(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024172465
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】熱マネジメントシステムおよび電磁弁制御装置
(51)【国際特許分類】
F25B 1/00 20060101AFI20241205BHJP
B60H 1/22 20060101ALI20241205BHJP
【FI】
F25B1/00 304D
F25B1/00 304S
F25B1/00 304T
B60H1/22 651C
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023090202
(22)【出願日】2023-05-31
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】吉村 一樹
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 航
(72)【発明者】
【氏名】杉井 泰介
【テーマコード(参考)】
3L211
【Fターム(参考)】
3L211AA11
3L211BA23
3L211DA23
3L211EA50
3L211EA51
3L211EA71
3L211FB02
3L211GA23
(57)【要約】
【課題】電磁弁の開閉時における冷媒過熱度の急変を電磁弁開度の制御により抑制し、効率的な冷却と冷却対象の安定した温度制御とを両立する熱マネジメントシステムを提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機1と、圧縮された冷媒を放熱させる第1熱交換器2,3と、放熱した冷媒を膨張させる第1電磁弁4Cおよび第2電磁弁4A,4Bと、第1電磁弁4Cを介して膨張した冷媒に吸熱させる第2熱交換器5と、第2電磁弁4A,4Bを介して膨張した冷媒によって冷却される冷却対象9,10と、第1電磁弁4Cおよび第2電磁弁4A,4Bを開閉制御する電磁弁制御装置15とを備えた熱マネジメントシステムにおいて、電磁弁制御装置15は、第2電磁弁4A,4Bを開弁または閉弁する際に、第2電磁弁4A,4Bの開度を所定の時定数Tcに従って変化させる。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮された冷媒を放熱させる第1熱交換器と、
放熱した冷媒を膨張させる第1電磁弁および第2電磁弁と、
前記第1電磁弁を介して膨張した冷媒に吸熱させる第2熱交換器と、
前記第2電磁弁を介して膨張した冷媒によって冷却される冷却対象と、
前記第1電磁弁および前記第2電磁弁を開閉制御する電磁弁制御装置とを備えた熱マネジメントシステムにおいて、
前記電磁弁制御装置は、前記第2電磁弁を開弁または閉弁する際に、前記第2電磁弁の開度を所定の時定数に従って変化させる
ことを特徴とする熱マネジメントシステム。
【請求項2】
請求項1に記載の熱マネジメントシステムにおいて、
前記冷却対象の温度を検出する第1温度センサを備え、
前記電磁弁制御装置は、
前記第1温度センサの出力値が所定の閾値よりも大きい場合は、前記第2電磁弁を開き、
前記第1温度センサの出力値が所定の閾値以下の場合は、前記第2電磁弁を閉じる
ことを特徴とする熱マネジメントシステム。
【請求項3】
請求項2に記載の熱マネジメントシステムにおいて、
前記冷却対象を通過した冷媒の温度を検出する第2温度センサと、
前記冷却対象を通過した冷媒の圧力を検出する圧力センサとを備え、
前記電磁弁制御装置は、
前記第2温度センサおよび前記圧力センサの各出力値に基づいて前記冷媒の過熱度を算出し、
前記過熱度を所定の目標過熱度と一致させる前記第2電磁弁の目標開度を算出し、
前記第2電磁弁を開いた際に、前記第2電磁弁の開度を前記目標開度と一致させる
ことを特徴とする熱マネジメントシステム。
【請求項4】
請求項2に記載の熱マネジメントシステムにおいて、
前記冷却対象を通過した冷媒の温度を検出する第2温度センサと、
前記冷却対象を通過した冷媒の圧力を検出する圧力センサとを備え、
前記第1温度センサ、前記第2温度センサおよび前記圧力センサの各出力値の時系列データを蓄積するデータ蓄積部と、
前記データ蓄積部に蓄積された前記時系列データに基づいて前記第2電磁弁の目標開度を算出する演算部とを備え、
前記電磁弁制御装置は、前記第2電磁弁を開いた際に、前記第2電磁弁の開度を前記目標開度と一致させる
