調機駆動装置を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。 （１） 第１の発明は、エンジンと駆動用モータとで駆
動されるハイブリッド車にあって車室内の室内熱交換器
と室外熱交換器との間で冷媒ループを有するものにおい
て、上記冷媒ループの圧縮機は、上記エンジンと圧縮機
用モータとに選択的に連結される連結機構を有すると共
に、変速機を有することを特徴とする。

【００１２】（２） 第２の発明は、第１の発明にあっ
て、上記変速機の変速比は等比となるように備えたこと
を特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】ここで、図１〜図８を参照して本
発明の実施の形態の一例を説明する。図１は、ハイブリ
ッド車における熱システムのレイアウトを示す平面図で
ある。図１に示すハイブリッド車２１は所謂パラレル式
のハイブリッド車であり、車両後部にはエンジン２２が
搭載され、車両前部には駆動用モータ等からなるドライ
ブユニット２３が搭載されている。また、車両後部には
トランスミッション３８、バッテリ２４及び発電機２５
が搭載され、車両前部にはインバータ２６が搭載されて
いる。

【００１４】従って、このハイブリッド車２１では、後
輪２７はトランスミッション３８を介してエンジン２２
により回転駆動され、前輪２８はドライブユニット２３
により回転駆動される。ドライブユニット２３の駆動用
モータは、バッテリ２４からインバータ２６を介して電
力が供給されると共に、このインバータ２６等によって
回転速度等が制御されるようになっている。また、エン
ジン２２の作動時には、発電機２５がエンジン２２によ
り回転駆動されて発電し、この発電電力がバッテリ２４
に供給されて充電されると共にインバータ２６を介して
駆動用モータにも供給されるようになっている。

【００１５】また、このハイブリッド車２１には、図１
に示すように熱システムの各コンポートネントが次のよ
うに配置されている。

【００１６】車室の冷暖房を行なう車両用空調装置の冷
媒ループ内において、室内熱交換器２９、ヒータコア３
０及びブロア（モータ駆動）３１は、車室３２の前方に
配置されている。そして、車両用空調装置の室外熱交換
器３３は車両走行時に負圧となる車両側面後部に沿って
配置されており、排気孔３５は車両側面後部に設けられ
ている。また、室外熱交換器３３の内側には、モータ３
４ａによって回転駆動される送風機３４が配置されてい
る。従って、送風機３４により室外熱交換器３３に送風
された空気は、排気孔３５から車両側面後部の外側に排
出される。なお、送風機３４による空気の吸入方向は、
暖房運転時にエンジン２２やバッテリ２４等の排熱を有
効に利用するため、暖房運転時と冷房運転時とで切り換
えるようになっている。

【００１７】更に、図１にあって、車両用空調装置の圧
縮機３６はエンジン２２の近傍に配置されており、エン
ジン２２や圧縮機用モータ３７によって選択的に回転駆
動される。この構造等については詳細に後述する。

【００１８】また、冷媒ループではないが、冷却水ルー
プが別に備えられており、車両後部には、エンジン用ラ
ジエータ（熱交換器）３９が配置されると共に、このエ
ンジン用ラジエータ３９に隣接して送風機４０（モータ
４０ａによって回転駆動される）が配置されている。車
両前部には、電気機器用ラジエータ（熱交換器）４１と
バッテリ用ラジエータ（熱交換器）４２とが隣接して配
置されると共に、バッテリ用ラジエータ４２に隣接して
送風機４３（モータ４３ａによって回転駆動される）が
配置されている。また、車両後端には、モータ４５によ
って開閉するシャッタ４４が設けられている。

【００１９】図２は熱システムの系統図を示している。
図２中、太線は冷媒ループ、細線は冷却水（ロングライ
フクーラント（ＬＬＣ）等）ループである。

【００２０】車両用空調装置の冷媒ループＡは、ヒート
ポンプとして作用するものであり、四方弁５１によって
冷媒の流路を切り換えることにより、冷房運転時と暖房
運転時とを行うようになっている。

