JP2017088087A - 車両用冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、ウォータポンプの目標出力を算出するための圧力損失カーブを簡易に生成するための技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する車両用冷却システムは、ウォータポンプが所定の入力で駆動される場合の冷媒の水温及びウォータポンプの回転数に対する冷媒の圧力損失の関係を示すマップを記憶しており、ウォータポンプが所定の入力で駆動されている間に、当該マップを用いて、水温及び回転数から圧力損失ＰＡを算出し（Ｓ１６）、圧力損失ＰＡが算出された後に、ウォータポンプへの入力を停止し（Ｓ３０）、ウォータポンプへの入力停止後のウォータポンプの回転数から所定の入力でウォータポンプが駆動されている間の冷媒の流量ＦＡを算出し（Ｓ３４）、圧力損失ＰＡと流量ＦＡを用いて、圧力損失と流量との関係を示す圧力損失カーブを生成し（Ｓ４０）、圧力損失カーブに従って、目標出力を算出する（Ｓ５６）コントローラを備える。
【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、車両に搭載される機器を冷却するための車両用冷却システムに関する。

電気自動車に搭載されるインバータを冷却するための冷却システムが、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、冷媒を循環させるためのウォータポンプと、インバータに含まれる電力制御素子の温度を検出する温度センサの検出温度に基づいて冷媒の流量を算出し、当該流量に基づいてウォータポンプを駆動するための信号を生成する制御装置と、を含む冷却システムが開示されている。流量は、電力制御素子を一時的に発熱させ、その後、電力制御素子の発熱を低減させ、その間における温度センサの検出温度の低下度合に基づいて算出される。

特開２０１２−２０５４４８号公報

流量は、冷媒が循環する管路の圧力損失に影響される。特許文献１に開示の技術は、ウォータポンプを駆動するための信号の生成に圧力損失を考慮しておらず、当該信号により想定される流量と実際の流量との間に差が生じる場合がある。本明細書は、圧力損失を考慮してウォータポンプの目標出力を算出する技術を提供する。

本明細書が開示する車両用冷却システムは、管路内に冷媒を循環させるウォータポンプと、ウォータポンプを駆動させるための指令値をウォータポンプに供給するコントローラと、を備えている。コントローラは、ウォータポンプが所定の入力で駆動される場合の冷媒の水温及びウォータポンプの回転数に対する冷媒の圧力損失の関係を示すマップを記憶しており、ウォータポンプが所定の入力で駆動されている間に、マップを用いて、冷媒の水温と前記ウォータポンプの回転数から冷媒の圧力損失を算出し、この圧力損失が算出された後に、ウォータポンプへの入力を停止し、ウォータポンプへの入力停止後のウォータポンプの回転数から所定の入力でウォータポンプが駆動されている間の冷媒の流量を算出し、算出済みの圧力損失と算出済みの流量を用いて、管路の圧力損失と冷媒の流量との関係を示す圧力損失カーブを生成し、冷媒の水温から目標流量を算出し、圧力損失カーブに従って、目標流量に対する想定圧力損失を算出し、想定圧力損失に従って、ウォータポンプの目標出力を算出し、ウォータポンプを目標出力で駆動させるための指令値をウォータポンプに供給する。

この構成では、コントローラは、ウォータポンプを所定の入力で駆動させることによって、予め記憶されているマップから圧力損失を算出する。また、コントローラは、入力停止後のウォータポンプの回転数から流量を算出する。そして、コントローラは、算出済みの値を用いて、圧力損失カーブを生成する。この構成によれば、コントローラは、圧力損失カーブを用いて、目標流量に対して想定される圧力損失を算出することができる。これにより、圧力損失を考慮してウォータポンプの目標出力を算出することができる。また、上記の冷却システムは、圧力損失カーブを生成するために新たなセンサを必要としない。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。

ハイブリッド車の電力系のブロック図である。 実施例の車両用冷却システムを示すブロック図である。 ポンプコントローラが実行する処理を示すフローチャート図である。 圧力損失カーブを示す図である。

図面を参照して実施例の車両用冷却システムを説明する。先ず、図１を参照して、車両用冷却システム１００を搭載するハイブリッド車２００を説明する。図１は、ハイブリッド車２００のブロック図である。