ことを特徴とする熱マネジメントシステム。
【請求項5】
冷媒を膨張させる電磁弁を開閉制御する電磁弁制御装置において、
前記電磁弁を開弁または閉弁する際に、前記電磁弁の開度を所定の時定数に従って変化させる
ことを特徴とする電磁弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両の空調と電動パワートレインの冷却のための熱マネジメントシステムおよび電磁弁制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電気自動車ではバッテリやモータなどの電動パワートレインの冷却が必要である。例えば、特許文献1では、車室内の空調に加えて、冷却対象(バッテリ)の安定した冷却のために、空調用の冷媒回路において、空調用冷媒とバッテリ冷却用の熱媒体が熱交換するためのバッテリ用の熱交換器を設け、熱媒体温度(バッテリ温度)に応じて空調用の冷媒回路に設けた弁装置を開閉することで、バッテリの冷却を制御する車両用空気調和装置が記載されている。
【0003】
上記車両用空気調和装置において、上記弁装置の開閉時に冷媒流路が変化し、熱交換器を流れる冷媒流量が急変することで、バッテリ温度や空調の空気温度が大きく変動してしまう課題に対し、特許文献1では、電磁弁の開閉に応じて圧縮機回転数を変化させることで、安定した温度制御を可能とする技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
複数の冷却対象(バッテリやモータなど)を、空調用冷媒を用いて効率よく冷却する手段として、空調用冷媒回路を冷却対象数に応じて分岐させ、冷媒の膨張と流量制御を行うための電磁弁を、分岐した管路毎に設ける熱マネジメントシステムが考えられる。
【0006】
具体的な例としては、バッテリとモータを空調用冷媒を用いて冷却するために、レシーバ下流において、従来の空調用熱交換器と接続される冷媒配管に加えて、バッテリ冷却用の冷媒配管とモータ冷却用の冷媒配管を分岐させ、それぞれの配管の冷却対象(または、冷却のための熱交換器)上流に電磁弁を設け、電磁弁で膨張・減圧した冷媒によって冷却対象を冷却する熱マネジメントシステムである。
【0007】
上記の熱マネジメントシステムにおいて、特許文献1に記載の従来技術を適用した場合、特定の冷却対象用の電磁弁、例えば、上記の例ではバッテリ冷却用の電磁弁の開閉に応じて圧縮機回転数を変化させるため、同時にモータ冷却用の冷媒配管における冷媒流量も変動する。すなわち、冷却対象の冷媒過熱度に影響する。その結果として、冷却効率の低下や、他方の冷却対象(上記の例ではモータ)の温度制御が困難になる懸念がある。冷却効率を最大化するためには、冷媒過熱度は一定となることが望ましい。
【0008】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁弁の開閉時における冷媒過熱度の急変を電磁弁開度の制御により抑制し、効率的な冷却と冷却対象の安定した温度制御とを両立する熱マネジメントシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を放熱させる第1熱交換器と、放熱した冷媒を膨張させる第1電磁弁および第2電磁弁と、前記第1電磁弁を介して膨張した冷媒に吸熱させる第2熱交換器と、前記第2電磁弁を介して膨張した冷媒によって冷却される冷却対象と、前記第1電磁弁および前記第2電磁弁を開閉制御する電磁弁制御装置とを備えた熱マネジメントシステムにおいて、前記電磁弁制御装置は、前記第2電磁弁を開弁または閉弁する際に、前記第2電磁弁の開度を所定の時定数に従って変化させるものとする。
【0010】
また、本発明は、冷媒を膨張させる電磁弁を開閉制御する電磁弁制御装置において、前記電磁弁を開弁または閉弁する際に、前記電磁弁の開度を所定の時定数に従って変化させるものとする。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、冷却対象を冷却するための冷媒を膨張させる電磁弁の開閉時に電磁弁開度が時定数を持つように制御されることで、電磁弁開閉に伴う冷媒流量の変化が緩やかになる。さらに、冷媒配管ごとに冷媒流量の急変を抑制するため、他の冷媒配管への流量変化の影響を低減できる。結果として、空調用の熱交換器および冷却対象の冷媒過熱度の急変を抑制できる。以上により、効率的な冷却と、空調用の熱交換器および冷却対象の安定した温度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の第1の実施例における熱マネジメントシステムの構成およびデータと電磁弁制御信号の流れを示す図である。