【００２１】即ち、冷房運転時には、冷媒が圧縮機３
６、四方弁５１、室外熱交換器３３、絞り弁５２、室内
熱交換器２９、四方弁５１、アキュムレータ５３、圧縮
機３６の順に流れる。このときには室内熱交換器２９が
吸熱器（エバポレータ）、室外熱交換器３３が放熱器
（コンデンサ）となり、車室３２内は冷房される。一
方、暖房運手時には、冷媒が圧縮機３６、四方弁５１、
室内熱交換器２９、絞り弁５２、室外熱交換器３３、四
方弁５１、アキュムレータ５３、圧縮機３６の順に流れ
る。このときには室外熱交換器３３が吸熱器（エバポレ
ータ）、室内熱交換器２９が放熱器（コンデンサ）とな
り、車室３２内が暖房される。

【００２２】冷却水ループとしては、エンジン冷却水ル
ープＢ、バッテリ冷却水ループＣ及び電気機器冷却水ル
ープＤが設けられている。

【００２３】これらのうち、エンジン冷却水ループＢで
は、ポンプ５４によってエンジン冷却水が主にエンジン
２２とエンジン用ラジエータ３９との間で循環すると共
に、エンジン冷却水の一部が、絞り弁５５を介して車両
用空調装置のヒータコア３０にも流れ、且つ、絞り弁５
６を介してバッテリ暖機用熱交換器５７にも流れるよう
になっている。なお、エンジン２２からエンジン用ラジ
エータ３９までのエンジン冷却水通路には、絞り弁５６
及びバッテリ暖機用熱交換器５７をバイパスする別の絞
り弁６５が設けられており、この絞り弁６５と絞り弁５
６との間の流量調節を行うことよってバッテリ暖機用熱
交換器５７での放熱調節が可能となっている。

【００２４】バッテリ冷却水ループＣでは、バッテリ２
４を冷却する場合と暖機する場合とでバッテリ冷却水の
流れが切り換えられる。即ち、バッテリ２４を冷却する
場合には、バッテリ用ラジエータ４２をバイパスする絞
り弁５８は閉じ且つ絞り弁５９は開けた状態で、ポンプ
６０によってバッテリ冷却水がバッテリ２４とバッテリ
用ラジエータ４２との間で循環する。なお、このときに
は絞り弁５６を閉じてエンジン冷却水がバッテリ暖機用
熱交換機５７に流れないようにする。一方、バッテリ２
４を暖機する場合には、絞り弁５６を開けてエンジン冷
却水がバッテリ暖機用熱交換機５７に流れるようにする
と共に絞り弁５８を開け且つ絞り弁５９を閉じた状態
で、ポンプ６０によってバッテリ冷却水が、バッテリ用
ラジエータ４２をバイパスし、バッテリ２４とバッテリ
暖機用熱交換機５７との間で循環する。なお、バッテリ
暖機用熱交換器５７の放熱調整は、絞り弁５６と絞り弁
６５との間の流量調節によって行われる。

【００２５】電気機器冷却水ループＤでは、ポンプ６２
によって電気機器冷却水が各種の電気機器（ドライブユ
ニット等）６１と電気機器用ラジエータ４１との間で循
環する。

【００２６】このようにして、車両用空調装置では室内
熱交換器２９（冷媒ループＡ）による冷暖房及びエンジ
ン冷却水（ヒータコア３０）による暖房が行われ、エン
ジン冷却水ループＢではエンジン冷却、バッテリ冷却水
ループＣではバッテリ冷却及びエンジン冷却水によるバ
ッテリ暖機、電気機器冷却水ループＤでは電気機器冷却
が行われることになる。