ハイブリッド車２００は、走行用の駆動源として、モータ８とエンジン６を備えている。モータ８の出力トルクとエンジン６の出力トルクは、動力分配機構７で適宜に分配／合成されて出力される。動力分配機構７は、例えばプラネタリギアである。動力分配機構７は、エンジン６の出力軸及びモータ８の出力軸に接続されており、両出力軸から伝達される動力を、所定比率で分配／合成してデファレンシャルギヤ９を介して駆動輪９ａ、９ｂに伝達する。また、動力分配機構７は、エンジン６の出力軸から伝達される動力を分配し、モータ８の出力軸と駆動輪９ａ、９ｂに伝達する場合もある。この場合、モータ８は発電機として機能する。なお、図１では、本明細書の説明に要する部品だけを表しており、説明に関係のない部品は図示を省略していることに留意されたい。

モータ８は、システムメインリレー３及びインバータ４を介して、メインバッテリ２に接続されている。インバータ４は、メインバッテリ２の直流電力をモータ８の駆動に適した交流電力に変換する電力変換器である。メインバッテリ２の直流電力は、インバータ４により変換され、変換後の交流電力がモータ８に供給される。また、モータ８が発電機として機能する場合、インバータ４は、モータ８により発電される交流電力をメインバッテリ２の充電に適した直流電力に変換する。モータ８が発電した交流電力は、インバータ４により変換され、変換後の直流電力がメインバッテリ２に供給される。インバータ４は、直流電力と交流電力の相互の変換を実現するためのインバータ回路を含んでいる。インバータ回路は、複数のスイッチング素子により構成される。インバータ回路は、よく知られた技術であるので詳細な説明は省略する。また、複数のスイッチング素子は発熱するので、インバータ４は、複数のスイッチング素子を冷却するためのインバータクーラ（図１では不図示）を備える。

ハイブリッド車２００は、メインバッテリ２の他にサブバッテリ１２を備える。サブバッテリ１２は、ＤＣＤＣコンバータ１０を介してメインバッテリ２に接続されている。ＤＣＤＣコンバータ１０は、メインバッテリ２の出力電圧をサブバッテリ１２の充電に適した電圧まで降圧する。例えば、メインバッテリ２の出力電圧は３００Ｖであり、サブバッテリ１２の出力電圧は１２Ｖである。メインバッテリ２の電力は、ＤＣＤＣコンバータ１０により１２Ｖの電圧まで降圧され、降圧後の電力がサブバッテリ１２に供給される。

サブバッテリ１２は、メインバッテリ２の出力電圧より低い電圧（例えば、１２Ｖ）で駆動するデバイス群（通称「補機」と呼ばれる）と接続される。このデバイス群は、例えば、カーナビゲーション装置やルームランプ等である。また、後述する車両用冷却システム１００のウォータポンプ１４もサブバッテリ１２に接続されている。ウォータポンプ１４はサブバッテリ１２の電力により駆動する。

ハイブリッド車２００は、ポンプコントローラ５０と、ポンプコントローラ５０の上位コントローラであるＨＶコントローラ６０と、を備える。ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４を駆動させるための指令値を供給するコントローラである。ＨＶコントローラ６０は、ハイブリッド車２００に関係する情報を取得し、当該情報を利用して、システムメインリレー３の開閉、インバータ４、ＤＣＤＣコンバータ１０を制御するコントローラである。ハイブリッド車２００に関係する情報は、例えば、イグニションスイッチ（不図示）のＯＮ／ＯＦＦ情報、アクセル開度情報、車速情報等である。

図２を参照して、ハイブリッド車２００に搭載される車両用冷却システム１００を説明する。図２は、車両用冷却システム１００のブロック図である。車両用冷却システム１００は、ウォータポンプ１４、リザーブタンク１５、ラジエータ１６、インバータクーラ１７及びオイルクーラ１８と、それらを一巡する冷却パイプ１３を備える。リザーブタンク１５には、冷媒である冷却液８０が貯蔵されている。冷却液８０は、ウォータポンプ１４により圧送されて、冷却パイプ１３内を循環する。循環する冷却液８０により、インバータクーラ１７及びオイルクーラ１８が冷却される。冷却液８０は、例えばＬＬＣ（Long life Coolantの略）である。なお、冷却液８０は水等の他の液体でもよい。

インバータクーラ１７は、インバータ４に備えられている。インバータ４内の複数のスイッチング素子は、インバータクーラ１７により冷却される。オイルクーラ１８は、オイルポンプ９３の圧送によりオイル冷却パイプ９１内を循環するオイルによりモータ８と動力分配機構７を含むドライブトレイン１９を冷却する冷却装置である。即ち、モータ８や動力分配機構７は、オイル冷却パイプ９１を循環するオイルにより冷却される。