【
図2】本発明の第1の実施例における電磁弁制御装置におけるデータ処理を示すフローチャートである。
【
図3】本発明の第1の実施例における電磁弁開閉値の算出処理を示すフローチャートである。
【
図4】本発明の第1の実施例における電磁弁開閉値を補正するための補正関数を示す図である。
【
図5】従来例における電磁弁開閉値の算出処理を示すフローチャートである。
【
図6】従来例における電磁弁開閉値と冷媒過熱度の変化を示す図である。
【
図7】本発明の第1の実施例における電磁弁開閉値と冷媒過熱度の変化を示す図である。
【
図8】本発明の第1の実施例における補正関数の時定数と冷媒過熱度の最大値との関係を示す図である。
【
図9】本発明の第2の実施例における熱マネジメントシステムの構成およびデータと電磁弁制御信号の流れを示す図である。
【
図10】本発明の第2の実施例における電磁弁制御装置におけるデータ処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図中、同等の要素には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。
【実施例0014】
本発明の第1の実施例における熱マネジメントシステムおよび電磁弁制御装置について、
図1から
図8を用いて以下説明する。
【0015】
図1は、本実施例における熱マネジメントシステムの構成およびデータと電磁弁制御信号の流れを示す図である。熱マネジメントシステムは、圧縮機1と、室外熱交換器2と、室内熱交換器3と、空調用の電磁弁4C,4Dと、室内熱交換器5と、冷媒の流れる冷媒配管11と、冷媒を一時的に貯留するレシーバ7と、レシーバ7から分岐した冷媒配管11A,11Bと、冷媒配管11Aに接続された冷却対象のモータ9と、冷媒配管11Aに接続された冷却対象のバッテリ10と、電磁弁4A~4Dと、電磁弁4A~4Dを開閉制御する電磁弁制御装置13とを備えている。
【0016】
冷媒は圧縮機1で圧縮され、室外熱交換器2では、ファン8により車両外の空気が取り込まれ、冷媒との熱交換が促進される。室内熱交換器3,5では、冷媒と、車両室内の空気との熱交換が行われる。四方弁6を切り替えることで室外熱交換器2および室内熱交換器3,5に対する冷媒流れの方向は逆転し、これにより空調での冷房、暖房を切り替えるものとしている。
図1は冷房時の回路となっており、室外熱交換器2および室内熱交換器3は凝縮器、室内熱交換器5は蒸発器となり、電磁弁4Cにより冷媒は減圧される。暖房時は電磁弁4Dにより冷媒は減圧される。
【0017】
冷媒配管11Aに接続されたモータ9は、電磁弁4Aによって減圧された冷媒により冷却される。このとき、モータ9を直接冷媒配管と接して冷却する場合と、熱交換器(凝縮器)を介して空調用冷媒とは別の熱媒体と熱交換した後、上記熱媒体によって冷却される場合があり、ここでは詳細な説明は省略する。同様に、冷媒配管11Bに接続されたバッテリ10は、電磁弁4Bによって減圧された冷媒により冷却される。このとき、モータ9の場合と同様に、冷媒配管と接することで直接冷却されることもあれば、別途熱交換器と熱媒体を介して冷却される場合もある。
【0018】
図1中の破線矢印はデータまたは電磁弁制御信号の流れを表しており、圧力センサ12A,12Bより冷媒圧力Pref_mot,Pref_bat(以下簡略化してPrefと記載)、温度センサ13A,13Bにより冷媒温度Tref_mot,Tref_bat(以下簡略化してTrefと記載)を取得する。また、モータ9とバッテリ10に設けられた温度センサ14A,14Bより、冷却対象温度Tpt_mot,Tpt_bat(以下簡略化してTptと記載)を取得する。取得した冷媒圧力Pref、冷媒温度Trefおよび冷却対象温度Tptは電磁弁制御装置15に入力され、処理されたのち、電磁弁制御信号s3_mot,s3_bat(以下簡略化してs3と記載)として電磁弁4A,4Bへ出力される。なお、電磁弁4C,4Dも電磁弁制御装置15により制御されるが、本実施例には関係しないため、電磁弁制御信号の記載を省略している。
【0019】