【００２７】さて、このような熱システムを有する本例
にあって、冷媒ループＡの圧縮機３６は、図１に示すよ
うにエンジン２２と圧縮機用モータ３７とによって選択
的に駆動される。すなわち、図３に示すように圧縮機用
モータ３７の回転軸に備えられたプーリ３７ａ及びエン
ジン２２の回転軸に備えられたプーリ２２ａは、ベルト
を介して圧縮機３６の回転軸に備えた２段クラッチ３６
１に連結されており、２段クラッチ３６１の切換えによ
って圧縮機３６はエンジン２２によって駆動されまた圧
縮機用モータ３７によって駆動される。

【００２８】ここで、２段クラッチ３６１の概要を図４
にて示す。エンジン２２からの回転力と圧縮機用モータ
３７からの回転力を選択的に圧縮機３６の軸に伝達させ
るため、圧縮機３６のシャフト３６２に対してエンジン
２２からのベルトが嵌まるプーリ３１３及び圧縮機用モ
ータ３７からのベルトが嵌まるプーリ３６４が存在し、
シャフト３６２に対して各プーリ３６３，３６４は軸受
３６５，３６６により独立して回転可能に備えられ、そ
れぞれの励磁コイル３６７，３６８の通電にてアーマチ
ャ３６９，３７０が軸方向に動くようになっている。

【００２９】すなわち、板バネ３７１，３７２にてハブ
３７３，３７４側に片寄るアーマチャ３６９，３７０
は、励磁コイル３６７，３６８の通電にて発生した磁力
によりプーリ３６３，３６４に押し付けられる。図４
中、半截した上側はアーマチャ３６９，３７０がプーリ
３６３，３６４に押付けられた状態、下側はアーマチャ
３６９，３７０がプーリ３６３，３６４に対してフリー
となった状態を示す。この結果、励磁コイル３６７，３
６８の励磁にてアーマチャ３６９，３７０がプーリ３６
３，３６４と一体となり、アーマチャ３６９，３７０に
連結されたシャフト３６２を回転可能とさせ、非励磁で
は板バネ３７１，３７２にてアーマチャ３６９，３７０
がプーリ３６３，３６４と離れてプーリ３６３，３６４
に対してシャフト３６２がフリーの状態となる。こうし
て、励磁コイル３６７又は３６８の励磁にてプーリ３６
３又は３６４がアーマチャ３６９又は３７０を介してシ
ャフト３６２に選択的に連結される。

【００３０】上述のようにして圧縮機３６は、エンジン
２２と圧縮機用モータ３７とのそれぞれの回転力にて、
選択的に駆動されるが、この駆動に当っては、モータと
エンジンとの効率の良い駆動を利用するために、図５に
示すような特徴に沿う制御を行なう。つまり、エンジン
２２の特性としては、アイドリング時等の低回転数域
（低速域）にて効率が悪く、他方高速域にて高効率とな
る。他方、駆動モータは低回点数にて高効率特性を示
す。したがって、車両の駆動について、低速域にて駆動
モータを運転し、高速になった場合エンジン駆動に切換
わるようになっている。これと同様に、低速にて駆動モ
ータとは別の圧縮機用モータ３７を駆動して圧縮機３６
を高速運転し、高速にてエンジン２２により圧縮機３６
を駆動すれば、常に高速高効率運転ができる。したがっ
て、圧縮機３６を常に高速回転することになるので、圧
縮機容量の小形化が図れる。また、高速域でのエンジン
駆動時の圧縮機の能力過剰程度も小さくなる。

【００３１】こうして、圧縮機３６の圧縮機用モータ３
７とエンジン２２とによる高効率運転ができるが、図３
に示す構成においては圧縮機３６の回転軸には更に変速
機６６が備えられている。この変速機６６は、熱負荷つ
まり車室の温度状況に応じた空調制御を行なうためのも
ので、圧縮機３６の回転数を室内温度に応じて可変とす
るものである。このために、低速にてモータ駆動を行な
い高速にてエンジン駆動を行なう場合につき、それぞれ
最適な温度調節を行なうための圧縮機３６の回転数制御
を行なっている。