ウォータポンプ１４は、モータにより内部のインペラを回転させてその遠心力によりポンプ内の冷却液８０を送出する機能を有する。このモータへの入力電力は、ポンプコントローラ５０からの指令値に従って、ＰＷＭ（Pulse Width Modulationの略）制御される。ウォータポンプ１４は、モータをＰＷＭ制御するための制御基板を備えている。ポンプコントローラ５０からの指令値は、ＰＷＭのデューティ比である。ポンプコントローラ５０は、ＨＶコントローラ６０から情報を取得し、当該情報に従って算出するデューティ比をウォータポンプ１４の制御基板に供給することにより、ウォータポンプ１４を制御する。

車両用冷却システム１００は、インバータクーラ１７の温度を検出する温度センサ４１と、ウォータポンプ１４のモータの回転数を検出する回転センサ４２を備えている。温度センサ４１及び回転センサ４２は、ＨＶコントローラ６０に接続されている。ＨＶコントローラ６０は、温度センサ４１及び回転センサ４２から測定値を取得する。ＨＶコントローラ６０は、予め実験により特定されＨＶコントローラ６０に記憶されている数式を用いて、温度センサ４１の測定値を補正し、冷却液８０の水温を算出する。

図３を参照して、ポンプコントローラ５０が実行する処理について説明する。図３に示す処理は、ハイブリッド車２００のイグニションスイッチがＯＦＦからＯＮに切り替わる場合に、開始される。

Ｓ１０では、ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４のＨｉ駆動が可能か否かを判断する。具体的には、ポンプコントローラ５０は、ＨＶコントローラ６０から取得する車速情報を用いて、車速情報が示す車速が所定の時速（例えば、時速３０ｋｍ）以上である場合、Ｈｉ駆動が可能であると判断する。ウォータポンプ１４は、駆動時に騒音が発生する。所定の時速は、ウォータポンプ１４のＨｉ駆動時の騒音より、ハイブリッド車２００の走行に起因する騒音、例えば、ロードノイズ等が大きくなる程度の速度に設定される。これにより、ウォータポンプ１４がＨｉ駆動する場合に、ウォータポンプ１４の騒音による運転手の不快感が低減される。ここで、Ｈｉ駆動は、ウォータポンプ１４によって許容される最大の入力電力がウォータポンプ１４のモータに入力され、最大入力電力によりウォータポンプ１４が駆動する状態を示す。なお、ポンプコントローラ５０は、車速情報以外の情報を用いて、Ｈｉ駆動が可能か否かを判断してもよい。例えば、ポンプコントローラ５０は、エンジン６の回転数を用いて、Ｈｉ駆動が可能か否かを判断してもよい。

ウォータポンプ１４のＨｉ駆動が可能である判断される場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、ポンプコントローラ５０は、Ｓ１２に進む。Ｓ１２では、ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４にＨｉ駆動デューティを供給する。これにより、ウォータポンプ１４は、Ｈｉ駆動で駆動される。Ｈｉ駆動デューティは、ウォータポンプ１４をＨｉ駆動で駆動させるためのデューティ比である。一方、ウォータポンプ１４のＨｉ駆動が可能でないと判断される場合（Ｓ１０でＮＯ）、ポンプコントローラ５０は、Ｓ１０に戻る。

Ｓ１４では、ポンプコントローラ５０は、Ｓ１２でＨｉ駆動を開始してから所定の時間が経過した後に、ＨＶコントローラ６０からウォータポンプ１４の回転数Ｎ１と冷却液８０の水温Ｔ１を取得する。所定の時間は、ウォータポンプ１４の回転数が略一定となる程度の時間に設定される。略一定は、例えば、ウォータポンプ１４の回転数が一定又は一定と見なせる程度（例えば±５％）の変動幅内で変動することを示す。

Ｓ１６では、ポンプコントローラ５０は、圧力損失マップを用いて、回転数Ｎ１と水温Ｔ１からウォータポンプ１４がＨｉ駆動で駆動している間の圧力損失ＰＡを算出する。圧力損失マップは、ウォータポンプ１４がＨｉ駆動デューティで駆動される場合の冷却液８０の水温及びウォータポンプ１４の回転数に対する冷却パイプ１３を流れる冷媒の圧力損失の関係を示す。圧力損失マップは、ハイブリッド車２００の製造時に実験により得られる。ポンプコントローラ５０は、圧力損失マップを予め記憶している。