図2は、電磁弁制御装置13におけるデータ処理を示すフローチャートである。ステップS10では、圧力センサ12A,12Bから得られた冷媒圧力Pref、冷媒温度Trefを入力する。ステップS20で、冷却対象9,10の下流における冷媒過熱度Tshを算出する。ステップS30で、目標とする冷媒過熱度である目標過熱度Ttshを事前設定した値として取得する。冷却効率を考慮すると、目標過熱度Ttshは15℃以下で設定することが望ましい。ステップS40で冷媒過熱度Tshと目標過熱度Ttshの差分を算出し、ステップS50ではその差分に基づいたPID制御により、冷媒過熱度Tshが目標過熱度Ttshと一致するような電磁弁目標開度s2を算出する。そしてステップS60では、後述する電磁弁開閉値s1と電磁弁目標開度s2との積を、電磁弁制御信号s3として算出する。最後にステップS70では、電磁弁制御信号s3を電磁弁4A,4Bへ出力する。
【0020】
図3は、電磁弁開閉値s1の算出処理を示すフローチャートである。ステップS110では、冷却対象9,10に設けられた温度センサ14A,14Bから得た冷却対象温度Tptを入力する。冷却対象9,10にそれぞれ複数の温度センサが設けられる場合は、温度センサの数に応じた複数の冷却対象温度Tptを入力する。ステップS120では、複数の冷却対象温度Tptを入力した場合に、それらの代表値である冷却対象温度Taptを計算するための処理(最大/最小値をとる、平均値をとるなど)を行う。ステップS130では、冷却対象9,10の目標温度である閾値T1を取得する。閾値T1は冷却対象9,10ごとに設定される。ステップS140では冷却対象温度Taptと閾値T1を比較し、Tapt>T1の場合はステップS160へ進み、そうでない場合はステップS170へ進む。ステップS160では電磁弁開閉値s1(t)に1(開弁を意味する)を設定する。ここで、tはデータ処理上必要となる、システム内での時間の変数である。ステップS170では電磁弁開閉値s1(t)に0(閉弁を意味する)を設定する。ステップS180およびS190では、s1(t-Δt)の値を確認する。s1(t-Δt)は、
図2のフローチャートによるデータ処理をΔt間隔で実施するものとしたとき、直前の処理時での電磁弁開閉値s1を意味している。s1(t)の値がs1(t-Δt)の値と一致しない場合は、ステップS200およびS210にて時間tは0にリセットされ、その後再び時間経過がカウントされる。ステップS220では、電磁弁開閉値s1(t)の補正のためのパラメータである時定数Tcを取得する。そしてs1(t)=1の場合は、ステップS230にて補正関数G1(t)の値が補正後の電磁弁開閉値s1として設定される。同様に、s1(t)=0の場合は、ステップS240にて補正関数G2(t)の値が補正後の電磁弁開閉値s1として設定される。補正後の電磁弁開閉値s1は、
図2に記載のステップS60に送られる。
【0021】
ここで、
図4を用いて、
図3のステップS230およびS240に記載の補正関数G1(t),G2(t)について説明する。
図4(a)は補正関数G1(t)、
図4(b)は補正関数G2(t)である。時間tの増加に伴い、補正関数G1(t)は時定数Tcに応じて0から1に収束し、補正関数G2(t)は時定数Tc応じて1から0に収束する。なお、本実施例では指数関数を用いた補正関数の例を示したが、ここで示した例に限らず、時定数Tcに応じて1または0に収束する関数であれば、補正関数として適用できる。
【0022】
次に、本実施例の効果について、電磁弁開閉値s1を補正しない場合(従来例)と比較して説明する。
図5は、従来例における電磁弁開閉値s1の算出処理を示すフローチャートである。
図5では、
図3のステップS180からS240は実行せず、ステップS250にて電磁弁開閉値s1(t)をそのまま電磁弁開閉値s1に設定し、
図2のフローチャートに渡している。
図5のフローチャートを用いた場合に得られる、圧縮機1(
図1に示す)の入口における冷媒過熱度を
図6に示す。目標過熱度は5℃としている。
図6(a)は、従来例における電磁弁開閉値s1の変化を示している。電磁弁4Aの開閉値s1(実線で示す)が1から0へ変化するタイミングで電磁弁4Aが閉じる。また、電磁弁4Bの開閉値s1(破線で示す)が0から1へ変化するタイミングで電磁弁4Bが開き、電磁弁4Bの開閉値s1が1から0へ変化するタイミングで電磁弁4Bが閉じる。
図6(b)はこのときの冷媒過熱度の変化を示しており、電磁弁4A,4Bの開閉時に冷媒過熱度が大きく変動している様子が確認できる。これは電磁弁開閉に伴う冷媒流量の急変に起因するものである。
【0023】