【００３２】ここで、変速機６６としては、無段階の変
速機例えば流体継手や摩擦車装置あるいは段階的に変速
する変速歯車装置や変速ベルト装置など汎用のものが用
いられ得る。したがって、圧縮機用モータ３７やエンジ
ン２２による高効率運転にあって、変速機６６による可
変速により熱負荷に応じた圧縮機３６の運転が可能とな
る。

【００３３】なお、ここで変速機６６による変速比は、
車室内の熱負荷ひいては圧縮機３６の容量との関係にて
等比にするのが良い。すなわち、図６は車室内の熱負荷
に対応した圧縮機３６の冷媒循環量Ｇ（kg/h）を縦軸
に、エバポレータの蒸発温度ＥＴ（℃）を横軸にとった
特性であり、凝縮温度ＣＴ（℃）及びエバポレータの吸
入空気温度Ｔａ（℃）をパラメータとしたときの特性を
示している。この図６から判明するように冷媒循環量Ｇ
に対する蒸発温度ＥＴは、凝縮温度ＣＴを一定とする
と、２次曲線的に変化し、凝縮温度ＣＴが上昇すると蒸
発温度ＥＴ特性の間隔すなわち冷媒循環量Ｇは、不等間
隔に低下するという特性を有する。

【００３４】また、吸込空気温度Ｔａ（℃）をパラメー
タとした場合、冷媒循環量Ｇ（kg/h）と蒸発温度ＥＴ
（℃）とは左下りの直線となり、エバポレータの吸込空
気温度Ｔａが上昇すると、冷媒循環量Ｇは不等間隔にて
上昇するという特性を有する。この結果、冷却負荷は、
吸込空気温度Ｔａと蒸発温度ＥＴとの温度差にて決ま
り、吸込空気温度Ｔａが高くなると大きくなるという特
性となっている。

【００３５】以上の結果、冷媒循環量Ｇの凝縮温度ＣＴ
及び蒸発温度ＥＴ特性は非線形であるという特色を有
し、冷媒循環量Ｇは圧縮機３６の冷媒吐出量であり回転
速度に対応するので、回転速度特性を非線形にすれば熱
負荷と一致する特性が得られる。つまり、温度制御を安
定化させることができる。

【００３６】この非線形特性と単純に近似する要求特性
としては等比変化があげられ、例えば複数断ｎの変速機
の場合にはＲ＝（１＋ｒ）ⁿ とするとき等比変化とな
る。ここで、Ｒは最大変速比、１＋ｒは変速比、ｎは変
速段数である。この場合、変速機が多段のものでも無段
のものでも等比変化とするように設定され、多段ではｎ
＝３〜４が一般的な範囲であり、１＋ｒ＝２が実用的な
比である。すなわち、（２）⁴ ，（２）³ ，（２）² ，
（２）¹ 換言すれば、１６，８，４，２というような等
比にて変速を行なうのがよく、例えば４段では実際上１
００，５０，２５，１２.5のような比となる。このこと
は、例えば等差比、１００，７５，５０，２５のような
比のように変化が少ない１００，７５，５０のような箇
所はなく全般にわたって同じ比率で変化し、圧縮機とし
て明確な回転数変化となって現われ、翻えって圧縮機の
容量変化範囲を広くすることができる。

【００３７】このような圧縮機の等比変化は、低速のモ
ータ駆動、変速のエンジン駆動双方共必要であるが、特
にエンジン駆動の場合には、エンジン回転数の変化が大
きくしかも極端な減速が必要なことからも極めて有用で
ある。