Ｓ２０では、ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４の停止が可能か否かを判断する。具体的には、ポンプコントローラ５０は、インバータ４からスイッチング素子の温度情報を取得し、この温度情報が示す温度が所定の温度以下である場合に、ウォータポンプ１４の停止が可能であると判断する。これにより、ウォータポンプ１４が停止することに起因してインバータ４が過熱することを防止できる。なお、ポンプコントローラ５０は、スイッチング素子の温度を示す温度情報以外の情報を用いて、ウォータポンプ１４の停止が可能か否かを判断してもよい。例えば、ポンプコントローラ５０は、モータ８及び動力分配機構７の温度を示す温度情報を用いてもよい。

ウォータポンプ１４の停止が可能であると判断される場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、ポンプコントローラ５０は、Ｓ３０に進む。一方、ウォータポンプ１４の停止が可能でないと判断される場合（Ｓ２０でＮＯ）、ポンプコントローラ５０は、Ｓ２２に進む。Ｓ２２では、ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４をＨｉ駆動で駆動される前の駆動状態に復帰させる。その後、ポンプコントローラ５０は、Ｓ１０に戻る。

Ｓ３０では、ポンプコントローラ５０は、ウォータポンプ１４への入力を停止させる。具体的には、ポンプコントローラ５０は、停止信号をウォータポンプ１４へ供給し、停止信号に従ってウォータポンプ１４にウォータポンプ１４のモータへの入力を停止させる。

Ｓ３２では、ポンプコントローラ５０は、Ｓ３０でウォータポンプ１４への入力を停止してから所定の時間が経過した後に、ＨＶコントローラ６０からウォータポンプ１４の回転数Ｎ２を取得する。所定の時間は、例えば、０．１から１秒の間に設定される。ウォータポンプ１４への入力停止後も、冷却液８０は、慣性により流れ続ける。回転数Ｎ２は、慣性により流れ続ける冷却液８０により回転するウォータポンプ１４の回転数である。

Ｓ３４では、ポンプコントローラ５０は、回転数Ｎ２からウォータポンプ１４がＨｉ駆動で駆動している間の流量ＦＡを算出する。一般に、ウォータポンプ１４の回転数と流量との間には正の相関関係にある。流量ＦＡは、具体的には、以下のように算出される。ポンプコントローラ５０は、回転数Ｎ２を用いてウォータポンプ１４への入力が停止されてから所定の時間が経過した後の流量を算出する。この流量は、流量ＦＡ以下である。ポンプコントローラ５０は、回転数Ｎ２から算出した流量に補正値を加えて、流量ＦＡを算出する。例えば、この補正値は、ウォータポンプ１４がＨｉ駆動で駆動している間の回転数Ｎ１から回転数Ｎ２まで低下する場合の勾配と補正値との関係を示すマップを用いて算出される。このマップは、ハイブリッド車２００の製造時に実験により得られ、ポンプコントローラ５０に予め記憶されている。

Ｓ４０では、ポンプコントローラ５０は、圧力損失ＰＡと流量ＦＡを用いて、冷却パイプ１３の圧力損失と冷却液８０の流量との関係を示す圧力損失カーブを生成する。圧力損失カーブは、一般に原点を通る二次曲線に近似することができる。原点以外の１点、即ち、圧力損失ＰＡと流量ＦＡを用いることにより、圧力損失カーブを生成することができる。図４に、圧力損失カーブの一例を示す。

Ｓ５０では、ポンプコントローラ５０は、現在の冷却液８０の水温Ｔ２をＨＶコントローラ６０から取得する。Ｓ５２では、ポンプコントローラ５０は、流量マップを用いて、目標流量ＦＴを算出する。流量マップは、冷却液８０の水温と目標流量との関係を示す。流量マップは、ポンプコントローラ５０に予め記憶されている。流量マップは、インバータクーラ１７の冷却性能等に従って、ハイブリッド車２００の製造時に設計される。

Ｓ５４では、ポンプコントローラ５０は、Ｓ４０で生成済みの圧力損失カーブに従って、Ｓ５２で算出済みの目標流量ＦＴに対する想定圧力損失ＰＳを算出する（図４を参照）。想定圧力損失は、冷却液８０が目標流量で流れると仮定する場合に想定される圧力損失である。

Ｓ５６では、ポンプコントローラ５０は、目標流量ＦＴと想定圧力損失ＰＳに従って、ウォータポンプ１４の目標出力を算出する。仮に、圧力損失を考慮せずに目標出力を算出する場合、冷却パイプ１３を実際に流れる冷却液８０の流量は、圧力損失により、目標流量ＦＴより低下する。Ｓ５６で算出する目標出力は、目標流量ＦＴに必要な出力に想定圧力損失ＰＳにより想定される損失分の出力を加えた出力である。