以上のように、従来例においては、電磁弁4A,4Bの開閉時に冷媒流量が急変するため、それに起因し冷媒過熱度も大きく変動する課題がある。そこで本実施例のように、各冷却対象9,10の冷媒配管11A,11Bに設けられた電磁弁4A,4Bを個別に制御することで、上記の課題を解決することができる。
図7は、本実施例を適用した場合の、補正後の電磁弁開閉値s1および圧縮機1の入口における冷媒過熱度を示している。
図6の結果と比較すると、補正後の電磁弁開閉値s1は時間をかけて1または0に収束するような挙動となっており、それに応じて冷媒過熱度の変動が抑えられている。
【0024】
さらに、補正関数G1(t),G2(t)の時定数Tcが冷媒過熱度の変動に及ぼす影響について説明する。
図8は、時定数Tcと冷媒過熱度の最大値との関係を示したものである。時定数Tcが大きくなるほど、冷媒過熱度の最大値は減少していることが分かる。一般的に空調用の室内熱交換器5においては、冷媒過熱度は15℃以下が良い。本実施例の場合は時定数Tcを20秒以上とすることで冷媒過熱度がおおよそ15℃以下に抑制できていることが確認できる。すなわち、時定数Tcの設定は20秒以上とすることが推奨される。
【0025】
(まとめ)
第1の実施例では、冷媒を圧縮する圧縮機1と、圧縮された冷媒を放熱させる第1熱交換器2,3と、放熱した冷媒を膨張させる第1電磁弁4Cおよび第2電磁弁4A,4Bと、第1電磁弁4Cを介して膨張した冷媒に吸熱させる第2熱交換器5と、第2電磁弁4A,4Bを介して膨張した冷媒によって冷却される冷却対象9,10と、第1電磁弁4Cおよび電磁弁4A,4Bを開閉制御する電磁弁制御装置15とを備えた熱マネジメントシステムにおいて、電磁弁制御装置15は、第2電磁弁4A,4Bを開弁または閉弁する際に、第2電磁弁4A,4Bの開度を所定の時定数Tcに従って変化させる。
【0026】
また、第1の実施例では、冷媒を膨張させる電磁弁4A,4Bを開閉制御する電磁弁制御装置15において、第2電磁弁4A,4Bを開弁または閉弁する際に、第2電磁弁4A,4Bの開度を所定の時定数Tcに従って変化させる。
【0027】
以上のように構成した第1の実施例によれば、冷却対象9,10を冷却するための冷媒を膨張させる電磁弁4A,4Bの開閉時に電磁弁開度が時定数Tcを持つように制御されることで、電磁弁開閉に伴う冷媒流量の変化が緩やかになる。さらに、冷媒配管11A,11Bごとに冷媒流量の急変を抑制するため、他の冷媒配管への流量変化の影響を低減できる。結果として、空調用の熱交換器5および冷却対象9,10の冷媒過熱度の急変を抑制できる。以上により、効率的な冷却と、空調用の熱交換器5および冷却対象9,10の安定した温度制御が可能となる。
【0028】
また、第1の実施例における熱マネジメントシステムは、冷却対象9,10の温度を検出する第1温度センサ14A,14Bを備え、電磁弁制御装置15は、第1温度センサ14A,14Bの出力値Taptが所定の閾値T1よりも大きい場合は、第2電磁弁4A,4Bを開き、第1温度センサ14A,14Bの出力値Taptが所定の閾値T1以下の場合は、第2電磁弁4A,4Bを閉じる。これにより、冷却対象9,10の温度を目標温度T1に保つことが可能となる。
【0029】
また、第1の実施例における熱マネジメントシステムは、冷却対象9,10を通過した冷媒の温度Trefを検出する第2温度センサ13A,13Bと、冷却対象9,10を通過した冷媒の圧力Prefを検出する圧力センサ12A,12Bとを備え、電磁弁制御装置15は、第1温度センサ14A,14B、第2温度センサ13A,13Bおよび圧力センサ12A,12Bおよびの各出力値に基づいて冷媒の過熱度Tshを算出し、過熱度Tshを所定の目標過熱度Ttshと一致させる第2電磁弁4A,4Bの目標開度s2を算出し、第2電磁弁4A,4Bを開いた際に、第2電磁弁4A,4Bの開度を目標開度s2と一致させる。これにより、圧縮機1の入口における冷媒過熱度を目標過熱度Ttshに保つことが可能となる。
本実施例により、車両毎に取得したデータを用いて、適切な電磁弁目標開度s2を算出できる。すなわち、車両の個体差や、車両の使われ方の特徴を踏まえた、電磁弁4A,4Bの制御が可能となり、熱マネジメントによるさらなる熱利用効率の向上が期待される。
以上のように構成した第2の実施例によれば、車両の個体差や、車両の使われ方の特徴を踏まえた、第2電磁弁4A,4Bの制御が可能となり、熱マネジメントによるさらなる熱利用効率の向上が期待される。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。