【００３８】図３の構成は、圧縮機モータ３７の回転力
とエンジン２２の回転力とを２段クラッチ３６１にて選
択的に伝達するものであるが、図７の構成は、エンジン
２２の回転軸にクラッチ２２１を備え、このクラッチ２
２１と圧縮機モータ３７の回転軸のプーリ３７ｂをベル
トにてつなぎ、更に圧縮機モータ３７の回転軸のプーリ
３７ｃを圧縮機３６のプーリ３６ａにつなげたもので、
エンジン２２のクラッチ２２１の入切によって、エンジ
ン２２の回転力を圧縮機用モータ３７の回転軸（この場
合は空回りをする）を介して圧縮機３６に伝達したり、
圧縮機用モータ３７の回転力のみを圧縮機３６に伝達す
るようにしている。かかる構成によってもエンジン２２
の回転力と圧縮機モータ３７の回転力を選択的に圧縮機
に伝達でき、しかも変速機６６にて熱負荷に応じた回転
数とすることができる。

【００３９】更に、図８に示す構成は、クラッチの代り
に遠心力スイッチを備えた例を示している。つまり、エ
ンジン２２及び圧縮機用モータ３７のそれぞれの回転軸
に遠心力スイッチ２２ｓ，３７ｓを備え、各回転軸の回
転にて遠心力が働くとスイッチが入ることで回転軸にプ
ーリ２２ａ，３７ａが連結されるもので、エンジン２２
の駆動あるいは圧縮機用モータ３７の駆動に伴って、回
転力がプーリ３６ｂ，３６ｃを介して圧縮機３６に伝達
されるものである。この場合も、エンジン２２あるいは
圧縮機用モータ３７の選択的な駆動により、いずれかの
回転力を圧縮機３６に伝達することができ、変速機６６
にて熱負荷に応じた回転数とすることができる。なお、
遠心力スイッチ３７ｓ，２２ｓは各個独立して切り換え
られればよいので、代わりに電磁クラッチを用いても独
立して切り換えることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
の効果を有する。 （１） 第１の発明では、エンジンと駆動用モータとで
駆動されるハイブリッド車にあって車室内の室内熱交換
器と室外熱交換器との間で冷媒ループを有するものにお
いて、上記冷媒ループの圧縮機は、上記エンジンと圧縮
機用モータとに選択的に連結される連結機構を有すると
共に、変速機を有することを特徴とすることにより、圧
縮機を高効率で運転できると共に熱負荷に応じて圧縮機
容量を適切に変化することができ、かつ変速機の設置の
みにて低コストで済む。

【００４１】（２） 第２の発明では、第２の発明に加
えて、上記変速機の変速比が等比となるように備えたこ
とを特徴とすることにより、上述の効果に加え、冷媒ル
ープの特性に応じた容量制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるハイブリッド車における熱システ
ムの一例のレイアウトを示す平面図。

【図２】本発明によるハイブリッド車における熱システ
ムの一例の系統概略図。

【図３】圧縮機の駆動系の一例を示す構成図。

【図４】２段クラッチの断面構成図。

【図５】エンジン効率を現す特性線図。

【図６】冷媒循環量−蒸発温度の特性を示す線図。

【図７】圧縮機の駆動系の他の例を示す構成図。

【図８】圧縮機の駆動系のその他の例を示す構成図。

【符号の説明】

２２ エンジン ２９ 室内熱交換器 ３３ 室外熱交換器 ３６ 圧縮機 ３７ 圧縮機用モータ ２２ａ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６３，３６４，３
７ａ プーリ ２２１，３６１ クラッチ ６６ 圧縮機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンと駆動用モータとで駆動される
   バイブリッド車にあって車室内の室内熱交換器と室外熱
   交換器との間で冷媒ループを有するものにおいて、 上記冷媒ループの圧縮機は、上記エンジンと圧縮機用モ
   ータとに選択的に連結される連結機構を有すると共に、
   変速機を有することを特徴とする電気自動車用空調機駆
   動装置。
2. 【請求項２】 上記変速機の変速比は、等比となるよう
   に備えたことを特徴とする請求項１記載の電気自動車用
   空調機駆動装置。