Ｓ５８では、ポンプコントローラ５０は、デューティマップを用いて、駆動デューティを算出する。デューティマップは、ポンプコントローラ５０に予め記憶されているマップであり、冷却液８０の水温及び目標出力に対する駆動デューティの関係を示すマップである。デューティマップは、ウォータポンプ１４の性能に従って、ハイブリッド車２００の製造時に設計される。駆動デューティは、ウォータポンプ１４を目標出力で駆動させるためのデューティ比である。

Ｓ６０では、ポンプコントローラ５０は、算出済みの駆動デューティをウォータポンプ１４に供給する。これにより、ウォータポンプ１４は目標出力で駆動し、冷却パイプ１３内には、目標出力に応じた目標流量ＦＴの冷却液８０が流れる。

本実施例の効果を説明する。上述したように、圧力損失カーブを生成するための圧力損失ＰＡは、圧力損失マップを用いて算出される（図３のＳ１６）。また、圧力損失カーブを生成するための流量ＦＡは、入力停止後のウォータポンプの回転数Ｎ２から算出される（図３のＳ３２）。即ち、圧力損失ＰＡと流量ＦＡは、新たなセンサ、例えば、圧力センサ、流量センサ等を車両用冷却システム１００に追加することなく、算出することができる。これにより、ウォータポンプ１４の目標出力を算出するための圧力損失カーブを簡易に生成することができる。

また、圧力損失カーブを用いることにより、圧力損失を考慮したウォータポンプ１４の目標出力を算出することができる。仮に、圧力損失を考慮しない場合、圧力損失による流量の低下を防止するために、必要以上の流量の冷却液８０を冷却パイプ１３に流すことが考えられる。圧力損失を考慮することにより、適切な流量の冷却液８０を冷却パイプ１３に流すことができる。これにより、ハイブリッド車２００の燃費向上に寄与し得る。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。冷却パイプ１３が、「管路」の一例である。デューティ比が、「指令値」の一例である。

最大入力電力が、「所定の入力」の一例である。例えば、ポンプコントローラ５０は、許容される最大の入力電力より小さく、ゼロより大きい所定の入力電力でウォータポンプが駆動される場合の圧力損失マップを記憶していてもよい。

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。

２：メインバッテリ
３：システムメインリレー
４：インバータ
６：エンジン
７：動力分配機構
８：モータ
９：デファレンシャルギヤ
９ａ、９ｂ：駆動輪
１０：ＤＣＤＣコンバータ
１２：サブバッテリ
１３：冷却パイプ
１４：ウォータポンプ
１５：リザーブタンク
１６：ラジエータ
１７：インバータクーラ
１８：オイルクーラ
４１：温度センサ
４２：回転センサ
５０：ポンプコントローラ
６０：ＨＶコントローラ
８０：冷却液
９１：オイル冷却パイプ
９３：オイルポンプ
１００：車両用冷却システム
２００：ハイブリッド車

Claims (1)

1. 管路内に冷媒を循環させるウォータポンプと、
   前記ウォータポンプを駆動させるための指令値を前記ウォータポンプに供給するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記ウォータポンプが所定の入力で駆動される場合の前記冷媒の水温及び前記ウォータポンプの回転数に対する前記冷媒の圧力損失の関係を示すマップを記憶しており、
   前記ウォータポンプが前記所定の入力で駆動されている間に、前記マップを用いて、前記冷媒の水温と前記ウォータポンプの回転数から前記冷媒の圧力損失を算出し、
   前記圧力損失が算出された後に、前記ウォータポンプへの入力を停止し、
   前記ウォータポンプへの入力停止後の前記ウォータポンプの回転数から前記所定の入力で前記ウォータポンプが駆動されている間の前記冷媒の流量を算出し、
   算出済みの圧力損失と算出済みの流量を用いて、前記管路の圧力損失と前記冷媒の流量との関係を示す圧力損失カーブを生成し、
   前記冷媒の水温から目標流量を算出し、
   前記圧力損失カーブに従って、前記目標流量に対する想定圧力損失を算出し、
   前記目標流量と前記想定圧力損失に従って、前記ウォータポンプの目標出力を算出し、
   前記ウォータポンプを前記目標出力で駆動させるための指令値を前記ウォータポンプに供給する、
   ことを特徴とする車両用冷却システム。

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